基于計算思維能力培養(yǎng)程序設計課程教學探究

1、基于計算思維能力培養(yǎng)程序設計課程教學探究摘要：當今社會人才的競爭，其本質是知識的競爭，更重 要的是能力的競爭。該文從程序設計理論和實踐教學入手， 探討對學生計算思維能力的培養(yǎng)。基于計算思維能力培養(yǎng)的 程序設計課程教學對培養(yǎng)學生學習興趣和提高其程序設計 及編程實踐能力，尤其是培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力能夠起到重大 的作用。關鍵詞：教學；程序設計；計算思維；能力培養(yǎng)中圖分類號：tp3文獻標識碼：a文章編號：1009-3044 (2012) 35-8475-03程序設計課程已成為國內外高校計算機及相關專業(yè)必 修的核心專業(yè)基礎課程。在該課程的教學中，不僅應讓學生 學會程序設計的相關知識，使學生能夠掌握程序設計

2、的編程 技巧，更應激發(fā)學生對它的興趣，在此基礎上培養(yǎng)學生自主 探求新知識、解決問題的新方法的能力，從而提高學生的實 踐與創(chuàng)新能力，培養(yǎng)與社會發(fā)展相適應的應用型人才。計算 思維具有強大的創(chuàng)新能力1acm和ieee-cs在修訂后的計算 機科學教程 2008 (computer science curriculum 2008) 中明確指出應該將計算思維作為計算機科學教學的重要組 成部分2。中國科學院院士、中國科學技術大學陳國良教 授指出3：在大學中，計算思維不僅能振興大學計算教育, 而且會令科學與工程領域創(chuàng)造出革命性的研究成果。把計算 思維理念引入程序設計課程的教學過程中，探索以培養(yǎng)計算 思維能力為

3、核心的新教學模式，在教學過程中以程序設計知 識為載體，融合計算思維能力和素質的培養(yǎng)，著重強調創(chuàng)造 能力和適應能力的培養(yǎng)，為程序設計的課程教學提供新思 路。1計算思維當前，計算思維是一個非常受關注的涉及計算機科學 本質問題和未來教育走向的基礎性概念。這一概念最早是由 麻省理工學院(mit)的seymour papert 教授在1996 年提出的4,但是把這一個概念提到前臺來，成為現在受 到廣泛關注的代表人物是美國卡內基梅隆大學(cmu)的周 以真教授(jeannette m. wing) 5。計算思維提出了一 系列解決問題的觀點和方法，這些觀點和方法有助于人們更 加深刻地理解計算的本質和計算機求

4、解問題的核心思想。根據jeannette m. wing等人的設想6, 個已經 具備計算思維能力的人，如果他遇到了一個問題，他能夠 理解其哪些方面是可以計算的；能夠使用相應的計算工具或 技術進行評估，能夠理解計算工具和技術所具有優(yōu)點和缺 點；能夠用它去解決新的問題；能夠抓住使用新的計算方式 的機會；能夠在任何領域應用采用相應計算方法。而對于已 經具備計算思維能力的科學家、工程師以及其他專業(yè)人士來 說，應該能夠創(chuàng)新的計算方法來解決具體的專業(yè)問題，能 夠通過對海量數據分析而得到新的科學發(fā)現，能夠提出之前 沒有想過或者由于問題的規(guī)模不敢提出但能夠用計算思維 進行處理的問題，能夠使用專業(yè)的術語對問題及

5、其解決方案 進行解釋等等。由以上可知，抽象和自動化是為了培養(yǎng)學生的計算思維 能力的核心內容，最能夠體現計算思維的本質；因此，在 教學過程中應該有意識地強化學生對計算思維的基本概念 和思維方法的理解和掌握。其實，國內外教育者很早就已經 開始重視計算思維的基本概念和思維方法；在acm和 ieee-cs聯合攻關組制訂的計算教程cc1991 (computing curricula 1991)中已經提取出了計算機學科的12個核心 概念7,包括：概念化和形式化模型、大問題的復雜性、 抽象層次、折中和結論、一致性和完備性、效率、演化、按 空間排序、按時間排序、重用、安全性、以及綁定等。這些 思想、方法和原

