C语言程序设计课程中的计算思维创新

　　美国卡内基·梅隆大学的周以真教授在2006年系统地提出了计算思维的概念[1]：计算思维指的是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等一系列思维活动。其后，陈国良院士和李廉教授归纳出三种典型的科学思维，即以观察和归纳为特征的实证思维，以推理和演绎为特征的逻辑思维，以抽象和自动化为特征的计算思维[2-3]。计算思维是计算机类课程的主要思维方式。
　　有关计算思维在程序设计类课程中的研究，已经引起很多学者的兴趣[4-6]。这些研究虽然从案例设计和项目过程等角度做了有益探索，但却忽略了对计算思维本质的讨论。C语言程序设计课程中，我们采用李廉教授的观点，即计算思维的本质是抽象和自动化。抽象指的是使用符号系统对问题进行精确而严格的描述；自动化指的是对这些符号系统施加一定操作并按照某种结构自动地执行。
　　一、C语言程序中的计算思维本质之一：抽象
　　有些C语言程序设计课程教学的一开始就提倡使用案例教学。这虽然能够使得学生可以迅速进入实际编程环节并建立直观感性认识，但案例教学由于往往出现“程序就是编程工具”的工具论现象，导致出现“只知其然，而不知其所以然”的学习后果，不利于学生的后续发展。
　　对于C语言程序来说，抽象指的是使用符号系统对求解问题进行精确而严格的描述，抽象的过程就是对实际系统建模的过程。实际上，程序是用来描述现实生活中某个实际存在的或不存在的系统。程序就是对系统的抽象。系统之所以存在，是因为系统具有一些关键特征和核心功能。程序中对系统特征进行抽象的就是操作对象，对系统功能进行抽象的就是函数。系统功能往往有多个且存在着复杂的调用关系。例如，求一个函数定积分的功能必然涉及求函数在某一个点的取值功能，如果该函数比较复杂且含有正弦、余弦和正切等三角函数，还需要继续调用求这些三角函数值的功能，形成多级调用；有时函数执行过程中还需要调用本身，形成递归调用。
　　C语言程序中的操作对象分为变量和常量。常量是对系统中的取值不变的特征进行抽象，如圆的圆周率；而变量是对系统中取值可以改变的特征进行抽象，如圆的半径。不管是哪类特征，都会有一个取值范围以及所允许的操作。例如，对于课程成绩，其取值范围一般是从0～100，而允许对该特征进行的操作可以是加法和减法等算术操作以及大于和小于等比较运算；而对于课程名字这一特征，就不能进行加法和减法这样的算术操作。C语言程序中用来对特征的取值范围及允许的操作进行抽象的概念是数据类型。C语言程序中的抽象模块如表1所示。
　　现实生活中，经常需要描述多个相同数据类型的一个系统特征，如所有同学的高等数学课程的成绩，可以使用一维数组来进行描述；而描述多个不同数据类型的多个系统特征，如学生的姓名、学生的身高和学生的年龄等，可以使用结构体来进行描述；如果要描述多个相同数据类型的多个系统特征，如全班所有同学的高等数学和大学英语课程的成绩，则可以使用二维数组来进行描述。
　　表1 C语言程序中的抽象模块
　　C语言程序中的元素 现实生活中的元素
　　程序 系统
　　函数 系统功能
　　函数调用 功能调用
　　数据类型 常量 系统特征
　　变量
　　一维数组 多个相同类型的一个系统特征
　　多维数组 多个相同类型的多个系统特征
　　结构体 多个不同类型的多个系统特征
　　链表或结构体数组 多个不同类型的多个系统特征的集合
　　二、C语言程序中的计算思维本质之二：自动化
　　计算思维的另一个本质是自动化。自动化指的是对符号系统建模的各种元素施加一些操作，并按照某种顺序的或非顺序的结构自动地执行。对于C语言程序来说，自动化体现为函数内部的语句在EIP寄存器加法操作支持下顺序自动地执行以及函数之间的调用在内存堆栈区支持下自动地进行跳转。EIP是32位机的指令指针寄存器，用来存放下一条要执行的指令的地址。EIP寄存器中增加值的大小需要根据实际存储指令的大小来确定。
