田文武 塔 娜

(呼倫貝爾學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾區(qū) 021008)

引言

目前所有本科高校都將大學(xué)公共計(jì)算機(jī)課程作為學(xué)生必修的科學(xué)文化基礎(chǔ)課程。該課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)可以分為兩個(gè)層面，一是學(xué)會(huì)如何有效使用計(jì)算機(jī)，提高學(xué)習(xí)、工作效率；二是培養(yǎng)計(jì)算思維，為后續(xù)的專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)和將來(lái)職業(yè)發(fā)展打好基礎(chǔ)。計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科的基本理論去分析求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)規(guī)劃系統(tǒng)及指導(dǎo)人們行為的一系列思維活動(dòng)。隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，計(jì)算思維已滲透到我們每個(gè)人的生活之中，良好的計(jì)算思維不僅可使人們具有更好社會(huì)適應(yīng)能力和更強(qiáng)的創(chuàng)造力。也對(duì)促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，迎接第四次的科技革命具有重要的意義。

一、公共計(jì)算機(jī)課程存在的問(wèn)題

近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能這些新概念廣泛的應(yīng)用在人類(lèi)社會(huì)的許多領(lǐng)域，使人們對(duì)于計(jì)算機(jī)技術(shù)的認(rèn)識(shí)有了極大的改變。電子商務(wù)、微信、智慧城市等應(yīng)用已經(jīng)成為人們?nèi)粘９ぷ骱蜕畹囊徊糠郑鸩匠蔀楦脑靷鹘y(tǒng)行業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、重構(gòu)社會(huì)組織和人際交往方式的重要工具。在信息技術(shù)無(wú)處不在、計(jì)算強(qiáng)度日益增強(qiáng)的今天，能夠理解和掌握計(jì)算思維對(duì)于靈活運(yùn)用這些技術(shù)和工具來(lái)幫助人類(lèi)完成各項(xiàng)活動(dòng)是十分必要的。但是就目前情況看，還有一部分高校的公共計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育滯后于社會(huì)發(fā)展的需求，不能夠充分起到該課程的基礎(chǔ)和支撐作用。在中小學(xué)信息技術(shù)教育逐漸鋪開(kāi)的情況下，還將計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)目標(biāo)側(cè)重于軟件操作的培訓(xùn)，這將不能滿(mǎn)足信息社會(huì)對(duì)大學(xué)生的基本要求。因此，大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)需要綜合考慮應(yīng)用技能訓(xùn)練、學(xué)科知識(shí)傳授和計(jì)算思維能力培養(yǎng)三者之間的關(guān)系。目前，呼倫貝爾學(xué)院的公共計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課主要培養(yǎng)學(xué)生使用計(jì)算機(jī)的能力。教育部評(píng)估專(zhuān)家在2018年本科教育合格評(píng)估時(shí)針對(duì)呼倫貝爾學(xué)院公共計(jì)算機(jī)課程指出：“其一大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)不應(yīng)是微軟產(chǎn)品使用介紹，其二理工科應(yīng)當(dāng)學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，文理工科分類(lèi)教學(xué)勢(shì)在必行，量大面廣的公共課教學(xué)需要重點(diǎn)推進(jìn)改革并逐步實(shí)施，不能一成不變。學(xué)校多學(xué)科各自設(shè)置程序設(shè)計(jì)課程，建議教務(wù)處頂層規(guī)劃，納入公共課分類(lèi)教學(xué)范圍，通過(guò)公共課程建設(shè)項(xiàng)目，推動(dòng)提升基礎(chǔ)課教學(xué)質(zhì)量”。這為呼倫貝爾學(xué)院的公共計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革指明了方向。

二、如何培養(yǎng)計(jì)算思維

計(jì)算思維是在人類(lèi)利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大計(jì)算能力解決問(wèn)題的過(guò)程中形成的一種思維模式，它與實(shí)證思維、邏輯思維一樣，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)和改造世界的一條新途徑。計(jì)算思維的本質(zhì)是對(duì)事物進(jìn)行抽象和將處理過(guò)程自動(dòng)化，它融合了求解一般問(wèn)題的數(shù)學(xué)思維方法和設(shè)計(jì)評(píng)估復(fù)雜系統(tǒng)的工程思維方法，采用把一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題重新闡釋?zhuān)D(zhuǎn)換成能夠解決的一些問(wèn)題來(lái)處理。通常用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的步驟是把一個(gè)要解決的問(wèn)題進(jìn)行分析抽象并建模，采用自頂向下或面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法進(jìn)行分解和轉(zhuǎn)化，再選擇合適的計(jì)算機(jī)通過(guò)循環(huán)、遞歸等方法進(jìn)行自動(dòng)處理，將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成輸出結(jié)果的過(guò)程。同時(shí)對(duì)問(wèn)題的時(shí)間效率和空間效率進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)在處理能力和存儲(chǔ)容量之間的權(quán)衡來(lái)滿(mǎn)足問(wèn)題求解的要求。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程可以通過(guò)程序設(shè)計(jì)把這些計(jì)算思維的核心思想如抽象、設(shè)計(jì)、自動(dòng)化、計(jì)算、通信、評(píng)估等融入到教學(xué)中。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中注意培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用抽象和自動(dòng)化將需求轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)解題步驟。以計(jì)算圓周率為例，圓周率是在理工學(xué)科廣泛應(yīng)用的一個(gè)常數(shù)，它無(wú)法用任何精確的公式表示，曾是數(shù)學(xué)歷史上一直難以解決的問(wèn)題之一。計(jì)算機(jī)之父馮·諾伊曼提出的蒙特卡羅方法給出了一種解決此類(lèi)問(wèn)題的統(tǒng)計(jì)模擬方法。已知半徑R的圓面積公式為πR2，其外切正方形的面積為(2R)2，可得圓與外切正方形的面積之比就為π/4。若在此正方形區(qū)域隨機(jī)灑落大量點(diǎn)的話(huà)，按概率均勻分布落在圓內(nèi)的點(diǎn)和總點(diǎn)數(shù)之比也就是π/4，由此可以計(jì)算出π?？紤]到圓的對(duì)稱(chēng)性，為減少計(jì)算量只需要統(tǒng)計(jì)1/4的區(qū)域，取半徑R為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖1所示。測(cè)試次數(shù)與計(jì)算精度、計(jì)算時(shí)間的情況，如表1所示。

