面向計算思維能力培養的C語言課程改革研究

李靜 李炳超

摘要：面向計算思維培養的計算機基礎教育是國內外各大高校的教育共識。當前我校C語言公共基礎課程教學存在一些問題，比如沒有關注學生的專業背景和學習需求，不能滿足學生的多元化個性化發展?；谡n程中計算思維的體現方式，在新工科人才培養和學科融合的大背景下，對C語言程序設計課程進行改革研究，結合專業背景制定教學內容、設計教學方法和實踐案例，提高授課學生計算思維能力的培養質量和水平。

關鍵詞：計算思維能力培養;C語言程序設計課程;學科融合;新工科人才培養;課程改革

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）18-0132-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著計算機信息化技術在現代社會的應用普及，面向計算思維能力培養的計算機基礎教育，逐漸成為國內外各大高校的教育共識。計算機程序設計課程處于計算機基礎教育三個層次（大學計算機基礎、計算機程序設計基礎、計算機應用基礎）中的第二層，起到承上啟下的關鍵作用，是非常重要的一門課程。通過完整的學習一門程序設計語言，學生能夠理解計算機解決問題的方式，實現從數學思維到計算思維的轉換，并能夠應用計算機程序解決工作和生活中的實際問題。C語言作為一種編程語言，具有使用靈活、表達能力強、功能豐富、執行效率高等特點，一直以來都是程序設計人員必須掌握的一種編程語言，同時也是大部分國內高校理工科學生必修的計算機程序設計課程。

《C語言程序設計》作為我校非計算機專業的理工類學生的一門計算機程序設計類課程，是培養大學生計算思維能力的重要途徑，它的教學模式和教學方法需要與新時代新工科對理工類人才培養的要求相適應。本論文針對當前我校C語言公共基礎課程教學的現狀和存在的問題，基于C語言程序設計課程中計算思維的體現方式，在新工科人才培養和學科融合的背景下，對C語言程序設計課程進行改革研究，加強對學生科學行為能力的培養[1]。具體做法是，結合專業背景制定教學內容、設計教學方法和實踐案例，提高授課學生計算思維能力的培養質量和水平。

1 計算思維的含義

早在2006年，美國的周以真教授就正式提出了計算思維的概念[2]，周教授將計算思維的定義解釋為：采用計算的概念解決問題、設計系統和理解人的行為的一種方法。隨后，國內外學者也紛紛從自身的學科背景出發對計算思維的概念展開了多維度的補充說明。2019年，北京師范大學的羅海風博士等人[3]基于三個方面的視角對計算思維的定義進行了補充說明：（1）在基于跨學科、多領域融合的綜合視角下，計算思維既可以用來解決專業技術上的問題，也能夠處理日常生活上的問題;（2）在基于編程基礎的專業視角下，計算思維等價于程序思維，核心內容是編程方法，目的是把實際問題分解為多步可操作的程序語句;（3）在基于算法、語言等表征下的功能視角下，計算思維關注抽象事物間的聯系，通過對抽象事物的自動化，降低問題的復雜性從而解決問題。

具體到C語言程序設計課程，對計算思維的培養體現在課程與其他學科的交叉和融合上，當前無論是新工科、新文科、新醫科還是新農科，其中的“新”是指創建新的學科或者是對傳統的學科進行重構和改革，調整教學內容，進行技術融合、學科交叉、產教結合，在學科交叉和教學內容重構的過程中，需要重點培養學生的計算思維能力。在新工科的發展環境下，培養非計算機專業的大學生的計算思維能力非常重要。

2 C語言課程的教學現狀

在我校大部分的非計算機專業的理工類學生都要學習C語言程序設計課程，課程設置在大學生入學后的第二個學期，在課程的教學過程中，存在以下幾個方面的問題：

（1）選課的學生來自全國各個地區，學生的數學基礎和計算機理論基礎參差不齊。有些學生在中學階段就已經學習了計算機文化課程，而有些地區的學生在進入大學之前從來沒有接觸過電腦。C語言程序設計課程是一門理論和實踐并重的課程，既需要學生掌握語法規則方面的理論知識，更需要學生通過上機實踐驗證程序的正確性和可行性。不同性格的學生對這類課程的態度不盡相同，有些學生喜歡挑戰，遇到困難和問題樂意鉆研、不斷嘗試，而還有一些學生害怕挫折，遇到錯誤不知所措，不善于自我解決問題和更正錯誤。

