程序設(shè)計課程中計算思維能力培養(yǎng)

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【摘要】程序設(shè)計課程是培養(yǎng)計算思維的最佳知識載體,在研究和分析計算思維的基礎(chǔ)上，提出了課程中培養(yǎng)計算思維的方法，包括普及計算思維概念、引導(dǎo)學(xué)生正確認識計算思維、設(shè)計綜合案例引導(dǎo)學(xué)生理解計算思維等，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生程序設(shè)計能力和計算思維能力。

【關(guān)鍵詞】計算思維；程序設(shè)計；能力培養(yǎng)

1引言

科學(xué)思維是指在人類科學(xué)活動中所使用的思維方式。人類認識世界和改造世界有三種思維方式：以推理和演繹為特征的邏輯思維，以觀察和歸納自然規(guī)律為特征的實驗思維，以抽象化和自動化為特征的計算思維[1]。2005年美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(PITAC)在《計算科學(xué)：確保美國競爭力》一文中提出：雖然計算本身是一門學(xué)科，但是其具有促進其他學(xué)科發(fā)展的作用。21世紀(jì)科學(xué)上最重要、經(jīng)濟上最有前途的研究前沿都有可能通過熟練掌握先進的計算技術(shù)和運用計算科技而得到解決。報告建議將計算科學(xué)長期置于國家科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中心的領(lǐng)導(dǎo)地位。隨后，美國、英國、澳大利亞等多個國家都將計算思維作為其信息技術(shù)課程的重要內(nèi)容，國內(nèi)也提出了將計算思維納入高中和大學(xué)的核心素質(zhì)培養(yǎng)要求?？梢?，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維已成為大勢所趨。程序設(shè)計課程作為非計算機專業(yè)學(xué)生的所必修的一門計算機基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容最能夠體現(xiàn)語言級的問題求解方法[2]，是培養(yǎng)計算思維最好的載體，因此，如何在程序設(shè)計教學(xué)中有意識地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，提高學(xué)生應(yīng)用計算機知識分析和解決問題的能力，成為了迫切需要解決的問題。

2計算思維

2006年，美國卡內(nèi)基•梅隆大學(xué)的周以真教授(J.M.Wing)在計算機權(quán)威雜志ACM上，對計算思維（ComputationalThinking）進行了明確的定義。她指出[3]：計算思維涉及運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和理解人類行為，它涵蓋了反映計算機科學(xué)之廣泛性的一系列思維活動。是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，將一個看來困難的問題重新闡述成一個我們知道怎么解決的問題。計算思維如同閱讀、寫作、算術(shù)一樣，應(yīng)當(dāng)是信息時代的每個人都具有的一種思維方式，并不是只有計算機科學(xué)家才有。計算思維的核心是抽象和自動化。抽象是省略不必要的細節(jié)、把重要的部分抽離出來的過程，它關(guān)注對象的本質(zhì)特征；自動化指的是計算在物理系統(tǒng)自身運作過程中的表現(xiàn)形式，什么能被有效地自動化是計算學(xué)科的根本問題[4]。計算是抽象的自動化，自動化隱含著需要某類計算機去解釋抽象。計算思維是借助通用智能工具求解問題的一種方法，涉及理解和運用計算機科學(xué)的基本概念、遞歸思想、抽象化、形式化、枚舉、搜索和啟發(fā)推理等[5]。培養(yǎng)計算思維可以讓學(xué)生合理選擇合適的工具來分析、解決現(xiàn)實世界中的復(fù)雜問題。計算思維并不是現(xiàn)在才出現(xiàn)的，自古已有萌芽，隨著計算工具的發(fā)展而發(fā)展，如算盤就是一種沒有存儲設(shè)備的計算機，提供了一種用計算方法來解決問題的思想和能力[6]。計算思維是受過良好訓(xùn)練的科學(xué)家面對問題時所采用的一種思維方法，曾經(jīng)是只屬于少數(shù)人的專利，隨著現(xiàn)代計算機的迅速普及，計算作為一種智力活動的門檻被打破，計算思維不再是少數(shù)人的專屬，而是成為所有人都應(yīng)當(dāng)擁有的、不可或缺的思維方式?，F(xiàn)代計算機的出現(xiàn)強化了計算思維的意義和作用。

3課程中計算思維能力的培養(yǎng)

