提升計算思維能力的C程序設計課程教學改革探索

摘?要：計算機在各個行業的融入，使得社會對非計算機專業人才的計算機素質和能力的要求不斷提高。本文從工科非計算機專業公共基礎編程類課程C程序設計的教學實踐為例，教學中貫穿多方位、多層次提升學生計算思維能力的培養為中心的教學理念，在教學內容和教學方法上進行了探索改革，使非計算機專業學生在掌握編程語言及其應用的同時提高計算思維能力，為學生在專業領域內應用計算機技術奠定良好的基礎。

關鍵詞：非計算機專業；計算思維；教學改革；人才培養

中圖分類號：G642.0

Research?on?Teaching?Reform?of?C?Programming?Language?Course

for?Computational?Thinking?Ability?Cultivation

Fan?Zhe

Zhengzhou?Institute?Of?Aeronautical?Industry?Management?HenanZhengzhou?450046

Abstract：Demands?for?computer?cultivation?quality?of?noncomputer?majors?have?been?continuously?raised?with?the?application?of?computers?in?various?industries.Taking?the?teaching?practice?of?the?public?basic?course?C?programming?language?for?noncomputer?engineering?undergraduates?as?an?example?this?paper?introduces?pedagogy?and?teaching?content?design?under?the?teaching?philosophy?of?the?cultivation?of?students'?computational?thinking?ability?in?multiple?dimensions?and?layers.The?exploration?and?reform?are?carried?out?to?enable?noncomputer?majors?to?improve?their?computing?thinking?ability?while?mastering?the?application?of?programming?language?to?provide?methodological?reference?for?talent?cultivation.

Keywords：noncomputer?majors；computational?thinking；teaching?reform；talent?cultivation

一、概述

計算機在各個行業的融入使得社會對高校人才培養的需求發生變化。隨著信息技術的不斷提高，尤其是智能制造、物聯網等技術在工業領域中的研究與發展，對工科非計算機專業學生在新形勢下的綜合素質和能力培養更是提出了新的要求。面對新的產業和技術帶來的挑戰，教育部積極推進工程人才的培養模式，不斷加強新工科專業建設和工科教育改革，促進高校開展新工科的研究與實踐以應對未來的競爭。高校在專業設置和課程建設等方面進行了一系列工程教育的改革，以提高工科人才的培養質量。

新工科內涵的核心特征之一就是“計算機＋各學科”，其精髓是“融合”［1］。根據專業的要求和特點，培養學生具備應用計算機技術的高級能力，使學生具有在專業領域中的創新思維，國內外教育愈發重視計算教育。工程與計算已成為不可分割的整體，培養工程教育中的計算思維，通過計算的知識和技術以更高效、更精準地解決工程問題成為必然趨勢［2］。我校為非計算機專業工科學生開設了程序設計類公共基礎課程。通過課程的學習，能夠給非計算機專業學生奠定必要的計算機理論和計算機應用的基礎。為支持新工科建設，提高學生應用計算機技術的能力，滿足專業建設對學生的計算機能力的需求，在程序設計類公共基礎課程的教學理念、教學內容、教學方法等方面不斷進行探索改革，多方位加強課程對學生計算思維能力培養的要求。本文以我校非計算機工科專業所開設的程序設計類公共基礎課程C程序設計為例，結合作者的教學實踐探討了以提升學生計算思維能力的培養為理念的教學改革。

二、教學中存在的問題

程序設計公共基礎課程C程序設計面向大學一年級學生開設，傳統的教學目的是使學生具有基本的計算機應用能力和思維能力，主要是為了培養學生對計算機程序的認識，使學生具有基本的編程能力，因此主要講述高級語言程序設計的基本概念、規則和方法。在教學的過程中，課程內容具有不僅瑣碎而且量大枯燥的特點，在對學生進行程序設計的訓練中，也存在部分內容比較抽象、不易理解的現象，造成學生學習效果不好，部分內容沒有被學生掌握的問題，甚至出現有的學生在教學中隨著課程內容難度的加大而放棄了思考學習。另外，學生在課程上學習的層次差別很大，給非計算機類學生的教學工作造成了一定的困難。由于在中學階段計算機基礎教育的不同，而且由于學生所學的專業是非計算機類，對計算機的學習興趣也有所不同，所以學生表現出的差異程度比較大。在教學中如果忽視這些問題，往往會使很多學生達不到思維訓練要求，無法取得理想的教學效果。原有的教學內容和教學方式由于教學理念的改變已經不能很好地滿足要求，在新的教學要求下如果達到在專業領域中能夠運用計算機高級技術的教學目的，必須使學生具有較強的計算思維能力，需要對教學內容進行調整和對教學方法進行進一步的改進。

