應(yīng)用計(jì)算思維學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)提升學(xué)生創(chuàng)新能力

李桂春

摘要：大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)內(nèi)容涵蓋了計(jì)算機(jī)所有方面，為了有效利用學(xué)生對計(jì)算機(jī)的興趣，挖掘大學(xué)生的思維潛能，在教學(xué)中應(yīng)用計(jì)算思維來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識，形成自己的思維模式，在計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)中突破單純操作技能訓(xùn)練的局限，提升學(xué)生的問題解決能力和創(chuàng)新能力，把計(jì)算思維遷移到所學(xué)的專業(yè)和實(shí)際問題解決與應(yīng)用中。

關(guān)鍵詞：思維潛能;計(jì)算思維;思維模式;創(chuàng)新能力

中圖分類號：G64? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）31-0168-02

1 背景知識

計(jì)算機(jī)為了科學(xué)計(jì)算誕生，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍和能力不斷擴(kuò)大，不但能夠處理數(shù)值的和非數(shù)值的計(jì)算，用計(jì)算機(jī)模仿和實(shí)現(xiàn)人的智能活動，ALFGO贏柯潔的比賽，更是讓人們領(lǐng)略了機(jī)器擁有戰(zhàn)勝人的智能。在計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中形成了像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣的思維來解決問題的思維方式，2006年3月，美國卡內(nèi)基.梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真指出：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、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[1]。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象（Abstraction）和自動化（Automation）。如同所有人都具備是非判斷、文字讀寫和進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算一樣，計(jì)算思維也是一種本質(zhì)的、所有人都必須具備的思維能力。計(jì)算思維成為與理論思維、實(shí)驗(yàn)思維并肩的3種科學(xué)思維之一，計(jì)算思維能力不再是計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生所獨(dú)享的思維方式，將來就會像閱讀、寫作和算數(shù)一樣會成為每個人擁有的最基本的能力。

2010年5月的合肥會議上，探討了計(jì)算思維融入計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的問題，2010年7月召開了西安會議，2010年9月召開了太原會議，均把計(jì)算思維列為會議的主要議題，討論如何在新形勢下提高計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的質(zhì)量。特別是《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，確定了以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革[2-4]，2010年10月陳國良院士在“第六屆大學(xué)計(jì)算機(jī)課程報告論壇”倡議：將計(jì)算思維引入大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)[5]。說明計(jì)算思維得到了國內(nèi)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育界的廣泛重視，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)教育中要把培養(yǎng)計(jì)算思維融入教學(xué)和學(xué)習(xí)中來，提升學(xué)生使用計(jì)算思維來解決自己在各專業(yè)領(lǐng)域中遇到問題的能力。

2 培養(yǎng)計(jì)算思維能力

計(jì)算思維是各個專業(yè)的學(xué)生都應(yīng)該掌握的一種思維模式，不管是大一要做的職業(yè)規(guī)劃，還是日常生活發(fā)生的各種事情及為人處事，以及在學(xué)習(xí)不同專業(yè)知識進(jìn)行合理的職業(yè)定位找到合適的工作。

由于計(jì)算思維是在計(jì)算機(jī)這個工具誕生并不斷強(qiáng)大的發(fā)展歷程中形成的，那么就要在計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)的教學(xué)中設(shè)計(jì)使用計(jì)算思維的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)資料，讓學(xué)生在潛移默化的教學(xué)中掌握計(jì)算思維，提高學(xué)生獨(dú)立思考隨機(jī)應(yīng)變解決問題的能力。

3 準(zhǔn)備適合計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)主要有計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)操作、軟件使用實(shí)操、所有與計(jì)算機(jī)相關(guān)的理論知識模塊，教師要在教學(xué)中做一個充分的準(zhǔn)備，合理設(shè)計(jì)教學(xué)情境，教學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生使用計(jì)算思維的解題步驟。

