面向計算思維的程序設(shè)計教學(xué)實踐.doc

面向計算思維的程序設(shè)計教學(xué)實踐 劉軍 （湖北理工學(xué)院計算機(jī)學(xué)院，湖北黃石435003） 摘要：從程序設(shè)計教學(xué)的根本目的出發(fā)，以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維為指導(dǎo)思想，提出以學(xué)生為本，通過教師引導(dǎo)加強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力，指出在培養(yǎng)計算思維的過程中容易出現(xiàn)的問題，旨在建立一個全面培養(yǎng)學(xué)生計算思維的課堂教學(xué)模式，提高應(yīng)用計算機(jī)對綜合問題的分析和解決能力。 關(guān)鍵詞：計算思維；程序設(shè)計；教學(xué)模式；學(xué)習(xí)能力 基金項目：湖北理工學(xué)院新技術(shù)支撐下的“未來課堂”理念研究資助項目（xxB16）。 作者簡介：劉軍，男，副教授，研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)，miile126.。 0引言 普通理工科院校普遍將計算與程序課程作為一門基礎(chǔ)課程，但在全國計算機(jī)等級考試（NCRE）中，程序設(shè)計的通過率較低，在后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)或工作中，學(xué)生更是難以自覺地應(yīng)用計算機(jī)解決實際問題，這反映了程序設(shè)計課程的教學(xué)效果并不理想，給目前的教學(xué)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 計算思維能夠全面提高教學(xué)效果，全面提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)質(zhì)量1。計算思維是指運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動2。計算思維從理論與方法論的角度闡述了有關(guān)計算和計算機(jī)的最基本特征，學(xué)生如果能夠從基本層面掌握這些內(nèi)容，有助于將來正確應(yīng)用計算機(jī)解決實際問題。教指委也要求以培養(yǎng)計算思維能力為主線，開展系列課程改革研究。如何通過培養(yǎng)計算思維有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量已經(jīng)成為當(dāng)前高等教育信息化改革的一個重要方向3-6。 1以培養(yǎng)計算思維為主導(dǎo) 將計算思維有意識地融入程序設(shè)計是當(dāng)前課堂教學(xué)的研究熱點。這要求教師對傳統(tǒng)的教學(xué)進(jìn)行一定的改革，明確程序設(shè)計教學(xué)的主要目的是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力和提高學(xué)生自覺應(yīng)用計算機(jī)分析和解決綜合問題的能力。計算思維的培養(yǎng)應(yīng)真正落實在教學(xué)中，在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)方案中體現(xiàn)計算思維。 由于程序設(shè)計本身就已經(jīng)涵蓋了部分計算思維的思想，程序設(shè)計的知識只是計算思維的載體7，計算思維隱含在各個教學(xué)層面中。但這些隱含的計算思維只是零散和片面的，沒有有意識地對教學(xué)的各個方面進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計來反映計算思維，學(xué)生難以全面地掌握思維方式以提高程序設(shè)計能力。同時，僅僅意識到培養(yǎng)學(xué)生的計算思維是不夠的，還需要具體落實到教學(xué)的各個方面。只有轉(zhuǎn)變原有的以傳授知識為主的教學(xué)方式，對計算思維的培養(yǎng)模式充滿信心，并持之以恒地培養(yǎng)學(xué)生的思維模式，才能夠逐步提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。 