以Python為工具培養學生計算思維

賈瑞鳳+馬曾+侯春龍

摘要：大學計算機基礎課程是本科學生必修的科學文化基礎課程。旨在培養學生計算思維與計算機基本技能，為后續課程學習和終身發展奠定基礎。Python編程語言在課程學習過程中，對培養學生計算思維和解決問題能力起著非常重要的支撐作用。該種作用主要滲透在每部分知識的具體應用之中。

關鍵詞：大學計算機基礎課程；計算思維；Python

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0117-02

Using Python as a Tool to Train Students Computational Thinking

JIA Rui-feng， MA Zeng， HOU Chun-long

（Navy Submarine Academy， Qingdao 266199， China）

Abstract： The basic computer course of university is a required course of science and culture for undergraduate students. The purpose is to train students computational thinking and computer basic skills and lay the foundation for the follow-up curriculum learning and lifelong development. Python programming language plays a very important supporting role in students` Computational Thinking Training and problem solving ability in the course learning process. This function permeates the specific application of each part of knowledge.

Key words： The Basic Computer Course of University； Computational Thinking； Python

大學計算機基礎課程是本科學生必修的科學文化基礎課程。旨在培養學生計算思維與計算機基本技能，為后續課程學習和終身發展奠定基礎。計算機的學習可以分為兩個層面，一是學會如何有效使用計算機；二是培養計算思維。計算機思維是一種根本技能，是每一個人為了在現代社會中發揮職能所必須掌握的。它是人類逐漸意識到計算機解決問題的強大能力后而自然產生的思維模式，以設計和構造為特征，是人類求解問題的一條途徑。當計算思維真正融入人類活動的整體時，它作為一個問題解決的有效工具，人人都應掌握，處處都會被使用。以python工具為主線，展開課程內容，對培養學生計算思維有著積極的作用。

1 Python與計算思維，計算思維培養的工具

對于普通的計算機使用者，程序就像是一個黑匣子。當這個程序的黑匣子獲得一個輸入，它就按照事先定義好的變換規則，對輸入進行變換，得到結果并輸出。所以，普通用戶只需要了解黑匣子的輸入格式，就能使用黑匣子所提供的功能，不再需要了解黑匣子的內部結構。這是把計算機作為一個快速、方便、精確的工具來學習。而對于信息時代的本科學生來說，僅僅知道黑匣子的功能和使用方法是遠遠不夠的。為將來職業服務、終身發展需要，應當一步一步打開這個黑匣子，探索和了解其內部的構造，從而進一步設計具有個性功能的、屬于自己的黑匣子。在這個探索過程中，學生對計算機特有的算法進一步認識，計算思維在不斷地形成，解決問題的能力在不斷提高。在程序設計范疇，計算思維主要反映在理解問題的計算特性、將計算特性抽象為計算問題、通過程序設計語言實現問題的自動求解等幾個方面。Python程序設計語言是一種被廣泛使用的高級通用腳本編程語言，其語法簡潔，通用靈活，強制可讀、支持中文、模式多樣、類庫豐富等特性，為計算機基礎課程的學習提供了良好地支持。在Python語言學習過程中，重點解決程序設計的基本方法和解決問題的具體算法。程序設計通常采用自頂向下的設計方法，以一個總問題開始，試圖把它表達為很多小問題組成的解決方案。在用同樣的技術一次攻破每個小問題，最終問題變得很小，以至于可以很容易解決。在程序執行過程中，小規模程序直接運行，稍微大規模的程序采用自底向上的執行和測試，有助于定位錯誤。以上所有這些思想與方法都是計算思維應用的具體表現。在程序學習過程中還要注重算法的設計，讓學生體會計算方法對解決問題的重要性，培養對應用的敏感性，進而培養計算思維。Python為人人都能使用的科學計算提供了有力支持。

2 Python與算法，計算思維的核心

算法是計算機科學魅力的體現之一。是一系列的計算步驟，用來將輸入數據轉換成輸出結果，是計算機問題求解中非常重要的步驟，在分析清除問題后，需要通過設計算法把問題的數學模型或處理需求轉化為使用計算機解題步驟，然后再將算法實現為程序，最后在計算機上運行從而得到問題的解。把算法理解透徹，成為習慣思維，自然而然地就成為了計算思維。對算法的深刻理解到計算思維的養成，可以幫助我們在日常生活、行政管理、時間規劃、經營理財等各類問題的解決上會得到莫大的助益。大學計算機基礎課程涉及建模與模擬基本技術與方法；解決問題的基本思路——遞歸法；解決問題的基本方法——分治法、貪心算法、動態規劃；具體算法——排序、查找、背包等典型算法；算法評價標準——算法正確性、時間復雜度、空間復雜度等。

