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以计算思维培养为导向的《C语言程序设计》课程教学改革

  DOIDOI:10.11907/rjdk.161471
  中图分类号:G433
  文献标识码:A 文章编号:1672-7800(2016)008-0213-03
  0 引言
  《C语言程序设计》是计算机类公共基础课程,培养非计算机专业学生在计算环境下进行问题求解的思路、方法,使学生能用计算机学科独特的思维方式来解决专业领域和实际生活中碰到的各种问题,为将来创新性解决专业问题奠定基础。本课程教学中,学生普遍感觉课程难于理解,导致教学效果欠佳,主要体现在以下几个方面:
  (1)课程教学侧重于语法规则,忽视了计算思维的培养与训练。学生即使掌握了所有语句规则,在解决实际问题时仍会感到茫然,无从下手,没有达到课程设置的目的和要求。
  (2)传统教师讲学生听的授课方式,整个学习过程中学生处于被动接受的状态,学习积极性不高。听完课后按照教师设定的模式完成上机实验,导致解决问题独立思考能力不强。
  (3)过度强化等级考试。为提高考试通过率,会以考点作为教学目标,通过大量习题巩固,导致学习思路狭窄,学完课程后不知道如何用程序设计方法解决专业问题。
  (4)在高校教学改革的大趋势下,计算机类课程课时普遍都在压缩,要在规定的课时内完成相同的教学任务,往往会加大学时信息量,学生在课堂上囫囵吞枣,根本来不及消化所学内容。
  (5)由于地域差别,入校时学生的计算机基础参差不齐。传统的教学组织无法顾及学生个体差异,往往导致基础好的学生没吃饱,基础差的学生没吃到。
  1 教学组织
  计算思维是指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系列思?S活动[1]。在信息社会中,计算思维是人类进行问题求解的有效工具,每个人都应该掌握并学会使用。同济大学的龚沛曾教授等[2]将计算思维培养进一步细分为计算思维意识、计算思维方法和计算思维能力3个维度,为程序设计课程教学提供了更为明确的指导。
  笔者学校C语言课程教学改革从计算思维培养的角度出发,以应用为背景,通过对实际案例的思考分析,借助任务驱动模式和递进式教学法将知识点串接起来,形成逻辑清晰的脉络和主线,加深对C语言的理解和驾驭能力,提升分析问题和解决问题的能力。课程重点是培养学生从计算机的角度去抽象问题,思考解决问题的方法和步骤,主动用计算思维去解决问题,有意识地应用在专业问题中。
  在教学组织上,采取渐进式分层次教学法,整个课程教学分为3个阶段:①建立程序设计思想:学生能从计算思维的角度分析解决问题的方法,并转化为程序;②强化程序设计方法:通过大量阅读、分析程序,熟悉语法细节,明确编程意图,使学生熟练掌握常用的算法和程序设计方法;③应用能力拓展:通过对问题的分析构建算法,使学生具备一定的独立解决问题能力,并根据实际要求在多种方法中找出较优解决途径。
  2 教学内容设计
  2.1 理论教学设计
  生活中的计算思维无处不在,但人们的计算思维活动是无意识的。在C语言程序设计教学中,要注意将无意识的计算思维变成有意识的、系统的计算思维,将知识传授转变为基于知识的思维传授[3]。C语言程序设计课程虽然从一开始就涉及到大量的语法规则细节,但在具体讲解时应将生活中的活动和现象作为切入点,通过案例分析,积极引导学生思考解决问题的办法。程序设计教学应以发现问题→分析问题→寻求多种解决方案→各种解决方案对比→实现解决方案作为授课思路,让学生成为问题的解决者而不仅仅是程序设计员[4]。
  在C语言课程教学中,以任务驱动进行教学是培养学生计算思维能力的有效手段。根据计算思维培养的3个层次,可分为入门、巩固、提高和创新4个阶段[5],教师通过阶梯式引导教学,学习者根据问题解决思路进行学习、巩固和提高,实现由简单到复杂的自然过渡。如讲到循环时,可以设计这样几个问题逐步引导学生理解循环结构的使用:
  ①5+5+5+5+5;②1+2+3+4+5;③1*2*3*4*5(5!);④1!+2!+3!+4!+5!
