方星星 王歡 魚靜

摘要：文章針對(duì)目前大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)緒論課教學(xué)中的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并結(jié)合緒論課的作用及內(nèi)容特點(diǎn)，提出一種面向計(jì)算思維的緒論課內(nèi)容設(shè)計(jì)，便于學(xué)生厘清章節(jié)知識(shí)點(diǎn)的含義以及知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，更好幫助學(xué)生全面理解整門課的作用，激發(fā)學(xué)習(xí)課程的興趣，達(dá)到進(jìn)一步提升課程教學(xué)效果的目的。

關(guān)鍵詞：大學(xué)計(jì)算機(jī)；緒論課；計(jì)算思維；內(nèi)容設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）05-0135-03

0 引言

為適應(yīng)新時(shí)代人才培養(yǎng)需求，近年來全國(guó)各大高校積極開展面向計(jì)算思維培養(yǎng)的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革，采取了重新編排教材、設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、轉(zhuǎn)變教學(xué)模式等措施，有力推動(dòng)了計(jì)算思維的普及以及對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，取得了較好的教學(xué)效果。計(jì)算思維概念于2006年提出，由于課程教材緒論章節(jié)沒有起到很好的導(dǎo)課作用，存在教學(xué)內(nèi)容抽象、知識(shí)點(diǎn)較多、主線不清晰等特點(diǎn)，各高校對(duì)計(jì)算思維的教學(xué)尚處于摸索階段，在教學(xué)實(shí)施中難以達(dá)成內(nèi)容共識(shí)，導(dǎo)致學(xué)生難以把握住計(jì)算思維的內(nèi)涵，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和課程教學(xué)效果。

經(jīng)過查閱目前較為前沿的有關(guān)計(jì)算思維的視頻、會(huì)議報(bào)告、教材等資料，結(jié)合本課程緒論課的定位，主要開展3個(gè)方面的設(shè)計(jì)探索：一是對(duì)教學(xué)內(nèi)容重新梳理并進(jìn)行優(yōu)化整合，設(shè)計(jì)為計(jì)算與裝置、計(jì)算科學(xué)、計(jì)算思維概論等3個(gè)小節(jié)；二是提煉出“計(jì)算”教學(xué)主線，以主線貫穿教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的理解；三是細(xì)化重難點(diǎn)，剖析知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行闡述。各節(jié)內(nèi)容、知識(shí)點(diǎn)及實(shí)例設(shè)計(jì)如表1所示。

1 計(jì)算與計(jì)算裝置

將本節(jié)內(nèi)容設(shè)計(jì)為計(jì)算概述、計(jì)算裝置、計(jì)算本質(zhì)等3個(gè)內(nèi)容。

第1節(jié)開篇即計(jì)算，為整章的主線。首先，從計(jì)算的重要性入手，引入美國(guó)學(xué)者尼葛洛·龐帝在《數(shù)字化生存》一書中提及的觀點(diǎn)“計(jì)算不再只和計(jì)算機(jī)有關(guān)，它決定著我們的生存”，由此分析計(jì)算的重要性、概念及計(jì)算裝置的發(fā)展史，以激發(fā)學(xué)生對(duì)計(jì)算的好奇心，并過渡到對(duì)計(jì)算含義的闡述。計(jì)算即基于規(guī)則的符號(hào)變換，規(guī)則為一組良好的操作序列，由于人類受限于大腦及手工效率的限制，計(jì)算能力有限，為快速精確計(jì)算結(jié)果，人類研究了兩種方法：一是采用等效的計(jì)算，即用數(shù)學(xué)的公式進(jìn)行化簡(jiǎn)；二是讓計(jì)算裝置按規(guī)則計(jì)算。通過求累加和、求圓周率2個(gè)實(shí)例分別說明這兩種解決方法，詳細(xì)分析求解過程，并過渡到對(duì)計(jì)算裝置的介紹。

推動(dòng)計(jì)算裝置發(fā)展的動(dòng)力在于快速高效地計(jì)算，總結(jié)計(jì)算裝置的發(fā)展及分類（機(jī)械式、繼電式、電動(dòng)式、電子式等），并簡(jiǎn)要概括各類計(jì)算裝置的特點(diǎn)及代表產(chǎn)品。要注重介紹ENIAC的產(chǎn)生背景、特點(diǎn)及參數(shù)，補(bǔ)充講解電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的分代和發(fā)展趨勢(shì)。