三、教學內容和教學方法設計

（一）拓展和合理組織教學內容，多方位思維訓練

如何更有效地組織和安排教學內容是提升學生計算思維能力需要考慮的關鍵問題。首先，從教材內容入手。教材內容不僅是教學內容中重要的組成部分，也是如何安排教學內容的基礎。根據非計算機專業學生對教材內容中各部分的理解程度來對教材內容進行劃分，決定是否需要補充教學內容，增加把提升計算思維能力轉化為教學內容的部分。正確理解計算思維科學內涵是實施計算思維教育并達成預期目標的關鍵［3］。把教材的內容和計算思維的培養結合起來，將計算思維的培養細分成各種構成性思維能力的培養，比如抽象思維、算法思維、邏輯思維等，在教學中把這些思維在教材內容講解時加以深化或拓展。比如在提升學生的系統思維能力方面，教學中加入利用計算機處理實際問題時分析問題和解決問題的步驟、數學建模的概念、數學建模和編程之間的關系等內容；在提升學生的數據思維方面，講解基本數據類型的部分時可以加入講述結構化數據的概念、數據類型與結構化數據的關系、數據存儲差異的原理等內容；在提升學生的算法思維方面，教學中加入講述算法的常見分類、算法的常見思想、對較復雜的程序增加算法的流程圖描述等內容。其次，合理安排教學順序，促進深入思考問題。由于課程的知識點前后內容互相依賴，聯系緊密，不僅后面的章節會應用前面的知識，也會出現在前面的教學內容中多次用到后面的章節內容的情況。在教學中機械按照教材內容安排的順序進行講解，會存在學生對問題無法深入理解的現象，導致學生在這部分的知識學習時比較吃力，上課時就無法深入地進行思考判斷。合理安排教學內容的順序，不僅可以促使學生對某些知識點的理解，而且學生可以對某些知識點進行對比學習，從而更好地思考問題。為了促進學生清晰地思考問題，消除學生存在的疑問，可以在課程中進行交叉講解。比如簡單程序設計中的格式輸出函數部分交叉至基本數據類型中的常量變量部分進行講解，程序概述中的程序調試原理部分交叉至基本數據類型及運算結束后講解，程序結構設計部分中的關系運算符和關系表達式的講解交叉至數據和運算部分集中進行對比講解等。

（二）充分設計教學活動，教學案例與生活實踐相結合

課堂教學時根據教學內容，以學生為中心，設計多種課堂活動以提升學生的計算思維能力。比如選擇鼓勵法，設計多道題目，每次邀請幾名同學同時參加，每位同學可以根據自己對知識的掌握情況自由選擇一個題目進行解答，任課教師在學生發言的時候，可以引導學生進行思考，對知識點進行擴充，并在學生參與后進行評價獎勵。歸納討論法，在教學過程中分階段把學生在程序編制中出現的問題歸納在一起，在每一章節的教學內容講解完后在課堂上進行展示，讓同學們積極發言，進行辨別和討論。在討論的過程中，任課教師注意及時糾正學生對知識點的錯誤認識，并引導學生改正在程序設計中出現的錯誤思維。自主編程法，挑選程度好的同學，即時編寫程序代碼，然后給大家講解自己的編程思路和方法，其他的同學可以結合各自的認識和算法設計，指出其中出現的問題或對程序加以更改。以學生為主體的課堂活動，課堂氣氛活躍，是學生通過和老師的交流來提升其計算思維能力的有效途徑，但注意任課教師在評價學生的回答時要多鼓勵學生，尤其是平時發言較少的學生。在教學活動中遇到學生難以理解和思考的問題時，要注意對學生進行引導，鼓勵學生勇于向難題挑戰。

教學中由于有的程序設計案例比較抽象，需要學生認真思考，而該階段的非計算機類專業學生，由于接觸計算機少，對程序設計的概念和方法比較陌生，另外由于所修專業和計算機專業的差別，導致有的學生對編程不夠重視，所以客觀上造成課堂上學生往往缺乏思考問題的耐心，等著聽老師講解的現象。在設計程序設計的案例時，采用案例和實踐相結合的方式。案例設計時選取生活中的實例可以引發學生的興趣，積極思考問題。比如在講解程序結構時設計商品的購物籃問題、圖形輸出問題、猜字游戲等案例，講解數組時設計班級同學的成績統計問題、棋盤生成問題等案例。這樣通過在教學中解決實際問題的過程中，可以不斷激發學生的學習興趣，使學生通過對案例的主動學習來提升計算思維能力。

