思源 思徑 思異 思辨：基于CDIO 的編程思維培養(yǎng)路徑探索
——以中職計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生python 教學(xué)為例

劉曉梅 張鳳鳳 杭州市富陽(yáng)區(qū)職業(yè)教育中心

一、編程思維培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)語(yǔ)言教學(xué)的內(nèi)核

編程語(yǔ)言只是一種在特定情境下讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的實(shí)現(xiàn)工具。隨著時(shí)代的發(fā)展，編程語(yǔ)言不斷涌現(xiàn)，計(jì)算機(jī)程序員需要具備不斷學(xué)習(xí)新的編程語(yǔ)言的能力，而這種能力來(lái)源于程序員對(duì)計(jì)算機(jī)編程思想（俗稱算法）的理解和掌握，即具備了編程思維。編程思維絕不是對(duì)算法的生搬硬套，而是對(duì)同一個(gè)問(wèn)題提出多種解決方案，并構(gòu)建最佳路徑的能力。但在教學(xué)過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)中職學(xué)生缺少編程思維。面對(duì)程序，他們常常死記硬背代碼，而不是理解算法的真正含義，于是題目稍加變動(dòng)，就會(huì)無(wú)從下手。隨著知識(shí)的增多，背代碼顯然會(huì)增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，使其產(chǎn)生畏難情緒、抵觸心理。更重要的是，隨著時(shí)代發(fā)展，編程語(yǔ)言日新月異，沒(méi)有形成編程思維的學(xué)生是無(wú)法完成知識(shí)的更新，難以適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展。

因此，筆者認(rèn)為對(duì)程序語(yǔ)言的教學(xué)中，學(xué)生編程思維的培養(yǎng)是教學(xué)的重中之重。筆者在python 語(yǔ)言的教學(xué)過(guò)程中，積極思考編程思維培養(yǎng)的關(guān)鍵要素，嘗試將CDIO 工程教育理念融入課堂，構(gòu)建編程思維的培養(yǎng)路徑，創(chuàng)新課堂教學(xué)方法，推動(dòng)學(xué)生從學(xué)知識(shí)到用知識(shí)，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)思考，善于思考，勇于思考，逐漸建立編程思維。

二、編程思維培養(yǎng)是以思維訓(xùn)練為核心的教學(xué)

（一）編程思維培養(yǎng)的要素分析

編程思維是指一種高效解決問(wèn)題的思維方式。它并不是編寫程序的技巧，而是一種能在頭腦中快速分解問(wèn)題，并用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的思維過(guò)程。對(duì)《python 語(yǔ)言》的學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)，編程思維主要體現(xiàn)在對(duì)排序、窮舉、遞歸等基本算法的理解和運(yùn)用。具體地，筆者將編程思維能力歸納為思源、思徑、思異、思辨四個(gè)能力要素的體現(xiàn)，即理解算法來(lái)源，知道算法實(shí)現(xiàn)邏輯，會(huì)用不同途徑的程序?qū)崿F(xiàn)算法，能在不同場(chǎng)景下應(yīng)用算法。

（二）編程思維培養(yǎng)的路徑構(gòu)建

依據(jù)編程思維能力要素，筆者在編程思維培養(yǎng)的路徑構(gòu)建過(guò)程中借鑒了CDIO 工程教育模式。CDIO 工程教育模式包含構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)現(xiàn)（Implement）和運(yùn)作（Operate）四個(gè)方面的內(nèi)容。把產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程融合成一個(gè)項(xiàng)目，強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目完成過(guò)程中學(xué)生的主動(dòng)參與性，課程體系之間的相關(guān)性。CDIO 教育模式符合中職計(jì)算機(jī)專業(yè)python 教學(xué)項(xiàng)目教學(xué)的基本思想。

基于CDIO 教育模式，以培養(yǎng)學(xué)生編程思維能力思源、思徑、思異、思辨四要素為目標(biāo)，在程序語(yǔ)言的教學(xué)過(guò)程中立足于對(duì)實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目需求的解決，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)知原理、建模型、調(diào)代碼、試應(yīng)用四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)訓(xùn)練和建構(gòu)學(xué)生編程思維。知原理即激活學(xué)生的思維，探究解決問(wèn)題的本源；建模型即通過(guò)邏輯模型縷清解決問(wèn)題路徑；調(diào)代碼即用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)邏輯模型，分析解決問(wèn)題的方法，優(yōu)化實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的過(guò)程；試應(yīng)用即能夠在不同使用場(chǎng)景中，快速辨別應(yīng)用的算法，并整理解決問(wèn)題的方案。

