应用计算思维学习计算机应用基础提升学生创新能力

李桂春

摘要：大学计算机应用基础内容涵盖了计算机所有方面，为了有效利用学生对计算机的兴趣，挖掘大学生的思维潜能，在教学中应用计算思维来引导学生学习计算机知识，形成自己的思维模式，在计算机学习中突破单纯操作技能训练的局限，提升学生的问题解决能力和创新能力，把计算思维迁移到所学的专业和实际问题解决与应用中。

关键词：思维潜能;计算思维;思维模式;创新能力

中图分类号：G64        文献标识码：A        文章编号：1009-3044（2018）31-0168-02

1 背景知识

计算机为了科学计算诞生，计算机的应用范围和能力不断扩大，不但能够处理数值的和非数值的计算，用计算机模仿和实现人的智能活动，ALFGO赢柯洁的比赛，更是让人们领略了机器拥有战胜人的智能。在计算机发展过程中形成了像计算机科学家一样的思维来解决问题的思维方式，2006年3月，美国卡内基.梅隆大学计算机科学系主任周以真指出：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[1]。计算思维的本质是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）。如同所有人都具备是非判断、文字读写和进行算术运算一样，计算思维也是一种本质的、所有人都必须具备的思维能力。计算思维成为与理论思维、实验思维并肩的3种科学思维之一，计算思维能力不再是计算机专业学生所独享的思维方式，将来就会像阅读、写作和算数一样会成为每个人拥有的最基本的能力。

2010年5月的合肥会议上，探讨了计算思维融入計算机基础课程的问题，2010年7月召开了西安会议，2010年9月召开了太原会议，均把计算思维列为会议的主要议题，讨论如何在新形势下提高计算机基础教学的质量。特别是《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，确定了以计算思维为核心的计算机基础课程的教学改革[2-4]，2010年10月陈国良院士在“第六届大学计算机课程报告论坛”倡议：将计算思维引入大学计算机基础教学[5]。说明计算思维得到了国内计算机基础教育界的广泛重视，在计算机应用基础教育中要把培养计算思维融入教学和学习中来，提升学生使用计算思维来解决自己在各专业领域中遇到问题的能力。

2 培养计算思维能力

计算思维是各个专业的学生都应该掌握的一种思维模式，不管是大一要做的职业规划，还是日常生活发生的各种事情及为人处事，以及在学习不同专业知识进行合理的职业定位找到合适的工作。

由于计算思维是在计算机这个工具诞生并不断强大的发展历程中形成的，那么就要在计算机应用基础的教学中设计使用计算思维的教学内容和学习资料，让学生在潜移默化的教学中掌握计算思维，提高学生独立思考随机应变解决问题的能力。

3 准备适合计算思维的教学设计

计算机应用基础主要有计算机基础操作、软件使用实操、所有与计算机相关的理论知识模块，教师要在教学中做一个充分的准备，合理设计教学情境，教学方法，引导学生使用计算思维的解题步骤。

计算思维存在计算机的软件操作和理论教学都蕴含着使用计算思维处理问题的模式。那么如何让计算机应用基础课程中体验并逐步建立起计算机学科独特的思维方式呢？在不断教学实践中，以问题为导向让学生思考如果是你碰到这样的问题，你该如何解决？计算机科学家又是如何思考并解决这个问题的，在不断地探究思考解决问题的学习中感受为解决实际问题而不断的突破现有思维的大胆的创新能力，感受计算机科学家奇妙的思维模式，慢慢形成自己计算思维，应用到自己专业领域。

4 引入计算思维的教学实践

根据需求和发展理论对计算机基础教学划分不同的模块，就要让学生思考以下问题：计算机是怎样诞生的？计算机如何存储和处理数据的？计算机是如何相互通信的？你会使用计算机做哪些事情？如果在工作生活中遇到计算机科学家同样的问题，你会怎样处理解决呢？回答了以上问题，也就会培养一个具有计算思维的人，根据以上问题，对计算机应用基础的内容按照计算思维要求分为以下教学模块：计算机的诞生、发展史、计算机存储处理数据、计算机系统构成、计算机基本操作和常用软件使用、网络和网络安全。

本文以计算机如何存储处理数据的这一模块为例引入计算思维。首先要把数据存进计算机中，但同时自然界中的数据各种各样，纷繁复杂，要一股脑儿用一种方法存储起来是不可能的，计算机科学家怎么处理的呢？