6、則是計算思維中最核心的內容，不斷強化學 生對這些概念的理解和掌握是我們今后教學的全部任務。2基于計算思維的程序設計課程教學2. 1課程的引入在講授這門課程之前，首先要告訴學生，學會基本的編 程不是本課程教學的重點，對他們的計算思維能力和創(chuàng)新能 力的培養(yǎng)和訓練才是核心；他們在經過半年多的系統學習 后，不僅要掌握程序設計的基本知識結構，更為重要的是系 統的計算思維能力和創(chuàng)新能力的訓練能夠為后續(xù)的專業(yè)課 程的學習打下良好地基礎。對本專業(yè)學生而言，不僅要掌握 程序設計的相關知識，更為重要的是在具體的專業(yè)應用中能 夠使用這些知識構建出與具體環(huán)境相適應的的計算方法能 力；從而為后續(xù)計算機的專業(yè)知識的學習做

7、鋪墊；對非計算 機專業(yè)學生而言，學習程序設計的目的不是成為一名優(yōu)秀的 程序員，而是學習對于現實生活中的問題能夠進行抽象、理 論和設計，即能夠分析、解決問題，這種能力的訓練我們可 以通過算法和計算機語言來實踐計算思維的訓練過程，從而 達到對學生們的理性思維和邏輯思維的培養(yǎng)，促使他們養(yǎng)成 一個良性的縝密思維習慣。程序設計是對學生進行思維訓練 的最直接、最具有操作性的平臺?？偠灾?，從計算思維角 度出發(fā)進行程序設計課程教學可以較好地達到以下目的。首 先，能夠告訴學生該課程的重要性，讓學生能夠從宏觀上了 解該課程在他們專業(yè)課程體系中所處的位置。其次，能夠讓 學生知道學習該課程的最終目的，即培養(yǎng)通過對日

8、常問題的 構建抽象模型并在其基礎上構造算法和解決問題的能力。最 后，能夠糾正學生普遍存在的認為程序設計就是培養(yǎng)學生的 編程能力的錯誤認識，其實是通過程序設計培養(yǎng)他們的計算 思維能力才是本課程的最終目的，這種能力才是大家應該具 備的核心競爭力，從而激發(fā)他們對該課程的學習興趣。2.2教學過程將計算思維與程序設計課程教學的結合主要體現在兩 個方面：首先要保證抽象和自動化兩個核心思想貫穿于整個 教學過程，其次還要根據講授的具體知識點恰當地引入計算 思維中所有的其他基本概念和思維方法。下面從理論教學和 實踐教學中分別挑選一個教學實例進行闡述。2. 2. 1理論教學在結構化程序設計中，常常要求程序根據對某

9、個特定條 件的判斷來決定下一步要進行的操作，這種結構稱為選擇結 構，即在兩條或多條可能的路徑中選擇其中的一條。傳統教 學一般是先給出選擇結構的基本結構，接著講解具體的例 子，最后總結、布置作業(yè)的過程；但是，從計算思維的角度 出發(fā)，科學的方法應該從觀察開始，應該帶著問題觀察，教 學可以從日常生活中一個簡單的例子開始引入，例如：雙周 的周四一二節(jié)有計算機課而單周周四一二節(jié)則沒有課，使整 個教學顯得過渡自然，給同學們展示了現在所學的知識已經 實實在在存在于我們的日常生活中，不僅可以拉近與他們的 距離，更重要是讓他們覺得所講授的內容比較簡單，為后續(xù) 教學活動的開展埋下了伏筆，這一點對非理工的學生尤其重

10、 要，可以說事關教學的成敗。在此基礎上，采用抽象的方法, 提煉出選擇結構的基本結構，水到渠道，然后再引入高中所 學的分段函數，這個也是很多學生熟悉的內容，可以說是初 中已經接觸的內容；接著把分段函數轉換成對應的選擇結 構，這樣不露聲色把數學的思想灌輸給學生，尤其克服了文 科生普遍怕數學的心理。學生已經基本掌握的基礎上，再給 學生一次實踐的機會，給出現實生活中一個例子：如求郵費 問題；鼓勵學生積極思考，同時引入計算思維的約簡、嵌入、 轉化等方法，把復雜的問題轉分解易于解決的問題并加以實 現；做完這一步后，再進一步拓展，從問題入手，例如：考 試成績的評級，引入多分支選擇結構，著重分析基本結構與 多

