計算思維在高中化學學習中的應用
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摘要：計算思維在非計算機領域的應用主要集中在科研領域，如計算生物學、計算化學、計算決策學等。在教育學，尤其是高中教學的相關領域幾乎沒有被明確的研究和實踐過。如何理解計算思維并應用于日常教學，以及多元化地培養學生的計算思維能力，對于中學教學將有著極大的促進作用。本文執筆團隊均為高中教學一線教師，結合多年教學經驗及對計算思維的理解，著重以化學學科為例，對計算思維在中學教學中可行的應用進行了系統闡述。
關鍵詞：計算思維;高中教學;化學教育
doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2019.11.023
中圖分類號：G633.67;G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：1671-1580（2019）10-0119-04
計算思維最早是由美國麻省理工學院（MIT）的西蒙·帕佩特（SeymourPapert）教授提出。2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授則對計算思維進行了系統的闡述，并在美國計算機權威期刊《Communica-tions oftheACM》上正式提出了計算思維（Compu.tational Thinking）的概念。按照周教授對計算思維的闡述，計算思維本質上可以被認為是一種可以被普遍適應的技能，所有人都可以通過學習并運用計算思維。當人們具有計算思維的能力時，就可以像計算機科學家一樣去思考問題，解決問題。對于計算思維，她是這樣定義的：“計算思維涉及運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為。計算思維涵蓋了反映計算機科學之廣泛性的一系列思維活動?！睆膽玫慕嵌壬峡?，通過計算思維對問題進行分解，約簡，并通過轉化和仿真的手段去研究問題，可以使很多復雜的問題通過類似模式化的方法迎刃而解。計算思維的核心方法則包括了遞歸，抽象和分解，通過計算機科學領域一些成熟的思考模式，可以將浩大復雜的問題，逐步細化重新整合并自動進行解決。
計算思維不是一門孤立的學問，也不是一門學科知識，它源于計算機科學，又和數學思維、工程思維有非常緊密的關系。嚴格來說，計算科學起源于數學，所以計算思維從某種層面來說與數學思維緊密相關。當運用計算思維去解決問題時，很多時候都需要用到數學建模的思想，將復雜的現實問題模式化。從另一個角度看，計算思維又與工程思維十分接近。因為在運用計算思維解決問題設計復雜系統時，效率、可靠性、自動化這些工程思維中很重要的東西都是必須要考慮的。
考慮到上述所提到的計算思維這種思維方式所具有的特點，對教學領域，尤其是中學學習教學領域將有著很大的利用空間和適用性。一方面，如果高中教師在知識的傳授中可以科學地使用計算思維的理念和方法，將極大有助于提高課堂教學的條理性和知識的易理解性。另一方面，針對高中生高負荷量的學習內容，形成計算思維的能力、掌握計算思維的方法去學習，也將更有利于其提高學習的效率，建立起完善的知識體系。
一、計算思維的內容及發展現狀
?。ㄒ唬┯嬎闼季S內容。計算思維是建立在計算過程的能力和限制之上，運用計算機科學的基礎概念和思維方法進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。計算思維的本質是抽象和自動化。
利用抽象的方法，去掉關鍵點上的附加屬性，保留核心屬性，一個針對問題的數學模型逐步被建立起來。而解決現實、復雜問題的過程就轉變為解決這個數學模型的問題。數學模型最大的特點就是其可推演性。由于只剩下了問題的核心屬性，利用一些成型的計算方法，并預定義一些固定的規則，問題就有可能被自動解答出來，也就是所謂的自動化。
