计算思维与程序设计

计算思维与程序设计
张建莉
【摘要】面向对象程序设计课程是大学计算机基础教学的核心课程,其中的许多知识点为计算思维提供了很好的诠释和生动的案例.区别于中学计算机教育,本文在大学非计算机基础专业程序设计课程教学中引入计算思维理念,从课堂教学和实践环节探讨了培养学生计算思维的思路与方法,为培养具有科学思维和创新能力的、训练有素的科技人才起到积极的探索作用.%The object-oriented programming course is the core course of computer basis teaching, many knowledge points of which provide commendable interpretation and vivid case for computational thinking. Unlike high school's computer education, this paper introduced the concept of computational thinking in the teaching of programming course for non-computer major and discussed the idea and methods of cultivating students' computational thinking in terms of teaching and practice, which played an active exploring role in cultivating well-trained talents with scientific thinking and innovation ability.
【期刊名称】《农业网络信息》
【年(卷),期】2015(000)012
【总页数】3页(P125-127)
【关键词】科学思维;计算思维程序设计课程
【作者】张建莉
【作者单位】长治医学院计算机教学部,山西长治 046000
【正文语种】中文
【中图分类】G642
科学思维包括理论思维、实验思维和计算思维。

理论思维又称推理思维，以推理
和演绎为特征，以数学学科为代表。

实验思维又称实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。

计算思维又称构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。

科学思维不仅是一切科学研究和技术发展的起点，而且始
终贯穿于科学研究和技术发展的全过程，是创新的灵魂。

科学思维的含义和重要
性在于它反映的是事物的本质与规律。

计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为。

计算思维包含如下几方面内容：①计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题重新阐释成一个知道怎样解决的问题；②计算思维是一种
递归思维，它是并行处理的；③计算思维采用了抽象和分解来迎接庞杂的任务或
者设计巨大复杂的系统，它是关注的分离（Separation of Concerns， SOC 方法）；④计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式从最坏情
形恢复的一种思维；⑤计算思维就是学习在同步相互会合时如何避免“竞争条件” （亦称“竞态条件”）的情形；⑥计算思维利用启发式推理来寻求解答，就是在
不确定情况下的规划、学习和调度；⑦计算思维利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行权衡。

计算思维是数学和工程思
维的互补与融合，是每个人的基本技能，不仅仅属于计算机科学家。

1 程序设计课程与计算思维的联系
计算思维最本质的内容是抽象与自动化，而这两个内容也反映了计算的根本问题，即什么能被有效地自动进行。

程序设计基础课程属于高校非计算机专业必修的公
共课，是训练学生思维能力的一个最直接、最重要的平台，将计算思维融入到程序设计教学，会大大提高学生的思维方式和解决实际问题的能力。

学生计算思维能力的培养在较大程度上是以思维方式的数学化为支撑的，故对于程序设计课程
来说，学生需要掌握的编程能力是计算思维和技能化知识的综合体现。

计算思维的结果是否正确必须要经过实践的检验，对于程序设计课程本身，实践操作是对计算思维能力结果的一种验证。

在程序设计课程中，培养大学生的计算思维能力、加大学生抽象思维能力和逻辑思维方法的训练力度，应是大学计算机基础教育的
重点，也是区别于中学计算机教育的一个重要因素。

“Visual Basic 程序设计” 是许多高校非计算机专业进行计算机基础教育的课程
之一，培养和训练大学生计算思维与Visual Basic 程序设计的课程教学相统一，
以“计算思维” 为线索展开教学，将程序设计实现问题求解所体现的计算思维讲授给学生，即“方法” 随着“思维” 的讲解而展开，“思维” 随着“方法” 的贯通而形成，“能力” 随着“思维” 的理解和训练而提高，最终使学生真正掌
握基于计算技术的问题求解思路和方法，逐步培养学生的计算思维和计算素养，
提高他们的计算能力，进而为其日后所从事的研究和工作开拓思路、大胆创新奠定基础。

2 面向计算思维的程序设计课程教学
Visual Basic 语言可以实现面向对象和面向过程的程序设计，而两种程序设计方
法能有效利用计算思维方式解决实际问题。

计算机语言的基本语法到其整体结构，都渗透着许多计算思维。

本文根据“Visual Basic 程序设计” 的教学实践，从不同的角度强化学生计算思维能力的培养，训练其抽象思维能力和逻辑思维方法。

2.1 编程基础与计算思维
根据现实生活中不同的信息数据（如文本型、数值型、逻辑型、日期型、货币
型等）， Visual Basic 语言提供了相应的数据类型： String 型用于表示文字信息；
Numeric 型用于表示数值信息，表示范围越大、精度越高的数据类型所占用的存储空间也越大，如Byte 型、 Integer 型、 Long 型、 Single 型和Double 型、Currency 型6 种基本类型，它们所表示的数据范围和精度依次增大； Boolean
型用于表示逻辑判断的信息，如对/错、是/否、真/假等，占用2 个字节的存储
空间；Date 型用于表示日期、时间信息，一般占用8 个字节的存储空间；Variant 型是一种特殊的数据类型，可用于表示任何信息，占用的存储空间灵活；Object 型用于表示任何类型的对象，一般占用4 个字节的存储空间。