11、分支結構的差異和適用的范圍，使整個知識點鏈自然形 成。在教學過程中，運用問題誘發(fā)學生使用抽象的思想和方 法，學習用抽象方法去表達自己的想法并建模，能夠透過現 象看本質，通過持續(xù)的訓練達到完全掌握抽象這個工具。2. 2.2實踐教學理論教學完成后，學生能夠聽的懂，只能說明跟得上教 學進度，還不一定用得上，更不要說帶的走。要完全地掌握 一種思維方法，僅靠課堂理論教學是遠遠不夠的。實踐教學 是鞏固理論知識、積累實踐操作經驗、完全掌握計算思維方 法的必由之路。在實踐教學中，重點訓練學生對計算思維方 法的運用、探索解決實際問題的能力；它是對課堂教學強有 力的補充，也是對計算思維方法更好地吸收和鞏固。為了實

12、 踐效果更好，可以將實踐過程細分為驗證實驗、探索性實驗 等形式，激化學生積極參加探索、探索的欲望。在實踐之前, 要布置精心設計好的有梯度的實驗題目給學生作為課后作 業(yè)，先讓學生利用課余時間獨立運用所學計算思維方法完 成；然后，帶著獨有的見解和疑問去進行實踐操作，讓計算 機對他們的見解進行驗證和對疑問進行解答；最后，教師對 各種情況進行以分析、總結，進一步深化學生對計算思維 思想方法的理解。例如：函數參數的調用的問題對學生來說 不好理解，地址傳遞和值傳遞，給學生一種直觀感受，還不 能形成一套能夠解決此類問題的方法，即還沒有達到計算機 思維自動化的要求。這時，結合計算思維的關注點分離的方 法，可以

13、在實驗教學時，設計不同的實驗，既有地址的，又 有值傳遞的，還有綜合的，還可以結合由淺入深的方法， 將實驗分為驗證型、綜合型和研究型三種類型的實驗。驗證 型實驗要求學生能夠使用老師所教的思維方法完成實驗內 容；設計型實驗綜合運用多種計算思維方法來分析問題和解 決問題；研究型實驗則結合具體本專業(yè)的特點布置小型項目 的課程設計題目，由學生自組小組分工合作，不僅培養(yǎng)了學 生靈活運用所學知識的能力和團隊合作精神，更能夠培養(yǎng)學 生自主發(fā)現、解決問題的能力和積極探索、創(chuàng)新能力，是計 算思維方法進一步升華。3結束語將計算思維培養(yǎng)貫穿到程序設計教學之后， 可以更好 的對學生計算思維能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)學生用計算思維

14、來思 考、解決問題的能力。量變到質變需要一個過程，這就需要 授業(yè)者能夠高瞻遠矚，能夠從培養(yǎng)學生計算思維能力的角度 來看待所教講授的課程，能夠將計算機思維的方法貫穿于程 序設計相關的知識點的講解中?？偠灾嬎闼季S對新時代人才培養(yǎng)提出了新的培 養(yǎng)要求，我們需要從更深層次重新認識并審視程序設計對于 學生計算機思維培養(yǎng)的重要性，積極建立與之相稱的計算機 教學課程體系；另一方面，教師要不斷提高自身業(yè)務素質， 以計算思維能力的培養(yǎng)對學生素質培養(yǎng)的重要性為契機，加 強對計算思維能力教學方法的研究。參考文獻：1 牟琴，譚良計算思維的研究及其進展j.計算機 科學，2011 (3)： 10-15.2 常亮，徐周波，古天龍，等離散數學教學中的計 算思維培養(yǎng)j.計算機教育，2011 (14)： 90-94.3 陳國良，董榮勝計算思維與大學計算機基礎教育 j.中國大學教學,2011 (1)： 7-11, 32.4 seymour papert. an exploration in thespaceofmathematicseducationsj.internationaljournal of computers formathematical learning, 1996, 1 (1)： 95-123.5 wingthinkingj