以Python為工具培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維

賈瑞鳳+馬曾+侯春龍

摘要：大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是本科學(xué)生必修的科學(xué)文化基礎(chǔ)課程。旨在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)基本技能，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)和終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。Python編程語(yǔ)言在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維和解決問題能力起著非常重要的支撐作用。該種作用主要滲透在每部分知識(shí)的具體應(yīng)用之中。

關(guān)鍵詞：大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程；計(jì)算思維；Python

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）02-0117-02

Using Python as a Tool to Train Students Computational Thinking

JIA Rui-feng， MA Zeng， HOU Chun-long

（Navy Submarine Academy， Qingdao 266199， China）

Abstract： The basic computer course of university is a required course of science and culture for undergraduate students. The purpose is to train students computational thinking and computer basic skills and lay the foundation for the follow-up curriculum learning and lifelong development. Python programming language plays a very important supporting role in students` Computational Thinking Training and problem solving ability in the course learning process. This function permeates the specific application of each part of knowledge.

Key words： The Basic Computer Course of University； Computational Thinking； Python

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是本科學(xué)生必修的科學(xué)文化基礎(chǔ)課程。旨在培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)基本技能，為后續(xù)課程學(xué)習(xí)和終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)可以分為兩個(gè)層面，一是學(xué)會(huì)如何有效使用計(jì)算機(jī)；二是培養(yǎng)計(jì)算思維。計(jì)算機(jī)思維是一種根本技能，是每一個(gè)人為了在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮職能所必須掌握的。它是人類逐漸意識(shí)到計(jì)算機(jī)解決問題的強(qiáng)大能力后而自然產(chǎn)生的思維模式，以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，是人類求解問題的一條途徑。當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動(dòng)的整體時(shí)，它作為一個(gè)問題解決的有效工具，人人都應(yīng)掌握，處處都會(huì)被使用。以python工具為主線，展開課程內(nèi)容，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維有著積極的作用。

1 Python與計(jì)算思維，計(jì)算思維培養(yǎng)的工具

對(duì)于普通的計(jì)算機(jī)使用者，程序就像是一個(gè)黑匣子。當(dāng)這個(gè)程序的黑匣子獲得一個(gè)輸入，它就按照事先定義好的變換規(guī)則，對(duì)輸入進(jìn)行變換，得到結(jié)果并輸出。所以，普通用戶只需要了解黑匣子的輸入格式，就能使用黑匣子所提供的功能，不再需要了解黑匣子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這是把計(jì)算機(jī)作為一個(gè)快速、方便、精確的工具來(lái)學(xué)習(xí)。而對(duì)于信息時(shí)代的本科學(xué)生來(lái)說(shuō)，僅僅知道黑匣子的功能和使用方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為將來(lái)職業(yè)服務(wù)、終身發(fā)展需要，應(yīng)當(dāng)一步一步打開這個(gè)黑匣子，探索和了解其內(nèi)部的構(gòu)造，從而進(jìn)一步設(shè)計(jì)具有個(gè)性功能的、屬于自己的黑匣子。在這個(gè)探索過(guò)程中，學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)特有的算法進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，計(jì)算思維在不斷地形成，解決問題的能力在不斷提高。在程序設(shè)計(jì)范疇，計(jì)算思維主要反映在理解問題的計(jì)算特性、將計(jì)算特性抽象為計(jì)算問題、通過(guò)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)問題的自動(dòng)求解等幾個(gè)方面。Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是一種被廣泛使用的高級(jí)通用腳本編程語(yǔ)言，其語(yǔ)法簡(jiǎn)潔，通用靈活，強(qiáng)制可讀、支持中文、模式多樣、類庫(kù)豐富等特性，為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)提供了良好地支持。在Python語(yǔ)言學(xué)習(xí)過(guò)程中，重點(diǎn)解決程序設(shè)計(jì)的基本方法和解決問題的具體算法。程序設(shè)計(jì)通常采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，以一個(gè)總問題開始，試圖把它表達(dá)為很多小問題組成的解決方案。在用同樣的技術(shù)一次攻破每個(gè)小問題，最終問題變得很小，以至于可以很容易解決。在程序執(zhí)行過(guò)程中，小規(guī)模程序直接運(yùn)行，稍微大規(guī)模的程序采用自底向上的執(zhí)行和測(cè)試，有助于定位錯(cuò)誤。以上所有這些思想與方法都是計(jì)算思維應(yīng)用的具體表現(xiàn)。在程序?qū)W習(xí)過(guò)程中還要注重算法的設(shè)計(jì)，讓學(xué)生體會(huì)計(jì)算方法對(duì)解決問題的重要性，培養(yǎng)對(duì)應(yīng)用的敏感性，進(jìn)而培養(yǎng)計(jì)算思維。Python為人人都能使用的科學(xué)計(jì)算提供了有力支持。

