引入計算思維的“C程序設(shè)計”教學(xué)研究與實踐

匡春臨 蔣勝利

[摘 要] 針對高校新生亟需加強計算思維能力培養(yǎng)的狀況，分析在“C程序設(shè)計”課程中引入計算思維的必要性與可行性，提出在“C程序設(shè)計”教學(xué)內(nèi)容及過程中全面引入計算思維思想，改驗證性為主的實驗教學(xué)為分析探究性為主，并對教改學(xué)生與傳統(tǒng)教學(xué)學(xué)生的考試成績進(jìn)行了分析與比較。

[關(guān)鍵詞] 計算思維;C程序設(shè)計;教學(xué)內(nèi)容

在世界信息化過程中，中國的“后發(fā)優(yōu)勢”已經(jīng)所剩無幾[1]。因此，加強以計算思維為核心的計算機(jī)科學(xué)教育，提升全民的數(shù)字素養(yǎng)，提升國家在信息技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力是當(dāng)務(wù)之急。我國在2010年7月，迅速確定了以計算思維為核心的計算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，計算機(jī)教育界普遍認(rèn)為大學(xué)第一門計算機(jī)基礎(chǔ)課程是計算思維能力培養(yǎng)的關(guān)鍵[2]。然而，有個普遍的觀點認(rèn)為計算機(jī)只是工具，所以在計算機(jī)教育中還存在的很多片面觀點，即使開設(shè)了以計算思維為導(dǎo)向的計算機(jī)基礎(chǔ)課程，但缺少知識的內(nèi)在聯(lián)系，沒有考慮教育對象的接受能力[3]，在具體的實施過程中也不理想。C語言是完全模塊化和結(jié)構(gòu)化的高級語言，具有運算符、數(shù)據(jù)類型豐富、與計算機(jī)硬件聯(lián)系緊密等特點。因此，作為計算機(jī)基礎(chǔ)課程群課程之一的“C程序設(shè)計”，從理論層面、實踐訓(xùn)練層面以及難度把控上，都非常適合用以培養(yǎng)新生的計算思維意識。

一、“C程序設(shè)計”教學(xué)中存在的問題

近年來，“C程序設(shè)計”的教學(xué)內(nèi)容及方法不斷得到改進(jìn)，大大提高了學(xué)生的實踐能力，計算思維也被引入“C程序設(shè)計”課程的部分知識點或教學(xué)方法上[4]，但仍存在諸多不足。尤其在一些應(yīng)用型高校，普遍存在“重語法、練代碼，輕設(shè)計、少分析”的現(xiàn)象。教師只是把C語言當(dāng)成一種編程語言，而缺少分析問題、解決問題的訓(xùn)練，割裂“C程序設(shè)計”與學(xué)科間聯(lián)系的問題尤其突出。另外，以驗證為主的實驗也把學(xué)生禁錮在“重語法、練代碼，輕設(shè)計、少分析”的教條中。

二、引入計算思維的“C程序設(shè)計”

計算思維內(nèi)涵豐富，“C程序設(shè)計”作為計算機(jī)專業(yè)的入門課，不能深入講授相關(guān)理論，但深入淺出地講解一些內(nèi)涵知識，對培養(yǎng)學(xué)生的計算思維意識非常重要。因此，“C程序設(shè)計”課程要從教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革入手，摒細(xì)節(jié)，抓思想，加強思維能力的訓(xùn)練，創(chuàng)造性地編寫C程序。

1.引入計算科學(xué)的思想，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力。在“C程序設(shè)計”課程中，要讓學(xué)生了解計算科學(xué)中形式化描述的概念，學(xué)會分析簡單的計算復(fù)雜度，理解并會用遞歸定義分析問題。學(xué)會使用符號系統(tǒng)對求解問題進(jìn)行精確而嚴(yán)格的描述，對實際系統(tǒng)抽象建模。這個階段是學(xué)生計算思維意識的萌芽期，需避免過多的理論知識，如何深入淺出、理論聯(lián)系日常生活將是講授這些概念的關(guān)鍵。變量、數(shù)組、結(jié)構(gòu)體等知識點，可以鍛煉學(xué)生的數(shù)據(jù)抽象能力。通過實例培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識到，同一個事物在面對不同問題求解時，抽象出來的數(shù)據(jù)模型可以是不同的。功能驅(qū)動的程序設(shè)計、模塊化編程能夠培養(yǎng)學(xué)生的過程抽象能力。C語言函數(shù)和多文件編程就是理解這個概念非常好的素材。在實際教學(xué)過程中，可以把函數(shù)的教學(xué)直接放到結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計前，盡可能早地培養(yǎng)學(xué)生模塊化程序設(shè)計思想。

