應用計算思維學習計算機應用基礎提升學生創新能力

李桂春

摘要：大學計算機應用基礎內容涵蓋了計算機所有方面，為了有效利用學生對計算機的興趣，挖掘大學生的思維潛能，在教學中應用計算思維來引導學生學習計算機知識，形成自己的思維模式，在計算機學習中突破單純操作技能訓練的局限，提升學生的問題解決能力和創新能力，把計算思維遷移到所學的專業和實際問題解決與應用中。

關鍵詞：思維潛能;計算思維;思維模式;創新能力

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

1 背景知識

計算機為了科學計算誕生，計算機的應用范圍和能力不斷擴大，不但能夠處理數值的和非數值的計算，用計算機模仿和實現人的智能活動，ALFGO贏柯潔的比賽，更是讓人們領略了機器擁有戰勝人的智能。在計算機發展過程中形成了像計算機科學家一樣的思維來解決問題的思維方式，2006年3月，美國卡內基.梅隆大學計算機科學系主任周以真指出：計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。計算思維的本質是抽象（Abstraction）和自動化（Automation）。如同所有人都具備是非判斷、文字讀寫和進行算術運算一樣，計算思維也是一種本質的、所有人都必須具備的思維能力。計算思維成為與理論思維、實驗思維并肩的3種科學思維之一，計算思維能力不再是計算機專業學生所獨享的思維方式，將來就會像閱讀、寫作和算數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，探討了計算思維融入計算機基礎課程的問題，2010年7月召開了西安會議，2010年9月召開了太原會議，均把計算思維列為會議的主要議題，討論如何在新形勢下提高計算機基礎教學的質量。特別是《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》，確定了以計算思維為核心的計算機基礎課程的教學改革[2-4]，2010年10月陳國良院士在“第六屆大學計算機課程報告論壇”倡議：將計算思維引入大學計算機基礎教學[5]。說明計算思維得到了國內計算機基礎教育界的廣泛重視，在計算機應用基礎教育中要把培養計算思維融入教學和學習中來，提升學生使用計算思維來解決自己在各專業領域中遇到問題的能力。

2 培養計算思維能力

計算思維是各個專業的學生都應該掌握的一種思維模式，不管是大一要做的職業規劃，還是日常生活發生的各種事情及為人處事，以及在學習不同專業知識進行合理的職業定位找到合適的工作。

由于計算思維是在計算機這個工具誕生并不斷強大的發展歷程中形成的，那么就要在計算機應用基礎的教學中設計使用計算思維的教學內容和學習資料，讓學生在潛移默化的教學中掌握計算思維，提高學生獨立思考隨機應變解決問題的能力。

3 準備適合計算思維的教學設計

計算機應用基礎主要有計算機基礎操作、軟件使用實操、所有與計算機相關的理論知識模塊，教師要在教學中做一個充分的準備，合理設計教學情境，教學方法，引導學生使用計算思維的解題步驟。

計算思維存在計算機的軟件操作和理論教學都蘊含著使用計算思維處理問題的模式。那么如何讓計算機應用基礎課程中體驗并逐步建立起計算機學科獨特的思維方式呢？在不斷教學實踐中，以問題為導向讓學生思考如果是你碰到這樣的問題，你該如何解決？計算機科學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習中感受為解決實際問題而不斷的突破現有思維的大膽的創新能力，感受計算機科學家奇妙的思維模式，慢慢形成自己計算思維，應用到自己專業領域。

4 引入計算思維的教學實踐

根據需求和發展理論對計算機基礎教學劃分不同的模塊，就要讓學生思考以下問題：計算機是怎樣誕生的？計算機如何存儲和處理數據的？計算機是如何相互通信的？你會使用計算機做哪些事情？如果在工作生活中遇到計算機科學家同樣的問題，你會怎樣處理解決呢？回答了以上問題，也就會培養一個具有計算思維的人，根據以上問題，對計算機應用基礎的內容按照計算思維要求分為以下教學模塊：計算機的誕生、發展史、計算機存儲處理數據、計算機系統構成、計算機基本操作和常用軟件使用、網絡和網絡安全。

本文以計算機如何存儲處理數據的這一模塊為例引入計算思維。首先要把數據存進計算機中，但同時自然界中的數據各種各樣，紛繁復雜，要一股腦兒用一種方法存儲起來是不可能的，計算機科學家怎么處理的呢？

