編程教育的計(jì)算思維培養(yǎng)

緒論：寫作既是個(gè)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(jì)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(shí)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(shí)或無意識(shí)地應(yīng)用計(jì)算思維(ComputationalThinking，CT)的概念。計(jì)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(jì)算步驟來解決每個(gè)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(jì)算法和驗(yàn)證結(jié)果，以及確定解決方案的可行性。計(jì)算思維的概念在2006年被提出來后，隨即在大學(xué)的計(jì)算機(jī)教育中掀起了一番改革。后來計(jì)算思維又給出一個(gè)更容易理解的定義:計(jì)算思維是指在解決問題和設(shè)計(jì)其解決方案時(shí)所涉及的思維過程，基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念和原理對問題解決、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人類行為的理解。目的是為了使人或機(jī)器可以有效地去執(zhí)行。由此定義可以看出，計(jì)算思維是為了在處理問題時(shí)提供一個(gè)可以通過計(jì)算來解決的方法，這個(gè)方法的執(zhí)行人可以是人，也可以是機(jī)器，計(jì)算思維不僅用于解決問題，還可以用它來定義問題。計(jì)算思維是未來人才必須具備的基本知識(shí)。特別是，對于計(jì)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(xiàng)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(jì)算思維被認(rèn)為是與理論思維、實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)算思維的培養(yǎng)，互聯(lián)網(wǎng)公司的成功應(yīng)歸屬于計(jì)算思維運(yùn)用的成功。信息時(shí)代運(yùn)用計(jì)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(shí)融合進(jìn)行研究和創(chuàng)新的必備條件，這種計(jì)算思維可以通過計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)算機(jī)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(dú)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(shí)別編程的概念。能夠識(shí)別編程語言和基本用法。可以編寫和執(zhí)行一個(gè)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(shí)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(shí)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(jì)算思維分類

計(jì)算思維的核心是解決問題的過程，每個(gè)人都可以在各種內(nèi)容領(lǐng)域和日常環(huán)境中使用。計(jì)算思維是一種將問題分解為不同部分、尋找相似之處、識(shí)別相關(guān)信息和簡化機(jī)會(huì)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(gè)要素:分解、模式識(shí)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(jì)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(shí)世界的例子:例如，當(dāng)你打掃房間時(shí)，你可能會(huì)列出一份待辦事項(xiàng)清單。確定個(gè)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(shí)別:識(shí)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(shí)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(shí)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(dú)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(shí)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(diǎn)、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(shí)，為解決方案制定計(jì)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(jì)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(jì)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(huì)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(shí)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(huì)被細(xì)節(jié)淹沒，并對編程過程感到沮喪，因此這項(xiàng)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(huì)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?yàn)樗惴ɑ顒?dòng)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(dòng)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(jì)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(huì)的要求，因?yàn)樗鼮閷W(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(shí)發(fā)展的一項(xiàng)基本技能。此外，計(jì)算機(jī)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(duì)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(shí)現(xiàn)多任務(wù)解決方案可能是一項(xiàng)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(jì)算思維是所有學(xué)生的基本技能，計(jì)算思維涉及抽象、算法思維、自動(dòng)化、分解、調(diào)試等能力。

3計(jì)算思維培養(yǎng)

3．1計(jì)算思維與信息和通信技術(shù)

計(jì)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(jì)算機(jī)編程和計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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?yàn)樵谶@個(gè)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(shí)。相反，計(jì)算思維是基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念和原理的問題解決技能，強(qiáng)調(diào)計(jì)算和技術(shù)創(chuàng)新的基本原理。因此，旨在講授計(jì)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(jì)算思維，我們需要轉(zhuǎn)向解決ICT以外的問題，并基于計(jì)算機(jī)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(jì)算思維是每個(gè)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(jì)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(jì)算解決方案。強(qiáng)調(diào)學(xué)生創(chuàng)造力發(fā)展的重要性，鼓勵(lì)創(chuàng)新和科技發(fā)展，將計(jì)算思維納入我們的課程被視為通識(shí)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(jì)思維等能力。

3．2計(jì)算思維教學(xué)方法

不同的人類時(shí)代需要不同的思維方式。計(jì)算思維是從計(jì)算機(jī)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(gè)無所不在計(jì)算的數(shù)字時(shí)代所需要的思維模式。計(jì)算思維教學(xué)需要比ICT教學(xué)更深入的層次。由于計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算思維的方法中，編程(甚至計(jì)算機(jī)本身)在其中不起作用。計(jì)算思維是通過智力游戲、游戲和魔術(shù)等活動(dòng)來講授的。計(jì)算思維可以在沒有編程甚至計(jì)算機(jī)的情況下講授，雖然計(jì)算思維是從計(jì)算機(jī)科學(xué)中抽象出來的，但它并非固有的計(jì)算機(jī)科學(xué)，因此也可以應(yīng)用于其他環(huán)境。第三類計(jì)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(shí)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?jì)算的基本概念和原理。這些課程通常涉及基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)活動(dòng)，如機(jī)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(jì)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(huì)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(jì)算思維時(shí)，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(qiáng)調(diào)了在講授和評估計(jì)算思維技能時(shí)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(gè)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(dòng)態(tài)的方式，為學(xué)生量身定制干預(yù)措施，可能會(huì)很有趣。

4結(jié)論

隨著技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)和計(jì)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(gè)時(shí)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(jì)算機(jī)科學(xué)和教育權(quán)威將計(jì)算思維稱為21世紀(jì)的文化素養(yǎng)，計(jì)算思維目前是高等院校計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)均開設(shè)的一門通識(shí)必修課，它是一門技術(shù)型通識(shí)類思維教育課程，在高等教育中得到了高度的重視。計(jì)算思維涉及教育學(xué)和實(shí)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(jì)算思維作為一個(gè)術(shù)語的確切界限仍有討論，但計(jì)算思維作為我們社會(huì)各個(gè)方面的一項(xiàng)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(jì)算思維教育的勞動(dòng)力隊(duì)伍意味著效率和經(jīng)濟(jì)效益，甚至技術(shù)的進(jìn)步。本文通過Python計(jì)算機(jī)編程培養(yǎng)計(jì)算思維能力，并討論這種教育如何影響學(xué)生計(jì)算思維的提高，這些可以作為對編程教學(xué)中面向計(jì)算思維實(shí)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