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1、8 月65計算機(jī)教育Computer Education第 15 期2012 年 10 日中圖分類號:G642文章編號:1672-5913(201215-0065-04基于計算思維的程序設(shè)計類課程教學(xué)實(shí)踐丁金鳳1,李英梅1,徐建山2,盛琳陽1(1.哈爾濱師范大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150025;2.哈爾濱商業(yè)大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150028摘 要:介紹計算思維的概念和特征,提出在程序設(shè)計類課程中強(qiáng)化計算思維的兩種方法,即上機(jī)操作和算法多樣化。以哈爾濱師范大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院C 語言程序設(shè)計課程為例,介紹強(qiáng)化計算思維訓(xùn)練的教學(xué)實(shí)踐手段。關(guān)鍵詞
2、:上機(jī)實(shí)驗;算法多樣化;教學(xué)實(shí)踐計算思維不同于傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)思維,它不關(guān)注邏輯關(guān)系、推理演算的嚴(yán)謹(jǐn)程度,而是強(qiáng)調(diào)問題解決的操作過程和應(yīng)用實(shí)踐。中國高等院校計算機(jī)基礎(chǔ)教育課程體系2008提出了計算教學(xué)培養(yǎng)應(yīng)用能力的三大要求:操作演示能力、應(yīng)用開發(fā)能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力。程序設(shè)計課程作為計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)課程,掌握問題求解的算法和實(shí)現(xiàn)算法的具體過程是重要的培養(yǎng)目標(biāo),這些都需要強(qiáng)化計算思維訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)。基于計算思維的程序設(shè)計課程就是要在教會學(xué)生計算機(jī)編程的同時培養(yǎng)他們的計算思維能力。1 計算思維計算思維最早是由美國的周以真(Jeannette M.Wing教授在美國權(quán)威計算機(jī)雜志Communications
3、of the ACM 上定義的,她指出,計算思維是運(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)計以及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1。計算機(jī)的計算思維建立在計算過程的具體實(shí)現(xiàn)和約束之上,利用程序語言控制機(jī)器解決實(shí)際問題。計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化,計算思維的抽象是使用符號代替實(shí)際問題中的各種變量,每個程序包括各種標(biāo)識符、常量、變量、數(shù)組、函數(shù)和結(jié)構(gòu)體等符號語言,這些組合在一起就構(gòu)成了程序設(shè)計語言。計算思維的自動化則體現(xiàn)在程序的機(jī)械式執(zhí)行,這也是馮諾伊曼計算機(jī)體系的本質(zhì)特征。要實(shí)現(xiàn)自動化,就必須要設(shè)計精確的算法和嚴(yán)格的程序語言體系。計算思維的主要特征如下。1計算思維是嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)
4、整的。完備的算法是計算機(jī)程序解決問題的基本要求,它的實(shí)現(xiàn)必然要使用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)符號描述。數(shù)學(xué)符號本身就是一種有限確定性的描述問題手段,所以算法必須要保證每一步的操作都是確定無二義的,所以計算思維體現(xiàn)的正是嚴(yán)謹(jǐn)而又規(guī)整的邏輯思維。不同于人們用自然語言描述現(xiàn)實(shí)生活的各種現(xiàn)象,計算思維使用形式化語言科學(xué)地描述問題以及求解過程,這樣可以避免由于文化習(xí)慣的差異造成的二義性現(xiàn)象。比如自然語言“丁老師在上課”可以理解為“丁老師在教課,她在教別人”,但也可以理解為“丁老師在聽課,別人在教”。計基金項目:2010年黑龍江省高等教育教學(xué)改革工程項目(2010-45;黑龍江省教育學(xué)會“十二五”科研規(guī)劃課題(XHY12
