以计算思维为导引的程序设计实验教学模式研究

１６４　福　建　电脑　２０１２年第５期　以计算思维为导引的程序设计实验教学模式研究　卢玲．刘恒洋　（重庆理工大学计算机科学与工程学院重庆４０００５０）　【摘　要】：计算思维作为问题求解、系统设计和人类行为理解的一种思维方式，受到当前计　算机教育领域的广泛关注。程序设计过程中的阅读、分析、抽象表达、综合创造等技能都需要计算　思维能力的支撑。该文分析了计算思维与程序设计实验的关系，以程序设计基础课程为突破口．　从实验案例的设置、重构问题的解、发展多样化的认知方式等方面提出了一种以计算思维为导引　的、切实可行的实验教学模式　【关键词】：计算思维程序设计基础信息素养认知方式　１、引言　基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为　程序设计基础是计算机专业的第一门专业基　理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活　础课，它以一种程序设计语言为依托．介绍计算机　动。从计算机科学的角度看。计算思维不只是为人　解题的基本思想，培养程序编写和调试的技能．培　类社会呈现软硬件．更重要的是计算的概念。在人　养计算机专业的信息素养。在程序设计过程中贯　类的各项活动中．计算的思想无处不在．它被人们　穿阅读判断、分析思考、工具利用、抽象表达、综合　用来求解问题、管理日常生活以及进行交流和互　创造等多项技能．对计算机专业人才素质的培养　动等活动。计算思维通过约简、嵌人、转化和仿真　至关重要Ｉ１１。　等方法．把一个看来困难的问题重新阐释成一个　在《中国高等院校计算机基础教育课程体系　知道怎样解决的问题。计算思维的核心是基于计　２ｏｏ８｝中．提出对大学生计算机应用能力的三大要　算模型（环境）和约束的问题求解．它注重计算的　求是：操作使用能力、应用开发能力和研究创新能　状态（环境、约束）及其状态的演化过程。计算机思　力。尤其是对于“程序设计基础”课程而言，将学习　维的本质是抽象与自动化１４］．它反映了计算机学科　目标确定成：ｆ１）学习问题求解的思路和方法，即算　最本质的特征和最核心的方法［５１　法。ｆ２）理解计算机是如何具体实现算法的，即如何　才能有效的利用计算机编程　课程学习的重点不　３、计算思维与实验教学的关系　实验教学是以实验为主要内容的教学活动［６１．　只是编写程序，而是算法思想与问题求解的思路。　主要包括两方面的任务：　总之，就是要培养学生使用计算机编程，并最终形　（１）直观地让学生感知自然现象及其内在规　成计算思维阁　律．使学生对某一领域的认知从感性上升至理性，　目前．程序设计基础课程面临的主要问题之　验证或再发现某些已知的理论知识．从而巩固已　一是入门慢，究其原因，主要因为课程一般面向一　学的理论知识．进一步培养创造性思维方式及能　年级新生，学生的专业知识还不成体系，对计算机　力：（２）使学生了解在认识和研究自然科学领域中　的“思维方式”与传统解题方式的差异理解不够．　所遇到问题的一般性或特殊性实验方法．熟练掌　其“计算思维”能力还有待提升。因此，如何塑造和　握这些实验中常规及特殊的实验技能．提高实践　　发展计算思维能力，实现程序设计的快速入门．是　能力。一个在教学中值得探讨的问题　我校将“计算思　计算思维与实验教学的关系在于：计算思维　维”的理念融人程序设计基础的实验教学中．取得　是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系　了理想的效果　统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学的一　２、计算思维的定义　系列思维活动．