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抽象并量化,构造与化简.docx

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抽象并量化,构造与化简

摘要:本文以一道奥数推理题展开对培养计算思维的讨论与研究,阐述了计算思维发生的基本过程、思维转化的本质与实质,以及对计算思维各种能力的培养。

中图分类号:G434?文献标识码:A?论文编号:1674-2117(2022)12-0056-03

●由“包公断案”开始的思考

笔者首先分析如下奥数题目:

国宝被盗,皇上命包拯一个时辰内断案,现有四名嫌犯甲、乙、丙、丁,包公依次进行了审问。

甲说:我没偷。

乙说:肯定是丙偷的。

丙说:我看到是丁偷的。

丁说:丙诬赖我。

经查证,罪犯为一人,四名嫌犯中仅一人说了假话,你能帮包公迅速断案吗?

这道题情境鲜活,正在学习算法与程序设计的高一学生开始了“假如甲是凶手,那么……”的推理,大家都在通过假设,找出矛盾,讨论得非常热烈。谜底最终揭晓,但过程还是有些曲折。當笔者再增加嫌犯数量或者凶手人数,以及证词的复杂程度时,许多学生的推理就开始混乱了。此时,笔者请计算机帮忙解决问题。

●边解题边看计算思维的发生

这道推理题尚不算复杂,牵涉四个人及四句证词,凶手也只有一个。从计算机处理问题的角度来看,只要能将问题转化为0或1,计算机就能够顺利解决。如何将这种非计算的问题转化为一个数值,首先可以用关系运算来达到目的。

核心思想:依然是以假设为前提,找出口供逻辑上的矛盾。

具体算法:假设某嫌犯是真正的凶手,利用Python中关系表达式的布尔值可对应参与运算的整型值这一规则,将嫌犯的语言转化为对应的关系表达式,再判断说真话即表达式为真的个数是不是3,从而得出假设是否成立。最后通过枚举,重复以上过程,找出真正的凶手。以上算法,对应了利用计算思维解决实际问题的各个步骤,如下页图1所示。

计算思维的核心在于将实际问题抽象为数学上的已知条件,再将其量化为计算机能够理解并执行的表达式,通过问题中蕴含的关系,建立结构模型,从而设计出算法,并编程实现。

就本题而言,首先提炼出嫌犯数量与对应设置、说真话的人的数量等已知条件。然后将嫌犯供词中的“是”与“不是”用关系运算符的“==”或“!=”来代替,将供词量化为关系表达式,得到真假值。再通过说真话的人数这一已知条件建立结构模型,列出判断条件。最后用Python中的循环遍历结合条件判断结构,编程解决问题。

具体算法可对照利用计算思维解决问题的各步骤(如下页图2)。

●转化思维——让所有问题都变得“可计算”

计算思维是一种问题解决的过程性思维,它的发生可以以数学思维做基础,但两者又在建构模型、数据处理与表达方式上有所不同,二者相辅相成、优势互补。找准实际生活与算法之间的联系,是计算思维训练的重点。许多问题来源于生活,如果将现实中的实际问题进行抽象,提炼出问题的“可计算”部分,利用数学的方法建构,从而转化成计算机可处理的流程,那么接下来的程序实现,就只是时间问题了。这是一个转化与创造的过程,教师需要培养学生分解、抽象、算法构建的能力,即将所有问题都变得“可计算”的计算思维的能力。

●计算思维的本质与实质——抽象而后“可执行”

思维的本质是抽象,计算思维的抽象包括数量和模型,以及对象的抽象、数据关系的抽象、规则的抽象。

例如,图书管理信息系统的开发,需要在充分分析需求的基础上,利用计算思维,将一个千头万绪、功能繁多的系统进行各种类型的抽象,从而将大问题转化为小问题,再分而治之,具体如下。

对象的抽象:①用户,②图书,③图书的流动(事件);数据关系的抽象:①借书,②还书,③图书馆藏总库与库存现状的关系;规则的抽象:①图书销毁的规则,②图书借阅册数上限的规则,③借阅人超出借阅时间归还的处理规则,④书籍损坏丢失的处理规则。

经过上述抽象,可以找出几个明确的实体和事件,再根据需求分析的结果,确定实体对象或事件对象的属性,这样一来,E-R图这个概念模型就形成了,它可以清楚地描绘现实中图书馆管理的方方面面,再将E-R图这个概念模型转换为关系模型,从而完成数据库的设计。这样就有了数据库的支撑,并与用户界面做好连接,图书管理信息系统的开发就只剩下编程实现了。

由此看来,抽象是计算思维最重要的要素之一,如何将现实中的问题抽象并量化,为建立模型做好准备,是利用计算机解决问题的关键。而计算思维的实质是将问题转化为计算机可执行的方案,要让机器执行人脑的算法思想,则必须与机器中人为预置的已抽象的协议或接口“打交道”。

●不断实践是促进计算思维发生的“良方”

在实践中锻炼计算思维,不仅要启发学生在解决问题时有意识地运用计算思维,还要着重培养其在实践中运用计算思维解决问题的各种能力。

1.寻找规律的能力

寻找规律,其实就是归纳、概括现实问题的属性和解决方法,然后对比计算机世界,用计算的方式将问题构造与重现。例如,“百鸡百钱”这道经典的数学题,将公鸡、母鸡、小鸡的数量设为X、Y、Z,

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