基于大学生计算思维创新能力培养的研究性教学模式研究与实践

李一鸣

(湖南理工学院 计算机学院,湖南 岳阳414006)

基于大学生计算思维创新能力培养的研究性教学模式研究与实践

李一鸣

(湖南理工学院 计算机学院,湖南 岳阳414006)

大学计算机是非计算机专业计算机基础教学中的一门重要课程,在学生综合素质与创新能力的培养方面发挥着重要作用,而计算思维能力培养是计算机基础教学的核心任务.本文介绍了计算思维的基本概念,阐述了以计算思维能力培养为导向的大学计算机教学目标.

计算思维; 教学模式; 进制转换

0 引言

大学计算机是一门很重要的针对非计算机专业大一学生的课程.在大学计算机课程教学中以培养大学生的计算思维创新能力为导向,对于非计算机专业学生学习计算机知识至关重要,能有效提高学生的计算机应用和创新能力.

1 计算思维

美国科学基金会计算机与信息科学工程部主任周以真教授[1]指出,计算思维(Computational Thinking)是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动.

教育部高等学校大学计算机基础课程教学指导委员会非常重视对大学生计算思维的培育.2010 年 7月,委员会在西安会议发布了《九校联盟(C9)大学计算机基础教学发展战略联合声明》,确定了以计算思维为核心来对大学计算机这门课程进行教学改革.

2 大学计算机教学目标

大学计算机是本科非计算机专业的一年级学生学习计算机的入门课程,使学生刚刚进入大学,就可以系统地掌握计算机的基础知识,以便对后续计算机的相关课程进行选课和学习,而且为学生日后参加全国计算机应用水平等级考试打下一个良好的基础.

3 合理设计教学内容

本文以“数制与进制转换”这一教学内容为例,详解如何采用以计算思维能力培养为导向的教学模式,让学生能够在一节课的学习过程中拓展思维.

3.1 导入新课

课前让学生思考这样两个问题: 平常用百度或谷歌搜索birthday时和搜索汉字“生日”时url地址栏有什么不同？搜索汉字“生日”时url地址栏显示 C9FA C8D5代表什么? (我们平常没有留意的地方暗藏什么玄机)按住alt键再按住数字小键盘区的65,就可以在记事本中输入A,A在计算机中的二进制代码是什么？学生带着这两个问题开始本节内容的学习.

引出新问题,为什么要在计算机内部采用二进制? 然后伴随着学生的思考与讨论进行分析解答,有四大原因使得在计算机内部采用二进制.

第一、容易实现.因为计算机是由千千万万个电子元器件组成的,大部分的电子元器件通常情况下只有两种稳定的状态,比如晶体管有导通和截至两种状态,我们可以用导通表示1,截至表示0,开关开的时候表示1,断的时候表示0.如果采用我们最熟悉的十进制,电子元件就需要表示十种稳定的状态,而具有这种性能的电子元器件很难找到,就算是找到了,它的运算和控制的实现也肯定会很复杂.

第二、计算机当然要计算,而二进制的算术运算规则非常简单,两个二进制数和、积运算组合各有三种,简单的规则使得计算机内部结构的设计也变得简单了.

第三、计算机不仅需要有算术运算功能,还应具备逻辑运算功能,而二进制的1和0正好分别表示true和false.

第四、对于电子元器件,0和1两种状态的转换速度极快,因此计算机的运算速度也很高.

3.2 基础理论

讲述进位计数制的概念以及进位计数制的两大共同点(基数进借位和用位权值来计数).

不同的计数制是以基数来区分的.这里向学生重点介绍十六进制: 用A代表10,B代表11,C代表12,D代表13,E代表14,F代表15.讲述基数进借位时,让学生做一下进制的运算,以十六进制的加法为例.进制运算时都要遵守“逢R进1,借1当R”的规则(R为基数).

讲述用位权值来计数时,以十进制数66.6为例说明.同一个数码,出现在不同数位所代表的数值是不相同的.即一个数所代表的数值由两个因素决定: 数码本身及其所在的数位,此时引出“权”的概念,各个数码由于所在数位不同而乘以10的若干次幂,这称为数位的“权”.

3.3 重点部分

重点——进制转换.讲授三种进制转换: 任意的R进制数转换成十进制数,十进制数转换成任意的R进制数(以二进制、八进制、十六进制为例),以及二进制与八进制、十六进制数之间的相互转换.把课堂变成一个开放式的课堂,共同来探讨进制转换有什么用处？

第一、用于编程,如果用二进制编程,计算机倒是可以直接识别,但是对我们来说来说数位太长了,太繁琐了,书写、阅读、记忆都不方便,所以程序员一般用八进制或者十六进制来编程,比如在汇编语言里就是用十六进制编写程序的.

