设计类方面论文例文,与将计算思维融入程序设计课程的教学方法相关函授毕业论文

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摘 要 ：以湖南大学c++程序设计教学为例,阐述将计算思维融入程序设计课程的具体实施方法：从理论教学到实践教学,从授课案例到日常评测.全方位引入计算思维的教学方式可以明显提升教学效果,有利于培养学生探究问题和求解问题能力.

关 键 词 ：计算思维；教学实施；程序设计；交叉评阅

0 引言

程序设计类课程,是工科专业的重要基础课程之一,是本科高年级和硕士阶段许多专业核心课的验证与研究工具,且对学生在计算机科学思维方式的培养,以及对未知问题的分析、对解决方案的探究与比较等多方面能力的训练都具有良好的促进作用.同时,作为专业基础课,程序设计课学得好不好、学得是否愉悦,对本科生的后续学习在心理上和学习习惯上均有不容小觑的影响.然而,程序设计课程在国内外的大学教育中均存在不少问题,例如,实践上机操作和理论授课之问如何相辅相成?如何根据学生特点尽可能地因材施教?如何引导学生合理利用网络上的学习资源和参考资料?诸如此类的问题绝非某些国家或某些学校在教学中面临的个别问题.

自2006年计算思维的概念首次明确地由周以真教授提出后,对计算机教育领域产生了重大的影响.像计算机科学家那样思考,让计算思维真正融入生活,接受了计算思维的学生可以运用计算机科学的思想和方法求解问题、设计系统和理解人类的行为.计算思维以求解问题的途径为主要诉求,涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动.因此,计算思维的培养在现代大学教育中日益受到认可与重视,以培养计算思维为目的或融合计算思维的各种研究和课程改革在国内外的各阶段计算机教学中以多种形式展开.

虽然不能将计算思维狭隘地理解为计算机编程,但是程序设计的思维过程却与计算科学的思维方式及其吻合：接受问题→分析问题→寻求解决方案→比较解决方案→实现解决方案,只是这里的解决方案是借助高级程序语言来实现的.因此有意识地将“计算思维”融入程序设计课程的教学实施是确实可行的,也是必要的.笔者以湖南大学c++程序设计课程为例,列举了若干具体教学实施方法,并对相应问题进行了探讨.从教学效果看,显著提升了学生在程序设计方面的学习积极性,计算思维在潜移默化中被学生接受和应用,挖掘了学生的潜能,提高了学生的程序设计能力和分析解决问题的能力.

1.课程如何开始

一门程序设计课程如何开篇?传统上一般从语法入门开始.虽然语法是程序语言的基础,但目前国内高中计算机课程普及率较低,多数本科低年级学生难以理解和接受程序为什么要这样写?入门困难使得后续教学受到明显的负面影响.文献[4]提出“2%障碍”一说,即程序设计类的理论课堂上大略只有2%的学生能和教师的讲授内容产生同步共鸣.

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C++之父Bjane Stroustrup指出：不需要在知道了C++的所有细节之后才能写出好的C++程序等请特别关注程序设计技术,而不是各种语言特征.我们选择在教学实际中学生最困惑而对c++语言而言最基本的概念解读作为课程开篇内容.

中国古语“人以群分,物以类聚”,按照类和对象的方式认识世界正是我们无意为之的认知方式.我们刻意弱化c++的语法细节,着重引导学生以类的概念认识和描述自己周遭的事物,以开放性的话题——“请描述自己的手机”作为第一节课的内容.以下是一个学生首次描述自己手机的实录：“我用的手机是一部国产的魅族MX2,购买于2013年初,内存16GB,表面是黑色,触屏,电容屏,分辨率较高,智能手机,可以打、上网、听歌、拍照、游戏、导航、发短信、闹钟等”

这样的描述在学生最开始的表述中具有代表性：条理比较杂乱,语言组织性欠缺.这正是缺乏计算思维训练,未知自己认识过程的“原生态”表述.只要做适当的引导,学生就能立即表现得很好.在前述描述的基础上,要求学生按照手机的外在属性和功能,以及“看得见的”和“看不见的”的分类重新组织内容,学生的描述演变为：

外在属性：品牌是魅族；颜色是黑色；外形是直板矩形；屏幕尺寸为4.4英寸,触屏；分辨率是1280×800像素等

功能：打、上网、发短信、闹钟、导航、游戏、手写输入、记事本等

“看得见的”包括：屏幕、power键、音量调节按钮、耳机孔、话筒孔、摄像头等

“看不见的”包括：天线、内存、电路、电池、无线传输带宽等

教师可以明显看到这一次的学生描述,虽然仍不尽完美,但基本上暗合了类与对象的属性和行为的概念.据此,教师逐步展开讲授c++中的属性和行为概念,渐渐地将对象与类及其类层次等基础概念进行对应讲解.以学生为主体、教师适当引导的反馈递进式学习过程如图l所示,其中步骤②可能会反复迭代进行多次.在最初的2-4个学时,让学生以相对轻松、自然的方式认识C++基础概念的精髓,让学生在心理上对这门课程有了一个很好的接受度,为本门课程之后的学习打下较好的基础,形成良性的心理优势.

