吳雅娟，申靜波

（東北石油大學(xué) 計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

計算機(jī)通識教育中培養(yǎng)計算思維能力的價值探索

吳雅娟，申靜波

（東北石油大學(xué) 計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

計算思維越來越受到國內(nèi)外計算機(jī)教育界的重視，本文引用計算思維的系統(tǒng)定義，從科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)的角度論述了培養(yǎng)學(xué)生計算思維的價值體現(xiàn)，以及在計算機(jī)通識教育課程中培養(yǎng)計算思維的價值及實施思路和方法。

計算思維；通識教育；計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)

一、計算思維提出的意義

計算思維和計算問題關(guān)系密切，美國在2005年6月，通過一份報告《計算科學(xué)：確保美國競爭力》中明確闡述了計算科學(xué)的重要性，提出計算科學(xué)中的先進(jìn)技術(shù)可以在經(jīng)濟(jì)以及其他的前沿研究中發(fā)揮重要作用[1]，21世紀(jì)科學(xué)研究中的難題可以通過計算找到相應(yīng)的解決辦法。2007年美國科學(xué)基金會啟動了“大學(xué)計算教育振興的途徑”計劃，投入巨資進(jìn)行美國計算教育的改革。美國政府開始實行CPATH計劃進(jìn)一步宣傳了計算思維在社會生活各領(lǐng)域以及人才培養(yǎng)中的重要作用，在高等教育中提出了具體的以計算思維能力培養(yǎng)為核心的課程改革[2，3]。2008年，美國麻省理工學(xué)院還向全球開放公開課程《計算科學(xué)與編程導(dǎo)論》，重點講解計算思維訓(xùn)練，讓全球的讀者都可以自由免費學(xué)習(xí)計算思維的本質(zhì)。

在我國近幾年也有越來越多的學(xué)者和機(jī)構(gòu)開始認(rèn)識到計算思維的重要性，并開展了相關(guān)的研究。全國高等教育學(xué)校2008年中國計算機(jī)教育研究會在召開了“計算思維與計算機(jī)導(dǎo)論”專題學(xué)術(shù)研討會，探討了在中國高等學(xué)校中開展計算思維能力培養(yǎng)的研究。2010年7月，中國的“常青藤”學(xué)校發(fā)表了《九校聯(lián)盟（C9）計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，提出計算機(jī)基礎(chǔ)課程應(yīng)該以計算思維為核心[4]。

新生的事物出現(xiàn)還是需要一個普及的過程，目前多數(shù)高校教師對于計算思維價值的認(rèn)識和重視程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此培養(yǎng)計算思維的實踐也甚少。針對這個問題本文探討計算思維在科學(xué)研究、哲學(xué)方法論以及人才培養(yǎng)等方面的價值，提出在計算機(jī)通識教育中培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的教學(xué)改革措施，使非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生像具備讀、寫、算能力一樣，具備計算思維的普適能力。

二、計算思維的定義及解讀

2006年周以真教授的《Computational Thinking》給出了計算思維系統(tǒng)定義，在國際上被廣泛認(rèn)同。計算思維涉及運用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去解問題、設(shè)計系統(tǒng)并理解人類行為。計算思維涵蓋反映了計算機(jī)科學(xué)之廣泛性的一系列思維活動。強(qiáng)調(diào)計算思維是所有人必需具備的基本技能，在閱讀、寫作及算術(shù)之外，應(yīng)將計算思維添加到每個孩子解析能力之中。周以真從多個角度給出了計算思維的細(xì)致描述[5]。具備計算思維能力，是在信息化社會中創(chuàng)新的需要。各領(lǐng)域中的科學(xué)研究都需要有高效思維的正確引導(dǎo)，要培養(yǎng)出具有創(chuàng)造性的人才，我們在思想方法上就必須重視思維能力的培養(yǎng)，讓學(xué)習(xí)者運用高效的思維去思考。

三、計算思維對于科技創(chuàng)新的價值

對應(yīng)于自然科學(xué)領(lǐng)域的理論、實驗和計算三大科學(xué)的方法，同樣有三大科學(xué)的思維：理論思維、計算思維和實驗思維。計算創(chuàng)新在人類科技發(fā)展史上占有異常重要的地位，歷史上有多位科學(xué)家因為在計算方面的成就而獲得了諾貝爾獎。1982年的物理學(xué)獎和化學(xué)獎都是計算技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，證明科學(xué)計算在科學(xué)方法論中的重要地位。1985年得主豪普曼就憑借X光晶體結(jié)構(gòu)分析的方法摘得當(dāng)年的諾貝爾化學(xué)獎，同樣，1998年科恩與波普爾也是因為將計算量子化學(xué)方法獲得了大獎。

