基于Python编程教育的计算思维培养

　　摘要:为了培养未来领导社会的人才，强调各学科的趋同现象，我们需要找到一种有效实施编程教育的方法，并通过Python编程的兴趣激发学生兴趣并改善计算思维的教育模式。本文首先讨论了Python编程教育和计算思维的四种分类，然后分析了计算思维与信息和通信技术的关系和计算思维教学方法，最后进行了总结和展望。

　　关键词:计算思维;Python;编程教育

　　0 引言

　　每天，人类都面临着现实世界的问题，需要一些思考和逻辑来解决这些问题。人们有意识或无意识地应用计算思维(ComputationalThinking，CT)的概念。计算思维的概念可能并不复杂，但它试图通过定义一些简单的计算步骤来解决每个问题。然而，这些步骤可能涉及问题的抽象、创建模型、设计算法和验证结果，以及确定解决方案的可行性。

　　计算思维的概念在2006年被提出来后，随即在大学的计算机教育中掀起了一番改革。后来计算思维又给出一个更容易理解的定义:计算思维是指在解决问题和设计其解决方案时所涉及的思维过程，基于计算机科学的基本概念和原理对问题解决、系统设计和人类行为的理解。目的是为了使人或机器可以有效地去执行。由此定义可以看出，计算思维是为了在处理问题时提供一个可以通过计算来解决的方法，这个方法的执行人可以是人，也可以是机器，计算思维不仅用于解决问题，还可以用它来定义问题。

　　计算思维是未来人才必须具备的基本知识。特别是，对于计算算法的开发，与IT无关的专业学生有必要在其研究领域找到创新项目，克服对技术的恐惧，并发展与IT专业人士交流的能力。计算思维被认为是与理论思维、实验思维并列的第3种思维模式，是“互联网+”、大数据和人工智能时代所有人都应具备的一种思维模式。大学生创造性思维的培养离不开计算思维的培养，互联网公司的成功应归属于计算思维运用的成功。信息时代运用计算思维的能力已成为大学生在学习和掌握专业课程和专业技能的基础上，与各学科的专业知识融合进行研究和创新的必备条件，这种计算思维可以通过计算机编程语言教育来发展和改进。

　　1 Python编程教育

　　编程语言的类型非常多样，但我们希望找到一种对初学者来说有趣、易于学习并且能够编写各种应用程序的编程语言。而Python就是合适的编程语言之一。Py-thon不仅用作纯编程语言，还用作连接其他语言编写的模块的中间语言。Python基础代码易于学习，使用简单的图形处理，具有完整的语言功能，对初学者开发应用程序非常有用，所以Python可以用于融合教育，它已成为云计算、大数据、人工智能的首选语言。现阶段，高校普遍将它作为计算机相关专业的一门主干课程。

　　编程教育从理解程序开始，学生通过理解和调试程序编写过程，最后达到独立开发应用软件的水平。具体的学习步骤如下:

　　(1)理解编程基础。

　　·能够识别编程的概念。

　　·能够识别编程语言和基本用法。

　　·可以编写和执行一个简单的程序。

　　(2)熟悉输入/输出编程。

　　·可以创建和执行基于文本的输入/输出程序。·可以识别图形输入/输出组件及其特性。

　　·可以使用图形输入/输出组件创建和执行简单的程序。

　　(3)掌握程序编写流程。

　　·能够熟悉程序编写过程。

　　·可以描述程序输出中的内容。

　　·可以提出几种低成本开发好软件的方法。

　　(4)达到软件开发应用程度。

　　·可以识别各种编程工具的特征，并选择适合于编写应用软件的编程工具。

　　·使用包括数据管理系统在内的各种编程工具，可以根据程序生产过程创建和执行简单的应用软件。

　　2 计算思维分类

　　计算思维的核心是解决问题的过程，每个人都可以在各种内容领域和日常环境中使用。计算思维是一种将问题分解为不同部分、寻找相似之处、识别相关信息和简化机会并制定解决方案的方法。这种广泛的问题解决技术包括四个要素:分解、模式识别、抽象和算法。