它不仅意味着能对计算机编程．还　美国卡内基．梅隆大学周以真（Ｊｅａｎｎｅｔｔｅ　Ｍ．　要求能够在抽象的多个层次上分析和思考问题　Ｗｉｎｇ）教授认为【３］：计算思维是运用计算机科学的　计算思维强调利用启发式推理寻求解答．注重“启　２０１２年第５期　福　建　电脑　１６５　发性”和“计算的思想”。可以说．计算思维驱动了　的练习之后．学生一般都能主动地感知链表和数　实验活动的展开．而实验活动又促进了人类计算　组的差异，自觉地总结其共性和个性，从而在不同　思维能力的发展　的问题中加以选择和运用。　主题：数组的基础撩作（比较练习）　主题：单链表的基础操作（比较练习）　４、以计算思维为导引的实验教学模式　我校以带有启发式的“计算思维”方式驱动程　序设计基础实验教学，对培养用计算机解题时应　有的思维方法、表达形式和行为习惯起到了良好　的促进作用　这一模式主要包括如下几方面的内　①如伺把指定　围内的数据元累加起来　②如伺把数组中偶数位置的元景加起来　③如伺把数组中奇数位置的元秉加起燕　①如伺把指定范围内的数据元票加起来　＠如何把链衰中偶数位置的元景加起来　③如１可把链裹中奇数位置的元囊加起来　④如何把数组中的偶数元素加起来；　④如何把链衰中的偶数元素加起来　＠如伺把数组牛的奇数元素加起来　＠如何把链衰串的奇数元景加起南　＠如何把一个元景加副数组的每一个元桑上　＠如何把一个元累加到链衰的每一个元最上　⑦如伺从数组的每一个元囊上减去某个元甍　⑦如何从链衰的每一个元景上减击某个元燕　③如何将一个元素乘以数组的每一个元熹　＠如何将一个元景乘以链衰的每一个元最　⑧如伺让数组的每一个元囊陈以莱个元素　＠如何让链衰的每一个元最除以某个元景：　容。　４．１设置带启发式的实验案例　程序设计基础的实验一般都是有针对性的专　项练习，例如对数组、指针、字符串等的基础操作，　习题注重基础性、验证性，内容较为单一、枯燥。因　此，设置富有趣味性、综合性的练习，以及改变提　问的方式是非常有必要的。例如．在学习二维数组　时，要提到矩阵的概念。可以提出：“使用黑色墨水　在白纸上签名并不是什么特别的东西．就是一些　黑点（像素）所构成的矩阵，而且是稀疏矩阵”　，如　图１－ａ所示　对这样的“稀疏矩阵”进行转置比对　普通矩阵的操作更能激发学习兴趣．也能促进对　“稀疏矩阵”的理解　另外．在一维数组的练习中．引入如图１－ｂ的　一系列问题．启发学生用计算的思维看待和解决　日常问题。同时，改变提问的方式．改“提要求”为　“提问题”．将“要求采用某种方法”改为“询问该采　用何种方法”　如图１－ｂ中将“求一维数组中各价　格相关指数的平均值”提为“如何得到价格相关指　数的简单平均值？”　①如何得到价格相关指数的简单平均值　②如何得到拉斯贝尔（Ｉ．ａｓｐｅｙｒｅ）指数　③如何得到派许（Ｐａａｓｃｈｅ）指数；　④如何得到鲍莱（Ｂｏｗｌｅｙ）指数；　⑤如何得到费雪（Ｆｉ　ｓｈｅｒ）指数：　⑥如何得到Ｍａｒｓｈａｌ卜Ｅｄｗａｒｄ指数；　ａ稀疏矩阵的案例　ｂ一维数组的应　【｝＝ｊ案例　图ｌ带启发式的实验案例　４．２注重思维的自发塑造过程　计算思维的形成是一个长期的“感知～思　考一认知”的过程。这一过程需要外因的驱动．例　如教师的引导、讲解，更应通过适当的方法，使学　生主动地发现问题、分析问题，促进思维的主动发　展。例如在设置实验内容时．将相关度高的知识点　组织成主题练习模块．如图２所示　图２是一维数　组与单链表的比较练习模块　模块内部的知识点　具有很强的相关性．