　　对于C语言程序来说，自动化过程中执行的对象是语句。不同类型的语句，执行的结果和效用是不一样的。例如，一个变量定义语句“int a”的执行结果是在内存中分配4个字节的空间，一个返回语句“return t”的执行结果是将程序的执行流程返回到主调函数中。这些语句的组合构成一个个函数，程序的执行就是在某个函数之中顺序自动地执行以及在多个函数之间来回自动地跳转。
　　既然程序的执行过程是在某个函数之中顺序自动地执行以及在多个函数之间来回自动地跳转，这种自动执行需要有相应的计算机软件和硬件基础。支持程序自动执行的软件基础是操作系统，支持程序自动执行的硬件基础是计算机硬件结构，即冯·诺依曼原理的程序存储思想。当用户点击执行按钮后，程序被提交给操作系统来执行，可以不需要人为干预。此后，程序在操作系统中以进程的方式出现。操作系统协调内存、中央处理器和外存等硬件资源执行该进程。
　　函数中的语句之所以能够一个接着一个顺序地执行，主要依赖于EIP寄存器的加法操作。当一条指令执行完成之后，EIP寄存器在原有内容的基础上再加上当前指令所占存储空间大小，其内容便是下一条指令的地址。如此进行下去，就可以一个一个顺序地执行函数中的语句。
　程序控制之所以能够在函数之间进行跳转，主要依赖于操作系统管理的内存堆栈区。内存堆栈区是满足“后进先出”操作约束的存储区。当操作系统开始执行用户提交的C语言程序时，首先开始从main函数执行，main函数的相关局部变量被压入栈中；当执行到被调函数时，被调函数的相关局部变量再次被压入栈中，程序控制转移到被调函数，且操作只能对当前栈顶进行，而此时栈顶存储的就是被调函数的相关局部变量；而当被调函数执行结束时，被调函数的相关局部变量从栈中退出，程序控制转移到main函数继续执行，此时栈顶存储的是main函数的相关局部变量；当main函数执行结束时，main函数的局部变量从栈中退出，整个程序执行结束。下列程序执行时的堆栈变化过程示意如图1所示。
　　#include "stdio.h"
　　double s（double r）
　　{ return r*r； }
　　int main（）
　　{ double r；
　　d ouble area；
　　r=2.0；
　　area= s（r）；
　　printf（"area=%f"，area）；
　　return 0；
　　}
　　图1 函数调用过程的堆栈变化
　　自动化过程实际反映了C语言程序解决实际问题的算法流程。算法是解决某一问题的执行步骤。一般而言，使用C语言进行编程之前，需要进行相应的算法设计，即构思解决实际问题的思路和步骤。一旦这些步骤变成C语言程序语句并形成一个完整的程序，就可以提交给操作系统自动地执行这些步骤，这正是计算机解决问题的高效率的体现。
　　三、以计算思维为导向的C语言程序设计课程教学
　　1.教学内容
　　针对计算思维的抽象和自动化两大本质特征，C语言程序设计课程的教学内容需要在原有的基础上特别强调一些针对性的观点。例如，C语言中的各种数据类型和数据结构可以完成实际系统中各种不同元素的抽象，一个函数之中的顺序语句自动执行的基础是EIP寄存器的加法操作，多个函数之间的来回自动跳转的基础是内存堆栈区的支持等。具体强调的观点如表2所示。
　　表2 教学内容中需要强调的观点
　　C语言程序设计
　　课程的内容 强调的观点
　　C语言概述 程序是对系统的抽象
　　抽象过程就是C语言的建模过程
　　自动化过程反映C语言的算法流程
　　数据类型、表达式和语句 操作对象是对系统特征的抽象
　　语句是系统自动化执行的基本对象
　　控制结构 控制结构是问题求解步骤的抽象
　　函数中顺序语句自动执行的基础是EIP寄存器的加法操作
　　数组 一维数组是对多个相同类型的一个系统特征的抽象，多维数组是对多个相同类型的多个系统特征的抽象
　　函数 函数是对系统功能的抽象
　　函数调用是功能调用的抽象
　　函数之间的来回自动跳转的基础是内存堆栈区的支持
