編程教育的計算思維培養

緒論：寫作既是個人情感的抒發，也是對學術真理的探索，歡迎閱讀由發表云整理的1篇編程教育的計算思維培養范文，希望它們能為您的寫作提供參考和啟發。

0引言

每天，人類都面臨著現實世界的問題，需要一些思考和邏輯來解決這些問題。人們有意識或無意識地應用計算思維(ComputationalThinking，CT)的概念。計算思維的概念可能并不復雜，但它試圖通過定義一些簡單的計算步驟來解決每個問題。然而，這些步驟可能涉及問題的抽象、創建模型、設計算法和驗證結果，以及確定解決方案的可行性。計算思維的概念在2006年被提出來后，隨即在大學的計算機教育中掀起了一番改革。后來計算思維又給出一個更容易理解的定義:計算思維是指在解決問題和設計其解決方案時所涉及的思維過程，基于計算機科學的基本概念和原理對問題解決、系統設計和人類行為的理解。目的是為了使人或機器可以有效地去執行。由此定義可以看出，計算思維是為了在處理問題時提供一個可以通過計算來解決的方法，這個方法的執行人可以是人，也可以是機器，計算思維不僅用于解決問題，還可以用它來定義問題。計算思維是未來人才必須具備的基本知識。特別是，對于計算算法的開發，與IT無關的專業學生有必要在其研究領域找到創新項目，克服對技術的恐懼，并發展與IT專業人士交流的能力。計算思維被認為是與理論思維、實驗思維并列的第3種思維模式，是“互聯網+”、大數據和人工智能時代所有人都應具備的一種思維模式。大學生創造性思維的培養離不開計算思維的培養，互聯網公司的成功應歸屬于計算思維運用的成功。信息時代運用計算思維的能力已成為大學生在學習和掌握專業課程和專業技能的基礎上，與各學科的專業知識融合進行研究和創新的必備條件，這種計算思維可以通過計算機編程語言教育來發展和改進。

1Python編程教育

編程語言的類型非常多樣，但我們希望找到一種對初學者來說有趣、易于學習并且能夠編寫各種應用程序的編程語言。而Python就是合適的編程語言之一。Py-thon不僅用作純編程語言，還用作連接其他語言編寫的模塊的中間語言。Python基礎代碼易于學習，使用簡單的圖形處理，具有完整的語言功能，對初學者開發應用程序非常有用，所以Python可以用于融合教育，它已成為云計算、大數據、人工智能的首選語言。現階段，高校普遍將它作為計算機相關專業的一門主干課程。編程教育從理解程序開始，學生通過理解和調試程序編寫過程，最后達到獨立開發應用軟件的水平。具體的學習步驟如下:(1)理解編程基礎

能夠識別編程的概念。能夠識別編程語言和基本用法。可以編寫和執行一個簡單的程序。

(2)熟悉輸入/輸出編程

可以創建和執行基于文本的輸入/輸出程序。可以識別圖形輸入/輸出組件及其特性。可以使用圖形輸入/輸出組件創建和執行簡單的程序。

(3)掌握程序編寫流程

能夠熟悉程序編寫過程。可以描述程序輸出中的內容。可以提出幾種低成本開發好軟件的方法。

(4)達到軟件開發應用程度

可以識別各種編程工具的特征，并選擇適合于編寫應用軟件的編程工具。使用包括數據管理系統在內的各種編程工具，可以根據程序生產過程創建和執行簡單的應用軟件。

2計算思維分類

計算思維的核心是解決問題的過程，每個人都可以在各種內容領域和日常環境中使用。計算思維是一種將問題分解為不同部分、尋找相似之處、識別相關信息和簡化機會并制定解決方案的方法。這種廣泛的問題解決技術包括四個要素:分解、模式識別、抽象和算法。

(1)分解:將問題分解為更小的部分

將問題分解為更小的部分可以使復雜的挑戰更易于管理。這使得其他計算思維元素能夠更有效地應用于復雜挑戰。然后將較小問題的解決方案組合起來，以解決原始的較大問題。現實世界的例子:例如，當你打掃房間時，你可能會列出一份待辦事項清單。確定個人任務(整理床鋪、掛衣服等)可以讓你在開始清潔前熟悉較小的步驟。

