以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程教學(xué)模式改革與實(shí)踐

劉　鋒，孟憲偉，徐宏宇，單　良

(黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西　158100)

以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程教學(xué)模式改革與實(shí)踐

劉鋒，孟憲偉，徐宏宇，單良

(黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西158100)

摘要：針對(duì)高校普遍開(kāi)設(shè)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程在教學(xué)環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題，充分分析了課程與計(jì)算思維的內(nèi)在聯(lián)系，引入了任務(wù)驅(qū)動(dòng)的教學(xué)方法，重新構(gòu)建了計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程的理論與實(shí)踐教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；教學(xué)模式；任務(wù)驅(qū)動(dòng)

一計(jì)算思維的研究背景

2006年3月，周以真教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《Communications of the ACM》雜志上給出了計(jì)算思維(Computational Thinking)的概念。周教授認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。實(shí)際上計(jì)算思維并不是我們平時(shí)所說(shuō)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)、編寫(xiě)軟件程序，而是綜合利用計(jì)算機(jī)的基本概念去解決問(wèn)題和理解人類(lèi)的行為。

計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言具有知識(shí)面廣泛、語(yǔ)法規(guī)則繁多、運(yùn)用靈活、抽象和難于理解等特征，而計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的編程思路和基本方法又與計(jì)算思維存在一定的關(guān)聯(lián)，特別是在編程問(wèn)題的邏輯分析、算法設(shè)計(jì)和代碼編寫(xiě)上尤為突出。大學(xué)生教育應(yīng)該以“計(jì)算思維”為培養(yǎng)核心，其目的主要是培養(yǎng)學(xué)生解決、分析問(wèn)題的邏輯思維能力，使學(xué)生在具有計(jì)算思維學(xué)習(xí)和指導(dǎo)下，不僅可以獨(dú)立學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域相關(guān)課程的知識(shí)，也可以完成其它專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域知識(shí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。[1]因此在課程當(dāng)中引入計(jì)算思維對(duì)課程教學(xué)模式的改革勢(shì)在必行。

二計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程教學(xué)狀況及存在問(wèn)題

高校開(kāi)設(shè)的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程是一門(mén)重要的計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)課程。根據(jù)學(xué)生專(zhuān)業(yè)的不同，所開(kāi)設(shè)的計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)課程也略有不同，但主要集中在 “C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”“Visual Basic程序設(shè)計(jì)”“Visual C ++程序設(shè)計(jì)” 和“Visual FoxPro程序設(shè)計(jì)”等課程，這些課程在培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新能力以及在提高學(xué)生的綜合素質(zhì)等方面具有十分重要的作用。

通過(guò)對(duì)筆者所在學(xué)校黑龍江工業(yè)學(xué)院三屆畢業(yè)生近萬(wàn)人的調(diào)查，結(jié)果顯示：80%的畢業(yè)生認(rèn)為大學(xué)期間學(xué)習(xí)到的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程與今后的工作崗位沒(méi)有直接的內(nèi)在聯(lián)系，只有在就業(yè)時(shí)用人單位才會(huì)看是否有二級(jí)證書(shū)，因此學(xué)生在校期間把考取全國(guó)計(jì)算機(jī)等級(jí)考試證書(shū)作為學(xué)習(xí)目標(biāo)，這樣就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)掌握得不全面，技能掌握得不熟練，為了考試而學(xué)習(xí)、為了獲取證書(shū)而學(xué)習(xí)；其次大學(xué)學(xué)習(xí)期間學(xué)生對(duì)大量的程序代碼、繁雜的語(yǔ)法和多種多樣的算法缺乏興趣，被動(dòng)地學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)類(lèi)型、控制結(jié)構(gòu)、語(yǔ)法規(guī)則和算法等知識(shí)，理論內(nèi)容和實(shí)踐的學(xué)習(xí)沒(méi)有很好地融合，運(yùn)用計(jì)算機(jī)工具解決專(zhuān)業(yè)相關(guān)問(wèn)題的能力很薄弱。以上都是我校非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程的普遍認(rèn)識(shí)，這些現(xiàn)象的存在都給正常的教學(xué)過(guò)程帶來(lái)了很大的困難。

三計(jì)算思維的培養(yǎng)