圖1 編程思維培養(yǎng)的路徑構(gòu)建

三、編程思維培養(yǎng)是遵循知識(shí)內(nèi)化規(guī)律的學(xué)習(xí)過(guò)程

培養(yǎng)編程思維的過(guò)程應(yīng)該遵循學(xué)生認(rèn)識(shí)和思維的發(fā)展規(guī)律，依托學(xué)生已有知識(shí)體系，逐步構(gòu)建由抽象思維到程序化思維的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而形成編程思維。基于CDIO 教學(xué)模式的編程思維培養(yǎng)路徑，以活動(dòng)激活舊知、以建模表述理論、以編碼實(shí)現(xiàn)邏輯，以應(yīng)用完成內(nèi)化。四個(gè)環(huán)節(jié)一脈相承，緊密相連，即符合學(xué)生認(rèn)知過(guò)程，也符合學(xué)生思維發(fā)展。

（一）思源-知原理：抽象原理具體化

學(xué)生對(duì)于編程的恐懼常是因?yàn)椴焕斫馑惴ǖ脑恚瑢?duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)算法原理晦澀難懂，對(duì)教師來(lái)說(shuō)難以表達(dá)，學(xué)生通常霧里看花，知其一卻不知其二。筆者認(rèn)為讓學(xué)生能夠知原理，是學(xué)習(xí)編程語(yǔ)言的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，過(guò)程中應(yīng)基于學(xué)生原生認(rèn)知，從生活中取材，采用游戲、動(dòng)畫、圖片、軟件、頭腦風(fēng)暴等多種形式的活動(dòng)來(lái)直觀展示算法的運(yùn)行過(guò)程，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解。

案例1：游戲中學(xué)算法——二分查找算法之原理分析

環(huán)節(jié)一：玩游戲

此環(huán)節(jié)采用游戲活動(dòng)，讓學(xué)生通過(guò)玩猜數(shù)字游戲體會(huì)二分查找算法的原理。游戲玩法如下：兩個(gè)同學(xué)一組，甲在0-100之間選擇一個(gè)數(shù)字，請(qǐng)乙猜，每次給出大了或者小了的提示，直至乙猜到數(shù)字，用時(shí)最短的小組獲勝。

環(huán)節(jié)二：描述游戲通關(guān)法寶

學(xué)生游戲過(guò)程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)每次猜中給定范圍區(qū)域內(nèi)的中間值，通過(guò)中間值確定數(shù)字，猜數(shù)的次數(shù)最少，速度最快。

環(huán)節(jié)三：引入二分查找算法核心思想

教師在學(xué)生描述游戲通關(guān)法寶的基礎(chǔ)上，總結(jié)二分查找算法的原理：通過(guò)查找范圍的中間值與待查數(shù)字相比較以確定以一次查找范圍。

教師再將學(xué)生游戲過(guò)程用賦值動(dòng)畫的形式展示給學(xué)生，此時(shí)學(xué)生對(duì)抽象的賦值動(dòng)畫一看即懂，為后面的建模做充分準(zhǔn)備。

實(shí)踐表明，游戲活動(dòng)使抽象枯燥的原理變得立體易懂，激活了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生感受到了沉浸式學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。使過(guò)去很多教師認(rèn)為只可意會(huì)不可言傳的算法思想變?yōu)榭赏妗⒖伤迹蟠蠼档土藢W(xué)生學(xué)習(xí)的難度。

（二）思徑-建模型：具體原理邏輯化

通過(guò)上一環(huán)節(jié)的活動(dòng)，學(xué)生已經(jīng)能理解算法的原理，但此時(shí)，頭腦中的原理是具體的、非程序化的，無(wú)法直接用程序化的語(yǔ)言代碼表達(dá)出來(lái)，這就需要借助流程圖或建模圖等形式將文字化的原理轉(zhuǎn)變成為程序化的思維。該環(huán)節(jié)教師需要引導(dǎo)學(xué)生將操作分塊，轉(zhuǎn)變?yōu)榱鞒糖逦牧鞒虉D或建模圖，幫助學(xué)生建構(gòu)邏輯思維。