2 Python與算法，計(jì)算思維的核心

算法是計(jì)算機(jī)科學(xué)魅力的體現(xiàn)之一。是一系列的計(jì)算步驟，用來(lái)將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成輸出結(jié)果，是計(jì)算機(jī)問題求解中非常重要的步驟，在分析清除問題后，需要通過(guò)設(shè)計(jì)算法把問題的數(shù)學(xué)模型或處理需求轉(zhuǎn)化為使用計(jì)算機(jī)解題步驟，然后再將算法實(shí)現(xiàn)為程序，最后在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行從而得到問題的解。把算法理解透徹，成為習(xí)慣思維，自然而然地就成為了計(jì)算思維。對(duì)算法的深刻理解到計(jì)算思維的養(yǎng)成，可以幫助我們?cè)谌粘Ｉ?、行政管理、時(shí)間規(guī)劃、經(jīng)營(yíng)理財(cái)?shù)雀黝悊栴}的解決上會(huì)得到莫大的助益。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程涉及建模與模擬基本技術(shù)與方法；解決問題的基本思路——遞歸法；解決問題的基本方法——分治法、貪心算法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃；具體算法——排序、查找、背包等典型算法；算法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)——算法正確性、時(shí)間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度等。

算法雖然與編程語(yǔ)言沒有關(guān)系，獨(dú)立于編程語(yǔ)言之外，但是算法卻是編程的第一步，算法設(shè)計(jì)是否合適，關(guān)系著是否能以正確的方式解決問題以及解決問題的效率。離開程序，獨(dú)立的算法也沒有實(shí)際意義，程序也是實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證算法的一種途徑。Python語(yǔ)言的易學(xué)易用性為學(xué)生進(jìn)一步熟練掌握各種算法提供了有力支持。endprint

3 Python與計(jì)算機(jī)硬件，計(jì)算思維實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)

如果說(shuō)程序是實(shí)現(xiàn)用戶需求的直接實(shí)現(xiàn)者，那么計(jì)算機(jī)硬件則是支持程序運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)在程序運(yùn)算過(guò)程中的傳輸與計(jì)算都以硬件為基礎(chǔ)。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中，計(jì)算機(jī)硬件學(xué)習(xí)主要內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)工作原理、CPU工作過(guò)程、存儲(chǔ)工作系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)等。在硬件知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中滲透計(jì)算思維的主要手段是通過(guò)構(gòu)造模型，讓學(xué)員從計(jì)算本質(zhì)來(lái)探討計(jì)算機(jī)的硬件組成與工作方式，使其從本質(zhì)上知道計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生是源于計(jì)算的需要。為理解現(xiàn)代計(jì)算機(jī)工作原理，可以借助計(jì)算機(jī)思維對(duì)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)機(jī)器進(jìn)行建模和模擬。在建模過(guò)程中，忽略掉CPU、內(nèi)存等的設(shè)計(jì)工藝、工作頻率等細(xì)節(jié)，抽象出CPU、內(nèi)存的行為機(jī)制，并基于抽象出來(lái)的行為模型，利用Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言進(jìn)行描述，變成計(jì)算機(jī)可理解的模型，在該抽象模型上自動(dòng)化地執(zhí)行指令和程序，以此來(lái)模擬其工作過(guò)程。學(xué)生在整個(gè)建模、模擬和程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中，體會(huì)計(jì)算機(jī)工作過(guò)程和實(shí)現(xiàn)算法，追溯計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算的初衷，不僅知道計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行計(jì)算，還知道了計(jì)算機(jī)怎么計(jì)算，培養(yǎng)了計(jì)算思維和解決問題能力。

