《計(jì)算思維》三個(gè)學(xué)科形態(tài)教案

一、課程名稱

《計(jì)算思維》三個(gè)學(xué)科形態(tài)

二、課程參考教材

陳國良.計(jì)算思維導(dǎo)論.高等教育出版社.2023

三、教學(xué)目標(biāo)

1．理解“學(xué)生選課”例子的E-R模型和關(guān)系模型，掌握簡單數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建模方法，實(shí)現(xiàn)客觀世界到信息世界的抽象。

2．掌握將模型與系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的方法，能夠構(gòu)建簡單的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

3．了解抽象、理論和設(shè)計(jì)3個(gè)學(xué)科形態(tài)內(nèi)容劃分的背景和意義。

四、重要概念

抽象、理論和設(shè)計(jì)三個(gè)學(xué)科形態(tài)的劃分，使原來的大量概念變得有序，從而大大降低了計(jì)算學(xué)科認(rèn)知的復(fù)雜性。

五、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：E-R圖的簡單繪制，計(jì)算學(xué)科的三個(gè)學(xué)科形態(tài)（抽象，理論和設(shè)計(jì)）的區(qū)別。

教學(xué)難點(diǎn)：計(jì)算學(xué)科的三個(gè)學(xué)科形態(tài)（抽象，理論和設(shè)計(jì)）的區(qū)別。

六、教學(xué)過程

第一步回顧計(jì)算思維的定義和本質(zhì)

同學(xué)們還記不記得計(jì)算思維的定義，這是華裔美籍的計(jì)算思維研究學(xué)者周以真教授給出的定義，簡單地說，計(jì)算思維就是圍繞計(jì)算機(jī)科學(xué)的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維又叫構(gòu)造性思維，以設(shè)計(jì)與構(gòu)造為特征。它的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。

第二步 講授新的課程內(nèi)容

1.介紹新的課程內(nèi)容主要提綱。

計(jì)算學(xué)科中的三個(gè)學(xué)科形態(tài)，首先我們要知道它指的是什么，指的是抽象形態(tài)、理論形態(tài)和設(shè)計(jì)形態(tài)。它反映了人們從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)，再由理性認(rèn)識(shí)回到實(shí)踐的認(rèn)識(shí)過程。我們將從這三個(gè)方面進(jìn)一步學(xué)習(xí)三個(gè)學(xué)科形態(tài)。

2.引入“學(xué)生選課”的例子。

這里給大家引一個(gè)“學(xué)生選課”的例子，它給出了學(xué)生和課程兩個(gè)實(shí)體，也給出了它們的聯(lián)系，要求我們建立一個(gè)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生選課這一信息的管理。其實(shí)，在我們剛進(jìn)入大學(xué)，每個(gè)同學(xué)都會(huì)遇到選課這件事情，大家都知道選課是在網(wǎng)上進(jìn)行的，很方便很快捷。那么大家是否知道選課這件事是如何從現(xiàn)實(shí)世界轉(zhuǎn)移到信息世界，給我們帶來方便的呢。這這個(gè)過程就跟我們的三個(gè)學(xué)科形態(tài)相關(guān)了，怎么相關(guān)呢，其實(shí)就是現(xiàn)實(shí)世界客觀對(duì)象抽象的過程。對(duì)學(xué)生選課例子的感性認(rèn)識(shí)——抽象形態(tài)，對(duì)學(xué)生選課例子的理性認(rèn)識(shí)——理論形態(tài)，對(duì)學(xué)生選課例子的工程設(shè)計(jì)——設(shè)計(jì)形態(tài)。

3.介紹抽象形態(tài)。

我們?nèi)丝吹降氖乾F(xiàn)實(shí)世界，通過人腦認(rèn)識(shí)抽象；就得到概念模型，也就是信息世界；將這個(gè)概念模型用計(jì)算機(jī)能識(shí)別的語言進(jìn)行描述，就得到了數(shù)據(jù)模型，也就是機(jī)器世界。這就是一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界中客觀對(duì)象抽象過程。

結(jié)合“學(xué)生選課”的例子，我們?nèi)耸紫瓤吹讲�獲取的信息就是學(xué)生和課程，它們之間的關(guān)系是一個(gè)學(xué)生可以選修若干門課程,每門課程可以被任一學(xué)生所選修。我們第一眼看到并獲取的信息實(shí)際就是感性認(rèn)識(shí)，將學(xué)生、課程以及它們之間的聯(lián)系對(duì)應(yīng)起來，實(shí)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，用于信息世界的建模。其中的主要概念有，實(shí)體、屬性、碼、域、聯(lián)系等，概念模型最典型的就是數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域的ER模型。ER模型是一種用實(shí)體和實(shí)體之間的聯(lián)系來描述客觀世界并建立概念模型的抽象方法。ER圖是對(duì)ER模型的表述，它有一定的規(guī)則，實(shí)體：用矩形表示，屬性：用橢圓形表示，聯(lián)系：用菱形表示，實(shí)體之間的聯(lián)系：用數(shù)字標(biāo)注在圖上。

