計算機(jī)教育計算信息流混合教學(xué)模式

李暉 張華

摘要：計算機(jī)教育是一個嚴(yán)謹(jǐn)教育學(xué)科體系，如圖1所示，簡稱為計算科學(xué)體系。計算信息流貫穿其中，深刻體現(xiàn)計算科學(xué)教育理念，計算科學(xué)教育實施計算信息流混合教學(xué)模式，將強(qiáng)化沿著計算信息流生成過程，完成學(xué)生對計算概念、計算過程和計算體系認(rèn)知過程，體驗計算思維感覺，潛移默化養(yǎng)成計算思維習(xí)慣?，F(xiàn)代社會進(jìn)入數(shù)據(jù)化時代，信息流貫穿于社會各個層面、各個方面，信息流蘊(yùn)含自然發(fā)展規(guī)律，促成社會融為一個整體：信息流社會。計算教育信息流必然、也必將與社會信息流發(fā)生密切深刻的交互關(guān)系[1]。計算科學(xué)教育實施計算信息流混合教學(xué)模式，緊密貼近信息流社會發(fā)展大趨勢 ，伴隨社會計算思維認(rèn)知體系建立，完成信息處理高階創(chuàng)新人才培養(yǎng)，滿足社會的需求。

關(guān)鍵詞：計算語句;計算信息流;計算科學(xué)體系;混合式教學(xué)模式

中圖分類號：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）35-0205-02

1引言

計算機(jī)教育是一個嚴(yán)謹(jǐn)教育學(xué)科體系，有其內(nèi)在自然發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，客觀上存在計算機(jī)教學(xué)信息流，潛能地運(yùn)用計算思維模式，指導(dǎo)教學(xué)過程，提高教學(xué)效率。沿著這條教學(xué)信息流，貫穿教學(xué)理念，融合社會需求，建立混合式教學(xué)過程[2-4]。貫穿計算機(jī)教育信息流混合式教育模式，孕育計算信息流，潛移默化培養(yǎng)學(xué)生計算思維概念、建立計算信息流思維方式和科學(xué)計算能力。學(xué)生養(yǎng)成計算思維習(xí)慣，將敏銳地認(rèn)知社會應(yīng)用項目，感知信息流存在，捕獲信息流對象類型、形態(tài)及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，分析并把握應(yīng)用問題信息運(yùn)動規(guī)律，建立項目開發(fā)模型。最終，為應(yīng)用問題開發(fā)建立軟件開發(fā)平臺，生成科學(xué)可計算的計算信息流，就成為評價計算機(jī)教學(xué)信息流混合模式品質(zhì)的評判標(biāo)準(zhǔn)，高質(zhì)量信息流將助力高階創(chuàng)新人才培養(yǎng)教學(xué)平臺。

計算機(jī)教育科學(xué)性體現(xiàn)于信息流，建立怎樣信息流表達(dá)我們對計算機(jī)教育的認(rèn)知水平，歸根結(jié)底反映我們計算科學(xué)的認(rèn)知水平。高效計算機(jī)教育信息流深度融入客觀世界，辨識數(shù)據(jù)信息流的可計算性，建立對應(yīng)計算信息流，將推動客觀世界數(shù)據(jù)化，以利于社會智能化深度發(fā)展;學(xué)生利用計算思維過程，建立計算信息流思維習(xí)慣，提高學(xué)生深入認(rèn)識客觀世界能力，將提高混合式模型效果，以利于“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”（簡稱“兩性一度”）人才培養(yǎng)。

本文強(qiáng)調(diào)計算機(jī)教學(xué)信息流混合教學(xué)模式，不只是施加于計算科學(xué)體系如圖1中的整體，而是圖1每個模塊也各自實施信息流混合教學(xué)模式，專題分析計算信息流基本概念、形式表示和生成模型，并最終回歸到整體信息流混合教學(xué)模式，完成生成計算信息流可計算性評估，以利于“兩性一度”人才培養(yǎng)。

2 計算信息流

計算信息流是一個計算語句系列，計算語句表達(dá)一條計算指令，每條指令由三維計算基因（操作 ，數(shù)據(jù)地址，寄存）合成。三維計算基因孕育計算思維認(rèn)知概念，計算信息流體現(xiàn)計算思維認(rèn)知過程，計算思維融入社會，凝聚成計算思維認(rèn)知哲學(xué)，由圖靈計算理論發(fā)展為計算科學(xué)體系（圖1）。圖1體現(xiàn)計算機(jī)教學(xué)理念，展現(xiàn)了計算機(jī)教學(xué)信息流，描述了計算信息流發(fā)生和發(fā)展過程。計算機(jī)教學(xué)信息流沿途通過混合式教學(xué)模式，沿著圖1模塊，逐步展開，計算信息流的觀點將逐步成型深化，計算信息流的認(rèn)知感將深入學(xué)生思維體系，形成計算信息流感性認(rèn)識，潛移默化養(yǎng)成計算思維習(xí)慣，以利于高階創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

