計(jì)算思維為下的C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)

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摘要：分析計(jì)算思維對(duì)大學(xué)生的培養(yǎng)非常重要。本文提出C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程加強(qiáng)計(jì)算思維的訓(xùn)練，比單純講授知識(shí)更重要，將計(jì)算思維方法在課程教學(xué)中加以運(yùn)用，可以提高學(xué)生綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

關(guān)鍵詞:C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)；計(jì)算思維；教學(xué)研究

1引言

C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)課程是大學(xué)計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的入門(mén)課程。教學(xué)過(guò)程中存在一些問(wèn)題，如部分學(xué)生認(rèn)為難度很大、學(xué)習(xí)不感興趣等。為更好地了解實(shí)際情況，針對(duì)大一新生做了問(wèn)卷調(diào)查，結(jié)果如表1所示。表1顯示，新生中有接近一半在高中階段選擇文理兼修。他們的思維與純理科生存在一些差異。另外，在學(xué)習(xí)C語(yǔ)言的過(guò)程中，學(xué)生的主要問(wèn)題是如何能通過(guò)編寫(xiě)程序解決實(shí)際問(wèn)題。因此，在進(jìn)行C語(yǔ)言授課時(shí)，老師應(yīng)該更注重計(jì)算思維的訓(xùn)練。這比單純的講授相關(guān)知識(shí)更加重要[1]。如何把重點(diǎn)知識(shí)與計(jì)算思維相結(jié)合并進(jìn)行融會(huì)貫通，是值得思考的問(wèn)題。

2計(jì)算機(jī)思維

計(jì)算思維主要有算法思維和程序思維兩大分支。最初計(jì)算機(jī)采用“計(jì)算”這一概念時(shí)，就出現(xiàn)過(guò)“計(jì)算思維”這一常用名詞，也被稱(chēng)為“算法思維”，是將問(wèn)題轉(zhuǎn)換為從輸入到輸出的轉(zhuǎn)換過(guò)程。此時(shí)，計(jì)算機(jī)作為工具更多應(yīng)應(yīng)用在數(shù)值計(jì)算中[2]。周以真教授提出計(jì)算思維(ComputationalThinking)是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類(lèi)行為，其本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化[3]。很多專(zhuān)家學(xué)者認(rèn)為，計(jì)算思維是人類(lèi)應(yīng)具備的第三種思維。第一種思維是實(shí)驗(yàn)思維：通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察結(jié)果，發(fā)現(xiàn)、推斷與總結(jié)。這種思維強(qiáng)調(diào)觀察與歸納。第二種思維是理論思維:通過(guò)假設(shè)、預(yù)設(shè)來(lái)推導(dǎo)出定義、性質(zhì)、定理并且通過(guò)各種方法來(lái)證明其正確與錯(cuò)誤。這種思維強(qiáng)調(diào)推理和演繹。而計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)的是設(shè)計(jì)與構(gòu)造。它關(guān)注的是人類(lèi)思維中有關(guān)可行性、可構(gòu)造性和可評(píng)價(jià)性的部分。在當(dāng)前環(huán)境下，理論與實(shí)驗(yàn)手段面臨著大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理，不可避免地要應(yīng)用計(jì)算手段來(lái)輔助[4]。人類(lèi)的思維方式與機(jī)器不同。人在解決某個(gè)問(wèn)題時(shí)，一般會(huì)尋找某種公式來(lái)快速解決。人類(lèi)求解的方式，希望有較小的計(jì)算量，只需要根據(jù)數(shù)學(xué)公式或經(jīng)驗(yàn)，就能找到相應(yīng)的答案。但是計(jì)算機(jī)需要按照指令完成相關(guān)工作。人類(lèi)要根據(jù)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)，遵循計(jì)算思維，設(shè)計(jì)一定的算法來(lái)進(jìn)行求解，這就要求按照計(jì)算思維的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如求解12和18的最大公約數(shù)的問(wèn)題。人類(lèi)往往能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一眼就判斷出答案是6。而計(jì)算機(jī)卻沒(méi)有這個(gè)能力，需要設(shè)計(jì)一些算法來(lái)解決。第1種方法是枚舉法。這種方法的求解過(guò)程，規(guī)則可能很簡(jiǎn)單，只要把滿足條件的結(jié)果都列舉出來(lái)，逐個(gè)測(cè)試，但是計(jì)算量很大，需要循環(huán)多次。求最大公約數(shù)的步驟為：（1）設(shè)變量i為1；（2）如果a和b都能被i整除，則記下這個(gè)i；（3）i加1，重復(fù)第2步，直到i等于a或b；（4）記下最大可以整除的a和b的i，就是最大公約數(shù)。第2種方法是輾轉(zhuǎn)相除法。這種算法效率較高，但是對(duì)于人們來(lái)說(shuō)不易理解。其步驟如下：（1）如果b等于0，計(jì)算結(jié)束，a是最大公約數(shù)；（2）否則，計(jì)算a除以b的余數(shù)，讓a等于b，b等于那個(gè)余數(shù)；（3）回到第1步。通過(guò)上述比較可以看出，學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程，掌握計(jì)算思維，遵循計(jì)算機(jī)思考的方式來(lái)解決問(wèn)題，是一種非常重要的能力。

