李一鳴

(湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖南 岳陽(yáng)414006)

基于大學(xué)生計(jì)算思維創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究性教學(xué)模式研究與實(shí)踐

李一鳴

(湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖南 岳陽(yáng)414006)

大學(xué)計(jì)算機(jī)是非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的一門重要課程,在學(xué)生綜合素質(zhì)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面發(fā)揮著重要作用,而計(jì)算思維能力培養(yǎng)是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù).本文介紹了計(jì)算思維的基本概念,闡述了以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)目標(biāo).

計(jì)算思維; 教學(xué)模式; 進(jìn)制轉(zhuǎn)換

0 引言

大學(xué)計(jì)算機(jī)是一門很重要的針對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)大一學(xué)生的課程.在大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中以培養(yǎng)大學(xué)生的計(jì)算思維創(chuàng)新能力為導(dǎo)向,對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)至關(guān)重要,能有效提高學(xué)生的計(jì)算機(jī)應(yīng)用和創(chuàng)新能力.

1 計(jì)算思維

美國(guó)科學(xué)基金會(huì)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)工程部主任周以真教授[1]指出,計(jì)算思維(Computational Thinking)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng).

教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)非常重視對(duì)大學(xué)生計(jì)算思維的培育.2010 年 7月,委員會(huì)在西安會(huì)議發(fā)布了《九校聯(lián)盟(C9)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》,確定了以計(jì)算思維為核心來(lái)對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)這門課程進(jìn)行教學(xué)改革.

2 大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)目標(biāo)

大學(xué)計(jì)算機(jī)是本科非計(jì)算機(jī)專業(yè)的一年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)的入門課程,使學(xué)生剛剛進(jìn)入大學(xué),就可以系統(tǒng)地掌握計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí),以便對(duì)后續(xù)計(jì)算機(jī)的相關(guān)課程進(jìn)行選課和學(xué)習(xí),而且為學(xué)生日后參加全國(guó)計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平等級(jí)考試打下一個(gè)良好的基礎(chǔ).

3 合理設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容

本文以“數(shù)制與進(jìn)制轉(zhuǎn)換”這一教學(xué)內(nèi)容為例,詳解如何采用以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)模式,讓學(xué)生能夠在一節(jié)課的學(xué)習(xí)過(guò)程中拓展思維.

3.1 導(dǎo)入新課

課前讓學(xué)生思考這樣兩個(gè)問(wèn)題: 平常用百度或谷歌搜索birthday時(shí)和搜索漢字“生日”時(shí)url地址欄有什么不同？搜索漢字“生日”時(shí)url地址欄顯示 C9FA C8D5代表什么? (我們平常沒(méi)有留意的地方暗藏什么玄機(jī))按住alt鍵再按住數(shù)字小鍵盤區(qū)的65,就可以在記事本中輸入A,A在計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制代碼是什么？學(xué)生帶著這兩個(gè)問(wèn)題開(kāi)始本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí).

引出新問(wèn)題,為什么要在計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制? 然后伴隨著學(xué)生的思考與討論進(jìn)行分析解答,有四大原因使得在計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制.

第一、容易實(shí)現(xiàn).因?yàn)橛?jì)算機(jī)是由千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)電子元器件組成的,大部分的電子元器件通常情況下只有兩種穩(wěn)定的狀態(tài),比如晶體管有導(dǎo)通和截至兩種狀態(tài),我們可以用導(dǎo)通表示1,截至表示0,開(kāi)關(guān)開(kāi)的時(shí)候表示1,斷的時(shí)候表示0.如果采用我們最熟悉的十進(jìn)制,電子元件就需要表示十種穩(wěn)定的狀態(tài),而具有這種性能的電子元器件很難找到,就算是找到了,它的運(yùn)算和控制的實(shí)現(xiàn)也肯定會(huì)很復(fù)雜.

第二、計(jì)算機(jī)當(dāng)然要計(jì)算,而二進(jìn)制的算術(shù)運(yùn)算規(guī)則非常簡(jiǎn)單,兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)和、積運(yùn)算組合各有三種,簡(jiǎn)單的規(guī)則使得計(jì)算機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也變得簡(jiǎn)單了.

第三、計(jì)算機(jī)不僅需要有算術(shù)運(yùn)算功能,還應(yīng)具備邏輯運(yùn)算功能,而二進(jìn)制的1和0正好分別表示true和false.

