淺析以計算思維為導向的程序設計課程教學(xué)案例設計

淺析以計算思維為導向的程序設計課程教學(xué)案例設計

　　【摘 要】針對《C語(yǔ)言程序設計》課程的傳統教學(xué)存在的問(wèn)題，文章提出以計算思維為導向的案例教學(xué)法，而如何設計有效的教學(xué)案例是核心。針對傳統教學(xué)存在的問(wèn)題，以計算思維為導向，總結教學(xué)案例設計的原則，設計教學(xué)案例。通過(guò)《C語(yǔ)言程序設計》課程教學(xué)實(shí)驗，證明提出的以計算思維為導向的程序設計教學(xué)案例設計方法是有效的。

　　【關(guān)鍵詞】計算思維 C語(yǔ)言程序設計 教學(xué)案例設計 中圖分類(lèi)號：G642

　　課題資助：陜西省教育科學(xué)“十二五”規劃2014年度課題（SGH140896）。

　　計算思維

　　計算思維的概念是由美國卡內基?梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系周以真（Jeannette M. Wing）教授于2006年提出的教育理念，2013年，周教授接受《中國信息技術(shù)教育》雜志社劉向永記者的訪(fǎng)談時(shí)對計算思維進(jìn)行了詮釋[1-3]。

　　國外的眾多研究者涵蓋計算機教育界、社會(huì )學(xué)界以及哲學(xué)界等各個(gè)領(lǐng)域對計算思維進(jìn)行深入的研究[4]。ACM和IEEE-CS在修訂后的《計算機科學(xué)教程2008》（Computer Science Curriculum 2008）[5]79-84中明確指出應該將計算思維作為計算機科學(xué)教學(xué)的重要組成部分。

　　在國內，基于計算機技術(shù)和Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，培養大學(xué)生計算機綜合能力，提高大學(xué)生使用程序語(yǔ)言解決問(wèn)題的能力，是當今大學(xué)生計算機基礎教育的核心點(diǎn)之一[6]。根據《中國高等院校計算機基礎教育課程體系2008》的規定，高校程序設計基礎課程的學(xué)習目標是：

　�、艑W(xué)習問(wèn)題求解的思路和方法，即算法。

　�、评斫庥嬎銠C是如何具體實(shí)現算法的，即如何才能有效利用計算機編程。

　　因此在程序設計課程教學(xué)任務(wù)中，不僅要使學(xué)生掌握程序語(yǔ)言的語(yǔ)法規則來(lái)編寫(xiě)程序，更重要的是掌握算法思想與問(wèn)題求解的思路，而計算思維正是使學(xué)生掌握使用計算機科學(xué)對問(wèn)題進(jìn)行求解的一種思維方法和能力。

　　國內外的眾多學(xué)者把計算思維能力的培養視為教育界改革的重要研究范疇，特別是在計算機教育領(lǐng)域，進(jìn)行了多年的研究與探索。如何將計算思維的理念融入到計算機教學(xué)中，培養學(xué)生計算思維能力，成為計算機教學(xué)研究的焦點(diǎn)和改革的突破點(diǎn)，并在此研究中取得了一定的成果，但在程序設計課程教學(xué)中培養計算思維尚未形成一套完整的教學(xué)模式，仍處于探索階段。

　　如何將計算思維真正融入程序設計課程中，我們進(jìn)行了一定的探討，在多年的程序設計課程教學(xué)中總結了一定的經(jīng)驗，基于計算思維的案例教學(xué)法比較適用，但是如何設計合理有效的設計案例是案例教學(xué)法成功的關(guān)鍵。

　　以計算思維為導向的教學(xué)案例設計原則

　　托爾說(shuō)：“一個(gè)出色的案例，是教師與學(xué)生就某一具體事實(shí)相互作用的工具;一個(gè)出色的案例，是以實(shí)際生活情境中肯定會(huì )出現的事實(shí)為基礎所展開(kāi)的課堂討論。它是進(jìn)行學(xué)術(shù)探討的支撐點(diǎn);它是關(guān)于某種復雜情境的記錄;它一般是在讓學(xué)生理解這個(gè)情境之前，首先將其分解成若干成分，然后再將其整合在一起�！�

　　對C語(yǔ)言程序設計課程的教學(xué)任務(wù)而言，更重要的是使學(xué)生學(xué)習計算機分析、解決問(wèn)題的思路和方法[7]。因此，在C語(yǔ)言程序設計課程教學(xué)過(guò)程中，一定要避免只重視程序設計語(yǔ)言的語(yǔ)法規則的錯誤思想，在將計算思維的培養作為教學(xué)核心任務(wù)的教學(xué)過(guò)程中要重視程序設計方法，而不是語(yǔ)言本身，不僅要求學(xué)生用計算機讀得懂程序，編寫(xiě)和調試代碼，更重要的是要學(xué)會(huì )如何設計算法，從而開(kāi)發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性和能動(dòng)性。

