Python程序設計課程中計算思維的應用

鄭戟明

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

[關鍵詞]計算思維；Python；程序設計；課堂教學

[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大學周以真（Jeannette M.Wing）教授在美國計算機權威期刊《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的基礎概念去求解問題、設計系統(tǒng)以及理解人類行為，它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維就是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，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或設計巨型復雜系統(tǒng)。它是基于關注點分離的方法，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、學習和調度。計算思維將成為每一個人的技能組合成分，而不僅僅限于科學家。[4]

計算思維能力是多種學科人才必須具備的基本素質，其概念一經提出就引起了國內外科學界和教育界的廣泛關注。近年來，國內外學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。中國科學院院士、中國科學技術大學陳國良教授指出：在大學中，計算思維不僅能振興大學計算教育，而且會令科學與工程領域創(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為人類三大科學思維方式。[3]

二、Python語言

Python語言是一種面向對象、直譯式計算機程序設計語言，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結在一起。

Python語言的主要特點：

（一）簡單易學

Python有極其簡單的語法，容易上手，易于學習，非常適合初學者，也特別適合專家使用。一個好的Python程序專注于解決問題本身，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）面向對象

Python支持面向過程和面向對象的編程。

（五）豐富的庫

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

目前我國高校主要把C語言和VB語言作為程序設計課程所用語言。這些程序設計語言歷史較久，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。目前國內外采用Python語言作為程序設計課程語言的高等院校日益增多。

三、Python程序設計課程的計算思維

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

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。如現代制造業(yè)中的離散制造，就融合了計算思維的本質，把一個龐大的生產問題，按照產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程序設計教學過程中，運用這種分解或分層的方法，以程序設計理論為出發(fā)點，把人的思維融入程序設計解決問題。學生不再只是面對抽象的程序設計的理論與算法，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)和學科知識融入其中。

四、Python程序設計課程中計算思維應用

在計算思維解決問題的方法中，關鍵是把問題化簡和分離，也就是將復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程序設計課程中應用。教師在教學中把各個問題分解簡化，學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程序設計的方法和過程。下面以Python程序設計課程中的一個問題為例，來說明Python程序設計課程中的計算思維應用。

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

（一）創(chuàng)建列表

現有一些關于汽車基本信息的數據，需要根據這些數據先去創(chuàng)建關于汽車品牌的一個列表。在創(chuàng)建列表過程中，教師會讓學生重點關注一下幾個問題：列表的結構、列表的存儲方式、列表中數據項的處理方法。

創(chuàng)建一個名為“cars”，關于汽車品牌的列表。

cars=[“大眾”，“通用”，“豐田”，“福特”]

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

（二）添加數據

在創(chuàng)建了關于汽車品牌的列表后，現在需要為它增加一個生產年份的數據，而且要求數據要添加在每一個汽車品牌后面。在這一問題中，教師提示學生要關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據。

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。

添加數據問題解決后，讓學生進行總結討論，這兩種方法的優(yōu)缺點，使學生了解對應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）顯示數據

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

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據項，也需要顯示出來，怎么解決？學生解決的方法往往是增加“print”語句，接著我們再問學生：如果列表中增加的數據項有很多項，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生，教師就可以適時的提出用迭代方法來處理列表中的數據，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

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

（四）思維啟發(fā)

經過前面三個階段的學習，學生已經基本掌握了列表處理數據的方法，同時也從中了解了與計算思維相關的一些知識。為了讓學生更好的理解計算思維的本質，教師需要把計算思維方法中的思維啟發(fā)引入教學過程中，讓學生多思考，多尋求解決問題的方法，從而達到培養(yǎng)學生應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習為基礎，再給學生提出一系列與列表相關的問題，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，所以教師應鼓勵學生課后去思考，去尋找解決問題的方法。經過一階段后，教師再去檢查學生完成任務的情況，當然學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問題，其目的主要是關注學生思考探索問題的過程，而不是解決問題的結果。在學生經過自己思考探索之后，教師在學生結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。通過這些訓練，學生思考問題、解決問題的能力會有很大提高，學生也慢慢學會使用計算思維的各種方法來思考和解決問題。

學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就能完成，實際的鍛煉是最好的方法。所以教師應當多鼓勵學生參加一些創(chuàng)新項目和應用能力大賽，通過項目和大賽磨煉和挑戰(zhàn)自己，參與的學生都受益匪淺，感到自己各方面的能力都得到了鍛煉。學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)最終要靠學生自己在學習、實踐活動過程中逐步掌握和形成。

五、結束語

要讓學生掌握好計算思維的基本技能，必須把計算思維的培養(yǎng)融入整個教學過程中。從Python程序設計課程教學嘗試來看，計算思維方法能很好的培養(yǎng)和訓練學生思考和解決問題的能力，使學生較好的掌握教學內容，使教學效果良好，這表明了把計算思維融入程序設計課堂教學的可行性和有效性。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過程中，把計算思維的各種方法和自己的課程有機的結合起來，從而達到培養(yǎng)學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.計算思維與大學計算機基礎教育[J].中國大學教學，2011（1）：7-11，32.

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

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

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

[責任編輯：鐘 嵐]