面向大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的計(jì)算思維案例設(shè)計(jì)

文章編號：1672-5913（2015）07-0008-04

中圖分類號：G642

摘要：以如何將計(jì)算思維理念與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程相結(jié)合為切入點(diǎn)，根據(jù)課程內(nèi)容總結(jié)出一系列蘊(yùn)含在各教學(xué)知識點(diǎn)中的計(jì)算思維案例，這些案例通俗易懂且具有針對性，貫穿于整個(gè)教學(xué)過程中，提出將計(jì)算思維理念與課程內(nèi)容有機(jī)結(jié)合的新思路。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；案例設(shè)計(jì)；大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

0 引 言

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)抽象和構(gòu)造、可解，強(qiáng)調(diào)用自動(dòng)方式逐步求解。簡單講，計(jì)算思維就是計(jì)算機(jī)解題的思維方式，這是現(xiàn)代計(jì)算思維的內(nèi)涵。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)以培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力、培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才為目標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程應(yīng)該定位在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)文化素養(yǎng)、應(yīng)用計(jì)算機(jī)和計(jì)算思維解決實(shí)際問題的基本能力上。

計(jì)算機(jī)科學(xué)不只是將軟、硬件等人造物呈現(xiàn)在我們的生活中，更重要的是強(qiáng)調(diào)計(jì)算的概念，它被人們用來求解問題、管理日常生活以及與他人進(jìn)行交流和互動(dòng)。計(jì)算思維在大學(xué)生的知識體系結(jié)構(gòu)中非常重要，計(jì)算思維訓(xùn)練不僅能使學(xué)生理解計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制和約束，還有助于學(xué)生進(jìn)行科技發(fā)明和技術(shù)創(chuàng)新，更重要的是使學(xué)生學(xué)會(huì)通過自己的思維對海量信息進(jìn)行深層次的加工處理，對于學(xué)生自己想要的新信息，讓學(xué)生學(xué)會(huì)將在數(shù)據(jù)處理中所體現(xiàn)的計(jì)算思維能力靈活應(yīng)用到實(shí)踐中。

1 教學(xué)中引入計(jì)算思維

計(jì)算思維的理念對于剛剛跨人大學(xué)校園的大一學(xué)生來說比較抽象，如何將它以一種恰當(dāng)?shù)姆绞絺魇诮o學(xué)生，是基于計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革成敗的關(guān)鍵。建立計(jì)算思維在課程中的表達(dá)體系，將其映射和融入到課程知識點(diǎn)和技能點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系中，是將計(jì)算思維的理念、方法落在實(shí)處的有效途徑。

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的很多內(nèi)容都為計(jì)算思維提供了很好的詮釋和生動(dòng)的案例，教師可采用案例教學(xué)方法將計(jì)算思維引入大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中，用簡單的案例講授復(fù)雜、高深的原理；在案例設(shè)計(jì)時(shí)遵從通俗易懂的原則，使案例更貼近生活。

2 計(jì)算思維的案例設(shè)計(jì)

在選擇和組織基于計(jì)算思維的案例時(shí)，教師應(yīng)從簡明原則出發(fā)，以便學(xué)生能夠理解比較抽象的計(jì)算思維基本理論和方法。針對大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程，按知識大類設(shè)計(jì)的計(jì)算思維案例如下。

2.1 計(jì)算機(jī)信息基礎(chǔ)

案例1：現(xiàn)實(shí)世界可以表示為0和I一用0和1可進(jìn)行邏輯與算術(shù)運(yùn)算→0和1可以用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)→用二極管、三極管等實(shí)現(xiàn)基本門電路→組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)→芯片（復(fù)雜組合邏輯電路）。具體來說，0和1的思維蘊(yùn)含著信息表示，數(shù)值信息和非數(shù)值信息均可用0和1表示，均能夠符號化、數(shù)字化和被計(jì)算，即任何信息都能以0和l表示，也就能夠被計(jì)算、用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)處理。