總結(jié)“計(jì)算”的本質(zhì)，即基于規(guī)則的符號(hào)變換。通過列舉積分計(jì)算、漢英翻譯、數(shù)據(jù)排序等實(shí)例，使學(xué)生從廣義層面重新認(rèn)識(shí)“計(jì)算”的本質(zhì)。最后，在計(jì)算含義、計(jì)算裝置、計(jì)算本質(zhì)基礎(chǔ)上概括計(jì)算的定義：計(jì)算指的是在某計(jì)算裝置上，根據(jù)已知條件，從某一初始點(diǎn)開始，在完成一組良好定義的操作序列后，得到預(yù)期結(jié)果的過程。

設(shè)計(jì)內(nèi)容過渡：是否可以理解為任何問題都可以通過計(jì)算求解？如何求解問題？計(jì)算裝置如何設(shè)計(jì)和改進(jìn)？計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景有哪些？引發(fā)人們對(duì)計(jì)算的不斷探索，這就是計(jì)算的三大領(lǐng)域。

2 計(jì)算科學(xué)

本節(jié)內(nèi)容設(shè)計(jì)成三個(gè)方面：計(jì)算的三大領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)科學(xué)、科學(xué)計(jì)算。

計(jì)算領(lǐng)域一：什么能夠有效地自動(dòng)計(jì)算？首先拋出可計(jì)算性的觀點(diǎn)，這是從理論上研究問題的可計(jì)算性，說明現(xiàn)實(shí)世界的問題并不是都可以計(jì)算的?？捎?jì)算性，也稱為有計(jì)算的解，指的是對(duì)某個(gè)問題，能通過定義一組操作序列，按照該操作序列執(zhí)行，能導(dǎo)致問題求解。舉例說明古希臘數(shù)學(xué)家希羅的計(jì)算平方根方法，并通過編程演示Python代碼，用以加深學(xué)生對(duì)于可計(jì)算性的了解。重點(diǎn)介紹計(jì)算機(jī)科學(xué)家圖靈的主要貢獻(xiàn)，指出其在1936年發(fā)表了論文“論數(shù)字計(jì)算在決斷難題中的應(yīng)用”，奠定了可計(jì)算理論與計(jì)算機(jī)的模型，再介紹圖靈機(jī)的設(shè)想，指出圖靈機(jī)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系。在講解過程中，適當(dāng)穿插圖靈的生平故事，讓學(xué)生課后觀看電影《模仿游戲》或查閱資料，拓展學(xué)生對(duì)圖靈的全面了解。最后，補(bǔ)充介紹圖靈獎(jiǎng)、部分獲獎(jiǎng)?wù)呒爸饕暙I(xiàn)，并指出我國(guó)科學(xué)家姚期智也是在解決了可計(jì)算性方面的問題而獲得圖靈獎(jiǎng)。

計(jì)算領(lǐng)域二：如何低成本、高效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算？指的是如何構(gòu)建一個(gè)高效的計(jì)算系統(tǒng)，即計(jì)算機(jī)器的構(gòu)建問題和軟件系統(tǒng)的構(gòu)建問題。首先介紹硬件系統(tǒng)的構(gòu)建：ENIAC產(chǎn)生后，人們對(duì)計(jì)算裝置的構(gòu)造進(jìn)行不斷摸索和改進(jìn)，做出突出貢獻(xiàn)的為計(jì)算機(jī)科學(xué)家馮·諾依曼，簡(jiǎn)要介紹馮·諾依曼生平、馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)、程序存儲(chǔ)式計(jì)算機(jī)EDVAC和EDSAC。補(bǔ)充介紹摩爾定律，其遵循了低成本、高效率地計(jì)算這一規(guī)律。再介紹進(jìn)行軟件系統(tǒng)的構(gòu)建，闡述操作系統(tǒng)是最重要的系統(tǒng)軟件，它可以幫助人類更好管理計(jì)算機(jī)的各類資源，更好地提高計(jì)算效率。另外，數(shù)據(jù)庫(kù)的可共享性、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的共享性和分布式計(jì)算都是為了實(shí)現(xiàn)低成本、高效地解決問題，即解決計(jì)算的第二大領(lǐng)域問題。

計(jì)算領(lǐng)域三：如何方便有效地利用計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算？指的是利用已有計(jì)算系統(tǒng)，面向各行各業(yè)的計(jì)算問題求解。簡(jiǎn)要列舉即時(shí)通信、在線會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物、播放器、第三方支付、共享單車等計(jì)算機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景，用以說明各行業(yè)的計(jì)算問題求解。

