面向計算思維的程序設計教學實踐 劉軍 （湖北理工學院計算機學院，湖北黃石435003） 摘要：從程序設計教學的根本目的出發，以培養學生的計算思維為指導思想，提出以學生為本，通過教師引導加強學生獨立學習的能力，指出在培養計算思維的過程中容易出現的問題，旨在建立一個全面培養學生計算思維的課堂教學模式，提高應用計算機對綜合問題的分析和解決能力。 關鍵詞：計算思維；程序設計；教學模式；學習能力 基金項目：湖北理工學院新技術支撐下的“未來課堂”理念研究資助項目（xxB16）。 作者簡介：劉軍，男，副教授，研究方向為無線網絡，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課程，但在全國計算機等級考試（NCRE）中，程序設計的通過率較低，在后續的專業學習或工作中，學生更是難以自覺地應用計算機解決實際問題，這反映了程序設計課程的教學效果并不理想，給目前的教學帶來了嚴峻的挑戰。 計算思維能夠全面提高教學效果，全面提升學生的學習能力和學習質量1。計算思維是指運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計和人類行為理解等涵蓋計算機科學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計算和計算機的最基本特征，學生如果能夠從基本層面掌握這些內容，有助于將來正確應用計算機解決實際問題。教指委也要求以培養計算思維能力為主線，開展系列課程改革研究。如何通過培養計算思維有效提升學生的學習質量已經成為當前高等教育信息化改革的一個重要方向3-6。 1以培養計算思維為主導 將計算思維有意識地融入程序設計是當前課堂教學的研究熱點。這要求教師對傳統的教學進行一定的改革，明確程序設計教學的主要目的是培養學生的計算思維能力和提高學生自覺應用計算機分析和解決綜合問題的能力。計算思維的培養應真正落實在教學中，在教學內容、教學方法和教學方案中體現計算思維。 由于程序設計本身就已經涵蓋了部分計算思維的思想，程序設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的各個方面進行系統的設計來反映計算思維，學生難以全面地掌握思維方式以提高程序設計能力。同時，僅僅意識到培養學生的計算思維是不夠的，還需要具體落實到教學的各個方面。只有轉變原有的以傳授知識為主的教學方式，對計算思維的培養模式充滿信心，并持之以恒地培養學生的思維模式，才能夠逐步提高學生分析問題和解決問題的能力。 2強化學生的主動參與 計算思維的培養是一個連貫的過程，只有讓學生始終如一地融入計算思維活動，才能夠取得預期效果。教師不僅要在教學實踐中體現計算思維，還應使學生對培養計算思維的教學模式產生濃厚興趣，認識到計算思維的重要性，主動地參與教學方面的各個環節，這才是實現教學目標的根本保證。 計算思維的培養是一種創新的教學模式，在教學中不能讓學生有充當“小白鼠”的感覺。學生在學習中遇到瓶頸或困難時，會認為該教學模式不能提高學習能力，從而失去主動參與的興趣，進而在心理上全面排斥整個學習過程，也就無從談及計算思維的培養。因此，及時幫助學生解決學習中的困難是非常重要的。教師應主動采取多種多樣的形式與學生交流，如可利用網絡平臺或各種通信軟件在線幫助學生，也可以幫助學生成立學習小組，讓學生在小組內或小組間開展廣泛的討論和交流。教師應及時從這些交流中發現問題，引導學生解決，時刻保持他們的學習動力。 3注重課堂教學實踐 根據教學目的和內容，教師結合學生所學專業的知識特點進行案例設計，使學生專注于程序的算法設計，對所采用的計算思維進行歸納總結，與當前教學內容進行有機融合8。教學案例應該明確應用情境，促使學生理解計算思維的抽象和自動化本質。 3.1教學前 教師在教學前應總體規劃，根據教學內容體現的計算思維采用不同的教學策略。因此，具體教學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思維的遞進關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專業問題展現出來，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。 3.2教學中 教學應打破傳統課堂的灌輸式教學，提倡“二個中心，一個基本點”，即以教師和學生為中心，以算法為基本點。教師采用啟發式教學，并引入多種思維方式，在分析和解決問題的層面上，引導學生掌握知識并獨立思考。教師要引導學生提出各種發散和聯想的問題，鼓勵學生相互回答。教師除單獨解答一些問題外，還可以與學生共同設計程序，提高學生的參與度。算法是程序設計的靈魂，是計算思維過程化和可視化的具體展現。針對具體問題進行問題分解進而實現算法，是培養學生分析問題和解決問題能力的關鍵，也是課堂教學的重點。 例如，分而治之是計算機科學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模較小而結構與原問題相似的較為具體的子問題。