勢科學(xué)視角下信息表示與運算基礎(chǔ)教學(xué)改革實踐

張江維

摘要：針對非計算機專業(yè)學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)目標和當前信息表示與運算基礎(chǔ)教學(xué)現(xiàn)狀，依據(jù)勢科學(xué)原理將信息表示、信息邏輯運算理論、Excel應(yīng)用軟件操作等不同教育要素，通過實際問題求解緊密聯(lián)系起來，利用對稱性將枯燥的理論教學(xué)與實踐操作技能統(tǒng)一起來，理論指導(dǎo)實踐，實踐操作強化理論，同時進制轉(zhuǎn)換統(tǒng)一起來，提高了學(xué)生動手實踐的熱情和興趣，提高了課堂教學(xué)信息量，教學(xué)效果明顯提升。

關(guān)鍵詞：計算思維；勢科學(xué)原理；教學(xué)改革

大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)的主要目標是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，對于非計算機專業(yè)學(xué)生來說，其最終目標是培養(yǎng)學(xué)生利用計算機科學(xué)的核心知識求解本專業(yè)的具體問題的能力。而信息表示與運算基礎(chǔ)是計算機進行問題求解的基礎(chǔ)，由于是計算機最基礎(chǔ)的內(nèi)容，反而距離初學(xué)者太遠，難以接受和理解。面對枯燥的01代碼串，很多學(xué)生無所適從，興趣不高，雖然大多學(xué)生能夠手動驗算完成進制間轉(zhuǎn)換、邏輯運算等操作，但由于缺乏真正的二進制加法器設(shè)計實踐，初學(xué)者對于信息表示和邏輯運算的理解往往比較膚淺，和真正的計算機世界差距較大，為此，依據(jù)勢科學(xué)原理——教育信息勢=差別×聯(lián)系，將Excel應(yīng)用軟件部分操作內(nèi)容與信息表示和運算基礎(chǔ)相結(jié)合，通過Excel應(yīng)用軟件模擬實現(xiàn)二進制數(shù)全加器、進制轉(zhuǎn)換和七段字形碼數(shù)碼顯示等教學(xué)實踐，使學(xué)生在實踐操作中理解計算機信息表示和工作原理，大大提高了課堂教學(xué)的信息量，提升了學(xué)生的動手能力和解決實際問題的能力。

1計算思維與勢科學(xué)

計算思維就是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為。計算思維是每個人的基本技能，它不僅僅屬于計算機科學(xué)家。而是和要和閱讀、寫作和算術(shù)（Reading writing，and arithmetic——3R）等技能一樣，也要學(xué)會計算思維能力。計算思維就是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡釋成一個我們知道怎樣解決的問題。計算思維就是把代碼譯成數(shù)據(jù)又把數(shù)據(jù)譯成代碼。計算思維采用了抽象和分解來迎接龐雜的任務(wù)或者設(shè)計巨大復(fù)雜的系統(tǒng)。計算思維是選擇合適的方式去陳述一個問題，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。計算思維是按照預(yù)防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式從最壞情形恢復(fù)的一種思維。計算思維利用啟發(fā)式推理來尋求解答，就是在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習和調(diào)度。計算思維的本質(zhì)是抽象和自動化。

勢科學(xué)研究的主要內(nèi)容是與素質(zhì)、創(chuàng)新及和諧有關(guān)的、現(xiàn)有理論無法給以科學(xué)闡述的、涉及復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)容。勢科學(xué)研究的可操作性概念是“對稱性”，基本研究方法是從整體直覺到邏輯演繹。勢的運行機制是“差別促進聯(lián)系，聯(lián)系擴大差別”。人才成長和教育過程是一個信息作用的動力學(xué)過程。勢科學(xué)關(guān)于教育過程績效函數(shù)的兩個核心要素就是教育要素之間的差別和聯(lián)系。同時給出了教學(xué)信息量與信息勢等價，即信息量=差別÷距離=差別×聯(lián)系。由此可知，課堂教學(xué)知識內(nèi)容要素之間的差別越大，聯(lián)系越緊密，課堂信息量越大，課堂績效越好。如果所講知識與學(xué)生當前知識體系差別巨大（極限狀態(tài)為相反），但沒有任何聯(lián)系則信息量為0，如果所講知識與原有知識聯(lián)系非常緊密（極限狀態(tài)為相同），但沒有差別，信息量也為0，既相反又相同，則信息量最大。例如用學(xué)生已經(jīng)掌握的知識或者原理，解釋新的完全不同的知識或原理，則學(xué)生最容易接受，就是信息量大的緣故。在教學(xué)的過程中，如果展示給學(xué)生的信息量過小，就難于激發(fā)其學(xué)習熱情，易產(chǎn)生厭學(xué)現(xiàn)象。

2信息表示教學(xué)實踐

信息表示教學(xué)實踐中，主要解決什么是進位計數(shù)制、為什么采用二進制、什么是基數(shù)和位權(quán)、進制轉(zhuǎn)換、原碼、反碼、補碼、浮點表示法和非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示等內(nèi)容。主要解決人機交互信息表示問題，在此，現(xiàn)實世界與計算機世界對稱，十進制與二進制對稱，涉及的計算思維核心概念是抽象、問題轉(zhuǎn)化和求解思路。為了順利實施這部分教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)勢科學(xué)信息量=差別x聯(lián)系，根據(jù)對稱性，即利用學(xué)生熟知的十進制數(shù)表示法引入進制表示所需字符數(shù)、位權(quán)、基數(shù)等概念。由于手工演算簡單的八位二進制01串，即255以內(nèi)的數(shù)字運算，大多學(xué)生興趣不高，為了讓學(xué)生對二進制信息表示以及轉(zhuǎn)換有一個比較深入的了解，在教學(xué)實踐中將Excel應(yīng)用軟件部分操作內(nèi)容和信息表示結(jié)合起來，利用Excel應(yīng)用軟件實現(xiàn)進制之間的轉(zhuǎn)換和字形碼顯示，以此調(diào)動學(xué)生的動手參與熱情和積極性，在實踐中理解信息表示。

2.1 Excel實現(xiàn)進制間轉(zhuǎn)換

對任意給定的十進制數(shù)123.6（C3單元格），如圖1所示，將其轉(zhuǎn)換為二進制，在此用到Excel的單元格的引用，除法運算符“/”，取整函數(shù)INTO，求余函數(shù)Mod（），轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)值串，用到文本連接運算符“&”，將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)用到指數(shù)運算符“^”和加法運算符“+”。在此，以二進制和十六進制為例進行詳細說明。