勢科學視角下信息表示與運算基礎教學改革實踐

張江維

摘要：針對非計算機專業學生計算思維能力培養目標和當前信息表示與運算基礎教學現狀，依據勢科學原理將信息表示、信息邏輯運算理論、Excel應用軟件操作等不同教育要素，通過實際問題求解緊密聯系起來，利用對稱性將枯燥的理論教學與實踐操作技能統一起來，理論指導實踐，實踐操作強化理論，同時進制轉換統一起來，提高了學生動手實踐的熱情和興趣，提高了課堂教學信息量，教學效果明顯提升。

關鍵詞：計算思維；勢科學原理；教學改革

大學計算機基礎課程教學的主要目標是培養學生的計算思維能力，對于非計算機專業學生來說，其最終目標是培養學生利用計算機科學的核心知識求解本專業的具體問題的能力。而信息表示與運算基礎是計算機進行問題求解的基礎，由于是計算機最基礎的內容，反而距離初學者太遠，難以接受和理解。面對枯燥的01代碼串，很多學生無所適從，興趣不高，雖然大多學生能夠手動驗算完成進制間轉換、邏輯運算等操作，但由于缺乏真正的二進制加法器設計實踐，初學者對于信息表示和邏輯運算的理解往往比較膚淺，和真正的計算機世界差距較大，為此，依據勢科學原理——教育信息勢=差別×聯系，將Excel應用軟件部分操作內容與信息表示和運算基礎相結合，通過Excel應用軟件模擬實現二進制數全加器、進制轉換和七段字形碼數碼顯示等教學實踐，使學生在實踐操作中理解計算機信息表示和工作原理，大大提高了課堂教學的信息量，提升了學生的動手能力和解決實際問題的能力。

1計算思維與勢科學

計算思維就是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為。計算思維是每個人的基本技能，它不僅僅屬于計算機科學家。而是和要和閱讀、寫作和算術（Reading writing，and arithmetic——3R）等技能一樣，也要學會計算思維能力。計算思維就是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡釋成一個我們知道怎樣解決的問題。計算思維就是把代碼譯成數據又把數據譯成代碼。計算思維采用了抽象和分解來迎接龐雜的任務或者設計巨大復雜的系統。計算思維是選擇合適的方式去陳述一個問題，或者是選擇合適的方式對一個問題的相關方面建模使其易于處理。計算思維是按照預防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式從最壞情形恢復的一種思維。計算思維利用啟發式推理來尋求解答，就是在不確定情況下的規劃、學習和調度。計算思維的本質是抽象和自動化。

勢科學研究的主要內容是與素質、創新及和諧有關的、現有理論無法給以科學闡述的、涉及復雜系統的內容。勢科學研究的可操作性概念是“對稱性”，基本研究方法是從整體直覺到邏輯演繹。勢的運行機制是“差別促進聯系，聯系擴大差別”。人才成長和教育過程是一個信息作用的動力學過程。勢科學關于教育過程績效函數的兩個核心要素就是教育要素之間的差別和聯系。同時給出了教學信息量與信息勢等價，即信息量=差別÷距離=差別×聯系。由此可知，課堂教學知識內容要素之間的差別越大，聯系越緊密，課堂信息量越大，課堂績效越好。如果所講知識與學生當前知識體系差別巨大（極限狀態為相反），但沒有任何聯系則信息量為0，如果所講知識與原有知識聯系非常緊密（極限狀態為相同），但沒有差別，信息量也為0，既相反又相同，則信息量最大。例如用學生已經掌握的知識或者原理，解釋新的完全不同的知識或原理，則學生最容易接受，就是信息量大的緣故。在教學的過程中，如果展示給學生的信息量過小，就難于激發其學習熱情，易產生厭學現象。

2信息表示教學實踐

信息表示教學實踐中，主要解決什么是進位計數制、為什么采用二進制、什么是基數和位權、進制轉換、原碼、反碼、補碼、浮點表示法和非數值數據的表示等內容。主要解決人機交互信息表示問題，在此，現實世界與計算機世界對稱，十進制與二進制對稱，涉及的計算思維核心概念是抽象、問題轉化和求解思路。為了順利實施這部分教學內容，根據勢科學信息量=差別x聯系，根據對稱性，即利用學生熟知的十進制數表示法引入進制表示所需字符數、位權、基數等概念。由于手工演算簡單的八位二進制01串，即255以內的數字運算，大多學生興趣不高，為了讓學生對二進制信息表示以及轉換有一個比較深入的了解，在教學實踐中將Excel應用軟件部分操作內容和信息表示結合起來，利用Excel應用軟件實現進制之間的轉換和字形碼顯示，以此調動學生的動手參與熱情和積極性，在實踐中理解信息表示。

2.1 Excel實現進制間轉換

對任意給定的十進制數123.6（C3單元格），如圖1所示，將其轉換為二進制，在此用到Excel的單元格的引用，除法運算符“/”，取整函數INTO，求余函數Mod（），轉換為二進制數值串，用到文本連接運算符“&”，將二進制數轉換為十進制數用到指數運算符“^”和加法運算符“+”。在此，以二進制和十六進制為例進行詳細說明。