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计算思维：计算学科导论
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基于计算思维的C语言实验教学改革探索
摘要：C语言是一门实践操作性非常强的课程，实验教学是C语言教学至关重要的环节，是学好C语言的关键。本文通过分析C语言实验教学中存在的问题，在对培养目标和方法、实验教学内容、实验指导方法、考核方式等方面进行了改革探索，旨在培养学生的计算思维能力，提高学生利用计算机综合分析、解决问题的能力。
　　关键词：计算思维；C语言；实验教学；教学改革 　　中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：（7-02 　　1 引言 　　C语言是国际上广泛流行的一种通用计算机编程语言，常用来作为高校学生学习程序设计技术的入门课程， 具有实践操作性非常强的特点。这门课程除了要求学生掌握理论教学有关的知识，更重要的是通过实践教学让学生掌握编程的技能，真正理解程序设计的思想，培养学生综合分析实际问题的能力。因此，要使学生学好这门课程，在重视理论课教学的同时，必须加强上机实验操作环节和计算思维能力的培养，使大学生在掌握计算机应用技能的基础上，潜移默化地养成用计算思维方式解决专业问题的习惯[1]。 　　2 目前C语言实验教学中存在的问题 　　2.1做不到学以致用，C语言教学的必要性受到质疑 　　课程概念抽象、逻辑性强，采用的是一种全新的思维方式来解决问题，学生初次接触，入门难，感觉枯燥乏味，学习兴趣下降，即使学会了也大都是按课本例题照猫画虎，根本理解不了课程的精髓--计算思维能力和分析问题解决问题能力的培养，因而在遇到新问题或和实际相结合的问题时，并不会运用计算机的思维方式，去思考和解决问题，更不会将所学知识应用到自己的专业领域，课程存在的必要性受到质疑。 　　2.2注重语法教学，忽视计算思维和编程能力的培养 　　教师在实验课上多数是强调语法、语句的练习。学生在学习C语言过程中，也只关注语言本身，只注重语法和基本语句结构的训练，结果只是“记住”了语法和语句命令的格式，而忽视了对编程思想的把握和编程能力的提高，甚至于很多学生把编程当成了打字练习，只会把书上的完整程序原封不动地输入电脑[2]。在遇到新问题或和实际相结合的问题时，并不会运用计算机的思维方式，把需要解决的问题用C语言来描述和表达。而且冗繁的语法规则学起来枯燥乏味，学生渐渐就会失去学习兴趣。 　　2.3实验教学内容设置不合理 　　实验教学内容的设置主要立足于C语言本身的一些语法规则，为加深对各种语句、语法等细节的理解，主要以验证型实验和设计型实验为主，缺少综合型和开放型实验。而且所有专业采用统一的大纲，统一的要求，没有和专业相结合，更不能反映专业之间的差异。对水平较高的优秀学生不能提供进一步学习的机会。 　　2.4考核方式单一、不实用 　　普遍采用“一卷定终身”的单一、封闭的书面考试形式，或实验成绩只单纯地占很少的比例。而在美国，实验、平时测试和课堂作业占到课程总成绩的70%，而期末考试成绩只占总成绩的30%甚至更少，这充分说明了他们是重视过程的教育，关注学生能力的培养，而非我们的应试教育，这一点是值得我们借鉴的。 　　3 实验教学改革措施 　　针对以上提出的在C语言实验教学中存在的几点主要问题.笔者对C语言的实验教学进行了改革探索，并将相关内容运用到实际教学中，都收到了良好的效果。 　　3.1明确以“计算思维能力”培养为核心培养目标 　　计算思维教育是目前国内外高校的研究热点之一，目的是培养一种像计算机科学家一样思考问题的思维习惯。