人類歷史上的許多重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)也與計算思維有關(guān)。19世紀(jì)海王星的發(fā)現(xiàn)就是通過計算得來的，在20世紀(jì)愛因斯坦的廣義相對論開創(chuàng)物理學(xué)的新紀(jì)元，充分體現(xiàn)計算思維對于科學(xué)史的貢獻(xiàn)。前人未能證明的“四色定理”也通過計算機(jī)的數(shù)值計算得到了證明。

中國著名的“華—王方法”，有限元方法，及“吳方法”，也都是和計算相關(guān)的重大的科學(xué)創(chuàng)新[6]。

很多科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程充分說明了計算思維在科技創(chuàng)新中的重要價值。

四、計算思維的哲學(xué)價值

計算機(jī)科學(xué)家、圖靈獎獲得者Edsger Dijkstra曾說：我們使用的工具影響著我們的思維方式及習(xí)慣，從而也將影響我們的思維力。思維的方式、方法是人類認(rèn)識論研究的一項重要內(nèi)容，恩格斯說過：每一時代的理論思維，包括我們時代的理論思維，都是一種歷史的產(chǎn)物，在不同的時代具有不同的形式，并因而具有不同的內(nèi)容。所以，有關(guān)于思維的科學(xué)，和其他的任何科學(xué)是一樣，是一種歷史科學(xué)，是關(guān)于人的思維的歷史發(fā)展的科學(xué)[7]。

五、計算機(jī)的計算思維對于人才的培養(yǎng)價值

人才對于國家和企業(yè)的重要性是不言而喻的，高等學(xué)校的首要任務(wù)就是為國家培養(yǎng)合格的人才。衡量人才質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)有多種多樣，最重要的是解決實際問題的創(chuàng)新能力，而在計算機(jī)普及的現(xiàn)代社會中，利用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題和設(shè)計系統(tǒng)的計算思維能力就顯得非常重要了?，F(xiàn)代的合格人才應(yīng)該是能充分利用計算機(jī)的優(yōu)越性能高效地解決實際問題，能根據(jù)實際問題的規(guī)模選擇合適的計算環(huán)境和算法，這就是計算思維能力的具體體現(xiàn)了。現(xiàn)實社會中的問題用人工解決還是計算機(jī)輔助解決，即不同的計算環(huán)境采取的思路是有很大不同的；同樣用計算機(jī)輔助求解問題，問題的復(fù)雜程度不同，采用的算法也是截然不同的。因此面對問題解決的思路和效果就和決策人的計算思維相關(guān)了。計算思維不是獨立存在的，是融合在一個人的整體素質(zhì)中的，但是在高校的培養(yǎng)方案和課程設(shè)置中卻可以特別強(qiáng)調(diào)計算思維能力的培養(yǎng)，確保提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，而計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)對此責(zé)無旁貸。

六、計算機(jī)通識教育課程中培養(yǎng)計算思維

計算思維本質(zhì)上是一種利用計算機(jī)去解決問題的思維方式，是基于不同計算環(huán)境的問題求解，而這和計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)相吻合。計算機(jī)基礎(chǔ)課程作為各高校的通識教育課程，面向廣大的非計算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，不僅要擴(kuò)展學(xué)生的計算機(jī)方面的知識面，更重要的是展示計算機(jī)科學(xué)的思維方式。其核心目標(biāo)就是培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算機(jī)解決專業(yè)問題的能力，因此，在計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力是很順理成章的，也應(yīng)該作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，特別可以在大學(xué)的第一門計算機(jī)課程——《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課中著力培養(yǎng)計算思維。

目前由于對于《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課程的錯誤認(rèn)識，出現(xiàn)了“狹義工具論”的說法，甚至有人質(zhì)疑《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課程開設(shè)的必要性。問題的產(chǎn)生可能是因為多數(shù)《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課程的教學(xué)內(nèi)容偏重知識的介紹和流行軟件的使用方法，僅注重實用而沒有提升到計算機(jī)科學(xué)的思維方式，即教學(xué)過程中僅將計算機(jī)作為一個普通的工具使用，而并沒有重視計算機(jī)科學(xué)本身自有的思想方法、方式，導(dǎo)致學(xué)生感覺不到新知識而失去學(xué)習(xí)的興趣。因此，在《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》以及其他計算機(jī)通識課程教學(xué)課程中加強(qiáng)計算思維能力的培養(yǎng)不僅關(guān)系到學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力，也關(guān)系到《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課程本身的出路，重新審視計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的定位，將計算思維能力培養(yǎng)作為計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，是一個明智的選擇。