數值型數據的存儲：第一步先把它分解成數值型數據和非數值型數據。數值型數據又分解為整數和實數，整數又分解為有符號整數和無符號整數。從最簡單的無符號整數開始存儲，采用把數值從低位到高位存放在存儲單元（1個存儲單元1B）中，數值越大，使用的存儲單元就增多。類似于學生按照學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，隨著學生數增多，教室就增多，學生比較容易理解。第二步解決有符號整數，有符號整數和無符號整數最大區別就是符號，讓學生從實際出發想：教室有50個座位，但有些班級人數比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。同理存儲數值時用最高位作為符號位，不存數，就可以解決符號問題了，也滿足了實際存數的需求，一舉兩得。第三步就是存儲是實數了，實數又稱為浮點數，除了有正負號外，還形式多樣，為了解決形式多樣就必須對實數規范化，規范化后的二進制數只需存儲該數的3部分：符號位，尾數，指數，符號位占一位，尾數和指數按照要求精度要求進行存儲，這樣所有的數值型數據都存儲到計算機里面了。

非數值數據存儲：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算機里的位置，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陣描述或輪廓描述顯示出來。數字圖像的獲取步驟大體分為四步：掃描、分色、取樣、量化，首先要經過掃描轉化把畫面分成M×N個取樣點，再將每個取樣點的顏色分解成R，G，B三個基色，取樣就是對每個點（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的分量值進行模/數轉換，使用數字整型量表示，最后都會轉化成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的信號轉化成時間上離散的信號，量化就是對每個樣本進行模/數轉換，使用8位或16位整數表示，編碼就是把所有的二進制代碼組織在一起，并進行壓縮存儲。

以上存儲過程就是數字、字符、圖像、聲音的數字化，那就是要把各種對象根據自身特征采用不同方法處理，在計算機內部都以0和1的一串代碼存儲，經過計算機的一系列自動化處理后，再由輸出設備輸出我們想要各種結果。

通過教學讓學生了解計算機科學家如何對復雜問題采用逐步分解，找準切入點層層深入，逐個突破存儲，最后讓計算機裝下了整個世界。這也為各專業學生進行計算思維培養相關的實踐活動提供了可能，推廣開來包括虛擬現實，及可視世界的各種信息等，實際上都可以用0和1來表示，因此計算機不僅可以計算，還可以發出聲音、打電話、發傳真、放錄像、看電影，這就是因為0和1可以表示這種多媒體的形象。用0和1還可以產生虛擬的房子，因此用數字媒體就可以代表各種媒體，就可以描述千差萬別的現實世界。

計算機應用基礎教學在各個模塊的教學中都會體現計算機科學家的智慧，計算機技術的發展和應用過程中計算思維無處不在，例如文件與文件夾構成的樹形結構，就是由簡單二叉樹遞歸構成。這些思想方法和思維能力也為學生解決學習、工作和生活的問題提供了思路和方法，從思維層面提升學生利用計算思維解決問題的能力。

5 總結與展望

不同專業學生所學專業不同，對計算機學習的需求不同，在計算機基礎教學中不再以操作技能為基準點而是以培養學生的計算思維為導向，對計算機應用基礎的內容進行分解成適合計算思維培養的模塊化教學，以項目的方式完成學習任務，盡可能引導學生面對問題，先深入分析，應用工程原理合理分解，用現有知識解決未知問題的創新思路和方法，構建計算機應用基礎課程的核心素養體系。英國皇家科學院將計算思維定義為認識周圍世界所存在的不同層次的計算，應用計算機科學工具和技術理解并辨析自然系統和人工系統及其運行過程[6]?，F在每個學生只要不斷努力，在學習中有效地利用計算思維處理問題，提升學生推陳出新的創新能力。

參考文獻：

[1]? Jeannette M.Wing.ComputationalThinking[J]. Communications of the ACM. 2006，49（3）：33-35.

[2] 九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明[J]. 中國大學教學，2010（9）：4，9.

[3] 何欽銘，陸漢權，馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養——《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》解讀[J].中國大學教學，2010（9）：5-9.

[4] 董榮勝.《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明》呼喚教育的轉型[J].中國大學教學，2010（10）：14-15.

[5] 龔沛曾，楊志強.大學計算機基礎教學中的計算思維培養[J].中國大學教學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.