以培養(yǎng)“計算思維”為核心的教學(xué)設(shè)計實踐

靳 沖 李 真 張優(yōu)敏

（重慶工程學(xué)院大數(shù)據(jù)與人工智能學(xué)院 重慶 400056）

一、當前“計算思維”所處的背景

計算機日新月異的發(fā)展極大地改變了人們的生活方式，更改變了人的思維方式[1]。計算機科學(xué)家、圖靈獎得主Edsger Diskstra說：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也深刻影響著我們的思維能力?！泵绹睦韺W(xué)和教育學(xué)家 Sternberg R J指出：教師在指導(dǎo)、教會學(xué)生解決問題的同時，也應(yīng)該教會學(xué)生發(fā)現(xiàn)值得解決的問題[2]。

人類在認識世界，改造世界過程中表現(xiàn)為三種基本思維：實證思維，邏輯思維，計算思維。以物理學(xué)科為代表的實證思維驗證任何事物都是以實驗為標準，只有實驗出的結(jié)果才能成為真理；以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表的邏輯思維驗證任何事物則以推理和演繹為標準，只有經(jīng)過推理和演繹出來的結(jié)果才是邏輯上的正確；而以計算機科學(xué)學(xué)科為代表的計算思維則以抽象和自動化為特征，需要使用計算機抽象出問題的模型，設(shè)計算法，編寫程序解決問題。以上三種思維中邏輯思維從上小學(xué)數(shù)學(xué)課開始就一直在培養(yǎng)，實證思維從初中上物理化學(xué)課開始也開始培養(yǎng)了，而計算思維則是學(xué)生普遍所缺乏的思維。計算思維的缺乏會對學(xué)生看待世界的角度和方法產(chǎn)生局限，不利于學(xué)生的創(chuàng)新和發(fā)展，進一步的不利于社會的發(fā)展和創(chuàng)新。

二、計算思維的內(nèi)涵與本質(zhì)

周以真教授指出“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”，即借助計算機抽象問題的模型，設(shè)計算法系統(tǒng)來幫助人類完成任務(wù)的思維方式[3]。

計算思維的本質(zhì)是抽象與自動化[4]。抽象即把問題符合化，通過建立模型來解決問題；自動化即把模型程序化，通過計算機編寫代碼來自動求解問題。

三、教學(xué)實踐——以《Python程序設(shè)計》課程為例

（一）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

Python程序設(shè)計課程中的Python語法基礎(chǔ)模塊包括變量與常量的使用，字符串的處理，運算符與表達式的應(yīng)用，基本內(nèi)置函數(shù)的調(diào)用，基本輸入與輸出的使用，導(dǎo)入其他模塊的用法。程序結(jié)構(gòu)模塊包括順序結(jié)構(gòu)，選擇結(jié)構(gòu)，循環(huán)結(jié)構(gòu)?；緮?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括列表，字典，元祖，集合結(jié)構(gòu)。函數(shù)模塊包括函數(shù)定義，函數(shù)調(diào)用，Lambda表達式。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計模塊包括類與對象，屬性，方法的概念與應(yīng)用。文件操作模塊包括文件讀寫與目錄操作。數(shù)值計算模塊包括numpy模塊的使用。數(shù)據(jù)處理模塊包括Pandas模塊的使用。每個教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)的計算思維如表1所示。

表1 教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)計算思維

計算思維的本質(zhì)之一抽象（符號化，系統(tǒng)設(shè)計）Python文件操作計算思維的本質(zhì)之一自動化（遍歷讀寫目錄文件）Python數(shù)值計算強調(diào)使用計算機的思路解決問題，建立模型，編寫代碼，自動化求解Python數(shù)據(jù)處理Python面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計

（二）教學(xué)實施——以Python程序結(jié)構(gòu)章節(jié)為例

教師在課前精心設(shè)計教學(xué)問題，設(shè)計的教學(xué)案例以培養(yǎng)計算思維為出發(fā)點，將學(xué)過的知識巧妙的融合在案例中。比如，在講完P(guān)ython的基礎(chǔ)語法，基本的程序結(jié)構(gòu)后，教師可以設(shè)計一個模擬計算圓周率π的教學(xué)案例問題來講解。

首先，在教學(xué)課堂中使用計算π的數(shù)學(xué)公式來求解，這個過程留給學(xué)生獨立完成。由于學(xué)生第一次接觸到求π的問題，大多數(shù)學(xué)生會感到不知所措，無從下手，甚至有些學(xué)生會感到害怕，這都是大二上的學(xué)生所展現(xiàn)出來的正常反應(yīng)，教師這時候應(yīng)該多鼓勵，把問題進一步分解，允許學(xué)生上網(wǎng)查看求解π的數(shù)學(xué)公式，然后根據(jù)公式編寫代碼完成任務(wù)。在這個過程中，實際上體現(xiàn)出計算思維的含義，利用計算機互聯(lián)網(wǎng)來搜索自己想要的答案（計算π的數(shù)學(xué)公式），同時體現(xiàn)了計算思維的本質(zhì)抽象，利用數(shù)學(xué)公式計算π，需要定義多個變量，把公式符號化。但是，這個計算π的思維方式卻是邏輯思維的方式，以數(shù)學(xué)公式為基本出發(fā)點來計算的。

然后，引入計算思維方式的概念和內(nèi)涵，以計算機的思考方式來模擬計算π的值。教師通過作圖把問題分解為半徑為1的四分之一個圓和邊長為1的正方形，提示學(xué)生通過正方形的面積與1/4圓面積的比來建模模擬計算π，主要提示計算機如何算面積的（利用之前學(xué)的產(chǎn)生隨機數(shù)的知識點）。學(xué)生根據(jù)提示完成變量的符號化，模型的建立，代碼的編寫，從而自動化的求解。整個過程的關(guān)鍵在于符號化，模型的建立，而應(yīng)用型本科生大多數(shù)學(xué)生在一定的時間內(nèi)無法完成，這也是學(xué)生缺乏計算思維方式的必然結(jié)果。學(xué)生經(jīng)過一定時間的思維思考后，教師此時進一步詳細講解如何符號化，如何建立模型，進而如何編寫代碼自動化求解。比如，正方形的面積為1，1/4圓的面積為π/4,計算機模擬面積即可用0-1的隨機數(shù)點的個數(shù)來計算面積，如把邊長為1的正方形分解為10000*10000的點組成，正方形面積符號化為datas=10000*10000,1/4圓的面積符合化為hits,兩個0-1隨機數(shù)分別為x,y，計算點(x,y)到原點的距離d,若d<=1，則點在圓內(nèi)或圓上hist+=1，即可建模得出π=4*（hits/datas）。

最后，教師再次引導(dǎo)學(xué)生積極思考如何編寫代碼自動化求解π，如學(xué)生還是無法按時編寫代碼，進一步提示學(xué)生循環(huán)10000*10000次產(chǎn)生0-1的隨機數(shù)x,y計算距離d,從而算成hits，最后求解π。

四、結(jié)束語

計算思維作為人類認識事物三種思維方式的其中一種，是當代高校學(xué)生相對其他兩種思維方式來說比較欠缺的一種，而計算機學(xué)科的課程來培養(yǎng)計算思維是最佳選擇。本文以《Python程序設(shè)計》課程為例，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計和教學(xué)實施兩個方面對如何培養(yǎng)學(xué)生的計算思維進行了探討實踐，并已在教學(xué)過程中取得了一定效果。