編程教育的計算思維培養(yǎng)

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

0引言

每天，人類都面臨著現(xiàn)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(yīng)用計算思維(ComputationalThinking，CT)的概念。計算思維的概念可能并不復(fù)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(chuàng)建模型、設(shè)計算法和驗證結(jié)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(xué)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(shè)計其解決方案時所涉及的思維過程，基于計算機科學(xué)的基本概念和原理對問題解決、系統(tǒng)設(shè)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(zhí)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(zhí)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(fā)，與IT無關(guān)的專業(yè)學(xué)生有必要在其研究領(lǐng)域找到創(chuàng)新項目，克服對技術(shù)的恐懼，并發(fā)展與IT專業(yè)人士交流的能力。計算思維被認(rèn)為是與理論思維、實驗思維并列的第3種思維模式，是“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)和人工智能時代所有人都應(yīng)具備的一種思維模式。大學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)離不開計算思維的培養(yǎng)，互聯(lián)網(wǎng)公司的成功應(yīng)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(xué)生在學(xué)習(xí)和掌握專業(yè)課程和專業(yè)技能的基礎(chǔ)上，與各學(xué)科的專業(yè)知識融合進(jìn)行研究和創(chuàng)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(fā)展和改進(jìn)。

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(xué)者來說有趣、易于學(xué)習(xí)并且能夠編寫各種應(yīng)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(chǔ)代碼易于學(xué)習(xí)，使用簡單的圖形處理，具有完整的語言功能，對初學(xué)者開發(fā)應(yīng)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(shù)據(jù)、人工智能的首選語言。現(xiàn)階段，高校普遍將它作為計算機相關(guān)專業(yè)的一門主干課程。編程教育從理解程序開始，學(xué)生通過理解和調(diào)試程序編寫過程，最后達(dá)到獨立開發(fā)應(yīng)用軟件的水平。具體的學(xué)習(xí)步驟如下:(1)理解編程基礎(chǔ)

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(zhí)行一個簡單的程序。

(2)熟悉輸入/輸出編程

可以創(chuàng)建和執(zhí)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(chuàng)建和執(zhí)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(nèi)容。可以提出幾種低成本開發(fā)好軟件的方法。

(4)達(dá)到軟件開發(fā)應(yīng)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(yīng)用軟件的編程工具。使用包括數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在內(nèi)的各種編程工具，可以根據(jù)程序生產(chǎn)過程創(chuàng)建和執(zhí)行簡單的應(yīng)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(nèi)容領(lǐng)域和日常環(huán)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(guān)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(shù)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(fù)雜的挑戰(zhàn)更易于管理。這使得其他計算思維元素能夠更有效地應(yīng)用于復(fù)雜挑戰(zhàn)。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(xiàn)實世界的例子:例如，當(dāng)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(wù)(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(jìn)行分組、組織或簡化，以獲得更有效的結(jié)果。現(xiàn)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(jìn)行單獨分析處理。

(3)抽象:問題的概括－關(guān)注全局和重要內(nèi)容

從給定問題的特定細(xì)節(jié)后退一步，可以創(chuàng)建更通用的解決方案。這需要分析問題，去除額外的細(xì)節(jié)，突出基本部分。完成后，開始頭腦風(fēng)暴，尋找問題的解決方案。現(xiàn)實世界示例:公共交通地圖是經(jīng)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(xì)的細(xì)節(jié)。

(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(xiàn)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(guān)鍵技能，是數(shù)學(xué)和工程的基礎(chǔ)，它涉及減少不必要的細(xì)節(jié)，消除復(fù)雜性，選擇正確的細(xì)節(jié)隱藏，因此問題更容易理解，不會遺漏任何重要內(nèi)容。因此，它允許通過消除問題的細(xì)節(jié)來開發(fā)潛在的解決方案。抽象思維是抽象與研究相關(guān)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(jìn)行概括，以及參數(shù)化。如果沒有抽象，學(xué)生往往會被細(xì)節(jié)淹沒，并對編程過程感到沮喪，因此這項技能的發(fā)展是必要的，適用于編程、數(shù)學(xué)和不同學(xué)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(xiàn)代信息社會的未來職業(yè)和日常生活背景下開發(fā)算法非常重要。算法思維也被認(rèn)為是未來工程師認(rèn)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(xué)生可以發(fā)展思維活動的技術(shù)，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(guān)的職業(yè)之外，建議通過在不同學(xué)科和職業(yè)中編程來促進(jìn)算法思維技能的發(fā)展。算法思維包括明確定義達(dá)成解決方案的步驟，根據(jù)指令序列和規(guī)則進(jìn)行思維，從而解決問題或理解情況。高等教育學(xué)生算法思維的形成和發(fā)展也是信息社會的要求，因為它為學(xué)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(xué)生在學(xué)習(xí)編程時發(fā)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(chuàng)造力。算法思維是人性的一部分，盡管多任務(wù)思維對于人類團(tuán)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(xué)習(xí)語法問題的編程語言的人和學(xué)生來說，實現(xiàn)多任務(wù)解決方案可能是一項復(fù)雜的任務(wù)。Python是簡化編程學(xué)習(xí)的真正解決方案。綜上所述，計算思維是所有學(xué)生的基本技能，計算思維涉及抽象、算法思維、自動化、分解、調(diào)試等能力。