　　如何設計以計算思維為導向的程序設計案例，是案例教學(xué)法的核心，經(jīng)過(guò)多年程序設計課程教學(xué)的經(jīng)驗，將程序設計課程的教學(xué)案例設計原則總結如下：

　　1.案例選題的生活化

　　在教學(xué)案例的選擇中堅持生活化、常態(tài)化的原則，即選擇貼近生活、學(xué)生比較熟悉的問(wèn)題，讓學(xué)生在熟悉的問(wèn)題下思考解決方法，這樣可以緩解學(xué)生對程序設計的畏懼感。在學(xué)生給出問(wèn)題的解決方法并用計算機進(jìn)行求解后，學(xué)生會(huì )有一種恍然大悟的感覺(jué)，他們從中認識到計算機竟然能這么方便地用以解決日常生活中的問(wèn)題，從而消除對程序設計語(yǔ)言的抽象、枯燥的感覺(jué)。這樣生活化的案例在問(wèn)題的求解中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣，讓學(xué)生在興趣盎然的氛圍中學(xué)習，感受到程序就在身邊。而對生活化的問(wèn)題求解鍛煉了學(xué)生日常問(wèn)題求解的思維，從而培養學(xué)生的計算思維。

　　2.案例涵蓋知識點(diǎn)的典型化

　　根據每節課的教學(xué)目標和教學(xué)內容的需要適當選擇教學(xué)案例，將本節課的教學(xué)內容涵蓋在案例的解決中，同時(shí)要符合學(xué)生的認知水平，案例的設計既是學(xué)生平時(shí)耳聞目睹的，但又了解不深的普遍問(wèn)題，這樣可使學(xué)生對這些問(wèn)題的實(shí)際背景容易接受，從而愿意去深入了解，這樣的案例可以使學(xué)生更容易理解教學(xué)內容，同時(shí)能夠讓學(xué)生觸類(lèi)旁通，利用所學(xué)知識解決類(lèi)似問(wèn)題。

　　3.案例問(wèn)題的提出和解決的程序化

　　使教學(xué)案例的設計與計算思維相結合，在案例問(wèn)題的解決中注重算法的設計，方法的選擇，培養學(xué)生獨立解決問(wèn)題的能力，并在案例中適當添加程序語(yǔ)言，使學(xué)生在問(wèn)題解決的同時(shí)可以使算法程序化，這樣既可以培養學(xué)生的計算思維，又可以培養學(xué)生的程序思維，使枯燥無(wú)味的程序語(yǔ)法知識順其自然地在案例中學(xué)習，從而提高學(xué)生應用計算機知識抽象和分解問(wèn)題的能力。

　　典型案例解析

　　根據課程教學(xué)目標和教學(xué)內容，以選擇生活化、常態(tài)化的案例為原則，以計算思維為導向的程序設計案例的選擇原則，讓學(xué)生體會(huì )到如何用計算機解決問(wèn)題的方法來(lái)解決日常生活中的問(wèn)題。下面以一個(gè)典型案例的設計為例具體實(shí)現案例設計和應用。

　　教學(xué)內容：指針和數組。

　　教學(xué)目的：掌握指針和數組的定義以及使用。

　　教學(xué)重點(diǎn)：指針和數組的定義及使用。

　　教學(xué)難點(diǎn)：指針和數組的使用。 針對C語(yǔ)言程序設計課程中指針和數組知識的學(xué)習，下面給出一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題求解的案例，這一案例同樣適用于數組知識的學(xué)習，只是案例中問(wèn)題求解的方式有所變化。

　　1.問(wèn)題提出：根據二代居民身份證號確定此人性別的問(wèn)題。

　　2.常識解答：居民二代身份證號共18位，從左向右前6位為戶(hù)口所在地，第7～14位共8位為出生年月日，第15～17位為順序位（同地區同年同月同日生的人的順序編號）其中第17位代表性別（奇數為男、偶數為女），最后1位為校驗位。

　　3.問(wèn)題求解：從18位數字中取出第17位，然后判斷奇偶性，奇數為男、偶數為女。

　　對分解后的兩個(gè)問(wèn)題，針對不同的理論學(xué)習內容，我們有很多種解決方法，如：使用函數提取字符串中的一個(gè)或多個(gè)字符、使用數組下標提取數組元素、使用指針提取數組元素等多種方法。下面針對指針的學(xué)習給出求解方法。

