計算思維能力的C程序設(shè)計教學(xué)研究論文

　　摘要：計算思維近年來在計算機(jī)領(lǐng)域和教育領(lǐng)域備受關(guān)注，計算思維能力是每一個現(xiàn)代人必備的基本能力。以算法為核心的C程序設(shè)計是計算思維能力培養(yǎng)的最佳土壤，文章以系統(tǒng)方法的視角分別從課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)資源以及教學(xué)評價5方面深入探討計算思維能力的培養(yǎng)問題，旨在為計算思維能力培養(yǎng)提供思路和建議。

　　關(guān)鍵詞：計算思維；思維教學(xué)；C程序設(shè)計；問題求解

　　1背景

　　自2006年3月美國計算機(jī)科學(xué)家周以真教授提出計算思維這一概念后，作為三大科學(xué)思維之一的計算思維就在計算機(jī)領(lǐng)域和教育領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。計算思維成為每一個現(xiàn)代人必備的能力。計算機(jī)領(lǐng)域是計算思維教育的主要陣地，C程序設(shè)計凸顯了解決問題的算法特性，成為計算思維理念的最好體現(xiàn)。以C程序設(shè)計課程為載體培養(yǎng)計算思維能力是有益的嘗試。在CNKI文獻(xiàn)檢索平臺以“程序設(shè)計”和“計算思維”為篇名，精確檢索出與高校程序設(shè)計課程相關(guān)的4篇核心文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[1]重點(diǎn)探討程序設(shè)計實驗教學(xué)中計算思維能力培養(yǎng)的思路；文獻(xiàn)[2]以ACM/ICPC程序設(shè)計競賽為切入點(diǎn)探討計算思維在競賽中的體現(xiàn)、應(yīng)用及培養(yǎng)問題；文獻(xiàn)[3]側(cè)重分析C程序設(shè)計課程中計算思維本質(zhì)的體現(xiàn)，并在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式、考核內(nèi)容方面給出計算思維培養(yǎng)的建議；文獻(xiàn)[4]則從教育游戲的視角論述在程序設(shè)計課程中“輕游戲”對培養(yǎng)計算思維能力的影響。這些研究雖然從不同維度做了有益探索，但是少有運(yùn)用計算思維的系統(tǒng)方法全面論述C程序設(shè)計課程教學(xué)中培養(yǎng)計算思維的問題。

　　2計算思維概述

　　2.1計算思維的官方解讀

　　計算思維的概念是由曾任美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計算機(jī)系主任的周以真教授提出的。她認(rèn)為，計算思維（computationalthinking）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[5]。對于計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念，王榮良教授從計算裝置、計算載體、計算過程、計算資源4個維度描述計算機(jī)最基礎(chǔ)的知識和最基本的方法[6]40。計算裝置是指實現(xiàn)計算的硬件設(shè)備；計算載體是指實現(xiàn)計算的對象；計算過程指算法，即解決問題的方法與步驟；計算資源指實現(xiàn)計算所需的軟件資源。綜上所述，計算思維可簡單地理解為用計算機(jī)基礎(chǔ)知識和基本方法求解問題（將系統(tǒng)化設(shè)計和人類行為理解均歸為問題求解范圍）的一系列思想活動，其核心是問題求解的方法與思路。計算思維是一個不斷發(fā)展的概念，在信息化時代指的是用人的思維駕馭以計算設(shè)備為核心的技術(shù)工具來解決問題的一種思維方式。

　　2.2計算思維的本質(zhì)

　　計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化[7]12。思維是一種思想活動，是抽象的，而計算思維則更抽象。計算思維中的抽象需要用特定嚴(yán)格的符號標(biāo)記去描述、表示并使其形式化，進(jìn)而達(dá)到機(jī)械化執(zhí)行即自動化的目的，而自動化是計算思維特有的屬性，它要求被自動執(zhí)行的對象一定是形式化的。由此可見，抽象與自動化是相互影響又彼此共生的一對孿生姐妹，兩者關(guān)系如圖1所示。程。開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性潛能，培養(yǎng)和提升學(xué)生的創(chuàng)新思維與能力是我國素質(zhì)教育的根本宗旨。在幫助學(xué)生了解信息技術(shù)基本知識和技能的基礎(chǔ)上，更加注重學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)與提升，應(yīng)是我國計算機(jī)教育的`根本出發(fā)點(diǎn)和歸宿[7]14。培養(yǎng)計算思維能力是培養(yǎng)和提升學(xué)生創(chuàng)新能力的有效方法和途徑。具備計算思維的人，能夠運(yùn)用邏輯推理、歸納總結(jié)等方法分析論證；能夠運(yùn)用系統(tǒng)方法分析問題和解決問題；能夠采用分而治之的方法將復(fù)雜問題模塊化和簡單化；具有創(chuàng)新意識，善于將自己的創(chuàng)意想法或待解決的問題轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以識別的形式，讓計算機(jī)去做那些復(fù)雜繁瑣的任務(wù)。

