和计算思维有关的论文及文献

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如何构建以计算思维为核心的大学计算机课程认知体系,以适应不同层次学校和不同专业学生的需求,已成为新一轮大学计算机课程改革的关键。以下是我为大家精心准备的：浅谈计算思维和计算过程的大学计算机课程认知体系相关论文。内容仅供参考，欢迎阅读!

浅谈计算思维和计算过程的大学计算机课程认知体系全文如下：

近年来，以计算思维为核心的大学计算机课程教学改革正在许多高校进行，课程应该“讲什么、如何讲”是改革的关键，也是一线教师最为关切的问题。不同层次的高校和不同的专业对大学计算机课程的培养目标和专业需求不尽相同，因此，如果能够构建一个大学计算机课程认知体系的最小集，在此基础上让一线教师在培养目标框架内按照一定的思路进行扩充套件，不仅能解决“讲什么”的问题，还能解决“如何讲”的问题。

文中提到的大学计算机课程是指通识教育中的大学计算机基础，最小集是指不同层次、不同专业学生所需掌握的知识、能力和思维的最低要求，这样写的目的是试图构建起大学计算机基础教学稳定的、核心的认知体系，让大学计算机基础的课程教学像大学数学、大学物理一样，成为传授知识、培养应用能力、训练计算思维的大学通识教育课程。

1 对计算思维的再认识

关于计算思维，许多文章都引用美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授在2006 年给出的定义：计算思维是运用电脑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思维活动。很显然，运用电脑科学的基础概念很容易使人认为计算思维是建立在电脑科学基础上的只有计算机学科才有的一种新的思维形式。事实上，计算思维和其他的思维形式一样，是伴随人的思维活动而存在和发展的，如中国古代《易经》中的八卦将自然现象中的阴阳用符号表达形式化表示，然后按一定的规则或演算法推算计算出其他的自然现象，这是一个典型的古人运用计算思维解决问题的例子，充分说明计算思维是古已有之的一种思维形式。另外，该定义还容易使人认为计算过程只能由计算机执行。事实上，《易经》中的“运算”是由人执行的;图灵的计算模型出现在计算机之前，计算过程自然由人执行。

因此，周教授在2010 年又重新给出定义：计算思维是与形式化问题及其解决方案相关的一个思维过程，其解决问题的表示形式应该能有效地被资讯处理代理执行。该定义清晰明了、简单易懂，同时使计算思维的培养具有了一定的可操作性。

周以真教授重新定义的计算思维，有4 个递进式要点：①形式化问题;②形式化问题的解决方案;③解决方案的形式化表示;④解决方案的形式化表示能够被有效执行。这4 个递进式要点是对一个问题解决的过程性描述，指明了用计算思维解决问题的方法、步骤和要求。

基于上述认识，笔者认为对于计算思维的定义应该引用周教授2010 年的定义较为合适。此外，我们还应当认识到计算思维在人的思维活动中是一个复合的思维形式，以“形式化、程式化、机械化”为主要特征。在“形式化问题”得以解决的过程中，必然伴随其他思维形式，而计算思维起到“统领”的作用，如问题的形式化表示和“解决方案”的设计必然会涉及抽象思维、逻辑思维等数学思维形式，也会涉及构造等工程思维形式，因此“计算思维是数学和工程思维的互补与融合”;从周以真教授2010 年的定义中不难看出，计算思维以“形式化、程式化演算法、机械化机械地执行程式”为主要特征，因此教师在培养学生计算思维的同时还要完善其他思维形式的培养，这样才能建立起由计算思维“统领”的综合思维能力。

2 对计算本质的再认识

英国数学家图灵认为，计算是计算者人或机器对一条两端可无限延长的纸带上的一串符号来自有限符号集执行指令，一步一步地改变纸带上的符号，经过有限步骤最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程。简单地说，计算就是按照一定的规则进行的资料符号串变换，计算过程是人或机器对规则的执行过程。如果把资讯来自自然界或人类社会的符号化过程和资料的资讯化过程也作为计算过程的一部分。

