計算機教育計算信息流混合教學模式

李暉 張華

摘要：計算機教育是一個嚴謹教育學科體系，如圖1所示，簡稱為計算科學體系。計算信息流貫穿其中，深刻體現計算科學教育理念，計算科學教育實施計算信息流混合教學模式，將強化沿著計算信息流生成過程，完成學生對計算概念、計算過程和計算體系認知過程，體驗計算思維感覺，潛移默化養成計算思維習慣。現代社會進入數據化時代，信息流貫穿于社會各個層面、各個方面，信息流蘊含自然發展規律，促成社會融為一個整體：信息流社會。計算教育信息流必然、也必將與社會信息流發生密切深刻的交互關系[1]。計算科學教育實施計算信息流混合教學模式，緊密貼近信息流社會發展大趨勢 ，伴隨社會計算思維認知體系建立，完成信息處理高階創新人才培養，滿足社會的需求。

關鍵詞：計算語句;計算信息流;計算科學體系;混合式教學模式

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）35-0205-02

1引言

計算機教育是一個嚴謹教育學科體系，有其內在自然發生、發展規律，客觀上存在計算機教學信息流，潛能地運用計算思維模式，指導教學過程，提高教學效率。沿著這條教學信息流，貫穿教學理念，融合社會需求，建立混合式教學過程[2-4]。貫穿計算機教育信息流混合式教育模式，孕育計算信息流，潛移默化培養學生計算思維概念、建立計算信息流思維方式和科學計算能力。學生養成計算思維習慣，將敏銳地認知社會應用項目，感知信息流存在，捕獲信息流對象類型、形態及數據結構形式，分析并把握應用問題信息運動規律，建立項目開發模型。最終，為應用問題開發建立軟件開發平臺，生成科學可計算的計算信息流，就成為評價計算機教學信息流混合模式品質的評判標準，高質量信息流將助力高階創新人才培養教學平臺。

計算機教育科學性體現于信息流，建立怎樣信息流表達我們對計算機教育的認知水平，歸根結底反映我們計算科學的認知水平。高效計算機教育信息流深度融入客觀世界，辨識數據信息流的可計算性，建立對應計算信息流，將推動客觀世界數據化，以利于社會智能化深度發展;學生利用計算思維過程，建立計算信息流思維習慣，提高學生深入認識客觀世界能力，將提高混合式模型效果，以利于“高階性、創新性、挑戰度”（簡稱“兩性一度”）人才培養。

本文強調計算機教學信息流混合教學模式，不只是施加于計算科學體系如圖1中的整體，而是圖1每個模塊也各自實施信息流混合教學模式，專題分析計算信息流基本概念、形式表示和生成模型，并最終回歸到整體信息流混合教學模式，完成生成計算信息流可計算性評估，以利于“兩性一度”人才培養。

2 計算信息流

計算信息流是一個計算語句系列，計算語句表達一條計算指令，每條指令由三維計算基因（操作 ，數據地址，寄存）合成。三維計算基因孕育計算思維認知概念，計算信息流體現計算思維認知過程，計算思維融入社會，凝聚成計算思維認知哲學，由圖靈計算理論發展為計算科學體系（圖1）。圖1體現計算機教學理念，展現了計算機教學信息流，描述了計算信息流發生和發展過程。計算機教學信息流沿途通過混合式教學模式，沿著圖1模塊，逐步展開，計算信息流的觀點將逐步成型深化，計算信息流的認知感將深入學生思維體系，形成計算信息流感性認識，潛移默化養成計算思維習慣，以利于高階創新人才的培養。

計算信息流硬體系統，就是計算機系統。計算機系統模塊是計算科學體系物質基礎，計算信息流運行載體，軟件工程模塊是計算信息流軟體模塊，導致軟件科學發生發展，形成軟件科學世界觀，促使現代社會軟件事業噴發，以致計算信息流成為貫穿互聯網洪流，加速現代社會深入邁向數據化，日趨信息科學化。計算機系統是計算信息流實時運行，計算處理的硬體環境。該系統基于計算基因二元細胞硬件，組裝多類基本構件：運算模塊，中央控制組件（指令寄存器譯碼器）、數字存儲器和接口模塊。計算基因硬化成計算基因模具，即計算單位硬化模具，意味著計數單位規格化、模具化，數據信息、指令信息和地址信息格式也必然規格化，按規定的二進制位字長組裝。規定了數值定義格式、字長及其定義范圍，可能得到的計算精度、運算速度和容量規模;對于非數值處理，也規定了非數字對象類型硬化格式，定格對象屬性表達模式 ，必須遵循二進制字的表示格式。

