基于计算思维的C程序设计教学实践研究

1、    基于计算思维的c程序设计教学实践研究    摘  要：文章源于教育教学实践，通过对计算思维起源做了简要阐述，并选择了计算思维的核心要素：抽象和自动化;从洞察思维过程层层细化、问题需求层层拓展、解决问题算法层层深入等三个方面着手，通过线下课程细节，如数值的比较、数组的引入、素数算法等展现在c语言程序设计课堂中如何将计算思维有效融入，如何开展计算思维融入程序设计课堂教学的实践研究。關键词：计算思维;程序设计;算法：tp312;g642     ：a ：2096-4706（2020）04-0105-03abstract：b

2、ased on the practice of education and teaching，this paper briefly expounds the origin of computational thinking，and selects the core elements of computational thinking：abstraction and automation;from three aspects of insight into the process of thinking layer by layer refinement，problem demand layer

3、 by layer expansion，problem-solving algorithm layer by layer in-depth，through offline course details，through the comparison of numerical value，the introduction of array，the prime number algorithm and so on，it shows how to effectively integrate the calculation thinking into the c language programming

4、 classroom，and how to carry out the practical research on how to integrate the calculation thinking into the programming classroom teachingkeywords：computational thinking;programming;algorithm0  引  言自周以真提出计算思维后，以计算思维为导向的教学改革在国际上悄然兴起，我国2017年推出的普通高中信息技术课程标准（2017年版）已将计算思维作为信息技术学科的核心素养之一。目前，学术

5、界尚未在计算思维的内涵、教学内容、教学工具、测评工具等方面达成相对统一的共识，但多数学者认为计算思维的本质核心是抽象和自动化。抽象是把现实问题的核心抽离出来的过程，关注现实对象的本质特征;自动化是指计算过程在现实系统运作中的所采取的表现形式，如何有效地高效地自动化是计算思维的重要问题。自上世纪80年代，全国各院校相继开设了计算机相关课程。c语言程序设计作为一门必修的入门课程，被广泛采用。基于“计算思维”的c语言课程教学模式，将不再偏重语法，而是将重点放在思维训练上，课堂上以问题求解为核心。教师的授课重点放在问题求解思路、算法和程序实现上。以计算思维为导向的教学改革，根据汪红兵等的提法，分析和梳

6、理了c语言程序设计各章节知识点及其对应的计算思维培养点，“程序是对实际系统的抽象，c语言程序开发过程是对系统建模的过程，算法过程体现了计算思维的自动化”，比如说，数据类型是实现抽象的载体，c语句是自动化实现的基本单位，函数体现了模块功能的抽象，控制结构是对问题求解步骤的抽象和自动执行单位。笔者根据c语言教学经验总结，尝试基于“洞察思维、问题需求、解决算法”三部曲，将计算思维融入程序设计课堂，进行计算思维融入c程序设计课堂的初探。1  洞察思维层层细化在c语言教学的第一节课，笔者提问了学生们两个问题：“你们知道计算机是如何思维的吗”“你们知道自己是如何思维的吗”，面对着两个问题，同学鸦

7、雀无声。一方面可能还不理解思维是什么，另一方面思维的确难以言表。笔者在课堂上做了个实验，在屏幕同时展示随机10个自然数（比如3、7、12、24、8、21、20、5、16、13）后，然后请同学们迅速说出最大值和最小值，同学们立刻异口同声说出了最大值24，最小值3。这时继续提问上面的问题，换了方式，“你们怎么得出最大值24，最小值3”，同学们依然欲言又止，对于在10个数字中找出最大值和最小值，对于他们来说是显而易见的事;然后在屏幕上继续同时展示了100个随机自然数，请他们说出最大值和最小值，此时同学们有点困惑，随着时间慢慢过去，报出来的答案参差不齐;接下来又给同学们依次展示100随机整数，展示完就

8、要求得出最大值和最小值，这次同学们在最后一个数字出现之后，便再一次异口同声地报出了正确结果。通过上面的例子，说明在一些简单问题上，很容易忽略具体的思维过程。然而让计算机通过程序设计来解决的实际问题，往往是简单问题的巨型化。上述案例说明了计算机如何比较多个数中的最大值和最小值，其本质就是数值的两两比较，对于微小数据量的比较，人类往往忽视过程，当出现较大数量级的时候却有时手足无措。正如周以真指出：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计和理解人类行为，是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，将一个看来困难的问题重新阐述成一个我们知道怎么解决的问题。为此在c语言程序教学中，对于经典的程序

9、算法等，需要引导同学剖析思维过程，比如质数的算法、水仙花数的算法等。2  问题需求层层拓展通过对问题需求层层拓展，帮助学生建立已有概念的知识链，达到巩固已有知识和引入新知识的目的，实现优化抽象建模和自动化水平，发展计算思维水平的目的。例如在数组的教学引入中：设计一个程序，输入要求某班10位同学某门课程的分数，最后打印出总分。根据学生们已有的知识和编程技能，很容易建立抽象模型int score=0; /存储分数的变量，long sum = 0l; /总分数，float average = 0.0f; /平均分;以及实现自动换解决方案：for（int i=0;i<10;i+） pr

