新工科背景下程序设计思维多维度能力培养研究_盛娟.pdf

电脑与电信121随着互联网的蓬勃发展，以及人工智能、数字化等新兴技术对传统行业的赋能，各行各业与信息技术的结1合日益紧密，传统行业纷纷转型升级为智能智慧型行业，如新兴的智能制造、智能交通、智慧金融等行业。信息技术为行业变革和发展提供了重要的驱动力，因此培养各专业学生形成计算机应用能力，特别是利用计算机解决问题的编程能力，对达成新工科背景下的人才培养目2标，具有重要的作用和价值。1 引言目前非计算机专业学生在学习程序设计类课程时，大部分学生仅仅是将课程视为一门需要学习语法和程序结构，同时思维方式又异于专业的较难掌握的课程，很少学生会考虑到如何利用程序设计与专业进行融合，提高所学专业的效率和附加值。因此加强学生对程序设计的理解，从多维度对学生进行编程能力培养，让学生体会到编程的效率及魅力，进而为后续提高专业问题解决能力提供帮助。2 程序设计多维度能力分析能够读懂程序代码含义，清楚程序数据输入，数据处理，数据输出结构，分析程序运行结果，是编程学习的一个重要环节，而这一环节经常被学生忽略或是仅仅被上机验证所替代，阅读分析能力的缺乏，使得学生对于程序设计缺乏理解和思考，导致无法将现实问题抽象成计算机问题，形成问题解决步骤转换成建立计算机模型的能力。因此训练学生培养学生养成代码阅读习惯，摒除细节，能够理解代码的整体框架构成，以及问题转换的思路，是有效帮助形成程序思维的重要基石。2.3 比较分析能力2.1 阅读分析能力2.2 程序重构能力对已有的例题或程序重构，即在给定题目基础上进行数据变形或结构扩展，哪怕仅仅是简单的变量替换，或是不同循环结构的选择，都是获取编程能力的重要进阶方式。在学生的学习过程中，要鼓励学生多做重构练习，要使学生明确对简单例题的练习并不仅仅停留在验证结果正确与否的单纯重复过程，而是引导学生在练习过程中开拓思维，由简单到复杂地重构拓展编程知识，从而实现由量变到质变。程序设计的目的不仅要解决问题，更要求设计具有较高性能和良好交互方式的程序,因此在程序阅读分析和重构能力培养的基础上，需要培养比较分析能力，形成批判思维，对于一些复杂问题可尝试引导学生对同一问题思考多种算法解决途径，并对程序从数据结构、运计算机编程多维度能力主要包括以下几个方面：计算机编程学习需要学生具有抽象思维和逻辑思维，这两种能力在程序类课程中一方面可以通过语法的学习、习题的训练来进行逐渐引导；另一方面也可以通过对计算机编程能力进行多维度解析，明晰每个维度需要培养的能力，使学生能够有动力、有途径、有信心地迈过编程学习中的各种困境，将信息技术的软能力打造成助力专业成长的硬实力。新工科背景下程序设计思维多维度能力培养研究盛 娟 刘福来 朱世敏摘 要：为满足“新工科”背景下对人才培养需要具有创新思维创新能力的要求，解决当前非计算机专业程序类课程学时有限、学生难以融合所学知识解决实际问题等问题，分析探讨了程序设计需着重培养的多维度能力，阐述了由创新教学案例、开放分层训练题目设置、阶段性强化效果检验、应用案例综合示范等构成的多元能力模式，以期通过线上线下贯通、案例的比较分析、重构拓展、关联融合等方式，提升新工科背景下学生的程序设计思维和创新思维能力。（东北大学秦皇岛分校计算中心，河北 秦皇岛 066004）关键词：新工科；创新思维；创新能力；信息技术中图分类号：TP312.1-4;G642 文献标识码：A 文章编号：1008-6609（2023）01-0121-05作者简介：盛娟（1976），女，吉林通化人，硕士研究生，讲师，研究方向为认知无线电、数据库。DOI:10.15966/ki.dnydx.2023.z1.022电脑与电信2.4 创新思维能力创新思维是一种对能够对知识进行融合、关联、扩3,4展从而形成的分析问题、解决问题的高阶思维能力。在教学环节要注重突出各章节之间的内在联系，设计训练题目时，要能进行知识点串联。虽然创新思维是程序设计中最为高阶和困难的一种思维，但创新性思维培养5也是有章可循的。它包括了准备、酝酿、明朗和验证阶段。通过课程学习路径的设计，使学生能够通过程序基本知识的构建、融合、关联和积累找到创新之路。3 程序设计思维多维度能力培养模式目前大部分非计算机专业编程课程的学时都比较有限，仅通过课堂教学很难达到计算机程序课程的培养目标，因此需要探索如何进行课内课外的有效衔接，如何进行线上和线下的有效结合。