　　4.求解方法：

　　Step1：利用數組存儲給定的18位數字，利用指針的移動(dòng)提取第17位數字;

　　Step2：用取出的第17位數字與2模除取其余數，判斷奇偶性。

　　5.算法分析：針對以上問(wèn)題的求解方法為例寫(xiě)出相應算法：

　　Step1：定義整型數組a，整型變量b，整型指針變量p;

　　Step2：將18位身份證號賦值給a數組，指針p指向數組的首地址;

　　Step3：移動(dòng)指針指向第17位數字;

　　Step4：指針提取第17位數字后模除2取余數賦值給b變量;

　　Step5：判斷b的奇偶性，如果是奇數則是男，如果是偶數則為女;

　　Step6：輸出結果。

　　6.問(wèn)題求解方法的代碼化：

　　#includestdio.h

　　main（ ）

　　{

　　int i，c，a[18]={1，5，0，4，2，8，1，9，8，9，0，6，0，8，1，2，3，3}，*p;

　　p=a;

　　for（i=0;ii++）

　　p++;

　　b=*p%2;

　　if（b==1）

　　printf（"%s＼n"，"男"）;

　　else

　　printf（"%s＼n"，"女"）;

　　}

　　這一案例是非常生活化的案例，每個(gè)人都有身份證號，但是將這樣一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題用程序設計語(yǔ)言在計算機上實(shí)現確實(shí)不是一件容易的事情，結合教學(xué)內容和教學(xué)目標，將問(wèn)題的解決方法限定在指針和數組的使用，更是加大了問(wèn)題的解決難度。就案例分析和問(wèn)題的解決而言，讓學(xué)生選擇多種解決方法，訓練學(xué)生如何將生活中的問(wèn)題用計算機來(lái)解決，同時(shí)掌握指針和數組的定義、賦值及使用等基礎知識。使學(xué)生在案例分析和算法設計時(shí)培養了計算思維能力，同時(shí)讓學(xué)生在有趣的案例中學(xué)習相對枯燥的理論知識。

　　總結

　　大學(xué)教育更多的是素質(zhì)的養成，能力的培養，正像一條教育格言講的：“Tell me and I will forget. Teach me and I will know. Involve me and I will learn.”在大學(xué)教育中，要少一些灌輸，多一些參與�！禖語(yǔ)言程序設計》課程的傳統教學(xué)存在一定的問(wèn)題，在多年的程序設計課程教學(xué)中提出以計算思維為導向的案例教學(xué)法，并針對教學(xué)案例設計的核心問(wèn)題進(jìn)行研究，針對傳統教學(xué)存在的問(wèn)題，以計算思維為導向，總結了教學(xué)案例設計的原則，設計了教學(xué)案例。通過(guò)《C語(yǔ)言程序設計》課程教學(xué)實(shí)驗證明，提出的以計算思維為導向的程序設計教學(xué)案例設計方法是有效的。學(xué)生通過(guò)案例教學(xué)可以提高學(xué)生的學(xué)習積極性和主動(dòng)性，大眾化的案例解決在使學(xué)生掌握了相關(guān)理論知識的同時(shí)培養了學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，培養了學(xué)生的計算思維。

　　參考文獻：

　　[1]Jeannette M. Wing，“Computational Thinking，”Communication of the ACM，no.49（Mar.2006）：33-35.

　　[2]劉向永、周以真：《計算思維改變信息技術(shù)課程》，《中國信息技術(shù)教育》2013年第6期，第5-12頁(yè)。

　　[3]周以真：《計算思維》，《中國計算機學(xué)會(huì )通訊》2007年第3卷第11期，第83-85頁(yè)。

　　[4]《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎教學(xué)發(fā)展戰略聯(lián)合聲明》，《中國大學(xué)教學(xué)》2010年第9期。

　　[5]“CM/IEEE Computer Society Interim Review Task Force，”Computer science curriculum 2008： An interim revision of CS 2001， accessed June 28， 2010， http：//www.acm.org/education/curricula/.

　　[6]教育部高等學(xué)校計算機基礎課程教學(xué)指導委員會(huì )：《高等學(xué)校計算機基礎教學(xué)發(fā)展戰略研究報告暨計算機基礎課程教學(xué)基本要求》，高等教育出版社，2009。

　　[7]戰德臣、聶蘭順：《計算思維與大學(xué)計算機課程改革的基本思路》，《中國大學(xué)教學(xué)》2013年第2期，第56-60頁(yè)。

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