　　3以計算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的C程序設(shè)計課程目標(biāo)設(shè)計

　　教育部高等學(xué)校計算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會提出大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)4方面的能力培養(yǎng)目標(biāo)：對計算機(jī)的認(rèn)知能力、應(yīng)用計算機(jī)解決問題的能力、基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力和依托信息技術(shù)的共處能力[9]。這４個能力目標(biāo)中“應(yīng)用計算機(jī)解決問題的能力”恰好反映了計算思維的核心要素——問題求解。課程目標(biāo)集中體現(xiàn)課程的整體價值，是一門課程的核心所在�；�于“應(yīng)用計算機(jī)解決問題的能力”的目標(biāo)，借鑒基礎(chǔ)教育課程改革的三維目標(biāo)，教師可將C程序設(shè)計課程目標(biāo)分為知識與技能、過程與思維、綜合應(yīng)用與創(chuàng)新3個維度，具體內(nèi)容見表1。知識與技能、過程與思維、綜合計算思維雖然以抽象和自動化為本質(zhì)內(nèi)容，但計算思維絕不是計算機(jī)的思維，而是人的思維、人的思想，它在解決問題方面具有非常重要的作用。2.3計算思維能力培養(yǎng)的意義自古至今，所有的教育都是為了人的發(fā)展。人之發(fā)展，首在思維，因此培養(yǎng)人的科學(xué)的思維能力必然是教育的核心內(nèi)容[8]。著名科學(xué)家錢學(xué)森說過，教育工作的最終機(jī)理在于人腦的思維過應(yīng)用與創(chuàng)新三維課程目標(biāo)是面向不同層級的能力要求，是逐漸上升發(fā)展的。

　　4以計算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的C程序設(shè)計課程內(nèi)容設(shè)計

　　課程內(nèi)容體系是課程的集中反映，也是課程的載體和基礎(chǔ)。依據(jù)上述提出的不同層級的三維目標(biāo)，教師可將課程內(nèi)容分為3個不同模塊，具體見表2。課程內(nèi)容模塊化和結(jié)構(gòu)化一方面便于學(xué)生對內(nèi)容理解得更深入、更透徹，為系統(tǒng)學(xué)習(xí)搭好框架；另一方面與三維目標(biāo)相吻合，便于課程目標(biāo)的實現(xiàn)。

　　5以計算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的C程序設(shè)

　　計課程教學(xué)方法選擇教學(xué)方法是否豐富多樣，是一門課程能否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵。融入計算思維，主要就是教學(xué)方法改革[11]。C程序設(shè)計是一門實踐性很強(qiáng)的課程，教學(xué)方法的選擇要以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力為核心目標(biāo)，以教學(xué)內(nèi)容為依據(jù)，以“雙主教學(xué)”理念為指導(dǎo)，以信息技術(shù)的利用為手段和方式。文獻(xiàn)[11]中指出“計算思維不是內(nèi)容的改變，不是工具的改變，而只是教學(xué)方法、方式的改變。啟發(fā)式教學(xué)最能體現(xiàn)這種改變：引導(dǎo)學(xué)生思考，使之看到問題之外的問題、方法之外的方法、沒有聯(lián)系的聯(lián)系，這就是計算思維”。王榮良教授在《計算思維教育》中提到，在計算機(jī)學(xué)科領(lǐng)域，滲透計算思維的教學(xué)方法有探究式教學(xué)法、任務(wù)驅(qū)動式教學(xué)法和實驗教學(xué)法[6]102-129。除此之外，案例教學(xué)法和項目教學(xué)法也是程序設(shè)計課程中經(jīng)常采用的教學(xué)方法。新型的翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式在程序設(shè)計課程中也有其用武之地，因為它能為學(xué)生提供充足的課堂操練時間，這對于強(qiáng)調(diào)實踐操作且學(xué)時不充分的C程序設(shè)計課程來說無疑是雪中送炭。無論采用哪種教學(xué)方法，只要在教學(xué)過程中注重計算思維方法的滲透和引導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)問題求解的思路，就是培養(yǎng)計算思維能力。