3基于計(jì)算思維的教學(xué)

將計(jì)算思維能力的培養(yǎng)貫通在C語(yǔ)言教學(xué)中，有目的地培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計(jì)算思維解決平時(shí)學(xué)習(xí)遇到的問(wèn)題，以達(dá)到提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。（1）將語(yǔ)法融入問(wèn)題的求解中。從實(shí)際應(yīng)用案例中抽取教學(xué)要素。從算法的維度，將迭代、枚舉、遞歸、分治、排序等算法融入實(shí)際問(wèn)題的求解過(guò)程，讓學(xué)生在潛移默化中提高計(jì)算思維能力[5]。例如，可以利用韓信點(diǎn)兵的案例，融入的知識(shí)點(diǎn)包括邏輯運(yùn)算符和break的使用，同時(shí)將枚舉法的算法思想引入教學(xué)中。這樣可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識(shí)的同時(shí)訓(xùn)練計(jì)算思維。如何將一個(gè)具體的問(wèn)題進(jìn)行抽象是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。韓信命令士兵5人一排，結(jié)果多出3人。命令士兵7人一排，結(jié)果多出6人。命令士兵11人一排，結(jié)果多出4人。提出韓信的兵人數(shù)滿足什么條件？在計(jì)算機(jī)中如何表達(dá)出人數(shù)的條件？引出邏輯運(yùn)算符，于是韓信點(diǎn)兵的人數(shù)使用C語(yǔ)言寫(xiě)出表達(dá)式為i%5==3&&i%7==6&&i%11==4。然后引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)思考如何應(yīng)用計(jì)算機(jī)C語(yǔ)言來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。提出利用計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，讓它來(lái)逐個(gè)檢驗(yàn)。檢驗(yàn)的范圍在500----1000之間，使用循環(huán)語(yǔ)句可以解決這個(gè)問(wèn)題，進(jìn)而引出枚舉法的思想。枚舉法是計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題很擅長(zhǎng)的方法。利用運(yùn)算速度快、精確度高的特點(diǎn)，能對(duì)解決問(wèn)題的所有可能情況一個(gè)不漏地進(jìn)行檢驗(yàn)。枚舉法應(yīng)用廣泛，學(xué)生掌握這種方法，可以舉一反三，求素?cái)?shù)、閏年等很多情況下可以都使用。這種思想對(duì)計(jì)算思維的理解，對(duì)以后的學(xué)習(xí)和工作都有很好的幫助。（2）采用圖示化方法。將復(fù)雜的思維來(lái)進(jìn)行描述，可以讓學(xué)生對(duì)所接受的問(wèn)題一目了然。對(duì)于復(fù)雜的問(wèn)題，可以先通過(guò)規(guī)模較小的問(wèn)題求解。（3）通過(guò)OJ平臺(tái)在線訓(xùn)練學(xué)生的編程能力。通過(guò)不斷做題，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，挑選經(jīng)典的問(wèn)題，用經(jīng)典的算法進(jìn)行求解，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

4總結(jié)

在C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教學(xué)中，將計(jì)算思維的培養(yǎng)作為教學(xué)的重要指導(dǎo)思想來(lái)促進(jìn)授課方式的改革，勢(shì)在必行。在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生使用計(jì)算思維來(lái)求解遇到的問(wèn)題有助于能力的提高，有助于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力。當(dāng)學(xué)生具備一定的計(jì)算思維能力后，需要舉一反三地解決所遇到的問(wèn)題，將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通，以達(dá)到事半功倍的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]趙美利,牛曉峰.師范類(lèi)計(jì)算機(jī)課程體系與計(jì)算思維的培養(yǎng).貴陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,11(01):78-80

[2]王梅娟,李輝,韓敬利,鄭長(zhǎng)友,蔣園園.基于計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革研究與實(shí)踐.計(jì)算機(jī)教育,2020(03):59-63

[5]揭安全.高級(jí)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)—基于計(jì)算思維能力培養(yǎng).北京:北京郵電出版社,2015

作者：胡華 王瑩 單位：棗莊學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院