这些不同
类型的数据在计算机具体处理时，一般都被放在一定的内存单元中，但为了进一步高效地使用系统资源快捷地处理这些数据，用户需要指定这些内存单元。

Visual Basic 提供了变（常）量，即用户通过声明或定义相应数据类型的内存单
元的符号地址，CPU 就可根据这些符号地址准确地存取数据，进而进行相应的运算。

Visual Basic 在充分利用CPU 运算功能的基础上，提供了针对不同类型数
据采用不同的运算方式，主要有算术运算、字符串运算、关系运算、逻辑运算，并由此实现对数据的初级、简单处理。

在日常的信息数据处理过程中，常常需要根据不同条件实现对数据灵活多样的处理，显然基本表达式难以直接实现。

基于这一客观需要，计算机语言产生了控制表达，即根据条件完成相应的计算，如语句级控制（如分支、循环）和模块级控制（如函数）。

在基础教学中融入这样的计算思维，学生便可对复杂的琐碎的基础知识的掌控便有了一条清晰的线索。

2.2 控件使用与计算思维
对象是人们要进行研究的任何事物，从最简单的整数到复杂的飞机等均可看作对象。

对象不仅能表示具体的事物，还能表示抽象的规则、计划或事件。

使用VB 控件首先要清晰什么是面向对象以及事件驱动的编程机制：面向对象的方法主张
从客观世界固有的事物出发来构造系统，系统中的对象及对象之间的关系能够如
实地反映问题域中固有的事物及其关系。

对象可以是现实世界中独立存在、可以
区分的实体，也可以是一些概念上的实体。

用面向对象程序设计思想解决问题，实际是对现实世界的反映以及高度抽象。

对象有自己的数据（属性），也有作用
于数据的操作（方法），将对象的属性和方法封装成一个整体，供程序设计者使用。

有了这样的计算思维做引导，对于VB 的学习便高屋建瓴。

VB 是面向对象
的可视化编程工具，主要特点如下：①基于面向对象的思想，引入了控件的概念和事件驱动；②程序开发过程一般遵循以下步骤：即先进行软件界面的绘制工作，再基于事件编写程序代码，以响应鼠标、键盘的各种动作。

学习程序设计便是根据问题需求，利用系统提供的大量可视化控件，按软件设计要求和布局，在屏幕上“画出” 各种图形对象，并设置这些图形对象的属性、熟悉事件驱动的编程机制及各种控件能够响应的自用户（如鼠标、键盘事件等）、来自硬件的（如时钟事件等）和来自软件的（如操作系统、应用程序本身等）事件。

例如，在命令
按钮（Command Button）这一对象上可能发生鼠标单击（Click）、鼠标移动（Mouse Move）、鼠标按下（Mouse Down）等鼠标事件，也可能发生键盘
按下（Key Down）等键盘事件等。

开发人员只需编写相关的事件过程代码，即可实现程序功能的那一部分编码。

通晓了VB 面向对象程序设计的这些计算思维
的特点，学生对于不同控件的学习便能在教师指导下围绕属性、事件、方法三要素逐步深入，自主学习。

2.3 算法设计与计算思维
编写相关的事件过程代码又回归到传统的面向过程的设计方法，所强调的计算思
维是程序功能的实现，主要由过程（或函数）完成实现，在程序中接收或者定义各种数据，然后通过过程（或函数）对数据进行操作，最后将结果输出或返回。

Visual Basic 系统提供了丰富的内部函数、事件过程，而且用户还可根据需要自
定义实现一定功能的过程（也称子过程或函数）。

无论是系统提供的还是用户自
定义的各子程序之间可以彼此独立，亦可相互联系、相互调用，形成了结构化明
显的程序结构。

通过编写事件过程或用户自定义过程代码，同学们能够理解计算在解决科学问题中的作用，重视计算作为科学发现的基础工具，探索不同算法在效率和性能方面的影响，理解实用的基本程序设计原则，理解不同程序设计语言解决实际问题的可能性以及计算的限制和不可解问题等。

算法是描述某一问题的具体求解步骤，通过算法设计并由计算机语言实现来体验问题求解的思维训练是计算思维培养的最佳途径。

2.4 课程综合设计与计算思维
学生在教师的指导下分组完成应用系统的综合设计，是培养学生对课程知识综合应用的重要环节，也是学生计算思维的应用实践与创新能力挖掘的良好契机。

然而由于学时和重视程度等诸多因素的影响，这一环节在很多高校的非计算机专业的程序设计课程中被不同程度地忽略了，需要警醒并加以注意。

3 结束语
将程序设计课程教学与计算思维培养相结合，加强对学生计算思维能力的培养，需要教师能够从计算思维的层面看待所教授的课程，对这些课程中含有的计算思维的基本概念、方法和思想进行提炼，从计算思维的角度对这些课程进行重新梳理和建设等，这需要教师们长期坚持不懈、不断探索、努力实践。

科学思维是一切科学研究和技术发展的创新灵魂，计算思维代表的是人们的一种普适的能力，不是仅面向计算机科学专业，而是面向所有的专业。

计算思维可改变大学计算机教育沿袭几十年的教学模式，是大学计算机教育振兴的途径之一。

参考文献
[1]陈国良,董荣胜.计算思维与大学计算机基础[J].中国大学教学,2011,(1):7－11.
[2]朱亚宗.论计算思维[J].计算机科学,2009,36(4):53－55.
[3]牟琴,谭良.计算思维的研究及其进展[J].计算机科学,2011,(3):10－15.。