JAVA程序设计课程中计算思维能力的培养

周帆帆　张丽辉　高毅

摘要：为了更好的开设JAVA程序设计课程，针对现在教学过程中存在的问题，提出了在程序设计课程中融入计算思维的能力的培养，并将其作为教学的重点，从教学模式、教学内容、教学方法等方面对课程的改革进行了研究探讨，强调通过上机实践来培养学生的编程能力和计算机思维能力。

关键词：JAVA程序设计；计算思维能力；教学改革

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2014)26-6135-02

Abstract: In order to set up the JAVA?program designing course?better, in view of the traditional?problems in the process of teaching, put forward training into?the computational thinking?ability?in the JAVA program designing course,that as?the focus of teaching from the teaching content, teaching?method,?teaching mode to discuss?on?curriculum?reform, emphasis through the practice?to cultivate?students' ability of computational?thinking and?program design.

Key words: JAVA Program design ;Computational thinking ability; Reform in education

JAVA程序设计是高校计算机专业的必修课程，以其在项目程序开发中效率高、周期短的特点成为当今最流行的程序设计语言之一。该课程的目标旨在通过面向对象的程序设计方法，学会问题的解决方法和思路，找出可行的算法。通过计算机建模与编程，实现对问题的解决，最终培养学生对计算机的应用开发能力、实践创新能力及计算思维能力。

2010年《九校联盟（C9) 计算机基础教学与发展战略联合声明》就提出了要把培养学生的“计算思维”能力作为计算机教学的核心任务。[1]因此，如何在JAVA程序设计课程中将计算思维的基本理论和思维融入到教学过程中，加强算法的学习（即问题求解的思路和方法）与如何具体有效的利用计算机实现算法，成为了需要我们认真思考的问题。

1 JAVA程序设计课程的现状

JAVA程序设计课程的内容包括了程序语言知识和程序设计思想及方法两个部分，两个部分涵盖了程序设计语言语法、语义功能和意义；数据对象、流程控制；设计程序的过程、方法、技术等。但在现在的教学过程中往往有以下问题：

1) 教学模式以传统讲解理论知识，课后练习巩固为主，学生被动学习，缺乏创新意识，对程序设计的能力培养不够。

2) 教师只注重知识灌输，学生不能得到思维训练。

3) 学生能力水平不一致，在课程中又得不到计算思维的训练，面对问题束手无策，出现学习消极的现象。

4) 程序设计例题采用案例零散、关联度低，学生学会了语法知识但仍不知道怎样去运用，毕业后无法从事软件设计与开发工作。

实现中仅通过知识而忽略思维的训练对学生的成长是不利的。程序设计教学需要培养学生的思维能力，使学生在处理问题时，通过利用科学的思维方式对信息进行加工处理，以更好的应用到科学研究和生产中。当前在计算机学科领域内，将计算思维，理论思维和实验思维并构成了三大科学思维，美国卡内基·梅隆大学周以真教授就指出，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解，系统设计、人类行为理解等一系列思维活动。[2]因此要求在高校的计算机程序设计课程中要把计算思维的本质及概念加入到教学过程中。

2 JAVA程序设计课程的教学改革

2.1以培养计算思维为教学的重点

计算思维主要的一种求解问题的思维方法，在JAVA程序设计教学中要改变以前固有的以传授教材内容为主的教学过程，加强思维的训练。授课教师要以程序设计中的实际问题求解方法和过程为主导，将解决问题的程序语法知识有机、合理地融入，避免枯燥乏味的讲解与陈述。学生学习程序设计不是为了立即成为程序设计员，而是为了学习程序设计过程中分析问题的方法和解决问题的思路与方法。因此授课教师应循序渐进的引导学生接受知识。例如在符合认知规律的前提下，将面向对象中抽象的概念，复杂的程序结构等知识通过深入浅出教授给学生。教学设计过程中首先提出问题，给予学生思考，然后分析问题，让学生用面向对象程序设计的思想分析问题。对问题中涉及的类、属性和方法等进行抽象，接下来找出问题的解法，引出相关的概念和知识点，研究解决问题的逻辑方法，鼓励学生的创新尝试。最后转化为编程语言，将计算思维的训练贯穿于整个教学过程中，相信学生会容易接受这样的教学方法。同样通过长期在教学重点中加强培养计算思维能力，能够获得更好的教学效果，解决学生程序设计能力不足的问题。