3計算思維培養(yǎng)

3．1計算思維與信息和通信技術(shù)

計算思維與信息和通信技術(shù)(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(guān)于ICT的傳統(tǒng)課程往往側(cè)重于技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)軟件(如電子表格、文字處理器、數(shù)據(jù)庫等)的使用，即所謂的ICT素養(yǎng)或計算機素養(yǎng)。然而，大多數(shù)學(xué)生發(fā)現(xiàn)ICT技術(shù)沒有挑戰(zhàn)性，因為在這個無所不在的數(shù)字世界里，學(xué)生們自己可以輕松掌握信息和通信技術(shù)或技能的基本知識。相反，計算思維是基于計算機科學(xué)的基本概念和原理的問題解決技能，強調(diào)計算和技術(shù)創(chuàng)新的基本原理。因此，旨在講授計算思維的課程應(yīng)該超越信通技術(shù)素養(yǎng)，這自然需要不同的教學(xué)方法。簡言之，為了講授計算思維，我們需要轉(zhuǎn)向解決ICT以外的問題，并基于計算機科學(xué)的基本概念和原則促進(jìn)各種類型的思維(例如，算法、邏輯、抽象、創(chuàng)造性等)。計算思維是每個受過教育的人都需要學(xué)習(xí)的數(shù)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(yǎng)創(chuàng)造性問題解決者，使他們有能力利用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)建計算解決方案。強調(diào)學(xué)生創(chuàng)造力發(fā)展的重要性，鼓勵創(chuàng)新和科技發(fā)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(biāo)，使學(xué)生具備創(chuàng)造性和批判性思維、邏輯和推理以及設(shè)計思維等能力。

3．2計算思維教學(xué)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(xué)中抽象出來的一套解決問題的技能，在其他環(huán)境中也很有用，它是這個無所不在計算的數(shù)字時代所需要的思維模式。計算思維教學(xué)需要比ICT教學(xué)更深入的層次。由于計算思維可以培養(yǎng)具有數(shù)字創(chuàng)造力的問題解決者，這是創(chuàng)新和技術(shù)發(fā)展所需要的，因此計算思維應(yīng)該在高校普通教育課程中占據(jù)突出位置。到目前為止，計算思維的教學(xué)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(xué)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(shù)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(xué)中抽象出來的，但它并非固有的計算機科學(xué)，因此也可以應(yīng)用于其他環(huán)境。第三類計算思維教學(xué)方法則介于第一類和第二類之間———它涉及編程，但不是實質(zhì)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(xué)習(xí)門檻，這使學(xué)生能夠?qū)Ｗ⒂谟嬎愕幕靖拍詈驮怼＿@些課程通常涉及基于設(shè)計的學(xué)習(xí)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(xué)生講授計算思維的最有效方法。研究表明，學(xué)生對編程語言的熟練程度會影響最合適的教學(xué)方法，根據(jù)學(xué)生的熟練程度調(diào)整教學(xué)方法在編程教育中具有積極的學(xué)習(xí)效果。因此，在講授計算思維時，將教學(xué)方法與學(xué)生的熟練程度相匹配可能也很重要。“因材施教”強調(diào)了在講授和評估計算思維技能時區(qū)分不同熟練程度的重要性，Pollock等人還基于高等教育創(chuàng)建了一個區(qū)分編程熟練程度的標(biāo)準(zhǔn)。目前的文獻(xiàn)對學(xué)生當(dāng)前的水平總是以相同的方式進(jìn)行評估，即通過學(xué)生的自我評估。問題在于這種方法是否可靠。研究評估學(xué)生當(dāng)前熟練程度的其他方法，或者找到一種更為動態(tài)的方式，為學(xué)生量身定制干預(yù)措施，可能會很有趣。

4結(jié)論

隨著技術(shù)的進(jìn)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(yǎng)年輕人的思維，為日益數(shù)字化的世界做好準(zhǔn)備。許多計算機科學(xué)和教育權(quán)威將計算思維稱為21世紀(jì)的文化素養(yǎng)，計算思維目前是高等院校計算機相關(guān)專業(yè)均開設(shè)的一門通識必修課，它是一門技術(shù)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(xué)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(guān)于計算思維作為一個術(shù)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(guān)鍵技能，從醫(yī)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(jīng)濟效益，甚至技術(shù)的進(jìn)步。本文通過Python計算機編程培養(yǎng)計算思維能力，并討論這種教育如何影響學(xué)生計算思維的提高，這些可以作為對編程教學(xué)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(xué)院信息工程學(xué)院