計算機(jī)基礎(chǔ)課程群一般包括《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》、《程序設(shè)計》、《計算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)》和《計算方法》等，可以從多方面培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，包括涉及計算機(jī)基本原理的思維、應(yīng)用計算機(jī)的思維以及計算機(jī)和專業(yè)結(jié)合的思維等。從《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》中計算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成和存儲程序的思想讓學(xué)生了解二進(jìn)制的存儲、0和1的思維、程序代碼和機(jī)器指令的思維、程序設(shè)計語言的思維和計算機(jī)系統(tǒng)的思維等。從《程序設(shè)計》語言中可以培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于問題求解的算法的思維，例如問題約簡、細(xì)化和仿真的思維，遞歸和并行的思維、預(yù)防、保護(hù)和啟發(fā)式推理的思維，在時間和空間之間、處理能力和存儲能力之間尋求平衡的思維等。讓學(xué)生為解決問題而主動學(xué)習(xí)駕馭計算機(jī)硬件和軟件的方法，而不是為考試而被動學(xué)習(xí)。計算思維是人類求解問題的一條途徑，使人類更好地借助計算機(jī)發(fā)揮強(qiáng)大的計算能力去解決各種需要大量計算的問題。

計算思維的培養(yǎng)可以貫穿于教學(xué)活動的過程中，《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課程的基本教學(xué)內(nèi)容大部分可以保留，思維方式的培養(yǎng)可以滲透到每一教學(xué)環(huán)節(jié)中，例如課程實施中通過講解案例分析，讓學(xué)生感受思維方式對問題有效解決的影響，再通過實踐環(huán)節(jié)中問題的有效解決讓學(xué)生體驗計算的愉悅，培養(yǎng)學(xué)生將現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為可計算問題的思維習(xí)慣，訓(xùn)練學(xué)生針對問題規(guī)模選擇或發(fā)掘計算工具和算法的敏銳性，在教學(xué)過程和實踐過程培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

計算機(jī)基礎(chǔ)課程作為通識教育課程在培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)和能力方面應(yīng)該承擔(dān)更多的責(zé)任，特別應(yīng)充分發(fā)揮學(xué)科優(yōu)勢在培養(yǎng)學(xué)生綜合能力方面有所作為，更好地體現(xiàn)楊玉良所說的通識教育的特征：通識教育要同時傳遞科學(xué)精神和人文精神；要展現(xiàn)不同文化、不同學(xué)科的思維方式；要充分展示學(xué)術(shù)的魅力[8]。通識教育課程受眾面大，影響廣泛，認(rèn)真研究通識教育規(guī)律將對人才培養(yǎng)質(zhì)量有深入的影響。現(xiàn)在已有幾所高校針對計算思維能力做了對應(yīng)的培養(yǎng)，將大學(xué)生入學(xué)的第一門計算機(jī)基礎(chǔ)課《大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)》課程改名為《計算思維導(dǎo)論》，從內(nèi)容到形式都聚焦在計算思維上，明確的為基礎(chǔ)課程的改革做了示范。希望更多的高校能認(rèn)識到計算思維對于人才培養(yǎng)的價值，繼而在計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)及計算機(jī)通識教育中開展計算思維能力培養(yǎng)的實踐。

[1]President's Information Technology Advisory Committee. Computational Science：Ensuring America's Competitiveness [EB/OL].http：//www.nitrd.gov/pitac/reports/20050609 _computational/computational.pdf，June 2005.

[2]美國國家科學(xué)基金CPATH計劃2009年項目申報說明[EB/OL].http：//www.nsf.Gov/cise/funding/cpath_faq.jsp#1.

[3]美國國家科學(xué)基金CDI計劃官方網(wǎng)站[EB/OL].http：//www. nsf.gov/crssprgm/cdi/

[4]九校聯(lián)盟（C9）.計算機(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）.

[5]Jeannette M.Wing.Computational Thinking [J]. Communicationsofthe ACM.2006，49，（3）.

[6]朱亞宗.論計算思維[J].計算機(jī)科學(xué)，2009，（4）.

[7]恩格斯.自然辯證法[M].北京：人民出版社，1971.

[8]楊玉良.實施通識教育，培養(yǎng)未來社會中堅[Z].教育部直屬高校工作咨詢委員第二十次全體會議大會交流發(fā)言材料，2010.

G642.41

A

1674-9324（2014）40-0276-03

2013年黑龍江省高等教育教學(xué)改革項目（項目編號：JG2013010157）。

吳雅娟（1966-），女，黑龍江人，碩士，教授，研究方向為人工智能與計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)。