基于产出导向程序设计课程计算思维的培养探讨

王若龙

（濮阳市食品药品信息中心，河南 濮阳 457000）

0 引言

程序设计是计算机类专业的重要课程之一，以程序设计为主要目标，涵盖数据存储、编程软件的运用及程序实现等内容。对于计算机科学，计算思维是基本素养。从程序设计课程教学中可知，计算思维是关键能力。结合计算机技术及应用，了解和掌握计算机的思维方式，对于设计高质量的软件程序至关重要。所谓计算思维，可以解释为运用计算机科学来求解问题、设计系统和理解人类的行为。产出导向理念（Outcome Based Education,OBE）打破传统教学“重知识、轻能力”格局，关注学生自主学习意识的激发，引入工程教育专业认证体系，注重学生间的合作与交流，变革教法，启发学生的计算思维，面向科学评价，持续提升课程教学质量。为此，计算机专业学科教育要重视学生计算思维的培养，指向计算思维，运用产出导向理念，改革现有程序设计课程教学模式，促进高校工程教育质量的全面提升。

1 计算思维在程序设计课程中的应用必要性

1.1 计算思维

周以真教授认为，计算思维是一种借助于约简、嵌入、转化、仿真等方法，将看似难以解决的问题，重新阐述为能够被解决的一种思维方法。计算思维，关键在于抽象和自动化，提炼重要内容，删去不重要的细节，借助于计算机自动化运作系统，解决实际复杂问题。教育部高等教育司《关于开展新工科研究与实践的通知》（教高司函〔2017〕6 号）中，将“工程教育”理念作为新工科课程改革的指导新思想。计算思维以科学计算为指导，重视逻辑、抽象、推理、综合。

1.2 程序设计课程中的计算思维

在程序设计课程体系中，计算思维具有不同的层级特点。在计算表示层，主要完成对数据的存储方式、数据的描述与表示，如字符集、数据类型、变量、数组、指针、类或对象等；在计算处理层，主要实现程序的控制与数据的操作，包括程序设计的基本规则和方法；在计算分析层，主要包括算法分析、结构化程序设计，面向对象设计思想等；在计算实现层，主要包括对算法的实现、算法程序的表示，调适与验证程序的稳定性等；在计算优化层，通过时间复杂度分析、空间复杂度分析，优化程序设计流程和方法。在计算思维与程序设计课程融合中，要把握适度原则，避免过度强调程序设计的繁杂语法和规则、限制学生思维的主动性和能动性。培养计算思维要结合课程内容，启发学生关注复杂问题的分解与解决，提高学生综合素养和程序设计专业能力。

2 计算思维在程序设计课程教学中的实施关键点

程序设计课程作为计算机专业基础课，包括数据存储、数据表示、数据处理、程序设计、程序实现和程序优化等内容。因此，强调产出导向理念与计算思维的培养，在程序设计课程教学中需要把握3 个方面。

2.1 强调学生个性差异，把握任务设计分层性

知识灌输、一刀切的无差别育人模式，既会抑制学生的创新意识和创造力，又不利于计算思维的培养。结合学情，了解学生的认知、起点、学习需求，强调“因材施教、能者多学”原则，设置分层次、有梯度的学习任务，让每个学生的能力都能够获得提升。

2.2 突出学科特点，强调任务设计真实性

在程序设计课程中，要明晰课程特点，体现学生专业技能的培养。增加实践性课时，特别是引入真实项目或任务，鼓励学生分工协作、合作探究、归纳总结，提升其程序设计综合能力。

2.3 强调能力养成，关注评价的科学

传统教学目标以“了解”“理解”“熟悉”“掌握”等为要求，考核学生的能力缺乏量化，导致教学效果不理想。据调研，很多高校程序设计课程缺乏明晰、准确、完善的考核评价体系。应立足计算思维，细化评价内容，着力培养学生利用计算机程序设计解决实际问题的能力。在评价上，要启发学生发现、分析问题，寻求不同算法，激活学生思维；通过算法比较，增强学生自觉意识。鼓励重构问题，培养学生思维的深度。