　　6以計算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的C程序設(shè)

　　計課程教學(xué)資源選擇教學(xué)資源是課程內(nèi)容的載體，也是教學(xué)內(nèi)容廣度和深度的體現(xiàn)，包括教材與教輔資源兩種類型。

　　6.1教材的選擇

　　教材是課程內(nèi)容體系的集中體現(xiàn)。對于高等教育而言，教材并不是教學(xué)內(nèi)容的全部和唯一，它僅僅是課程學(xué)習(xí)的一個主要參考資料。教師應(yīng)該在多種教材中選擇自己所需的內(nèi)容框架，并在此基礎(chǔ)上形成自己的內(nèi)容體系。雖然目前還沒有關(guān)于計算思維能力培養(yǎng)的程序設(shè)計教材，但是關(guān)于思維教學(xué)和計算思維的著作相繼問世，如斯滕伯格的《思維教學(xué)——培養(yǎng)聰明的學(xué)習(xí)者》、陳國良院士的《計算思維導(dǎo)論》、王榮良教授的《計算思維教育》、陸朝俊教授的《程序設(shè)計思想與方法：問題求解中的計算思維》、夏耘等編著的《計算思維基礎(chǔ)》，這些為一線教師實踐計算思維方法指引方向，提供思路。教師可以上述的三大內(nèi)容框架為依據(jù)，以C程序設(shè)計教材為基礎(chǔ)，以計算思維和思維教育為核心，設(shè)計一套自成體系的特色鮮明的參考教材。

　　6.2教輔資源的設(shè)計與開發(fā)

　　教輔資源既是教材的補(bǔ)充，又是鞏固和提升學(xué)生能力的一種教學(xué)資源。教輔資源類型豐富多樣，可以是紙質(zhì)版或電子版的學(xué)習(xí)資料、練習(xí)冊、課件、微課程、模擬系統(tǒng)、在線課程甚至網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺等。在培養(yǎng)計算思維能力的C程序設(shè)計課程中，教輔資源的選擇、設(shè)計、開發(fā)除了與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法相關(guān)，還要突出問題求解的方法與思路。

　　7以計算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的C程序設(shè)

　　計課程教學(xué)評價設(shè)計教學(xué)評價是衡量一門課程是否達(dá)標(biāo)的一種手段，是檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生能力的過程。教學(xué)評價若按評價功能劃分，可分為診斷性評價、過程性評價和總結(jié)性評價；若按評價性質(zhì)劃分，則分為定性評價和定量評價。C程序設(shè)計課程常采用期末閉卷考核方式，這種考核方式只能考查學(xué)生對于理論知識的掌握情況，無法考核學(xué)生的解決問題能力和創(chuàng)新能力，往往會導(dǎo)致學(xué)生高分低能。在注重實踐和計算思維能力培養(yǎng)的C程序設(shè)計課程教學(xué)中，教師應(yīng)采用多元化的評價機(jī)制，將定性與定量結(jié)合，使過程與結(jié)果并重，既注重學(xué)生的平時表現(xiàn)如努力程度、積極狀態(tài)等，又考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)成果如項目完成情況、創(chuàng)新程度等。依據(jù)前面提到的三維目標(biāo)和三大內(nèi)容模塊，教師可開展分階段、分層次的三級考核，即基礎(chǔ)考核―算法考核―綜合考核。

　　8結(jié)語

　　思維是人類區(qū)別于動物的特有屬性，通過思維獲取的知識才是真正的知識。思維訓(xùn)練學(xué)習(xí)的并不是思維，而是如何思維得好，讓這種思維能力運(yùn)用得當(dāng)[12]。以問題求解為核心的計算思維是每一個現(xiàn)代人必備的基本素質(zhì)，也是創(chuàng)新人才選拔的一項重要指標(biāo)。開展計算思維教育的宗旨是提升學(xué)生求解問題的能力和創(chuàng)新能力，使之更好地學(xué)習(xí)、工作與生活。計算思維能力培養(yǎng)是教育領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)，這條路難走但也要堅持走下去，相信在眾多專家和一線教師的努力下會結(jié)出豐碩的果實。

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