基于產(chǎn)出導(dǎo)向程序設(shè)計(jì)課程計(jì)算思維的培養(yǎng)探討

王若龍

（濮陽市食品藥品信息中心，河南 濮陽 457000）

0 引言

程序設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的重要課程之一，以程序設(shè)計(jì)為主要目標(biāo)，涵蓋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、編程軟件的運(yùn)用及程序?qū)崿F(xiàn)等內(nèi)容。對(duì)于計(jì)算機(jī)科學(xué)，計(jì)算思維是基本素養(yǎng)。從程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中可知，計(jì)算思維是關(guān)鍵能力。結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用，了解和掌握計(jì)算機(jī)的思維方式，對(duì)于設(shè)計(jì)高質(zhì)量的軟件程序至關(guān)重要。所謂計(jì)算思維，可以解釋為運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)來求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為。產(chǎn)出導(dǎo)向理念（Outcome Based Education,OBE）打破傳統(tǒng)教學(xué)“重知識(shí)、輕能力”格局，關(guān)注學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)的激發(fā)，引入工程教育專業(yè)認(rèn)證體系，注重學(xué)生間的合作與交流，變革教法，啟發(fā)學(xué)生的計(jì)算思維，面向科學(xué)評(píng)價(jià)，持續(xù)提升課程教學(xué)質(zhì)量。為此，計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)科教育要重視學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，指向計(jì)算思維，運(yùn)用產(chǎn)出導(dǎo)向理念，改革現(xiàn)有程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式，促進(jìn)高校工程教育質(zhì)量的全面提升。

1 計(jì)算思維在程序設(shè)計(jì)課程中的應(yīng)用必要性

1.1 計(jì)算思維

周以真教授認(rèn)為，計(jì)算思維是一種借助于約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真等方法，將看似難以解決的問題，重新闡述為能夠被解決的一種思維方法。計(jì)算思維，關(guān)鍵在于抽象和自動(dòng)化，提煉重要內(nèi)容，刪去不重要的細(xì)節(jié)，借助于計(jì)算機(jī)自動(dòng)化運(yùn)作系統(tǒng)，解決實(shí)際復(fù)雜問題。教育部高等教育司《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》（教高司函〔2017〕6 號(hào)）中，將“工程教育”理念作為新工科課程改革的指導(dǎo)新思想。計(jì)算思維以科學(xué)計(jì)算為指導(dǎo)，重視邏輯、抽象、推理、綜合。

1.2 程序設(shè)計(jì)課程中的計(jì)算思維

在程序設(shè)計(jì)課程體系中，計(jì)算思維具有不同的層級(jí)特點(diǎn)。在計(jì)算表示層，主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式、數(shù)據(jù)的描述與表示，如字符集、數(shù)據(jù)類型、變量、數(shù)組、指針、類或?qū)ο蟮龋辉谟?jì)算處理層，主要實(shí)現(xiàn)程序的控制與數(shù)據(jù)的操作，包括程序設(shè)計(jì)的基本規(guī)則和方法；在計(jì)算分析層，主要包括算法分析、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)，面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想等；在計(jì)算實(shí)現(xiàn)層，主要包括對(duì)算法的實(shí)現(xiàn)、算法程序的表示，調(diào)適與驗(yàn)證程序的穩(wěn)定性等；在計(jì)算優(yōu)化層，通過時(shí)間復(fù)雜度分析、空間復(fù)雜度分析，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)流程和方法。在計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)課程融合中，要把握適度原則，避免過度強(qiáng)調(diào)程序設(shè)計(jì)的繁雜語法和規(guī)則、限制學(xué)生思維的主動(dòng)性和能動(dòng)性。培養(yǎng)計(jì)算思維要結(jié)合課程內(nèi)容，啟發(fā)學(xué)生關(guān)注復(fù)雜問題的分解與解決，提高學(xué)生綜合素養(yǎng)和程序設(shè)計(jì)專業(yè)能力。

