以培養(yǎng)計(jì)算思維為主的C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革

李敏

摘要：隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)學(xué)科與其他學(xué)科的交叉發(fā)成為新的趨勢(shì)。在程序設(shè)計(jì)類課程教學(xué)中，培養(yǎng)計(jì)算思維的能力與講授專業(yè)知識(shí)同等重要。本文闡述了計(jì)算思維的重要性，并以C程序設(shè)計(jì)課程為例，探討了以培養(yǎng)計(jì)算思維能力為主的教學(xué)改革方法與思路。

關(guān)鍵詞：C程序；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）12-0111-02

1 計(jì)算機(jī)思維的重要性

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)。[1]計(jì)算機(jī)技術(shù)作為21世紀(jì)發(fā)展最快的技術(shù)，許多領(lǐng)域與其結(jié)合都得到了重大的突破，未來(lái)的計(jì)算機(jī)將會(huì)成為人們最常用的工具之一。無(wú)論是計(jì)算機(jī)專業(yè)的畢業(yè)生還是非計(jì)算機(jī)專業(yè)的畢業(yè)生，將來(lái)都要面臨使用計(jì)算機(jī)處理實(shí)際問(wèn)題的情況。因此，在程序設(shè)計(jì)類課程的教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的興趣，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的認(rèn)知能力及利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言處理實(shí)際問(wèn)題的能力是非常重要的。

目前，計(jì)算思維的培養(yǎng)在國(guó)內(nèi)外都受到了普遍重視。在美國(guó)，不僅有卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的專題討論，更有眾多科研組織的參與。在英國(guó)的愛(ài)丁堡大學(xué)，人們?cè)谝贿B串的研討會(huì)上探討與計(jì)算思維有關(guān)的主題。研討會(huì)上所涉及的學(xué)科已延伸到哲學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)、建筑、教育等各個(gè)不同的領(lǐng)域。[2]在我國(guó)，部分中小學(xué)及高校都開(kāi)展了以培養(yǎng)計(jì)算思維為核心的教學(xué)改革，希冀通過(guò)計(jì)算機(jī)課程的學(xué)習(xí)，使計(jì)算思維成為每個(gè)人的基本技能。

2 融入計(jì)算思維的C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革

傳統(tǒng)C程序設(shè)計(jì)教學(xué)通常按照C程序設(shè)計(jì)經(jīng)典教材的順序講授知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生往往容易陷入語(yǔ)法知識(shí)的細(xì)枝末節(jié)而忽略了程序設(shè)計(jì)的本質(zhì)。而且傳統(tǒng)講授式方法難以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，容易導(dǎo)致理論與實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生的實(shí)踐能力不足。特別對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生而言，重點(diǎn)應(yīng)是要培養(yǎng)他們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的思維方式和創(chuàng)新能力。

（1）改革傳統(tǒng)教學(xué)模式，以培養(yǎng)計(jì)算思維為主線設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)

由于C語(yǔ)言偏向計(jì)算機(jī)底層的抽象特性，學(xué)生很難建立起從自然語(yǔ)言到符合計(jì)算思維的C語(yǔ)言程序之間的轉(zhuǎn)換。因此，C程序設(shè)計(jì)教學(xué)中計(jì)算思維的訓(xùn)練成為教學(xué)中的難點(diǎn)。[3]基于計(jì)算思維提煉課程知識(shí)點(diǎn)，將計(jì)算思維方法和現(xiàn)代教學(xué)模式相結(jié)合，設(shè)計(jì)課堂教學(xué)內(nèi)容和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)突出學(xué)生應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（2）設(shè)計(jì)出基于計(jì)算思維的C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)案例

以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，突破傳統(tǒng)教學(xué)以知識(shí)為本位的培養(yǎng)模式，從培養(yǎng)計(jì)算思維角度編寫(xiě)教學(xué)案例。利用教學(xué)案例，鼓勵(lì)學(xué)生從多方面思考問(wèn)題，探尋問(wèn)題解決方法，讓學(xué)生從被動(dòng)接受知識(shí)的“觀眾”變?yōu)橹鲃?dòng)參與者。[4]

（3）建立以培養(yǎng)計(jì)算思維為主的評(píng)價(jià)機(jī)制

探索在C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)評(píng)價(jià)與學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，建立激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)、促進(jìn)學(xué)生“學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)”和全面發(fā)展的評(píng)價(jià)機(jī)制。

3 以培養(yǎng)計(jì)算思維為主的教學(xué)方式

在對(duì)河套學(xué)院2014級(jí)和2015級(jí)數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)班學(xué)生的C程序設(shè)計(jì)課程問(wèn)卷調(diào)查中顯示：58.73%的同學(xué)表示“課程上能聽(tīng)懂，但讓自己編程就不會(huì)了”，50.79%的同學(xué)表示“語(yǔ)法會(huì)了，但遇到編程題，不知道該用什么算法”，導(dǎo)致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因還是計(jì)算思維的缺失。有的學(xué)生在面對(duì)問(wèn)題時(shí)不能找到有效的解題思路，有的學(xué)生找到了解題思路卻又不知道如何使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此在程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)中應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算思維的解題能力。