第四、對(duì)于電子元器件,0和1兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換速度極快,因此計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度也很高.

3.2 基礎(chǔ)理論

講述進(jìn)位計(jì)數(shù)制的概念以及進(jìn)位計(jì)數(shù)制的兩大共同點(diǎn)(基數(shù)進(jìn)借位和用位權(quán)值來(lái)計(jì)數(shù)).

不同的計(jì)數(shù)制是以基數(shù)來(lái)區(qū)分的.這里向?qū)W生重點(diǎn)介紹十六進(jìn)制: 用A代表10,B代表11,C代表12,D代表13,E代表14,F代表15.講述基數(shù)進(jìn)借位時(shí),讓學(xué)生做一下進(jìn)制的運(yùn)算,以十六進(jìn)制的加法為例.進(jìn)制運(yùn)算時(shí)都要遵守“逢R進(jìn)1,借1當(dāng)R”的規(guī)則(R為基數(shù)).

講述用位權(quán)值來(lái)計(jì)數(shù)時(shí),以十進(jìn)制數(shù)66.6為例說(shuō)明.同一個(gè)數(shù)碼,出現(xiàn)在不同數(shù)位所代表的數(shù)值是不相同的.即一個(gè)數(shù)所代表的數(shù)值由兩個(gè)因素決定: 數(shù)碼本身及其所在的數(shù)位,此時(shí)引出“權(quán)”的概念,各個(gè)數(shù)碼由于所在數(shù)位不同而乘以10的若干次冪,這稱為數(shù)位的“權(quán)”.

3.3 重點(diǎn)部分

重點(diǎn)——進(jìn)制轉(zhuǎn)換.講授三種進(jìn)制轉(zhuǎn)換: 任意的R進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù),十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成任意的R進(jìn)制數(shù)(以二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制為例),以及二進(jìn)制與八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換.把課堂變成一個(gè)開(kāi)放式的課堂,共同來(lái)探討進(jìn)制轉(zhuǎn)換有什么用處？

第一、用于編程,如果用二進(jìn)制編程,計(jì)算機(jī)倒是可以直接識(shí)別,但是對(duì)我們來(lái)說(shuō)來(lái)說(shuō)數(shù)位太長(zhǎng)了,太繁瑣了,書寫、閱讀、記憶都不方便,所以程序員一般用八進(jìn)制或者十六進(jìn)制來(lái)編程,比如在匯編語(yǔ)言里就是用十六進(jìn)制編寫程序的.

第二、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中經(jīng)常用到進(jìn)制轉(zhuǎn)換,比如通過(guò)子網(wǎng)掩碼和 IP地址求網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)號(hào)和主機(jī)號(hào),這里就需要用到二進(jìn)制和十進(jìn)制之間的相互轉(zhuǎn)換.

第三、很多人喜歡玩游戲,在玩游戲的時(shí)候,每個(gè)人都希望自己可以修改游戲,把那些經(jīng)驗(yàn)值、金錢值、武器值修改得越多越好,成為游戲中的無(wú)敵強(qiáng)人.但是當(dāng)他去修改這些值的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)那些數(shù)據(jù)的屬性值都是用二進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制表示的,所以想成為游戲修改的高手,進(jìn)制轉(zhuǎn)換是必須掌握的.

最后,在WINDOWS操作系統(tǒng)的注冊(cè)表里面,許多數(shù)據(jù)都采用十六進(jìn)制書寫.

這時(shí)讓學(xué)生將十進(jìn)制小數(shù)0.158轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù).做的過(guò)程中,會(huì)有學(xué)生反映,小數(shù)一直不為0,適時(shí)指出小數(shù)一直不為0,就取指定的二進(jìn)制位數(shù),遵守“0舍1入”規(guī)則.

現(xiàn)在可以回答問(wèn)題二了,原來(lái)大寫字母A在計(jì)算機(jī)中的二進(jìn)制代碼為1000001.

再做兩個(gè)題目,一個(gè)是將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù),一個(gè)是將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù),歸納出將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成任意的R進(jìn)制數(shù),整數(shù)部分采用“除基取余”,小數(shù)部分采用“乘基取整”的方法.

介紹第三種進(jìn)制轉(zhuǎn)換方法,二進(jìn)制與八進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換.