2006年，美国卡内基梅隆大学周以真（Jeannette M.Wing）教授在国际计算机权威期刊Communications of the ACM给出计算思维的定义：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[3]。周教授认为计算思维应该成为每个人的一项基本技能，就像普通人都拥有“读、写、算”（简称 3R）能力一样，而不仅仅计算机科学家具备。“大学计算教育振兴的途径”（CPATH）计划在2009年申报的项目中提出了具体的以计算思维为核心的课程改革[4]。2010年7月，九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会旗帜鲜明地把“计算思维能力的培养”作为计算机基础教学的核心任务[5]。2015 年7 月，在第四届“计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会”上，浙江大学何钦铭教授明确了以计算思维为核心的改革方向。程序设计课程的最终目标是培养学生利用计算机解决问题的意识、方法和能力，这一点和计算思维的定义是相通的，因而学习程序设计是理解和培养计算思维的最好途径[6]。高等学校培养创新人才的一个重要内容就是潜移默化地培养他们的计算思维能力。无论哪个学科，具有突出的计算思维能力都将成为新时期拔尖创新人才不可或缺的素质[5]。 　　3.2注重计算思维能力和编程能力的培养 　　要用计算机解决现实生活中的问题，首先要将现实生活中的问题转化为计算机能解决的问题，对于刚接触程序设计语言的学生来说需要有一个适应过程。这就需要我们在授课过程中给学生讲清楚如何将现实生活中的问题转化为计算机能解决的问题，如何构建问题的抽象模型，重点探讨分析问题和设计算法的思维过程。下面以典型的累加算法为例，求1+2+3+4+5+6，来说明计算机解决问题的思路。 　　首先我们可以先引导学生利用解数学题的方法求解[7]： 　　step1： 先求1+2，得到结果3。 　　step2： 将step1得到的结果3再加上3，得到结果6。 　　step3： 将step2得到的结果6再加上4，得到结果10。 　　step4： 将step3得到的结果10再加上5，得到结果15。 　　Step5： 将step4得到的结果15再加上6，得到结果21。这就是最后的结果。
　　然后给学生分析：这种算法虽然在理论上是正确的，但步骤太繁琐，且不具有通用性。比如若求1+2+3+…+1000，则需要999步，显然是不可取的。需要找到一种通用的解决方法。 　　采用计算机解决问题的方法，可以定义两个变量，一个变量代表被加数，一个变量代表加数。因为只需要最后一步的结果和，前面所有步骤的中间和就不需要保存，因此不需要另设变量存放中间结果，而直接将每一步骤的相加和都放在被加数变量中，再借助循环结构来求结果。今设s为被加数，i为加数，可以将算法改写如下： 　　S1： 令s=0 　　S2： 令i=1 　　S3： 将s+i，中间和仍放在变量s中，可表示为s+i=>s 　　S4： 使i的值加1，可表示为i+1=> i 　　S5： 如果i小于等于6，则重新返回执行步骤S3、S4和S5；否则，算法结束。最后得到s的值就是1+2+3+4+5+6的值。 　　显然这个算法比第一种算法简练，关键是还具有通用性、灵活性，可以举一反三。例如，可以用同样的思路方便的求出1+2+…++5+7+…，甚至再复杂一些的1+1/2+1/3+…1/n，还可以将累加推广到累乘，算法只需作很少的改动即可。有了清晰的思路，明确的解题方法之后，只要套用C语言语法规则将解题思路转化为C代码即可。这就是计算机解决问题的思路和方法。因此教学过程中老师不应该把注意力集中到C语言的诸多语法特点和限制上，而应该集中到解决问题的思路上。 　　