Python程序設(shè)計課程中計算思維的應(yīng)用

鄭戟明

[摘 要]計算思維是國內(nèi)外各界重點關(guān)注的一種較先進的教育理念。計算思維也為高校程序設(shè)計課程的教學(xué)提供了一條新途徑。可以根據(jù)程序設(shè)計課程的特點，將程序設(shè)計的理論與計算思維的原理有機結(jié)合起來，并把計算思維中各種功能有效地運用到課堂教學(xué)的各個環(huán)節(jié)中。把計算思維融入課堂教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力和創(chuàng)新能力有著積極的作用。

[關(guān)鍵詞]計算思維；Python；程序設(shè)計；課堂教學(xué)

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）08-0127-03

一、引言

2006年，美國CMU大學(xué)周以真（Jeannette M.Wing）教授在美國計算機權(quán)威期刊《Communications of the ACM》上發(fā)表并定義了計算思維（Computational Thinking）。[1]周以真教授認為：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)以及理解人類行為，它包括了涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計算思維就是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看起來困難的問題重新闡釋成一個我們知道如何求解的問題；計算思維采用抽象和分解的方法來控制龐雜的任務(wù)或設(shè)計巨型復(fù)雜系統(tǒng)。它是基于關(guān)注點分離的方法，它是選擇一種合適的方式陳述一個問題，或者是選擇合適的方式對一個問題的相關(guān)方面建模使其易于處理。計算思維利用啟發(fā)式推理尋求解答，就是在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度。計算思維將成為每一個人的技能組合成分，而不僅僅限于科學(xué)家。[4]

計算思維能力是多種學(xué)科人才必須具備的基本素質(zhì)，其概念一經(jīng)提出就引起了國內(nèi)外科學(xué)界和教育界的廣泛關(guān)注。近年來，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度對計算思維的含義、特點和培養(yǎng)方法進行了探索和研究。中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳國良教授指出：在大學(xué)中，計算思維不僅能振興大學(xué)計算教育，而且會令科學(xué)與工程領(lǐng)域創(chuàng)造出革命性的研究成果。[2]朱亞宗教授將計算思維、實驗思維和理論思維歸結(jié)為人類三大科學(xué)思維方式。[3]

二、Python語言

Python語言是一種面向?qū)ο蟆⒅弊g式計算機程序設(shè)計語言，Python語法簡捷、清晰和易讀。Python是開源的語言，具有豐富和強大的類庫，同時具有優(yōu)良的可擴展性和平臺可移植性，它能夠很輕松的把用其他語言制作的各種模塊輕松地聯(lián)結(jié)在一起。

Python語言的主要特點：

（一）簡單易學(xué)

Python有極其簡單的語法，容易上手，易于學(xué)習(xí)，非常適合初學(xué)者，也特別適合專家使用。一個好的Python程序?qū)Ｗ⒂诮鉀Q問題本身，而并不是沉迷于語言語法。

（二）免費、開源

Python的使用者可以自由地發(fā)布這個軟件的拷貝，閱讀它的源代碼，對它做改動，把它的一部分用于新的自由軟件中。

（三）可移植性、可擴展性、可嵌入性

Python可以被移植到各種不同的平臺上，如Linux、Windows、Macintosh等等，以及Google基于linux開發(fā)的android平臺。Python可以將部分程序用C或C++編寫，然后在Python程序中使用它們。使用者也可以把Python嵌入C/C++程序，從而向程序用戶提供腳本功能。

（四）面向?qū)ο?/p>

Python支持面向過程和面向?qū)ο蟮木幊獭?/p>

（五）豐富的庫

Python除了標準庫以外，還有許多其他高質(zhì)量的庫，如wxPython、Twisted和Python圖像庫等等。

目前我國高校主要把C語言和VB語言作為程序設(shè)計課程所用語言。這些程序設(shè)計語言歷史較久，功能強大，特點突出。但是這些程序語言進行程序開發(fā)工作量較大，難度相對較高，特別是對于非計算機專業(yè)和文科院校專業(yè)的學(xué)生更是如此。

Python語言是一種簡潔、易讀的程序語言，具有可擴展性和可移植性的特點。同時Python是開源的語言，擁有豐富的庫，為開發(fā)提供了極大的便利。目前國內(nèi)外采用Python語言作為程序設(shè)計課程語言的高等院校日益增多。

三、Python程序設(shè)計課程的計算思維

程序設(shè)計課程是很多非計算機專業(yè)學(xué)生的一門必修課，同時也是一個訓(xùn)練學(xué)生計算思維很好的平臺。[5]本文嘗試在Python程序設(shè)計課程的教學(xué)過程中，引入計算思維的先進理念，把程序設(shè)計知識以一種新的方式教授給學(xué)生，通過把計算思維融入Python程序設(shè)計課程教學(xué)中，實現(xiàn)逐步引入計算思維的基本概念和方法，使學(xué)生理解計算思維的理念，學(xué)會運用計算思維的方法，去發(fā)現(xiàn)問題，然后尋找解決問題的途徑，最終解決問題。這樣通過本課程的學(xué)習(xí)，達到培養(yǎng)學(xué)生計算思維的能力，提高學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力的目的，為程序設(shè)計課程探索一條新的教學(xué)途徑。

