◆石 云

(六盤水師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)系)

“計(jì)算思維”帶給高師院校計(jì)算機(jī)教育的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

◆石 云

(六盤水師范學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息技術(shù)系)

介紹什么是“計(jì)算思維”及目前國內(nèi)外“計(jì)算思維”的研究進(jìn)展?fàn)顩r，強(qiáng)調(diào)“計(jì)算思維”對于計(jì)算機(jī)教育的重要性。闡述當(dāng)前師范院校計(jì)算機(jī)教育遭遇的困境，指出“計(jì)算思維”的提出使計(jì)算機(jī)科學(xué)從前沿高端向基礎(chǔ)普及的轉(zhuǎn)型，將給以教學(xué)為主的高師院校帶來的發(fā)展機(jī)遇及要解決的難題。

高師計(jì)算機(jī)教育 計(jì)算思維能力 教學(xué)改革

計(jì)算機(jī)從誕生至今逾半個(gè)世紀(jì)一直作為一種計(jì)算工具，隨著計(jì)算機(jī)的普及，它將變得越來越普通。催生大學(xué)計(jì)算機(jī)系的IBM公司早已開始“鼓吹”:不用過多久，今天的計(jì)算機(jī)系將“消失”，并被服務(wù)科學(xué)系取而代之。雖然“危言聳聽”，但卻折射出計(jì)算機(jī)學(xué)科未來發(fā)展前景渺茫。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授在《計(jì)算思維》這篇文章中，把計(jì)算機(jī)從工具聯(lián)系到思維的發(fā)展，進(jìn)而提升到與“讀、寫、算”同等的高度和重要性，成為適合于每個(gè)人的“一種普遍的認(rèn)識和一類普適的技能”?！坝?jì)算思維”的提出，一定程度上意味著計(jì)算機(jī)科學(xué)從前沿高端向基礎(chǔ)普及的轉(zhuǎn)型，這無疑給以教學(xué)為主的高師院校帶來了發(fā)展空間，也提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

一、什么是“計(jì)算思維”

國際上廣泛認(rèn)同的計(jì)算思維定義來自周以真(Jeannette Wing)教授。周教授認(rèn)為，計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。

計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。如同所有人都具備“讀、寫、算”(簡稱3R)能力一樣，計(jì)算思維是必須具備的思維能力。計(jì)算思維無處不在，當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動(dòng)的整體時(shí)，它作為一個(gè)問題解決的有效工具，人人都應(yīng)掌握，處處都會(huì)被使用。

二、“計(jì)算思維”研究在國外

計(jì)算科學(xué)的至關(guān)重要性與學(xué)生興趣的下降形成鮮明對比背景下，2005年6月，美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)(PITAC)向美國總統(tǒng)提交報(bào)告，美國科學(xué)基金會(huì)(NSF)很快組織計(jì)算教育與研究領(lǐng)域的專家，召開系列會(huì)議，于2005年末至200 年初形成4份應(yīng)對計(jì)算機(jī)教育危機(jī)的報(bào)告。

2006年3月，周以真(Jeannette M.Wing)教授在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志ACM會(huì)刊上發(fā)表的文章《計(jì)算思維》系統(tǒng)全面地提出了“計(jì)算思維”(Computational Thinking，CT)。2007年美國科學(xué)基金會(huì)(NSF)啟動(dòng)了“大學(xué)計(jì)算教育振興的途徑”(CISE Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education，CPATH)計(jì)劃，投入巨資進(jìn)行美國計(jì)算教育的改革。

經(jīng)過2007年和2008年的資助和項(xiàng)目實(shí)踐，“大學(xué)計(jì)算教育振興的途徑”(CPATH)計(jì)劃相關(guān)工作者認(rèn)識到，計(jì)算思維在計(jì)劃中所起的重要作用，對在2009年申報(bào)的項(xiàng)目提出了更為具體的以計(jì)算思維為核心的課程改革?！按髮W(xué)計(jì)算教育振興的途徑”(CPATH)計(jì)劃啟動(dòng)后，不僅引起美國教育界的關(guān)注，也引起美國科學(xué)界的關(guān)注。2008年，美國科學(xué)基金會(huì)(NSF)還啟動(dòng)了一個(gè)涉及所有學(xué)科的、以計(jì)算思維為核心的重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃“計(jì)算使能的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新”(Cyber－Enable Discovery and Innovation，CDI)，進(jìn)一步將計(jì)算思維的培育擴(kuò)展到美國的各個(gè)研究領(lǐng)域。

三、“計(jì)算思維”研究在國內(nèi)