2.了解計算機(jī)工作的原理，明白自動計算的本質(zhì)。馮·諾依曼體系的電子計算機(jī)問世后，“計算”已經(jīng)無時無刻不在影響著我們的生活。在教學(xué)中，可以從計算機(jī)中的數(shù)制開始，讓學(xué)生了解自動計算的概念。僅僅用0和1兩個最簡單的代碼來表述世界上最復(fù)雜的事物，進(jìn)行最復(fù)雜計算，這本身就是吸引學(xué)生關(guān)注的一個興奮點。當(dāng)學(xué)生明白了日常生活中的數(shù)據(jù)是如何在計算機(jī)中以二進(jìn)制的形式表示，以及如何處理這些數(shù)據(jù)時，計算思維就在學(xué)生的意識中播下了種子。在以數(shù)據(jù)為中心的程序設(shè)計中，作為馮·諾依曼機(jī)的核心模塊之一的內(nèi)存，尤其重要。C程序設(shè)計的本質(zhì)就是對內(nèi)存的讀寫，C語言從最基本的常量、變量到數(shù)組、指針等數(shù)據(jù)，無不與內(nèi)存有緊密聯(lián)系。學(xué)生掌握了內(nèi)存的實質(zhì)，才是真正理解C程序設(shè)計的內(nèi)涵。在“C程序設(shè)計”中，內(nèi)存是抽象的，學(xué)生必須理解內(nèi)存是由若干個具有地址編碼的存儲單元組成的線性空間，以及程序設(shè)計如何在這個空間上進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫、內(nèi)存單元的申請與釋放。

3.引入算法概念，掌握基本的算法。C語言作為入門課程，考慮其特點和學(xué)生的能力，可以引入基本的算法，如窮舉法、遞推法、迭代法、遞歸法以及分治法等。通過對這些算法的分析與訓(xùn)練，逐步培養(yǎng)學(xué)生的算法意識，學(xué)會設(shè)計算法，并依據(jù)算法編寫程序，分析算法的復(fù)雜度，學(xué)會利用算法解決問題。在教學(xué)過程中，必須要讓算法設(shè)計與語法學(xué)習(xí)居于同等位置。

4.引入計算思維，強化實驗訓(xùn)練。引入計算思維的實驗課，必須改驗證性的實驗為分析性的。學(xué)生寫出的程序不僅是要執(zhí)行出來結(jié)果，更要讓學(xué)生開拓思維，用不同的算法、方法解決問題，并且要學(xué)會分析不同算法、方法之間的區(qū)別。這樣不僅可以提高學(xué)生編程的興趣，更重要的是訓(xùn)練了學(xué)生分析問題的能力，有助于培養(yǎng)其創(chuàng)新思維意識。在實驗中引入時間或空間復(fù)雜度分析，變驗證性為分析性實驗，找到不同程序（算法）性能差異的原因，進(jìn)而達(dá)到在限定復(fù)雜度內(nèi)設(shè)計算法、編寫程序，還可以在班內(nèi)搞對抗賽等活動提高學(xué)生的興趣。

總之，在引入計算思維的“C程序設(shè)計”課程的教學(xué)過程中，教師不僅需要培養(yǎng)學(xué)生動手寫代碼的能力，更需要引導(dǎo)學(xué)生去思考代碼的本質(zhì)。圖1詮釋如何訓(xùn)練學(xué)生的計算思維能力。

項目中，針對洛陽師范學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院2018級學(xué)生實施傳統(tǒng)教學(xué)模式與計算思維教學(xué)模式的期末考試情況做了對比，對比情況如表1所示。其中，后者在優(yōu)秀率上比前者要好，但在不合格率上要差。這個原因初步判斷一是樣本不夠大，二是設(shè)計的教學(xué)案例單調(diào)、難度缺少梯度、數(shù)量偏少。后續(xù)要對這些問題進(jìn)行整改，同時對這些學(xué)生進(jìn)行跟蹤調(diào)查，進(jìn)一步了解引入計算思維訓(xùn)練的學(xué)生后期學(xué)習(xí)情況。

三、結(jié)語

把計算思維的思想有機(jī)融入“C程序設(shè)計”教學(xué)，要避免出現(xiàn)“拼盤”式、“狹義計算思維”[3]的誤區(qū)，調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的側(cè)重點，采用講授程序轉(zhuǎn)變到分析語法本質(zhì)的教學(xué)方法，摒棄代碼公式的訓(xùn)練方式。計算思維能力的培養(yǎng)是一個循序漸進(jìn)的過程，實踐中需要教師在教學(xué)過程中潛移默化地影響學(xué)生，灌輸計算思維的思想，切不能急躁冒進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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