以“计算思维”驱动的《程序设计基础》实践教学模式研究
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以“计算思维”驱动的《程序设计基础》实践教学模式研究
作者：朱凌云 卢玲 刘恒洋 黄贤英
来源：《科技创新导报》 2012年第26期
作者简介：作者姓名朱凌云1969.11- 性别：男、民族：汉，籍贯四川平昌县 博士。研究方向：线路系统、
朱凌云 卢玲 刘恒洋 黄贤英
（重庆理工大学计算机科学与工程学院 重庆 400054）
摘要：《程序设计基础》是面向计算机专业一年级新生的重要专业基础课程。本文结合计算思维的思想，分析了计算思维与程序设计课程实践教学的关系，对实验教学模式、问题解的构建、学生的认知能力以及实验内容的设置等进行了详细的阐述，提出了在教学实践中行之有效的方法。
关键词：计算思维 程序设计基础 认知能力 教学改革
中图分类号：G642文献标识码 A 文章编号：1674-098X(2012)09(b)-0000-00
程序设计基础是计算机专业的第一门专业基础课。课程以程序设计语言为依托，介绍程序设计的基本方法，使学生全面了解结构化程序设计的基本思想，掌握用计算机解题的总体思路。由于课程的理论性与实践性兼备，如何培养学生正确的程序设计思维习惯、提高学生用程序解决问题的能力，探索有效的实践教学模式，一直是从事该课程教学的老师有待解决的问题。
1 教学现状分析
目前，《程序设计基础》的教学中存在如下主要问题：⑴新生对计算机理论知识储备不够，专业知识结构不成体系。因此，学生对计算机的“思维方式”与传统解题方式的差异难以理解，入门较慢。⑵新生对高校的教学模式不适应，主动学习、研究、创新、沟通等能力等不足。由于尚未形成符合自身特点的学习方法，遇到困难缺乏信心从而出现畏惧和逃避心理。⑶在实践中出现“重结果、轻过程”，“重编码，轻算法”的现象。学生将学习重心放到对基础语法的学习上，以看到程序“运行结果”为目标，不注重从宏观的角度总结问题求解的构建过程，忽略了思维方式的锻炼。因此，在程序设计教学实践过程中，必须使学生理解计算机解题的工作实质、逐渐培养其具有符合计算机工作的思维模式，以提高其解决问题的能力。
2 计算思维
2.1 计算思维的定义
国际上广泛认同的计算思维定义来自美国卡内基·梅隆大学的周以真(J.M. Wing)教授。该定义指出：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。
计算思维是人类求解问题的一条途径。计算机科学不只是为人类社会呈现软硬件，更重要的是计算的概念。计算的思想无处不在，它被人们用来求解问题、管理日常生活以及进行交流和互动等活动。计算思维通过约简、 嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个知道怎样解决的问题。计算思维与人们通常所说的逻辑思维和形象思维有区别，它是将问题转化为符合计算机求解规律的一种思维方式。
2.2 计算思维与实践教学互为驱动
⑴直观地让学生感知众多的自然现象及其内在的规律，使学生对某一领域的认知从感性上升至理性，验证或再发现某些已知的理论知识，从而巩固已学的理论知识，进一步培养创造性思维方式及能力；
⑵使学生了解在认识和研究自然科学领域中所遇到问题的一般性或特殊性实验方法，熟练掌握这些实验中常规及特殊的实验技能，提高学生的实践能力。
计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学的一系列思维活动，它不仅意味着能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上分析和思考问题。
3 以“计算思维”驱动的实践教学模式
在我校的《程序设计基础》实践环节，逐步运用了以“计算思维”驱动的实践教学模式，主要包括如下几方面的内容。
3.1 以任务驱动展开学习
实验内容通过“任务”的形式提出，学生独立完成问题的分析、算法设计和编程工作。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，概要设计，详细设计，编码，测试等若干阶段，学生所提出的解决方案，教师应只进行指导性的干预。可通过“求解过程重构”来对解决方案进行分析和比较。
以任务驱动教学突出了学生的主体地位，能够有效地引导学生从埋头编码，转为抬头思考问题。这是学生的专业素养从程序员向系统分析员的提升。
3.2 重构求解过程
计算思维是面向典型计算环境的问题求解方法的能力，试验中提倡对同一计算任务反复多次进行求解，对问题的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。重构过程中引导学生总结同一类别问题的共性和个性，启发学生寻找自身对问题理解的薄弱环节。
3.3 倡导问题解的多样性
实践中不仅要培养学生的操作技能，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计算任务进行反复求解，激发计算思维的活跃度。鼓励阅读、改写别人的程序，发展计算思维方式的多样性。应鼓励创新意识的形成和发展，对带有创新型的思想和方法，教师应组织学生展开分析和讨论。
3.4 尊重不同的认知方式
学生的认知过程、认知能力不完全相同，是导致算法多样化的原因之一。对于初学者而言如何理解计算机的“思维方式”，是其面临最大问题。应该尊重这样的差异，也鼓励从多种角度思考问题。因此，实验中强调实验目标一致性的前提下，应该鼓励个性化的实验形式。
3.5 设置多样化的实验内容
在程序设计入门的阶段，要求设置富有趣味性、综合性的练习，交替改变实验内容的难易程度是非常有必要的。例如，在学习二维数组时，必然要提到数学中矩阵的概念。可以提出这样的问题“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”，实验中，可以要求学生对这样的“矩阵”进行转置。类似的问题较好地将实验与日常生活相结合，能很好地提高思维的活跃度。
3.6 计算思维的培养是漫长的过程
计算思维的形成是一个长期的过程。在实验过程中，学生解题的思路或思维的角度常常可能与教学目标相偏离，教师应耐心指导并担负起应有的引导作用。同时，仅通过一门课程的学习就构建起成熟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[1]。知识主要是与思维相关的知识，素养主要是信息与信息处理方面的素养。
4 结语
上述关于以计算思维驱动的实践教学模式，是结合《程序设计基础》课程的教学实践提出的。在我校《程序设计基础》课程的教学中逐步运用，对教学效果以及学生的综合素质，都起到了很好的促进作用，实践教学环节所起的作用是不容忽视的。
参考文献
[1] 战德臣,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[J].中国大学教学.2011(4):15-20.
[2] 杨卫光,孙健,陆斐璋.改革实验教学，适应创新人才的培养需要[J].实验技术与管理.1999(4)16:10-12.