在實際工作中，當需要解決一個大型問題時，往往都會首先考慮怎么對問題進行分解化簡。如現(xiàn)代制造業(yè)中的離散制造，就融合了計算思維的本質(zhì)，把一個龐大的生產(chǎn)問題，按照產(chǎn)品的功能進行層層分解，使一個龐大的問題分解成一個個子問題，更便于人們在生產(chǎn)過程中進行處理和控制。計算思維就是通過約簡、分離、嵌入、啟發(fā)等方法，把復(fù)雜的問題分解并解釋成若干簡單問題，從而降低難度，便于分析和解決問題。

在Python程序設(shè)計教學(xué)過程中，運用這種分解或分層的方法，以程序設(shè)計理論為出發(fā)點，把人的思維融入程序設(shè)計解決問題。學(xué)生不再只是面對抽象的程序設(shè)計的理論與算法，更多的是將注意力集中在分解問題和解決問題的過程中，同時還可以將各自專業(yè)和學(xué)科知識融入其中。

四、Python程序設(shè)計課程中計算思維應(yīng)用

在計算思維解決問題的方法中，關(guān)鍵是把問題化簡和分離，也就是將復(fù)雜而龐大的問題按照較為合理的方法進行分解簡化，問題最終將被分解成多個模塊，或者多個階段，然后再針對這些模塊或階段去逐個找出解決方法，最終解決整個系統(tǒng)的問題。

事實上這種把問題化簡和分離的方法，非常適合在Python程序設(shè)計課程中應(yīng)用。教師在教學(xué)中把各個問題分解簡化，學(xué)生面對的不再是整個完整的問題，而是一個個相對容易解決的小問題和小模塊，所以學(xué)生只需要把每個小問題解決好了，那么也就掌握了Python程序設(shè)計的方法和過程。下面以Python程序設(shè)計課程中的一個問題為例，來說明Python程序設(shè)計課程中的計算思維應(yīng)用。

現(xiàn)在需要用Python程序設(shè)計中的列表來處理數(shù)據(jù)。教師首先把列表問題分解成創(chuàng)建列表、添加數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)等幾個問題，然后逐步解決這些問題，最終實現(xiàn)運用列表處理數(shù)據(jù)的目的。

（一）創(chuàng)建列表

現(xiàn)有一些關(guān)于汽車基本信息的數(shù)據(jù)，需要根據(jù)這些數(shù)據(jù)先去創(chuàng)建關(guān)于汽車品牌的一個列表。在創(chuàng)建列表過程中，教師會讓學(xué)生重點關(guān)注一下幾個問題：列表的結(jié)構(gòu)、列表的存儲方式、列表中數(shù)據(jù)項的處理方法。

創(chuàng)建一個名為“cars”，關(guān)于汽車品牌的列表。

cars=[“大眾”，“通用”，“豐田”，“福特”]

通過創(chuàng)建列表這一問題，使得學(xué)生掌握創(chuàng)建列表的基本方法，了解列表中數(shù)據(jù)項的數(shù)據(jù)類型問題，同時也讓學(xué)生知道列表中數(shù)據(jù)項存儲方式是類似于數(shù)組的。在解決創(chuàng)建列表問題的基礎(chǔ)上，教師可以進一步把問題加以擴展，如列表中數(shù)據(jù)項的顯示、列表中數(shù)據(jù)項的添加、列表中數(shù)據(jù)項的刪除等等，這樣又讓學(xué)生掌握了列表中數(shù)據(jù)項的處理方法。

（二）添加數(shù)據(jù)

在創(chuàng)建了關(guān)于汽車品牌的列表后，現(xiàn)在需要為它增加一個生產(chǎn)年份的數(shù)據(jù)，而且要求數(shù)據(jù)要添加在每一個汽車品牌后面。在這一問題中，教師提示學(xué)生要關(guān)注解決問題的不同方法。

方法一：運用“insert”和“append”命令，向“cars”列表中直接添加所需要的數(shù)據(jù)。

cars.insert（1，“2012”）

cars.insert（3，“2010”）

cars.insert（5，“2000”）

cars.append（“2014”）

這種方法需要用到“insert”和“append”命令，而且還要分別計算每個生產(chǎn)年份在整個列表中的位置。

方法二：從頭重新創(chuàng)建“cars”列表。

cars=[“大眾”，“2012”，“通用”，“2010”，“豐田”，“2000”，“福特”，“2014”]

這種方法相對比較簡單，只需重建列表。

添加數(shù)據(jù)問題解決后，讓學(xué)生進行總結(jié)討論，這兩種方法的優(yōu)缺點，使學(xué)生了解對應(yīng)不同的需要和不同的列表，可以采用不同方法來解決問題。

（三）顯示數(shù)據(jù)