　　结构体 结构体是对多个不同类型的多个系统特征的抽象
　　指针 链表是多个不同类型的多个系统特征集合的抽象
　　2.教学方式
　　计算思维的本质是抽象和自动化。C语言程
　　序设计课程一般都是面向大一新生，理解抽象和自动化进而培养计算思维，对于还处在计算机学习起点的学生来说是比较困难的。
　　对于C语言程序来说，抽象过程实际就是运用C语言中各种符号对所描述系统的建模过程，培养抽象的计算思维方式就是培养使用C语言描述实际系统的思维过程。因此，可以通过启发式教学方式引导学生思考如何使用C语言中的符号来描述系统。可以提出这样的一系列问题：C语言中如何描述一个人的身高？如何综合描述一个人的姓名、年龄和籍贯等？如何描述一个班中所有学生的高等数学成绩？如何描述各路公共汽车站的网状信息？通过启发学生对这些问题的思考，让学生所学的C语言中的各种符号不再“虚幻”，让学生真正理解这些符号实际是一种建模元素，每种符号有着其特别的抽象描述能力。
　　对于C语言程序来说，理解自动化过程必须借助一些形象化的手段。例如，借助于Visual C++ 6.0平台的单步调试功能，可以形象地演示上述C语言程序的自动化过程，如表3所示。
　　表3 C语言程序执行过程中EIP和ESP寄存器内容的变化
　　断点 EIP寄存器内容 ESP寄存器内容 当前栈顶函数
　　r=2.0；语句 00401068 0013FF24 main函数
　　area=s（r）；语句 00401076 0013FF24 main函数
　　return r*r；语句 00401020 0013FF18 s函数
　　printf（"area=%f"，area）；语句 00401089 0013FF24 main函数
　　从表3可以看出，随着EIP寄存器内容的增加，main函数中的语句顺序自动执行，即从语句“r=2.0”到语句“area=s（r）”再到语句“printf（"area=%f"，area）”。ESP寄存器是另一个重要的寄存器，它始终存放栈顶的地址。随着main函数对s函数的调用开始，栈顶工作函数由main函数变化为s函数；当s函数调用结束后，栈顶工作函数又由s函数回到main函数。
　　3.考核内容
　　针对C语言程序设计课程的计算思维培养要求，考核方式上必须从以考查语言的语法知识为主转变为以考查学生的系统建模能力和算法设计能力为主。
　　系统建模能力的考查主要针对计算思维的抽象特征。例如，可以给出各种系统特征，考查学生使用数据类型进行描述的能力。
　　算法设计能力的考查主要针对计算思维的自动化特征。当然，C语言程序设计课程中涉及的都是一些如迭代、枚举和排序等简单算法。可将这些算法封装成各种函数来进行调用，以考查函数中顺序语句的执行以及函数间的伴随参数传递的跳转来理解自动化过程。因此，必须以简单算
　　法设计和函数调用为重点考核内容，突出对函数接口设计和算法流程设计的考核。
　　参考文献：
　　[1] Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J]. Communications of the ACM， 2006， 49（3）：33-35.
　　[2] 陈国良. 计算思维[J]. 中国计算机学会通讯，2012，8（1）：31-34.
　　[3] 李廉. 计算思维——概念与挑战[J]. 中国大学教学，2012（1）：7-12.
　　[4] 张耀文. 基于计算思维的程序设计课程案例教学法研究[J]. 重庆电子工程职业学院学报，2012，21（3）：149-150.
　　[5] 吴绍兵. 计算思维和程序设计能力的培养[J]. 计算机教育，2011（16）：11-14.
　　[6] 苏海英. 计算思维理论指导下的程序设计教学改革实践[J]. 现代计算机，2012（4）： 32-34.

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