5、5-016;哈爾濱師范大學(xué)科技發(fā)展省預(yù)研項目(10XKYY12,10XYS-03。作者簡介:丁金鳳,女,講師,研究方向為數(shù)據(jù)庫與知識庫、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用;李英梅,女,副教授,研究方向為數(shù)據(jù)庫、軟件工程;徐建山,男,講師,研究方向為網(wǎng)絡(luò)計算與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。201266計算機(jī)教育Computer Education 算思維要求用確定、形式化并且無二義性的語言描述問題,這就要求在程序設(shè)計課程教學(xué)過程中強(qiáng)化計算思維訓(xùn)練。比如學(xué)生在編寫程序時使用了錯誤的符號或者語法,都會在編譯或者運(yùn)行時提示錯誤,我們需要引導(dǎo)學(xué)生糾正自己的錯誤,培養(yǎng)他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)證精神和編程的良好習(xí)慣,這些都屬于強(qiáng)化計算思維嚴(yán)謹(jǐn)性的范疇2。2計算
6、思維是目標(biāo)明確的。計算思維是用來解答問題的,它將實(shí)際生活中的問題以抽象化和程序化的形式表示出來。通常解答問題的過程如下:發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、思考問題、解決問題和反思。在程序設(shè)計課程的教學(xué)過程中,要注意培養(yǎng)學(xué)生依據(jù)已有的知識體系,提出問題、解決問題的能力,著重強(qiáng)化利用計算思維的方式描述問題和使用機(jī)器語言解決問題的訓(xùn)練。例如,火車分段計費(fèi)問題就是我們在日常生活中感受到的問題,學(xué)生可根據(jù)自己對火車收費(fèi)的理解寫出數(shù)學(xué)式,然后用多分支結(jié)構(gòu)算法進(jìn)行描述,最后上機(jī)實(shí)現(xiàn)。3計算思維是機(jī)械化的。用來描述問題解決問題的算法有3種形式:生活算法:完成某項任務(wù)的計劃,例如一個學(xué)期的學(xué)習(xí)計劃;數(shù)學(xué)算法:對一類計算問題確
7、定統(tǒng)一的求解方法,例如一元二次方程組的求解公式;計算思維算法:精確描述問題和求解問題的自動化形式語言,比如高級程序設(shè)計語言。計算思維算法強(qiáng)調(diào)利用計算機(jī)的速度和存儲優(yōu)勢,通過嚴(yán)格機(jī)械化的操作時序解決實(shí)際問題。比如“雞兔同籠”問題可以使用兩個二元方程組進(jìn)行數(shù)學(xué)求解,但是計算機(jī)算法則可以使用窮舉法進(jìn)行簡單重復(fù)的操作求解,充分利用了計算機(jī)的計算速度優(yōu)勢。在程序設(shè)計課程中強(qiáng)化計算思維訓(xùn)練,可以讓學(xué)生掌握使用機(jī)械化思維進(jìn)行信息處理的能力3。2 計算思維強(qiáng)化訓(xùn)練策略2.1 以上機(jī)實(shí)驗為重點(diǎn)筆者在講授程序設(shè)計類課程教學(xué)過程中,摒棄傳統(tǒng)的理論灌輸和課后練習(xí)的教學(xué)模式,采用以上機(jī)實(shí)踐為重點(diǎn)的計算思維教學(xué)模式,讓學(xué)
8、生在親手操作中學(xué)習(xí)知識、消化知識,以戰(zhàn)代練,強(qiáng)化計算思維。具體的策略包括如下幾個方面。1提高上機(jī)實(shí)驗的地位。程序設(shè)計類課程本身就是一門實(shí)踐型學(xué)科,在進(jìn)行教學(xué)活動之前,需要跟學(xué)生溝通,讓他們明白上機(jī)實(shí)驗的重要性,同時認(rèn)識到上機(jī)不是僅僅為了強(qiáng)化實(shí)踐能力,而主要是為了培養(yǎng)他們積極思維,自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的計算思維能力。授課教師也應(yīng)該認(rèn)識到上機(jī)實(shí)驗應(yīng)是程序設(shè)計課程教學(xué)的核心。2保證實(shí)驗內(nèi)容,體現(xiàn)計算思維。要強(qiáng)化計算思維,首先要在實(shí)驗內(nèi)容上下功夫。教師要不斷學(xué)習(xí)和創(chuàng)作適合學(xué)生知識和心理特點(diǎn)的實(shí)驗內(nèi)容。實(shí)驗內(nèi)容不應(yīng)是課堂內(nèi)容的簡單復(fù)習(xí),要給學(xué)生提供計算思維的創(chuàng)新空間。課堂內(nèi)容也要符合實(shí)驗內(nèi)容,要給學(xué)生