3.1 鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新

在教學(xué)中教師不能“講”得太多，至少不能直接把解題思路和過(guò)程都提示給學(xué)生，要讓學(xué)生學(xué)會(huì)獨(dú)立思考，鼓勵(lì)學(xué)生使用不同的、新穎的方法來(lái)解決問(wèn)題。集體的智慧是偉大的，要引導(dǎo)學(xué)生分享他們的思路，這樣會(huì)有更多的學(xué)生得到啟發(fā)。例如在求100以內(nèi)能被13整除的最大的數(shù)時(shí)，學(xué)生的想法百花齊放，下面以最典型的三種解法為例。

解法一：for （i=1；i<=100；i++）

if （i%13==0）

max=i；

解法一利用最基本的定義，從1-100中遍歷所有的數(shù)找到能被13整除的數(shù)賦值給max，當(dāng)循環(huán)結(jié)束后，max中存放的就是100以內(nèi)能被13整除的最大的數(shù)。顯然這樣解法體現(xiàn)了我們使用循環(huán)程序設(shè)計(jì)的初衷。

解法二：for （i=13；i<=100；i+=13）

max=i；

在解法二中，學(xué)生分析后認(rèn)為13是一個(gè)質(zhì)數(shù)，所以能被13整除的數(shù)應(yīng)是13的倍數(shù)，這樣初始值可以從13開(kāi)始，每次讓i的值以13遞增，于是取到的每一個(gè)i就是能被13整除的數(shù)，當(dāng)循環(huán)結(jié)束后，max中存放的就是100以內(nèi)能被13整除的最大的數(shù)。相比第一種算法，第二種的效率更高一點(diǎn)，體現(xiàn)了在循環(huán)次數(shù)上的創(chuàng)新。

解法三：i=100/13；

max=i*13；

解法三最讓人驚奇，雖然該同學(xué)沒(méi)有在程序中使用循環(huán)，但是通過(guò)對(duì)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)中，除號(hào)“/”兩端的操作數(shù)都是整數(shù)時(shí)結(jié)果取整的理解，準(zhǔn)確地求得了結(jié)果。我想解法三應(yīng)該是三種解法中效率最高的一種，也是更應(yīng)該得到表?yè)P(yáng)的。從解題的方法可以看出學(xué)生沒(méi)有局限于程序設(shè)計(jì)的一般思路，在解題時(shí)充分考慮了之前所學(xué)習(xí)的語(yǔ)法知識(shí)，再結(jié)合自己的思考，得出了一種創(chuàng)新的解法，這正是學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言要倡導(dǎo)的計(jì)算思維。我們有時(shí)往往過(guò)于強(qiáng)調(diào)程序設(shè)計(jì)的語(yǔ)法和語(yǔ)句，而忽略了實(shí)際問(wèn)題的不同解決方法。計(jì)算思維應(yīng)該是利用計(jì)算機(jī)幫助我們來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題，如果這個(gè)問(wèn)題可以由簡(jiǎn)單的辦法解決，我們?yōu)槭裁匆寙?wèn)題變得更復(fù)雜呢？在程序設(shè)計(jì)的教材中為了說(shuō)明一個(gè)語(yǔ)法而給出一個(gè)示例，但這樣的程序有時(shí)只是為了說(shuō)明一種結(jié)構(gòu)，并不是代表這種問(wèn)題應(yīng)該這樣處理。學(xué)生在學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言時(shí)應(yīng)該在掌握語(yǔ)法的基礎(chǔ)上打破常規(guī)思維，靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力。

3.2善于利用設(shè)疑

授人以魚(yú)，不如授人以漁。授人以漁，不如授人以欲。在教學(xué)中如果學(xué)生不愿意聽(tīng)，那即使教師講得很好，學(xué)生也不一定能掌握。但如果把學(xué)生的興趣調(diào)動(dòng)起來(lái)，讓學(xué)生主動(dòng)地去尋找答案，可能會(huì)收到意想不到的效果。例如，在講解完順序結(jié)構(gòu)和選擇結(jié)構(gòu)時(shí)，讓學(xué)生開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的計(jì)算器程序，可選擇實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除四種運(yùn)算中一種。學(xué)生通過(guò)輸入兩個(gè)數(shù)，和想選擇的運(yùn)算類型，用switch語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)了分支選擇。

這時(shí)學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)的程序不管選擇哪一種運(yùn)算，只能運(yùn)行一次，如果想再次執(zhí)行必須要重新運(yùn)行程序。如何才能讓程序可以依據(jù)選擇執(zhí)行多次運(yùn)算呢？帶著這個(gè)疑問(wèn)，為學(xué)生引入循環(huán)程序設(shè)計(jì)的知識(shí)，啟發(fā)學(xué)生思考簡(jiǎn)單的計(jì)算器程序能否根據(jù)用戶的選擇而確定。如果用戶不選擇退出，程序就可以一直計(jì)算下去。

