《计算思维》三个学科形态教案

一、课程名称

《计算思维》三个学科形态

二、课程参考教材

陈国良.计算思维导论.高等教育出版社.2023

三、教学目标

1．理解“学生选课”例子的E-R模型和关系模型，掌握简单数据库系统的建模方法，实现客观世界到信息世界的抽象。

2．掌握将模型与系统设计进行实现的方法，能够构建简单的关系数据库系统。

3．了解抽象、理论和设计3个学科形态内容划分的背景和意义。

四、重要概念

抽象、理论和设计三个学科形态的划分，使原来的大量概念变得有序，从而大大降低了计算学科认知的复杂性。

五、教学重点、难点

教学重点：E-R图的简单绘制，计算学科的三个学科形态（抽象，理论和设计）的区别。

教学难点：计算学科的三个学科形态（抽象，理论和设计）的区别。

六、教学过程

第一步回顾计算思维的定义和本质

同学们还记不记得计算思维的定义，这是华裔美籍的计算思维研究学者周以真教授给出的定义，简单地说，计算思维就是围绕计算机科学的一系列思维活动。计算思维又叫构造性思维，以设计与构造为特征。它的本质是抽象和自动化。

第二步 讲授新的课程内容

1.介绍新的课程内容主要提纲。

计算学科中的三个学科形态，首先我们要知道它指的是什么，指的是抽象形态、理论形态和设计形态。它反映了人们从感性认识到理性认识，再由理性认识回到实践的认识过程。我们将从这三个方面进一步学习三个学科形态。

2.引入“学生选课”的例子。

这里给大家引一个“学生选课”的例子，它给出了学生和课程两个实体，也给出了它们的联系，要求我们建立一个信息管理系统，实现对学生选课这一信息的管理。其实，在我们刚进入大学，每个同学都会遇到选课这件事情，大家都知道选课是在网上进行的，很方便很快捷。那么大家是否知道选课这件事是如何从现实世界转移到信息世界，给我们带来方便的呢。这这个过程就跟我们的三个学科形态相关了，怎么相关呢，其实就是现实世界客观对象抽象的过程。对学生选课例子的感性认识——抽象形态，对学生选课例子的理性认识——理论形态，对学生选课例子的工程设计——设计形态。

3.介绍抽象形态。

我们人看到的是现实世界，通过人脑认识抽象；就得到概念模型，也就是信息世界；将这个概念模型用计算机能识别的语言进行描述，就得到了数据模型，也就是机器世界。这就是一个现实世界中客观对象抽象过程。

结合“学生选课”的例子，我们人首先看到并获取的信息就是学生和课程，它们之间的关系是一个学生可以选修若干门课程,每门课程可以被任一学生所选修。我们第一眼看到并获取的信息实际就是感性认识，将学生、课程以及它们之间的联系对应起来，实际上就是将客观世界抽象为信息世界。

概念模型的定义是：是客观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，实体、属性、码、域、联系等，概念模型最典型的就是数据库领域的ER模型。ER模型是一种用实体和实体之间的联系来描述客观世界并建立概念模型的抽象方法。ER图是对ER模型的表述，它有一定的规则，实体：用矩形表示，属性：用椭圆形表示，联系：用菱形表示，实体之间的联系：用数字标注在图上。

小结：抽象源于实验科学。按客观现象的研究过程，抽象形态包括以下4个步骤：（1）形成假设；（2）建造模型并作出预测；（3）设计实验并收集数据；（4）对结果进行分析。通过建立E-R模型和概念模型，实现了对“学生选课”问题的抽象（感性认识）。

4.介绍理论形态。

完成了对客观世界的感性认识，就应该上升到理论认识。概念模型(E-R图)不是机器世界所支持的数据模型，仅仅是客观世界到机器世界的一个中间层次。概念模型还需要转换成机器世界能支持的数据模型。在数据库领域中，数据库管理系统（DBMS）支持的数据模型主要有：层次模型、网状模型、关系模型、面向对象模型等。我们这里主要介绍关系模型。关系模型：基于关系理论，体现为二维表结构的数据模型每个关系对应于一张二维表。

结合“学生选课”的例子，从ER图，我们就会得到三条信息，学生信息，课程信息，学生选课信息。从这三条学生信息，课程信息，学生选课信息，我们就得到数据模型对应的这些二维表。到此就完成了理论形态的认识。

小结：理论形态包括以下4个步骤的内容：（1）表述研究对象的特征；（2）假设对象之间的基本性质和可能存在的关系（定理）；（3）确定这些关系是否为真（证明）；（4）结论。在数据库理论（理性认识）的基础上，在“学生选课”关系模型的基础上，建立对“学生选课”问题的理性认识，从而为“学生选课”管理系统的设计奠定了基础。

5.介绍设计形态。

我们完成了概念模型和数据模型的建立，就应该根据具体的关系数据库管理系统对该模型进行定义，从而可以由计算机进行处理。这是“学生”数据表的SQL语句。我们再创建课程数据表的SQL语句，学生选课数据表的SQL语句。那么我们就完成了数据库的建立。

接下来，便可以进行数据的输入、修改和查询，从而完成对“学生选课”的管理。一个简单的查询：查询成绩在90分以上的所有学生的学号和姓名。SELECT SNO,SN FROM STUDENT,SC,COURSE WHERE STUDENT.SNO=SC.SNO AND SC.CNO=COURSE.CNO AND GRADE>90;系统运行以上语句后，即可在屏幕上显示所求的结果。

小结：一步一步建立起了一个信息管理系统。设计形态包括以下4个步骤的内容：（1）需求分析；（2）建立规格说明；（3）设计并实现该系统；（4）对系统进行测试与分析。最后借助某种关系DBMS实现“学生选课”应用软件的编制，而这里我们就用的是SQL server数据库。这里只是实现了一个简单的数据库管理，在实际的工程开发中将是包括用户交互软件的开发。

6.介绍三个学科形态的内在联系。

接下来我们讲三个学科形态的内在联系。抽象源于现实世界。建立对客观事物进行抽象描述的方法，建立具体问题的概念模型，实现对客观世界的感性认识。理论源于数学。建立完整的理论体系，建立具体问题的数学模型，实现对客观世界的理性认识。设计源于工程。在对客观世界的感性认识和理性认识的基础上，完成一个具体的工程任务，对工程设计中所遇到的问题进行总结，由理论知识去解决它。

第三步 总结与讨论

这次课主要学习“学生选课”例子的E-R模型和关系模型，以及构建简单的关系数据库系统，了解抽象、理论和设计3个学科形态内容划分和内在联系。下面我们就今天所讲述的内容开展讨论，如果哪位同学认为理解了3个学科形态，请结合你所理解的情况谈一下自己对计算学科中3个学科形态应用于实际问题的见解和看法让我们一起来讨论和分享。经过大家的相互讨论应该对相关问题有了更深入的理解。