圖1 圓周率計(jì)算

表1 測(cè)試點(diǎn)數(shù)與計(jì)算精度、時(shí)間關(guān)系

通過(guò)這一例子可以看出，首先用數(shù)學(xué)的方法把圓周率的計(jì)算抽象為古典概率模型。隨后用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算出圓周率的值。結(jié)果要對(duì)計(jì)算的精度和計(jì)算時(shí)間進(jìn)行評(píng)估分析。在程序的設(shè)計(jì)中用到了輸入輸出語(yǔ)句、分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)技能的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生抽象、設(shè)計(jì)、計(jì)算和評(píng)估能力，通過(guò)循序漸進(jìn)訓(xùn)練會(huì)使計(jì)算思維逐步成為學(xué)生的一種思維習(xí)慣。

三、Python語(yǔ)言的特點(diǎn)

培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的基本途徑是將其融入計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)類(lèi)課程。過(guò)去很多高校程序設(shè)計(jì)采用C、Java等編程語(yǔ)言進(jìn)行教學(xué)，這些程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言往往為了兼顧計(jì)算性能而采用較為復(fù)雜的語(yǔ)法，制約了計(jì)算機(jī)作為普及計(jì)算工具在各學(xué)科專(zhuān)業(yè)的深入應(yīng)用。隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)語(yǔ)言也隨之進(jìn)步，簡(jiǎn)潔高效通用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的一種發(fā)展方向。從各編程語(yǔ)言生態(tài)性考慮，一種風(fēng)格清晰、易讀易維護(hù)的Python語(yǔ)言逐漸受到人們的歡迎，它作為輕語(yǔ)法程序設(shè)計(jì)的典型代表具有極佳的適用性。Python語(yǔ)言作為一門(mén)通用的腳本語(yǔ)言，歷經(jīng)近30年的發(fā)展，目前已經(jīng)成為僅次于C語(yǔ)言的重要程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。將該語(yǔ)言為載體來(lái)訓(xùn)練學(xué)生理解并實(shí)踐計(jì)算思維具有很多優(yōu)勢(shì)。

(一)Python語(yǔ)言更側(cè)重問(wèn)題求解，符合計(jì)算思維的時(shí)代性。目前Python最接近自然語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，適合在云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等重大技術(shù)和應(yīng)用需求下完成功能開(kāi)發(fā)。

(二)已形成了針對(duì)Python程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的最大開(kāi)源社區(qū)，該開(kāi)放體系的社區(qū)中擁有幾乎覆蓋所有計(jì)算領(lǐng)域的第三方庫(kù)，如：Web開(kāi)發(fā)、科學(xué)計(jì)算、電子商務(wù)、自然語(yǔ)言處理、機(jī)器人等等。可以利用這些庫(kù)所提供的功能模塊作為基礎(chǔ)，采用搭積木方式解決復(fù)雜問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生集成創(chuàng)新能力。

(三)語(yǔ)言遵循“簡(jiǎn)單、優(yōu)雅、明確”的設(shè)計(jì)理念，可將學(xué)生徹底從復(fù)雜的語(yǔ)法學(xué)習(xí)中解脫出來(lái)，語(yǔ)言高效高產(chǎn)，且實(shí)現(xiàn)周期較短。非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)選擇Python替代C語(yǔ)言等將會(huì)是一個(gè)趨勢(shì)。由于Python作為解釋性語(yǔ)言在運(yùn)行速度低于C和Java。它適合解決對(duì)運(yùn)算性能要求不高的一般計(jì)算問(wèn)題。但由于現(xiàn)在電腦硬件配置普遍較高，因此對(duì)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的程序基本沒(méi)有影響，對(duì)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的處理，則可以通過(guò)嵌入C程序的方法提高速度。以我們常見(jiàn)的統(tǒng)計(jì)分析文章的高頻詞匯為例：