其中，从资料到新资料的计算是一种狭义的计算，以数学计算为代表;从资讯到新资讯的计算是一种广义的计算，以计算机资讯处理为代表，如数值计算、符号计算、神经计算、自然计算、社会计算、情感计算、云端计算等，都只是计算的物件资料或资讯不同而已，计算的本质和过程都是一样的，其中体现的思维形式也是一样的。与狭义计算和广义计算相对应，计算过程也可分为狭义计算过程和广义计算过程，本文所说的计算过程是指广义计算过程。

3 计算过程与计算思维培养

电脑科学有两大基本问题：一是自动化计算的实现，二是基于计算机的问题求解。第一个问题的解决过程涉及资讯的符号化表示、资料编码、计算机器的构造、计算规则演算法和程式的制订和执行等一系列电脑科学最基本的概念、原理和方法;第二个问题的解决过程少了机器的构造这一环节，是各学科领域在计算机基础上的问题求解。显然，第二个问题以第一个问题为基础，两个问题的解决都以“图灵计算”为指导，以计算过程为思路;而计算思维正是在问题求解的整个计算过程中所体现的思维形式。以计算过程为主线思路构建大学计算机课程的认知体系，不仅能让学生学到电脑科学最基本的概念、原理和方法，而且可以让学生学到问题求解的基本思路，体会科学家的思维过程，从而有效地培养学生的计算思维。

4 大学计算机课程认知体系的最小集

计算思维的培养需要根据培养目标选择合适的知识载体，构建合适的认知体系，选择恰当的教学方法。对非计算机专业的学生而言，由于大学计算机课程的“通识性”和“基础性”以及学时的局限，很有必要选择一些“大众化”的内容构建一个最小的认知体系。

以计算思维的培养为核心、以计算过程为主线构建一个大学计算机认知体系的最小集，是指按计算过程所承载的电脑科学最基本的概念、原理和方法选择内容及内容的呈现次序。计算过程包括自动化计算的实现过程、基于计算机的问题求解过程、基于应用软体的问题求解过程以及异地资料环境的网路计算过程。该思路不仅体现电脑科学的两大基本问题，而且体现人们的认知过程和思维过程，具体内容如下。

1计算与计算机概述：资讯与资料;什么是计算;什么是计算机;前人对计算机的探索历程和思维过程。

2基础理论：资讯符号化包括进位计数制和资讯编码;逻辑运算;算术运算与逻辑运算的统一;计算的物理实现。

3自动计算的实现：指令和程式;冯·诺依曼计算机;储存器;中央处理器;指令和程式的执行过程。

4现代计算机系统：现代计算机硬体系统;现代计算机软体系统。

5基于计算机的问题求解：问题求解基础;演算法基础;演算法设计;演算法实现——程式设计语言和视觉化计算工具raptor。

6基于应用软体的问题求解——以办公自动化应用为例：文书处理;文稿演示;资料处理。

7计算机网路：什么是计算机网路;网路通讯基础;计算机组网与连线;计算机网路传输过程;网路应用;资讯与网路安全。

5 需要说明的问题

上述第1 到第4 部分内容主要是“如何实现自动化计算”，该部分以计算过程为主线参照计算过程示意图，围绕“如何实现自动化计算”这一基本问题展开。第5 部分内容主要是基于计算机器无应用软体进行问题求解，也以计算过程为主线，同时按计算思维定义的4 个要点思考问题，注意该部分主要是演算法而不是程式设计，演算法的执行可以用raptor 实现。第6 部分内容可以看做是基于计算机器有应用软体的问题求解，按问题求解的思路展开，侧重问题案例的设计和解决过程中遇到的较为稳定和本质不因介面改变而变化的知识讲解，如文书处理中的字元、段落、页面、目录、页首页尾和其他物件的属性及其关系等;文稿演示中的幻灯片和物件表演方式及其控制等;资料处理中的公式、函式和资料分析等。第7 部分内容主要是计算环境变化后异地计算机之间的资料交换问题，围绕“如何连线、如何交换”这一基本问题展开。

