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摘要:計算思維是信息技術學科的核心素養之一，程序設計的任務是使用計算思維來分析和解決實際問題，而不僅僅是簡單的編碼。該文在計算思維導向的C語言程序設計教學過程中，提出任務驅動型和知識體系重構的教學方法，來培養學生靈活運用程序設計求解工程問題的能力。

關鍵詞:計算思維；任務驅動；重構；程序設計

近年來，教育界開展了關于“計算思維”能力培養的討論。當今社會進入了高度信息化的時代，對具備計算思維能力、能熟練運用計算機分析和解決問題的人才需求日趨旺盛。“計算思維”由JeannetteM.Wing教授在2006年提出，其含義是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。計算思維的本質是抽象和自動化，抽象指的是對求解問題的一種描述，是對問題的表達和推演；自動化是用具體的形式體現計算和結果。作為創新性人才的基本素質和要求之一，計算思維將會徹底改變人們的思維模式。如何培養學生的“計算思維”能力已成為計算機教育界的研究熱點[2]。國際上，美國麻省理工大學、斯坦福大學、卡內基梅隆大學、普渡大學等著名高校紛紛設置了面向全校的以問題求解為核心的“計算思維”通識課程，在以“計算思維”為指導的計算機基礎教學方面取得了顯著的成效。美國國際教育技術協會和美國計算機科學教師聯合會制定了一套可操作規范，并在課堂上推廣計算思維。近來，Google公司了“計算思維”在線課程，為在不同領域融入計算思維提供了大量極富價值的資源。由我國首批985高校的九所頂尖大學組成的“九校聯盟”，于2010年了計算機基礎教學發展戰略聯合聲明，強調需要把培養學生的“計算思維”能力作為計算機基礎教學的核心任務。哈爾濱工業大學開設的慕課“大學計算機—計算思維導論，為首批國家精品在線開放課程，系統地概覽了計算機全領域的知識體系，有助于學生計算思維的培養。清華大學出版社的《C語言程序設計與計算思維》由沈鑫剡等編寫，以通俗易懂、循序漸進的方式敘述了C語言語法和程序設計方法，并通過大量的例子加深讀者對C語言的理解，培養了學生的計算思維能力。程序設計類課程是計算機相關專業學生的一門必修課，也是非計算機專業普遍選修的課程，主要培養學生利用計算機編程語言解決實際問題的能力。通過廣泛調研，雖然“計算思維”的培養已受到國際上很多高校的重視，但在程序設計語言課程的知識結構組織和課堂教學模式方面，各大高校普遍存在著諸多問題，有待進一步探討。例如，教材內容羅列式安排語法知識，學生讀書過程與實踐嚴重脫節；有限的課堂學時不足以介紹清楚語法上小的知識點，一再壓縮的課時使得課上經常出現趕進度的現象；一味灌輸式的教學，忽視了教學過程中對學生計算思維能力的培養。

1C語言教學與計算思維能力培養

計算思維的抽象和自動化兩大特征與C語言求解問題的過程不謀而合。圖靈獎獲得者、PASCAL之父NiklausWirth于1976年提出“算法+數據結構=程序”。NiklausWirth在CommunicationsofACM上發表的論文《通過逐步求精方式開發程序》（ProgramDevelopmentbyStep-wiseRefinement）中，首次提出了“結構化程序設計”（structureprogramming）的概念。結構化程序設計方法又稱為“自頂向下”或“逐步求精”法，在程序設計領域引發了一場革命，而C語言程序設計就是結構化程序設計最典型的體現。我們對待解決的問題進行分析，找出與問題相關因素的功能過程和系統特征，建立數學模型。其中功能過程可以使用C語言中的函數或函數之間的調用關系來實現，這也是算法的設計過程。系統特征抽象為C語言中的變量或常量來表示，它們的取值范圍和操作即構成系統的數據結構。我們知道，與數學抽象相比，計算思維的抽象更加豐富和復雜。數學抽象的特點是拋開現實事物的物理、化學和生物等特性，僅保留其量的關系和空間的形式，而計算思維中的抽象卻不僅僅如此。計算思維強調運用計算機科學進行問題求解，因此第一步是對待解決問題的抽象，即基于任務的教學過程。首先提出待完成的任務，根據任務的實際需要引導學生思考需要建立的數學模型，進而確定解決問題所需構造的操作對象及必要的功能過程（即算法）。然后，聯系C語言程序中的語法特征，引出必要的知識點，編寫自動執行的程序，實現從現實問題到信息世界的轉換?？梢姡珻語言程序設計的教學過程恰好對應計算思維的抽象特征。