總之，隨著硬化確定內存容量、數字長度、計算精確度和速度，也就確定了計算機計算解題能力，理論上，計算能力隨著字長的增長而擴充。計算機內部世界，指令硬化模具，唯一認識并直接計算處理對象，即數字。

數值計算是認識解密客觀世界的基礎，計算機系統具有無限的科學計算能力。但信息社會對象千姿百態、不勝枚舉，不止有數字對象，計算機面向信息社會，也有非凡數據處理能力，關鍵在于現實世界對象必須數字化，如同數字一樣，進入指令的硬化格式，接受指令的規范操作，計算機系統才能進入社會，發揮它的潛在功能。不論怎樣的（非數字）對象，都具有表征自身特征的屬性系列，對象屬性系列抽象，定義對象類型，不同的對象可能具有不同的類型，類型形式化表示皆稱謂為數據結構，如列表、二維甚至高維數組，成為規范的數據結構。計算語句書寫成計算語言（如C++語言）格式，計算信息流按該語言格式，編輯計算程序文本，進入計算機系統運行，直至生成計算結果。計算語言實現人-機交互。不同的計算語言，對計算語句語法定義，計算文本書寫格式雖然不盡相同，但都是計算機系統識別、實施計算處理的語言。或者說，只有計算語言書寫的計算語句流才是可計算信息流。

計算語言關于對象類型有嚴格形式語法定義，語句語法規則，計算程序文本格式，指導面向對象程序開發。不論怎樣類型的對象，它們的形式表示慨稱謂數據結構類型，如同數字類型一樣，所在的存儲地址則成為該對象編號，也如同數字一樣，隨著相應計算指令和結果寄存，成為完整的計算語句，或稱計算信息。計算語句，成為機器認識接受的計算信息。計算語言具有這樣的功能：在機器數字模具的基礎上，納入數據結構解析算法，建立數據結構類型硬件模具，解析數據結構實時處理，擴充機器硬件功能。面向社會，實時處理社會應用問題。

3 計算信息流軟體模型

計算信息流實質上即計算語句系列，系列長度稱為系列規模，決定于應用問題的復雜性。構建計算信息流，必須經歷兩個階段：

1） 創立計算公式或軟體模型。

2） 設計計算算法。

即或一般的應用問題，也難于直接呈現其計算信息流，復雜性越高越是如此。一般應用問題，它的主題Z和對象D屬性S1，S2，…Sk表現為函數關系：

Z=D（S1，S2，…Sk） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

k視為Z抽象度，k值越大抽象度越高。

軟件工程模塊（圖1），教學理念構建應用問題計算信息流軟體模型，形成計算信息流的形式邏輯系統。

軟件工程直接面對應用問題[5-6]，基于主題-對象屬性函數關系式（1），設定問題虛擬環境，解析Z抽象度（屬性個數），抽象度逐層遞減，形成Z-對象屬性樹形形式邏輯系統，該系統底層即為屬性節點。應用形式邏輯推理，確認Z-對象屬性關系在虛擬環境實現合理性。

自樹形邏輯系統底層（屬性層），逐層向上計算屬性不同組合對Z部分函數值，形成對應部分真實環境，直至頂層Z形成Z-對象屬性完全真實環境，這個過程則為（1）式遞歸計算過程，隨著遞歸計算過程展開，最終形成（1）式函數計算語句系列，也就是樹形邏輯系統，成為一般應用問題的軟體模型，為應用問題應用軟件開發平臺和計算思維抽象模具。

4 結語

計算教育體系（圖1），體現計算思維科學自然規律，可計算性證明則體現計算思維最終原則，自始至終貫穿計算信息流發生發展形式邏輯規則，體現計算機教育高度科學性。計算信息流混合教學模式作用于圖1，強調作用于整個計算機教育體系，不只是單個節點模塊，一條可計算的計算信息流是在各個模塊協同作用下形成的，既有計算機硬化模具、也有數據結構和計算語言形式化邏輯系統以及軟件工程的軟體模型和算法，綜合成完整計算科學體系。

計算信息流混合教學模式不僅有助面向應用問題[7-10]，生成計算信息流得到應用問題期望的計算結果，而且能培養學生形成計算思維概念，養成計算思維習慣，培養“兩性一度”人才，滿足信息社會發展需求。

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【通聯編輯：王力】