案例2：當(dāng)數(shù)據(jù)被儲(chǔ)存在硬盤或傳送到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它們一般不會(huì)發(fā)生改變，但有時(shí)一些故障也會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)值突然改變，如電子干擾，而利用類似奇偶校驗(yàn)的方法（例如，西文ASCII碼為7位編碼，占1個(gè)字節(jié)，空出來的最高位通常為0，在需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可以用作奇偶校驗(yàn)的校驗(yàn)位），可以保護(hù)計(jì)算機(jī)中幾乎所有的數(shù)據(jù)，避免干擾。事實(shí)上，硬盤、光盤、閃存、網(wǎng)絡(luò)下載、電子郵件和網(wǎng)頁都在數(shù)據(jù)中添加了校驗(yàn)碼，一旦系統(tǒng)中個(gè)別比特發(fā)生錯(cuò)誤，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，這充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)是按照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式，在發(fā)生最壞情況時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法。

案例3：對中國漢字的信息處理是一種典型的計(jì)算思維應(yīng)用，蘊(yùn)含了構(gòu)造原理。漢字是象形文字，字?jǐn)?shù)繁多，字形復(fù)雜，漢字的信息處理與西方字母數(shù)字類信息處理有很大差異。要讓計(jì)算機(jī)表示并處理漢字就要對漢字進(jìn)行編碼，即確定每個(gè)漢字與一組通用代碼集合的對應(yīng)關(guān)系，這樣在輸入設(shè)備通過輸入法接收漢字信息后，即按對應(yīng)關(guān)系將其轉(zhuǎn)換為可由一般計(jì)算機(jī)處理的通用字符代碼，然后再對這些代碼信息的組合進(jìn)行處理，如信息的存儲(chǔ)、傳輸和交換等；處理后的代碼組合可通過漢字輸出設(shè)備，按照同樣的對應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為漢字字形庫的相應(yīng)字形，直觀地顯示或打印出來。

2.2 計(jì)算機(jī)硬件體系結(jié)構(gòu)

案例1：在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，抽象是一種被廣泛使用的計(jì)算思維方法。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)就是一個(gè)抽象的案例，這一體系結(jié)構(gòu)屏蔽了實(shí)現(xiàn)上的諸多細(xì)節(jié)，明確了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)由內(nèi)存、處理單元、控制單元、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5部分組成及各部分之間的關(guān)系，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的抽象模型，它為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的研制奠定基礎(chǔ)。

案例2：以鍵盤輸入與屏幕顯示為例，即：位置→電信號→編碼→存取/ASCII→解碼一字形→顯示，在學(xué)生理解和掌握這一思維之后，可以很容易地推廣至其他語言文字的處理，這一案例蘊(yùn)含著一種普適的思維——信息處理思維，即物理對象通過采集設(shè)備采集相關(guān)信息，然后按一定的編碼規(guī)則使用編碼器進(jìn)行編碼及存儲(chǔ).再用解碼器進(jìn)行解碼、識別并顯示。

2.3 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

案例1：操作系統(tǒng)是一個(gè)有多種功能的系統(tǒng)程序，可以看做一個(gè)整體模塊，也可看做由若干個(gè)子模塊按一定的結(jié)構(gòu)方式組成的整體。操作系統(tǒng)的產(chǎn)生和使用本身就充分體現(xiàn)了運(yùn)用計(jì)算思維抽象和分解的方法。操作系統(tǒng)提供的四大功能即進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、文件管理、設(shè)備管理，可以對硬件五大組成部分所涉及的龐大而復(fù)雜的工作進(jìn)行有效的控制和管理，操作系統(tǒng)架起了硬件與用戶之間溝通的橋梁。

案例2：操作系統(tǒng)對進(jìn)程的管理采用了多道程序并行處理的方式，操作系統(tǒng)以時(shí)間片為單位，輪流為每個(gè)終端用戶服務(wù)。每個(gè)用戶輪流使用一個(gè)時(shí)間片，而每個(gè)用戶并不感到有別的用戶存在。宏觀上看是多個(gè)用戶同時(shí)使用一個(gè)CPU，即并行，微觀實(shí)現(xiàn)上則是每個(gè)用戶在不同時(shí)刻輪流使用CPU，交替執(zhí)行，即串行，這種時(shí)間片輪轉(zhuǎn)思想就是一個(gè)古老的、最簡單、最公平的思想，它大大提高了系統(tǒng)的資源利用率，這是將計(jì)算思維中使用并行方法解決問題的思路運(yùn)用到操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)典型實(shí)例。