这样，学生明白了计算机的特性，知道了怎样用计算机思维去分析问题，解决问题，那么在遇到同一类问题时学生就知道如何去解决了，从而也就在不知不觉中养成了计算思维的习惯。 　　3.3优化实验教学内容，考虑专业差异 　　根据大纲要求，制订详细、规范的实验教学计划。在保证能够验证理论知识点的基础上，精简验证型实验项目，增加结合现实问题的设计型和拓宽学生知识面、培养计算思维的综合型实验项目，适当设置发挥个人特长的开放型实验。 　　每个专业对学生计算机能力的培养应该是与本专业的知识结构密切结合的。在题目的具体设置过程中，和专业相联系，并考虑专业之间的差异，编写不同类别、不同层次的实验项目。比如对医学、人文、外语类等专业设置和本专业相关的一些题目，并且难度和要求稍低，而对偏重于理工科的专业，学生基础稍好，对该课程的要求也较高，因而可以相应的增加综合型实验的数量和难度，对优秀的学生还可设置一定数量的开放型实验。 　　3.4 改革实验指导方法，采用启发式教学 　　秉承“以学生为主体，教师为主导”的教育理念，改变“填鸭式”的灌输，采用“启发式”教学方法。这可以从两个方面来体现。 　　1）针对学生在实验过程中遇到的问题，首先引导学生分析，为什么出现这种错误，让学生自己思考，逐步解决问题。这样学生对实验的理解就会更加深刻，学到的知识也更扎实。 　　2）采用不断完善的例题实行启发式教学。介绍新知识点时，在原有问题的基础上增加新内容，先让学生尝试用原有知识点解决，在原有知识遇到困难的情况下，给出新知识的解决方案，新知识点在问题不断完善的过程中逐步引入，这样知识之间就有了连贯性，新知识的引入也水到渠成，易于被学生接受。 　　3.5 改革考核方式，采用形成性教学评价 　　改变原有的“一卷定终身”的单一、封闭的书面考试形式。采用形成性教学评价，突出过程考核和编程能力的考核，增加实验考核的比重，制定能全面反映学生各方面能力的实验成绩综合评估办法[8]。 　　实践证明，重在过程的考核可以让学生把功夫用在平时，重视实验课，真正理解和掌握了程序设计的思想，用来解决实际问题。而传统的“死记硬背”的应付考试的方法，即使期末获得了很好的成绩，却不一定真正掌握了运用这门语言解决实际问题的能力。 　　4 结束语 　　以上所述，只是笔者在多年的C语言实验教学中总结出来的一些心得和体会，实际上在改革过程中还存在很多问题，值得我们进一步去挖掘和探讨。 　　参考文献 　　[1]何钦铭，陆汉权，冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养[J].中国大学教学，2010（9）：5-9. 　　[2]项响琴. 应用型本科院校C语言实验教学改革的探索[J].电脑知识与技术，2008（1）：191-193. 　　[3]Jeannette putational Thinking[J]. Communications of the ACM，）：33-35. 　　[4]陈国良，董荣胜.计算思维与大学生计算机基础教育[J].中国大学教学，2011（1）：7-11. 　　[5]九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学，2010（9）：4-9. 　　[6]黄静，高延英、杨宇姝.基于计算思维的程序设计课程教学模式研究[J].计算机教育，2013（5）：51-54. 　　[7]谭浩强.C程序设计（第四版）[M].北京：清华大学出版社，2010. 　　[8]宋秀芹，赵志敏，曹金风.文科计算机教学的计算思维能力培养“落地”问题[J]. 计算机教育，2016（4）：124-126.百度搜索“就爱阅读”,专业资料、生活学习,尽在就爱阅读网,您的在线图书馆!