2 計(jì)算思維在程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的實(shí)施關(guān)鍵點(diǎn)

程序設(shè)計(jì)課程作為計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)課，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、程序設(shè)計(jì)、程序?qū)崿F(xiàn)和程序優(yōu)化等內(nèi)容。因此，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)出導(dǎo)向理念與計(jì)算思維的培養(yǎng)，在程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中需要把握3 個(gè)方面。

2.1 強(qiáng)調(diào)學(xué)生個(gè)性差異，把握任務(wù)設(shè)計(jì)分層性

知識(shí)灌輸、一刀切的無差別育人模式，既會(huì)抑制學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造力，又不利于計(jì)算思維的培養(yǎng)。結(jié)合學(xué)情，了解學(xué)生的認(rèn)知、起點(diǎn)、學(xué)習(xí)需求，強(qiáng)調(diào)“因材施教、能者多學(xué)”原則，設(shè)置分層次、有梯度的學(xué)習(xí)任務(wù)，讓每個(gè)學(xué)生的能力都能夠獲得提升。

2.2 突出學(xué)科特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)任務(wù)設(shè)計(jì)真實(shí)性

在程序設(shè)計(jì)課程中，要明晰課程特點(diǎn)，體現(xiàn)學(xué)生專業(yè)技能的培養(yǎng)。增加實(shí)踐性課時(shí)，特別是引入真實(shí)項(xiàng)目或任務(wù)，鼓勵(lì)學(xué)生分工協(xié)作、合作探究、歸納總結(jié)，提升其程序設(shè)計(jì)綜合能力。

2.3 強(qiáng)調(diào)能力養(yǎng)成，關(guān)注評(píng)價(jià)的科學(xué)

傳統(tǒng)教學(xué)目標(biāo)以“了解”“理解”“熟悉”“掌握”等為要求，考核學(xué)生的能力缺乏量化，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。據(jù)調(diào)研，很多高校程序設(shè)計(jì)課程缺乏明晰、準(zhǔn)確、完善的考核評(píng)價(jià)體系。應(yīng)立足計(jì)算思維，細(xì)化評(píng)價(jià)內(nèi)容，著力培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)解決實(shí)際問題的能力。在評(píng)價(jià)上，要啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析問題，尋求不同算法，激活學(xué)生思維；通過算法比較，增強(qiáng)學(xué)生自覺意識(shí)。鼓勵(lì)重構(gòu)問題，培養(yǎng)學(xué)生思維的深度。

3 產(chǎn)出導(dǎo)向下計(jì)算思維融入程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)的措施

落實(shí)工程教育專業(yè)認(rèn)證培養(yǎng)理念，以學(xué)生為中心，以產(chǎn)出為導(dǎo)向，從人才職業(yè)需求和必備能力方面“反向設(shè)計(jì)”課程教學(xué)模式，突出基本知識(shí)、專業(yè)技能、綜合素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

3.1 確立工程教育認(rèn)證，明晰程序設(shè)計(jì)課程目標(biāo)

在產(chǎn)出導(dǎo)向理念下，對(duì)于程序設(shè)計(jì)課程育人目標(biāo)的設(shè)定，要明晰“具備解決復(fù)雜軟件工程能力”的人才定位。程序設(shè)計(jì)本身具有多種學(xué)科交叉、綜合性特征，對(duì)數(shù)學(xué)、自然科學(xué)等知識(shí)的學(xué)習(xí)，要體現(xiàn)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，能夠結(jié)合程序設(shè)計(jì)具體實(shí)踐問題，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)語言的表示方法，順應(yīng)程序設(shè)計(jì)模塊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過抽象、歸納、遞歸、回溯等算法設(shè)計(jì)，獲得自上向下的程序設(shè)計(jì)思路。計(jì)算思維的培養(yǎng)，通過對(duì)程序設(shè)計(jì)目標(biāo)、程序編寫過程、程序執(zhí)行、驗(yàn)證與調(diào)適分析，解決具體問題。注重程序語言規(guī)范、程序算法的表示、程序設(shè)計(jì)方法的掌握，更要能夠銜接軟件工程領(lǐng)域，提高學(xué)生在編程中養(yǎng)成必備的職業(yè)素養(yǎng)，如合作意識(shí)、團(tuán)隊(duì)精神，具備多學(xué)科背景下的程序設(shè)計(jì)編程能力，能夠結(jié)合編程項(xiàng)目，展開自主學(xué)習(xí)、自主探究，適應(yīng)軟件行業(yè)人才發(fā)展需要。教師在關(guān)注程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)時(shí)，要確立“具備解決復(fù)雜軟件工程能力”的人才目標(biāo)，以產(chǎn)出導(dǎo)向?yàn)橹敢瑢?duì)教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和變革，提升軟件人才綜合素養(yǎng)。