3 产出导向下计算思维融入程序设计课程教学的措施

落实工程教育专业认证培养理念，以学生为中心，以产出为导向，从人才职业需求和必备能力方面“反向设计”课程教学模式，突出基本知识、专业技能、综合素质的协调发展。

3.1 确立工程教育认证，明晰程序设计课程目标

在产出导向理念下，对于程序设计课程育人目标的设定，要明晰“具备解决复杂软件工程能力”的人才定位。程序设计本身具有多种学科交叉、综合性特征，对数学、自然科学等知识的学习，要体现学生计算思维的培养，能够结合程序设计具体实践问题，优化程序设计语言的表示方法，顺应程序设计模块结构特点，通过抽象、归纳、递归、回溯等算法设计，获得自上向下的程序设计思路。计算思维的培养，通过对程序设计目标、程序编写过程、程序执行、验证与调适分析，解决具体问题。注重程序语言规范、程序算法的表示、程序设计方法的掌握，更要能够衔接软件工程领域，提高学生在编程中养成必备的职业素养，如合作意识、团队精神，具备多学科背景下的程序设计编程能力，能够结合编程项目，展开自主学习、自主探究，适应软件行业人才发展需要。教师在关注程序设计课程教学时，要确立“具备解决复杂软件工程能力”的人才目标，以产出导向为指引，对教学各个环节进行优化和变革，提升软件人才综合素养。

3.2 树立自主学习意识，提高学生计算表示与处理能力

程序设计课程涵盖的知识点、程序设计规则与算法较多。要想实现正确的程序输出，就需要做好数据的表示和处理。在教学中，针对过多的讲解程序规则、算法等内容，学生反而会被这些知识点所束缚，导致计算思维受限。程序设计课程可以让学生自主认识相关规则和算法，自主体认程序设计的数据表示和处理方式，培养学生的计算思维。要将自主学习融入程序设计各个环节，要强化学生自主学习意识和能力。例如对于常量、变量的讨论，与数据二进制存储有关，如果围绕二进制展开知识点讲授，学生依然存在搞混现象，教学效果不理想。应给予学生自主学习的机会，让学生自己去探索和感知二进制补码存储的规律。教师通过有效的引导，化解学生学习中的疑难问题。参照产出导向理念，根据程序设计教学目标，要引领和启发学生主动进行自主学习，如在任务设计与布置中，结合学情，鼓励学生自主学习。针对结构体知识的讲解，安排学生在课下学习“共同体”“枚举类型”，引入作业，让学生对自己的学习成效进行考核。程序设计课程非常适宜学生半自主学习，由师生协同，整合课程学习资源，鼓励学生持续改进自主学习模式。随着学生学习能力的提高，教师要减少干预与监控。同样，注重因材施教，结合学生自身学习兴趣、方向，拓展其知识面，提升学生解决复杂工程问题的学科能力。

3.3 突出协作与交流，增强学生计算分析能力

程序设计课程教学中有结构化分析方法、面向对象分析方法等。考虑到程序设计的教学效率，教师要注重学生间的合作与交流，鼓励学生以团队形式参与分组讨论，共同提升计算分析能力。一般情况下，团队教学模式有三种。第一种是以分块协作为主，将一项复杂的程序设计任务分解为若干模块，团队各成员相互协作，各自完成相应的模块。第二种是主辅协作，由能力强的学生与能力弱的学生合作，对任务进行难易度划分，各负其责。第三种是结对协作，围绕程序设计任务，引入角色互换方式完成合作。不同协作方式的应用要与课程实际相联系。每个人在面对程序设计任务时，其思维意识、思维能力是有限的。引入小组合作，发挥团队的力量，有助于学生从思维碰撞中形成计算思维与分析能力。比如，对于一个数，通过素数因子乘积的方式来表示这个数。很多学生在分解该数时，会采用双重循环程序结构来实现。利用外循环，穷举因子；利用内循环，判断该数是否为素数。这一设计思路，看似没有纰漏，但少数学生在对素数因子进行分解时，无须再判断其是否为素数。也就是说，利用单循环结构即可解决该问题。通过学生分组探讨，能够开阔学生计算思维的视野，在遇到程序设计等问题时，多鼓励学生团队协作，从不同想法的碰撞中激发计算思维，提高学生程序计算分析能力。

