计算思维能力的C程序设计教学研究论文
摘要：计算思维近年来在计算机领域和教育领域备受关注，计算思维能力是每一个现代人必备的基本能力。以算法为核心的C程序设计是计算思维能力培养的最佳土壤，文章以系统方法的视角分别从课程目标、课程内容、教学方法、教学资源以及教学评价5方面深入探讨计算思维能力的培养问题，旨在为计算思维能力培养提供思路和建议。
关键词：计算思维；思维教学；C程序设计；问题求解
1背景
自2006年3月美国计算机科学家周以真教授提出计算思维这一概念后，作为三大科学思维之一的计算思维就在计算机领域和教育领域引起广泛关注。计算思维成为每一个现代人必备的能力。计算机领域是计算思维教育的主要阵地，C程序设计凸显了解决问题的算法特性，成为计算思维理念的最好体现。以C程序设计课程为载体培养计算思维能力是有益的尝试。在CNKI文献检索平台以“程序设计”和“计算思维”为篇名，精确检索出与高校程序设计课程相关的4篇核心文献。文献[1]重点探讨程序设计实验教学中计算思维能力培养的思路；文献[2]以ACM/ICPC程序设计竞赛为切入点探讨计算思维在竞赛中的体现、应用及培养问题；文献[3]侧重分析C程序设计课程中计算思维本质的体现，并在教学内容、教学方式、考核内容方面给出计算思维培养的建议；文献[4]则从教育游戏的视角论述在程序设计课程中“轻游戏”对培养计算思维能力的影响。这些研究虽然从不同维度做了有益探索，但是少有运用计算思维的系统方法全面论述C程序设计课程教学中培养计算思维的问题。
2计算思维概述
2.1计算思维的官方解读
计算思维的概念是由曾任美国卡内基梅隆大学计算机系主任的周以真教授提出的。她认为，计算思维（computationalthinking）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之广度的一系列思维活动[5]。对于计算机科学的基础概念，王荣良教授从计算装置、计算载体、计算过程、计算资源4个维度描述计算机最基础的知识和最基本的方法[6]40。计算装置是指实现计算的硬件设备；计算载体是指实现计算的对象；计算过程指算法，即解决问题的方法与步骤；计算资源指实现计算所需的软件资源。综上所述，计算思维可简单地理解为用计算机基础知识和基本方法求解问题（将系统化设计和人类行为理解均归为问题求解范围）的一系列思想活动，其核心是问题求解的方法与思路。计算思维是一个不断发展的概念，在信息化时代指的是用人的思维驾驭以计算设备为核心的技术工具来解决问题的一种思维方式。
2.2计算思维的本质
计算思维的本质是抽象和自动化[7]12。思维是一种思想活动，是抽象的，而计算思维则更抽象。计算思维中的抽象需要用特定严格的符号标记去描述、表示并使其形式化，进而达到机械化执行即自动化的目的，而自动化是计算思维特有的属性，它要求被自动执行的对象一定是形式化的。由此可见，抽象与自动化是相互影响又彼此共生的一对孪生姐妹，两者关系如图1所示。程。开发学生的创造性潜能，培养和提升学生的创新思维与能力是我国素质教育的根本宗旨。在帮助学生了解信息技术基本知识和技能的基础上，更加注重学生创新思维能力的培养与提升，应是我国计算机教育的`根本出发点和归宿[7]14。培养计算思维能力是培养和提升学生创新能力的有效方法和途径。具备计算思维的人，能够运用逻辑推理、归纳总结等方法分析论证；能够运用系统方法分析问题和解决问题；能够采用分而治之的方法将复杂问题模块化和简单化；具有创新意识，善于将自己的创意想法或待解决的问题转换成计算机可以识别的形式，让计算机去做那些复杂繁琐的任务。
3以计算思维能力培养为导向的C程序设计课程目标设计
教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会提出大学计算机基础教学4方面的能力培养目标：对计算机的认知能力、应用计算机解决问题的能力、基于网络的学习能力和依托信息技术的共处能力[9]。这４个能力目标中“应用计算机解决问题的能力”恰好反映了计算思维的核心要素——问题求解。课程目标集中体现课程的整体价值，是一门课程的核心所在。基于“应用计算机解决问题的能力”的目标，借鉴基础教育课程改革的三维目标，教师可将C程序设计课程目标分为知识与技能、过程与思维、综合应用与创新3个维度，具体内容见表1。知识与技能、过程与思维、综合计算思维虽然以抽象和自动化为本质内容，但计算思维绝不是计算机的思维，而是人的思维、人的思想，它在解决问题方面具有非常重要的作用。2.3计算思维能力培养的意义自古至今，所有的教育都是为了人的发展。人之发展，首在思维，因此培养人的科学的思维能力必然是教育的核心内容[8]。著名科学家钱学森说过，教育工作的最终机理在于人脑的思维过应用与创新三维课程目标是面向不同层级的能力要求，是逐渐上升发展的。
