计算思维在高中化学学习中的应用

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　　摘要：计算思维在非计算机领域的应用主要集中在科研领域，如计算生物学、计算化学、计算决策学等。在教育学，尤其是高中教学的相关领域几乎没有被明确的研究和实践过。如何理解计算思维并应用于日常教学，以及多元化地培养学生的计算思维能力，对于中学教学将有着极大的促进作用。本文执笔团队均为高中教学一线教师，结合多年教学经验及对计算思维的理解，着重以化学学科为例，对计算思维在中学教学中可行的应用进行了系统阐述。
　　关键词：计算思维;高中教学;化学教育
　　doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2019.11.023
　　中图分类号：G633.67;G633.8 文献标识码：A 文章编号：1671-1580（2019）10-0119-04
　　计算思维最早是由美国麻省理工学院（MIT）的西蒙·帕佩特（SeymourPapert）教授提出。2006年3月，美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授则对计算思维进行了系统的阐述，并在美国计算机权威期刊《Communica-tions oftheACM》上正式提出了计算思维（Compu.tational Thinking）的概念。按照周教授对计算思维的阐述，计算思维本质上可以被认为是一种可以被普遍适应的技能，所有人都可以通过学习并运用计算思维。当人们具有计算思维的能力时，就可以像计算机科学家一样去思考问题，解决问题。对于计算思维，她是这样定义的：“计算思维涉及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。计算思维涵盖了反映计算机科学之广泛性的一系列思维活动。”从应用的角度上看，通过计算思维对问题进行分解，约简，并通过转化和仿真的手段去研究问题，可以使很多复杂的问题通过类似模式化的方法迎刃而解。计算思维的核心方法则包括了递归，抽象和分解，通过计算机科学领域一些成熟的思考模式，可以将浩大复杂的问题，逐步细化重新整合并自动进行解决。
　　计算思维不是一门孤立的学问，也不是一门学科知识，它源于计算机科学，又和数学思维、工程思维有非常紧密的关系。严格来说，计算科学起源于数学，所以计算思维从某种层面来说与数学思维紧密相关。当运用计算思维去解决问题时，很多时候都需要用到数学建模的思想，将复杂的现实问题模式化。从另一个角度看，计算思维又与工程思维十分接近。因为在运用计算思维解决问题设计复杂系统时，效率、可靠性、自动化这些工程思维中很重要的东西都是必须要考虑的。
　　考虑到上述所提到的计算思维这种思维方式所具有的特点，对教学领域，尤其是中学学习教学领域将有着很大的利用空间和适用性。一方面，如果高中教师在知识的传授中可以科学地使用计算思维的理念和方法，将极大有助于提高课堂教学的条理性和知识的易理解性。另一方面，针对高中生高负荷量的学习内容，形成计算思维的能力、掌握计算思维的方法去学习，也将更有利于其提高学习的效率，建立起完善的知识体系。
　　一、计算思维的内容及发展现状
　　（一）计算思维内容。计算思维是建立在计算过程的能力和限制之上，运用计算机科学的基础概念和思维方法进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维的本质是抽象和自动化。
　　利用抽象的方法，去掉关键点上的附加属性，保留核心属性，一个针对问题的数学模型逐步被建立起来。而解决现实、复杂问题的过程就转变为解决这个数学模型的问题。数学模型最大的特点就是其可推演性。由于只剩下了问题的核心属性，利用一些成型的计算方法，并预定义一些固定的规则，问题就有可能被自动解答出来，也就是所谓的自动化。
　　（二）计算思维的发展现状。对计算思维的研究，目前国内基本还处于初级阶段。理论的研究主要关注其概念、内涵、价值与特征，而应用研究层次则更多在高等教育阶段，致力于计算思维的培养策略、教学模式和计算思维支持系统的设计与开发三个方面。
