計算思維視域下“能行性”建模能力培養(yǎng)研究與實(shí)踐

劉心聲 滕海坤

摘 ?要：計算思維已成為高校大學(xué)生能力培養(yǎng)研究的熱門課題之一，論文首先闡述計算思維能力的內(nèi)涵，然后分析計算思維之“能行性”問題模型構(gòu)建能力培養(yǎng)的特點(diǎn)，最后通過具體案例說明“能行性”問題模型的構(gòu)建，探索計算思維能力培養(yǎng)新途徑。

關(guān)鍵詞：計算思維;能行性;建模

1.引言

自美籍華人——美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授2006年在美國計算機(jī)權(quán)威期刊《Communications of the ACM》給出了計算思維的概念后，世界各國開始進(jìn)行計算思維能力培養(yǎng)的研究，對大學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)研究尤為突出。計算思維已被業(yè)界推崇為和數(shù)學(xué)、讀寫能力一樣重要的三大基本技能，是信息化社會數(shù)字公民必須具備的基本技能和思維方式^[1]。因此，計算思維能力培養(yǎng)是當(dāng)代大學(xué)教育的重要職能之一。

2.計算思維與計算思維能力

計算思維主要是以計算能力和思維能力為基礎(chǔ)的思維活動，周以真教授指出：計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動^[2]。因此，計算思維是一種能象計算機(jī)科學(xué)家一樣分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，要以問題為導(dǎo)向，從現(xiàn)實(shí)工作生活中發(fā)現(xiàn)問題，并對問題進(jìn)行抽象分析，通過模型識別，看能否利用現(xiàn)有的同類或相近計算思維模型解決該問題。如果不存在同類或相近計算思維問題模型，就應(yīng)該分析該問題能否轉(zhuǎn)化成離散問題，能轉(zhuǎn)化成離散問題，就構(gòu)建轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型，并通過算法思維實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到解決新問題的目的，這就是計算思維創(chuàng)新能力的高層境界，這種能力才是計算思維培養(yǎng)的終極目標(biāo)。

3.“能行性”模型構(gòu)建能力培養(yǎng)的特點(diǎn)

由于“能行性”是將現(xiàn)實(shí)生活工作中的實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成“0、1”二值離散量表示的問題，因此“能行性”模型構(gòu)建能力的培養(yǎng)就需要培養(yǎng)學(xué)生的“數(shù)/數(shù)”“模/數(shù)”轉(zhuǎn)換思想，將多值數(shù)值、連續(xù)的模擬信號量轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)，只要能將實(shí)際數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)表示，就符合“能行性”問題，就可以通過計算機(jī)軟件來模擬實(shí)現(xiàn)。

4.計算機(jī)描述問題“能行性”模型構(gòu)建與實(shí)踐

我們要培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，就必須讓學(xué)生理解掌握一定量的“能行性”問題思維模型，這些模型是學(xué)生創(chuàng)造性解決現(xiàn)實(shí)問題的參照系，是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的支撐。為解決這一問題，我們在教學(xué)改革中嘗試從計算機(jī)應(yīng)用各領(lǐng)域進(jìn)行“能行性”模型構(gòu)建分析，下面僅就幾個方面進(jìn)行簡要闡述。

（1）計算機(jī)漢字處理問題

漢字是方塊字，計算機(jī)最處不能識別，計算機(jī)只能識別0、1二進(jìn)制數(shù)，需要構(gòu)建“能行性”模型，實(shí)現(xiàn)漢字與二進(jìn)制數(shù)之間相互轉(zhuǎn)化的一系列算法，并對這些算法模型進(jìn)行分析、評價、改進(jìn)優(yōu)化，探討具體的軟件實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用等，這就是計算思維能力的具體體現(xiàn)。

計算機(jī)系統(tǒng)目前采用的是“點(diǎn)陣”字模處理技術(shù)，常用的點(diǎn)陣有16點(diǎn)陣、24點(diǎn)陣64點(diǎn)陣等不同方式，點(diǎn)陣越多，漢字越清晰、逼真。