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推荐： 　　　第24卷第3期2011年6月文山学院学报；JOURNALOFWENSHANUNIVERSI；Vol.24No.3；Jun.2011；大众教育背景下的计算思维能力培养研究；邓家荣；（文山学院计科系，云南文山663000）；摘要：随着计算机科学在各行业应用的普及，社会对计；关键词：大众教育；计算机应用教育；计算思维；中图分类号：TP3－05；文献标识码：A；文章
第24卷第3期2011年6月文山学院学报
JOURNALOFWENSHANUNIVERSITY
Vol.24No.3
大众教育背景下的计算思维能力培养研究
（文山学院计科系，云南文山663000）
摘要：随着计算机科学在各行业应用的普及，社会对计算机应用型人才的需求量越来越大，能力要求越来越高。文章对计算机应用人才应具备的计算思维能力进行分析，探讨计算思维的定义、特点和影响，结合计算机应用基础课的教学特点，总结相关的培养策略
关键词：大众教育；计算机应用教育；计算思维
中图分类号：TP3－05
文献标识码：A
文章编号：（52－03
学之的一系列思维活动，具体如下：
1.计算思维就是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐述成一个我
随着计算机应用领域的增加和与其它学科之间的交叉深入，需要更多同时具备自身学科领域专业知识和计算机应用技术的人才，所以，培养能将计算机科学应用于专业领域解决实际问题的复合型人才非常重要。长期以来，计算机科学人才的任务是程序设计，但随着计算机与其他领域的交叉研究从松散合作逐步向紧密合作可以看到，当今世界广为人知的科技成果均是与计算机有关的重大创举，计算思维作为一种思维方式，已成为人类科学思维的重要组成部分。
就目前的发展态势而言，计算思维虽与抽象思维有一定的重合度，但已成为创新思维的重要组成部份。从四色定理到开普勒定律的证明，再到牛顿“吴方法”）都是由计算万有引力定律推导（吴文俊的机完成的看到
们知道怎样解决的问题。
2.计算思维是一种递归思维，是并行处理。3.计算思维采用抽象的分解来迎战庞杂的任务或者设计巨大的复杂系统。
4.计算思维选择合适的方式对一个问题的相关方面用建模方式使其易于处理。它具备利用已明确的理念简明扼要地描述系统行为。
5.计算思维是通过冗余、容错、纠错的方式从最坏情形下进行预防、保护及恢复的一种思维。
6.计算思维就是学习在同步相互会合时如何避免竞争的情形。
7.计算思维利用启发式思维来寻求解答。即在不确定情况下的规划、学习和调度。
8.计算思维利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、处理能力和存储容量之间进行权衡。1.2计算思维的特性
针对计算思维“是什么，不是什么”的定义，周
：“概念化，不是程序化；基教授总结出以下特征
础的，不是机械的技能；人的，不是计算机的思维
方式；是数学和工程思维的互补与融合；是思想，
不是人造品；是面向所有的人，所有地方”。1.3计算思维的影响
计算思维是应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，涵盖了计算
，人类在取得计算成果的同时，也
掌握了计算思维的许多规律。目前，计算思维虽处于规律探索阶段，被关注较晚，积累也不厚重，但已经取得了令人振奋的成绩。随着计算机科学的迅猛发展及应用领域的进一步深入，计算思维研究完全可能快速发展。
1计算思维的定义、特性和影响
1.1计算思维的定义
计算思维一词由美国卡内基?梅隆大学（CMU）JeannetteM.Wing（周以真）教授于2006年提出，其定义是：应用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为。它包括了涵盖计算机科
收稿日期：
“大众教育背景下高职院校学生计算机应用能力培养研究”（09Y0454）。基金项目：云南省教育厅科研基金项目
作者简介：邓家荣（1963－），男，云南砚山人，文山学院计科系副教授，主要从事计算机教学与管理、网络管理等方面研究。
