劉心聲 滕海坤

摘 ?要：計算思維已成為高校大學生能力培養(yǎng)研究的熱門課題之一，論文首先闡述計算思維能力的內涵，然后分析計算思維之“能行性”問題模型構建能力培養(yǎng)的特點，最后通過具體案例說明“能行性”問題模型的構建，探索計算思維能力培養(yǎng)新途徑。

關鍵詞：計算思維;能行性;建模

1.引言

自美籍華人——美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授2006年在美國計算機權威期刊《Communications of the ACM》給出了計算思維的概念后，世界各國開始進行計算思維能力培養(yǎng)的研究，對大學生計算思維能力的培養(yǎng)研究尤為突出。計算思維已被業(yè)界推崇為和數學、讀寫能力一樣重要的三大基本技能，是信息化社會數字公民必須具備的基本技能和思維方式^[1]。因此，計算思維能力培養(yǎng)是當代大學教育的重要職能之一。

2.計算思維與計算思維能力

計算思維主要是以計算能力和思維能力為基礎的思維活動，周以真教授指出：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動^[2]。因此，計算思維是一種能象計算機科學家一樣分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)學生的計算思維能力，要以問題為導向，從現實工作生活中發(fā)現問題，并對問題進行抽象分析，通過模型識別，看能否利用現有的同類或相近計算思維模型解決該問題。如果不存在同類或相近計算思維問題模型，就應該分析該問題能否轉化成離散問題，能轉化成離散問題，就構建轉化數學模型，并通過算法思維實現數據間的轉化，從而達到解決新問題的目的，這就是計算思維創(chuàng)新能力的高層境界，這種能力才是計算思維培養(yǎng)的終極目標。

3.“能行性”模型構建能力培養(yǎng)的特點

由于“能行性”是將現實生活工作中的實際問題轉化成“0、1”二值離散量表示的問題，因此“能行性”模型構建能力的培養(yǎng)就需要培養(yǎng)學生的“數/數”“模/數”轉換思想，將多值數值、連續(xù)的模擬信號量轉化為二進制數，只要能將實際數據轉化為二進制數表示，就符合“能行性”問題，就可以通過計算機軟件來模擬實現。

4.計算機描述問題“能行性”模型構建與實踐

我們要培養(yǎng)學生的計算思維能力，就必須讓學生理解掌握一定量的“能行性”問題思維模型，這些模型是學生創(chuàng)造性解決現實問題的參照系，是創(chuàng)新能力培養(yǎng)的支撐。為解決這一問題，我們在教學改革中嘗試從計算機應用各領域進行“能行性”模型構建分析，下面僅就幾個方面進行簡要闡述。

（1）計算機漢字處理問題

漢字是方塊字，計算機最處不能識別，計算機只能識別0、1二進制數，需要構建“能行性”模型，實現漢字與二進制數之間相互轉化的一系列算法，并對這些算法模型進行分析、評價、改進優(yōu)化，探討具體的軟件實現及應用等，這就是計算思維能力的具體體現。

計算機系統(tǒng)目前采用的是“點陣”字模處理技術，常用的點陣有16點陣、24點陣64點陣等不同方式，點陣越多，漢字越清晰、逼真。

下面以24點陣為例來說明這一轉換算法。先畫一個24行24列的二維表，形成一個24×24的小方格陣列，然后我們就在這個方格陣列中寫出需要的漢字，凡是筆畫經過的小方格內數值設為1，筆畫未經過的小方格內數值設為0，這樣漢字的字型就轉換成二進制數值，一個24點陣的漢字字模共需要72個字節(jié)來存儲其信息。

系統(tǒng)輸出顯示漢字時，凡是“1”的像素，就顯示黑色，凡是“0”的像素就顯示白色，這樣白底黑字就顯示出來了，漢字就能用計算機處理了。

Windows操作系統(tǒng)給大家提供了一個“自造字程序”，可以用來建立字模庫。我國的標準漢字字庫現僅有漢字6367個，大家可以自已造字放在字庫中使用。

（2）整數的計算機存儲實現問題

由于計算機只能存儲、識別0、1二進制數，阿拉伯數值也不能直接存儲，因此數值在計算機中存儲也必須轉化為二進制數。下面以整數為例說明轉換算法。

對于正整數，直接轉化成其二進制數即可實現;但是，負整數如何存儲呢？整數前面的符號不同，這就需要考慮正負號的表示問題，顯然，這是兩種狀態(tài)！由于每一存儲位可以存儲0或1，所以可用存儲空間最高位來表示符號，通常規(guī)定0表示正，1表示負。

這種轉換對非0整數表示沒有問題，但0就會出現“+0”和“-0”兩種情況，而0是沒有正負的。

怎么解決這個問題呢？正整數采用原碼表示，負整數采用補碼就可以解決這一問題了。

（3）圖片的計算機存儲實現

圖片是通過像素聚焦而成的，計算機不能直接存儲與識別，必須將圖片的像素信息轉化成二進制數值表示，怎么構建的這種“能行性”轉化模型呢？

我們把一張圖片劃分成若干行、若干列的格，對應的一個格稱為一個像素，像素的顏色可以用R、G、B三原色構成，假如我們分別用一個字節(jié)來存儲R、G、B一種基色的層級，這樣每種基色就劃分成256個層級，整個像素就可以用24位二進制數來存儲了，可以表示2²⁴種顏色，這就是我們說的真彩色，圖片在計算機中的存儲表示就實現了。

5.計算思維能力拓展培養(yǎng)

（1）閱讀大量“能行性”模型構建案例，形成計算思維“能行性”問題模型庫。

（2）勤于思考，不斷突破計算思維能力應用新領域，如聲音、表格、記帳憑證的存儲實現等，建構新的“能行性”模型。

（3）善于分類歸納，對同一類別或相近問題歸為一類，概括解決所有可能方法、途徑。

（4）精于優(yōu)化，堅持對已構建模型進行評價與優(yōu)化，如算術表達式的后綴表達式、數據壓縮存儲等算法實現。

參考文獻：

[1]張立國，王國華. 計算思維：信息技術學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的核心議題[J].電化教育研究，2018，39（5）：115-121.

[2]朱珂，賈彥玲，馮冬雪.歐洲義務教育階段發(fā)展計算思維的理論與實踐研究[J].電化教育研究，2019（9）：89-96.

作者簡介：

劉心聲（1969年11月——），男，漢族，黑龍江黑河人，教授，碩士，黑河學院計算機學院，從事計算機軟件與理論、網絡安全方向、計算機教育方向研究。

★ 基金項目：黑龍江省高等教育教學改革項目“基于能力為本的計算機科學與技術專業(yè)課程設置與研究”（項目編號：SJGY0209）成果。