在講解時，教師應針對具體問題詳細分析，一步一步地構建流程圖，然后按照流程圖設計程序，并編譯運行顯示結果；接著引導學生，先從簡單的問題應用該思想，然后擴展到較復雜的問題或學生所學的專業問題上，并請多個學生在黑板上畫出流程圖，在計算機上設計、調試和運行程序；最后教師進行點評，總結和歸納分而治之的運用，強化計算思維的訓練。 3.3教學后 每次課后教師應進行多次教學反思，及時就教學內容、教學方法、課堂表現和教學效果等進行總結，反思計算思維引入的可行性、準確性，判斷取得的效果是否達到了預期，如果效果不理想怎樣在下次課中予以補充和完善。在作業批改中，要求教師沉浸在學生所體現的思維中進行活動，不僅指出語法的錯誤，更應指出每個學生設計程序時存在的思維誤區，并總結共性的語法和思維問題，在網上及時提示學生改正。教師在完成作業批改并與學生交流后，應進行二次教學反思，不斷完善教學方案和教學方法。 4互換師生角色 4.1指導思想 整個實踐教學過程中，教師與學生的角色進行交換，教師作為引導角色，不斷拋出問題，由學生分析問題和解答問題。角色的互換產生強勁的內驅力，不僅保持了學生學習的激情，而且使學生學會如何提問、如何擴展問題的廣度和深度，提高了學生主動學習的能力，也進一步加強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實驗教學組織 在某個或某幾個關聯的知識點講授完畢后，教師應及時組織實踐教學，將相應的實驗教學安排在理論教學結束的同一周或相鄰的周次，以免學生遺忘；針對學生所學專業的特點，有計劃地將某些具有代表性的問題納入實驗課的教學方案中，并針對經典案例詳細列出程序設計的建模過程和算法步驟。 實驗課前，老師可將學生以寢室為單位進行分組，同時，提前一周將實驗內容和包括計算思維案例的各種教學資源提供給學生9。 在實驗中，學生在課堂上按時完成指定的實驗內容，并以組為單位向全班講解如何進行問題的分析和程序設計。教師可隨時中斷學生的演講，結合實驗所蘊含的計算思維進行提問。講演完畢后，教師要鼓勵其他學生對該組演示程序發表看法，發現學生不同的程序設計思想，及時指出程序設計的優點和不足。 在實驗課結束時，應全面總結實驗的共性問題和解決方法，尤其要注意發現與程序設計方法相違背的設計，并堅決要求學生及時改正。 4.3綜合練習 綜合練習應緊密結合實際工程項目和學生專業知識的特點，堅持以學生自我獨立設計為主、教師為輔的原則，加強學生實踐能力的鍛煉，提高學生綜合運用知識和計算思維的能力。在練習中，教師應積極提供幫助，指導學生按照軟件工程的思想高質量地完成綜合練習報告。綜合練習一般安排在期末，因此教師要注意將綜合練習的批改意見及時反饋給學生。 5教學中需注意的方面 5.1語法是基礎 在具體教學中，要避免計算思維的形而上。學生牢固而靈活地掌握程序設計語言的語法知識是培養計算思維的基本條件，是程序設計的基礎。 5.2思維層次 在不同的教學階段，計算思維有一定的層次，是一個逐漸遞進的過程，貫穿整個教學階段，不會一蹴而就，需要教師耐心和精心組織好每節課的教學。 在教學開始階段，學生往往因為問題簡單而忽略了分析步驟，此時恰是學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，是培養計算思維的起點。因此，教師應不厭其煩地引導學生一遍又一遍地進行簡單的思維訓練。在后段的學習中，學生往往疲于理解和記憶語法的細節，無心進行算法分析。因此，教師應及時解答學生的語法問題，拓展思維訓練，將教學重點引到問題的求解算法上。 5.3考核的轉變 培養學生的計算思維，更需要改革教學的考核內容和考核方式，不能以考核語法知識或僅僅完成設計任務為主，而應以考查具體的設計思路或算法和應用程序設計解決實際問題的能力為主。教師在考核過程中應有更靈活的措施，在評判結果上應具有更大的決定權。 5.4教學評價 教學評價不僅關注教師的教學態度、模式、內容、方法和課堂互動情況，更應注重整體教學方案中計算思維的展現及其效果。因此，評價應以學生為本，及時調整教師的評價方案，鼓勵教師改革，為學校培養更具創新性和創造力的學生。 6結語 面向計算思維的教學實踐結果表明，不僅學生的學習成績普遍提高，而且在后繼專業課的學習中，學習能力也得到了提高。 程序設計能夠激發學生的創新潛能，能夠保持學生的學習興趣，提高學生分析和解決綜合問題的能力，為學生今后的學習和工作創造良好的條件。 參考文獻： 1戰德臣,王浩.面向計算思維的大學計算機課程教學內容體系J.中國大學教學,xx(7):59-66. 2WingJM.ComputationalthinkingJ.CommunicationsoftheACM,xx,49(3):33-35. 3龔向堅,鄒臘梅,胡義香.以培養學生計算思維能力為目標的計算機專業主干課程教學改革探討J.高等教育研究,xx,31(1):30-32. 4李廉.以計算思維培養為導向深化大學計算機課程改革J.中國大學教學,xx(4):7-11. 5梁林梅,劉永貴,桑新民.高等教育信息化發展與研究論綱J.現代教育技術,xx(1):5-9. 6教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會.關于申報大學計算機課程改革項目的通知