  在由单重循环过渡到多重循环的教学内容中,可以引导学生按照图1顺序逐步打印图形:
  通过以上方法,不仅使学生在完成任务的互动中掌握了语法结构,而且通过思考的方式让学生明确问题的分析过程和处理问题的计算思维方式,培养解决问题的能力。
  2.2 实验教学设计
  C语言是一门实践性很强的课程,实验教学在整个教学过程中占有重要地位。通过实验教学可以培养学生将理论学习中形成的解决问题思路转化为机器实现,逐步养成计算思维能力。上机之前,要求学生写下求解问题的步骤并画出关键算法的流程图,不仅可以帮助学生明确解决问题的思路,而且可以在编写程序时不会出现逻辑混乱和大的结构性错误。在确定解题思路的基础上再由C语言的语法规则对应到具体的实现语句上,形成最终上机调试程序。程序设计语言是一种确定性的符号系统,学生在编程中产生的任何问题都会在编译、链接和运行的过程中表现出来,根据错误现象找到导致错误的原因可以使学生逐步形成理性的逻辑思维、严谨的学习习惯和科学的实证精神。
  综合程序设计实践环节,选取与日常生活相关的ATM取款机、班级通讯录和大数据计算等问题,由学生在两周时间内根据自己的兴趣任选一设计程序,既可以巩固C语言语法知识,又锻炼了综合运用C语言程序解决问题的能力。   3 基于微课的翻转课堂教学法
  翻转课堂是在信息技术支持下,将课堂教学和课下作业的内容、形式和目的进行翻转。教师将教学内容录制为教学视频,辅助学生在课下完成预习、学习和复习。课堂则变为教师个别辅导、师生互动讨论和解决问题的场所[6]。
  C程序设计知识点繁杂、概念抽象,因此微课教学和翻转课堂非常适合C程序设计教学。学习视频中不仅要有预习的课程内容,还要将C语言中难于理解的语法、程序构建和程序分步执行过程录制成视频,便于学生反复观看。视频可以采用真人授课或PPT播放课件,也可以采用Prezi等简报软件制作动态教学演示。录制视频可以按片段化呈现方式,将教学单元按照一个知识点或一个问题进行分解,时间一般控制在8分钟以内。学生可以利用碎片时间进行学习,从任一起点反复观看,更好地做到分层次教学。教学视频后面紧跟4~5个小问题,帮助学生及时进行检测,对学习情况作出判断[7]。
  翻转课堂从以教师为中心转变为以学生为中心,学生可以完全按照自己的节奏学习,其效果远优于传统教学。翻转教学这种主动学习的方式有利于计算思维的训练与形成,是培养计算思维很好的教学方式。
  4 开展线上和课内讨论
  为了在教学过程中实时进行辅导和组织预习,跟踪学习进程,鼓励学生提出学习中遇到的问题。笔者组织学生建立了C语言课程QQ群,将所授班级学生加入群内进行课程讨论,作为课堂教学的有效补充。学生不仅可以利用生活中的碎片时间观看微课视频,还可以将学习中产生的问题随时进行讨论。以往只有答疑课才能得到解决的问题,在群里就可以得到老师或同学的快速响应,真正成为学生手边的24小时课堂。笔者筛选出一些与程序设计以及目前计算机热点技术相关的知识在群里分享,学生可以有选择地阅读。
  为了让大部分学生都能参与到讨论中,将学生在群内讨论的活跃程度体现在平时成绩中,通过这种方式大大增强了学生自主学习能力和探究意识,持续提升学生学习计算机和C语言的兴趣,提高学生的信息素养。
  ?_展小组讨论是活跃课堂气氛,提高学生课堂参与度的重要手段。讨论小组一般根据学生上课时的座位随机划分,一般以相邻或前后座位的3~5名同学作为一个小组,选出一位组长负责讨论活动的组织和讨论结果的提交。C语言中关于选择、循环结构程序的设计、递归函数的调用执行过程以及结构体的定义、链表的插入和删除等内容都可以组织学生进行讨论。在实验教学中也可以采取分组的教学形式,以3~4位同学组成一个实验小组,就实验中的解题方法和调试问题进行讨论和互助,鼓励学生尽量自己解决问题。
  5 注重课程评价方式
  以往的C语言课程只在期末进行统一考试,这种形式不利于学生持续稳定的学习。我们对C语言的课程评价在学习的不同阶段以不同形式进行考核,增加了平时成绩的比重,使平时成绩和期末考试成绩各占总评成绩的50%。具体做法是保留原来的期中和期末考试,增加单元测验、随堂测验、课堂讨论和网上讨论成绩。单元测验一般采用上机考核形式,测验内容为基本语法规则的应用、程序调试和小程序的编写,考核学生对基础知识的掌握情况。随堂测验要求学生课前指定的时间内按要求编写程序,经过批改评分,逐一指出程序中的语法和逻辑错误,强化程序设计能力。教师根据检查结果及时调整教学计划和教学方法。讨论则根据课堂讨论和线上讨论的活跃度评定成绩。完成课程教学内容后,还增加了对问题求解能力的综合编程考核,要求学生在规定的时间内,给出求解思路,并编写程序解决给定的问题。学生最终成绩由上述成绩综合评定,客观地反映学生的学习过程和学习效果。
  6 结语
  在《C语言程序设计》课程中,通过理论教学和实验教学改革,引入微课、翻转课堂和讨论群等多元化的教学手段,以及课程评价方式的改革等举措,提升教学效果。笔者所授课程班级连续两年该门课程通过率100%,并有部分学生在全国或江苏省计算机等级考试中取得了优秀成绩。在学期末的综合程序设计中,大部分学生都游刃有余地完成了设计任务,并尝试在程序界面、系统运行效率和算法上进行改进和提高。实践证明,通过主动、有意识地将计算思维培养融入到教学的各个环节,不仅有利于学生理解程序设计的方式和方法,还有利于学生运用计算机学科的独特思维来求解专业问题,对提高学生的信息素养和创造性地解决问题起到了积极作用。

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