“計(jì)算思維”早就存在于中國的古代數(shù)學(xué)之中，但真正使“計(jì)算思維”的概念變得清晰化和系統(tǒng)化是周以真教授的《計(jì)算思維》，真正使“計(jì)算思維”的理念被國內(nèi)專家學(xué)者關(guān)注和重視是2008年10月31日至11月2日在桂林召開的全國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)，之后國內(nèi)專家對“計(jì)算思維”的論述層出不窮。

由李國杰院士任組長的中國科學(xué)院信息領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組撰寫的《中國至2050年信息科技發(fā)展路線圖》指出，長期以來，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)這門學(xué)科被構(gòu)造成一門專業(yè)性很強(qiáng)的工具學(xué)科?！肮ぞ摺币馕吨且环N輔助性學(xué)科，并不是主業(yè)，這種狹隘的認(rèn)知對信息科技的全民普及極其有害。針對這個(gè)問題，報(bào)告認(rèn)為計(jì)算思維的培育是克服“狹義工具論”的有效途徑，是解決其他信息科技難題的基礎(chǔ)。

孫家廣院士在《計(jì)算機(jī)科學(xué)的變革》一文中明確指出，(計(jì)算機(jī)科學(xué)界)最具有基礎(chǔ)性和長期性的思想是計(jì)算思維。

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)信息科學(xué)部二處處長劉克教授，特別強(qiáng)調(diào)大學(xué)推進(jìn)計(jì)算思維這一基本理念的必要性。

中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員徐志偉總工認(rèn)為，計(jì)算思維是一種本質(zhì)的、所有人都必須具備的思維方式，就像識字、做算術(shù)一樣;在2050年以前，讓地球上每一個(gè)公民都應(yīng)具備計(jì)算思維的能力。

教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)對計(jì)算思維的培育非常重視。2010年7月，在西安會(huì)議上，發(fā)布了《九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，確定了以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革。

教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)聯(lián)合中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)教育專業(yè)委員會(huì)、全國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)召開了一次主任(理事長)擴(kuò)大會(huì)議，就計(jì)算思維能力培養(yǎng)形成共識:計(jì)算機(jī)專業(yè)教育應(yīng)該在計(jì)算思維能力培養(yǎng)中做出表率。讓計(jì)算思維諸要素融入到非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的能力結(jié)構(gòu)中。計(jì)算思維能力培養(yǎng)應(yīng)該從中小學(xué)生抓起，這就會(huì)涉及到當(dāng)前中小學(xué)信息技術(shù)教育內(nèi)容的改革與師資水平的提高。

四、當(dāng)前師范院校計(jì)算機(jī)教育現(xiàn)狀

1.計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生教育現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)后，計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展并應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，信息產(chǎn)業(yè)成為全球最大的產(chǎn)業(yè)，社會(huì)對信息技術(shù)人才的需求，不僅在數(shù)量上有了更大的增長，而且在質(zhì)量上也提出了更高的要求。但據(jù)2011年10月至12月對當(dāng)?shù)馗邘熢盒Ｓ?jì)算機(jī)學(xué)科在校生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀、畢業(yè)生就業(yè)情況以及用人單位對計(jì)算機(jī)專業(yè)人才評價(jià)的問卷調(diào)查顯示，90.5%的在校計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生認(rèn)為，所學(xué)習(xí)的專業(yè)內(nèi)容枯燥、抽象;86.7%的計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)生認(rèn)為，大學(xué)所學(xué)內(nèi)容與市場人才需求存在脫節(jié);83.9%的用人企業(yè)認(rèn)為，計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)生存在動(dòng)手能力差，對計(jì)算機(jī)新技術(shù)的掌握及運(yùn)用能力差;78.9%的用人單位認(rèn)為，計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)生競爭優(yōu)勢不大。在2012年3月至4月的專業(yè)實(shí)習(xí)中，由于實(shí)習(xí)單位不能提供計(jì)算機(jī)專業(yè)實(shí)習(xí)內(nèi)容，至使僅有30%的學(xué)生可以從事與計(jì)算機(jī)專業(yè)相關(guān)內(nèi)容的實(shí)習(xí)。

高師院校計(jì)算機(jī)專業(yè)正在遭遇學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣低下、逃學(xué)率增加、入學(xué)率減小、社會(huì)認(rèn)同度滑坡、就業(yè)狀況堪憂的局面。