以下主要探讨通过培养程序求解思维、设计创新案例、加强高阶思维能力、强化阶段测验、示范综合案例等措施来完成程序设计思维多维度能力培养。3.1 设置多类型程序阅读题目，培养程序求解思维程序求解思维与普通问题求解思维存在一定的差异，需要对问题进行一定的转换。转换过程主要包括将待处理问题转换成输入数据，构建数据处理模型，最后进行结果输出。程序求解思维是完成程序设计的重要基础，可在程序的基础语法章节设置程序阅读题目，或在较难章节设置填空型阅读题目进行思维培养。通过代码阅读或程序填空，训练引导学生分析程序，能够区分程序的输入、数据处理，及数据输出各部分，并能分析出程序的运行结果。程序阅读训练便于学生清晰程序处理问题的框架，从整体上了解程序的构成，对编程学习思维培养以及问题处理具有良好的引领作用。3.2 引入新需求，教学案例“熟中生新”教学过程中，对新知识的讲解力求找到与已有知识的关联，不断提出新问题、新需求激发学生思考如何对已有的知识进行改造，如在讲解了基本输入输出后，可让学生完成一行星号或利用多个输出语句完成多行星号的输出；随后提出“如果打印图形的行数和列数较大，如何利用计算机的高效特性，引出循环结构？”可以通过引入一重循环，控制某行中列数的增加，即可在一行输出大量星号，再通过在外部加入一重循环，控制行数的变化，学生可以通过替换指定的行数、列数直观地体会到循环结构自动重复循环体的效率。在循环的基础上，进一步引发思考“如何在打印输出指定行列数目的基础上，方便地改变行和列的个数，并且控制空格的数量？”以此问题进一步引出函数调用，将在图形打印中主函数中具有打印功能的代码进行模块封装，形成函数，并给函数分别传递行、列、空格状态三个参数，通过空格状态的三种变化，分别是图形行首无空格、图形行首空格递增、图形行首空格递减，在主函数即可根据需求传递指定的参数，打印出根据行列数目和空格状态变化的图形。最后提出“如何将打印图形保存到磁盘上”的问题，引出文件指针、文件打开/写入/关闭函数等内容，通过在图形打印函数中增加文件操作，实现文件保存。此种教学案例设计思路如图1所示，遵循的是通过在学生熟悉内容的基础上引入新变化新需求，使学生能够有信心做出改变，有热情进行探究，学生可以从教学案例中看出一定的脉络和连贯性，进而受到启发，迁移到对自己掌握的已知内容进行探究，从而达到“熟中生新”的效果。3.3 比较分析算法，加强高阶思维练习行时间等方面进行比较，从而培养发散、批判、分析比较等高级思维能力。在教学中对典型案例探讨多种求解方法，使学生能够发散思维，解放思想，并且通过不同方法的对比分析，进一步了解不同程序结构和求解思路对程序运行效单行打印改变函数参数实现图形变化文件保存利用循环多行打印引入多行打印需求引入行列及空格间距变化引入图形文件保存图1 案例演变，熟中生新122电脑与电信123比较a,b,若ab,则交换两数输入a,b输入a,b当a!-bc=a%b比较a,b,若abYNc=ba=b当a%c=0&b%c=0不成立a=a-bb=b-ac=a%bc=c-1输出c输出a输出c辗转相除法更相减损法穷举法b=c图2 同一问题多种算法率产生的影响。如求解阶乘问题，既可使用常规的递推公式，利用循环求出阶乘累乘结果，又可通过递归调用，将n的阶乘逐渐回归到n-1的阶乘，乃至1的阶乘，从而对两种方法加深了解。又如求解两个数的最大公约数，分别给出辗转相除法、更相减损法和穷举法三种算法，如图2所示。在算法教学过程中，学生可通过初步的算法分析出穷举算法在所求的两个数较大时会有较大的算法复杂度，另外通过在程序中加入直观的时间比较，如图3所示，有助于培养学生的比较分析能力，批判思维及发散思维能力，更可使学生明确利用程序解决问题时，解决的方案和途径是灵活多变的，因此在设计程序时，不仅要使问题得到求解，更要关注程序的效率和优化。3.4 设计创新案例，将程序设计和学科应用融合在程序设计教学中，除了讲解常规程序结构和语法外，需要对选用的教学案例进行创新设计，使学生通过案例的学习，既能掌握程序的相关知识点，又能体会到利用程序解决问题的效率及优点。如在进行程序结构章节学习中，结合控制专业涉及到交通信号变换问题，利用程序实现交通信号灯循环闪烁的功能，其中绿灯闪烁4秒，红灯闪烁2秒，红灯闪烁8秒，如图4中a所示，学生可通过此程序初步了解自动控制程序设计的思想。