9、留問題,讓他們自己分析總結(jié),在實(shí)驗上機(jī)時解決,提高自主思維能力。在實(shí)驗過程中遇到困難和錯誤,不要輕易否定和批評學(xué)生,要指導(dǎo)他們分析難點(diǎn)和錯誤,讓他們自己解決。實(shí)驗課程要給學(xué)生提出新的解決方案或排除未知問題的滿足感,激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性,大膽創(chuàng)新。3增強(qiáng)實(shí)驗的趣味性和綜合性。實(shí)驗內(nèi)容不能太枯燥,也不能是課上例題的驗證和重復(fù),這樣會使學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。應(yīng)該多選取學(xué)生感興趣的實(shí)際問題作為實(shí)驗內(nèi)容,利用學(xué)生的興趣增強(qiáng)實(shí)驗內(nèi)容的綜合型,從而提高學(xué)生的計算思維能力。比如在分支程序結(jié)構(gòu)中,安排火車計費(fèi)程序進(jìn)行計算思維訓(xùn)練。2.2 以思維多樣化為核心點(diǎn)由于學(xué)生思維能力和心理特征存在個體差異,在程序設(shè)計課程的教
10、學(xué)活動中,應(yīng)倡導(dǎo)多樣化的算法思維,培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識。強(qiáng)調(diào)多樣化的算法思維,可以有效地強(qiáng)化計算思維,讓學(xué)生明白“條條大路通羅馬”的道理。具體策略如下。學(xué)科建設(shè)與教學(xué)改革第 15 期671尊重不同的認(rèn)知方式。計算思維多樣化的本質(zhì)就是尊重學(xué)生不同的認(rèn)知方式。由于認(rèn)知方式存在差異,在程序設(shè)計課程的教學(xué)過程中必然會出現(xiàn)思維多樣化的現(xiàn)象。教師要尊重這種認(rèn)知方式的差異,鼓勵學(xué)生根據(jù)自己的興趣,從不同角度發(fā)現(xiàn)問題和分析問題,用不同的算法解決問題,用不同的程序?qū)崿F(xiàn)算法。2增強(qiáng)計算思維的重構(gòu)性。所謂重構(gòu),就是在已有的程序基礎(chǔ)上衍生出的新的解決問題算法實(shí)現(xiàn)。這種通過分析已有程序的優(yōu)缺點(diǎn),修改并把自己的思
11、維融入新程序的過程,就是最好的鍛煉計算思維的訓(xùn)練手段。好的算法不一定適用于每個問題和每個學(xué)生,并且?guī)缀跛械乃惴ǘ加芯窒扌?。在設(shè)計上機(jī)實(shí)驗內(nèi)容時,教師要考慮給出一些可供學(xué)生重構(gòu)的程序片段,培養(yǎng)他們的思維創(chuàng)新能力。3充分利用算法的簡化和優(yōu)化過程。除了要尊重認(rèn)知差異和思維重構(gòu)性,教師還要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思和創(chuàng)新聯(lián)系,到達(dá)簡化和優(yōu)化算法的目的。這個簡化和優(yōu)化算法的過程可以很好地強(qiáng)化計算思維訓(xùn)練,幫助學(xué)生舉一反三地學(xué)好程序設(shè)計課程。3 C語言計算思維能力培養(yǎng)實(shí)踐課堂教學(xué)采用任務(wù)驅(qū)動的方式。例如,可以選用涵蓋所有知識點(diǎn)的“猜數(shù)游戲”程序,讓學(xué)生圍繞這個程序循序漸進(jìn)地學(xué)習(xí),便于思維訓(xùn)練的連貫性。猜數(shù)游戲程序
12、知識點(diǎn)分布如表1所示。序號逐步改進(jìn)的猜數(shù)游戲涉及知識點(diǎn)1運(yùn)行結(jié)果只給出信息“猜對了”單分支的if語句2運(yùn)行結(jié)果給出信息“猜對了”、“猜錯了”雙分支的if-else語句3運(yùn)行結(jié)果給出信息“猜對了”、“猜大了”、“猜小了”多分支if-else語句以及switch語句4讓猜數(shù)者不斷地猜數(shù),直到數(shù)猜對循環(huán)結(jié)構(gòu)5讓猜數(shù)者不斷地猜數(shù),直到數(shù)猜對,但程序中限制猜數(shù)的次數(shù)循環(huán)結(jié)構(gòu)以及break語句、continue語句6通過多次,猜對4個數(shù)值組成一個序列數(shù)組7將猜數(shù)游戲中“判斷數(shù)值大小程序”使用函數(shù)調(diào)到的方式函數(shù)8利用指針實(shí)現(xiàn)猜對4個數(shù)值的猜數(shù)游戲中的相關(guān)函數(shù)指針9在程序中保存猜數(shù)游戲,猜對學(xué)生的班級、姓名結(jié)
13、構(gòu)體10在程序中保存猜數(shù)游戲的排行榜文件表1 猜數(shù)游戲程序知識點(diǎn)分布C語言程序設(shè)計課程中的思維能力訓(xùn)練主要培養(yǎng)學(xué)生分析問題、決策和解決問題的能力。我院除了課堂教學(xué)中采用項目驅(qū)動的方式授課,更加注重個體思維和操作能力的培養(yǎng),上機(jī)環(huán)節(jié)采用“驗證-調(diào)試-設(shè)計”的形式設(shè)計實(shí)驗內(nèi)容,力求在課上和課下都有強(qiáng)化計算思維的專項訓(xùn)練。具體做法如下。1規(guī)范化上機(jī)。實(shí)驗采用流程化管理的方式,對于任何實(shí)驗內(nèi)容,都要求學(xué)生按照“閱讀題目-分析總結(jié)-設(shè)計算法-編寫實(shí)現(xiàn)代碼-上機(jī)調(diào)試-優(yōu)化程序”的順序進(jìn)行,引導(dǎo)他們養(yǎng)成良好的思維能力和編程習(xí)慣,逐步訓(xùn)練、提高他們分析解決問題和開拓創(chuàng)新的能力。2興趣化培養(yǎng)。一成不變的枯燥內(nèi)容
