计算思维能力培养的教学改革与实践

2019-03-20唐未香刘科峰

产业与科技论坛 2019年23期

□唐未香刘科峰

计算思维是目前广为关注的涉及计算机科学本质问题的基本概念。第一次明确使用这一概念的是周以真教授。她认为，计算思维是利用计算机科学的基础知识去求解问题、设计系统和理解人类的一系列思维活动；计算思维最根本的内容是抽象和自动化[1]。计算思维应是每个人的基本技能，不仅要使学生掌握阅读、写作和算术技能，还要使学生学会计算思维。在计算机教学中如何融入计算思维的理念，培养学生的计算思维能力，成为教学研究的焦点[2]。本文以广州现代信息工程职业技术学院为例，列举了若干培养计算思维的教学实施方法。

一、培养计算思维能力的必要性

当前的计算机类课程教学中，普遍存在着实用主义，即什么实用就教什么。例如在计算机网络教学中，有些教师主张少讲各层协议工作原理，多讲交换机和路由器的配置，这是一种典型的急功近利思想。实用主义把简单技术掌握作为第一要义，忽视求解问题和设计系统能力的培养，缺乏从学生人生发展的高度看待计算机课程所应有的价值[3]。

目前，高校非常注重培养具有创新意识和创新能力的应用型人才，加强学生计算思维能力的培养，有利于提高学生的创新能力。

二、以加强学生计算思维能力培养为目标的教学改革

计算思维的培养不是通过一门课程的教学就能解决的问题，而是要贯穿于所有计算机课程的教学中。重点应从以下三门课程培养计算思维。

(一)基于C++面向对象程序设计的计算思维能力培养。程序设计类课程是计算思维的最佳载体，程序设计课程中蕴含着计算思维的本质抽象和自动化[4]。教学中不但要注重C++基本语法的教学，更重要的是让学生理解语法定义背后的目的和使用方法，即让学生明白：为什么需要这样定义语法规则，这个语法规则为什么定义成这样的形式以及如何使用它。让学生掌握怎样实现顺序、选择和循环结构，怎样实现递归。求1+2+……+100的和是教材上的典型例子程序，主要用来说明怎样实现循环结构，可以将它改成递归，即前n项的和为n加上前n-1项的和，使学生既掌握递归的实现方法，又明白了求解同样的问题可用不同途径。在编程中，培养学生将计算思维和各自专业知识融入到计算机解题过程，例如对计算机网络技术专业的学生，讲解一些Socket网络编程的例子，使学生了解程序设计在专业方面的应用，从而影响学生的思考问题方式。

类与对象是面向对象程序设计最基本、最重要的概念之一，以“物以类聚，人以群分”的古语引入，接着引导学生如何从“张三”、“李四”这样的学生个体写出学生类。在教学中，经常有学生问：“我们为什么要写类，我们不写成类的形式也能编程，有时还简单一些”。教师向他们解析：如果只处理一个学生的信息，不写成类的形式，而写成C语言的形式确实简单一些，如果要处理很多学生的信息，类可以发挥它作为模板的优势，大大简化编程。

(二)基于微机原理的计算思维能力培养。在微机原理的教学中，通过动画演示指令的执行过程，使学生深刻理解计算机是怎样实现自动计算的。通过汇编语言编程、调试及分析列表文件，使学生明白：计算机内部是一个二进制的世界，通过“0”和“1”这两个数字，可把现实世界的字符、声音、图像、视频等各种信息转换成数据，存储在计算机中，指令代码也是通过“0”和“1”的编码来实现。现代计算机系统是由软件和硬件构成的一个十分复杂的系统。为了方便计算机的应用、开发和设计，可以将计算机系统划分成多个层次或级别。计算机系统可分为：数字电路层、控制层、机器语言层、操作系统层、汇编语言层、高级语言层、用户层[5]。TCP/IP体系结构分为：网络接口层、网络层、运输层、应用层。使学生明白采用层次结构分解处理复杂任务的方法不是微机原理特有的，其它学科也采用这种方法，我们以后开发软件也可能采用这种方法。还可以深入探讨汇编语言与高级语言的关系，例如通过学习32位汇编语言中子程序的调用，使学生深刻理解高级语言函数调用中的参数传递；通过寻址方式的学习，使学生更好地掌握C++中指针的用法。

(三)基于数据结构的计算思维能力培养。数据结构是一门研究非数值计算的程序设计问题中计算机的操作对象以及它们之间的关系和操作的学科。在教学中，并不追求灌输所有知识点，而是强调各类数据结构的内在联系，例如可以讲解：线性表是基础，如果线性表只允许在表的一端进行插入，而在另一端进行删除就成了队列；如果线性表限定仅在表尾进行插入或删除操作就成了栈。队列和栈具有部分线性表性质，又有自己的特性。在二叉树的教学中，比较二叉树递归遍历算法和非递归遍历算法，可以看出递归遍历算法较简单，使学生认识递归的方法有时可以简化程序设计。数据结构是高级程序设计语言的后续课程。应强化程序设计训练，用任务驱动教学，给出任务，让学生寻求多种解决方案，并对方案选优，再进行算法设计、编码和测试。让学生体会编程思路，对培养学生的创造性思维很有帮助。