案例2：沙盤流程圖——二分查找算法之流程圖建構(gòu)

通過(guò)上一環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，學(xué)生表述出二分查找算法的原理：在一個(gè)有序列表中，將表中間位置記錄的值與查找值相比較，如果兩者相等，則查找成功；否則利用中間位置將表分成前、后兩個(gè)子表，如果中間位置記錄的值大于查找值，則繼續(xù)查找前一子表，否則查找后一子表。重復(fù)以上過(guò)程，直到找到滿足條件的記錄，即查找成功。當(dāng)設(shè)定的下邊界值大于上邊界值時(shí)，則查找不成功。

環(huán)節(jié)四：沙盤模擬

流程圖可以形象直觀的展示算法實(shí)現(xiàn)的操作流程，幫助學(xué)生掌握分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法，但是中職學(xué)生編程基礎(chǔ)薄弱，直接讓學(xué)生在紙上畫出流程圖，難度較大，筆者采用“拼流程圖”的形式，讓學(xué)生以貼代畫、以選代答。

步驟1：教師首先需預(yù)先給出流程圖所用符號(hào)的含義和功能表。引導(dǎo)學(xué)生快速記憶。

步驟2：引導(dǎo)學(xué)生將二分查找算法的步驟進(jìn)行細(xì)化和拆分，提煉出若干個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

關(guān)鍵問(wèn)題 解決方案確定查找范圍 用條件判斷確定上、下限范圍用循環(huán)反復(fù)改變查找范圍待查范圍里中間值與待查結(jié)果值進(jìn)行比較確定范圍里的中間值中間值與待查數(shù)據(jù)進(jìn)行比較結(jié)果輸出中間值與待查數(shù)據(jù)相等，查找成功，輸出相應(yīng)位置上限值大于下限值，查找失敗

步驟3：請(qǐng)學(xué)生利用教具，構(gòu)建二分查找算法的沙盤化流程圖。

圖2 學(xué)生探究沙盤化流程圖

案例3：建模流程圖——運(yùn)用遞推算法求解爬樓梯問(wèn)題

在活動(dòng)階段，通過(guò)動(dòng)畫形式幫助同學(xué)們理解爬樓梯問(wèn)題的原理：到達(dá)第n 級(jí)臺(tái)階的方法種數(shù)=到達(dá)第n-1 級(jí)臺(tái)階的方法種數(shù)+到達(dá)第n-2 級(jí)臺(tái)階的方法種數(shù)。如何通過(guò)圖示來(lái)表達(dá)層與層之間的關(guān)系，幫助學(xué)生建構(gòu)算法的模型？教師利用建模圖，幫助學(xué)生理清算法中各變量之間的關(guān)系。如圖3所示。

圖3 為爬樓梯問(wèn)題建模圖

虛線框①、虛線框②、虛線框③、虛線框④清晰地呈現(xiàn)了遞推運(yùn)算的過(guò)程，而且每一個(gè)虛線框內(nèi)的圖形結(jié)構(gòu)完全相同，說(shuō)明可以設(shè)計(jì)循環(huán)代碼，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重復(fù)每個(gè)虛線框內(nèi)的運(yùn)算過(guò)程。

建模環(huán)節(jié)有效修補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)中從具體思維直接進(jìn)入代碼編程環(huán)節(jié)的思維斷層，流程圖和建模圖可以幫助學(xué)生理清算法原理，使頭腦中的經(jīng)驗(yàn)思維可視化、流程化，降低了編碼編寫的難度，有效克服中職學(xué)生的代碼編寫的畏難心理。

（三）思異-調(diào)代碼：邏輯建構(gòu)程序化

通過(guò)構(gòu)建模型圖，學(xué)生已經(jīng)進(jìn)一步建立了結(jié)構(gòu)化程序的基本概念，但把思維模型轉(zhuǎn)換為具體的編碼需要學(xué)生具備較扎實(shí)的語(yǔ)言知識(shí)基礎(chǔ)。筆者在教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)程序填空、程序改錯(cuò)等方法，由淺入深，由易到難引導(dǎo)學(xué)生建立語(yǔ)法的概念，逐步完善代碼編寫。程序填空聚焦知識(shí)難點(diǎn)，降低操作難度，重建學(xué)生自信。