（2）目前C語言程序設計課程對我校不同學科和專業的學生，制定的教學計劃、教學內容、以及教學方法幾乎是相同的，沒有關注學生的專業背景和學習需求，沒有做到計算機基礎課程與其他學科和專業的結合，無法實現對學生計算思維能力的培養，不能適應新工科對人才培養的要求，也無法滿足選課學生的多元化個性化發展的需要。在C語言課程的教學過程中，要以計算思維能力的培養為目標，加強與其他學科專業的融合，培養學生養成良好的學習習慣，鍛煉和強化學生的計算思維能力以及自我思考和解決問題的能力。

（3）理論教學和實踐教學沒有很好地融合。在理論課時，授課老師往往重點關注C語言編程的語法規則，而且C語言的特點就是語法規則繁多，由于課時受限，老師們沒有充分時間講解程序算法的設計和分析過程。實踐課時，老師安排學生根據實踐教材進行程序設計，課程安排緊湊，學生沒有時間和動力消化理論課程的知識，直接在實踐課上動手編寫程序，使得學生學習起來感覺到困難，漸漸失去對C語言的學習興趣。

3 面向計算思維培養的課程改革嘗試

3.1多樣化的教學內容設計

正如南昌工程學院的葉軍教授所說[4]，C語言程序設計課程的教學目標主要有兩個：第一個目標是理解計算機求解問題的方式方法，并把它應用到工作和生活中，弱化語法規則，強調解決問題的過程和方法;第二個目標是學習程序的設計方法和解決思路，能設計C語言程序解決實際問題，重視解決問題的過程。第一個目標是弱化語法規則，關注問題解決的思路和過程（即“計算思維”），大多數學生都需要達到這個教學目標;第二個目標要求注重程序的設計方法，同時關注問題解決過程的語法規則，面向的是少數數學基礎較好、喜歡編程的學生。

整個課程總共有13個教學章節：前三章內容分別是“為什么學習C語言”“C語言數據類型”和“算術運算和表達式”，主要的教學目標是通過基本知識和表達式的學習，培養學生的計算思維意識;緊跟在后面的三章內容分別是“順序結構”“選擇控制結構”和“循環控制結構”，主要目標是通過C語言基本語句和控制結構的學習，培養學生的計算思維方法;最后幾章內容分別是“函數”“數組”“指針”“字符串”“指針和數組”“結構體和共用體”以及“文件操作”，主要教學目標是通過數組、指針等數據結構算法的學習，培養學生的問題求解思維。

在現有的教學內容中，沒有關注與選課學生學科的具體融合[5]，難以激發授課學生的學習積極性，難以深入培養學生的計算思維能力。通過調研不同學科專業對C語言課程學習內容的不同需求，教學團隊可以結合授課學生的專業背景采用多樣化的教學方案。比如，針對材料化學、油氣儲運等專業的學生，前六章是重點講授的教學內容，目標是加強培養學生的計算思維意識和計算思維方法;針對飛行器動力、飛行器制造等專業的學生，前八章是重點講授的教學內容，目標是側重于程序設計和實現、解決專業相關的實際應用問題;針對電子信息工程、航空電氣等電子通信類專業的學生，前十一章是重點講授的教學內容，強調程序設計的方法和調試糾錯技巧，以及數據結構和算法等計算機理論知識。