2強(qiáng)化學(xué)生的主動參與 計算思維的培養(yǎng)是一個連貫的過程，只有讓學(xué)生始終如一地融入計算思維活動，才能夠取得預(yù)期效果。教師不僅要在教學(xué)實踐中體現(xiàn)計算思維，還應(yīng)使學(xué)生對培養(yǎng)計算思維的教學(xué)模式產(chǎn)生濃厚興趣，認(rèn)識到計算思維的重要性，主動地參與教學(xué)方面的各個環(huán)節(jié)，這才是實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)的根本保證。 計算思維的培養(yǎng)是一種創(chuàng)新的教學(xué)模式，在教學(xué)中不能讓學(xué)生有充當(dāng)“小白鼠”的感覺。學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到瓶頸或困難時，會認(rèn)為該教學(xué)模式不能提高學(xué)習(xí)能力，從而失去主動參與的興趣，進(jìn)而在心理上全面排斥整個學(xué)習(xí)過程，也就無從談及計算思維的培養(yǎng)。因此，及時幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)中的困難是非常重要的。教師應(yīng)主動采取多種多樣的形式與學(xué)生交流，如可利用網(wǎng)絡(luò)平臺或各種通信軟件在線幫助學(xué)生，也可以幫助學(xué)生成立學(xué)習(xí)小組，讓學(xué)生在小組內(nèi)或小組間開展廣泛的討論和交流。教師應(yīng)及時從這些交流中發(fā)現(xiàn)問題，引導(dǎo)學(xué)生解決，時刻保持他們的學(xué)習(xí)動力。 3注重課堂教學(xué)實踐 根據(jù)教學(xué)目的和內(nèi)容，教師結(jié)合學(xué)生所學(xué)專業(yè)的知識特點進(jìn)行案例設(shè)計，使學(xué)生專注于程序的算法設(shè)計，對所采用的計算思維進(jìn)行歸納總結(jié)，與當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行有機(jī)融合8。教學(xué)案例應(yīng)該明確應(yīng)用情境，促使學(xué)生理解計算思維的抽象和自動化本質(zhì)。 3.1教學(xué)前 教師在教學(xué)前應(yīng)總體規(guī)劃，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)的計算思維采用不同的教學(xué)策略。因此，具體教學(xué)方案以計算思維為中心，具有“碎片性、冗余性、一致性和完整性”特點。碎片性是指解決問題的程序根據(jù)思維的遞進(jìn)關(guān)系將源碼分成不同的部分；冗余性是指同一思維模式可通過多個不同的日常問題或?qū)I(yè)問題展現(xiàn)出來，不同的代碼完成相同的功能；一致性是指講解的源碼部分只是同一個程序的子程序；完整性一是指所有的子程序組成一個完整的程序，二是指計算思維在程序中得到了完整的體現(xiàn)。 3.2教學(xué)中 教學(xué)應(yīng)打破傳統(tǒng)課堂的灌輸式教學(xué)，提倡“二個中心，一個基本點”，即以教師和學(xué)生為中心，以算法為基本點。教師采用啟發(fā)式教學(xué)，并引入多種思維方式，在分析和解決問題的層面上，引導(dǎo)學(xué)生掌握知識并獨(dú)立思考。教師要引導(dǎo)學(xué)生提出各種發(fā)散和聯(lián)想的問題，鼓勵學(xué)生相互回答。教師除單獨(dú)解答一些問題外，還可以與學(xué)生共同設(shè)計程序，提高學(xué)生的參與度。算法是程序設(shè)計的靈魂，是計算思維過程化和可視化的具體展現(xiàn)。針對具體問題進(jìn)行問題分解進(jìn)而實現(xiàn)算法，是培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題能力的關(guān)鍵，也是課堂教學(xué)的重點。 