小結(jié)：抽象源于實(shí)驗(yàn)科學(xué)。按客觀現(xiàn)象的研究過程，抽象形態(tài)包括以下4個(gè)步驟：（1）形成假設(shè)；（2）建造模型并作出預(yù)測(cè)；（3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)；（4）對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。通過建立E-R模型和概念模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“學(xué)生選課”問題的抽象（感性認(rèn)識(shí)）。

4.介紹理論形態(tài)。

完成了對(duì)客觀世界的感性認(rèn)識(shí)，就應(yīng)該上升到理論認(rèn)識(shí)。概念模型(E-R圖)不是機(jī)器世界所支持的數(shù)據(jù)模型，僅僅是客觀世界到機(jī)器世界的一個(gè)中間層次。概念模型還需要轉(zhuǎn)換成機(jī)器世界能支持的數(shù)據(jù)模型。在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）支持的數(shù)據(jù)模型主要有：層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型、面向?qū)ο竽Ｐ偷�。我們這里主要介紹關(guān)系模型。關(guān)系模型：基于關(guān)系理論，體現(xiàn)為二維表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型每個(gè)關(guān)系對(duì)應(yīng)于一張二維表。

結(jié)合“學(xué)生選課”的例子，從ER圖，我們就會(huì)得到三條信息，學(xué)生信息，課程信息，學(xué)生選課信息。從這三條學(xué)生信息，課程信息，學(xué)生選課信息，我們就得到數(shù)據(jù)模型對(duì)應(yīng)的這些二維表。到此就完成了理論形態(tài)的認(rèn)識(shí)。

小結(jié)：理論形態(tài)包括以下4個(gè)步驟的內(nèi)容：（1）表述研究對(duì)象的特征；（2）假設(shè)對(duì)象之間的基本性質(zhì)和可能存在的關(guān)系（定理）；（3）確定這些關(guān)系是否為真（證明）；（4）結(jié)論。在數(shù)據(jù)庫理論（理性認(rèn)識(shí)）的基礎(chǔ)上，在“學(xué)生選課”關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，建立對(duì)“學(xué)生選課”問題的理性認(rèn)識(shí)，從而為“學(xué)生選課”管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

5.介紹設(shè)計(jì)形態(tài)。

我們完成了概念模型和數(shù)據(jù)模型的建立，就應(yīng)該根據(jù)具體的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對(duì)該模型進(jìn)行定義，從而可以由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。這是“學(xué)生”數(shù)據(jù)表的SQL語句。我們?cè)賱?chuàng)建課程數(shù)據(jù)表的SQL語句，學(xué)生選課數(shù)據(jù)表的SQL語句。那么我們就完成了數(shù)據(jù)庫的建立。

接下來，便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、修改和查詢，從而完成對(duì)“學(xué)生選課”的管理。一個(gè)簡單的查詢：查詢成績?cè)?0分以上的所有學(xué)生的學(xué)號(hào)和姓名。SELECT SNO,SN FROM STUDENT,SC,COURSE WHERE STUDENT.SNO=SC.SNO AND SC.CNO=COURSE.CNO AND GRADE>90;系統(tǒng)運(yùn)行以上語句后，即可在屏幕上顯示所求的結(jié)果。

小結(jié)：一步一步建立起了一個(gè)信息管理系統(tǒng)。設(shè)計(jì)形態(tài)包括以下4個(gè)步驟的內(nèi)容：（1）需求分析；（2）建立規(guī)格說明；（3）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)；（4）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與分析。最后借助某種關(guān)系DBMS實(shí)現(xiàn)“學(xué)生選課”應(yīng)用軟件的編制，而這里我們就用的是SQL server數(shù)據(jù)庫。這里只是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的數(shù)據(jù)庫管理，在實(shí)際的工程開發(fā)中將是包括用戶交互軟件的開發(fā)。

6.介紹三個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系。

接下來我們講三個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系。抽象源于現(xiàn)實(shí)世界。建立對(duì)客觀事物進(jìn)行抽象描述的方法，建立具體問題的概念模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的感性認(rèn)識(shí)。理論源于數(shù)學(xué)。建立完整的理論體系，建立具體問題的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的理性認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)源于工程。在對(duì)客觀世界的感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，完成一個(gè)具體的工程任務(wù)，對(duì)工程設(shè)計(jì)中所遇到的問題進(jìn)行總結(jié)，由理論知識(shí)去解決它。

第三步 總結(jié)與討論

這次課主要學(xué)習(xí)“學(xué)生選課”例子的E-R模型和關(guān)系模型，以及構(gòu)建簡單的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，了解抽象、理論和設(shè)計(jì)3個(gè)學(xué)科形態(tài)內(nèi)容劃分和內(nèi)在聯(lián)系。下面我們就今天所講述的內(nèi)容開展討論，如果哪位同學(xué)認(rèn)為理解了3個(gè)學(xué)科形態(tài)，請(qǐng)結(jié)合你所理解的情況談一下自己對(duì)計(jì)算學(xué)科中3個(gè)學(xué)科形態(tài)應(yīng)用于實(shí)際問題的見解和看法讓我們一起來討論和分享。經(jīng)過大家的相互討論應(yīng)該對(duì)相關(guān)問題有了更深入的理解。