3.1普及計算思維的概念

讓學(xué)生認識到計算思維，才能更好地學(xué)習(xí)和利用它。羅賓•威廉姆斯在《寫給大家看的設(shè)計書》中開篇提到的約書亞樹的例子，作者在看到書中約書亞樹的照片時，覺得樹長得很奇怪，自己從未見過這么奇怪的樹木，然后走出家門后，仔細觀察，發(fā)現(xiàn)周圍到處都是，幾乎家家都種植著這種樹。如果沒有認識到它，你就會忽略它的存在，一旦能夠說出什么東西的名字，就會很容易注意到它，你就會掌握它，擁有它，使它在你的控制中。事實上，學(xué)生在學(xué)習(xí)和使用計算機的過程中都在不斷地培養(yǎng)著計算思維，只不過它是隱性的，若有若無地存在著，很難去識別和表述，現(xiàn)在要讓它變成顯性的，讓學(xué)生明確地意識到計算思維的存在。在教學(xué)內(nèi)容中加入計算思維的相關(guān)知識，讓學(xué)生認識到計算思維，這樣在學(xué)習(xí)計算機知識的過程中會更容易體會到其中隱藏的思維方法，有利于計算思維的培養(yǎng)。課程的教學(xué)內(nèi)容包括語言知識、程序設(shè)計和計算思維三個部分，以程序設(shè)計為主，語言知識和計算思維為輔。程序設(shè)計包括問題分析、數(shù)學(xué)建模、算法設(shè)計、編寫代碼和編譯調(diào)試等階段，重點講授程序設(shè)計的思想和方法。程序設(shè)計中所涉及的基本算法包括累加、連乘、窮舉、迭代、遞歸、查找與排序等，在教學(xué)過程的不同階段，分別引入這些算法，結(jié)合具體的程序語言和實例，進行講解和練習(xí)，并注意上升到思維的高度，讓學(xué)生關(guān)注解決問題時所涉及到的計算思維。語言知識則以程序設(shè)計語言必須具備的功能為主，包括基本的語法要素和程序流程控制，其他的都忽略掉，避免學(xué)生陷入到繁雜的語言語法規(guī)范中去。計算思維部分包括核心概念、計算思維過程階段要素、內(nèi)涵和特征等內(nèi)容。

3.2幫助學(xué)生正確認識計算思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

學(xué)生對于程序設(shè)計課程的認識存在誤區(qū)，認為只有未來要做程序員的工作，才有必要學(xué)習(xí)編程，所以在學(xué)習(xí)的時候動力不足，遇到困難時很容易放棄或退縮。要讓學(xué)生認識到，學(xué)習(xí)程序設(shè)計課程，不僅僅是學(xué)習(xí)程序語言和具體的算法，還可以培養(yǎng)學(xué)生解決問題的思路和策略，也就是其中蘊含的計算思維。具體的知識是會遺忘的，但是形成的思維能力卻不會遺忘，而且會潛移默化地應(yīng)用到工作和生活的各個方面?！叭绻藗兺袅怂麄冊趯W(xué)校里所學(xué)到的每一樣?xùn)|西，那么留下來的就是教育?！睂W(xué)習(xí)中最終“剩下的”是能力素質(zhì)，是教學(xué)過程中最有價值的東西，其中包括：認識、方法、邏輯、思維、價值、道德、倫理以及觀察、研究能力等等。對于程序設(shè)計課程來說，最終“剩下來”的就包含計算思維。計算思維是一種解決問題的方法論，可以從計算機領(lǐng)域擴展到所有學(xué)科，包括科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)，甚至是繪畫、音樂等藝術(shù)領(lǐng)域，近些年來在很多領(lǐng)域中具有突破性的研究都與計算有關(guān)。而且，計算思維還可以應(yīng)用到生活的各個方面，用于解決現(xiàn)實世界中的各種難題。讓學(xué)生正確認識計算思維的作用，會促進學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，能夠有意識地培養(yǎng)計算思維能力，反過來還可以促進程序設(shè)計能力的提升。

3.3設(shè)計綜合性案例

學(xué)生對于語法知識的學(xué)習(xí)沒有問題，能夠很好的學(xué)會語法知識，也夠讀懂程序，但是卻不會寫，特別是遇到一個新的問題，不知道如何開始著手，因此教學(xué)的重難點應(yīng)放在分析問題、算法、編程構(gòu)思和程序?qū)崿F(xiàn)上面，尤其是分析問題的思路。設(shè)計綜合性案例，從對案例的分析開始著手，利用抽象、分解、約簡等計算思維方法將復(fù)雜的問題一步一步轉(zhuǎn)化為最簡單的問題，然后著手解決。而在上機實踐時，采用由簡單到復(fù)雜的方式，要求學(xué)生從最小問題求解，然后過渡到復(fù)雜問題。讓學(xué)生體驗問題求解的過程，引導(dǎo)學(xué)生研究其中的規(guī)律，掌握利用計算思維求解問題的步驟和方法。

4結(jié)束語

知識、能力和素質(zhì)是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，在程序設(shè)計課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生能夠很好地掌握知識，能力方面有所欠缺，計算素質(zhì)（包括計算思維）方面最為不足。在以往的教學(xué)中比較注重知識和能力的培養(yǎng)，而只有把知識、能力與素質(zhì)三者緊密結(jié)合起來，并貫穿在整個教育過程中，才能培養(yǎng)出高質(zhì)量的人才[6]。因此，主動地、有意識地將計算思維培養(yǎng)融入程序設(shè)計課程中去，不僅有利于學(xué)生提高程序設(shè)計能力，更有利于學(xué)生用計算機學(xué)科的思維方式來解決現(xiàn)實問題，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力和解決實際問題問題的能力。從實踐結(jié)果來看，學(xué)生對于課程學(xué)習(xí)的積極性有了明顯提高，自主學(xué)習(xí)能力、學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)效果得到了改善。

參考文獻：

［1］李廉.計算思維———概念與挑戰(zhàn)［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2012.

［2］何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴.計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計算思維能力的培養(yǎng)［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2010.

［4］陳國良，董榮勝.計算思維的表述體系［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2013.

［5］吳文虎.精心鑄精品，理念需先行［J］.計算機教育，2008.

［6］譚浩強.研究計算思維，堅持面向應(yīng)用［J］.計算機教育，2012.

作者：方芳 單位：衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院