基于計算思維的Python程序設(shè)計課程教學(xué)案例設(shè)計

張敏, 賈強

(渭南師范學(xué)院 計算機學(xué)院， 陜西 渭南 714099)

0 引言

2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系的系主任周以真(Jeannette M. Wing)教授在美國計算機權(quán)威期刊《Communications of the ACM》上給出，并定義了計算思維(Computational Thinking)。周教授認為：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。

2007年，周以真教授在《中國計算機學(xué)會通訊》發(fā)表的文章中指出：“計算機科學(xué)的教授應(yīng)當(dāng)為大學(xué)新生開一門稱為“怎么像計算機科學(xué)家一樣思維”的課程，面向所有專業(yè)，而不僅僅是計算機科學(xué)專業(yè)的學(xué)生。我們應(yīng)當(dāng)使入大學(xué)之前的學(xué)生接觸計算的方法和模型?！?/p>

在微軟公司2016年產(chǎn)學(xué)合作計劃發(fā)布之初，教育部和大中小學(xué)各方面的教育專家齊聚微軟亞洲研究院，共同商討計算思維教育全齡化普及之議題。會議認為，“計算思維”理念在計算機基礎(chǔ)教育中的重要性不容忽視，應(yīng)作為培養(yǎng)目標的核心素養(yǎng)進行推廣，并對于在教學(xué)內(nèi)容建設(shè)，完善社會評價，推進政府支持等幾方面開展后續(xù)工作達成共識。參會各方均表示：“將計算思維教育貫穿到大中小學(xué),我們要有這樣的遠見!”

在中國知網(wǎng)中通過以下的檢索條件((主題=計算思維 或者 題名=計算思維 或者v_subject=中英文擴展(計算思維)或者title=中英文擴展(計算思維))(模糊匹配)),檢索到文獻總數(shù)4 843篇，運用知網(wǎng)的統(tǒng)計工具進行了初步統(tǒng)計分析，總體趨勢分析統(tǒng)計結(jié)果,如圖1所示。

圖1 中國知網(wǎng)計算思維研究總體趨勢分析

通過圖1我們可以看出，計算思維最早的研究開始于上世紀的80年代，但是在20世紀的研究都不溫不火，所以我們認為當(dāng)時的計算思維還沒有被更多的大眾學(xué)者所重視，也沒有被作為重點研究問題。計算思維的快速發(fā)展則出現(xiàn)在21世紀初，從2010年到2020年的10年里，文獻研究的數(shù)量呈直線上升的趨勢，2019年達到了年論文發(fā)表數(shù)量900篇左右。此趨勢表明，近10年間社會和大眾研究者對計算思維的重視程度和研究熱度大幅度提升。主題分布統(tǒng)計結(jié)果,如圖2所示。

圖2 中國知網(wǎng)計算思維研究主題分別統(tǒng)計

通過圖2我們可以看出，計算思維相關(guān)的研究論文中包含“計算思維”主題的論文占總論文數(shù)量的34.59%，包含“計算思維能力”主題的論文占總論文數(shù)量的10.19%，其中包含“計算機基礎(chǔ)教學(xué)”“教學(xué)改革”和“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”主題的論文占總論文數(shù)量的10.89%。這些數(shù)據(jù)表明，計算思維在計算機類課程的教學(xué)中起到舉足輕重的作用，教學(xué)改革更多的關(guān)注計算機課程中計算思維的運用。東北師范大學(xué)于穎在2017年提交的博士論文《計算思維主導(dǎo)的高中信息技術(shù)教材結(jié)構(gòu)設(shè)計研究》中強調(diào)：“計算思維是21世紀學(xué)習(xí)者的必備能力，各發(fā)達國家相繼把計算思維納入國家課程標準，我國也將計算思維寫進國家課程標準,并將其列為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一”[1]。

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，Python語言作為一種數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析的通用語言，應(yīng)用比較廣泛。目前Python的應(yīng)用熱度緊隨在C/C++語言和Java語言之后。多年前，Python語言開設(shè)在斯坦福等國外高校的程序設(shè)計課程中，近些年，清華大學(xué)等國內(nèi)學(xué)校也先后開設(shè)了Python程序設(shè)計課程，并向大中專院校推廣和普及[2]。

Python程序設(shè)計課程是計算機類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。通過Python課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握Python編程的基本方法；通過對程序設(shè)計教學(xué)案例的設(shè)計，使學(xué)生快速地積累編程經(jīng)驗，提高學(xué)生利用計算機解決實際問題的能力[3-4]。

將計算思維融入到程序設(shè)計中，不僅僅教授具體程序語言及應(yīng)用，而且強調(diào)程序設(shè)計的思想和方法，使學(xué)習(xí)者理解和運用計算思維求解問題的思想和方法，從而，使學(xué)習(xí)者理解將計算思維融入不同學(xué)科領(lǐng)域的重要性，并將程序設(shè)計類課程從單純知識和技能的培養(yǎng)層面提高到意識和思維的培養(yǎng)層面[5-6]。