在二维数组章节中，除了可以处理数值型数据，也可以利用二维数组模拟汉字的点阵信息，利用8行8列数组存储一个汉字的点阵信息，即每个元素存储或0或1作为汉字的比特信息，然后利用双重循环逐个访问每一个比特信息，并对比特信息进行判断，将比特信息为1的元素用特定符号代替，最后可以实现将二维数组元素转换成汉字轮廓，如图4中b所示。在函数章节中，可启发同学思考如何将交通信号灯程序和汉字点阵程序融合，实现生活中交通信号变换的模拟，通过将汉字点阵程序改为通过二维数组元素作为参数的函数，并在交通信号灯主程序调用，一个可以解决生活实际问题的程序最终得以展现，如图4中c所示。创新案例一方面可以帮助学生了解图3 算法运行时间比较a 交通信号灯b 汉字点阵c 点阵交通信号灯 图4 设计创新融合案例电脑与电信知识融合的过程，另一方面会有效提升学生将程序设计与专业学习融合的热情，提高学生研究将专业知识和程序设计结合的动力。3.5 布置分层题目，进行重构拓展在进行习题布置时，以往通常是设置12个题目练习，让学生统一完成，题目的难易程度通常很难适应全体学生，为了能够适应学情，在为学生设计练习题目时，要注重题目的分层设计，使学生能根据自身程度有选择地进行重构练习，如在函数编程练习中，分别设计A,B,C三个逐级递进的层次，难度A可以实现某个功能的函数调用，难度B可以完成两个以上功能的组合，难度C是以小组分工的形式完成程序，可以较好体现程序模块化设计思想，此种分层设计习题包含的开放特性，提供了思考的自由度，是对学生的一种鼓舞，激发了学生思维。实践表明，学生往往不满足于选择一个基本难度，通常会挑战更高的分值难度，而这种带有阶梯性题目的设置，也更能促进学生进行团结协作。参考文献：综合案例可以提供一个程序设计及综合应用的示范，可以展现程序设计过程和实现效果。由于课内学时的局限，教师可通过在线学习平台提供综合案例和设计扩展问题，使学生能够模仿和理解案例，并且能够在综合案例基础上进行改进和拓展，如图5所示为计算挑战综合案例。计算挑战综合案例中包含了选择、循环、函数、随机数据生成等多个设计知识点，学生可通过案例程序体会到由电脑出题，并且判断对错的过程，也可从中受到启发，从挑战的难度等级、记录答题情况等多个角度进行改进。恰当的综合案例犹如一座从知识丛林通向知识融合的桥梁，会促进学生整合知识，激发学习热情，领略知识融合效果，提升获得感，有效完成知识迁移，具备进一步创造的底气和信心。在当前传统行业与信息技术融合日益加深的新工科背景下，对于非计算机类的程序设计课程，要着重从求解思维、比较分析、程序重构及创新思维等多维度培养学生程序设计能力，通过线上线下混合，课内课外延伸，分层开放式项目合作，创新案例融合以及示范综合案例等途径，为学生搭建好学习进阶的框架，从而达到新工科背景下对学生程序设计能力的高目标要求。由于程序设计中包括很多零散的知识点，难免学习过程会有知识遗忘，为了及时帮助学生巩固学习效果，可将线下教学与在线学习平台结合，利用平台的在线测试功能，帮助学生对阶段性学习内容进行测试，学生可通过测试检验学习效果，并可对容易混淆和遗忘的知识点进行阶段复习，从而保证所学知识的有效衔接。教师也可通过平台反馈的结果，进行学情分析，对错误较为集中或知识薄弱环节进行重点讲解。3.7 示范综合案例，融合及拓展知识1许艳丽,张钦.智造时代新工科人才培养模式变革的4 结语3.6 强化阶段检验，巩固学习效果图5 计算挑战综合案例124电脑与电信4廖兴.以创新人才培养为导向的高校研究型教学模式构建J.黑龙江高教研究,2022,40(4):141-146.5许冬梅,黄镇亨,彭建平.创造性思维过程能力评价研究 基于CRL创造力模型的实证分析J.高教探索,2022(3):118-124.3王跃新,李晨语.创新思维:引领开拓创新的第一动力J.学术界,2022(8):203-209.诉求,困境与选择J.黑龙江高教研究,2022,40(9):47-52.2周开发,曾玉珍.新工科的核心能力与教学模式探索J.