計算思維導向的計算機基礎課程Python案例應用

方 霞, 任 穎, 王麗娜

(海軍航空大學 航空基礎學院, 山東 煙臺 264000)

0 引 言

隨著計算機技術的發展,計算機作為常用信息處理工具已廣泛應用到各行業各領域,大學計算機基礎課程作為目前高等教育階段的一門通識課程[1],對該課程的學習是培養大學生計算機基礎知識和信息素養能力的重要途徑[2]。

現階段高校的大學計算機基礎課程體系主要包括2部分內容,其一是計算機相關領域基礎理論知識,如發展歷史、系統結構、信息處理方式、操作系統原理、數據庫技術以及網絡應用等[3],其二是計算機操作技能培養,一般以常用軟件的使用為主,尤以office為重。第一部分內容廣而泛,涉及到了計算機各個領域,概念多且雜,內容要求以初步了解為主,學生往往感覺高大上但又空遠難。第二部分內容則主要以軟件操作與使用為主,與理論內容無甚關聯[4-6]。且多數人把計算機作為一種現代化的信息處理工具,導致了計算機基礎類課程陷入了“工具課”的誤區。這使得原有教學內容很難適應學生的需求,這給高校的計算機基礎課程提出了新的要求,因此,計算機基礎類課程教學者們開始探索新的教學內容和教學模式[7-9]。

1 計算思維的提出

美國卡內基·梅隆大學華裔教授周以真于2006年提出了計算思維(computational thinking)的概念[10],計算思維一經提出就引起了計算機教學界的共鳴,同時也給現階段的高等教育計算機基礎教學指明了新的方向[11]。2010年9月的九校聯盟計算機基礎教學發展戰略聯合聲明中,重申了計算機基礎教學是培養大學生綜合素質和創新能力不可或缺的重要環節,同時旗幟鮮明的把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教育的核心任務[12-13]。因此現階段計算機教學應當注重通過課程的學習培養學生普適通用的計算機應用能力,引導學生學會用計算機解決其專業領域的實際問題[14]。2018年中央軍委訓練管理部下發的最新軍隊院校教學大綱(試用稿)中明確提出大學計算機基礎課程在學習計算機基礎知識的基礎上,著重加強培養學員的信息素養和計算思維能力,軍隊院校在優化教學內容、創新教學模式的同時,將程序設計語言Python加入到大學計算機基礎課程內容體系中,探索以培養學員計算思維能力為主線的計算機基礎課程教學新模式。

2 Python在大學計算機基礎課程中的應用

Python是一種解釋型的動態腳本語言,其語法非常清晰和簡潔,涉及到的數據類型、關鍵字等較少,核心表示形式上又跟主流編程語言基本一致,很多高校也將Python納入計算機課程體系,作為學生的入門編程語言[15-16]。再者Python的開源性特征使其具備了豐富的第三方庫,能廣泛適用于多種編程領域,可以在計算機基礎課程中的各個模塊引入應用案例[17]。

2.1 Python應用模式

計算機雖然是一個發展迅速的學科,但并未改變計算機的基本構成原理[18]。大學計算機基礎課程中基礎理論的講授仍然是課程基石,如馮·諾依曼體系結構中存儲程序的提出和運用、各種不同形式信息的二進制數字化方法、存儲系統中高速緩存應用的局部性原理等[19]。理論講授模塊解決了計算機是什么、能夠做什么、以什么原理實現相關功能等,但仍然停留在概念闡述層次,并未涉及如何把計算機應用到解決具體問題的過程中?，F階段的計算機科學已不再是一門獨立的學科,更多的是作為一門工具學科與其他學科交織融合,不能單純把理論知識作為教學的重點,而是應該讓學生在理解計算機基本理論和概念的基礎上,獲得利用計算機解決其專業領域問題的能力,促進學生思維能力和創新能力的培養,因此計算思維的培養至關重要。這在高校計算機教育領域已經達成了普遍共識,也是計算機基礎教學改革的重頭戲。