案例4：程序填空識(shí)語(yǔ)法重點(diǎn)

根據(jù)二分查找算法流程圖，讓學(xué)生用該算法來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，在有序列表中[2，4，8，13，14，15，18，20]中，查找在鍵盤上輸入的任意數(shù)字，返回查找結(jié)果。

圖4 根據(jù)流程圖進(jìn)行程序填空

案例5：大家來(lái)找茬探究運(yùn)行過(guò)程

環(huán)節(jié)一：布置任務(wù)

學(xué)生構(gòu)建了爬樓梯問(wèn)題的建模圖之后，筆者設(shè)計(jì)了“大家來(lái)找茬”競(jìng)賽環(huán)節(jié)，找出并修改程序中錯(cuò)誤，使程序能夠正常運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)特定功能。

運(yùn)用遞推算法求解爬樓梯問(wèn)題。假設(shè)一段樓梯共有6 級(jí)臺(tái)階，小明一步最多能上2 級(jí)臺(tái)階，那么小明走完這段樓梯一共有多少種方法？

環(huán)節(jié)二：修改代碼

學(xué)生采用小組學(xué)習(xí)法，調(diào)試修改代碼，并展示講解代碼修改的方法。教師根據(jù)學(xué)生答題情況給予指導(dǎo)。

程序思維的形成需要學(xué)生大量地閱讀他人編寫的優(yōu)秀代碼，但對(duì)初學(xué)編程的學(xué)生而言，閱讀代碼的難度較高，學(xué)生常望而卻步，而“大家來(lái)找茬”的形式非常適合中職學(xué)生的學(xué)情，既能降低代碼閱讀難度，引領(lǐng)學(xué)生形式閱讀代碼的習(xí)慣。錯(cuò)誤點(diǎn)的設(shè)置緊緊圍繞學(xué)生的易錯(cuò)點(diǎn)，疑難點(diǎn)，通過(guò)代碼訂正，有效幫助學(xué)生加深理解和記憶，同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生自主調(diào)試程序的能力。

（四）思辨-試應(yīng)用：程序表達(dá)能力化

知識(shí)的遷移是編程思維形成的重要體現(xiàn)。讓學(xué)生能夠本身觸類旁通、由此及彼，構(gòu)建出學(xué)科的知識(shí)鏈、問(wèn)題鏈和方法鏈。筆者在教學(xué)中注重分析知識(shí)與知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三的能力，并對(duì)接程序設(shè)計(jì)崗位需求，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，引入真實(shí)的案例，讓學(xué)生嘗試運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

案例6：最值與排序

求最大值問(wèn)題：在跳水比賽中，有5 個(gè)評(píng)委評(píng)分，通過(guò)程序求出5 個(gè)評(píng)委中的最高分，并將最高分放到最前面。

學(xué)生在學(xué)習(xí)最值算法后，可以用單層循環(huán)實(shí)現(xiàn)在列表中找到最大值，并存到列表中第一個(gè)位置。

教師引問(wèn)：如何求其余4 個(gè)評(píng)委中的最高分，并將其放到前數(shù)第二個(gè)位置？此時(shí)學(xué)生可以模仿最值算法將第二大的值放到列表中第二個(gè)位置。

教師追問(wèn)：以此依推，每次求出其余評(píng)委中的最高分，并將其放到相應(yīng)的位置？觀察程序之間的關(guān)系?能否將程序進(jìn)行整合？

學(xué)生在完成教師提出的問(wèn)題過(guò)程中，很容易發(fā)現(xiàn)程序的核心程序都是相同的，由于每次求最值的位置不同，所以循環(huán)控制變量不同。可以利用循環(huán)嵌套來(lái)整合程序，進(jìn)而得出排序程序。

最值算法是選擇排序算法的一次運(yùn)行結(jié)果，此時(shí)由此及彼的講解選擇排序算法，學(xué)生更容易理解。循序漸進(jìn)的完成代碼編寫，挖掘算法之間的內(nèi)在聯(lián)系，更有效地幫助學(xué)生形成知識(shí)體系，提高程序表達(dá)能力，實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移。