这种课程开篇方式,正是计算思维对学生润物细无声的影响.概念化是计算思维的基本特征之一,其侧重抽象层次上的思维.抽象层次的认知不可能一蹴而就,课程最开始就引入抽象性的概念,其基础性正如程序设计的基石.为了让抽象的概念具体化,让学生从自己所熟悉的东西开始,契合了计算思维所具有的“是思想而非人造品”的特性,将日常生活的实例映射到c++的基本概念,学生解除了之前“程序设计课程就是学程序语言语法”的误解,开始思考“这门程序语言能解决我可能会遇到的什么问题呢?”相较于传统以语法开篇的授课,学生表现更为积极主动,且学生对程序语法的学习也会带着问题有备而来,后续教学效果提升明显.

2.从自然语言到程序语言

计算思维作为人类求解问题的途径之一,绝对不是让人如计算机那样思考,而是应用计算机的能力去解决各种需求产生的问题.我们将这个思路持续贯彻到教学的全过程.

在一定规则下使用自然语言描述问题,再引导学生将自然语言“翻译”成程序语言.例如,在类继承层次知识点的教学中,让学生按照某种既定的分类层次,描述一个两层以上的分类结构.这项半开放性的练习在“继承”一章的第一节理论授课后作为课堂练习来进行,由于刚刚讲授了继承的基本概念,且是任由学生随意选择符合逻辑的类层次例子,学生写起来驾轻就熟,表现力丰富.例如,图2所示是某位学生的类层次实例描述实录. 图2即为植物学领域的实际分类结构,可见c++的类层次与现实世界中人类认知事物的分类层次的吻合度甚高.学生还需要描述各类的基本属性和功能.再要求学生将前述自然语言描述的类继承层次“翻译”成c++程序语言的表述.

在“翻译”阶段通过教师引导,学生逐步将共有属性、特有属性、继承特性在编程中“将理论映射到实践”.由于继承层次实例是自己表述的熟悉或感兴趣的内容,所以学生写起代码颇有自信,且力图表现得最好,诸如派生类对继承类的功能的重定义等后续问题在练习中由学生自己发现并引发讨论,从其后续相关章节学习效果和平时小测结果来看,这种学生自拟内容的“翻译”式实例分析练习要优于传统的教师拟定典型继承实例进行讲解再由学生验证演练的方式.

上述启发式的教学让学生在不确定的条件下来分析确定问题并寻求解决方案.这种练习只要稍稍进行一点变化,还能进一步丰富其内容,如学生之间交换实现从自然语言实例描述到程序语言的“翻译”,再由实例描述人来评价程序语言实现者的工作成果,无形中融入了软件工程的基本思想和过程.整个教与学的过程互动频繁,学生易于接受,为后续更加抽象的多态内容的教学打下了良好基础.

3.“非一致”实践课程安排

程序设计离不开编程实践,通常除了课后的实践练习之外,只要有条件,程序设计课程会为学生配备统一的实践（上机）课程.如何安排实践（上机）课程才能使学生更自主、独立、有效的练习一直是程序设计类课程的教学实施所关注的关键问题之一.

“面向所有人”的计算思维让我们关注学生的个性.每个学生都有其个体特点,在学习习惯、学习兴趣和学习方式上各不相同,只有适不适合自己而没有绝对的优劣之分.我们在c++程序设计课程配备的实践（上机）中,安排内容和要求契合了上述的“非一致性”——每一次实践都安排不同难度权值的题目：必做题、升级题以及挑战题.其中必做题是基于理论授课内容的基本考核,是每堂实践（上机）课学生必须完成的内容；升级题则是在理论授课的基础内容上增加一定难度或略微超前学习内容；挑战题则多是趣味性和难度性进一步提高的练习.鉴于学生解决不同难度权值的题目可能付出努力的差异,不同难度权值的题目设定不同的分数权值.不同接受程度的学生可以按照自己的个体需要进行选择：一方面保证必做题在所有学生中得以完成,使得基本教学内容能最广泛地为学生所接受并检验；另一方面,学生普遍具有的“追求更好”的积极诉求,在这种隐形竞争心理下,推动升级题和挑战题被尽可能多的学生尝试完成.