從概念上說,計算思維是指運用計算機科學的基礎概念去解決問題、設計系統和理解人類行為,它包括了一系列廣泛的計算機科學的思維方法。學生首先通過基礎理論的學習建立系統的概念,了解計算機處理問題的過程,把問題求解策略經過計算思維方法分析抽象出符合計算機科學的解決方案,理解利用程序自動化進行問題求解是計算機所特有的方法。海軍航空大學(以下簡稱我校)的大學計算機基礎課程教學實施過程中即運用了上述思路,在闡述理論的基礎上,通過分析案例、抽象問題模型、利用Python程序自動化解決實際案例,促使學生的知識體系以“輸入→整理→輸出→再輸入”的過程循環式形成和提高,如圖1所示。

圖1 知識體系形成過程Fig.1 Formation process of knowledge system

2.2 Python案例匯總

通過Python編程案例的實現(表1),使學生在理解計算機基礎概念和理論的基礎上充分體會計算機如何解決實際問題,貫徹“授人以魚莫若授人以漁”的經典教學思想[20]。

表1 Python案例一覽表Table 1 Python case list

3 圖像案例應用實踐

計算機應用領域千變萬化,但最主要最核心的應用仍然是數據處理。計算機處理的數據形式不斷變化,從最初最單一的數值類信息到如今復雜多樣的字符、漢字、音頻、圖像、視頻等各種非數值信息[21],不同的信息類型存儲形式和處理過程不盡相同。教學過程中本模塊的整體理論基礎是數值信息和非數值信息的數字化方法和過程,內容體系的思維導圖如圖2所示,其中虛框內為細化的圖像信息數字化內容,接下來以圖像案例的應用為例闡述如何將理論知識與案例結合。

圖2 信息數字化模塊思維導圖Fig.2 Mind map of information digitizing

圖像數字化模塊內容的實施過程可以分為基礎概念講解、數字化過程闡述、Python編程實例應用3個環節。第1個環節主要以課堂講授為主,簡要介紹圖像中涉及的基本概念,如顏色與可見光、顏色模式、圖像格式等。第2個環節是在基本概念的基礎上著重講解圖像的數字化過程,闡述采樣、量化、編碼各階段的方法以及各階段相關的關鍵參數,引導學生理解如何將模擬的圖像信息轉換成二進制流[20]。第3個環節Python編程案例模塊的關鍵程序段如圖3所示。在上述理論基礎上利用PIL圖像模塊查看圖像的基本信息,對圖像先后進行了像素修改、裁剪、旋轉以及調整拉伸等操作,并讓學生以案例為模板,對其他樣例文件進行類似的操作,加深對知識的理解以及運用,以此加深學生對圖像數字化的理解。圖片經相關操作產生的變化如圖4所示。

import PIL. Image#打開圖片并獲取圖片分辨率以及格式image_path-r'test.jpg'image=PIL.Image.open(image_path)width, heighth=image.sizeprint(″圖片的分辨率為:″, width, heighth)print(″圖片的格式為:″, image.format)#修改圖片像素點值pix=image.load()for x in range(0, width∥2):for y in range(0, heighth):image.putpixel((x, y), (255.,255,255))image.save('testl.jpg')image, show()#裁剪左半部分圖片,只保留右半部分圖片cut_image=image.crop((width∥2, 0, width, heighth))cut_image.save(r'test2.jpg')cut_image.show()#旋轉圖片rotate_image=cut_image.rotate(180)rotate_image.save(r'test3.jpg)rotate_image.show()#調整尺寸modi_image=rotate_image.resize((width, heighth), PIL.Image.ANTIALIAS)modi_image.save(r'test4.jpg')

(a) 原圖; (b) 修改像素后; (c) 裁剪后; (d)旋轉后; (e) 按照原像素拉伸后圖4 圖片的變化過程Fig.4 Changing process of image

4 結 語

目前,采用該模式的計算機基礎課程在我校已實施了4個學期。從教學效果來看,Python案例的引入提高了學生學習的積極性；引導學生理解知識與實際問題結合的方式,培養了學生將理論應用于實踐的能力。但教學新模式在探索和實施過程中,也遇到了一些困難。其一,Python語言的引入增加了教師的教學量和教學難度,因為Python作為體驗式語言,不能占用過多課時,這導致部分學生Python入門困難,會影響后續案例中知識點的理解和運用。其二,案例的引入使得原有的教學模式不再適用,因此需要教師重新設計已有基礎理論與Python案例的結合點。在將來的工作中,教師將繼續以計算思維培養為導向,針對新的教學內容和教學模式不斷探索新的教學方法,提高計算機基礎課程的教學質量,以期培養適應時代信息素養的新型軍事人才。