人們對(duì)計(jì)算的三大領(lǐng)域不斷摸索和總結(jié)，形成了計(jì)算機(jī)科學(xué)，即研究可計(jì)算系統(tǒng)的理論，構(gòu)造各種機(jī)器和應(yīng)用各種機(jī)器方面的學(xué)科。再具體闡述計(jì)算機(jī)科學(xué)的這三個(gè)核心內(nèi)涵，“可計(jì)算系統(tǒng)的理論”指的是發(fā)現(xiàn)并提出新的問題求解策略、新的問題求解算法等，“構(gòu)造各種機(jī)器”指的是軟件、硬件等計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建造，“應(yīng)用各種機(jī)器”指的在硬件、軟件、互聯(lián)網(wǎng)方面發(fā)現(xiàn)并設(shè)計(jì)使用計(jì)算機(jī)的新方式和新方法等。最后，介紹計(jì)算機(jī)科學(xué)三個(gè)核心內(nèi)容和計(jì)算領(lǐng)域三大問題之間的聯(lián)系，如圖1所示。

過渡設(shè)計(jì)：隨著計(jì)算機(jī)學(xué)科的成立，越來越多的問題存在可計(jì)算的解，計(jì)算、理論、實(shí)驗(yàn)已成為科學(xué)研究的三大重要手段。其中，理論是以推理和演繹為特征，代表學(xué)科為數(shù)學(xué)；實(shí)驗(yàn)是以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，代表學(xué)科為物理和化學(xué)；計(jì)算是以抽象和自動(dòng)化為特征，代表學(xué)科為計(jì)算機(jī)。

計(jì)算科學(xué)源自數(shù)學(xué)，早期計(jì)算機(jī)科學(xué)受數(shù)學(xué)研究成果的影響很大。計(jì)算科學(xué)（或者科學(xué)計(jì)算）是關(guān)注構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和量化分析技術(shù)的研究領(lǐng)域，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)分析和解決科學(xué)問題。在實(shí)際使用中，它通常是計(jì)算機(jī)模擬和計(jì)算等形式在各個(gè)科學(xué)學(xué)科問題中的應(yīng)用，分為建立數(shù)學(xué)模型、建立求解的計(jì)算方法、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)三個(gè)步驟。計(jì)算科學(xué)有計(jì)算生物學(xué)、計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)、計(jì)算化學(xué)、計(jì)算物理學(xué)等，再具體列舉與計(jì)算科學(xué)相關(guān)的科學(xué)創(chuàng)新，如科恩與波普爾因計(jì)算量子化學(xué)方法獲1998年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)、通過計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算1976年證明了世界近代三大數(shù)學(xué)難題“四色定理”、中國(guó)科學(xué)大師華羅庚的“華-王方法”、馮康的“有限元方法”等。

過渡設(shè)計(jì)：計(jì)算水平已成為衡量國(guó)家科技實(shí)力與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要標(biāo)志之一，同時(shí)計(jì)算也已作為一種思維方式，成為人類科學(xué)思維的重要組成部分。

3 計(jì)算思維概論

本節(jié)內(nèi)容設(shè)計(jì)成三個(gè)方面：計(jì)算思維定義、計(jì)算思維的本質(zhì)、計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)。

通過引出圖靈獎(jiǎng)得主迪科斯特拉的“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力”這一觀點(diǎn)，指出計(jì)算思維已成為人類科學(xué)思維的重要組成部分，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算思維的好奇心。由于“思維”一詞較為抽象，通過引用錢旭紅院士、孫家廣院士、陳國(guó)良院士關(guān)于“思維”的論述，使學(xué)生充分認(rèn)清知識(shí)、思維之間的關(guān)系以及思維培養(yǎng)的重要性，并舉例說明數(shù)學(xué)思維的養(yǎng)成是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。