興趣是最好的老師，再比如說(shuō)“猜數(shù)游戲”。即由計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成一個(gè)1到100之間的數(shù)請(qǐng)人猜，每人有十次機(jī)會(huì)猜測(cè)，如果猜對(duì)了，則計(jì)算機(jī)給出提示：“正確！”并結(jié)束游戲，否則提示用戶所猜的數(shù)是高還是低，如果十次都沒(méi)有猜對(duì)也結(jié)束游戲。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題教師可以提出三個(gè)疑問(wèn)，通過(guò)設(shè)疑來(lái)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

第一個(gè)問(wèn)題：如何生成隨機(jī)數(shù)num？

我們都知道在C語(yǔ)言中，使用rand（）函數(shù)會(huì)生成一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)，但如果沒(méi)有一個(gè)可變的量做種子，生成的數(shù)是不變的。那么如果找到一個(gè)不斷變化的量呢？經(jīng)過(guò)思考，不斷變化的時(shí)間就成了我們最好的選擇。

處理方法：首先用當(dāng)前和系統(tǒng)時(shí)間生成隨機(jī)數(shù)的種子srand（time（0）），再利用這個(gè)種子生成隨機(jī)數(shù)num，num = rand（），這樣得到的num就會(huì)因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)間不一樣，而得到不同的隨機(jī)數(shù)。

第二個(gè)問(wèn)題：如何把隨機(jī)數(shù)限制在1-100之間？

rand函數(shù)的原型為int rand（void），它會(huì)返回一個(gè)[0，RAND_MAX]間的隨機(jī)整數(shù)。利用所學(xué)的知識(shí)如何把一個(gè)隨機(jī)整數(shù)限制在100以內(nèi)，可以引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想到水仙花數(shù)或類似習(xí)題，模運(yùn)算符自然就被委以重任。

處理方法：利用模運(yùn)算符取余的特性，使用num=num%100，會(huì)把隨機(jī)數(shù)num限制在0-99之間，再把num加1就會(huì)得到一個(gè)1-100的整數(shù)。于是，最終的語(yǔ)句為num=num%100+1。

第三個(gè)問(wèn)題：如何選擇程序結(jié)構(gòu)？

首先，需要分支結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)比較運(yùn)算。當(dāng)用戶輸入猜測(cè)的數(shù)后，比較用戶的猜測(cè)與隨機(jī)數(shù)是否相等，如果相等，則提示“正確”，并結(jié)束游戲；如果不等，則比較猜測(cè)隨機(jī)數(shù)的大小，并提示用戶結(jié)果。其次，需要循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)十次猜測(cè)的機(jī)會(huì)。但是在控制循環(huán)的條件時(shí)，應(yīng)該分為兩種情況：一種是用戶猜測(cè)十次都沒(méi)猜對(duì)，結(jié)束循環(huán)；另一種是用戶在十次之內(nèi)就猜對(duì)了，這時(shí)也要結(jié)束循環(huán)。

在猜數(shù)游戲中，涉及的主要操作有：生成隨機(jī)數(shù)；限制隨機(jī)數(shù)在一個(gè)指定的范圍；判斷猜測(cè)與隨機(jī)數(shù)是否一致；給10次猜測(cè)機(jī)會(huì)，猜測(cè)正確時(shí)退出。對(duì)應(yīng)的知識(shí)點(diǎn)分別為rand（）函數(shù)、模運(yùn)算、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)和break。通過(guò)這個(gè)案例，讓學(xué)生學(xué)會(huì)綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)處理實(shí)際問(wèn)題，在其中培養(yǎng)了學(xué)生的計(jì)算思維。

作為提高部分，可以讓學(xué)生思考如何利用隨機(jī)數(shù)生成小學(xué)數(shù)學(xué)100以內(nèi)加、減法測(cè)試程序，用戶能夠輸入測(cè)試的算式數(shù)目，并分別給出算式，要求輸入答案，并能判斷結(jié)果是否正確，最后給出得分率。依據(jù)題目讓學(xué)生充分地發(fā)揮自己的想象，鼓勵(lì)程序的創(chuàng)新，讓學(xué)生提高綜合實(shí)踐能力。

4 總結(jié)

基于計(jì)算思維的C語(yǔ)言課程教學(xué)改革主要探究基于計(jì)算思維的C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)模式，以培養(yǎng)計(jì)算思維為主線，結(jié)合先進(jìn)的教學(xué)理念，先確定教學(xué)重點(diǎn)，再針對(duì)重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)可行的教學(xué)活動(dòng)，提出具體的課堂教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)方案，并應(yīng)用于C程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)活動(dòng)。最終通過(guò)評(píng)價(jià)和反饋機(jī)制，不斷地完善C程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)案例。旨在通過(guò)C程序設(shè)計(jì)課程的改革激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，培養(yǎng)學(xué)生良好的計(jì)算思維能力。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】