6 结语

一线教师只有充分认识计算和计算思维的深刻内涵，才能在培养计算思维的教学中有所作为，才能有效组织和展示教学内容，达到最佳的计算思维培养效果。上述研究只是在充分认识计算和计算思维的前提下，以计算过程为主线对现有大学计算机知识体系的一次重构，重构的知识体系只是相对稳定的最小 *** 。由于学校层次不同、学生专业差异以及技术发展日新月异，因此对认知体系深度和广度进行扩充套件也是必要的，至于怎样扩充套件、遵循什么原则等还需要进一步研究。

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范文题目：关于新工程教育计算机专业离散数学实验教学研究

摘要: 立足新工科对计算机类专业应用实践能力培养的要求，分析了目前离散数学教学存在的关键问题，指明了开展离散数学实验教学的必要性。在此基础上，介绍了实验教学内容的设计思路和设计原则，给出了相应的实验项目，并阐述了实验教学的实施过程和教学效果。

关键词:新工科教育;离散数学;计算机专业;实验教学

引言

新工科教育是以新理念、新模式培养具有可持续竞争力的创新型卓越工程科技人才，既重视前沿知识和交叉知识体系的构建，又强调实践创新创业能力的培养。计算机类是新工科体系中的一个庞大专业类，按照新工科教育的要求，计算机类专业的学生应该有很好的逻辑推理能力和实践创新能力，具有较好的数学基础和数学知识的应用能力。作为计算机类专业的核心基础课，离散数学的教学目标在于培养学生逻辑思维、计算思维能力以及分析问题和解决问题的能力。但长期以来“定义－定理－证明”这种纯数学的教学模式，导致学生意识不到该课程的重要性，从而缺乏学习兴趣，严重影响学生实践能力的培养。因此，打破原有的教学模式，结合计算机学科的应用背景，通过开展实验教学来加深学生对于离散数学知识的深度理解是实现离散数学教学目标的重要手段。

1．实验项目设计

围绕巩固课堂教学知识，培养学生实践创新能力两个目标，遵循实用性和可行性原则，设计了基础性、应用性、研究性和创新性四个层次的实验项目。

(1) 基础性实验

针对离散数学的一些基本问题，如基本的定义、性质、计算方法等设计了7个基础性实验项目，如表1所示。这类实验要求学生利用所学基础知识，完成算法设计并编写程序。通过实验将抽象的离散数学知识与编程结合起来，能激发学生学习离散数学的积极性，提高教学效率，进而培养学生的编程实践能力。

(2) 应用性实验

应用性实验是围绕离散数学主要知识单元在计算机学科领域的应用来设计实验，如表2所示。设计这类实验时充分考虑了学生掌握知识的情况，按照相关知识点的应用方法给出了每个实验的步骤。学生甚至不需要完成全部实验步骤即可达到实验效果。例如，在“等价关系的应用”实验中，按照基于等价类测试用例的设计方法给出了实验步骤，对基础较差的学生只需做完第三步即可达到“巩固等价关系、等价类、划分等相关知识，了解等价关系在软件测试中的应用，培养数学知识的应用能力。”的实验目的。

(3) 研究性实验研究性实验和应用性实验一样

也是围绕离散数学主要知识单元在计算机科学领域中的应用来设计实验，不同之处在于，研究性实验的实验步骤中增加了一些需要学生进一步探讨的问题。这类实验项目一方面为了使学生进一步了解离散数学的重要性，另一方面为了加强学生的创新意识与创新思维，提高计算机专业学生的数学素质和能力。表 3 给出了研究性试验项目。

(4) 创新性实验

在实际教学中还设计了多个难度较高的创新性实验题目，例如，基于prolog语言的简单动物识别

系统、基于最短路径的公交线路查询系统、简单文本信息检索系统的实现等，完成该类实验需要花费较长的时间，用到更多的知识。通过这些实验不仅有利于培养学生分析问题、解决问题的能力和创新设计能力，也有利于培养学生独立思考、敢于创新的能力。

