《計算思維》三個學科形態教案

《計算思維》三個學科形態教案

一、課程名稱

《計算思維》三個學科形態

二、課程參考教材

陳國良.計算思維導論.高等教育出版社.2012

三、教學目標

1．理解“學生選課”例子的E-R模型和關係模型，掌握簡單數據庫系統的建模方法，實現客觀世界到信息世界的抽象。

2．掌握將模型與系統設計進行實現的方法，能夠構建簡單的關係數據庫系統。

3．瞭解抽象、理論和設計3個學科形態內容劃分的背景和意義。

四、重要概念

抽象、理論和設計三個學科形態的劃分，使原來的大量概念變得有序，從而大大降低了計算學科認知的複雜性。

五、教學重點、難點

教學重點：E-R圖的簡單繪製，計算學科的三個學科形態（抽象，理論和設計）的區別。

教學難點：計算學科的三個學科形態（抽象，理論和設計）的區別。

六、教學過程

第一步回顧計算思維的定義和本質

同學們還記不記得計算思維的定義，這是華裔美籍的計算思維研究學者周以真教授給出的定義，簡單地説，計算思維就是圍繞計算機科學的一系列思維活動。計算思維又叫構造性思維，以設計與構造為特徵。它的本質是抽象和自動化。

第二步 講授新的課程內容

1.介紹新的課程內容主要提綱。

計算學科中的三個學科形態，首先我們要知道它指的是什麼，指的是抽象形態、理論形態和設計形態。它反映了人們從感性認識到理性認識，再由理性認識回到實踐的認識過程。我們將從這三個方面進一步學習三個學科形態。

2.引入“學生選課”的例子。

這裏給大家引一個“學生選課”的例子，它給出了學生和課程兩個實體，也給出了它們的聯繫，要求我們建立一個信息管理系統，實現對學生選課這一信息的管理。其實，在我們剛進入大學，每個同學都會遇到選課這件事情，大家都知道選課是在網上進行的，很方便很快捷。那麼大家是否知道選課這件事是如何從現實世界轉移到信息世界，給我們帶來方便的呢。這這個過程就跟我們的三個學科形態相關了，怎麼相關呢，其實就是現實世界客觀對象抽象的過程。對學生選課例子的感性認識——抽象形態，對學生選課例子的理性認識——理論形態，對學生選課例子的工程設計——設計形態。

3.介紹抽象形態。

我們人看到的是現實世界，通過人腦認識抽象；就得到概念模型，也就是信息世界；將這個概念模型用計算機能識別的語言進行描述，就得到了數據模型，也就是機器世界。這就是一個現實世界中客觀對象抽象過程。

結合“學生選課”的例子，我們人首先看到並獲取的信息就是學生和課程，它們之間的關係是一個學生可以選修若干門課程,每門課程可以被任一學生所選修。我們第一眼看到並獲取的信息實際就是感性認識，將學生、課程以及它們之間的聯繫對應起來，實際上就是將客觀世界抽象為信息世界。

概念模型的定義是：是客觀世界到信息世界的抽象，用於信息世界的建模。其中的主要概念有，實體、屬性、碼、域、聯繫等，概念模型最典型的就是數據庫領域的ER模型。ER模型是一種用實體和實體之間的聯繫來描述客觀世界並建立概念模型的抽象方法。ER圖是對ER模型的表述，它有一定的規則，實體：用矩形表示，屬性：用橢圓形表示，聯繫：用菱形表示，實體之間的聯繫：用數字標註在圖上。

小結：抽象源於實驗科學。按客觀現象的研究過程，抽象形態包括以下4個步驟：（1）形成假設；（2）建造模型並作出預測；（3）設計實驗並收集數據；（4）對結果進行分析。通過建立E-R模型和概念模型，實現了對“學生選課”問題的抽象（感性認識）。

4.介紹理論形態。

完成了對客觀世界的感性認識，就應該上升到理論認識。概念模型(E-R圖)不是機器世界所支持的數據模型，僅僅是客觀世界到機器世界的一箇中間層次。概念模型還需要轉換成機器世界能支持的數據模型。在數據庫領域中，數據庫管理系統（DBMS）支持的數據模型主要有：層次模型、網狀模型、關係模型、面向對象模型等。我們這裏主要介紹關係模型。關係模型：基於關係理論，體現為二維表結構的數據模型每個關係對應於一張二維表。

結合“學生選課”的例子，從ER圖，我們就會得到三條信息，學生信息，課程信息，學生選課信息。從這三條學生信息，課程信息，學生選課信息，我們就得到數據模型對應的這些二維表。到此就完成了理論形態的認識。

小結：理論形態包括以下4個步驟的內容：（1）表述研究對象的特徵；（2）假設對象之間的基本性質和可能存在的關係（定理）；（3）確定這些關係是否為真（證明）；（4）結論。在數據庫理論（理性認識）的基礎上，在“學生選課”關係模型的基礎上，建立對“學生選課”問題的理性認識，從而為“學生選課”管理系統的設計奠定了基礎。

5.介紹設計形態。

我們完成了概念模型和數據模型的建立，就應該根據具體的關係數據庫管理系統對該模型進行定義，從而可以由計算機進行處理。這是“學生”數據表的SQL語句。我們再創建課程數據表的SQL語句，學生選課數據表的SQL語句。那麼我們就完成了數據庫的建立。

接下來，便可以進行數據的輸入、修改和查詢，從而完成對“學生選課”的管理。一個簡單的查詢：查詢成績在90分以上的所有學生的學號和姓名。SELECT SNO,SN FROM STUDENT,SC,COURSE WHERE = AND = AND GRADE>90;系統運行以上語句後，即可在屏幕上顯示所求的結果。

小結：一步一步建立起了一個信息管理系統。設計形態包括以下4個步驟的內容：（1）需求分析；（2）建立規格説明；（3）設計並實現該系統；（4）對系統進行測試與分析。最後藉助某種關係DBMS實現“學生選課”應用軟件的編制，而這裏我們就用的是SQL server數據庫。這裏只是實現了一個簡單的數據庫管理，在實際的工程開發中將是包括用户交互軟件的開發。

6.介紹三個學科形態的內在聯繫。

接下來我們講三個學科形態的內在聯繫。抽象源於現實世界。建立對客觀事物進行抽象描述的方法，建立具體問題的概念模型，實現對客觀世界的感性認識。理論源於數學。建立完整的理論體系，建立具體問題的數學模型，實現對客觀世界的理性認識。設計源於工程。在對客觀世界的感性認識和理性認識的基礎上，完成一個具體的工程任務，對工程設計中所遇到的問題進行總結，由理論知識去解決它。

第三步 總結與討論

這次課主要學習“學生選課”例子的E-R模型和關係模型，以及構建簡單的關係數據庫系統，瞭解抽象、理論和設計3個學科形態內容劃分和內在聯繫。下面我們就今天所講述的內容開展討論，如果哪位同學認為理解了3個學科形態，請結合你所理解的情況談一下自己對計算學科中3個學科形態應用於實際問題的見解和看法讓我們一起來討論和分享。經過大家的相互討論應該對相關問題有了更深入的理解。