案例3：存儲(chǔ)管理的設(shè)計(jì)所用到的預(yù)置和緩存技術(shù)也是一種重要的計(jì)算思維方法。一個(gè)很大的程序執(zhí)行時(shí)被操作系統(tǒng)調(diào)用，其運(yùn)行需要的內(nèi)存數(shù)據(jù)都被存到磁盤內(nèi)的虛擬內(nèi)存，只有需要用到的部分才被加載到主內(nèi)存內(nèi)部運(yùn)行，這是典型的在“小內(nèi)存中求解大問題”的技術(shù)。

2.4 計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)基礎(chǔ)

案例1：在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，將大規(guī)模的復(fù)雜問題分解成若干個(gè)較小規(guī)模的、更簡單的問題加以解決，是一種常用的計(jì)算思維方法，而結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)就是采用了計(jì)算思維中的典型方法——分解。教師可按照“分而治之”的策略，將頂層問題的求解目標(biāo)逐層分解成子模塊，每個(gè)模塊完成一定問題的求解。整個(gè)程序由有層次的、逐級細(xì)化的多個(gè)模塊組成，由此構(gòu)成求解整個(gè)問題的程序。

案例2：計(jì)算思維反映的是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決實(shí)際問題的思維方法，有些初學(xué)者覺得計(jì)算機(jī)神乎其神，似乎什么都能干，就想當(dāng)然起來。例如，某同學(xué)剛學(xué)了幾天C語言程序設(shè)計(jì)，想試試自己的能力，找一道求方程3x2+5x_15=0的根的題目，用C語言寫出下述的程序段：

上機(jī)一試，才發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤一大堆，根本不可能得到想要的解。事實(shí)上，確切地說，計(jì)算機(jī)只能“計(jì)算”，而如何計(jì)算是需要給出方法的。如果我們自己不知道求解方程的步驟，計(jì)算機(jī)就無法求解它。換句話說，要編程給出方程求解的步驟，計(jì)算機(jī)才能按照程序?qū)崿F(xiàn)計(jì)算。只有很好地理解了這樣的“計(jì)算思維”，我們才能寫出下面的程序段：

通過這個(gè)例子，學(xué)生應(yīng)該明白計(jì)算機(jī)永遠(yuǎn)都是在人腦的指揮下工作的。

2.5 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

案例1：抽象和分解是計(jì)算思維的兩個(gè)重要特征，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫體現(xiàn)了計(jì)算思維抽象和分解的過程。建立數(shù)據(jù)庫需要根據(jù)系統(tǒng)的需求，將客觀世界的信息轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的二進(jìn)制信息。由于客觀世界的復(fù)雜性，直接完成這種轉(zhuǎn)換是非常復(fù)雜和困難的。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中，需要將建模分成3個(gè)層次：概念模型、邏輯模型和物理模型。設(shè)計(jì)者依次在這3個(gè)層次上進(jìn)行建模，分別完成一定的信息轉(zhuǎn)換，最終完成客觀世界信息到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中二進(jìn)制信息的轉(zhuǎn)換，這就是一種將復(fù)雜問題進(jìn)行分解而得到答案的例子。以上抽象思維的結(jié)果需要在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，也是將理論成果應(yīng)用于技術(shù)實(shí)踐的過程，充分體現(xiàn)了自動(dòng)化這一計(jì)算思維的本質(zhì)。

案例2：運(yùn)用多種算法，從海量數(shù)據(jù)中挖掘或抽取出知識，在時(shí)間和空間之間、在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折中的思維方法是典型的計(jì)算思維方法。以數(shù)據(jù)挖掘在零售行業(yè)中的應(yīng)用為例，零售公司跟蹤客戶的購買情況，發(fā)現(xiàn)某個(gè)客戶購買了大量的真絲襯衣，這時(shí)數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)就在此客戶和真絲襯衣之間創(chuàng)建關(guān)系；銷售部門就會(huì)看到此信息，直接將真絲襯衣的當(dāng)前行情及所有相關(guān)資料發(fā)給該客戶。數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)通過一定的算法挖掘目標(biāo)客戶信息，可以幫助企業(yè)提升銷售量。

2.6 多媒體技術(shù)

案例1：數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)就是用最少的編碼表示信號的技術(shù)。對我們來說，總是希望計(jì)算機(jī)能更高效地表達(dá)信息。減小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)占用空間的方法稱為壓縮，數(shù)據(jù)壓縮的發(fā)展是創(chuàng)新思維的發(fā)展。人類不斷通過創(chuàng)新性研究總結(jié)出不同的數(shù)據(jù)壓縮算法，在計(jì)算機(jī)多媒體數(shù)據(jù)壓縮過程中加以應(yīng)用，是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解的一個(gè)典型的計(jì)算思維活動(dòng)。