3.2 樹立自主學(xué)習(xí)意識(shí)，提高學(xué)生計(jì)算表示與處理能力

程序設(shè)計(jì)課程涵蓋的知識(shí)點(diǎn)、程序設(shè)計(jì)規(guī)則與算法較多。要想實(shí)現(xiàn)正確的程序輸出，就需要做好數(shù)據(jù)的表示和處理。在教學(xué)中，針對(duì)過多的講解程序規(guī)則、算法等內(nèi)容，學(xué)生反而會(huì)被這些知識(shí)點(diǎn)所束縛，導(dǎo)致計(jì)算思維受限。程序設(shè)計(jì)課程可以讓學(xué)生自主認(rèn)識(shí)相關(guān)規(guī)則和算法，自主體認(rèn)程序設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)表示和處理方式，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。要將自主學(xué)習(xí)融入程序設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)，要強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)意識(shí)和能力。例如對(duì)于常量、變量的討論，與數(shù)據(jù)二進(jìn)制存儲(chǔ)有關(guān)，如果圍繞二進(jìn)制展開知識(shí)點(diǎn)講授，學(xué)生依然存在搞混現(xiàn)象，教學(xué)效果不理想。應(yīng)給予學(xué)生自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生自己去探索和感知二進(jìn)制補(bǔ)碼存儲(chǔ)的規(guī)律。教師通過有效的引導(dǎo)，化解學(xué)生學(xué)習(xí)中的疑難問題。參照產(chǎn)出導(dǎo)向理念，根據(jù)程序設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)，要引領(lǐng)和啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，如在任務(wù)設(shè)計(jì)與布置中，結(jié)合學(xué)情，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。針對(duì)結(jié)構(gòu)體知識(shí)的講解，安排學(xué)生在課下學(xué)習(xí)“共同體”“枚舉類型”，引入作業(yè)，讓學(xué)生對(duì)自己的學(xué)習(xí)成效進(jìn)行考核。程序設(shè)計(jì)課程非常適宜學(xué)生半自主學(xué)習(xí)，由師生協(xié)同，整合課程學(xué)習(xí)資源，鼓勵(lì)學(xué)生持續(xù)改進(jìn)自主學(xué)習(xí)模式。隨著學(xué)生學(xué)習(xí)能力的提高，教師要減少干預(yù)與監(jiān)控。同樣，注重因材施教，結(jié)合學(xué)生自身學(xué)習(xí)興趣、方向，拓展其知識(shí)面，提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的學(xué)科能力。

