程序設(shè)計(jì)課程中計(jì)算思維能力培養(yǎng)
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【摘要】程序設(shè)計(jì)課程是培養(yǎng)計(jì)算思維的最佳知識(shí)載體,在研究和分析計(jì)算思維的基礎(chǔ)上，提出了課程中培養(yǎng)計(jì)算思維的方法，包括普及計(jì)算思維概念、引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)計(jì)算思維、設(shè)計(jì)綜合案例引導(dǎo)學(xué)生理解計(jì)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(jì)能力和計(jì)算思維能力。
【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維；程序設(shè)計(jì)；能力培養(yǎng)
1引言
科學(xué)思維是指在人類科學(xué)活動(dòng)中所使用的思維方式。人類認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)思維，以抽象化和自動(dòng)化為特征的計(jì)算思維[1]。2005年美國(guó)總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)(PITAC)在《計(jì)算科學(xué)：確保美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力》一文中提出：雖然計(jì)算本身是一門學(xué)科，但是其具有促進(jìn)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(jì)上最有前途的研究前沿都有可能通過(guò)熟練掌握先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)和運(yùn)用計(jì)算科技而得到解決。報(bào)告建議將計(jì)算科學(xué)長(zhǎng)期置于國(guó)家科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中心的領(lǐng)導(dǎo)地位。隨后，美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等多個(gè)國(guó)家都將計(jì)算思維作為其信息技術(shù)課程的重要內(nèi)容，國(guó)內(nèi)也提出了將計(jì)算思維納入高中和大學(xué)的核心素質(zhì)培養(yǎng)要求。可見(jiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維已成為大勢(shì)所趨。程序設(shè)計(jì)課程作為非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的所必修的一門計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，其內(nèi)容最能夠體現(xiàn)語(yǔ)言級(jí)的問(wèn)題求解方法[2]，是培養(yǎng)計(jì)算思維最好的載體，因此，如何在程序設(shè)計(jì)教學(xué)中有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，提高學(xué)生應(yīng)用計(jì)算機(jī)知識(shí)分析和解決問(wèn)題的能力，成為了迫切需要解決的問(wèn)題。
2計(jì)算思維
2006年，美國(guó)卡內(nèi)基•梅隆大學(xué)的周以真教授(J.M.Wing)在計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志ACM上，對(duì)計(jì)算思維（ComputationalThinking）進(jìn)行了明確的定義。她指出[3]：計(jì)算思維涉及運(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)和理解人類行為，它涵蓋了反映計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣泛性的一系列思維活動(dòng)。是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，將一個(gè)看來(lái)困難的問(wèn)題重新闡述成一個(gè)我們知道怎么解決的問(wèn)題。計(jì)算思維如同閱讀、寫作、算術(shù)一樣，應(yīng)當(dāng)是信息時(shí)代的每個(gè)人都具有的一種思維方式，并不是只有計(jì)算機(jī)科學(xué)家才有。計(jì)算思維的核心是抽象和自動(dòng)化。抽象是省略不必要的細(xì)節(jié)、把重要的部分抽離出來(lái)的過(guò)程，它關(guān)注對(duì)象的本質(zhì)特征；自動(dòng)化指的是計(jì)算在物理系統(tǒng)自身運(yùn)作過(guò)程中的表現(xiàn)形式，什么能被有效地自動(dòng)化是計(jì)算學(xué)科的根本問(wèn)題[4]。計(jì)算是抽象的自動(dòng)化，自動(dòng)化隱含著需要某類計(jì)算機(jī)去解釋抽象。計(jì)算思維是借助通用智能工具求解問(wèn)題的一種方法，涉及理解和運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(jì)算思維可以讓學(xué)生合理選擇合適的工具來(lái)分析、解決現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜問(wèn)題。計(jì)算思維并不是現(xiàn)在才出現(xiàn)的，自古已有萌芽，隨著計(jì)算工具的發(fā)展而發(fā)展，如算盤就是一種沒(méi)有存儲(chǔ)設(shè)備的計(jì)算機(jī)，提供了一種用計(jì)算方法來(lái)解決問(wèn)題的思想和能力[6]。計(jì)算思維是受過(guò)良好訓(xùn)練的科學(xué)家面對(duì)問(wèn)題時(shí)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(jì)算機(jī)的迅速普及，計(jì)算作為一種智力活動(dòng)的門檻被打破，計(jì)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。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)強(qiáng)化了計(jì)算思維的意義和作用。
3課程中計(jì)算思維能力的培養(yǎng)
3.1普及計(jì)算思維的概念
讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)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(jì)書(shū)》中開(kāi)篇提到的約書(shū)亞樹(shù)的例子，作者在看到書(shū)中約書(shū)亞樹(shù)的照片時(shí)，覺(jué)得樹(shù)長(zhǎng)得很奇怪，自己從未見(jiàn)過(guò)這么奇怪的樹(shù)木，然后走出家門后，仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)周圍到處都是，幾乎家家都種植著這種樹(shù)。如果沒(méi)有認(rèn)識(shí)到它，你就會(huì)忽略它的存在，一旦能夠說(shuō)出什么東西的名字，就會(huì)很容易注意到它，你就會(huì)掌握它，擁有它，使它在你的控制中。事實(shí)上，學(xué)生在學(xué)習(xí)和使用計(jì)算機(jī)的過(guò)程中都在不斷地培養(yǎng)著計(jì)算思維，只不過(guò)它是隱性的，若有若無(wú)地存在著，很難去識(shí)別和表述，現(xiàn)在要讓它變成顯性的，讓學(xué)生明確地意識(shí)到計(jì)算思維的存在。在教學(xué)內(nèi)容中加入計(jì)算思維的相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維，這樣在學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)的過(guò)程中會(huì)更容易體會(huì)到其中隱藏的思維方法，有利于計(jì)算思維的培養(yǎng)。課程的教學(xué)內(nèi)容包括語(yǔ)言知識(shí)、程序設(shè)計(jì)和計(jì)算思維三個(gè)部分，以程序設(shè)計(jì)為主，語(yǔ)言知識(shí)和計(jì)算思維為輔。程序設(shè)計(jì)包括問(wèn)題分析、數(shù)學(xué)建模、算法設(shè)計(jì)、編寫代碼和編譯調(diào)試等階段，重點(diǎn)講授程序設(shè)計(jì)的思想和方法。程序設(shè)計(jì)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(guò)程的不同階段，分別引入這些算法，結(jié)合具體的程序語(yǔ)言和實(shí)例，進(jìn)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(wèn)題時(shí)所涉及到的計(jì)算思維。語(yǔ)言知識(shí)則以程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言必須具備的功能為主，包括基本的語(yǔ)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(yǔ)言語(yǔ)法規(guī)范中去。計(jì)算思維部分包括核心概念、計(jì)算思維過(guò)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(rèn)識(shí)計(jì)算思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣
學(xué)生對(duì)于程序設(shè)計(jì)課程的認(rèn)識(shí)存在誤區(qū)，認(rèn)為只有未來(lái)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(shí)候動(dòng)力不足，遇到困難時(shí)很容易放棄或退縮。要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)課程，不僅僅是學(xué)習(xí)程序語(yǔ)言和具體的算法，還可以培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的思路和策略，也就是其中蘊(yùn)含的計(jì)算思維。具體的知識(shí)是會(huì)遺忘的，但是形成的思維能力卻不會(huì)遺忘，而且會(huì)潛移默化地應(yīng)用到工作和生活的各個(gè)方面。“如果人們忘掉了他們?cè)趯W(xué)校里所學(xué)到的每一樣?xùn)|西，那么留下來(lái)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(guò)程中最有價(jià)值的東西，其中包括：認(rèn)識(shí)、方法、邏輯、思維、價(jià)值、道德、倫理以及觀察、研究能力等等。對(duì)于程序設(shè)計(jì)課程來(lái)說(shuō)，最終“剩下來(lái)”的就包含計(jì)算思維。計(jì)算思維是一種解決問(wèn)題的方法論，可以從計(jì)算機(jī)領(lǐng)域擴(kuò)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(huà)、音樂(lè)等藝術(shù)領(lǐng)域，近些年來(lái)在很多領(lǐng)域中具有突破性的研究都與計(jì)算有關(guān)。而且，計(jì)算思維還可以應(yīng)用到生活的各個(gè)方面，用于解決現(xiàn)實(shí)世界中的各種難題。讓學(xué)生正確認(rèn)識(shí)計(jì)算思維的作用，會(huì)促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，能夠有意識(shí)地培養(yǎng)計(jì)算思維能力，反過(guò)來(lái)還可以促進(jìn)程序設(shè)計(jì)能力的提升。
3.3設(shè)計(jì)綜合性案例
學(xué)生對(duì)于語(yǔ)法知識(shí)的學(xué)習(xí)沒(méi)有問(wèn)題，能夠很好的學(xué)會(huì)語(yǔ)法知識(shí)，也夠讀懂程序，但是卻不會(huì)寫，特別是遇到一個(gè)新的問(wèn)題，不知道如何開(kāi)始著手，因此教學(xué)的重難點(diǎn)應(yīng)放在分析問(wèn)題、算法、編程構(gòu)思和程序?qū)崿F(xiàn)上面，尤其是分析問(wèn)題的思路。設(shè)計(jì)綜合性案例，從對(duì)案例的分析開(kāi)始著手，利用抽象、分解、約簡(jiǎn)等計(jì)算思維方法將復(fù)雜的問(wèn)題一步一步轉(zhuǎn)化為最簡(jiǎn)單的問(wèn)題，然后著手解決。而在上機(jī)實(shí)踐時(shí)，采用由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的方式，要求學(xué)生從最小問(wèn)題求解，然后過(guò)渡到復(fù)雜問(wèn)題。讓學(xué)生體驗(yàn)問(wèn)題求解的過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生研究其中的規(guī)律，掌握利用計(jì)算思維求解問(wèn)題的步驟和方法。
4結(jié)束語(yǔ)
知識(shí)、能力和素質(zhì)是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，在程序設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生能夠很好地掌握知識(shí)，能力方面有所欠缺，計(jì)算素質(zhì)（包括計(jì)算思維）方面最為不足。在以往的教學(xué)中比較注重知識(shí)和能力的培養(yǎng)，而只有把知識(shí)、能力與素質(zhì)三者緊密結(jié)合起來(lái)，并貫穿在整個(gè)教育過(guò)程中，才能培養(yǎng)出高質(zhì)量的人才[6]。因此，主動(dòng)地、有意識(shí)地將計(jì)算思維培養(yǎng)融入程序設(shè)計(jì)課程中去，不僅有利于學(xué)生提高程序設(shè)計(jì)能力，更有利于學(xué)生用計(jì)算機(jī)學(xué)科的思維方式來(lái)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力和解決實(shí)際問(wèn)題問(wèn)題的能力。從實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，學(xué)生對(duì)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(xiàn)：
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作者：方芳 單位：衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院