　　国外计算思维研究已处于成熟的早期阶段，理论研究主要关注对计算思维的解读，应用研究的层次主要集中在K-12阶段，主要关于计算思维的教学问题、促进计算思维教育的工具以及计算思维的评价。由此可见，目前国内对于计算思维的发展相对于国外还有很大的差距。
　　（三）计算思维的典型方法。计算思维是一种问题解决的方式。这种思维将问题分解，并且利用所掌握的计算机知识找出解决问题的办法。基于计算机科学的研究内容，计算思维在解决其他学科和领域问题时，有如下几种典型方法可以加以使用。
　　·抽象，是从许多事物中，舍弃个别的、非本质的属性，抽取共同的、本质的属性。
　　·分解，计算机科学中，应对复杂问题的解决方式即是将问题按照一定规则分解成许多子問题，再应对子问题进行单独的分析和解决。
　　·约简，是在保证问题或数据特征能反映原问题或数据本质特征的前提下，对问题或数据等进行简化处理，保留核心特征，舍弃附加特征。
　　·递归，是一种自身定义自身的方法，通过将大型复杂问题层层转化，最终转变为一个与原问题相似的规模较小的问题来求解。
　　·算法，即解决问题的方法或求解问题的步骤描述，以此将问题解决的方法推广到具有相似性的一类问题中。
　　·程序，是为实现特定目标或解决特定问题而用计算机语言编写的命令序列集合。
　　·仿真，利用模型复现实际系统发生的本质过程，并通过对系统模型的试验来研究存在的、或设计中的系统。
　　二、计算思维在高中化学中的应用
　　（一）化学反应的建模分析。计算思维是以计算机领域的学科方法界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据，通过判断、分析与综合各种信息资源，运用合理的算法形成解决问题的方案，总结利用计算机解决问题的过程与方法，并可迁移到与之相关的其他问题解决中的一种学科思维。下面就基于高中化学中化学反应部分，运用计算思维进行研究和分析。 　　1.化学反应的实质。化学反应是指分子破裂成原子，原子重新排列组合生成新分子的过程，称为化学反应。在反应中常伴有发光发热变色生成沉淀物等，判断一个反应是否为化学反应的依据是反应是否生成新的分子。化学反应是一个旧化学链断裂，新化学链形成的过程，按照反应物与生成物的类型，可以分成四类：化合反应、分解反应、置换反应、复分解反应。按照电子得失分类，又可分成氧化还原反应和非氧化还原反应。
　　2.抽象约简化学反应模型。化合反应指的是由两种或两种以上的物质反应生成一种新物质的反应。其中反应过程中，可能需要一定的反应条件，比如点燃、高温、高压。一些特殊反应也会需要某种催化剂的介入来激活反应的发生。此外，很多反应过程还会伴随发光、发热等现象的发生。
　　点燃碳棒：c+o2=点燃=CO2
　　氮氢合成氨：N2+3H2=高温高压催化剂=2NH3铁做催化剂
　　回想前面提到的计算思维中抽象和约简的方法，從许多事物中，舍弃个别的、非本质的属性，抽取并保留能保证原问题和数据本质特征，以此对问题或数据等进行简化。针对化合反应，其本质的、可以保证原问题的属性即两种或以上物质（A和B）通过反应生成一种新的物质（c）。而其中个别反应所需要的反应条件、催化剂甚至参加反应原子前面的系数等都只是个别的、非本质的属性，对其进行的舍弃并不会影响反应本质特征的表现。因此可以得到化合反应抽象出来的公式模型就是A+B=c。相同的方法，我们可以得到分解反应、置换反应以及复分解反应对应抽象出来的公式模型：
　　化合反应：A+B=C
　　分解反应：A=B+C
　　置换反应：A+BC=B+AC
　　复分解反应：AB+CD=AD+CB
　　其实可以发现，这些基础的化学反应公式在日常的高中化学学习中已经被老师和同学们广泛应用，只是大家在使用过程中并没有意识到其本质上是计算思维在学科中进行的应用。