* 需求：統(tǒng)計(jì)“國(guó)家主席習(xí)近平發(fā)表二〇二〇年新年賀詞”詞匯出現(xiàn)頻率。

* 輸入：用第三方庫(kù)requests和BeautifulSoup4從相關(guān)網(wǎng)頁(yè)爬取要分析文章。

* 處理：用中文分詞庫(kù)jieba對(duì)文本進(jìn)行分詞，去掉虛詞和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)，并利用Counter類(lèi)，將詞匯轉(zhuǎn)化為字典，字典鍵值既是詞匯出現(xiàn)的次數(shù)。

* 輸出：用第三方的詞云展示庫(kù)wordcloud、圖像處理庫(kù)PIL和繪圖庫(kù)matplotlib生成圖像。如圖2所示。

圖2 詞匯統(tǒng)計(jì)顯示

在這個(gè)Python程序中，爬取網(wǎng)頁(yè)、中文分詞、詞云生成、圖像展示等等重要工作都是調(diào)用第三方庫(kù)完成的，程序員不需要了解模塊內(nèi)部的工作細(xì)節(jié)。這相對(duì)于其他語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，降低了處理問(wèn)題的難度，有助于解決復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題。

四、Python語(yǔ)言課程設(shè)置的建議

呼倫貝爾學(xué)院的非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)包含著文、理、工、農(nóng)、經(jīng)濟(jì)、教育等多個(gè)專(zhuān)業(yè)方向。它們不僅與計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn)不同,不同專(zhuān)業(yè)之間的差別也非常大。為此如何做好適應(yīng)各專(zhuān)業(yè)的Python語(yǔ)言課程內(nèi)容設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。根據(jù)該課程的特點(diǎn)和不同專(zhuān)業(yè)的需求,可以將Python的教學(xué)內(nèi)容分成必修和選修兩部分內(nèi)容。必修部分包括:Python語(yǔ)言環(huán)境配置、基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序流程控制、函數(shù)和模塊、python文件和數(shù)據(jù)處理等。這部分內(nèi)容作為Python語(yǔ)言的基礎(chǔ)是必須要學(xué)的，因此可以作為不同專(zhuān)業(yè)學(xué)生的Python課程公共部分。目標(biāo)是了解Python的特點(diǎn)和環(huán)境，學(xué)習(xí)基本的程序設(shè)計(jì)方法，訓(xùn)練學(xué)生理解計(jì)算問(wèn)題求解過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生建立抽象、自動(dòng)化、程序、算法等計(jì)算思維的概念，如表2所示。選修部分可根據(jù)各專(zhuān)業(yè)課程的特點(diǎn)和專(zhuān)業(yè)需求來(lái)選取相關(guān)的應(yīng)用內(nèi)容，訓(xùn)練學(xué)生從實(shí)際問(wèn)題求解的高度豐富計(jì)算思維的內(nèi)涵和外延。如理工類(lèi)可以選?。篘umPy、SciPy、matplotlib等工具包來(lái)進(jìn)行高等數(shù)學(xué)、信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)分析等的計(jì)算和繪圖；人文、社科類(lèi)可以選取對(duì)自然語(yǔ)言處理的NLTK、Jieba、TextBlob等工具包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、情感推理、機(jī)器翻譯等；經(jīng)管類(lèi)可以選取statsmodels進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模和計(jì)量分析，使用alipay、django-shop工具包等進(jìn)行仿真電子商務(wù)系統(tǒng)。除此之外Python還對(duì)Web開(kāi)發(fā)、爬蟲(chóng)、云計(jì)算、人工智能、金融分析和游戲開(kāi)發(fā)等提供全方位的支持，可供不同的專(zhuān)業(yè)需求進(jìn)行選擇。通過(guò)選修內(nèi)容將專(zhuān)業(yè)知識(shí)與python程序設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，不僅可以進(jìn)一步加深對(duì)編程的理解和學(xué)習(xí)、使學(xué)生的計(jì)算思維獲得進(jìn)一步提高，也有助于學(xué)生加深專(zhuān)業(yè)知識(shí)的掌握和運(yùn)用，進(jìn)而提升他們的就業(yè)能力。

表2 必修課程設(shè)置參考(32課時(shí))

結(jié)語(yǔ)

在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和云服務(wù)等新一代計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展的今天。計(jì)算思維在社會(huì)生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這對(duì)我們公共計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)內(nèi)容和方法的改革提出了新的要求。接近自然語(yǔ)言且比較容易學(xué)習(xí)的Python為我們的程序設(shè)計(jì)教學(xué)提供了一個(gè)新選擇，它側(cè)重問(wèn)題求解，且具有龐大開(kāi)源工具包，有助于提高學(xué)生集成創(chuàng)新能力。通過(guò)對(duì)Python語(yǔ)言的學(xué)習(xí)，不僅給熟悉Python語(yǔ)言的學(xué)生提供了良好的就業(yè)前景和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)力，也可以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算機(jī)思維，形成邏輯思考和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，為未來(lái)學(xué)習(xí)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。