因為我校是民航特色專業院校，為了提高學生的專業認同度和學習興趣，課程組特意設計了一些與學科專業融合的教學案例。例如，在學習選擇控制結構時，設計如圖1所示的案例。

3.2面向計算思維培養的教學方法

為了提高學生的學習效率，我們可以結合各種教育媒體輔助教學活動[6]。教學團隊將課程的知識點進行碎片化分解，錄制成了“微課”，放置在網絡學習平臺（智慧樹平臺）上，學生可以在課外時間利用手機在碎片時間里進行自主學習，這種方式是課堂教學活動的有效補充。錄制“微課”視頻的時候，教學團隊考慮了幾個方面：（1）知識點的劃分要有助于學生計算思維模式的形成，即能讓學生掌握知識點又能培養學生的計算思維意識;（2）每個視頻的知識點要具有完整性，能夠包含某個知識點的全部內容，不能過于零散，否則不利于學生形成對知識點的綜合認識;（3）所有的視頻要涵蓋教學大綱中規定的所有教學內容，方便學生課前預習和課后的復習。比如，我們在第二章“C數據類型”部分，共錄制了三個視頻“微課”，分別講授“數據類型”“常量與變量”以及“進制的轉換”，每個視頻都大約10分鐘，完整介紹了一個知識點，即方便學生利用碎片化的時間進行學習，也有利于學生快速系統地掌握完整的語法知識點。

這種課外的自主學習只是課堂教學的輔助手段，教師還需要在課堂上結合知識點和學生提出的問題進行有效引導，加強對知識的鞏固和延伸。為了適應“新工科”對人才的需求，教學團隊改進教學方法，在教學過程中，強調學生實際解決問題、完成項目的能力培養，教師要輔助引導學生完成任務。在講解具體案例時，通過以下幾個步驟幫助學生養成計算思維的能力：（1）首先，引導學生對問題進行抽象建模，分析題目需要處理的數據概念模型;（2）然后，引導學生將抽象模型轉換為C語言的數據結構模型;（3）最后，再引導學生將數據結構模型用C語言代碼實現出來。

3.3強化計算思維能力的實踐教學

C語言程序設計是一門高級程序設計語言，學生的編程能力只能通過一個又一個的上機實驗，不斷地編碼、調試、總結反思而逐步提高。為了培養學生的計算思維能力、鍛煉學生的實踐編程能力，課程組老師規范了C語言實驗課的上機流程，幫助學生養成良好的思維能力和編程習慣。每次上機實踐課之前，把練習題目布置給學生，要求他們利用空閑時間分析題目并擬定解決方案，最好是把代碼初步寫出來。上課時，適度抽查學生課前工作的完成情況，學生敲入代碼進行調試，不斷完善問題的解決方案，最后完成題目。在實踐過程中，學生會遇到各種各樣的程序錯誤，任課老師要及時給予指導和幫助，引導學生掌握調試方法，糾正程序中的語法錯誤和邏輯錯誤。

為了幫助學生提高實踐能力，課程組開發了在線作業提交系統，實現程序代碼的在線提交和自動檢驗。在作業提交系統中，課程組以計算思維的核心概念為依據，突出學科融合型內容，針對不同學科設計補充一些課后實踐案例。同時，根據學生編程能力的不同，設置難易程度有差異的例題，以供學生自由選擇練習。

4 總結

培養學生的計算思維能力，是高校計算機基礎課程的教學目標。針對傳統講授模式下，教師是教學主體、學生被動接受、學習效果不佳的教學現狀，課程組在C語言程序設計課程中將計算思維與現代教學方法進行結合，融合授課學生的專業特點設計教學內容，調動學生的學習積極性，培養學生的計算思維能力，推動新工科建設，培養新型工科人才。

參考文獻：

[1] 譚浩強.研究計算思維，堅持面向應用[J].計算機教育，2012（21）：45-49，56.

[2] Wing J M.Computational thinking[J].Communications of the ACM，2006，49（3）：33-35.

[3] 羅海風，劉堅，羅楊.人工智能時代的必備心智素養：計算思維[J].現代教育技術，2019，29（6）：26-33.

[4] 葉軍，汪一心，王磊.以培養計算思維能力為導向的“C語言”教學資源設計[J].江西廣播電視大學學報，2018，20（4）：82-87.

[5] 梁正平，朱澤軒，李延紅，等.學科融合型“大學計算機基礎”MOOC教學改革初探——以面向生命科學學科的“大學計算機基礎”學科融合型特色教學內容設計為例[J].工業和信息化教育，2017（7）：7-11.

[6] 鄧敏.“互聯網+”背景下“雨課堂”混合式教學模式的應用研究[J].高教學刊，2019（9）：100-102.

【通聯編輯：王力】