3.3 突出協(xié)作與交流，增強(qiáng)學(xué)生計(jì)算分析能力

程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中有結(jié)構(gòu)化分析方法、面向?qū)ο蠓治龇椒ǖ取？紤]到程序設(shè)計(jì)的教學(xué)效率，教師要注重學(xué)生間的合作與交流，鼓勵(lì)學(xué)生以團(tuán)隊(duì)形式參與分組討論，共同提升計(jì)算分析能力。一般情況下，團(tuán)隊(duì)教學(xué)模式有三種。第一種是以分塊協(xié)作為主，將一項(xiàng)復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)任務(wù)分解為若干模塊，團(tuán)隊(duì)各成員相互協(xié)作，各自完成相應(yīng)的模塊。第二種是主輔協(xié)作，由能力強(qiáng)的學(xué)生與能力弱的學(xué)生合作，對(duì)任務(wù)進(jìn)行難易度劃分，各負(fù)其責(zé)。第三種是結(jié)對(duì)協(xié)作，圍繞程序設(shè)計(jì)任務(wù)，引入角色互換方式完成合作。不同協(xié)作方式的應(yīng)用要與課程實(shí)際相聯(lián)系。每個(gè)人在面對(duì)程序設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，其思維意識(shí)、思維能力是有限的。引入小組合作，發(fā)揮團(tuán)隊(duì)的力量，有助于學(xué)生從思維碰撞中形成計(jì)算思維與分析能力。比如，對(duì)于一個(gè)數(shù)，通過素?cái)?shù)因子乘積的方式來表示這個(gè)數(shù)。很多學(xué)生在分解該數(shù)時(shí)，會(huì)采用雙重循環(huán)程序結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。利用外循環(huán)，窮舉因子；利用內(nèi)循環(huán)，判斷該數(shù)是否為素?cái)?shù)。這一設(shè)計(jì)思路，看似沒有紕漏，但少數(shù)學(xué)生在對(duì)素?cái)?shù)因子進(jìn)行分解時(shí)，無須再判斷其是否為素?cái)?shù)。也就是說，利用單循環(huán)結(jié)構(gòu)即可解決該問題。通過學(xué)生分組探討，能夠開闊學(xué)生計(jì)算思維的視野，在遇到程序設(shè)計(jì)等問題時(shí)，多鼓勵(lì)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作，從不同想法的碰撞中激發(fā)計(jì)算思維，提高學(xué)生程序計(jì)算分析能力。

3.4 善用啟發(fā)教學(xué)，提高學(xué)生計(jì)算能力

計(jì)算思維的培養(yǎng)，要強(qiáng)調(diào)學(xué)生計(jì)算實(shí)現(xiàn)能力的獲得。在教學(xué)過程中，教師要善用啟發(fā)式教學(xué)，引領(lǐng)學(xué)生展開思維訓(xùn)練。在程序設(shè)計(jì)課程中，針對(duì)知識(shí)型問題，可以將知識(shí)嵌入程序設(shè)計(jì)，分析程序，體認(rèn)知識(shí)。比如，對(duì)邏輯運(yùn)算符的使用，很多學(xué)生在程序設(shè)計(jì)時(shí)，易犯錯(cuò)誤集中在邏輯與左側(cè)表達(dá)式值為“0”，或者邏輯或左側(cè)表達(dá)式值為“1”時(shí)，右側(cè)表達(dá)式不再執(zhí)行。教師利用具體程序，讓學(xué)生通過執(zhí)行程序，對(duì)比執(zhí)行結(jié)果，反思該知識(shí)點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)邏輯運(yùn)算符的正確理解。對(duì)于分析型問題，教師要突出學(xué)生思維的發(fā)散。對(duì)程序流程的控制，程序設(shè)計(jì)的流程，有順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)等。對(duì)于順序結(jié)構(gòu)，在不使用中間變量條件，交換兩個(gè)數(shù)的方法。形如“a=a+b；b=a-b；a=a-b”。運(yùn)用編程語句，如何來交換兩個(gè)數(shù)，啟發(fā)學(xué)生去體會(huì)順序結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)流向，幫助學(xué)生掌握順序結(jié)構(gòu)的編程方法。同樣，對(duì)于選擇結(jié)構(gòu)，可以從最大公約數(shù)的求解方法中來驗(yàn)證。對(duì)循環(huán)結(jié)構(gòu)，可以通過除法運(yùn)算實(shí)例，加深學(xué)生對(duì)程序流程的控制。計(jì)算思維在培養(yǎng)中，要注重問題的遞進(jìn)性。例如“百錢百雞”問題，利用三重循環(huán)，將公雞、母雞、小雞的數(shù)量控制在“0～100”之間，每次累進(jìn)“1”，窮舉所有情況。對(duì)于該設(shè)計(jì)思路，請(qǐng)同學(xué)們思考：是否需要對(duì)三重循環(huán)的常量都設(shè)定為“0～100”，是否需要每次都累進(jìn)“1”，是否必須用“三重循環(huán)”來實(shí)現(xiàn)。鼓勵(lì)學(xué)生拓展思維，優(yōu)化程序設(shè)計(jì)算法，以便提高程序運(yùn)算效率。在計(jì)算思維培養(yǎng)中，學(xué)科知識(shí)的交叉與融合，面對(duì)程序設(shè)計(jì)任務(wù)，不能孤立地看待問題，要結(jié)合多種學(xué)科知識(shí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生數(shù)學(xué)思維分析能力的養(yǎng)成。數(shù)學(xué)思維為計(jì)算思維創(chuàng)造基礎(chǔ)，程序設(shè)計(jì)中的計(jì)算思維很多情況需要轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)方式來完成，如合數(shù)的分解，從“2”開始，直到合數(shù)的平方根結(jié)束，作為循環(huán)判斷的是否整除的條件。

