势科学视角下信息表示与运算基础教学改革实践

张江维

摘要：针对非计算机专业学生计算思维能力培养目标和当前信息表示与运算基础教学现状，依据势科学原理将信息表示、信息逻辑运算理论、Excel应用软件操作等不同教育要素，通过实际问题求解紧密联系起来，利用对称性将枯燥的理论教学与实践操作技能统一起来，理论指导实践，实践操作强化理论，同时进制转换统一起来，提高了学生动手实践的热情和兴趣，提高了课堂教学信息量，教学效果明显提升。

关键词：计算思維；势科学原理；教学改革

大学计算机基础课程教学的主要目标是培养学生的计算思维能力，对于非计算机专业学生来说，其最终目标是培养学生利用计算机科学的核心知识求解本专业的具体问题的能力。而信息表示与运算基础是计算机进行问题求解的基础，由于是计算机最基础的内容，反而距离初学者太远，难以接受和理解。面对枯燥的01代码串，很多学生无所适从，兴趣不高，虽然大多学生能够手动验算完成进制间转换、逻辑运算等操作，但由于缺乏真正的二进制加法器设计实践，初学者对于信息表示和逻辑运算的理解往往比较肤浅，和真正的计算机世界差距较大，为此，依据势科学原理——教育信息势=差别×联系，将Excel应用软件部分操作内容与信息表示和运算基础相结合，通过Excel应用软件模拟实现二进制数全加器、进制转换和七段字形码数码显示等教学实践，使学生在实践操作中理解计算机信息表示和工作原理，大大提高了课堂教学的信息量，提升了学生的动手能力和解决实际问题的能力。

1计算思维与势科学

计算思维就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的行为。计算思维是每个人的基本技能，它不仅仅属于计算机科学家。而是和要和阅读、写作和算术（Reading writing，and arithmetic——3R）等技能一样，也要学会计算思维能力。计算思维就是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题。计算思维就是把代码译成数据又把数据译成代码。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。计算思维是选择合适的方式去陈述一个问题，或者是选择合适的方式对一个问题的相关方面建模使其易于处理。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。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。计算思维的本质是抽象和自动化。

势科学研究的主要内容是与素质、创新及和谐有关的、现有理论无法给以科学阐述的、涉及复杂系统的内容。势科学研究的可操作性概念是“对称性”，基本研究方法是从整体直觉到逻辑演绎。势的运行机制是“差别促进联系，联系扩大差别”。人才成长和教育过程是一个信息作用的动力学过程。势科学关于教育过程绩效函数的两个核心要素就是教育要素之间的差别和联系。同时给出了教学信息量与信息势等价，即信息量=差别÷距离=差别×联系。由此可知，课堂教学知识内容要素之间的差别越大，联系越紧密，课堂信息量越大，课堂绩效越好。如果所讲知识与学生当前知识体系差别巨大（极限状态为相反），但没有任何联系则信息量为0，如果所讲知识与原有知识联系非常紧密（极限状态为相同），但没有差别，信息量也为0，既相反又相同，则信息量最大。例如用学生已经掌握的知识或者原理，解释新的完全不同的知识或原理，则学生最容易接受，就是信息量大的缘故。在教学的过程中，如果展示给学生的信息量过小，就难于激发其学习热情，易产生厌学现象。

2信息表示教学实践

信息表示教学实践中，主要解决什么是进位计数制、为什么采用二进制、什么是基数和位权、进制转换、原码、反码、补码、浮点表示法和非数值数据的表示等内容。主要解决人机交互信息表示问题，在此，现实世界与计算机世界对称，十进制与二进制对称，涉及的计算思维核心概念是抽象、问题转化和求解思路。为了顺利实施这部分教学内容，根据势科学信息量=差别x联系，根据对称性，即利用学生熟知的十进制数表示法引入进制表示所需字符数、位权、基数等概念。由于手工演算简单的八位二进制01串，即255以内的数字运算，大多学生兴趣不高，为了让学生对二进制信息表示以及转换有一个比较深入的了解，在教学实践中将Excel应用软件部分操作内容和信息表示结合起来，利用Excel应用软件实现进制之间的转换和字形码显示，以此调动学生的动手参与热情和积极性，在实践中理解信息表示。

2.1 Excel实现进制间转换

对任意给定的十进制数123.6（C3单元格），如图1所示，将其转换为二进制，在此用到Excel的单元格的引用，除法运算符“/”，取整函数INTO，求余函数Mod（），转换为二进制数值串，用到文本连接运算符“&”，将二进制数转换为十进制数用到指数运算符“^”和加法运算符“+”。在此，以二进制和十六进制为例进行详细说明。