10、intf（"enter score："）;scanf（"%d"，&score）;/从键盘读入一个分数sum += score;/将读入的分数加到总分数里面此时教师对实际需求进行第一次拓展，形成与已有解决方案的冲突，要求同时输出10位同学的最高分和最低分，引导学生深入思考，发现该方法只保留了最后一个学生的分数。因此，如果在此程序的基础上继续求最高分和最低分是行不通的。此时，同学们重新建立抽象模型和优化自动化过程，应用到了数值比较大小的算法思路，int max = 0; /存最大值int min = 100; /存储最小值，程序做了如下调整：for（

11、int i=0;i<10;i+） printf（"enter score："）;scanf（"%d"，&score）;/从键盘读入一个分数sum += score;/将读入的分数加到总分数里面if（score>max）max= score;/保证max中存储分数最大值if（score< p>此方法虽然能解决最高分和最低分的问题，但除了最高分、最低分以及最后一位同学的分数，其他学生的分数全丢失了，这与现实不符，也不利于后续的排序计算等，接着教师对现实需求进行第二次拓展，要求保留所有学生信息，并为后续计算做好准备，有学生可能会

12、使用多个变量存储分数：int score0=0，score1=0，score2=0，score3=0，score4=0，int score5=0，score6=0，score7=0，score8=0，score9=0;但随着学生数量的增加，此种抽象显然欠妥，再者也不便于for循环自动化的进行，教师继续制造已有方案与需求之间的冲突，引导学生计算思维发展，改进抽象模型和自动化过程，从而引入新的抽象模型数组。3  解决问题算法层层递进讲解编程例题时，解决同一问题的方法要层层递进，通过不断优化算法，引导学生不断思考，帮助学生不断扩展认知水平，实现优化抽象建模和自动化水平，发展计算思维水平的目

13、的。例如：在讲解判断并输出100以内所有素数例题。根据素数的定义，因为素数除了1和本身之外没有其他约数，所以判断n是否为素数，最直观的方法：根据定义直接判断从2到n-1是否存在n的约数即可。for（int i=3;i<100;i+）for（int j=2;j<99;j+）if （i % j = 0）break;/遇到可以整除的数，即跳出内层循环，说明此i不是素数elsereturn true;/自然结束内层循环，说明此i是素数上述自动化方法存在算法时间效率低下的问题。对于每个正整数n，其实并不需要从2判断到n-1，根据数学经验可知，一个数若能进行因数分解，那么分解时得到的两个因数一

14、定一个小于等于sqrt（n）（其算术平方根），一个大于等于sqrt（n），据此，上述方法中并不需要遍历到n-1，只需遍历到sqrt（n），因为若sqrt（n）左侧找不到约数，那么右侧也一定找不到约数。以此引导学生进行算法优化;优化算法如下：for（int i=3;i<100;i+）for（int j=2;j<=sqrt（i）;j+）if （i % j = 0）break;/遇到可以整除，即跳出内层循环，说明此i不是素数else    return true;/自然结束内层循环，说明此i是素数此时的算法时间复杂度已经有所降低，同时学生理解起来难度也不大。到这一步已

15、经适合大多数学生对素数求解的算法优化需求。但此时仍需要给学生一个认知的拓展空间，引导学生认识到在算法优化的道路上永无止境，随着认知水平的提升，可能会设计出更巧妙的算法过程。通过观察素数分布的规律发现，超过5的素数有这样的规律：与6的倍数相邻。例如5和7，11和13，17和19，23等;此时若能给出学生能够容易理解的证明最好，例如：令x1，将大于等于5的自然数表示如下：6x，6x+1，6x+2，6x+3，6x+4，6x+5可得，不在6的倍数两侧，即6x两侧的数为6x+2，6x+3，6x+4，由于2（3x+1），3（2x+1），2（3x+2）它们不可能是素数，再除去6x本身，素数显然只可能出现在6

16、x的相邻两侧。注意，在6的倍数相邻两侧并不一定就是素数。根据以上素数的分布规律，判断素数可以6个单位步长，即将优化算法循环中i+步长设置为6，代码如下：if （num = 2 or num = 3）/ 两个较小的数进行处理return true;if （num % 6 ！= 1 and num % 6 ！= 5）/ 不在6的倍数的两侧的一定不是素数return false;temp = int（sqrt（num）;for（int i=2;i< p>if （num % i = 0 or num % （i+2） = 0）return falsereturn true / 剩下的全是素数通过不同难度算法的层层递进，使得不同层次的同学都能找到适合自己的建模需求和自动化过程，这样既满足了不同学生的需求，也在各层次学生中融入了计算思维。4  结  论文章从思维过程、问题需求、问题算法等三个方面着手，通过课程细节，展现在c语言程序设计课堂中如何将计算思维有效融入，如何开展计算思维融入程序设计课堂教学的实践研究。此外，注重采用多种方法来解决同一问题;在教学过程中通过逐步改变条件或增加条件的途径来拓展案例;在教学过程中注重从问题分析开始到算法流程图设计，再到程序设计完整地讲解一些典型的c程序设计例题等等也是很多研究者尝试的途径。参考文献：1 王立翔.基于计算思维