　　3.化学元素结构的抽象模型。作为化学学科最基础的知识单元，化学元素贯穿并存在于学科的每一个知识脉络中。前一章节中对化学反应最终抽象出的A、B、c、D本质上就是化学元素在自然中的一种存在形式。无论是单质还是化合物，其存在的前提都是基于该元素本身结构性质所决定。那么想要通过计算思维进一步研究化学反应，对化学元素结构进行建模研究则是一个必须的基本前提。
　　针对化学中学到的数十种元素，无论其元素符号是什么，显现什么特殊性质，这些元素都有一些共性的结构属性。当我们为了研究化学反应而对元素进行建模时，更加关心元素的结构性质模型，即有几层电子，最外层几个电子，应该显现正化合价还是负化合价。
　　元素模型
　　电子层数
　　最外层电子个数
　　正负化合价
　　4.通过计算机程序预测化学反应的发生。上面已经从过程上对化学反应进行了抽象，同时又对参与化学反应的基础单元化学元素进行了模型的抽象。在此基础上，已经具备了对简单化学反应进行算法化和程序化校验的前提。
　　此时，如果我们希望通过计算思维的方法，探索未知元素可能进行化合反应（A+B=c）的可能性的分析，该如何设计对应的算法和实现程序化。为了研究这种算法，首先需要抽象出能发生这列反应的一些前提性条件：
　　反应过程中必须有一方容易失电子，一方容易得电子;形成新物质的前提是元素通过电子的共享达到新的结构平衡。
　　以Na和cI2反应生成NacI为例，能够完成反应形成新组合的前提是Na恰好“失去”1个电子，退入2层电子的稳定状态;CI“得到”1个电子进入三层电子的稳定状态。
　　（1）为了探究程序未知元素化合反应，我们可以将问题运用计算思维中的递归方法进行简化分解，即递归地查看当前输入元素集合中是否有满足条件的组合。根据上面提到的化合反应的基本原则，程序中需要考虑的是针对每一个输入的元素，尝试匹配剩余元素中不同正负价的元素。如果匹配成功，从输入元素集合中去掉当前元素，再次调用函数自己，进行接下来的尝试。
　　（二）二分查找法在化学药品测量中的应用。二分查找法是计算机课程中一个经典的算法，它适用于利用对象属性的特点，快速定位要查找的对象。它之所以被认为是一种经典而广为人知的算法，主要精髓就在于其使用过程中蕴含的计算思维的精妙，并且适用于很多场景。
　　1.二分查找法介绍。二分查找也称折半查找（Binary Search），它是一种效率较高的查找方法。但是，折半查找要求线性表必须采用顺序存储结构，而且表中元素按关键字有序排列。它充分利用了元素间的次序关系，采用分治策略，可在最坏的情况下用O（10gn）完成搜索任务。它的基本思想是：（这里假设数组元素呈升序排列）将n个元素分成个数大致相同的两半，取a[n/2]与欲查找的x作比较，如果x=a[n/2]则找到x，算法终止;如果xa[n/2]，则我们只要在数组a的右半部继续搜索x。
　　2.二分查找法在使用天平对化学药品称量上的应用举例。假设我们手中有一个未知重量待称量的药品（姑且假设药品重量为6.8g），需要在未知情况下用尽可能少的时间称出其准确重量。不考虑用任何算法思维，可能会通过逐渐尝试，一点点累加或者一点点减少砝码的方式进行测量。
　　此时，如果使用二分查找法，我们可能第一步选择尝试lOg的砝码进行测量，发现药品端较轻;第二步不再盲目的估算，直接使用5g的砝码进行称量，发现砝码端较轻;第三步，在砝码端追加2.5g砝码，使砝码重量达到7.5g，发现已经很接近但是偏重;第四步，减少砝码1.25g，使总重量达到6.25g......
　　三、结语
　　如上文所述，计算思维在高中化学教育中可以有很多方面的应用，这些思维和方法的应用对高中化学教学任务和内容可以发挥极大的作用。事实上，不只是化学教育，计算思维在中学阶段的其他学科教学也有很多可以应用和探索的空间。而从另一个角度看，不仅是教师在高中教学内容中可以使用计算思维的理念和方法，对于高中学生来说，理解并养成计算思维，在日常学习中将这些科学的、高效的方法进行合理运用，也将对其学习任务有极大的帮助。正因如此，多元培养学生计算思维能力，加深学生对计算思维及其方法的理解势在必行。
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