3．实验教学模式的构建

通过实验教学环节无疑可以激发学生对课程的兴趣，提高课程教学效率，培养学生的实践创新能力。但是，近年来，为了突出应用性人才培养，很多地方本科院校对离散数学等基础理论课的课时进行了压缩，加之地方本科院校学生基础较差，使得离散数学课时严重不足，不可能留出足够的实验教学时间。针对这种情况，采用多维度、多层次的教学模式进行离散数学实验教学。

(1) 将实验项目引入课堂教学

在离散数学的教学过程中，将能反映在计算机科学领域典型应用的实验项目引入到课堂教学中，引导学生应用所学知识分析问题、解决问题。例如在讲授主析取范式时，引入加法器、表决器的设计，并用multisim进行仿真演示，让学生理解数理逻辑在计算机硬件设计中的作用。又如讲谓词逻辑推理时，引入前一届学生用Prolog完成的“小型动物识别系统”作为演示实验。这些应用实例能够让学生体会数理逻辑在计算机科学领域的应用价值，不仅激发学生的学习兴趣，提高课堂教学效率，也锻炼了学生的逻辑思维，培养了学生的系统设计能力。

(2) 改变课后作业形式，在课后作业中增加上机实验题目

由于课时有限，将实验内容以课后作业的形式布置下去，让学生在课余时间完成实验任务。例如讲完数理逻辑内容后，布置作业: 编写 C语言程序，实现如下功能: 给定两个命题变元 P、Q，给它们赋予一定的真值，并计算P、P∧Q、P∨Q的真值。通过完成，使学生掌握命题联结词的定义和真值的确定方法，了解逻辑运算在计算机中的实现方法。又如，把“偏序关系的应用”实验作为“二元关系”这一章的课后作业，给定某专业开设的课程以及课程之间的先后关系，要求学生画出课程关系的哈斯图，安排该专业课程开设顺序，并编写程序实现拓扑排序算法。通过该实验学生不仅巩固了偏序关系、哈斯图等知识，而且了解到偏序关系在计算机程序设计算法中的应用和实现方法。

(3) 布置阅读材料

在教学中，通常选取典型应用和相关的背景知识作为课前或课后阅读材料，通过课堂提问抽查学生的阅读情况。这样，不仅使学生预习或复习了课程内容，同时也使他们对相关知识点在计算机学科领域的应用有了一定的了解。例如，在讲解等价关系后，将“基于等价类的软件测试用例设计方法”作为课后阅读材料; 在讲解图的基本概念之前，将“图在网络爬虫技术中的应用”作为课前阅读材料; 货郎担问题和中国邮路问题作为特殊图的课后阅读材料。通过这些阅读材料极大地调动学生学习的积极性，取得了非常好的教学效果。

(4) 设置开放性实验项目

在离散数学教学中，通常选择一两个创新性实验项目作为课外开放性实验，供学有余力的学生学习并完成，图1给出了学生完成的“基于最短路径公交查询系统”界面图。同时，又将学生完成的实验系统用于日后的课堂教学演示，取得了比较好的反响。

(5) 利用网络教学平台

为了拓展学生学习的空间和时间，建立了离散数学学习网站，学习网站主要包括资源下载、在线视频、在线测试、知识拓展和站内论坛五个部分模块，其中知识拓展模块包含背景知识、应用案例和实验教学三部分内容。通过学习网站，学生不仅可以了解离散数学各知识点的典型应用，还可以根据自己的兴趣选择并完成一些实验项目。在教学实践中，规定学生至少完成1－2个应用性实验项目并纳入期中或平时考试成绩中，从而激发学生的学习兴趣。

4．结束语

针对新工科教育对计算机类专业实践创新能力的要求，在离散数学教学实践中进行了多方位、多层次的实验教学，使学生了解到离散数学的重要

性，激发了学生的学习兴趣，提高了学生程序设计能力和创新能力，取得了较好的教学效果。教学团队将进一步挖掘离散数学的相关知识点在计算机学科领域的应用，完善离散数学实验教学体系，使学生实践能力和创新思维得以协同培养，适应未来工程需要。

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