計算信息流硬體系統(tǒng)，就是計算機(jī)系統(tǒng)。計算機(jī)系統(tǒng)模塊是計算科學(xué)體系物質(zhì)基礎(chǔ)，計算信息流運(yùn)行載體，軟件工程模塊是計算信息流軟體模塊，導(dǎo)致軟件科學(xué)發(fā)生發(fā)展，形成軟件科學(xué)世界觀，促使現(xiàn)代社會軟件事業(yè)噴發(fā)，以致計算信息流成為貫穿互聯(lián)網(wǎng)洪流，加速現(xiàn)代社會深入邁向數(shù)據(jù)化，日趨信息科學(xué)化。計算機(jī)系統(tǒng)是計算信息流實時運(yùn)行，計算處理的硬體環(huán)境。該系統(tǒng)基于計算基因二元細(xì)胞硬件，組裝多類基本構(gòu)件：運(yùn)算模塊，中央控制組件（指令寄存器譯碼器）、數(shù)字存儲器和接口模塊。計算基因硬化成計算基因模具，即計算單位硬化模具，意味著計數(shù)單位規(guī)格化、模具化，數(shù)據(jù)信息、指令信息和地址信息格式也必然規(guī)格化，按規(guī)定的二進(jìn)制位字長組裝。規(guī)定了數(shù)值定義格式、字長及其定義范圍，可能得到的計算精度、運(yùn)算速度和容量規(guī)模;對于非數(shù)值處理，也規(guī)定了非數(shù)字對象類型硬化格式，定格對象屬性表達(dá)模式 ，必須遵循二進(jìn)制字的表示格式。

總之，隨著硬化確定內(nèi)存容量、數(shù)字長度、計算精確度和速度，也就確定了計算機(jī)計算解題能力，理論上，計算能力隨著字長的增長而擴(kuò)充。計算機(jī)內(nèi)部世界，指令硬化模具，唯一認(rèn)識并直接計算處理對象，即數(shù)字。

數(shù)值計算是認(rèn)識解密客觀世界的基礎(chǔ)，計算機(jī)系統(tǒng)具有無限的科學(xué)計算能力。但信息社會對象千姿百態(tài)、不勝枚舉，不止有數(shù)字對象，計算機(jī)面向信息社會，也有非凡數(shù)據(jù)處理能力，關(guān)鍵在于現(xiàn)實世界對象必須數(shù)字化，如同數(shù)字一樣，進(jìn)入指令的硬化格式，接受指令的規(guī)范操作，計算機(jī)系統(tǒng)才能進(jìn)入社會，發(fā)揮它的潛在功能。不論怎樣的（非數(shù)字）對象，都具有表征自身特征的屬性系列，對象屬性系列抽象，定義對象類型，不同的對象可能具有不同的類型，類型形式化表示皆稱謂為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如列表、二維甚至高維數(shù)組，成為規(guī)范的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。計算語句書寫成計算語言（如C++語言）格式，計算信息流按該語言格式，編輯計算程序文本，進(jìn)入計算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，直至生成計算結(jié)果。計算語言實現(xiàn)人-機(jī)交互。不同的計算語言，對計算語句語法定義，計算文本書寫格式雖然不盡相同，但都是計算機(jī)系統(tǒng)識別、實施計算處理的語言?；蛘哒f，只有計算語言書寫的計算語句流才是可計算信息流。

計算語言關(guān)于對象類型有嚴(yán)格形式語法定義，語句語法規(guī)則，計算程序文本格式，指導(dǎo)面向?qū)ο蟪绦蜷_發(fā)。不論怎樣類型的對象，它們的形式表示慨稱謂數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，如同數(shù)字類型一樣，所在的存儲地址則成為該對象編號，也如同數(shù)字一樣，隨著相應(yīng)計算指令和結(jié)果寄存，成為完整的計算語句，或稱計算信息。計算語句，成為機(jī)器認(rèn)識接受的計算信息。計算語言具有這樣的功能：在機(jī)器數(shù)字模具的基礎(chǔ)上，納入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)解析算法，建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型硬件模具，解析數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實時處理，擴(kuò)充機(jī)器硬件功能。面向社會，實時處理社會應(yīng)用問題。

3 計算信息流軟體模型

計算信息流實質(zhì)上即計算語句系列，系列長度稱為系列規(guī)模，決定于應(yīng)用問題的復(fù)雜性。構(gòu)建計算信息流，必須經(jīng)歷兩個階段：