案例7：在python 中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站的用戶登錄界面功能

1.項(xiàng)目需求：運(yùn)行登錄界面程序，通過(guò)鍵盤上輸入正確的用戶名和密碼，會(huì)顯示“歡迎登錄”提示；用戶名輸入錯(cuò)誤，則會(huì)提示“用戶名不存在，請(qǐng)重新輸入”，如果用戶名錯(cuò)誤輸入次數(shù)超過(guò)3 次，則程序結(jié)束；密碼輸入錯(cuò)誤，會(huì)提示“密碼輸入錯(cuò)誤，請(qǐng)重新輸入”，如果輸入錯(cuò)誤密碼次數(shù)超過(guò)3 次，則程序結(jié)束。

2.關(guān)鍵問(wèn)題及解決方法分析：

學(xué)生在教師的引領(lǐng)下分解項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方法。雖然學(xué)生已經(jīng)基本掌握了二分查找算法原理和程序編寫，但并不能靈活地應(yīng)用到實(shí)際需求中，因此，筆者在教學(xué)過(guò)程中，注重對(duì)學(xué)生問(wèn)題分解和尋找問(wèn)題方法的能力培養(yǎng)。

3.分層實(shí)現(xiàn)

學(xué)生分別完成三個(gè)層次的任務(wù)，分別為“利用二分查找法在二維列表中查找用戶名”“在二維列表中查找用戶名對(duì)應(yīng)的密碼”“控制用戶名和密碼的查找次數(shù)”。三個(gè)任務(wù)均完成后即完成項(xiàng)目功能。

三個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)項(xiàng)目完成的三個(gè)階段，逐層深入。同學(xué)們可以根據(jù)自己的能力選擇完成任務(wù)，完成任務(wù)后，由各組派代表展示相應(yīng)代碼，并講解代碼編寫方法和相關(guān)知識(shí)，力爭(zhēng)每一個(gè)都學(xué)生都能在課堂上根據(jù)自己的能力學(xué)到盡量多的知識(shí)。

四、實(shí)踐反思

編程思維培養(yǎng)是教師創(chuàng)新教學(xué)方式的切入點(diǎn)。計(jì)算機(jī)程序教學(xué)絕對(duì)不是單純的知識(shí)點(diǎn)講解，而是一種邏輯思維的構(gòu)建和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。這需要教師首先要具有創(chuàng)新的教學(xué)理念，積極地運(yùn)用數(shù)字化的教學(xué)資源、信息化教學(xué)手段、生活化的教學(xué)活動(dòng)使抽象的原理、隱性的運(yùn)行過(guò)程直觀呈現(xiàn)。

編程思維培養(yǎng)是學(xué)生職業(yè)道路發(fā)展的奠基石。筆者通過(guò)編程思維培養(yǎng)路徑的探索和嘗試，激發(fā)了學(xué)生python 程序語(yǔ)言學(xué)習(xí)興趣，不再談編程而色變，學(xué)生通過(guò)參與活動(dòng)，逐步構(gòu)建編程思維，并涌現(xiàn)出一批python 程序設(shè)計(jì)的愛(ài)好者。在“2021年中等職業(yè)學(xué)校師生職業(yè)能力大賽”的“python 程序設(shè)計(jì)”項(xiàng)目中，所任教的學(xué)生中有4 人在市級(jí)競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)，5 人在區(qū)級(jí)競(jìng)賽中獲獎(jiǎng)，為他們的專業(yè)發(fā)展建立良好的開(kāi)端。

同時(shí)，編程思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，需要教師堅(jiān)持以學(xué)生為主體，找準(zhǔn)學(xué)生思維的卡點(diǎn)，精準(zhǔn)施教，同時(shí)通過(guò)豐富的教學(xué)活動(dòng)和有效的激勵(lì)機(jī)制建設(shè)，讓學(xué)生能夠保持學(xué)習(xí)的熱度。筆者將在教學(xué)實(shí)踐中繼續(xù)探索教學(xué)資源整合和開(kāi)發(fā)，更好地服務(wù)于學(xué)生進(jìn)行編程思維的訓(xùn)練。