(2)模式識別:識別是否存在相似之處

檢查問題的模式或與以前解決的問題的相似性，可以簡化解決方案。模式識別可以對問題進行分組、組織或簡化，以獲得更有效的結果。現實世界的例子:在知道一只狗的特征之后，可以按照這種特征模式類比地描述其他品種的狗，例如狗都有兩只眼睛、一條尾巴與四只腳，不一樣的地方再進行單獨分析處理。

(3)抽象:問題的概括－關注全局和重要內容

從給定問題的特定細節后退一步，可以創建更通用的解決方案。這需要分析問題，去除額外的細節，突出基本部分。完成后，開始頭腦風暴，尋找問題的解決方案。現實世界示例:公共交通地圖是經常遇到的抽象示例，地圖只顯示了重要信息(站點、路線、行駛的大致方向)，而忽略了更精細的細節。

(4)算法:解決問題的逐步說明

解決問題時，為解決方案制定計劃非常重要。算法是一種策略，可用于確定如何解決問題的分步指令。算法可以用普通語言、流程圖或偽代碼編寫。現實世界的例子:我們每天都使用算法，通常以分步指令的形式。食譜、制作家具或積木集的說明、運動中的游戲和在線地圖方向都是算法的示例。其中，抽象思維(Abstractthinking)是計算思維中最重要、最高級的思維過程，是程序員必備的能力。抽象是計算的關鍵技能，是數學和工程的基礎，它涉及減少不必要的細節，消除復雜性，選擇正確的細節隱藏，因此問題更容易理解，不會遺漏任何重要內容。因此，它允許通過消除問題的細節來開發潛在的解決方案。抽象思維是抽象與研究相關的對象屬性的能力。此外，抽象允許定義模式，通過從實例中獲取公共基本屬性進行概括，以及參數化。如果沒有抽象，學生往往會被細節淹沒，并對編程過程感到沮喪，因此這項技能的發展是必要的，適用于編程、數學和不同學科。此外，算法思維可以幫助我們以“公式化的方式”高效工作，編程是從一開始就講授算法思維基本原理的一種方式，在高等教育中，在現代信息社會的未來職業和日常生活背景下開發算法非常重要。算法思維也被認為是未來工程師認知能力的重要組成部分，因為算法活動允許形成足夠的算法技能，通過這些技能，學生可以發展思維活動的技術，如概括、分類、類比、建立模式和邏輯推理，這些是算法思維的主要組成部分。因此，除了與計算相關的職業之外，建議通過在不同學科和職業中編程來促進算法思維技能的發展。算法思維包括明確定義達成解決方案的步驟，根據指令序列和規則進行思維，從而解決問題或理解情況。高等教育學生算法思維的形成和發展也是信息社會的要求，因為它為學生提供了解決日常生活問題的工具，并通過一系列步驟獲得解決方案。這是學生在學習編程時發展的一項基本技能。此外，計算機編程還涉及其他技能，如邏輯推理和解決問題的創造力。算法思維是人性的一部分，盡管多任務思維對于人類團隊來說似乎很自然，用編程語言編寫算法并不簡單，主要是為了解決語法問題。對于主要學習語法問題的編程語言的人和學生來說，實現多任務解決方案可能是一項復雜的任務。Python是簡化編程學習的真正解決方案。綜上所述，計算思維是所有學生的基本技能，計算思維涉及抽象、算法思維、自動化、分解、調試等能力。