机科学之广度的一系列思维活动，它建立在计算过程的能力和限制之上，由人或机器执行。计算的方法选择一个适当的代表或者模型反映出这个问题的相关方面，计算的想法把复杂的问题分开来解决，同时判断它的设计和好处简单化，也要检查分析多面的一般化问题，防止出现最大问题，以及出现的时候如何恢复。计算方法和模型使人们敢于去处理那些原本无法由个人独立完成的问题和系统设计。计算思维将成为创新人才能力的组成部份，而不仅仅限于科学家，它将渗透到现代人的工作、学习和生活之中。算法、前提条件和实施方法这些词汇将成为日常用语的一部分。对“非确定论”和“垃圾收集”这些词的理解会和计算科学里的含义趋近，
而树已常常被倒过来画了。
为主，自主学习的积极性仍然没有充分调动起来。
3计算思维能力培养教学策略
计算机应用能力培养，应围绕周以真教授《计算一文中所倡导的：计算机科学的教授应当为大思维》
“怎么像计算机科学家一样思学新生开设一门称之为
的课程为思想进行培养。注意面向计算学科方维”
法论思维能力和面向学科的数学思维能力进行培［5］
养，应当传播计算机科学的快乐和力量，致力于使计算思维成为常识。随着科学技术的不断发展，要求现代大学生具备领会计算思维的能力。希望该课程在理论思维的培养上以数学方式为基础；实验思维的培养上以物理、化学方式为基础；应用思维的培养上以计算机科学方式为基础，讲授学科中那些富有智慧的核心思想，将学生引入到计算学科这个富有挑战性的领域之中。结合学校处在大众教育背景下学生整体素质不高的特点，对计算思维的培养进行了一些尝试，总结出互学式和基于Moodle电子平台的目标、成果式等计算思维培养策略。3.1讲演练教学
教师在教学中应给学生展示自己才能的机会，如让学生在教学机演示自己熟练的操作，鼓励学生踊跃回答问题等，但要注意方法；考题应有意识地
“原因”之类的问题给学生充分表少出判断题，多些
达；加强学生上机练习指导，让学生不错过一切上
机实践机会；指导学生开展丰富多采的课外活动。3.2互学式教学
教学中，采用以教师讲授为主，并辅以同学之间合作学习的方式，师生在课堂中共同研讨教学内容，使老师和学生之间、学生和学生之间相互取长补短，充分调动学生的学习积极性，使学生在上机
“要我学”，增加学生的学习兴时由变成“我要学”趣，提高学生的自信心。此外要引入“以应用为中心”的教育方法，把计算机当作一个工具，知其然，可以不知其所以然，注重应用。要加强学生操作能力的培养，突出重点，使学生真正做到学有所用。扩招后大班上课的情况比较普遍，对学生的上机指导肯定是不够的。当然，很多教师会选计算机基础较好的学生作为组长，负责指导同学上机碰到的问题。该方法能提高部份学生的积极性，但很多学生都有较强的自我意识，不愿意去请教同学，达不到共同学习目的。所以，可以让所有学生上机时自由交流，引导他们互相观摩上机操作结果，从中感受到计算机的操作技能，提高自身应用能力。3.3基于Moodle平台的目标、成果式教学
任务驱动教学是以学生为中心，以任务为目标
2大众教育背景地方高校计算机教育现状
1999年以来，我国高等教育进行了扩招等一系列的改革。为淡化专业和拓宽专业口径，以就业为导向，突出培养学生的实践和应用能力，使学生具有跨学科进一步发展的潜力和适应当今社会高速发展的创新能力，很多高校对课程体系进行了重组。虽然取得了可喜的成绩，但也带来一些新问题。连续的扩招使原本考不上大学的人上了大学，因门槛降低导致部分学生质量不高，学生素质差距进一步拉大。而办学水平并没有及时的随着扩招迅速提高，这就造成了教学资源与教学需求的矛盾，暂时应对这一矛盾的办法就是采用大班授课或者加大教师工作量。如何在参差不齐的大班实现教学目标是我们面临的急需解决的课题。
随着中小学信息化教育工程的开展，高校的计
。但作为大众教育算机基础教育已不再是“零起点”
背景下录取的地方院校学生，绝大多数来自农村中
学，近80%的学生在中学阶段只是应付式地接受计算机教育，计算机应用能力参差不齐，所以，要使计算机基础教育快速跨越“零起点”平台，从一个较高的层次起步，很难实现。
现阶段的计算机基础课教学模式是：大屏幕加展台、多媒体设备等进行相关知识的讲解和展示，并结合上机练习。不可否认，该模式极大地丰富了课堂教学内容，加大了授课信息量，教学内容更加直观形象和易于理解。但这种方式对处于大众教育背景下的地方院校学生而言仍有以下不足：首先，因学生绝大多数来自农村，高中时期大多没有接触这种教学方法，授课过程中，教师将讲授内容做成电子教案进行课堂演示，信息量大、速度太快，学生难消化，容易遗忘；其次，学习过程仍然以听讲