計(jì)算思維存在計(jì)算機(jī)的軟件操作和理論教學(xué)都蘊(yùn)含著使用計(jì)算思維處理問題的模式。那么如何讓計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程中體驗(yàn)并逐步建立起計(jì)算機(jī)學(xué)科獨(dú)特的思維方式呢？在不斷教學(xué)實(shí)踐中，以問題為導(dǎo)向讓學(xué)生思考如果是你碰到這樣的問題，你該如何解決？計(jì)算機(jī)科學(xué)家又是如何思考并解決這個問題的，在不斷地探究思考解決問題的學(xué)習(xí)中感受為解決實(shí)際問題而不斷的突破現(xiàn)有思維的大膽的創(chuàng)新能力，感受計(jì)算機(jī)科學(xué)家奇妙的思維模式，慢慢形成自己計(jì)算思維，應(yīng)用到自己專業(yè)領(lǐng)域。

4 引入計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)踐

根據(jù)需求和發(fā)展理論對計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)劃分不同的模塊，就要讓學(xué)生思考以下問題：計(jì)算機(jī)是怎樣誕生的？計(jì)算機(jī)如何存儲和處理數(shù)據(jù)的？計(jì)算機(jī)是如何相互通信的？你會使用計(jì)算機(jī)做哪些事情？如果在工作生活中遇到計(jì)算機(jī)科學(xué)家同樣的問題，你會怎樣處理解決呢？回答了以上問題，也就會培養(yǎng)一個具有計(jì)算思維的人，根據(jù)以上問題，對計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)的內(nèi)容按照計(jì)算思維要求分為以下教學(xué)模塊：計(jì)算機(jī)的誕生、發(fā)展史、計(jì)算機(jī)存儲處理數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成、計(jì)算機(jī)基本操作和常用軟件使用、網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全。

本文以計(jì)算機(jī)如何存儲處理數(shù)據(jù)的這一模塊為例引入計(jì)算思維。首先要把數(shù)據(jù)存進(jìn)計(jì)算機(jī)中，但同時自然界中的數(shù)據(jù)各種各樣，紛繁復(fù)雜，要一股腦兒用一種方法存儲起來是不可能的，計(jì)算機(jī)科學(xué)家怎么處理的呢？

數(shù)值型數(shù)據(jù)的存儲：第一步先把它分解成數(shù)值型數(shù)據(jù)和非數(shù)值型數(shù)據(jù)。數(shù)值型數(shù)據(jù)又分解為整數(shù)和實(shí)數(shù)，整數(shù)又分解為有符號整數(shù)和無符號整數(shù)。從最簡單的無符號整數(shù)開始存儲，采用把數(shù)值從低位到高位存放在存儲單元（1個存儲單元1B）中，數(shù)值越大，使用的存儲單元就增多。類似于學(xué)生按照學(xué)號從小到大按照座位號在固定大小教室（50人定額）上課一樣，隨著學(xué)生數(shù)增多，教室就增多，學(xué)生比較容易理解。第二步解決有符號整數(shù)，有符號整數(shù)和無符號整數(shù)最大區(qū)別就是符號，讓學(xué)生從實(shí)際出發(fā)想：教室有50個座位，但有些班級人數(shù)比50少，按照座位號坐不滿，那些位置容易空出來，大家就會想出最易空的座位號是50，49，48，47……小座位號都會坐滿。同理存儲數(shù)值時用最高位作為符號位，不存數(shù)，就可以解決符號問題了，也滿足了實(shí)際存數(shù)的需求，一舉兩得。第三步就是存儲是實(shí)數(shù)了，實(shí)數(shù)又稱為浮點(diǎn)數(shù)，除了有正負(fù)號外，還形式多樣，為了解決形式多樣就必須對實(shí)數(shù)規(guī)范化，規(guī)范化后的二進(jìn)制數(shù)只需存儲該數(shù)的3部分：符號位，尾數(shù)，指數(shù)，符號位占一位，尾數(shù)和指數(shù)按照要求精度要求進(jìn)行存儲，這樣所有的數(shù)值型數(shù)據(jù)都存儲到計(jì)算機(jī)里面了。