3計算思維培養

3．1計算思維與信息和通信技術

計算思維與信息和通信技術(InformationandCommu-nicationsTechnology，ICT)不同，它們之間的差異可以比作計算機編程和計算機使用之間的差異。更具體地說，關于ICT的傳統課程往往側重于技術和標準軟件(如電子表格、文字處理器、數據庫等)的使用，即所謂的ICT素養或計算機素養。然而，大多數學生發現ICT技術沒有挑戰性，因為在這個無所不在的數字世界里，學生們自己可以輕松掌握信息和通信技術或技能的基本知識。相反，計算思維是基于計算機科學的基本概念和原理的問題解決技能，強調計算和技術創新的基本原理。因此，旨在講授計算思維的課程應該超越信通技術素養，這自然需要不同的教學方法。簡言之，為了講授計算思維，我們需要轉向解決ICT以外的問題，并基于計算機科學的基本概念和原則促進各種類型的思維(例如，算法、邏輯、抽象、創造性等)。計算思維是每個受過教育的人都需要學習的數字世界中一種新的、基本的思考和解決問題的方式。計算思維培養創造性問題解決者，使他們有能力利用數字技術創建計算解決方案。強調學生創造力發展的重要性，鼓勵創新和科技發展，將計算思維納入我們的課程被視為通識教育的重要目標，使學生具備創造性和批判性思維、邏輯和推理以及設計思維等能力。

3．2計算思維教學方法

不同的人類時代需要不同的思維方式。計算思維是從計算機科學中抽象出來的一套解決問題的技能，在其他環境中也很有用，它是這個無所不在計算的數字時代所需要的思維模式。計算思維教學需要比ICT教學更深入的層次。由于計算思維可以培養具有數字創造力的問題解決者，這是創新和技術發展所需要的，因此計算思維應該在高校普通教育課程中占據突出位置。到目前為止，計算思維的教學方法可以分為三大類，這取決于編程在其中扮演的角色。在第一類中，編程在引入計算思維方面起著重要作用，所采用的編程語言通常是成熟的基于文本的語言，如C/C++、Java和Python，這些要求相對較高的課程通常是理工科學生要面對的。在第二類講授計算思維的方法中，編程(甚至計算機本身)在其中不起作用。計算思維是通過智力游戲、游戲和魔術等活動來講授的。計算思維可以在沒有編程甚至計算機的情況下講授，雖然計算思維是從計算機科學中抽象出來的，但它并非固有的計算機科學，因此也可以應用于其他環境。第三類計算思維教學方法則介于第一類和第二類之間———它涉及編程，但不是實質性的。這種方法中采用的編程語言通常是可視化編程語言，與那些基于文本的編程語言不同，這些可視化編程語言由于其最小語法而具有較低的學習門檻，這使學生能夠專注于計算的基本概念和原理。這些課程通常涉及基于設計的學習活動，如機器人和電腦游戲，第三類方法是迄今為止向非理工科學生講授計算思維的最有效方法。研究表明，學生對編程語言的熟練程度會影響最合適的教學方法，根據學生的熟練程度調整教學方法在編程教育中具有積極的學習效果。因此，在講授計算思維時，將教學方法與學生的熟練程度相匹配可能也很重要。“因材施教”強調了在講授和評估計算思維技能時區分不同熟練程度的重要性，Pollock等人還基于高等教育創建了一個區分編程熟練程度的標準。目前的文獻對學生當前的水平總是以相同的方式進行評估，即通過學生的自我評估。問題在于這種方法是否可靠。研究評估學生當前熟練程度的其他方法，或者找到一種更為動態的方式，為學生量身定制干預措施，可能會很有趣。

4結論

隨著技術的進步，計算機和計算解決方案越來越多地融入我們的日常生活中，各級教育必須在某個時候開始培養年輕人的思維，為日益數字化的世界做好準備。許多計算機科學和教育權威將計算思維稱為21世紀的文化素養，計算思維目前是高等院校計算機相關專業均開設的一門通識必修課，它是一門技術型通識類思維教育課程，在高等教育中得到了高度的重視。計算思維涉及教育學和實踐的重大變革，需要從研究人員到教育工作者的各方合作。雖然關于計算思維作為一個術語的確切界限仍有討論，但計算思維作為我們社會各個方面的一項關鍵技能，從醫生到工程師、管理者到研究人員等受過計算思維教育的勞動力隊伍意味著效率和經濟效益，甚至技術的進步。本文通過Python計算機編程培養計算思維能力，并討論這種教育如何影響學生計算思維的提高，這些可以作為對編程教學中面向計算思維實踐的方法感興趣的教育工作者提供粗淺的參考。

作者:賈銀潔 單位:宿遷學院信息工程學院