例如，分而治之是計算機(jī)科學(xué)的一個重要思維方法，是以全局的觀點將一個難以解決的較大的抽象問題分成幾個規(guī)模較小而結(jié)構(gòu)與原問題相似的較為具體的子問題。在講解時，教師應(yīng)針對具體問題詳細(xì)分析，一步一步地構(gòu)建流程圖，然后按照流程圖設(shè)計程序，并編譯運(yùn)行顯示結(jié)果；接著引導(dǎo)學(xué)生，先從簡單的問題應(yīng)用該思想，然后擴(kuò)展到較復(fù)雜的問題或?qū)W生所學(xué)的專業(yè)問題上，并請多個學(xué)生在黑板上畫出流程圖，在計算機(jī)上設(shè)計、調(diào)試和運(yùn)行程序；最后教師進(jìn)行點評，總結(jié)和歸納分而治之的運(yùn)用，強(qiáng)化計算思維的訓(xùn)練。 3.3教學(xué)后 每次課后教師應(yīng)進(jìn)行多次教學(xué)反思，及時就教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、課堂表現(xiàn)和教學(xué)效果等進(jìn)行總結(jié)，反思計算思維引入的可行性、準(zhǔn)確性，判斷取得的效果是否達(dá)到了預(yù)期，如果效果不理想怎樣在下次課中予以補(bǔ)充和完善。在作業(yè)批改中，要求教師沉浸在學(xué)生所體現(xiàn)的思維中進(jìn)行活動，不僅指出語法的錯誤，更應(yīng)指出每個學(xué)生設(shè)計程序時存在的思維誤區(qū)，并總結(jié)共性的語法和思維問題，在網(wǎng)上及時提示學(xué)生改正。教師在完成作業(yè)批改并與學(xué)生交流后，應(yīng)進(jìn)行二次教學(xué)反思，不斷完善教學(xué)方案和教學(xué)方法。 4互換師生角色 4.1指導(dǎo)思想 整個實踐教學(xué)過程中，教師與學(xué)生的角色進(jìn)行交換，教師作為引導(dǎo)角色，不斷拋出問題，由學(xué)生分析問題和解答問題。角色的互換產(chǎn)生強(qiáng)勁的內(nèi)驅(qū)力，不僅保持了學(xué)生學(xué)習(xí)的激情，而且使學(xué)生學(xué)會如何提問、如何擴(kuò)展問題的廣度和深度，提高了學(xué)生主動學(xué)習(xí)的能力，也進(jìn)一步加強(qiáng)計算思維在分析問題和解決問題過程中的潛意識融合。 4.2實驗教學(xué)組織 在某個或某幾個關(guān)聯(lián)的知識點講授完畢后，教師應(yīng)及時組織實踐教學(xué)，將相應(yīng)的實驗教學(xué)安排在理論教學(xué)結(jié)束的同一周或相鄰的周次，以免學(xué)生遺忘；針對學(xué)生所學(xué)專業(yè)的特點，有計劃地將某些具有代表性的問題納入實驗課的教學(xué)方案中，并針對經(jīng)典案例詳細(xì)列出程序設(shè)計的建模過程和算法步驟。 實驗課前，老師可將學(xué)生以寢室為單位進(jìn)行分組，同時，提前一周將實驗內(nèi)容和包括計算思維案例的各種教學(xué)資源提供給學(xué)生9。 在實驗中，學(xué)生在課堂上按時完成指定的實驗內(nèi)容，并以組為單位向全班講解如何進(jìn)行問題的分析和程序設(shè)計。教師可隨時中斷學(xué)生的演講，結(jié)合實驗所蘊(yùn)含的計算思維進(jìn)行提問。講演完畢后，教師要鼓勵其他學(xué)生對該組演示程序發(fā)表看法，發(fā)現(xiàn)學(xué)生不同的程序設(shè)計思想，及時指出程序設(shè)計的優(yōu)點和不足。 在實驗課結(jié)束時，應(yīng)全面總結(jié)實驗的共性問題和解決方法，尤其要注意發(fā)現(xiàn)與程序設(shè)計方法相違背的設(shè)計，并堅決要求學(xué)生及時改正。 4.3綜合練習(xí) 綜合練習(xí)應(yīng)緊密結(jié)合實際工程項目和學(xué)生專業(yè)知識的特點，堅持以學(xué)生自我獨(dú)立設(shè)計為主、教師為輔的原則，加強(qiáng)學(xué)生實踐能力的鍛煉，提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識和計算思維的能力。在練習(xí)中，教師應(yīng)積極提供幫助，指導(dǎo)學(xué)生按照軟件工程的思想高質(zhì)量地完成綜合練習(xí)報告。