　　(1)分解:将问题分解为更小的部分。

　　·将问题分解为更小的部分可以使复杂的挑战更易于管理。这使得其他计算思维元素能够更有效地应用于复杂挑战。然后将较小问题的解决方案组合起来，以解决原始的较大问题。

　　·现实世界的例子:例如，当你打扫房间时，你可能会列出一份待办事项清单。确定个人任务(整理床铺、挂衣服等)可以让你在开始清洁前熟悉较小的步骤。

　　(2)模式识别:识别是否存在相似之处。

　　·检查问题的模式或与以前解决的问题的相似性，可以简化解决方案。模式识别可以对问题进行分组、组织或简化，以获得更有效的结果。

　　·现实世界的例子:在知道一只狗的特征之后，可以按照这种特征模式类比地描述其他品种的狗，例如狗都有两只眼睛、一条尾巴与四只脚，不一样的地方再进行单独分析处理。

　　(3)抽象:问题的概括－关注全局和重要内容。

　　·从给定问题的特定细节后退一步，可以创建更通用的解决方案。这需要分析问题，去除额外的细节，突出基本部分。完成后，开始头脑风暴，寻找问题的解决方案。

　　·现实世界示例:公共交通地图是经常遇到的抽象示例，地图只显示了重要信息(站点、路线、行驶的大致方向)，而忽略了更精细的细节。

　　(4)算法:解决问题的逐步说明。

　　·解决问题时，为解决方案制定计划非常重要。算法是一种策略，可用于确定如何解决问题的分步指令。算法可以用普通语言、流程图或伪代码编写。

　　·现实世界的例子:我们每天都使用算法，通常以分步指令的形式。食谱、制作家具或积木集的说明、运动中的游戏和在线地图方向都是算法的示例。

　　其中，抽象思维(Abstractthinking)是计算思维中最重要、最高级的思维过程，是程序员必备的能力。抽象是计算的关键技能，是数学和工程的基础，它涉及减少不必要的细节，消除复杂性，选择正确的细节隐藏，因此问题更容易理解，不会遗漏任何重要内容。因此，它允许通过消除问题的细节来开发潜在的解决方案。抽象思维是抽象与研究相关的对象属性的能力。此外，抽象允许定义模式，通过从实例中获取公共基本属性进行概括，以及参数化。如果没有抽象，学生往往会被细节淹没，并对编程过程感到沮丧，因此这项技能的发展是必要的，适用于编程、数学和不同学科。

　　此外，算法思维可以帮助我们以“公式化的方式”高效工作，编程是从一开始就讲授算法思维基本原理的一种方式，在高等教育中，在现代信息社会的未来职业和日常生活背景下开发算法非常重要。算法思维也被认为是未来工程师认知能力的重要组成部分，因为算法活动允许形成足够的算法技能，通过这些技能，学生可以发展思维活动的技术，如概括、分类、类比、建立模式和逻辑推理，这些是算法思维的主要组成部分。因此，除了与计算相关的职业之外，建议通过在不同学科和职业中编程来促进算法思维技能的发展。算法思维包括明确定义达成解决方案的步骤，根据指令序列和规则进行思维，从而解决问题或理解情况。高等教育学生算法思维的形成和发展也是信息社会的要求，因为它为学生提供了解决日常生活问题的工具，并通过一系列步骤获得解决方案。这是学生在学习编程时发展的一项基本技能。此外，计算机编程还涉及其他技能，如逻辑推理和解决问题的创造力。算法思维是人性的一部分，尽管多任务思维对于人类团队来说似乎很自然，用编程语言编写算法并不简单，主要是为了解决语法问题。对于主要学习语法问题的编程语言的人和学生来说，实现多任务解决方案可能是一项复杂的任务。Python是简化编程学习的真正解决方案。

　　综上所述，计算思维是所有学生的基本技能，计算思维涉及抽象、算法思维、自动化、分解、调试等能力。

　　3 计算思维培养

　　3．1 计算思维与信息和通信技术

　　计算思维与信息和通信技术(InformationandCommu-nicationsTechnology，ICT)不同，它们之间的差异可以比作计算机编程和计算机使用之间的差异。更具体地说，关于ICT的传统课程往往侧重于技术和标准软件(如电子表格、文字处理器、数据库等)的使用，即所谓的ICT素养或计算机素养。然而，大多数学生发现ICT技术没有挑战性，因为在这个无所不在的数字世界里，学生们自己可以轻松掌握信息和通信技术或技能的基本知识。相反，计算思维是基于计算机科学的基本概念和原理的问题解决技能，强调计算和技术创新的基本原理。因此，旨在讲授计算思维的课程应该超越信通技术素养，这自然需要不同的教学方法。简言之，为了讲授计算思维，我们需要转向解决ICT以外的问题，并基于计算机科学的基本概念和原则促进各种类型的思维(例如，算法、逻辑、抽象、创造性等)。计算思维是每个受过教育的人都需要学习的数字世界中一种新的、基本的思考和解决问题的方式。计算思维培养创造性问题解决者，使他们有能力利用数字技术创建计算解决方案。强调学生创造力发展的重要性，鼓励创新和科技发展，将计算思维纳入我们的课程被视为通识教育的重要目标，使学生具备创造性和批判性思维、逻辑和推理以及设计思维等能力。