模块之间具有明显的差异性　这种练习模块既便于深入、广泛地练习，也有助于　练习后分析、比较和总结。实践中．在完成了图２　⑩如何删除数组的第一个元囊：　⑩如何删除链衰的第一个元素：　＠如何删除数组的最后一个元煮；　０如何删除链表的最后一个元累　＠如何在数组的头部舔加一个元累；　＠如何在链表的头部添加一个元景：　０如何在数组的犀部添加一个元囊　＠如何在链表的尾部漆加一个元秉　图２单链表与一维数组的比较练习　４．３重构求解过程．倡导问题解的多样性　计算思维是面向典型计算环境的问题求解的　能力，需要不断地面对问题、思考问题、反复持续　地进行才能形成．然而在实验中往往存在“重结　果、轻过程”，“重编码，轻算法”的现象，以看到程　序的运行结果为目标．不注重总结问题解的构建　过程．忽视思维方式的训练和塑造　实践中应提倡　对同一任务反复多次进行求解．对求解的各个环　节进行重构，包括问题分析、算法设计、编码以及　调试等各个环节　重构求解过程能促使学生总结　同一类问题的共性和个性．启发学生寻找自身对　问题理解的薄弱环节　反复重构求解过程．能够使　学生逐步适应计算机解题的思维方式．使计算思　维的方式形成惯性　重构求解过程时还提倡问题解的多样性．鼓　励学生运用多种解题思想、多种技术手段对同一　任务寻求多种方式的解答。要求阅读、改写别人的　程序．发展多样性的计算思维方式　对带有创新型　的思想和方法．应组织学生展开分析和讨论。　４．４以任务驱动展开学习　以任务驱动教学是以解决问题、完成任务为　主的多维互动式的教学理念：它将再现式教学转　变为探究式学习．使学生处于积极的学习状态．每　一位学生都能根据自己对当前问题的理解．运用　共有的知识和自己特有的经验提出方案、解决问　题［８］　采取以任务驱动的实验教学模式．教学者需　进行设计任务、呈现任务、实施任务、总结评价　；　学习者在明确任务、完成任务、共享交流的过程中　运用基于计算思维的方法进行学习　如图３所示　案例．教师首先以演示实例原型的方式提出要求．　学习活动围绕着任务展开　在完成任务的过程中．　鼓励学生组成小的学习团队，在问题的需求分析、　设计、编码、测试等各阶段．教师只对学生提出的　解决方案进行指导性的干预　１６６　福　建　电脑　２０１２年第５期　ｒ＿一一…—————————————————　ｌ　学生信息管理系统　１学生信息洲览　２学生信息奁　咖　３诱加学生信息　■学生信息删除　ｓ学生信息存盘　６磁盘信息读取　ｅ迮出系统　请选辑：ｌ　一　的计算思维方式不可能的．一定的知识与素养是　理解并建立起“思维”的必要条件Ｕｏ］。也就是说．计　算思维要求学习者有足够的理论知识储备作为支　撑，否则计算思维能力就不能得到有效的发展。因　此．计算思维贯穿于学习者的整个学习体系．是一　个长期的发展过程　上述以计算思维为导引的实验教学模式．是　结合程序设计基础的实验教学过程提出的．在我　校程序设计基础课程中逐步运用．为解决程序设　计入门慢的问题提供了一种行之有效的解决方　学号　姓名　性别　出生年月日　薹语　敢学　∞∞ｅ１令狐冲ｅｅ。ｅｅ２任盈盈０ｅ∞ｅ３任我行男　女　男　１９８３’２　２　１９８３。５。６　１Ｓ８２’９　１８　８９　７５　７２　ｅｅ　８３　Ｔ５　图３以任务驱动的实验案例　案．为后续课程打下了坚实的程序设计理论和编　以任务驱动的教学模式突出了学生的主体地　程基础　位。能够有效地引导学生从埋头编码．转为抬头思　考问题　这一过程使学生的理论知识体系实现了　参考文献：　１】耿国华．程序设计能力培养模式的探索与实践Ｕ】．中国　从树木到森林的转化．