4以计算思维能力培养为导向的C程序设计课程内容设计
课程内容体系是课程的集中反映，也是课程的载体和基础。依据上述提出的不同层级的三维目标，教师可将课程内容分为3个不同模块，具体见表2。课程内容模块化和结构化一方面便于学生对内容理解得更深入、更透彻，为系统学习搭好框架；另一方面与三维目标相吻合，便于课程目标的实现。
5以计算思维能力培养为导向的C程序设
计课程教学方法选择教学方法是否丰富多样，是一门课程能否达标的关键。融入计算思维，主要就是教学方法改革[11]。C程序设计是一门实践性很强的课程，教学方法的选择要以学生为中心，以培养学生计算思维能力为核心目标，以教学内容为依据，以“双主教学”理念为指导，以信息技术的利用为手段和方式。文献[11]中指出“计算思维不是内容的改变，不是工具的改变，而只是教学方法、方式的改变。启发式教学最能体现这种改变：引导学生思考，使之看到问题之外的问题、方法之外的方法、没有联系的联系，这就是计算思维”。王荣良教授在《计算思维教育》中提到，在计算机学科领域，渗透计算思维的教学方法有探究式教学法、任务驱动式教学法和实验教学法[6]102-129。除此之外，案例教学法和项目教学法也是程序设计课程中经常采用的教学方法。新型的翻转教学模式在程序设计课程中也有其用武之地，因为它能为学生提供充足的课堂操练时间，这对于强调实践操作且学时不充分的C程序设计课程来说无疑是雪中送炭。无论采用哪种教学方法，只要在教学过程中注重计算思维方法的渗透和引导，强调问题求解的思路，就是培养计算思维能力。
6以计算思维能力培养为导向的C程序设
计课程教学资源选择教学资源是课程内容的载体，也是教学内容广度和深度的体现，包括教材与教辅资源两种类型。
6.1教材的选择
教材是课程内容体系的集中体现。对于高等教育而言，教材并不是教学内容的全部和唯一，它仅仅是课程学习的一个主要参考资料。教师应该在多种教材中选择自己所需的内容框架，并在此基础上形成自己的内容体系。虽然目前还没有关于计算思维能力培养的程序设计教材，但是关于思维教学和计算思维的著作相继问世，如斯滕伯格的《思维教学——培养聪明的学习者》、陈国良院士的《计算思维导论》、王荣良教授的《计算思维教育》、陆朝俊教授的《程序设计思想与方法：问题求解中的计算思维》、夏耘等编著的《计算思维基础》，这些为一线教师实践计算思维方法指引方向，提供思路。教师可以上述的三大内容框架为依据，以C程序设计教材为基础，以计算思维和思维教育为核心，设计一套自成体系的特色鲜明的参考教材。
6.2教辅资源的设计与开发
教辅资源既是教材的补充，又是巩固和提升学生能力的一种教学资源。教辅资源类型丰富多样，可以是纸质版或电子版的学习资料、练习册、课件、微课程、模拟系统、在线课程甚至网络学习平台等。在培养计算思维能力的C程序设计课程中，教辅资源的选择、设计、开发除了与教学内容和教学方法相关，还要突出问题求解的方法与思路。
7以计算思维能力培养为导向的C程序设
计课程教学评价设计教学评价是衡量一门课程是否达标的一种手段，是检验学生学习效果的重要教学环节，也是培养学生能力的过程。教学评价若按评价功能划分，可分为诊断性评价、过程性评价和总结性评价；若按评价性质划分，则分为定性评价和定量评价。C程序设计课程常采用期末闭卷考核方式，这种考核方式只能考查学生对于理论知识的掌握情况，无法考核学生的解决问题能力和创新能力，往往会导致学生高分低能。在注重实践和计算思维能力培养的C程序设计课程教学中，教师应采用多元化的评价机制，将定性与定量结合，使过程与结果并重，既注重学生的平时表现如努力程度、积极状态等，又考虑学生的学习成果如项目完成情况、创新程度等。依据前面提到的三维目标和三大内容模块，教师可开展分阶段、分层次的三级考核，即基础考核―算法考核―综合考核。
8结语
思维是人类区别于动物的特有属性，通过思维获取的知识才是真正的知识。思维训练学习的并不是思维，而是如何思维得好，让这种思维能力运用得当[12]。以问题求解为核心的计算思维是每一个现代人必备的基本素质，也是创新人才选拔的一项重要指标。开展计算思维教育的宗旨是提升学生求解问题的能力和创新能力，使之更好地学习、工作与生活。计算思维能力培养是教育领域的一大挑战，这条路难走但也要坚持走下去，相信在众多专家和一线教师的努力下会结出丰硕的果实。
参考文献：
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