　　3．2 计算思维教学方法

　　不同的人类时代需要不同的思维方式。计算思维是从计算机科学中抽象出来的一套解决问题的技能，在其他环境中也很有用，它是这个无所不在计算的数字时代所需要的思维模式。计算思维教学需要比ICT教学更深入的层次。由于计算思维可以培养具有数字创造力的问题解决者，这是创新和技术发展所需要的，因此计算思维应该在高校普通教育课程中占据突出位置。到目前为止，计算思维的教学方法可以分为三大类，这取决于编程在其中扮演的角色。在第一类中，编程在引入计算思维方面起着重要作用，所采用的编程语言通常是成熟的基于文本的语言，如C/C++、Java和Python，这些要求相对较高的课程通常是理工科学生要面对的。在第二类讲授计算思维的方法中，编程(甚至计算机本身)在其中不起作用。计算思维是通过智力游戏、游戏和魔术等活动来讲授的。计算思维可以在没有编程甚至计算机的情况下讲授，虽然计算思维是从计算机科学中抽象出来的，但它并非固有的计算机科学，因此也可以应用于其他环境。第三类计算思维教学方法则介于第一类和第二类之间———它涉及编程，但不是实质性的。这种方法中采用的编程语言通常是可视化编程语言，与那些基于文本的编程语言不同，这些可视化编程语言由于其最小语法而具有较低的学习门榄，这使学生能够专注于计算的基本概念和原理。这些课程通常涉及基于设计的学习活动，如机器人和电脑游戏，第三类方法是迄今为止向非理工科学生讲授计算思维的最有效方法。

　　研究表明，学生对编程语言的熟练程度会影响最合适的教学方法，根据学生的熟练程度调整教学方法在编程教育中具有积极的学习效果。因此，在讲授计算思维时，将教学方法与学生的熟练程度相匹配可能也很重要。“因材施教”强调了在讲授和评估计算思维技能时区分不同熟练程度的重要性，Pollock等人还基于高等教育创建了一个区分编程熟练程度的标准。目前的文献对学生当前的水平总是以相同的方式进行评估，即通过学生的自我评估。问题在于这种方法是否可靠。研究评估学生当前熟练程度的其他方法，或者找到一种更为动态的方式，为学生量身定制干预措施，可能会很有趣。

　　4 结论

　　随着技术的进步，计算机和计算解决方案越来越多地融入我们的日常生活中，各级教育必须在某个时候开始培养年轻人的思维，为日益数字化的世界做好准备。许多计算机科学和教育权威将计算思维称为21世纪的文化素养，计算思维目前是高等院校计算机相关专业均开设的一门通识必修课，它是一门技术型通识类思维教育课程，在高等教育中得到了高度的重视。计算思维涉及教育学和实践的重大变革，需要从研究人员到教育工作者的各方合作。虽然关于计算思维作为一个术语的确切界限仍有讨论，但计算思维作为我们社会各个方面的一项关键技能，从医生到工程师、管理者到研究人员等受过计算思维教育的劳动力队伍意味着效率和经济效益，甚至技术的进步。本文通过Python计算机编程培养计算思维能力，并讨论这种教育如何影响学生计算思维的提高，这些可以作为对编程教学中面向计算思维实践的方法感兴趣的教育工作者提供粗浅的参考。

　　参考文献

　　[1]Wing，J．M．Computationalthinking[J]．Communications of the ACM，2006，49(3):33-35．

　　[2]Wing J．Computational Thinking’s InfluenceonResearch an dEducationforAll[J]．International Journal of Educational Technology，2017，25(2):7-14．

　　[3]LoriPollock，Chrystalla Mouza，Kevin R．Guidry，and KathleenPusecker．Infusing Computational Thinking Across Disciplines:Reflections ＆ Lessons Learned[C]//In Proceedings of the 50th ACMTechnicalSymposium on Computer Science Education (Minneapolis，MN，USA) (SIGCSE’19)．Association for Computing Machinery，NewYork，NY，USA，2019:435-441．

　　作者：贾银洁