数值型数据的存储：第一步先把它分解成数值型数据和非数值型数据。数值型数据又分解为整数和实数，整数又分解为有符号整数和无符号整数。从最简单的无符号整数开始存储，采用把数值从低位到高位存放在存储单元（1个存储单元1B）中，数值越大，使用的存储单元就增多。类似于学生按照学号从小到大按照座位号在固定大小教室（50人定额）上课一样，随着学生数增多，教室就增多，学生比较容易理解。第二步解决有符号整数，有符号整数和无符号整数最大区别就是符号，让学生从实际出发想：教室有50个座位，但有些班级人数比50少，按照座位号坐不满，那些位置容易空出来，大家就会想出最易空的座位号是50，49，48，47……小座位号都会坐满。同理存储数值时用最高位作为符号位，不存数，就可以解决符号问题了，也满足了实际存数的需求，一举两得。第三步就是存储是实数了，实数又称为浮点数，除了有正负号外，还形式多样，为了解决形式多样就必须对实数规范化，规范化后的二进制数只需存储该数的3部分：符号位，尾数，指数，符号位占一位，尾数和指数按照要求精度要求进行存储，这样所有的数值型数据都存储到计算机里面了。

非数值数据存储：西文字符和汉字存储首先要确定字符集，再编码存储，这时只是确定了每一个字符在计算机里的位置，由输入码输入，字处理软件编辑排版，输出需要把西文字符和汉字用点阵描述或轮廓描述显示出来。数字图像的获取步骤大体分为四步：扫描、分色、取样、量化，首先要经过扫描转化把画面分成M×N个取样点，再将每个取样点的颜色分解成R，G，B三个基色，取样就是对每个点（像素）的3个分量分别测量其亮度值，量化就是对每个取样点的分量值进行模/数转换，使用数字整型量表示，最后都会转化成0和1存储起来。声音是一种波，声音的获取步骤分为三步：取样、量化、编码，取样是把时间上连续的信号转化成时间上离散的信号，量化就是对每个样本进行模/数转换，使用8位或16位整数表示，编码就是把所有的二进制代码组织在一起，并进行压缩存储。

以上存储过程就是数字、字符、图像、声音的数字化，那就是要把各种对象根据自身特征采用不同方法处理，在计算机内部都以0和1的一串代码存储，经过计算机的一系列自动化处理后，再由输出设备输出我们想要各种结果。

通过教学让学生了解计算机科学家如何对复杂问题采用逐步分解，找准切入点层层深入，逐个突破存储，最后让计算机装下了整个世界。这也为各专业学生进行计算思维培养相关的实践活动提供了可能，推广开来包括虚拟现实，及可视世界的各种信息等，实际上都可以用0和1来表示，因此计算机不仅可以计算，还可以发出声音、打电话、发传真、放录像、看电影，这就是因为0和1可以表示这种多媒体的形象。用0和1还可以产生虚拟的房子，因此用数字媒体就可以代表各种媒体，就可以描述千差万别的现实世界。

计算机应用基础教学在各个模块的教学中都会体现計算机科学家的智慧，计算机技术的发展和应用过程中计算思维无处不在，例如文件与文件夹构成的树形结构，就是由简单二叉树递归构成。这些思想方法和思维能力也为学生解决学习、工作和生活的问题提供了思路和方法，从思维层面提升学生利用计算思维解决问题的能力。

5 总结与展望

不同专业学生所学专业不同，对计算机学习的需求不同，在计算机基础教学中不再以操作技能为基准点而是以培养学生的计算思维为导向，对计算机应用基础的内容进行分解成适合计算思维培养的模块化教学，以项目的方式完成学习任务，尽可能引导学生面对问题，先深入分析，应用工程原理合理分解，用现有知识解决未知问题的创新思路和方法，构建计算机应用基础课程的核心素养体系。英国皇家科学院将计算思维定义为认识周围世界所存在的不同层次的计算，应用计算机科学工具和技术理解并辨析自然系统和人工系统及其运行过程[6]。现在每个学生只要不断努力，在学习中有效地利用计算思维处理问题，提升学生推陈出新的创新能力。

参考文献：

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

[2] 九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明[J]. 中国大学教学，2010（9）：4，9.

[3] 何钦铭，陆汉权，冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养——《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》解读[J].中国大学教学，2010（9）：5-9.

[4] 董荣胜.《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》呼唤教育的转型[J].中国大学教学，2010（10）：14-15.

[5] 龚沛曾，杨志强.大学计算机基础教学中的计算思维培养[J].中国大学教学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.