计算思维视域下“能行性”建模能力培养研究与实践

刘心声 滕海坤

摘  要：计算思维已成为高校大学生能力培养研究的热门课题之一，论文首先阐述计算思维能力的内涵，然后分析计算思维之“能行性”问题模型构建能力培养的特点，最后通过具体案例说明“能行性”问题模型的构建，探索计算思维能力培养新途径。

关键词：计算思维;能行性;建模

1.引言

自美籍华人——美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授2006年在美国计算机权威期刊《Communications of the ACM》给出了计算思维的概念后，世界各国开始进行计算思维能力培养的研究，对大学生计算思维能力的培养研究尤为突出。计算思维已被业界推崇为和数学、读写能力一样重要的三大基本技能，是信息化社会数字公民必须具备的基本技能和思维方式^[1]。因此，计算思维能力培养是当代大学教育的重要职能之一。

2.计算思维与计算思维能力

计算思维主要是以计算能力和思维能力为基础的思维活动，周以真教授指出：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、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^[2]。因此，计算思维是一种能象计算机科学家一样分析问题、解决问题的能力，培养学生的计算思维能力，要以問题为导向，从现实工作生活中发现问题，并对问题进行抽象分析，通过模型识别，看能否利用现有的同类或相近计算思维模型解决该问题。如果不存在同类或相近计算思维问题模型，就应该分析该问题能否转化成离散问题，能转化成离散问题，就构建转化数学模型，并通过算法思维实现数据间的转化，从而达到解决新问题的目的，这就是计算思维创新能力的高层境界，这种能力才是计算思维培养的终极目标。

3.“能行性”模型构建能力培养的特点

由于“能行性”是将现实生活工作中的实际问题转化成“0、1”二值离散量表示的问题，因此“能行性”模型构建能力的培养就需要培养学生的“数/数”“模/数”转换思想，将多值数值、连续的模拟信号量转化为二进制数，只要能将实际数据转化为二进制数表示，就符合“能行性”问题，就可以通过计算机软件来模拟实现。

4.计算机描述问题“能行性”模型构建与实践

我们要培养学生的计算思维能力，就必须让学生理解掌握一定量的“能行性”问题思维模型，这些模型是学生创造性解决现实问题的参照系，是创新能力培养的支撑。为解决这一问题，我们在教学改革中尝试从计算机应用各领域进行“能行性”模型构建分析，下面仅就几个方面进行简要阐述。

（1）计算机汉字处理问题

汉字是方块字，计算机最处不能识别，计算机只能识别0、1二进制数，需要构建“能行性”模型，实现汉字与二进制数之间相互转化的一系列算法，并对这些算法模型进行分析、评价、改进优化，探讨具体的软件实现及应用等，这就是计算思维能力的具体体现。

计算机系统目前采用的是“点阵”字模处理技术，常用的点阵有16点阵、24点阵64点阵等不同方式，点阵越多，汉字越清晰、逼真。

下面以24点阵为例来说明这一转换算法。先画一个24行24列的二维表，形成一个24×24的小方格阵列，然后我们就在这个方格阵列中写出需要的汉字，凡是笔画经过的小方格内数值设为1，笔画未经过的小方格内数值设为0，这样汉字的字型就转换成二进制数值，一个24点阵的汉字字模共需要72个字节来存储其信息。

系统输出显示汉字时，凡是“1”的像素，就显示黑色，凡是“0”的像素就显示白色，这样白底黑字就显示出来了，汉字就能用计算机处理了。

Windows操作系统给大家提供了一个“自造字程序”，可以用来建立字模库。我国的标准汉字字库现仅有汉字6367个，大家可以自已造字放在字库中使用。

（2）整数的计算机存储实现问题

由于计算机只能存储、识别0、1二进制数，阿拉伯数值也不能直接存储，因此数值在计算机中存储也必须转化为二进制数。下面以整数为例说明转换算法。

对于正整数，直接转化成其二进制数即可实现;但是，负整数如何存储呢？整数前面的符号不同，这就需要考虑正负号的表示问题，显然，这是两种状态！由于每一存储位可以存储0或1，所以可用存储空间最高位来表示符号，通常规定0表示正，1表示负。

这种转换对非0整数表示没有问题，但0就会出现“+0”和“-0”两种情况，而0是没有正负的。

怎么解决这个问题呢？正整数采用原码表示，负整数采用补码就可以解决这一问题了。

（3）图片的计算机存储实现

图片是通过像素聚焦而成的，计算机不能直接存储与识别，必须将图片的像素信息转化成二进制数值表示，怎么构建的这种“能行性”转化模型呢？

我们把一张图片划分成若干行、若干列的格，对应的一个格称为一个像素，像素的颜色可以用R、G、B三原色构成，假如我们分别用一个字节来存储R、G、B一种基色的层级，这样每种基色就划分成256个层级，整个像素就可以用24位二进制数来存储了，可以表示2²⁴种颜色，这就是我们说的真彩色，图片在计算机中的存储表示就实现了。

5.计算思维能力拓展培养

（1）阅读大量“能行性”模型构建案例，形成计算思维“能行性”问题模型库。

（2）勤于思考，不断突破计算思维能力应用新领域，如声音、表格、记帐凭证的存储实现等，建构新的“能行性”模型。

（3）善于分类归纳，对同一类别或相近问题归为一类，概括解决所有可能方法、途径。

（4）精于优化，坚持对已构建模型进行评价与优化，如算术表达式的后缀表达式、数据压缩存储等算法实现。

参考文献：

[1]张立国，王国华. 计算思维：信息技术学科核心素养培养的核心议题[J].电化教育研究，2018，39（5）：115-121.

[2]朱珂，贾彦玲，冯冬雪.欧洲义务教育阶段发展计算思维的理论与实践研究[J].电化教育研究，2019（9）：89-96.

作者简介：

刘心声（1969年11月——），男，汉族，黑龙江黑河人，教授，硕士，黑河学院计算机学院，从事计算机软件与理论、网络安全方向、计算机教育方向研究。

★ 基金项目：黑龙江省高等教育教学改革项目“基于能力为本的计算机科学与技术专业课程设置与研究”（项目编号：SJGY0209）成果。