當(dāng)今社會(huì)需要具有較強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的大學(xué)生，在這樣的社會(huì)背景下，高校作為人才的陣營(yíng)，更應(yīng)該關(guān)心社會(huì)需要什么樣的人才、學(xué)生需要什么樣的技術(shù)和能力，如何科學(xué)合理地引導(dǎo)學(xué)生，實(shí)現(xiàn)從“學(xué)什么”“如何學(xué)”到“如何用”的轉(zhuǎn)換，從而進(jìn)一步來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)、分析和解決問(wèn)題的基本能力。在這種趨勢(shì)下，高校計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程的培養(yǎng)目標(biāo)已經(jīng)不是為了讓學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)技術(shù)，而是為了讓學(xué)生掌握計(jì)算思維的基本方法，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和解決問(wèn)題的能力。計(jì)算思維體現(xiàn)了求解問(wèn)題的思路與方法，如果學(xué)生能夠掌握或理解計(jì)算思維的內(nèi)涵，那么必定有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和提升，也可以為學(xué)生在以后利用計(jì)算等編程工具進(jìn)行相關(guān)學(xué)科的研究奠定一定的基礎(chǔ)。[2]

計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程，不論是上面提到的哪種語(yǔ)言都具有一定的理論性和實(shí)踐性。對(duì)于計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程的教學(xué)，如果只從技能培養(yǎng)的角度出發(fā)，學(xué)生只要掌握基本的語(yǔ)法規(guī)則和控制結(jié)構(gòu)，能夠利用掌握的知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單程序的設(shè)計(jì)就可以了；如果從對(duì)學(xué)生能力培養(yǎng)的角度來(lái)說(shuō)，只教會(huì)學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的程序編寫(xiě)是完全不夠的，更重要的是要讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何來(lái)優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)、如何來(lái)評(píng)價(jià)程序代碼；如果從計(jì)算思維培養(yǎng)的角度出發(fā)，要求學(xué)生能夠掌握解決問(wèn)題的基本方法，也就是說(shuō)學(xué)生要根據(jù)所處理的不同問(wèn)題，來(lái)選擇合適的語(yǔ)言工具進(jìn)行算法的設(shè)計(jì)和程序代碼的優(yōu)化。

如何在課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維呢？這就需要我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)合理優(yōu)化的教學(xué)體系，根據(jù)教學(xué)體系重新構(gòu)造知識(shí)系統(tǒng)，然后把課堂中要講授的課程體系或知識(shí)體系按照培養(yǎng)目標(biāo)的要求分解為知識(shí)點(diǎn)；學(xué)生是否掌握了知識(shí)點(diǎn)，要制定相應(yīng)的驗(yàn)證方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，甚至可以把知識(shí)點(diǎn)逐步細(xì)化分解到每一次課程具體需要講什么內(nèi)容，這個(gè)內(nèi)容需要怎樣講。在以計(jì)算思維為導(dǎo)向時(shí)，也需要重新構(gòu)造教學(xué)體系，把整個(gè)計(jì)算思維的培養(yǎng)分解為若干個(gè)屬于計(jì)算思維的課程內(nèi)容，通過(guò)在課堂上的講授，讓學(xué)生理解該思維過(guò)程，并逐漸轉(zhuǎn)化為自己解決問(wèn)題的思維方法。

四教學(xué)模式的改革與實(shí)踐

1.理論教學(xué)模式的構(gòu)建。

教學(xué)過(guò)程中，我們采用建立在建構(gòu)主義理論基礎(chǔ)上的探究性自主學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，即我們所說(shuō)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法。在任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法的融合下，首先要設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的教學(xué)任務(wù)，[3]該項(xiàng)任務(wù)要包含本次課程或者某幾次課程中的所有知識(shí)點(diǎn)，當(dāng)然也可以不僅僅設(shè)計(jì)一個(gè)教學(xué)任務(wù)，在任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下使學(xué)生能夠主動(dòng)地通過(guò)提出問(wèn)題、分析問(wèn)題、最后明確問(wèn)題所涉及到的各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，并在授課教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到解決問(wèn)題的目的。