3.4 善用启发教学，提高学生计算能力

计算思维的培养，要强调学生计算实现能力的获得。在教学过程中，教师要善用启发式教学，引领学生展开思维训练。在程序设计课程中，针对知识型问题，可以将知识嵌入程序设计，分析程序，体认知识。比如，对逻辑运算符的使用，很多学生在程序设计时，易犯错误集中在逻辑与左侧表达式值为“0”，或者逻辑或左侧表达式值为“1”时，右侧表达式不再执行。教师利用具体程序，让学生通过执行程序，对比执行结果，反思该知识点，促进学生对逻辑运算符的正确理解。对于分析型问题，教师要突出学生思维的发散。对程序流程的控制，程序设计的流程，有顺序结构、选择结构、循环结构等。对于顺序结构，在不使用中间变量条件，交换两个数的方法。形如“a=a+b；b=a-b；a=a-b”。运用编程语句，如何来交换两个数，启发学生去体会顺序结构的数据流向，帮助学生掌握顺序结构的编程方法。同样，对于选择结构，可以从最大公约数的求解方法中来验证。对循环结构，可以通过除法运算实例，加深学生对程序流程的控制。计算思维在培养中，要注重问题的递进性。例如“百钱百鸡”问题，利用三重循环，将公鸡、母鸡、小鸡的数量控制在“0～100”之间，每次累进“1”，穷举所有情况。对于该设计思路，请同学们思考：是否需要对三重循环的常量都设定为“0～100”，是否需要每次都累进“1”，是否必须用“三重循环”来实现。鼓励学生拓展思维，优化程序设计算法，以便提高程序运算效率。在计算思维培养中，学科知识的交叉与融合，面对程序设计任务，不能孤立地看待问题，要结合多种学科知识，强调学生数学思维分析能力的养成。数学思维为计算思维创造基础，程序设计中的计算思维很多情况需要转换为数学方式来完成，如合数的分解，从“2”开始，直到合数的平方根结束，作为循环判断的是否整除的条件。

3.5 重视实践编程，提升计算验证与优化能力

产出导向下，程序设计课程教学要归结于对实际问题的解决。结合程序设计课程，引入具体的编程项目，让学生能够参与编程，对程序进行验证、优化，提高程序设计的正确性、可行性、高效性。在程序设计中，对所编程序需要进行调试、验证。如何选择调试工具，如何验证程序的合理性，如何结合错误提示来改进和纠正程序内容，如何设置程序运行断点，如何利用单步执行来分析程序中变量的合理性等等。通过编程实践，对程序进行输出结果调适，再反过来优化编程方法，如对于“N 个字符串有序输出”任务，需要明晰字符串的存储方式，设定字符串的排序过程。对于不同字符串，根据其长度不同，可以选择不同的存储方式，如静态数组，需要预先定义数组的大小；对于引入多个变量来存储字符串，可能影响程序的可读性。对字符串的排序，从字符串大小比较、交换位置中，可能会带来运算效率问题。因此，引导学生利用指针数组，利用交换数组元素，而不交换字符串，能够实现算法的优化，提高学生编程设计优化能力。

4 结语

计算思维的培养具有长期性、渐进性特点，要融入程序设计课程教学全过程。重视产出导向理念的指导，从程序设计基础知识、编程项目实例开发中，完善教学评价，增强学生自主学习、团队协作能力。将计算思维与数据分析处理能力协同起来，让学生能够融入计算思维，关注问题的解决过程，为后续课程学习奠定基础。