綜合練習(xí)一般安排在期末，因此教師要注意將綜合練習(xí)的批改意見及時反饋給學(xué)生。 5教學(xué)中需注意的方面 5.1語法是基礎(chǔ) 在具體教學(xué)中，要避免計算思維的形而上。學(xué)生牢固而靈活地掌握程序設(shè)計語言的語法知識是培養(yǎng)計算思維的基本條件，是程序設(shè)計的基礎(chǔ)。 5.2思維層次 在不同的教學(xué)階段，計算思維有一定的層次，是一個逐漸遞進(jìn)的過程，貫穿整個教學(xué)階段，不會一蹴而就，需要教師耐心和精心組織好每節(jié)課的教學(xué)。 在教學(xué)開始階段，學(xué)生往往因為問題簡單而忽略了分析步驟，此時恰是學(xué)生既能較易掌握知識點又能專注于建模和算法分析的最好時機(jī)，是培養(yǎng)計算思維的起點。因此，教師應(yīng)不厭其煩地引導(dǎo)學(xué)生一遍又一遍地進(jìn)行簡單的思維訓(xùn)練。在后段的學(xué)習(xí)中，學(xué)生往往疲于理解和記憶語法的細(xì)節(jié)，無心進(jìn)行算法分析。因此，教師應(yīng)及時解答學(xué)生的語法問題，拓展思維訓(xùn)練，將教學(xué)重點引到問題的求解算法上。 5.3考核的轉(zhuǎn)變 培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，更需要改革教學(xué)的考核內(nèi)容和考核方式，不能以考核語法知識或僅僅完成設(shè)計任務(wù)為主，而應(yīng)以考查具體的設(shè)計思路或算法和應(yīng)用程序設(shè)計解決實際問題的能力為主。教師在考核過程中應(yīng)有更靈活的措施，在評判結(jié)果上應(yīng)具有更大的決定權(quán)。 5.4教學(xué)評價 教學(xué)評價不僅關(guān)注教師的教學(xué)態(tài)度、模式、內(nèi)容、方法和課堂互動情況，更應(yīng)注重整體教學(xué)方案中計算思維的展現(xiàn)及其效果。因此，評價應(yīng)以學(xué)生為本，及時調(diào)整教師的評價方案，鼓勵教師改革，為學(xué)校培養(yǎng)更具創(chuàng)新性和創(chuàng)造力的學(xué)生。 6結(jié)語 面向計算思維的教學(xué)實踐結(jié)果表明，不僅學(xué)生的學(xué)習(xí)成績普遍提高，而且在后繼專業(yè)課的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)能力也得到了提高。 程序設(shè)計能夠激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能，能夠保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生分析和解決綜合問題的能力，為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作創(chuàng)造良好的條件。 參考文獻(xiàn)： 1戰(zhàn)德臣,王浩.面向計算思維的大學(xué)計算機(jī)課程教學(xué)內(nèi)容體系J.中國大學(xué)教學(xué),xx(7):59-66. 2WingJM.ComputationalthinkingJ.CommunicationsoftheACM,xx,49(3):33-35. 3龔向堅,鄒臘梅,胡義香.以培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力為目標(biāo)的計算機(jī)專業(yè)主干課程教學(xué)改革探討J.高等教育研究,xx,31(1):30-32. 4李廉.以計算思維培養(yǎng)為導(dǎo)向深化大學(xué)計算機(jī)課程改革J.中國大學(xué)教學(xué),xx(4):7-11. 5梁林梅,劉永貴,桑新民.高等教育信息化發(fā)展與研究論綱J.現(xiàn)代教育技術(shù),xx(1):5-9. 6教育部高等學(xué)校計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會.關(guān)于申報大學(xué)計算機(jī)課程改革項目的通知