在Visual Basic程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)中采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)也是非常必要的。我們可以采取如下方式來(lái)安排部分知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容：首先，在講解課程之前要精心設(shè)計(jì)具有趣味性的項(xiàng)目實(shí)例，這個(gè)項(xiàng)目實(shí)例要包括本次課程所要講解的知識(shí)點(diǎn)，也可以包含學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)點(diǎn)，由教師講解實(shí)現(xiàn)這個(gè)實(shí)例的一般思路，進(jìn)而提出本次課程所要解決的問(wèn)題；然后，在程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中逐步引入任務(wù)所需要的控件，以及控件的屬性和方法等，講解控件的使用方法及部分代碼編寫(xiě)的格式，完成任務(wù)的設(shè)計(jì)；最后總結(jié)本次課程的新知識(shí)點(diǎn)使用方法、與其他知識(shí)點(diǎn)結(jié)合使用的方法及其注意事項(xiàng)。采用這樣的教學(xué)環(huán)節(jié)不僅可以使枯燥乏味的知識(shí)點(diǎn)變得簡(jiǎn)單、易學(xué)、易懂、易操作，還能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣。比如在講解時(shí)鐘控件這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候，為了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的注意力，可以先向?qū)W生們展示一個(gè)蝴蝶飛舞的小案例，當(dāng)蝴蝶舞動(dòng)翅膀的時(shí)候，很快就抓住了學(xué)生的注意力；然后分析如何解決此問(wèn)題，一個(gè)是如何實(shí)現(xiàn)蝴蝶在規(guī)定的線路上飛舞，再一個(gè)便是蝴蝶飛舞的速度如何控制；然后便可介紹Timer時(shí)鐘控件的使用以及相關(guān)屬性設(shè)置對(duì)程序的影響；接下來(lái)引入Move方法讓蝴蝶飛舞等等。最終目的使學(xué)生們基本掌握整個(gè)程序的編寫(xiě)思路和方法，提升學(xué)生獨(dú)立思考、分析和解決問(wèn)題的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

2.實(shí)踐教學(xué)模式的構(gòu)建。

計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程教學(xué)的整個(gè)環(huán)節(jié)，我們要大膽地嘗試，打破通常重視理論、輕視實(shí)踐的傳統(tǒng)教學(xué)模式，在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中引入項(xiàng)目案例教學(xué)法，讓學(xué)生在完成項(xiàng)目案例時(shí)學(xué)習(xí)編程基礎(chǔ)，同時(shí)在學(xué)習(xí)過(guò)程中隨著項(xiàng)目案例的逐步引入來(lái)拓展學(xué)生的計(jì)算思維。[4]

(1)明確實(shí)踐環(huán)節(jié)的教學(xué)目的。計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程屬于實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，讓學(xué)生按照教材或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書(shū)中給出的例題上機(jī)調(diào)試程序，這種驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)不是我們計(jì)算思維培養(yǎng)的真正目的，安排實(shí)驗(yàn)的目的是要在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)是否正確的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的能力，即培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。所以，在教學(xué)中首先要明確實(shí)踐地位和作用，然后加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的力度，增加實(shí)踐環(huán)節(jié)的學(xué)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目案例實(shí)驗(yàn)去理解、消化知識(shí)、拓展思維和提高學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

(2)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)。改革實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，[5]在學(xué)生能夠掌握驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，逐步將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變。對(duì)于創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求學(xué)生在堅(jiān)持科學(xué)精神的基礎(chǔ)上，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步探索，在探索過(guò)程中逐步強(qiáng)化訓(xùn)練學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。設(shè)計(jì)每次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，要根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的要求合理地設(shè)計(jì)題目和與題目對(duì)應(yīng)待要解決的問(wèn)題，學(xué)生在上機(jī)編寫(xiě)和調(diào)試程序時(shí)，逐步引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真思考問(wèn)題并尋求解決問(wèn)題的方法，從而達(dá)到在課程中對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