14、很難調(diào)動起學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性,教師在編寫教案時,要多選取貼近生活和趣味性的內(nèi)容。比如出租車的計費(fèi)方式和if結(jié)構(gòu)結(jié)合、個人所得稅的計算和switch結(jié)構(gòu)結(jié)合等,這些日常生活中的問題都可以讓他們感興趣解決。3簡優(yōu)化訓(xùn)練。在鼓勵學(xué)生發(fā)散思維,提倡算法多樣化的同時,C語言教學(xué)還要引導(dǎo)學(xué)生思考和分析已有算法的優(yōu)缺點(diǎn),進(jìn)而進(jìn)行簡化和優(yōu)化。比如“百雞百錢”問題,大多數(shù)學(xué)生都采用三重循環(huán)的算法實(shí)現(xiàn)。我們就可以提出改進(jìn)方201268計算機(jī)教育Computer Education 案,鼓勵學(xué)生積極思考如何采用二重循環(huán)的方式實(shí)現(xiàn),然后再比較兩種算法的性能,三重循環(huán)的次數(shù)達(dá)到了100萬次,而二次循環(huán)是1萬次,性能提升了
15、99%。一個簡單的循環(huán)就可以讓學(xué)生認(rèn)識到算法優(yōu)化的魅力,這就可以讓他們繼續(xù)思考如何簡化問題,公雞數(shù)量不可超過32,就可以在循環(huán)中把公雞數(shù)量由100降到32,同理,母雞也降到98,這樣循環(huán)又降低了10 000-32×98=6 864次,比之前的二重循環(huán)又減少了70%左右,這一系列的簡優(yōu)化處理,對于增強(qiáng)計算思維能力有極大的促進(jìn)作用。4 結(jié)語程序設(shè)計課程中的計算思維訓(xùn)練對于計算機(jī)學(xué)科培養(yǎng)高素質(zhì)技術(shù)人才的培養(yǎng)目標(biāo)是十分重要的,因為計算思維可以幫助學(xué)生理解計算的實(shí)現(xiàn)機(jī)制,還有利于他們進(jìn)行實(shí)踐和創(chuàng)新。計算思維的本質(zhì)就是信息思維,也就是用計算機(jī)的方式思考問題和表達(dá)行為,這也是計算機(jī)人才必備的能力。
16、我們不僅要在程序設(shè)計課程中強(qiáng)化計算思維,還要努力把它推廣到更多的課程中去,真正把強(qiáng)化計算思維做到實(shí)處。參考文獻(xiàn):1 王榮良. 信息技術(shù)課程中算法學(xué)習(xí)的價值探索J. 中國電化教育, 2008(8: 78-81.2 董榮勝. 計算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論: 思想與方法M. 北京: 高等教育出版社, 2007: 101-102.3 陳杰華. 程序設(shè)計課程中強(qiáng)化計算思維訓(xùn)練的實(shí)踐探索J. 電化教育研究, 2009(10: 84-85.(編輯:張玥參考文獻(xiàn):1 王剛. CDIO 工程教育模式的解讀與思考J. 中國高教研究, 2009(5: 86-87.2 郝智秀, 季林紅, 馮涓. 基于CDIO 的低年級學(xué)生工程能力
17、培養(yǎng)探索: 機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)踐教學(xué)案例J. 高等工程教育研究, 2009(5: 36-40.3 陳春林, 朱張青. 基于CDIO 教育理念的工程學(xué)科教育改革與實(shí)踐J. 教育與現(xiàn)代化, 2010(1: 30-33.4 代鈺, 張斌, 楊雷, 朱志良. 多元化軟件人才培養(yǎng)模式的探索與實(shí)踐J. 計算機(jī)教育, 2009(22: 20-23.5 孫菁, 傅德勝. “密碼學(xué)”課程教學(xué)方法的探索與實(shí)踐J. 信息網(wǎng)絡(luò)安全, 2009(7: 65-67.6鄭淑麗, 胡東輝, 侯整風(fēng), 等. 信息安全專業(yè)“信息隱藏”課程的教學(xué)研究J. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2010(2: 105-108.(編輯:郭小明任務(wù)驅(qū)動的探究教學(xué)模式”相融合的方法,對課堂教學(xué)模式進(jìn)行改革,將大大提升課堂教學(xué)效果,提高學(xué)生對理論知識的掌握水平;采用“協(xié)同學(xué)習(xí),合作研
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