1） 創(chuàng)立計算公式或軟體模型。

2） 設(shè)計計算算法。

即或一般的應(yīng)用問題，也難于直接呈現(xiàn)其計算信息流，復(fù)雜性越高越是如此。一般應(yīng)用問題，它的主題Z和對象D屬性S1，S2，…Sk表現(xiàn)為函數(shù)關(guān)系：

Z=D（S1，S2，…Sk） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

k視為Z抽象度，k值越大抽象度越高。

軟件工程模塊（圖1），教學(xué)理念構(gòu)建應(yīng)用問題計算信息流軟體模型，形成計算信息流的形式邏輯系統(tǒng)。

軟件工程直接面對應(yīng)用問題[5-6]，基于主題-對象屬性函數(shù)關(guān)系式（1），設(shè)定問題虛擬環(huán)境，解析Z抽象度（屬性個數(shù)），抽象度逐層遞減，形成Z-對象屬性樹形形式邏輯系統(tǒng)，該系統(tǒng)底層即為屬性節(jié)點。應(yīng)用形式邏輯推理，確認(rèn)Z-對象屬性關(guān)系在虛擬環(huán)境實現(xiàn)合理性。

自樹形邏輯系統(tǒng)底層（屬性層），逐層向上計算屬性不同組合對Z部分函數(shù)值，形成對應(yīng)部分真實環(huán)境，直至頂層Z形成Z-對象屬性完全真實環(huán)境，這個過程則為（1）式遞歸計算過程，隨著遞歸計算過程展開，最終形成（1）式函數(shù)計算語句系列，也就是樹形邏輯系統(tǒng)，成為一般應(yīng)用問題的軟體模型，為應(yīng)用問題應(yīng)用軟件開發(fā)平臺和計算思維抽象模具。

4 結(jié)語

計算教育體系（圖1），體現(xiàn)計算思維科學(xué)自然規(guī)律，可計算性證明則體現(xiàn)計算思維最終原則，自始至終貫穿計算信息流發(fā)生發(fā)展形式邏輯規(guī)則，體現(xiàn)計算機(jī)教育高度科學(xué)性。計算信息流混合教學(xué)模式作用于圖1，強(qiáng)調(diào)作用于整個計算機(jī)教育體系，不只是單個節(jié)點模塊，一條可計算的計算信息流是在各個模塊協(xié)同作用下形成的，既有計算機(jī)硬化模具、也有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計算語言形式化邏輯系統(tǒng)以及軟件工程的軟體模型和算法，綜合成完整計算科學(xué)體系。

計算信息流混合教學(xué)模式不僅有助面向應(yīng)用問題[7-10]，生成計算信息流得到應(yīng)用問題期望的計算結(jié)果，而且能培養(yǎng)學(xué)生形成計算思維概念，養(yǎng)成計算思維習(xí)慣，培養(yǎng)“兩性一度”人才，滿足信息社會發(fā)展需求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林連南，龍釧，秦聞達(dá).斯坦福大學(xué)人機(jī)交互課程體系分析與應(yīng)用[J].計算機(jī)教育，2015（21）：101-106.

[2] 陳明，陸建峰，牛浩.基于深層次學(xué)習(xí)理論的翻轉(zhuǎn)課堂發(fā)展性評價體系的構(gòu)建[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)距離教育，2017（6）：20-26.

[3] 于歆杰.論混合式教學(xué)的六大關(guān)系[J].中國大學(xué)教學(xué)，2019（5）：14-18，28.

[4] 王繼新，左明章，鄭旭東.信息化教育理念、環(huán)境、資源與應(yīng)用[M].武漢：華中師范大學(xué)出版社，2014.

[5] 彭紅超，姜雨晴，馬姍姍.基于翻轉(zhuǎn)課堂的協(xié)作學(xué)習(xí)效果實證分析：以大學(xué)生“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用”課程為例[J].中國遠(yuǎn)程教育（綜合版），2020（1）：62-72.

[6] 路伊瑤.計算機(jī)軟件應(yīng)用類課程教學(xué)方法探討[J].綠色科技，2019（23）：13-14.

[7] 金英善，黃佳雙，殷寶法.我國高?；旌险n程研究現(xiàn)狀分析[J].教育教學(xué)論壇，2018（3）：70-72.

[8] 梁中峰.基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的混合教學(xué)設(shè)計與實踐[J].中國成人教育，2018（5）：103-107.

[9] 徐曉飛，李廉，戰(zhàn)德臣，等.新工科的新視角：面向可持續(xù)競爭力的敏捷教學(xué)體系[J].中國大學(xué)教學(xué)，2018（10）：44-49.

[10] 王晨菡，設(shè)計思維視角下基于混合學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計探討[J].教育教學(xué)論壇，2020（7）：263-264.

【通聯(lián)編輯：王力】