第二、网络应用中经常用到进制转换,比如通过子网掩码和 IP地址求网络标识号和主机号,这里就需要用到二进制和十进制之间的相互转换.

第三、很多人喜欢玩游戏,在玩游戏的时候,每个人都希望自己可以修改游戏,把那些经验值、金钱值、武器值修改得越多越好,成为游戏中的无敌强人.但是当他去修改这些值的时候,发现那些数据的属性值都是用二进制、八进制、十六进制表示的,所以想成为游戏修改的高手,进制转换是必须掌握的.

最后,在WINDOWS操作系统的注册表里面,许多数据都采用十六进制书写.

这时让学生将十进制小数0.158转换成二进制小数.做的过程中,会有学生反映,小数一直不为0,适时指出小数一直不为0,就取指定的二进制位数,遵守“0舍1入”规则.

现在可以回答问题二了,原来大写字母A在计算机中的二进制代码为1000001.

再做两个题目,一个是将十进制数转换成八进制数,一个是将十进制数转换成十六进制数,归纳出将十进制数转换成任意的R进制数,整数部分采用“除基取余”,小数部分采用“乘基取整”的方法.

介绍第三种进制转换方法,二进制与八进制、十六进制数之间的转换.

首先介绍三位二进制数对应一位八进制数.因为32=8,可以算一下111B是不是等于7Q.

同理,四位二进制数对应一位十六进制数,因为42=16.接着列出二进制与八进制、二进制十六进制数转换对照表,说明在同一行的数是对应相等的,也可以运用前面学的进制转换知识验证.用动画形象地演示二、八、十六进制数之间的相互转换.

3.4 难点部分

难点——快速的进制转换方法.

为开拓学生的思维,使学生掌握快速的进制转换方法,以二进制与十进制转换为例,给出三种快速的进制转换方法,移位法、定位减权法和凑项法.其它进制转换可推而广之,只需要把R进制换为二进制即可.化难为简,学生做起进制转换的题目也不会畏难.

做思考题,提出计算思维的概念.

计算思维是每个人的基本技能,不仅仅属于计算机科学家和工作者.我们应当使每个大学生在培养解析能力时要学会计算思维.大学计算机这门课程是计算思维培养的一个关键.

当求解一个问题时,我们会问解决这个问题有多难？怎样才是最佳的解决之道？计算思维是运用计算机科学的基础概念知识进行问题求解、系统设计.

引入一道题目,巧用进制转换(计算机科学的基础概念知识)猜生月生日游戏.

这时找一名同学配合,请他依次指出表格中哪些行有他的生月,然后再依次指出表格中哪些行有他的生日,老师立刻说出他的生月生日.解析道理,原来其中运用到了进制转换的概念.使得学生们明白计算思维的重要性.并且适时引导他们注意日常生活中什么时候会用到计算思维.

4 结束语

在大学计算机教学中以计算机思维能力培养为核心,可以充分发挥学生在学习中的主体作用.通过课堂讨论与互动,培养学生分析问题、解决问题的能力,通过对问题的探究,启发培养学生的逻辑思维能力,提升计算思维能力.

[1]Jeannette M W.Computational Thinking[J].Communication of ACM,2006,49(3): 33～35

[2]何钦铭,陆汉权,冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养[J].中国大学教学,2010(9): 5～9

[3]教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会.高等学校计算机基础教学发展战略研究报告暨计算机基础课程教学基本要求[M].北京: 高等教育出版社,2009

[4]王荣良.信息技术课程中算法学习的价值探索[J].中国电化教育,2008(8): 78～81

[5]臧劲松.培养学生计算思维的程序设计课程教学[J].计算机教育,2012(1): 78～80

[6]教育部高等学校大学计算机基础课程教学指导委员会.九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学,2010(9): 4

[7]王飞跃.计算思维与计算文化[N].科学时报,2007-10-12

A Study of Teaching Mode based on Cultivation of College Students' Computational Thinking Ability

LI Yiming
(College of Computer Science,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

University Computer is an important course in computer basic teaching of non computer major.It plays an important role in the students’ overall quality and innovation ability.The cultivation of computational thinking ability is the core task of computer basic teaching.This paper described the basic concepts of computational thinking ability,and expounded the aim of university computer teaching based on the cultivation of computational thinking ability.

computational thinking,teaching mode,hexadecimal conversion

G642 文献标识码: A 文章编号: 1672-5298(2017)02-0092-03

2016-06-03

湖南理工学院教研教改项目“基于大学生计算思维创新能力培养的研究性教学模式研究与实践”(2016B07)

李一鸣(1979- ),女,湖南平江人,硕士,湖南理工学院计算机学院讲师.主要研究方向: 计算机仿真技术