本文以Python語言程序設(shè)計為例，根據(jù)課程教學(xué)目標和教學(xué)內(nèi)容，選擇合適的教學(xué)案例，以計算思維為導(dǎo)向的案例設(shè)計，盡可能貼近實際解決問題的模式，讓學(xué)生體會到如何用計算機解決問題的方法來解決生活中的問題。

1 基于計算思維的教學(xué)案例設(shè)計原則

著名案例研究學(xué)者托爾(Towl A R)說：“一個出色的案例，是教師與學(xué)生就某一具體事實相互作用的工具，一個出色的案例，是以實際生活情境中肯定會出現(xiàn)的事實為基礎(chǔ)所展開的課堂討論。它是進行學(xué)生探討的支撐點，是關(guān)于某種復(fù)雜情境的記錄，它一般是在讓學(xué)生理解這個情境之前，首先將其分解成若干成分，然后將其整合在一起?！?/p>

依據(jù)托爾的觀點，結(jié)合程序設(shè)計類課程的特點，給出基于計算思維教學(xué)案例設(shè)計原則如下。

(1) 案例選題生活化：選取生活中的案例，學(xué)生容易理解，也很感興趣。

(2) 案例涵蓋知識點典型化：選取涵蓋程序設(shè)計課程中教學(xué)知識點的典型案例，容易在解決問題時掌握所學(xué)知識要點。

(3) 案例具有可分解性：一個完整的教學(xué)案例可以在求解時將其分為若干部分，對每個小問題求解后將其整合。

2 基于計算思維的教學(xué)案例設(shè)計流程

計算思維的四大基石：分解、模式識別、抽象和算法。其中分解是指將復(fù)雜的問題分解成更小、更簡單的問題；模式識別是指建立相似的問題和經(jīng)驗之間的聯(lián)系；抽象主要是指識別重要的信息，忽略不相關(guān)的細節(jié)；算法是指理清思路，設(shè)計步驟解決問題?；谟嬎闼季S的教學(xué)案例設(shè)計流程,如圖3所示。

圖3 基于計算思維的教學(xué)案例設(shè)計流程

3 基于計算思維的Python課程教學(xué)案例設(shè)計舉例

3.1 教學(xué)安排

教學(xué)內(nèi)容：選擇結(jié)構(gòu)、隨機函數(shù)、turtle庫。

教學(xué)目的：掌握選擇結(jié)構(gòu)、隨機函數(shù)、turtle庫的應(yīng)用。

教學(xué)重點：選擇結(jié)構(gòu)、隨機函數(shù)、turtle庫的應(yīng)用。

教學(xué)難點：選擇結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

3.2 問題提出

游戲：石頭、剪刀、布，編寫程序讓玩家與計算機玩經(jīng)典的石頭、剪刀、布游戲。

游戲規(guī)則：石頭可以磕碰剪刀；剪刀可以剪布；布可以包裹石頭

游戲結(jié)束條件：玩家贏為止。

為了增加游戲的趣味性，游戲結(jié)果用圖形的方式顯示，如圖4所示。

3.3 問題描述

玩家輸入石頭(1)、布(2)、剪刀(3)，程序使用隨機數(shù)函數(shù)產(chǎn)生1-3的隨機數(shù)，如果玩家輸入的數(shù)和隨機數(shù)相等，則為平局；如果玩家輸入的數(shù)減去隨機數(shù)的差為1或-2，則玩家贏，否則玩家輸。程序在玩家贏后結(jié)束。使用turtle庫實現(xiàn)顯示玩家和隨機數(shù)對應(yīng)的圖片，及結(jié)果對應(yīng)的圖片。

3.4 問題分解

① 玩家輸入石頭、剪刀、布，且圖片顯示。

② 機器隨機生成石頭、剪刀、布，且圖片顯示。

③ 比較玩家輸入的值與機器隨機生成的值。

④ 根據(jù)規(guī)則輸出結(jié)果，且圖片顯示。

3.5 模式識別

這個問題與我們?nèi)粘Ｉ钪械亩嘀剡x擇問題相似，也與我們初中學(xué)習(xí)過的求解分支函數(shù)的問題相似。程序設(shè)計問題中的選擇結(jié)構(gòu),分支函數(shù)公式,如圖5所示。

圖5 分支函數(shù)

3.6 抽象化

隨機函數(shù)：random.randint()

格式：random.randint(a,b)

解釋：參數(shù)a和b是隨機數(shù)的下限和上限，必須要寫。

例如：random.randint(1,3) #隨機生成1-3的整數(shù)

Turtle庫：是Turtle繪圖體系的Python實現(xiàn)。

設(shè)置圖片：turtle.register_shape(“圖片名")

輸入框：Turtle庫中的textinput()方法為用戶提供一個輸入窗口。

多分枝選擇結(jié)構(gòu)：if…elif…else

if 條件表達式: if 條件表達式1:

語句 語句1

if 條件表達式: elif 條件表達式2:

語句1 語句2

else: else:

語句2 語句3

3.7 算法分析

S1：用turtle庫的turtle.register_shape( )方法設(shè)置石頭、剪刀、布圖片。

S2：用turtle庫的turtle.register_shape( )方法設(shè)置輸、贏、平局圖片。

S3：創(chuàng)建用戶、計算機及結(jié)果三個turtle對象調(diào)用turtle.register_shape( )方法。

S4：設(shè)置三個圖片位置初始值。

S5：while True:循環(huán)語句控制程序循環(huán)執(zhí)行。

S6：用戶輸入(1)石頭、(2)布、(3)剪刀，根據(jù)用戶輸入結(jié)果顯示“石頭剪子布”圖片。

S7：計算機隨機給出(1)石頭、(2)布、(3)剪刀，根據(jù)隨機結(jié)果顯示相應(yīng)圖片。

S8：判斷選手和計算機的結(jié)果得出輸贏結(jié)果。如果玩家輸入的數(shù)和隨機數(shù)相等，則為平局；如果玩家輸入的數(shù)減去隨機數(shù)的差為1或-2，則玩家贏，否則玩家輸。

S9：重復(fù)S5-S8，直到玩家贏后結(jié)束。

3.8 代碼實現(xiàn)

import random

import turtle

#使用turtle的register_shape()方法設(shè)置石頭、剪刀、布的圖片

turtle.register_shape("布.gif")

turtle.register_shape("石頭.gif")

turtle.register_shape("剪刀.gif")

#使用turtle的register_shape()方法設(shè)置平局、輸、贏的結(jié)果圖片

turtle.register_shape("贏.gif")

turtle.register_shape("輸.gif")

turtle.register_shape("平局.gif")

#創(chuàng)建玩家、機器和結(jié)果三個turtle對象

gamer=turtle.Turtle()

machine=turtle.Turtle()

result=turtle.Turtle()

#開始先隱藏turtle圖片

gamer.hideturtle()

machine.hideturtle()

results.hideturtle()

#設(shè)置玩家、機器和結(jié)果三個圖片的位置初始值

gamer.penup()

gamer.goto(-110,60)

machine.penup()

machine.goto(110,60)

results.penup()

results.goto(0,-110)

while True:

#提示用戶輸入1,2,3其中 石頭(1),布(2),剪刀(3)

p=turtle.textinput("輸入","請出石頭剪子布-石頭(1),布(2),剪刀(3)")

#通過用戶輸入結(jié)果來顯示"石頭剪子布"的圖片

if p=='1':

gamer.shape("石頭.gif")

p=1

elif p=='2':

gamer.shape("布.gif")

p=2

elif p=='3':

gamer.shape("剪刀.gif")

p=3

else:

break

gamer.showturtle()

#計算機使用隨機函數(shù)產(chǎn)生隨機的"石頭剪刀布"

c=random.randint(1,3)

if c==1:

machine.shape("石頭.gif")

elif c==2:

machine.shape("布.gif")

else:

machine.shape("剪刀.gif")

machine.showturtle( )

#比較并判斷玩家和計算機的結(jié)果，并給出平局、輸、贏等結(jié)果

r=p-c

if r==1 or r==-2:

print("你贏啦！")

results.shape("贏.gif")

break

elif r==0:

print("平局")

results.shape("平局.gif")

results.showturtle()

else:

print("你輸啦！")

results.shape("輸.gif")

results.showturtle()

3.9 案例總結(jié)

基于計算思維的教學(xué)案例設(shè)計遵循以下步驟。

① 案例提出：課程內(nèi)容開始前提出案例，并對案例進行一定的描述，因為案例選自生活化的問題，所以學(xué)生很容易明確本次課程需要解決的問題。

② 教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用：針對案例問題的解決所需要的理論知識，講解本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生掌握理論知識的應(yīng)用

③ 計算思維的四要素：按照計算思維的四要素來分析問題，引導(dǎo)學(xué)生運用計算思維的的方法去思考和解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

④ 問題解決：完成案例求解，鍛煉學(xué)生使用計算思維的方式思考和解決問題

4 總結(jié)

計算思維的思想出現(xiàn)在遠古，真正的發(fā)展在21世紀初。對于21世紀的學(xué)習(xí)者，計算思維是必備的能力。在程序設(shè)計類課程中，運用計算思維設(shè)計教學(xué)案例，選擇生活化、個性化、典型化的案例，強調(diào)程序設(shè)計的思想和方法，使學(xué)習(xí)者理解和運用計算思維求解問題的思想和方法來解決生活中的問題。計算思維將程序設(shè)計類課程從單純知識和技能的培養(yǎng)層面提高到意識和思維的培養(yǎng)層面，提高學(xué)生解決問題的能力，也為學(xué)生綜合素質(zhì)的提升打下一定的基礎(chǔ)。