重庆高教研究,2017,5(3):22-35.Research on Training Multi-dimensional Ability of Programming Thinking under the Background of New EngineeringAbstract:In order to meet the requirements of innovative thinking and innovative ability of talent training under the background of New Engineering,to solve the current problems of limited non-computer professional program courses,and the differences for students to integrate the knowledge to solve practical problems,this paper analyzes the multi-dimensional abilities of programming,expounds the multiple ability model composed of innovative teaching cases,open stratified training topic setting,phased reinforcement effect test,and comprehensive demonstration of application cases.It is hoped to improve students programming thinking and innovative thinking ability under“New Engineering”by the ways of connecting online and offline,comparative analysis of cases,reconstruction and expansion,association and integration.Keywords:New Engineering;innovative thinking;innovative ability;information technologySHENG Juan LIU Fu-lai ZHU Shi-min(Northeastern University Computing Center at Qinhuangdao,Qinhuangdao 066004,Hebei)Discussion on the Direction of Computer Teaching Reform from the Certification Goal of Engineering EducationYU Qun(Yancheng Teachers University,Yancheng 224002,Jiangsu)（上接第120页）Keywords:engineering education;professional certification goal;Computer major;reform in education;directionAbstract:Under the guidance of the certification goal of engineering education major in colleges and universities,a systematic design of teaching knowledge system has been built around the computer related professional courses.It is proposed to build a network online offline integration teaching platform.On this basis,teaching goals are formulated,teaching situations are created,teaching contents in and out of class are improved,and teaching methods are innovated,and an all-round teaching evaluation is made according to curriculum teaching and students learning situation,so as to improve the teaching reform effect and education quality of computer professional courses.125