?。ǘ┯嬎闼季S的發展現狀。對計算思維的研究，目前國內基本還處于初級階段。理論的研究主要關注其概念、內涵、價值與特征，而應用研究層次則更多在高等教育階段，致力于計算思維的培養策略、教學模式和計算思維支持系統的設計與開發三個方面。
國外計算思維研究已處于成熟的早期階段，理論研究主要關注對計算思維的解讀，應用研究的層次主要集中在K-12階段，主要關于計算思維的教學問題、促進計算思維教育的工具以及計算思維的評價。由此可見，目前國內對于計算思維的發展相對于國外還有很大的差距。
?。ㄈ┯嬎闼季S的典型方法。計算思維是一種問題解決的方式。這種思維將問題分解，并且利用所掌握的計算機知識找出解決問題的辦法?；谟嬎銠C科學的研究內容，計算思維在解決其他學科和領域問題時，有如下幾種典型方法可以加以使用。
·抽象，是從許多事物中，舍棄個別的、非本質的屬性，抽取共同的、本質的屬性。
·分解，計算機科學中，應對復雜問題的解決方式即是將問題按照一定規則分解成許多子問題，再應對子問題進行單獨的分析和解決。
·約簡，是在保證問題或數據特征能反映原問題或數據本質特征的前提下，對問題或數據等進行簡化處理，保留核心特征，舍棄附加特征。
·遞歸，是一種自身定義自身的方法，通過將大型復雜問題層層轉化，最終轉變為一個與原問題相似的規模較小的問題來求解。
·算法，即解決問題的方法或求解問題的步驟描述，以此將問題解決的方法推廣到具有相似性的一類問題中。
·程序，是為實現特定目標或解決特定問題而用計算機語言編寫的命令序列集合。
·仿真，利用模型復現實際系統發生的本質過程，并通過對系統模型的試驗來研究存在的、或設計中的系統。
二、計算思維在高中化學中的應用
?。ㄒ唬┗瘜W反應的建模分析。計算思維是以計算機領域的學科方法界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數據，通過判斷、分析與綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案，總結利用計算機解決問題的過程與方法，并可遷移到與之相關的其他問題解決中的一種學科思維。下面就基于高中化學中化學反應部分，運用計算思維進行研究和分析。 1.化學反應的實質。化學反應是指分子破裂成原子，原子重新排列組合生成新分子的過程，稱為化學反應。在反應中常伴有發光發熱變色生成沉淀物等，判斷一個反應是否為化學反應的依據是反應是否生成新的分子。化學反應是一個舊化學鏈斷裂，新化學鏈形成的過程，按照反應物與生成物的類型，可以分成四類：化合反應、分解反應、置換反應、復分解反應。按照電子得失分類，又可分成氧化還原反應和非氧化還原反應。
2.抽象約簡化學反應模型?；戏磻傅氖怯蓛煞N或兩種以上的物質反應生成一種新物質的反應。其中反應過程中，可能需要一定的反應條件，比如點燃、高溫、高壓。一些特殊反應也會需要某種催化劑的介入來激活反應的發生。此外，很多反應過程還會伴隨發光、發熱等現象的發生。
點燃碳棒：c+o2=點燃=CO2
氮氫合成氨：N2+3H2=高溫高壓催化劑=2NH3鐵做催化劑
回想前面提到的計算思維中抽象和約簡的方法，從許多事物中，舍棄個別的、非本質的屬性，抽取并保留能保證原問題和數據本質特征，以此對問題或數據等進行簡化。針對化合反應，其本質的、可以保證原問題的屬性即兩種或以上物質（A和B）通過反應生成一種新的物質（c）。而其中個別反應所需要的反應條件、催化劑甚至參加反應原子前面的系數等都只是個別的、非本質的屬性，對其進行的舍棄并不會影響反應本質特征的表現。因此可以得到化合反應抽象出來的公式模型就是A+B=c。相同的方法，我們可以得到分解反應、置換反應以及復分解反應對應抽象出來的公式模型：
化合反應：A+B=C
分解反應：A=B+C
置換反應：A+BC=B+AC
復分解反應：AB+CD=AD+CB
其實可以發現，這些基礎的化學反應公式在日常的高中化學學習中已經被老師和同學們廣泛應用，只是大家在使用過程中并沒有意識到其本質上是計算思維在學科中進行的應用。