比如在布置循環(huán)程序設(shè)計(jì)的作業(yè)時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)通過(guò)“百錢(qián)買(mǎi)百雞”的數(shù)學(xué)問(wèn)題引入課程，這樣的問(wèn)題不僅可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，而且問(wèn)題本身在循環(huán)結(jié)構(gòu)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)上具有代表性。利用數(shù)學(xué)方法求解問(wèn)題時(shí)，常常是以設(shè)置未知數(shù)和方程組的方式來(lái)求解結(jié)果，以本題為例三個(gè)未知數(shù)與兩個(gè)方程組，很難求得其解；而在利用計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行求解時(shí)，采用窮舉算法進(jìn)行簡(jiǎn)單重復(fù)操作進(jìn)行求解，很快就求得了結(jié)果。但在求解此問(wèn)題時(shí)，很多同學(xué)會(huì)選擇嵌套循環(huán)，設(shè)置了三個(gè)循環(huán)變量，每一個(gè)循環(huán)體的范圍為0到100，這樣整個(gè)程序的循環(huán)次數(shù)就為10000次了；其實(shí)上面說(shuō)到的算法結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行一定的優(yōu)化，縮小循環(huán)體的范圍，如：母雞的范圍為0到33，公雞的循環(huán)范圍為0到50，小雞的循環(huán)范圍是0到100，從而減少整個(gè)程序的循環(huán)次數(shù)；采用第二種方法不僅可以降低程序執(zhí)行循環(huán)的次數(shù)，還可以提高程序的效率，進(jìn)而加強(qiáng)了學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

3.提倡算法多樣化。

實(shí)踐課程的目的就是讓學(xué)生利用理論知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，要充分突出對(duì)學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。在整個(gè)教學(xué)班級(jí)中由于學(xué)生的學(xué)習(xí)方法和對(duì)問(wèn)題的理解能力上存在一定的差異，這樣就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生編寫(xiě)的算法存在多樣性。教師應(yīng)該提倡學(xué)生采用多種方法來(lái)解決一個(gè)問(wèn)題，這不僅體現(xiàn)了學(xué)生在分析問(wèn)題時(shí)不同的思維方式，還對(duì)程序的優(yōu)化、選擇最優(yōu)秀的算法起到了一定的作用。[6]

在教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師要重視學(xué)生計(jì)算思維的多樣性的培養(yǎng)。這種多樣性可以拓展學(xué)生的思路，激發(fā)學(xué)生的思維活動(dòng)。實(shí)際上，任何算法的實(shí)現(xiàn)都可能存在一定的局限性，通過(guò)算法編寫(xiě)的程序只要保證運(yùn)行結(jié)果的正確性和代碼的可讀性即可。在指導(dǎo)學(xué)生計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生通過(guò)多種算法編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的任務(wù)，學(xué)生也可以借鑒或修改同學(xué)編寫(xiě)的程序，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的多樣性。

五結(jié)束語(yǔ)

目前，計(jì)算機(jī)只是一個(gè)通識(shí)性的學(xué)習(xí)工具，如何采用計(jì)算思維的方式使計(jì)算機(jī)發(fā)揮更大的潛能是我們一直研究的目標(biāo)。計(jì)算思維的訓(xùn)練與培養(yǎng)不僅可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)的機(jī)制過(guò)程，還有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，更重要的是還可以進(jìn)一步提高學(xué)生的信息素養(yǎng)能力。當(dāng)然，僅通過(guò)某門(mén)課程的學(xué)習(xí)來(lái)提高學(xué)生的計(jì)算思維能力是不符合實(shí)際的，還需要在整個(gè)人才培養(yǎng)知識(shí)體系中逐步融入計(jì)算思維。總之，以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程教學(xué)模式的改革，不但可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)趣味性和積極性，更重要的是有利于培養(yǎng)學(xué)生正確的思維方法與分析、解決問(wèn)題的能力。

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Class No.:G642Document Mark：A

(責(zé)任編輯：宋瑞斌)

Teaching Mode Reform of Computer Language Course Based on the Computer-oriented Thinking

Liu Feng，Meng Xianwei，Xu Hongyu，Shan Liang

(Heilongjiang University of Technology, Jixi, Heilongjiang 158100，China)

Abstract：In light of the problems existed in the computer language courses in colleges, we made an analysis of the intrinsic link between the curriculum itself and the computational thinking. We introduced the task-driven teaching methods to reconstruct the practice teaching mode of the computer language course.

Key words：computational thinking; teaching mode; task- driven

中圖分類(lèi)號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-6758(2016)01-0019-3

基金項(xiàng)目：2014年黑龍江省高等教育學(xué)會(huì)“十二五”高等教育科研課題“以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言類(lèi)課程教學(xué)改革與實(shí)踐”的階段成果，項(xiàng)目編號(hào)：14G318。

作者簡(jiǎn)介：劉鋒，副教授，黑龍江工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程系軟件教研室。研究方向：軟件工程。