由于要求学生尽量在3学时内完成当次实践练习,所以每次实践（上机）的练习题量和综合难度教师要仔细把握,求质而非求量——因为尚有课后作业可供学生反复练习,但是每次的实践（上机）题都包含前述3类.综合两届3个专业学生的平均情况,实践（上机）题目的完成情况统计如图3所示.

图3所示二维折线图中的横坐标表示实践次数,纵坐标表示完成题目的学生数量占学生总数的百分比,用以衡量实践题目的完成度.虚线表示传统的使用无难度区分的实践（上机）完成情况,实线、点划线和虚点线分别表示有阶梯式难度差异的“非一致”实践（上机）安排中必做题、升级题和挑战题的完成情况.为了对比效果,传统实践安排和“非一致”实践安排在题量上相当.随着教学内容的深入,题目的难度随之增加.由图3可知,基本必做题的完成度稳定在100%,而升级题随着难度的增加,第二次的完成比例较第一次下滑厉害,但是从整个学期的实践来看,升级题的完成度除了中间某一次实践题目内容略超前导致完成度暂时下滑外,基本在后半学期稳定在70%左右,挑战题完成比例更是接近并稳定在30%上下.尽管平均来看,非一致性实践题目的完成百分比与传统的“完全与理论内容并行、验证式”的实践完成百分比（约60%）相近.但是从折线图的走势来看,由于重复练习和题目数量设计等原因,传统实践题完成百分比随着学习内容的难度增加明显呈现下行趋势；而“非一致”实践（上机）练习的完成百分比却似乎未受学习难度的影响,呈现明显的上升趋势,且学生整体的分析解决问题的能力、自由自主的学习能力和竞争意识的提升得到了巨大的提升,这从实践课的积极活跃气氛上看亦是表现无遗.

4.评测中的交叉评阅

课程的教学可能会延续16周,这期间需要检验阶段性学习效果,才能对后续的教学进行益于学生的调整,并可针对反映出的薄弱环节进行巩固.日常作业和随堂小测是检验阶段性学习效果的基本方法.然而,不论是国内还是国外,程序设计课程练习的一个普遍存在的问题就是原创性不足.有研究指出可能有近50%的学生作业或参考网络,或参考其他学生的作业.这一方面是由于程序设计练习本身的特点使抄袭非常容易,同时,随时随地可接入网络的便利性以及当今网络信息的丰富度,使得学生可以比较轻易地从网络获取所需答案.

虽然国内外有各种人工或自动的作业检查/查重系统来控制抄袭情况,但在教学实际中发现让学生参与到日常评价中来,即学生间进行交叉评阅,可以很好地促进日常练习的原创完成.交叉评阅的具体实施方法为：以自然班为单位,班级问进行作业（或小测）的交叉评阅.例如,若有3个自然班,那么A班学生评阅B班的作业,B班评阅c班的作业,c班评阅A班的作业,所有评阅都是实名制进行,评阅结果最终返回到作业完成人.

能够堂而皇之地看到别人的作业,还能对其评分,学生都跃跃欲试,90%以上的学生评阅都相当认真,从编码规范性、交互性、程序设计阶段性及最终结果与要求的吻合度等多个方面进行了点评.在交叉评阅过程中,学生不仅能评分,还能对比自己的完成情况,指出所评阅作业的问题,并给出解决意见,或者发现别人优于自己的地方.交叉评阅之后的作业仍需返给教师.教师通过适时讲评,总结作业和交叉评阅的问题.

通过交叉评阅,学生能直观、及时地发现自己的不足,而由同龄人所给出的意见更易被接受,并自然地将学生日常讨论的圈子从同寝之间或同班的有限几个好友之间扩展到同时学习本门课程的同学之间,在2～3次的交叉评阅后即发现跨班、跨专业的讨论比比皆是,交流的增加使学生能直面自己的不足与优势,对增强自信、自我鞭策很有效果.对比未使用交叉评阅和使用交叉评阅的班级整体学习效果,经过交叉评阅的学生其学习积极性、自主『生都有显著提升.

5.结语

计算思维的明确提出获得了全球教育界的认可与支持,深刻影响着从小学到大学的各个教育阶段[”.我们结合湖南大学c++程序设计课