計算思維視域下“能行性”建模能力培養研究與實踐

劉心聲 滕海坤

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

關鍵詞：計算思維;能行性;建模

1.引言

自美籍華人——美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授2006年在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》給出了計算思維的概念后，世界各國開始進行計算思維能力培養的研究，對大學生計算思維能力的培養研究尤為突出。計算思維已被業界推崇為和數學、讀寫能力一樣重要的三大基本技能，是信息化社會數字公民必須具備的基本技能和思維方式^[1]。因此，計算思維能力培養是當代大學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的思維活動，周以真教授指出：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、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^[2]。因此，計算思維是一種能象計算機科學家一樣分析問題、解決問題的能力，培養學生的計算思維能力，要以問題為導向，從現實工作生活中發現問題，并對問題進行抽象分析，通過模型識別，看能否利用現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，就應該分析該問題能否轉化成離散問題，能轉化成離散問題，就構建轉化數學模型，并通過算法思維實現數據間的轉化，從而達到解決新問題的目的，這就是計算思維創新能力的高層境界，這種能力才是計算思維培養的終極目標。

3.“能行性”模型構建能力培養的特點

由于“能行性”是將現實生活工作中的實際問題轉化成“0、1”二值離散量表示的問題，因此“能行性”模型構建能力的培養就需要培養學生的“數/數”“模/數”轉換思想，將多值數值、連續的模擬信號量轉化為二進制數，只要能將實際數據轉化為二進制數表示，就符合“能行性”問題，就可以通過計算機軟件來模擬實現。

4.計算機描述問題“能行性”模型構建與實踐

我們要培養學生的計算思維能力，就必須讓學生理解掌握一定量的“能行性”問題思維模型，這些模型是學生創造性解決現實問題的參照系，是創新能力培養的支撐。為解決這一問題，我們在教學改革中嘗試從計算機應用各領域進行“能行性”模型構建分析，下面僅就幾個方面進行簡要闡述。

（1）計算機漢字處理問題

漢字是方塊字，計算機最處不能識別，計算機只能識別0、1二進制數，需要構建“能行性”模型，實現漢字與二進制數之間相互轉化的一系列算法，并對這些算法模型進行分析、評價、改進優化，探討具體的軟件實現及應用等，這就是計算思維能力的具體體現。

計算機系統目前采用的是“點陣”字模處理技術，常用的點陣有16點陣、24點陣64點陣等不同方式，點陣越多，漢字越清晰、逼真。

下面以24點陣為例來說明這一轉換算法。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，凡是筆畫經過的小方格內數值設為1，筆畫未經過的小方格內數值設為0，這樣漢字的字型就轉換成二進制數值，一個24點陣的漢字字模共需要72個字節來存儲其信息。

系統輸出顯示漢字時，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，漢字就能用計算機處理了。

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

（2）整數的計算機存儲實現問題

由于計算機只能存儲、識別0、1二進制數，阿拉伯數值也不能直接存儲，因此數值在計算機中存儲也必須轉化為二進制數。下面以整數為例說明轉換算法。

對于正整數，直接轉化成其二進制數即可實現;但是，負整數如何存儲呢？整數前面的符號不同，這就需要考慮正負號的表示問題，顯然，這是兩種狀態！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，通常規定0表示正，1表示負。

這種轉換對非0整數表示沒有問題，但0就會出現“+0”和“-0”兩種情況，而0是沒有正負的。

怎么解決這個問題呢？正整數采用原碼表示，負整數采用補碼就可以解決這一問題了。

（3）圖片的計算機存儲實現

圖片是通過像素聚焦而成的，計算機不能直接存儲與識別，必須將圖片的像素信息轉化成二進制數值表示，怎么構建的這種“能行性”轉化模型呢？

我們把一張圖片劃分成若干行、若干列的格，對應的一個格稱為一個像素，像素的顏色可以用R、G、B三原色構成，假如我們分別用一個字節來存儲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位二進制數來存儲了，可以表示2²⁴種顏色，這就是我們說的真彩色，圖片在計算機中的存儲表示就實現了。

5.計算思維能力拓展培養

（1）閱讀大量“能行性”模型構建案例，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用新領域，如聲音、表格、記帳憑證的存儲實現等，建構新的“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）精于優化，堅持對已構建模型進行評價與優化，如算術表達式的后綴表達式、數據壓縮存儲等算法實現。

參考文獻：

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

[2]朱珂，賈彥玲，馮冬雪.歐洲義務教育階段發展計算思維的理論與實踐研究[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，黑河學院計算機學院，從事計算機軟件與理論、網絡安全方向、計算機教育方向研究。

★ 基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目“基于能力為本的計算機科學與技術專業課程設置與研究”（項目編號：SJGY0209）成果。