2任務驅動型教學模式

在計算思維導向的教學過程中，我們不再以羅列介紹C語言的語法知識作為教學主線，而是設定不同的任務導向教學，這就需要對課程的總體知識結構做出大刀闊斧的梳理。傳統教學中按照知識點的類別進行講授，如數據類型部分，首先介紹了五種基本數據類型，再介紹數組、指針、枚舉、結構體和聯合等復雜數據類型。這種講授方式花費了大量的課時灌輸給學生基本的語法知識，教學效果較差。整合傳統教學內容后，采用知識體系重構的任務導向型教學模式，使學生盡快進入編程模式，概覽全局，培養學生的思維能力。根據科研和教學經驗，針對程序設計的語法知識，構造并提出任務，引導學生思考并分析解決思路。下面舉例說明課程中部分重構后的知識結構：（1）開門見山，先見森林后見樹木，激發學生的學習興趣。傳統教學往往在課程初期介紹簡單知識，在后期循序漸進地讓學生認識和編寫復雜的程序。我們將課程倒置，首先制造懸念。如日歷是學生在生活中每天都需要使用到的，將其作為學生感興趣的較復雜程序，在第一節課時就引入。興趣是最好的老師，對于從未接觸過程序的新生來講，看到一些程序代碼點擊運行就可以任意輸出某年的日歷，對他們具有很大的吸引力，大大提升了學生學習的積極性和自信心。同時，學生也會產生極大的懸念感，進而思考：程序設計功能如此強大，怎樣才能寫出這一行行代碼呢？在此基礎上，為了使學生容易接受知識，后續我們設置部分較簡單的小任務來對基本知識進行引導講授。（2）小任務驅動知識點的講授。認識了程序設計的強大功能后，設計一些小任務來逐漸引導學生學習。如傳統教學中，在課程前期往往集中介紹數據類型和運算符，而學生此時對C語言編程還沒有全局的概念，更無從感受這些語法與解決問題的程序整體之間的關系。復雜數據類型中，機械性地講解數組和指針，學生聽起來也有一定難度，更無法掌握其在實際中的具體用法。學生被動地學習，造成難以區分這些類型和運算，再往后真正需要用到時又印象不深刻。新的教學模式中，將數據類型等小知識點融入具體問題的解決中，不再集中介紹各種數據類型，而是根據解決問題的需要，逐個引出。如求圓的面積和周長，求解公式中涉及半徑的表示、圓周率、乘法運算以及計算結果的存儲。學生自然能夠想到，用整數或浮點數表示半徑，即講整型和浮點型兩類；涉及半徑、面積和周長的存儲，需要介紹變量的定義，即申請內存空間；計算過程中需要乘法和賦值運算，講解部分運算符?；締栴}解決后，可以對程序進行進一步優化，如程序中的圓周率重復出現多次，可以將圓周率定義成符號常量，還可以定義宏來代替。至此，設計的小任務中我們自然地穿插了部分數據類型、變量、運算符、常量和宏定義等基本知識。學生不僅印象深刻，在聽課時也興趣濃厚，知道為什么講，怎么用，且與計算思維解決問題的思路一致。關于數組和指針，我們設計一個任務：求全班和全年級的高級語言程序設計課程的平均成績，逐步引導數組和指針概念的建立，不僅能使學生自然產生新的數據類型需求，同時也鍛煉了他們的計算思維能力，促使他們能夠將學到的具體知識用于解決實際問題。顯然，任務驅動型教學模式不僅有利于學生程序設計能力的提升，同時也鍛煉了學生的計算思維能力，能在學習周期內提高學生分析和解決實際問題的能力。

作者:李整 單位:華北電力大學（保定）計算機系