2.2采用多种教学模式

JAVA程序设计基于面向对象编程思想展开，内容繁多，采用单一的教学模式不能满足教学过程中的要求。因此在JAVA程序设计教学中，应该采取基于计算思维的探索研究式、任务驱动式和自主实践学习式的三种教学模式。

1)基于计算思维的探索研究式教学模式

在整个教学过程中从教学问题的提出、问题的思考到确定问题的解决方案，授课教师仅起指导作用。学生通过探索研究方式进行学习，重点围绕教学核心问题展开，从而达到学习知识的目的。对于JAVA程序设计授课教师而言，事先备课需根据教学内容、教学方法、教学目标等设计难易度适中的问题。对于学生在整个学习过程中的各个环节都需要考虑计算技能与思维的使用方法。例如在讲解“迭代”问题时，教师自身的思维想法是无法直接通过讲述让学生理解的。因此在讲解时教师可通过设计一些小游戏或问题让学生来解决和思考，在提高学生学习热情的同时，让学生通过游戏或问题感知“迭代”的算法思想。这就是学生探索研究的过程，通过破解小游戏与问题，学生获取理解了知识，也培训了学生计算思维能力。

2) 基于计算思维的任务驱动式教学模式

在JAVA程序设计中要让学生准确理解面向对象的概念，最好的方法是设计任务驱动的教学案例。传统的教学过程中教师只负责提出任务，并关联、列举一些自然界的事物或日常生活中的例子对面向对象中的各种抽象概念进行讲解。学生往往认为这些例子和程序没有必然关系，导致学生也不知道教师的教学要让自己干什么，只需按教师提出的要求大概完成任务就可以了，至于任务实施过程中所采取的何种解决方法根本不考虑。因此要培养学生在完成任务时运用计算思维的方法，采取的方式就是在教师提出、实行和完成任务时有意识的运用计算思维方法设置任务。例如在介绍类、对象、属性和方法的概念及在程序中的作用时，引用学生关注的热门游戏的角色为任务案例。游戏角色分多个种类，每一类角色的武器、技能、魔法等就是属性，学生作为玩家在进行角色创建时建立的就是对象。这种讲解方法结合了计算思维的方法，不单单强调任务的完成结果，而是强调在任务完成的各个过程环节中如何用计算思维的方法去理解、分析问题，并最终解决问题。

3) 基于计算思维的自主实践学习模式

任何教师要加强对学生计算思维能力的培养，根据学生个体间的差异，打破传统填鸭式和灌输式教学理念，给予学生自主实践学习的空间。例如利用网络，教师可以在网络上开设自己解疑答题的网站，精心设计电子教案和教学课件，更新和完善教学资源，充分利用网络让学生自主进行实践学习。通过网络不仅可以弥补教学课时的不足，利用网络教学资源还可以高效的组织教学，将JAVA程序设计的算法思想和算法结构的详细讲解过程放到网络上，让学生根据自身情况有针对性的选择学习内容。同样，学生通过自主的实践学习，掌握了编程方法和技巧，就会进行思考，这也就给了学生一个自由发挥其想象力和创造力的空间。

3 通过上机实践加强计算思维的锻炼

上机实践是JAVA程序设计课程中的一个重要教学环节，通过上机实践不仅可以检查学生是否掌握了知识，还可以检查学生能否综合、灵活的运用知识。同时上机实践不单纯是动手的过程，也是动脑解决实际问题的过程，是训练和培养计算机思维的最佳途径之一。

学生的上机实践过程首先要求要理解题目，然后找出解题方法，并建立可行的数学模型；其次要设计程序的流程，用机器语言描述算法步骤，编写JAVA程序；最后还要调试运行程序，得到结果，并根据结果思考是否能优化程序或算法步骤。整个上机实践的过程重点就是学生自身的动手过程，通过有目的性的上机实践训练，就能培养学生养成良好的编程习惯，在编程过程中全面的应用计算思维能力。

4 结论

在JAVA程序设计中贯穿计算思维能力的培养，可以说是一种教学改革的尝试，其目的就是通过日常教学潜移默化地将计算思维方法融入学生的日常思维中，以培养适应现代社会需求的应用型计算机专业人才。

参考文献：

[1] 何钦铭,陆汉权,冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算机思维能力的培养——《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》解读[J].中国大学教学,2010(9):4-9.

[2] 周以真.计算思维[J].中国计算机学会通讯.2007,3(11):2-4.

[3] 陈国良,董荣胜. 计算思维与大学计算机基础教育[J]. 中国大学教育,2011(1):9.

[4] J.M.Wing.Computational Thinking[J].Communication of the ACM,2006,49(3):33-35.