算法雖然與編程語言沒有關系，獨立于編程語言之外，但是算法卻是編程的第一步，算法設計是否合適，關系著是否能以正確的方式解決問題以及解決問題的效率。離開程序，獨立的算法也沒有實際意義，程序也是實現和驗證算法的一種途徑。Python語言的易學易用性為學生進一步熟練掌握各種算法提供了有力支持。endprint

3 Python與計算機硬件，計算思維實現基礎

如果說程序是實現用戶需求的直接實現者，那么計算機硬件則是支持程序運行的物質基礎。數據在程序運算過程中的傳輸與計算都以硬件為基礎。大學計算機基礎課程中，計算機硬件學習主要內容包括計算機工作原理、CPU工作過程、存儲工作系統、輸入輸出系統等。在硬件知識學習過程中滲透計算思維的主要手段是通過構造模型，讓學員從計算本質來探討計算機的硬件組成與工作方式，使其從本質上知道計算機的產生是源于計算的需要。為理解現代計算機工作原理，可以借助計算機思維對馮諾依曼體系結構機器進行建模和模擬。在建模過程中，忽略掉CPU、內存等的設計工藝、工作頻率等細節，抽象出CPU、內存的行為機制，并基于抽象出來的行為模型，利用Python程序設計語言進行描述，變成計算機可理解的模型，在該抽象模型上自動化地執行指令和程序，以此來模擬其工作過程。學生在整個建模、模擬和程序實現過程中，體會計算機工作過程和實現算法，追溯計算機進行計算的初衷，不僅知道計算機能夠進行計算，還知道了計算機怎么計算，培養了計算思維和解決問題能力。

4 Python與操作系統

操作系統是計算機系統軟件的核心，它對計算機系統的軟硬件資源進行管理、協調，并代表計算機與外界進行通信。大學計算機基礎課程對操作系統知識的要求是操作系統對硬件資源管理、操作系統對應用軟件提供服務，操作系統對多程序執行環境的管理以及操作系統的文件系統對文件的管理。在操作系統知識部分的學習過程中，培養學生計算思維主要體現在能夠通過Python使用操作系統典型功能。如利用Python創建進程、枚舉進程、終止進程；查看進程信息，系統存儲信息；獲取磁盤信息，讀寫文件等。讓學生更深入地了解操作系統的工作方式，理解每個數據的含義，體會操作系統設計中抽象、并發、共享等基本概念，培養計算思維。

5 Python與網絡、數據庫和多媒體

計算機網絡最基本的功能就在于信息傳送和資源共享。大學計算機基礎課程關于計算機網絡部分掌握的內容主要包括網絡的概念、組成、結構和功能；拓撲結構和網絡協議；網絡的典型應用等。這部分知識學習過程中，計算思維培養主要體現在網絡應用以及通過Python編程進行網絡通信、發送郵件、抓取網頁等。通過這部分的學習讓學生體會在目前的復雜信息系統階段，如何游刃有余地在網絡上享受大數據帶給我們的便利。

數據庫在計算機中的使用帶來如下好處：降低數據的冗余度、節省數據的存儲空間、易于實現數據資源的充分共享等。在大學計算機基礎課程中，數據庫部分主要掌握的知識點有數據庫系統功能與組成、數據查詢與數據發掘以及數據庫系統的應用。培養學生計算思維主要體現在構建數據模型、使用Python數據庫程序設計、數據分析等。通過構建模型、編寫程序，讓學生了解數據挖掘方法，理解使用數據庫處理數據的強大優勢，形成使用計算機處理信息、解決問題的思路。

多媒體技術是計算機技術的重要技術領域，多媒體技術似的計算機從原來只能處理數字、文字信息發展到可以處理聲音、圖形、圖像、視頻等多種媒體信息。大學計算機基礎課程中關于多媒體部分主要是常用影音播放工具、圖形圖像處理、動畫制作、數字視頻制作等。在學生計算思維培養方面主要體現在能夠意識到使用多媒體工具處理信息；能夠利用Python編程，進行多媒體信息處理，如繪制圖形。讓學生理解數字多媒體編碼標準與格式，掌握圖形處理的編程方法。

總之，大學計算機基礎課程的主要作用是以培養學生計算思維為目標，以使用計算機解決問題為基礎，通過掌握計算機基礎知識，形成計算機應用能力，為在未來信息化社會中終身發展奠定堅實的基礎。

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