专业素养从程序员向系统　［大学教学，２００９（３）：３０—３２。　分析员的提升　『２１陈杰华，程序设计课程中强化计算思维训练的实践探　４．５尊重多样化的认知过程　索【Ｊ】。计算机教育，２００９年２０期：８４—８５。　从发展综合素质的角度看，应鼓励学生间、师　生间的交流，促进学生的表达能力、沟通能力的发　ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆＡＣＭ，２００６，４９（３）：３３—３５。　展。但人在不同场合、不同环境中所表现出的认知　【３］Ｊｅａｎｎｅｔｔｅ　Ｍ．Ｗｉｎｇ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｔｈｉｎｋｉｎｇ　Ｕ】。Ｃｏｍ－　能力和认知方式必然会有差异　这种差异也是导　学，２００９（１）：２－５。　致算法多样化的原因之一　有的学生善于表达和　『５１何钦铭，计算机基础教学的核心任务是计算思维能力　［４】董荣胜，古天龙。计算思维与计算机方．；ｔ－ｉ￣－ｌｊ］。计算机科　提问，通过讨论寻求解决方案；有的不善于表达，　的培养【Ｉ１。中国大学教学，２０１０年第９期：５－９。　６】杨卫光，孙健，陆斐璋。改革实验教学，适应创新人才的　喜欢通过独立思考寻求答案．例如在以项目组为　【　单位进行实验时，有些学生喜欢个人一组；也有些　培养需要Ｕ１。实验技术与管理。１９９９年第１６卷，第４期：学生解题的思路或思维的角度可能与教学目标相　１０－１２。　７］Ｓｕｄｉｐｔａ　Ｍｕｋｈｅｒｊｅｅ。数据结构（ｃ语言版）１０００个问题　偏离。对这些差异．教师应保持足够的耐心和信　【心，尊重这种差异．并担负起应有的引导作用。可　年：１８４。　以展开多样化的实验形式，包括课外练习、课内练　与解答［Ｍ］．张长富等，译。北京：清华大学出版社，２０１０　『８１王新宇，基于计算思维培养的计算方法教学方案研究　习、基础练习、进阶练习，还可以进行组为单位的　Ⅱ］。科教文汇，２０１１．１０（下旬刊）：４卜４３。　编程比赛，展开对抗性练习。尊重不同的认知方　［９１　琴，基于计算思维的任务驱动式教学模式的研究Ｕｊ。　式，可以较好地鼓励学习的信心．对学生思维的活　现代教育技术，２０１１年第６期第２１卷：４４—４９。　．　跃度起到保护和发展的作用　『ｌｏ］＆ｇ，ｇ臣，聂兰顺，徐晓飞。“大学计算机”——所有大学　生都应学习的一门计算思维基础教育课程…。中国大学　５、结束语　２０１１年第４期：１５—２０　计算思维的形成是一个长期的过程．不可能　教学．一蹴而就。仅通过一门课程的学习就构建起成熟　ｆ４１费仁元，王民，徐洪安．产品生产服务过程中的网络监　ｆ上接第１４０页１　业务拓展带来的服务更新和网络升级。　参考文献：　控技术『Ａ１．依靠科学进步，促进制造业发展，高级论坛论　文　５］徐洪安，费仁元，王民．利用ＡＤＯ对象构建Ｌａｂｖｉｅｗ中　…唐海娜，李俊．网络性能监测技术综述Ｕ】．计算机应用研　『的数据库访问接口Ｕ１．北京工业大学学报．２００３　２．　究，２００４，（ｏ８）．　６］Ｔｃｌ（Ｔｏｏｌ　Ｃｏｍｍａｎｄ　Ｌａｎｇｕａｇｅ）￣－一种开源的动态脚本　［２１陈涛．网络服务性能监测系统设计与实现Ｕ】＿现代电子　【语言，通用语言。易配置、易扩展、具有柔性化。常用于单　技术，２０１０，（１０１：１３３—１３５　【３Ｊ高晓红．基于网络的智能监控系统的分析与设计【Ｄ】．　元测试．集成测试和自动化．ｗｅｂ程序和桌面ＧＵＩ应用　程序、数据库、嵌入式开发、网络、管理等领域。　吉林大学，２００４，（０４）．