2.非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生教育現(xiàn)狀

隨著信息技術(shù)在中小學(xué)的普及，許多新進(jìn)校的大學(xué)生已經(jīng)具備一定的計(jì)算機(jī)操作技能，現(xiàn)有許多大學(xué)開設(shè)的非計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算機(jī)入門課程“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”的教學(xué)內(nèi)容對許多新生來說已不在陌生，甚至早已掌握。現(xiàn)行非專業(yè)學(xué)生所學(xué)習(xí)的“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”課程教學(xué)內(nèi)容主要包括:計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(設(shè)及計(jì)算機(jī)發(fā)展史、計(jì)算機(jī)硬件組成及性能指標(biāo)、計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)及層次結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)常用外部設(shè)備工作原理及特性、進(jìn)制及進(jìn)制轉(zhuǎn)換、字符及漢字編碼、計(jì)算機(jī)病毒等)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)(設(shè)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展簡史、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概念、數(shù)據(jù)傳輸方式或傳輸介質(zhì)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、Internet概述、網(wǎng)絡(luò)接入方式等)、Microsoft Office軟件(Word、Excel、PowerPoint)操作。這些在中小學(xué)信息課程中不同程度學(xué)習(xí)過的內(nèi)容，到大學(xué)繼續(xù)學(xué)習(xí)會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生厭學(xué)及抵觸情緒，逃學(xué)、上課不聽講、作業(yè)抄襲等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，教學(xué)效果不理想。

五、當(dāng)前師范院校計(jì)算機(jī)教育面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

1.計(jì)算機(jī)科學(xué)由前沿高端向基礎(chǔ)普及轉(zhuǎn)型可以發(fā)揮高師院校的優(yōu)勢

“計(jì)算思維”的提出，使得計(jì)算機(jī)教育從“工具”教學(xué)向“思維”能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，成為與“讀、寫、算”(簡稱3R)能力一樣的人必須具備的思維能力。高師院校在科研環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入、實(shí)習(xí)基地建設(shè)等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及以科研為主的高校，但卻擁有一批教育理論扎實(shí)的師資隊(duì)伍，如何使用合適的教法培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”能力相對于其他類型的高校有優(yōu)勢，但如何讓教師先行具有“計(jì)算思維”的觀念和能力、如何改革現(xiàn)行教材內(nèi)容將是高師院校將面對的難題。

2.中小學(xué)將足夠重視計(jì)算機(jī)教學(xué)，高師院校將打開就業(yè)局面

各中小學(xué)為了提高升學(xué)率，對于信息技術(shù)課程沒有足夠的重視，信息技術(shù)課程課時(shí)少、教學(xué)設(shè)備匱乏、課程評價(jià)體系不健全，以至一些學(xué)校的信息技術(shù)課程常被語文、數(shù)學(xué)等課程占用，信息技術(shù)課沒有專職教師、高師院校無法在中小學(xué)正常開展教育實(shí)習(xí)等問題出現(xiàn)。計(jì)算思維可能是未來人類的一種與讀、寫、算類似的基本能力，其培養(yǎng)僅靠大學(xué)期間幾門課的學(xué)習(xí)是難以完成的，應(yīng)該從中小學(xué)生抓起，這就會(huì)涉及到當(dāng)前中小學(xué)信息技術(shù)教育內(nèi)容的改革與師資水平的提高。這無疑給高師院校計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)生提供了更多的就業(yè)空間，但如何對在校師范生開展計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，并讓他們可以將這樣的能力傳播給中小學(xué)生，這些都給高師院校提出了挑戰(zhàn)。

［1］王飛躍.從計(jì)算思維到計(jì)算文化［J］.中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2007，3 (11):117－124.

［2］Jeannette M.Wing.Computational Thinking［J］.Communications of the ACM，2006，49(3).

［3］陳國良，董榮勝.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育［J］.大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)，2010，(1):7－11.

［4］美國國家科學(xué)基金CPATH 計(jì)劃2009年項(xiàng)目申報(bào)說明［EB/OL］.

［5］美國國家科學(xué)基金CDI計(jì)劃官方網(wǎng)站［EB/OL］.

［6］中國科學(xué)院信息領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組.中國至2050年信息科技發(fā)展路線圖［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［7］孫家廣.計(jì)算機(jī)科學(xué)的變革［J］.中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2009，5(2).

［8］劉克.主題報(bào)告和分組報(bào)告評述［J］.中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2009，5 (2).

［9］徐志偉.21世紀(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究熱點(diǎn)［J］.中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2009，5(2).

［10］九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2010，(9).

［11］李曉明，蔣宗禮，王志英，楊波，陳平.積極研究和推進(jìn)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)［J］.計(jì)算機(jī)教育，2012，(5).

［12］教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì).高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［13］何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2010，(9):5－9.