（三）多方位構建教學平臺

教學中運用多種教學平臺多方位促進學生思維能力的提高。首先，使用超星平臺設計網絡教學平臺，使學生可以自由選擇學習內容和學習方式。課堂教學在教學中能夠直接和學生交流互動，有利于對教學內容和教學效果及時做出反饋，便于授課教師快速進行調整，但編程思考需要很多時間的投入。在教學中充分利用網絡和云平臺技術研究新形態教學以補充有限的教學時間，設計數字化學習方式提升學生計算思維的能力。平臺上針對課程每一章節放置相關的學習內容，在章節內容的設計上充分考慮了拓展學習和加強思維訓練等方面的問題。比如平臺在放置需要閱讀學習的文字部分基礎上，把相關內容的拓展知識設計成相關PPT或視頻穿插在頁面內，把課程中需要重點學習的部分設為任務點視頻，在頁面的學習中針對某部分內容編制一些思考問題讓學生進行深入思考。平臺上提供教學大綱、課程視頻、多種開發工具、自主閱讀材料等，給學生推薦與課程相關的網絡資源，學生可以根據自己的學習能力情況進行電腦端和手機端的自主在線學習。網絡教學平臺的設計不僅加強學生課程內容學習的自由度，而且還可以借助平臺進行問題搶答、下發問卷、課外討論等有助于提高計算思維的教學活動。在組織平臺的課外討論時，任課教師要注意根據平臺顯示的討論情況及時發言。因為積極思考問題的部分學生不僅會在討論中說明自己的答案，而且也會去評價其他同學的答案，任課教師對于這些更深入的討論交流活動表達意見并給予肯定，對于促進參與課外討論的同學進一步思考問題，提升其思維能力是很有幫助的，同時也會促進班級其他同學進行討論學習。其次，開發練習測試平臺，利用評價機制促進學生思維能力的提高。計算思維的評價對計算思維在實踐中的應用效果研究有重要價值，同時也影響著計算思維領域研究的發展［4］。練習測試平臺不僅可以使學生進行自主練習的選擇，以便總結現階段自身的學習狀況，而且授課教師可以根據教學內容的進展情況選擇性地對學生進行階段性測評，以查看教學中學生思維能力的訓練效果。測試平臺對每章內容設計易、中、難程度的題目，以不同形式比如選擇、判斷、簡答、填空、編程考查學生，從不同角度比如章節練習、綜合練習、模擬考試等提高學生思維能力。為了使學生在練習時能及時根據疑問查找所學內容，平臺上還提供了針對練習中經常使用的知識點總結的精簡小視頻。最后，答疑使用學習通、釘釘和線下相結合的方式，以便快速解決學生在思維過程中產生的問題。學生在利用計算機編程的過程中，會遇到各種各樣的問題，加強師生溝通，及時解決問題會提高學生的學習效率。由于學生使用手機比較方便，所以在手機端學習通上進行在線學習比較多，而在電腦上編程時，如果程序有問題需要和老師討論，學生往往需要把產生的問題畫面截圖呈現給老師，這時在電腦上直接利用釘釘平臺上傳，操作比較方便。

（四）多層次合理規劃課堂教學

對教學中所有學生要求同樣的學習難度，思維訓練的效果往往不理想。為了使不同層次的學生在學習中能積極地思考問題，促進其計算思維能力的提升，課堂教學中根據每節課的教學特點，結合學生的學習層次，把內容設計為易、中等和高難度的不同層次，并規劃不同層次內容所占用的時間。層次性設置應結合授課知識的特點，要根據教學內容的信息量的多少和難易來決定。比如對于語法規則的學習部分，課堂內容信息量大，需要學生理解的知識點很多，如果這部分內容學生沒有充分掌握，則程序編制時就會出現很多問題，教學設計時應以中易層次的學習內容為主，促進所有學生積極進行思考和回答問題，以便于在教學中達到能夠使各個層次的學生對知識點的快速理解掌握的目的；對于程序結構的學習部分，課堂內容的信息量和難度適中，則在中易難度層次的內容學習上增加一些高難度教學內容，以促進計算機能力層次較高的學生積極思考和討論問題，提高其學習效率。注意在教學中為學生營造良好的思維氛圍，盡可能使全部學生參與教學活動和討論，可以促使不同層次的學生積極地思考問題，以互相促進思維能力的提升。

結語

為了支持在新形勢下的工科人才教育改革，培養工科非計算機專業學生運用計算機高級技術的思維能力，根據課程特點和非計算機專業學生特點設計了公共基礎編程類課程C程序設計的教學過程。課程教學中堅持多方位、多層次提升學生計算思維能力的培養為中心的教學理念，在教學內容和教學方法等環節進行了探索實踐。在教學中運用多種平臺，合理組織和拓展課程內容，課堂上注重學生的參與程度，設計多種方式，訓練學生如何利用計算機解決實際問題，使學生在掌握編程語言的同時提高其計算思維能力，為學生在專業領域中使用計算機技術奠定良好的計算機應用基礎。

參考文獻：

［1］鄧磊，戰德臣，姜學鋒.新工科教育中計算思維能力培養的價值探索與實踐［J］.高等工程教育研究，2020（02）：4953.

［2］呂正則，張煒，鄒曉東.智能化社會下計算教育的演進趨勢與多元路徑［J］.高等工程教育研究，2018（05）：5257+122.

［3］唐培和，秦福利，王宇，等.加強計算思維教育?提升創新創業能力［J］.中國高等教育，2018（08）：4748.

［4］陳鵬，黃榮懷，梁躍，等.如何培養計算思維——基于2006—2016年研究文獻及最新國際會議論文［J］.現代遠程教育研究，2018（01）：98112.

作者簡介：范喆（1972—?），女，漢族，河南洛陽人，碩士，副教授，研究方向：計算機應用。