3.化學元素結構的抽象模型。作為化學學科最基礎的知識單元，化學元素貫穿并存在于學科的每一個知識脈絡中。前一章節中對化學反應最終抽象出的A、B、c、D本質上就是化學元素在自然中的一種存在形式。無論是單質還是化合物，其存在的前提都是基于該元素本身結構性質所決定。那么想要通過計算思維進一步研究化學反應，對化學元素結構進行建模研究則是一個必須的基本前提。
針對化學中學到的數十種元素，無論其元素符號是什么，顯現什么特殊性質，這些元素都有一些共性的結構屬性。當我們為了研究化學反應而對元素進行建模時，更加關心元素的結構性質模型，即有幾層電子，最外層幾個電子，應該顯現正化合價還是負化合價。
元素模型
電子層數
最外層電子個數
正負化合價
4.通過計算機程序預測化學反應的發生。上面已經從過程上對化學反應進行了抽象，同時又對參與化學反應的基礎單元化學元素進行了模型的抽象。在此基礎上，已經具備了對簡單化學反應進行算法化和程序化校驗的前提。
此時，如果我們希望通過計算思維的方法，探索未知元素可能進行化合反應（A+B=c）的可能性的分析，該如何設計對應的算法和實現程序化。為了研究這種算法，首先需要抽象出能發生這列反應的一些前提性條件：
反應過程中必須有一方容易失電子，一方容易得電子;形成新物質的前提是元素通過電子的共享達到新的結構平衡。
以Na和cI2反應生成NacI為例，能夠完成反應形成新組合的前提是Na恰好“失去”1個電子，退入2層電子的穩定狀態;CI“得到”1個電子進入三層電子的穩定狀態。
（1）為了探究程序未知元素化合反應，我們可以將問題運用計算思維中的遞歸方法進行簡化分解，即遞歸地查看當前輸入元素集合中是否有滿足條件的組合。根據上面提到的化合反應的基本原則，程序中需要考慮的是針對每一個輸入的元素，嘗試匹配剩余元素中不同正負價的元素。如果匹配成功，從輸入元素集合中去掉當前元素，再次調用函數自己，進行接下來的嘗試。
?。ǘ┒植檎曳ㄔ诨瘜W藥品測量中的應用。二分查找法是計算機課程中一個經典的算法，它適用于利用對象屬性的特點，快速定位要查找的對象。它之所以被認為是一種經典而廣為人知的算法，主要精髓就在于其使用過程中蘊含的計算思維的精妙，并且適用于很多場景。
1.二分查找法介紹。二分查找也稱折半查找（Binary Search），它是一種效率較高的查找方法。但是，折半查找要求線性表必須采用順序存儲結構，而且表中元素按關鍵字有序排列。它充分利用了元素間的次序關系，采用分治策略，可在最壞的情況下用O（10gn）完成搜索任務。它的基本思想是：（這里假設數組元素呈升序排列）將n個元素分成個數大致相同的兩半，取a[n/2]與欲查找的x作比較，如果x=a[n/2]則找到x，算法終止;如果xa[n/2]，則我們只要在數組a的右半部繼續搜索x。
2.二分查找法在使用天平對化學藥品稱量上的應用舉例。假設我們手中有一個未知重量待稱量的藥品（姑且假設藥品重量為6.8g），需要在未知情況下用盡可能少的時間稱出其準確重量。不考慮用任何算法思維，可能會通過逐漸嘗試，一點點累加或者一點點減少砝碼的方式進行測量。
此時，如果使用二分查找法，我們可能第一步選擇嘗試lOg的砝碼進行測量，發現藥品端較輕;第二步不再盲目的估算，直接使用5g的砝碼進行稱量，發現砝碼端較輕;第三步，在砝碼端追加2.5g砝碼，使砝碼重量達到7.5g，發現已經很接近但是偏重;第四步，減少砝碼1.25g，使總重量達到6.25g......
三、結語
如上文所述，計算思維在高中化學教育中可以有很多方面的應用，這些思維和方法的應用對高中化學教學任務和內容可以發揮極大的作用。事實上，不只是化學教育，計算思維在中學階段的其他學科教學也有很多可以應用和探索的空間。而從另一個角度看，不僅是教師在高中教學內容中可以使用計算思維的理念和方法，對于高中學生來說，理解并養成計算思維，在日常學習中將這些科學的、高效的方法進行合理運用，也將對其學習任務有極大的幫助。正因如此，多元培養學生計算思維能力，加深學生對計算思維及其方法的理解勢在必行。
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