下面以24點(diǎn)陣為例來說明這一轉(zhuǎn)換算法。先畫一個24行24列的二維表，形成一個24×24的小方格陣列，然后我們就在這個方格陣列中寫出需要的漢字，凡是筆畫經(jīng)過的小方格內(nèi)數(shù)值設(shè)為1，筆畫未經(jīng)過的小方格內(nèi)數(shù)值設(shè)為0，這樣漢字的字型就轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)值，一個24點(diǎn)陣的漢字字模共需要72個字節(jié)來存儲其信息。

系統(tǒng)輸出顯示漢字時，凡是“1”的像素，就顯示黑色，凡是“0”的像素就顯示白色，這樣白底黑字就顯示出來了，漢字就能用計算機(jī)處理了。

Windows操作系統(tǒng)給大家提供了一個“自造字程序”，可以用來建立字模庫。我國的標(biāo)準(zhǔn)漢字字庫現(xiàn)僅有漢字6367個，大家可以自已造字放在字庫中使用。

（2）整數(shù)的計算機(jī)存儲實(shí)現(xiàn)問題

由于計算機(jī)只能存儲、識別0、1二進(jìn)制數(shù)，阿拉伯?dāng)?shù)值也不能直接存儲，因此數(shù)值在計算機(jī)中存儲也必須轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)。下面以整數(shù)為例說明轉(zhuǎn)換算法。

對于正整數(shù)，直接轉(zhuǎn)化成其二進(jìn)制數(shù)即可實(shí)現(xiàn);但是，負(fù)整數(shù)如何存儲呢？整數(shù)前面的符號不同，這就需要考慮正負(fù)號的表示問題，顯然，這是兩種狀態(tài)！由于每一存儲位可以存儲0或1，所以可用存儲空間最高位來表示符號，通常規(guī)定0表示正，1表示負(fù)。

這種轉(zhuǎn)換對非0整數(shù)表示沒有問題，但0就會出現(xiàn)“+0”和“-0”兩種情況，而0是沒有正負(fù)的。

怎么解決這個問題呢？正整數(shù)采用原碼表示，負(fù)整數(shù)采用補(bǔ)碼就可以解決這一問題了。

（3）圖片的計算機(jī)存儲實(shí)現(xiàn)

圖片是通過像素聚焦而成的，計算機(jī)不能直接存儲與識別，必須將圖片的像素信息轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)值表示，怎么構(gòu)建的這種“能行性”轉(zhuǎn)化模型呢？

我們把一張圖片劃分成若干行、若干列的格，對應(yīng)的一個格稱為一個像素，像素的顏色可以用R、G、B三原色構(gòu)成，假如我們分別用一個字節(jié)來存儲R、G、B一種基色的層級，這樣每種基色就劃分成256個層級，整個像素就可以用24位二進(jìn)制數(shù)來存儲了，可以表示2²⁴種顏色，這就是我們說的真彩色，圖片在計算機(jī)中的存儲表示就實(shí)現(xiàn)了。

5.計算思維能力拓展培養(yǎng)

（1）閱讀大量“能行性”模型構(gòu)建案例，形成計算思維“能行性”問題模型庫。

（2）勤于思考，不斷突破計算思維能力應(yīng)用新領(lǐng)域，如聲音、表格、記帳憑證的存儲實(shí)現(xiàn)等，建構(gòu)新的“能行性”模型。

（3）善于分類歸納，對同一類別或相近問題歸為一類，概括解決所有可能方法、途徑。

（4）精于優(yōu)化，堅(jiān)持對已構(gòu)建模型進(jìn)行評價與優(yōu)化，如算術(shù)表達(dá)式的后綴表達(dá)式、數(shù)據(jù)壓縮存儲等算法實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張立國，王國華. 計算思維：信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的核心議題[J].電化教育研究，2018，39（5）：115-121.

[2]朱珂，賈彥玲，馮冬雪.歐洲義務(wù)教育階段發(fā)展計算思維的理論與實(shí)踐研究[J].電化教育研究，2019（9）：89-96.

作者簡介：

劉心聲（1969年11月——），男，漢族，黑龍江黑河人，教授，碩士，黑河學(xué)院計算機(jī)學(xué)院，從事計算機(jī)軟件與理論、網(wǎng)絡(luò)安全方向、計算機(jī)教育方向研究。

★ 基金項(xiàng)目：黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“基于能力為本的計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程設(shè)置與研究”（項(xiàng)目編號：SJGY0209）成果。