案例2：在多媒體技術(shù)中，運(yùn)動(dòng)捕捉與三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)就是一個(gè)典型的運(yùn)用建模與仿真的計(jì)算思維方法。例如，采用運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)對演員動(dòng)作進(jìn)行捕捉，通過相應(yīng)計(jì)算將動(dòng)作坐標(biāo)映射到任意通過三維軟件制作的卡通人物模型上，并且可以利用專門的動(dòng)畫工具對動(dòng)作作進(jìn)一步的編輯或增加各種變化，產(chǎn)生新的藝術(shù)效果。

2.7 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全

案例1：抽象是計(jì)算機(jī)問題求解中最基本的方法之一。在抽象過程中，人們剔除細(xì)節(jié)，只關(guān)注與理解問題和解決問題相關(guān)的概念，把注意力集中到事物的本質(zhì)和核心特性上，從而發(fā)現(xiàn)事物本質(zhì)的、重要的規(guī)律。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中運(yùn)用抽象思維解決復(fù)雜問題的典型。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的ISO/OSI體系結(jié)構(gòu)模型的建立將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)分解成7個(gè)層次，每個(gè)層次利用下一層的接口，完成本層的數(shù)據(jù)處理并為上一層次提供更加高層服務(wù)接口。借助7層體系結(jié)構(gòu)模型，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最終完成從用戶信息到物理線路信息的正確、可靠的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的通信。網(wǎng)絡(luò)分層模型也體現(xiàn)了約簡、分解、調(diào)度、折中等計(jì)算思維的思想。

案例2：并行是一種重要的計(jì)算思維方法。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有很多運(yùn)用并行技術(shù)提高系統(tǒng)效率的例子，例如，多核處理器技術(shù)就是讓不同的處理器同時(shí)執(zhí)行不同的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，以加快計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度；在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，進(jìn)一步加快運(yùn)行速度的方法是讓不同的計(jì)算機(jī)同時(shí)處理問題的不同部分，即將多臺計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起，形成分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；另外還有大規(guī)模并行超級計(jì)算機(jī)（數(shù)千臺計(jì)算機(jī)緊密聯(lián)系在一起），可將一個(gè)大的任務(wù)劃分成不同部分并分配給不同的計(jì)算機(jī)解決；分布式網(wǎng)絡(luò)“云計(jì)算”則體現(xiàn)了計(jì)算思維中并行處理的特征，而“云”的概念則是計(jì)算思維高度抽象化的體現(xiàn)。

案例3：對于一些特殊問題，從結(jié)論往回推，倒過來思考，從求解回到已知條件，或許會(huì)使問題簡單化，這樣的思維方式就叫逆向思維。逆向思維也可以看做是應(yīng)用計(jì)算思維求解問題的一種手段。

計(jì)算機(jī)病毒之所以能夠破壞計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，往往是因?yàn)槔昧擞?jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的漏洞。最保險(xiǎn)的防治病毒的方法是設(shè)計(jì)沒有漏洞的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，但是軟件規(guī)模的龐大、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜程度使得出現(xiàn)漏洞是不可避免的。在病毒防治過程中，我們可以運(yùn)用逆向思維去利用病毒，從技術(shù)上借鑒病毒傳播和衍生的方式不斷地修補(bǔ)漏洞，完善計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

3 結(jié)語

在教學(xué)中引入與課程知識點(diǎn)相關(guān)的計(jì)算思維案例，可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中體會(huì)計(jì)算思維，在教學(xué)活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維能力的逐步提高，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。將計(jì)算思維引入大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的目的是讓學(xué)生能夠在了解計(jì)算機(jī)基本組成和一般工作原理的基礎(chǔ)上，理解一些利用計(jì)算機(jī)解決問題的方法和思路，了解計(jì)算機(jī)求解問題的局限性，同時(shí)為學(xué)生未來的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和研究奠定計(jì)算機(jī)科學(xué)方面的基礎(chǔ)。使用案例教學(xué)作為方法和手段是進(jìn)行計(jì)算思維教育的一種很好的嘗試，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容中能夠詮釋計(jì)算思維思想的案例很多，還需要我們不斷探索與挖掘。