進入顯示數(shù)據(jù)階段，教師首先要求學(xué)生把上述所建的“cars”列表中的數(shù)據(jù)，按品牌和年份分別顯示出來，用“print”命令顯示出來，這一任務(wù)學(xué)生很容易完成。

print（cars[0]，cars[1]）

print（cars[2]，cars[3]）

print（cars[4]，cars[5]）

print（cars[6]，cars[7]）

然后教師再提出一個問題，如果“cars”列表中添加了新的數(shù)據(jù)項，也需要顯示出來，怎么解決？學(xué)生解決的方法往往是增加“print”語句，接著我們再問學(xué)生：如果列表中增加的數(shù)據(jù)項有很多項，那怎么解決？是不是要添加很多條“print”語句呢？

上面這個問題往往會難住學(xué)生，教師就可以適時的提出用迭代方法來處理列表中的數(shù)據(jù)，引入“for循環(huán)”語句可以非常方便解決這一問題。

for each_item in cars：

print（each_item）

用迭代方法方便解決問題后，我們還可以讓學(xué)生考慮用“while循環(huán)”語句編寫迭代代碼。

cars=[“大眾”，2012，“通用”，2010，“豐田”，2000，“福特”，2014]

number=0

while number

print（cars[number]）

number=number+1

顯示數(shù)據(jù)問題解決后，學(xué)生在此過程中掌握了通過迭代來實現(xiàn)顯示列表中數(shù)據(jù)的方法，同時初步了解了循環(huán)語句的用法。

（四）思維啟發(fā)

經(jīng)過前面三個階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)基本掌握了列表處理數(shù)據(jù)的方法，同時也從中了解了與計算思維相關(guān)的一些知識。為了讓學(xué)生更好的理解計算思維的本質(zhì)，教師需要把計算思維方法中的思維啟發(fā)引入教學(xué)過程中，讓學(xué)生多思考，多尋求解決問題的方法，從而達到培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算思維能力的目的。

具體實施方法是，以前面三個階段的學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，再給學(xué)生提出一系列與列表相關(guān)的問題，如運用列表知識來解決企業(yè)銷售的問題、超市商品價格查詢問題等。學(xué)生要解決這些問題，光靠前三個階段的知識是遠遠不夠的，由于課堂時間有限，所以教師應(yīng)鼓勵學(xué)生課后去思考，去尋找解決問題的方法。經(jīng)過一階段后，教師再去檢查學(xué)生完成任務(wù)的情況，當然學(xué)生完成的情況可能不是很理想，存在很多問題，這都是很正常的。教師提出一系列與列表相關(guān)問題，其目的主要是關(guān)注學(xué)生思考探索問題的過程，而不是解決問題的結(jié)果。在學(xué)生經(jīng)過自己思考探索之后，教師在學(xué)生結(jié)果中挑選一些典型例子，進行講解分析，最后引出正確的解決問題的方法和思路。通過這些訓(xùn)練，學(xué)生思考問題、解決問題的能力會有很大提高，學(xué)生也慢慢學(xué)會使用計算思維的各種方法來思考和解決問題。

學(xué)生計算思維的基本技能的培養(yǎng)，不可能單單通過課堂教學(xué)就能完成，實際的鍛煉是最好的方法。所以教師應(yīng)當多鼓勵學(xué)生參加一些創(chuàng)新項目和應(yīng)用能力大賽，通過項目和大賽磨煉和挑戰(zhàn)自己，參與的學(xué)生都受益匪淺，感到自己各方面的能力都得到了鍛煉。學(xué)生的這些收獲往往是在課堂上老師所不能給予的。計算思維能力的培養(yǎng)最終要靠學(xué)生自己在學(xué)習(xí)、實踐活動過程中逐步掌握和形成。

五、結(jié)束語

要讓學(xué)生掌握好計算思維的基本技能，必須把計算思維的培養(yǎng)融入整個教學(xué)過程中。從Python程序設(shè)計課程教學(xué)嘗試來看，計算思維方法能很好的培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生思考和解決問題的能力，使學(xué)生較好的掌握教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)效果良好，這表明了把計算思維融入程序設(shè)計課堂教學(xué)的可行性和有效性。所以，教師都有必要從計算思維的理念出發(fā)，積極主動地參與到教學(xué)過程中，把計算思維的各種方法和自己的課程有機的結(jié)合起來，從而達到培養(yǎng)學(xué)生計算思維的能力的目的。

[ 注 釋 ]

[1] Wing J M.Computational Thinking[J].Communication of the ACM，2006（3）：33-35.

[2] 陳國良，董榮勝.計算思維與大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育[J].中國大學(xué)教學(xué)，2011（1）：7-11，32.

[3] 朱亞宗.論計算思維——計算思維的科學(xué)定位、基本原理及創(chuàng)新路徑[J].計算機科學(xué)，2009（4）：53-55.

[4] 周以真.計算思維[J].中國計算機學(xué)會通訊，2007（11）：83-85.

[5] 孫家廣.計算機科學(xué)的變革[J].中國計算機學(xué)會通訊，2009（2）：6-9.

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]