的教学方式，属于探究式教学模式的一种。其表现是：教学围绕一个目标，基于几项任务，在强烈任务驱动下，通过对学生能力积极主动的挖掘，自主探索学习，完成既定任务的同时，对培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力有很大的促进作用。Moodle电子教学平台的软件包应用，除了提供教师高质量创建和管理在线课程外，还具备支持多种在线教学模块等功能。特别是它具备的学生参与构建和管理功能，是很好的实现目标、任务驱动、成果式教学平台，从根本上解决学生为完成任务而完成任务的问题，使学生成为教学的中心，使培养学生的计算思维成为教学的目标。
3.4结合师生教学和学习风格，合理安排教学和教师
教师是教学过程的组织者、引导者，应认识自己的教学风格对教学效果的影响，如偏向分析型教学风格的教师在讲解中会努力让学生理解所讲的内容，而有强烈直觉性倾向的教师也会根据学生对定义和结构的需求准备教学材料。作为计算机教学的管理者，应该了解教师的教学风格及各专业学生大致学习风格，可安排具有调和型教学风格的教师为艺术类专业开课，自然科学类专业则安排聚合型教学风格的教师。
同时，教师的教学方法、课堂任务应多样化。例如，既要给小组合作型任务，又要布置独立型任务；既可以让学生选择书面、操作题、演示等作业形式，也可设计一些能激发学生发散性思维的测试题；试卷既要有要求学生给出个体信息的题目，又应有开放性的论述题培养学生解决问题的能力，还要有比较和对比的测试题培养学生判断能力。
20世纪90年代初笔者在计算机基础教育中，曾经同时教过几届数学和化学专业的学生，考试结果化学专业的平均分高于数学的，当时的感觉是化学专业的实验都必须考虑在哪种状态下实施其相应的处理方式，并形成了相应的思维模式，这与在DOS状态下必须先考虑系统所处状态才给相应命令相吻合，并一直在对这种思维模式朦朦胧胧地进行探讨，在计算思维概念被提出后，这些设想才上升到一定理论高度。最后用周以真教授的话作为结束：“作为计算机工作者，我深切的体会到每天处语
于编程计算带来的大脑的思维变化。基本上我一碰到某个问题，大脑就会飞速运作，然后计算或评估出结果。计算思维实际上代表的是科学理性主义，但是事实上社会上非理性的东西太多，让我时常又觉得很苦恼。所以我觉得是这样的，做研究的时候
去计算，不做研究的时候去享受”。参考文献：
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［2］WingJM．ComputationalThinking［J］．Communicationsof
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［5］郭喜凤，J］．计孙兆豪．论计算思维工程化的层次结构［
2009，（4）：64－67.算机科学，
AStudyofCultivatingComputationalThinking
AbilityintheMassEducationContext
DENGJia-rong
（DepartmentofComputerScience，WenshanUniversity，Wenshan663000，China）
Abstract：Alongwiththedevelopmentofcomputerapplicationinvariousindustries，thedemandforcomputerappliedtalentsisgettinggreaterandgreaterandthedemandfortheirqualityisalsobecominghigherandhigher.Byanalyzingthecomputationalthinkingabilitythatacomputerappliedtalentshouldhave，thepaperdiscussesthedefinition，characteristicsandinfluenceofcomputationalthinkingandsummarizesrelatededucationstrategiesonthebasisofteachingfeaturesofcomputerbasiccourses.
Keywords：masseducation；computerappliededucation；computationalthinking
（责任编辑
三亿文库包含各类专业文献、行业资料、生活休闲娱乐、幼儿教育、小学教育、应用写作文书、外语学习资料、大众教育背景下的计算思维能力培养研究73等内容。　
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