4 Python與操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件的核心，它對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件資源進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)，并代表計(jì)算機(jī)與外界進(jìn)行通信。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程對(duì)操作系統(tǒng)知識(shí)的要求是操作系統(tǒng)對(duì)硬件資源管理、操作系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用軟件提供服務(wù)，操作系統(tǒng)對(duì)多程序執(zhí)行環(huán)境的管理以及操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)對(duì)文件的管理。在操作系統(tǒng)知識(shí)部分的學(xué)習(xí)過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維主要體現(xiàn)在能夠通過(guò)Python使用操作系統(tǒng)典型功能。如利用Python創(chuàng)建進(jìn)程、枚舉進(jìn)程、終止進(jìn)程；查看進(jìn)程信息，系統(tǒng)存儲(chǔ)信息；獲取磁盤信息，讀寫文件等。讓學(xué)生更深入地了解操作系統(tǒng)的工作方式，理解每個(gè)數(shù)據(jù)的含義，體會(huì)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)中抽象、并發(fā)、共享等基本概念，培養(yǎng)計(jì)算思維。

5 Python與網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和多媒體

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)最基本的功能就在于信息傳送和資源共享。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程關(guān)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)部分掌握的內(nèi)容主要包括網(wǎng)絡(luò)的概念、組成、結(jié)構(gòu)和功能；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用等。這部分知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中，計(jì)算思維培養(yǎng)主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用以及通過(guò)Python編程進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信、發(fā)送郵件、抓取網(wǎng)頁(yè)等。通過(guò)這部分的學(xué)習(xí)讓學(xué)生體會(huì)在目前的復(fù)雜信息系統(tǒng)階段，如何游刃有余地在網(wǎng)絡(luò)上享受大數(shù)據(jù)帶給我們的便利。

數(shù)據(jù)庫(kù)在計(jì)算機(jī)中的使用帶來(lái)如下好處：降低數(shù)據(jù)的冗余度、節(jié)省數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的充分共享等。在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中，數(shù)據(jù)庫(kù)部分主要掌握的知識(shí)點(diǎn)有數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)功能與組成、數(shù)據(jù)查詢與數(shù)據(jù)發(fā)掘以及數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的應(yīng)用。培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維主要體現(xiàn)在構(gòu)建數(shù)據(jù)模型、使用Python數(shù)據(jù)庫(kù)程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等。通過(guò)構(gòu)建模型、編寫程序，讓學(xué)生了解數(shù)據(jù)挖掘方法，理解使用數(shù)據(jù)庫(kù)處理數(shù)據(jù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，形成使用計(jì)算機(jī)處理信息、解決問題的思路。

多媒體技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)的重要技術(shù)領(lǐng)域，多媒體技術(shù)似的計(jì)算機(jī)從原來(lái)只能處理數(shù)字、文字信息發(fā)展到可以處理聲音、圖形、圖像、視頻等多種媒體信息。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中關(guān)于多媒體部分主要是常用影音播放工具、圖形圖像處理、動(dòng)畫制作、數(shù)字視頻制作等。在學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)方面主要體現(xiàn)在能夠意識(shí)到使用多媒體工具處理信息；能夠利用Python編程，進(jìn)行多媒體信息處理，如繪制圖形。讓學(xué)生理解數(shù)字多媒體編碼標(biāo)準(zhǔn)與格式，掌握?qǐng)D形處理的編程方法。

總之，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的主要作用是以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為目標(biāo)，以使用計(jì)算機(jī)解決問題為基礎(chǔ)，通過(guò)掌握計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，形成計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，為在未來(lái)信息化社會(huì)中終身發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸漢權(quán). 基于計(jì)算思維的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué)， 2012（9）：55-58.

[2] 沙行勉. 計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社， 2016： 1-4.

[3] 嵩天， 禮欣， 黃天羽. Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M]. 北京： 高等教育出版社， 2017： 3-24.

[4] 安利， 趙永梅. 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J]. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)， 2014（12）：179-181.

[5] 陳國(guó)良， 董榮勝. 計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[J]. 中國(guó)大學(xué)教學(xué)， 2011（1）：7-12.endprint