首先介紹三位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一位八進(jìn)制數(shù).因?yàn)?2=8,可以算一下111B是不是等于7Q.

同理,四位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)一位十六進(jìn)制數(shù),因?yàn)?2=16.接著列出二進(jìn)制與八進(jìn)制、二進(jìn)制十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)照表,說(shuō)明在同一行的數(shù)是對(duì)應(yīng)相等的,也可以運(yùn)用前面學(xué)的進(jìn)制轉(zhuǎn)換知識(shí)驗(yàn)證.用動(dòng)畫形象地演示二、八、十六進(jìn)制數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換.

3.4 難點(diǎn)部分

難點(diǎn)——快速的進(jìn)制轉(zhuǎn)換方法.

為開(kāi)拓學(xué)生的思維,使學(xué)生掌握快速的進(jìn)制轉(zhuǎn)換方法,以二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換為例,給出三種快速的進(jìn)制轉(zhuǎn)換方法,移位法、定位減權(quán)法和湊項(xiàng)法.其它進(jìn)制轉(zhuǎn)換可推而廣之,只需要把R進(jìn)制換為二進(jìn)制即可.化難為簡(jiǎn),學(xué)生做起進(jìn)制轉(zhuǎn)換的題目也不會(huì)畏難.

做思考題,提出計(jì)算思維的概念.

計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能,不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家和工作者.我們應(yīng)當(dāng)使每個(gè)大學(xué)生在培養(yǎng)解析能力時(shí)要學(xué)會(huì)計(jì)算思維.大學(xué)計(jì)算機(jī)這門課程是計(jì)算思維培養(yǎng)的一個(gè)關(guān)鍵.

當(dāng)求解一個(gè)問(wèn)題時(shí),我們會(huì)問(wèn)解決這個(gè)問(wèn)題有多難？怎樣才是最佳的解決之道？計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念知識(shí)進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì).

引入一道題目,巧用進(jìn)制轉(zhuǎn)換(計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念知識(shí))猜生月生日游戲.

這時(shí)找一名同學(xué)配合,請(qǐng)他依次指出表格中哪些行有他的生月,然后再依次指出表格中哪些行有他的生日,老師立刻說(shuō)出他的生月生日.解析道理,原來(lái)其中運(yùn)用到了進(jìn)制轉(zhuǎn)換的概念.使得學(xué)生們明白計(jì)算思維的重要性.并且適時(shí)引導(dǎo)他們注意日常生活中什么時(shí)候會(huì)用到計(jì)算思維.

4 結(jié)束語(yǔ)

在大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)中以計(jì)算機(jī)思維能力培養(yǎng)為核心,可以充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體作用.通過(guò)課堂討論與互動(dòng),培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力,通過(guò)對(duì)問(wèn)題的探究,啟發(fā)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力,提升計(jì)算思維能力.

[1]Jeannette M W.Computational Thinking[J].Communication of ACM,2006,49(3): 33～35

[2]何欽銘,陸漢權(quán),馮博琴.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2010(9): 5～9

[3]教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[M].北京: 高等教育出版社,2009

[4]王榮良.信息技術(shù)課程中算法學(xué)習(xí)的價(jià)值探索[J].中國(guó)電化教育,2008(8): 78～81

[5]臧勁松.培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的程序設(shè)計(jì)課程教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育,2012(1): 78～80

[6]教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué),2010(9): 4

[7]王飛躍.計(jì)算思維與計(jì)算文化[N].科學(xué)時(shí)報(bào),2007-10-12

A Study of Teaching Mode based on Cultivation of College Students' Computational Thinking Ability

LI Yiming
(College of Computer Science,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

University Computer is an important course in computer basic teaching of non computer major.It plays an important role in the students’ overall quality and innovation ability.The cultivation of computational thinking ability is the core task of computer basic teaching.This paper described the basic concepts of computational thinking ability,and expounded the aim of university computer teaching based on the cultivation of computational thinking ability.

computational thinking,teaching mode,hexadecimal conversion

G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1672-5298(2017)02-0092-03

2016-06-03

湖南理工學(xué)院教研教改項(xiàng)目“基于大學(xué)生計(jì)算思維創(chuàng)新能力培養(yǎng)的研究性教學(xué)模式研究與實(shí)踐”(2016B07)

李一鳴(1979- ),女,湖南平江人,碩士,湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院講師.主要研究方向: 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)