3.5 重視實(shí)踐編程，提升計(jì)算驗(yàn)證與優(yōu)化能力

產(chǎn)出導(dǎo)向下，程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)要?dú)w結(jié)于對(duì)實(shí)際問題的解決。結(jié)合程序設(shè)計(jì)課程，引入具體的編程項(xiàng)目，讓學(xué)生能夠參與編程，對(duì)程序進(jìn)行驗(yàn)證、優(yōu)化，提高程序設(shè)計(jì)的正確性、可行性、高效性。在程序設(shè)計(jì)中，對(duì)所編程序需要進(jìn)行調(diào)試、驗(yàn)證。如何選擇調(diào)試工具，如何驗(yàn)證程序的合理性，如何結(jié)合錯(cuò)誤提示來改進(jìn)和糾正程序內(nèi)容，如何設(shè)置程序運(yùn)行斷點(diǎn)，如何利用單步執(zhí)行來分析程序中變量的合理性等等。通過編程實(shí)踐，對(duì)程序進(jìn)行輸出結(jié)果調(diào)適，再反過來優(yōu)化編程方法，如對(duì)于“N 個(gè)字符串有序輸出”任務(wù)，需要明晰字符串的存儲(chǔ)方式，設(shè)定字符串的排序過程。對(duì)于不同字符串，根據(jù)其長度不同，可以選擇不同的存儲(chǔ)方式，如靜態(tài)數(shù)組，需要預(yù)先定義數(shù)組的大小；對(duì)于引入多個(gè)變量來存儲(chǔ)字符串，可能影響程序的可讀性。對(duì)字符串的排序，從字符串大小比較、交換位置中，可能會(huì)帶來運(yùn)算效率問題。因此，引導(dǎo)學(xué)生利用指針數(shù)組，利用交換數(shù)組元素，而不交換字符串，能夠?qū)崿F(xiàn)算法的優(yōu)化，提高學(xué)生編程設(shè)計(jì)優(yōu)化能力。

4 結(jié)語

計(jì)算思維的培養(yǎng)具有長期性、漸進(jìn)性特點(diǎn)，要融入程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)全過程。重視產(chǎn)出導(dǎo)向理念的指導(dǎo)，從程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)、編程項(xiàng)目實(shí)例開發(fā)中，完善教學(xué)評(píng)價(jià)，增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。將計(jì)算思維與數(shù)據(jù)分析處理能力協(xié)同起來，讓學(xué)生能夠融入計(jì)算思維，關(guān)注問題的解決過程，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。