非數(shù)值數(shù)據(jù)存儲：西文字符和漢字存儲首先要確定字符集，再編碼存儲，這時只是確定了每一個字符在計(jì)算機(jī)里的位置，由輸入碼輸入，字處理軟件編輯排版，輸出需要把西文字符和漢字用點(diǎn)陣描述或輪廓描述顯示出來。數(shù)字圖像的獲取步驟大體分為四步：掃描、分色、取樣、量化，首先要經(jīng)過掃描轉(zhuǎn)化把畫面分成M×N個取樣點(diǎn)，再將每個取樣點(diǎn)的顏色分解成R，G，B三個基色，取樣就是對每個點(diǎn)（像素）的3個分量分別測量其亮度值，量化就是對每個取樣點(diǎn)的分量值進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，使用數(shù)字整型量表示，最后都會轉(zhuǎn)化成0和1存儲起來。聲音是一種波，聲音的獲取步驟分為三步：取樣、量化、編碼，取樣是把時間上連續(xù)的信號轉(zhuǎn)化成時間上離散的信號，量化就是對每個樣本進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，使用8位或16位整數(shù)表示，編碼就是把所有的二進(jìn)制代碼組織在一起，并進(jìn)行壓縮存儲。

以上存儲過程就是數(shù)字、字符、圖像、聲音的數(shù)字化，那就是要把各種對象根據(jù)自身特征采用不同方法處理，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部都以0和1的一串代碼存儲，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的一系列自動化處理后，再由輸出設(shè)備輸出我們想要各種結(jié)果。

通過教學(xué)讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)科學(xué)家如何對復(fù)雜問題采用逐步分解，找準(zhǔn)切入點(diǎn)層層深入，逐個突破存儲，最后讓計(jì)算機(jī)裝下了整個世界。這也為各專業(yè)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維培養(yǎng)相關(guān)的實(shí)踐活動提供了可能，推廣開來包括虛擬現(xiàn)實(shí)，及可視世界的各種信息等，實(shí)際上都可以用0和1來表示，因此計(jì)算機(jī)不僅可以計(jì)算，還可以發(fā)出聲音、打電話、發(fā)傳真、放錄像、看電影，這就是因?yàn)?和1可以表示這種多媒體的形象。用0和1還可以產(chǎn)生虛擬的房子，因此用數(shù)字媒體就可以代表各種媒體，就可以描述千差萬別的現(xiàn)實(shí)世界。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)教學(xué)在各個模塊的教學(xué)中都會體現(xiàn)計(jì)算機(jī)科學(xué)家的智慧，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用過程中計(jì)算思維無處不在，例如文件與文件夾構(gòu)成的樹形結(jié)構(gòu)，就是由簡單二叉樹遞歸構(gòu)成。這些思想方法和思維能力也為學(xué)生解決學(xué)習(xí)、工作和生活的問題提供了思路和方法，從思維層面提升學(xué)生利用計(jì)算思維解決問題的能力。

5 總結(jié)與展望

不同專業(yè)學(xué)生所學(xué)專業(yè)不同，對計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)的需求不同，在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中不再以操作技能為基準(zhǔn)點(diǎn)而是以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維為導(dǎo)向，對計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行分解成適合計(jì)算思維培養(yǎng)的模塊化教學(xué)，以項(xiàng)目的方式完成學(xué)習(xí)任務(wù)，盡可能引導(dǎo)學(xué)生面對問題，先深入分析，應(yīng)用工程原理合理分解，用現(xiàn)有知識解決未知問題的創(chuàng)新思路和方法，構(gòu)建計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程的核心素養(yǎng)體系。英國皇家科學(xué)院將計(jì)算思維定義為認(rèn)識周圍世界所存在的不同層次的計(jì)算，應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)工具和技術(shù)理解并辨析自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)及其運(yùn)行過程[6]?，F(xiàn)在每個學(xué)生只要不斷努力，在學(xué)習(xí)中有效地利用計(jì)算思維處理問題，提升學(xué)生推陳出新的創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)——《九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》解讀[J].中國大學(xué)教學(xué)，2010（9）：5-9.

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[5] 龔沛曾，楊志強(qiáng).大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的計(jì)算思維培養(yǎng)[J].中國大學(xué)教學(xué)2012（5）：51-54.

[6] Royal Society.Shut down or restart： The way forward for computing in UK schools[DB/OL]. http：//royalsociety.org/education/policy/computing-in-schools/report/，2014-06-20.