計(jì)算思維一詞由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授于2006年提出，是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)的一系列思維活動(dòng)。從定義中提煉出計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)是思維、能力的載體，計(jì)算思維是理解運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)。再?gòu)膯栴}求解、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為三個(gè)層面分別進(jìn)行闡述計(jì)算思維的含義，并舉例驗(yàn)證。首先是“問題求解”方面，引入“計(jì)算機(jī)破案”和“表演節(jié)目”兩個(gè)案例，詳細(xì)分析抽象化、算法設(shè)計(jì)等，并編程實(shí)現(xiàn)，使學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行問題求解有直觀的認(rèn)識(shí)；其次是“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”方面，介紹硬件系統(tǒng)的構(gòu)成、軟件系統(tǒng)的開發(fā)步驟，通過列舉學(xué)生開發(fā)的人員去向系統(tǒng)、體育訓(xùn)練系統(tǒng)等，并演示該軟件系統(tǒng)，加深對(duì)“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”含義的理解；最后是“理解人類行為”方面，列舉日常生活中排隊(duì)（隊(duì)列）、走出迷宮（回溯法）、猜價(jià)格（二分法）等問題，以及計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)應(yīng)用的各類場(chǎng)景等，分析人們?nèi)粘Ｐ袨楸澈蟮挠?jì)算機(jī)科學(xué)依據(jù)。在概括計(jì)算思維定義的基礎(chǔ)上，總結(jié)提煉計(jì)算思維、計(jì)算的三大領(lǐng)域和計(jì)算機(jī)科學(xué)內(nèi)涵之間的聯(lián)系，如圖2所示。

關(guān)于計(jì)算思維的本質(zhì)，主要是抽象和自動(dòng)化。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)化，需要在抽象過程中進(jìn)行符號(hào)轉(zhuǎn)換和建立計(jì)算模型，并介紹其根本問題“什么是可計(jì)算的”，即什么問題能被有效地自動(dòng)進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)抽象和自動(dòng)化，計(jì)算思維解決問題的步驟分為問題的抽象化、問題的符號(hào)化、問題的求解算法、算法的實(shí)現(xiàn)等四個(gè)步驟，再結(jié)合“計(jì)算機(jī)破案”或“輾轉(zhuǎn)相除法”實(shí)例，詳細(xì)講解抽象化、符合化、求解算法的含義，并演示實(shí)例程序，以加深學(xué)生對(duì)計(jì)算思維本質(zhì)的理解。

關(guān)于計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)的內(nèi)在聯(lián)系，主要闡述清楚計(jì)算思維和計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的先后次序及區(qū)別。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)強(qiáng)化了原本存在于人類思維中的計(jì)算思維、計(jì)算機(jī)程序采用各種技術(shù)和手段來表達(dá)計(jì)算思維等。通過對(duì)比分析，使學(xué)生將抽象的“計(jì)算思維”具體化，并深刻理解計(jì)算機(jī)知識(shí)和計(jì)算思維、計(jì)算機(jī)和計(jì)算思維之間的區(qū)別和聯(lián)系。

4 小結(jié)

通過優(yōu)化大學(xué)計(jì)算機(jī)課程緒論課內(nèi)容結(jié)構(gòu)、提煉“計(jì)算”教學(xué)主線等途徑，本文提出了一種課程緒論的教學(xué)設(shè)計(jì)，旨在使學(xué)生全面深入理解該課程知識(shí)結(jié)構(gòu)，形成對(duì)計(jì)算思維的初步認(rèn)識(shí)，提升運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行問題求解的能力。經(jīng)過對(duì)這種教學(xué)設(shè)計(jì)的初步實(shí)踐，學(xué)生基本厘清了知識(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)計(jì)算思維有了較為具體的認(rèn)識(shí)，也進(jìn)一步提升了課程教學(xué)效果。這一教學(xué)設(shè)計(jì)，對(duì)于教材編寫和同行院校開展課程教學(xué)，也具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李暾，毛曉光，劉萬(wàn)偉，等.大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[2] 張廣兵.基于計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革之反思[J].計(jì)算機(jī)教育，2015（21）：67-70.

[3] 任靜靜.基于計(jì)算思維的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革研究與實(shí)踐[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2020（28）：89-92.

[4] 任穎，王麗娜，方霞.計(jì)算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)研究[J].軟件工程，2020，23（2）：56-58.

[5] 徐蘭蘭.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[J].軟件導(dǎo)刊（教育技術(shù)），2016，15（2）：18-19，20.

[6] 陳少波.大學(xué)計(jì)算機(jī)課程中學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2021，17（35）：184-185，198.

[7] 郝興偉.大學(xué)計(jì)算機(jī)：計(jì)算思維的視角[M].3版.北京：高等教育出版社，2014.

【通聯(lián)編輯：王 力】