摘要：本文通過分析科學(xué)、技術(shù)、工程與計(jì)算機(jī)學(xué)科的關(guān)系，闡述計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)工程活動中的作用，并提出了CDIO教學(xué)模式。該模式以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的方式讓學(xué)生經(jīng)歷計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐活動，是一種適合中小學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；工程教育；CDIO；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）10-0027-04

計(jì)算思維是一種理性的思維，理性的思維一定是解決問題的思維。經(jīng)歷解決問題的過程，是培養(yǎng)計(jì)算思維的一種途徑。因此，有必要對其進(jìn)行研究，通常用計(jì)算思維解決的問題是一種怎樣的問題？是科學(xué)問題、技術(shù)問題還是工程問題？清楚這些問題，有助于建立有效的計(jì)算思維培養(yǎng)路徑。

科學(xué)、技術(shù)、工程與計(jì)算機(jī)學(xué)科

科學(xué)、技術(shù)與工程是人類三種不同的社會實(shí)踐活動。大眾對科學(xué)的理解往往是一種價值判斷，通常認(rèn)為科學(xué)的就是正確的、合理的、高級的，如科學(xué)態(tài)度、科學(xué)決策、科學(xué)方法等。其實(shí)，科學(xué)的本意是反映自然、社會、思維等客觀規(guī)律的知識體系，科學(xué)活動就是不斷探索自然、社會、思維等領(lǐng)域的客觀規(guī)律。例如，牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律是反映物體之間存在相互吸引力的定律，運(yùn)用該定律可以解釋太陽系中行星、衛(wèi)星等天體的運(yùn)動規(guī)律，這是有關(guān)物理的自然科學(xué)?？梢?，科學(xué)活動是以探索、發(fā)現(xiàn)為中心展開的，以求理為本質(zhì)特征，其成果是科學(xué)概念、科學(xué)理論等，是全人類的共同精神財(cái)富。

如果說科學(xué)活動是解決“是什么”或“為什么”的問題，那么技術(shù)活動就是解決“怎么做”的問題?？茖W(xué)在于發(fā)現(xiàn)，技術(shù)在于發(fā)明。技術(shù)活動是以發(fā)明為中心的，以求用為本質(zhì)特征。技術(shù)活動成果的主要形式是技術(shù)方法、發(fā)明專利等，其在一定時期或范圍內(nèi)是具有知識產(chǎn)權(quán)或具有獨(dú)占權(quán)的專有知識。

如果說科學(xué)問題來源于人類，特別是科學(xué)家對自然奧秘的好奇心，那么，工程問題也是來源于人類，主要是大眾的現(xiàn)實(shí)需求。例如，建造長江大橋或過江隧道，就是為了解決兩地人員通勤問題，并使物流便捷。因此，工程活動是一種構(gòu)建新的存在物的實(shí)踐，以求物為本質(zhì)特征，以造物為中心展開，工程活動的成果則是直接表現(xiàn)為特定的產(chǎn)品和設(shè)施。

計(jì)算機(jī)學(xué)科涉及科學(xué)與技術(shù)，是研究計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息獲取、表示、存儲、處理、控制等的理論、原則、方法和技術(shù)的學(xué)科。計(jì)算機(jī)科學(xué)側(cè)重于研究現(xiàn)象、揭示規(guī)律；計(jì)算機(jī)技術(shù)側(cè)重于研制計(jì)算機(jī)和研究使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理的方法與技術(shù)手段。計(jì)算機(jī)學(xué)科還是一門科學(xué)性與工程性并重的學(xué)科，表現(xiàn)為理論性和實(shí)踐性緊密結(jié)合的特征。

長期以來，國內(nèi)外學(xué)者一直對計(jì)算機(jī)學(xué)科屬于科學(xué)還是工程的范疇這一問題存在著爭議。1985年由美國ACM組織專家對此進(jìn)行研究，得出的結(jié)論是：計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)工程之間沒有本質(zhì)區(qū)別。計(jì)算機(jī)學(xué)科研究的核心問題是能行性問題，能行性問題貫穿于整個學(xué)科，包括硬件和軟件在內(nèi)的理論、方法、技術(shù)的研究，以及各種應(yīng)用開發(fā)。代表計(jì)算機(jī)科學(xué)各分支學(xué)科的基礎(chǔ)理論與代表計(jì)算機(jī)工程各分支學(xué)科的工程技術(shù)常常既有理論特征，又有技術(shù)特征，也有工程特征。本質(zhì)上，它們都是從不同的角度和層面對各種問題的能行性及其求解方法和過程的描述。

工程、工程思維與計(jì)算

思維

計(jì)算機(jī)學(xué)科涉及科學(xué)、技術(shù)與工程，計(jì)算思維作為一種計(jì)算機(jī)學(xué)科思維，針對科學(xué)、技術(shù)、工程的特征，應(yīng)該兼而有之。研究計(jì)算思維與工程的關(guān)系，對于中小學(xué)計(jì)算思維教育有獨(dú)特的價值。

工程是人類為滿足生存和發(fā)展需要而進(jìn)行的改變自然狀態(tài)的活動，工程活動是很常見的社會活動和社會現(xiàn)象。工程活動中有思維活動滲透和貫穿其中，工程活動中的思維活動可稱為工程思維，工程思維是運(yùn)用各種知識解決工程實(shí)踐問題的核心。計(jì)算機(jī)學(xué)科的工程性決定了計(jì)算思維與工程思維具有相通性。

第一，工程活動是造物活動，因此工程思維是一種價值導(dǎo)向思維。工程思維的基本任務(wù)和核心目的是創(chuàng)造作品并創(chuàng)造價值，就是把工程設(shè)計(jì)時的想象結(jié)果通過工程實(shí)踐活動而建造為現(xiàn)實(shí)世界中的人造物品。相類似，計(jì)算作品是計(jì)算機(jī)工程活動的成果，計(jì)算作品可以是軟件作品，也可以是硬件作品，或者是軟硬件組合的系統(tǒng)。計(jì)算思維指導(dǎo)計(jì)算作品的制作，并通過作品的自動化功能體現(xiàn)價值。

第二，工程活動的實(shí)施首先需要在紛繁的環(huán)境中把握事物發(fā)展趨勢，規(guī)劃方案，清晰設(shè)定可操作的步驟。工程思維是一種籌劃性思維，且具有先思性特征。先思性體現(xiàn)在工程活動的構(gòu)思與設(shè)計(jì)之中，或采用順向思考，或采用逆向思維，或采用融合思維，謀思規(guī)劃，預(yù)測結(jié)果。計(jì)算思維也有同樣的特征，用于指導(dǎo)構(gòu)造自動化實(shí)現(xiàn)的執(zhí)行步驟，先于造物計(jì)算作品的產(chǎn)生在大腦中運(yùn)行作品的計(jì)算過程。

第三，工程活動涉及的知識有明言性的，也有意會性的。明言性知識可以用一定的符碼系統(tǒng)完整清晰地表述并在個體之間傳播，容易在常規(guī)的學(xué)習(xí)過程中獲取。意會性知識與技能由于其難以用語言符號表述，需要在工程活動中體驗(yàn)與領(lǐng)悟。計(jì)算思維不等同于計(jì)算機(jī)學(xué)科知識，計(jì)算思維的形成也不是能夠依靠死記硬背方法來實(shí)現(xiàn)，而是需要采用發(fā)現(xiàn)式、啟發(fā)式的教學(xué)方法，通過個體經(jīng)歷計(jì)算作品的構(gòu)造過程來領(lǐng)悟。

第四，在工程活動中，工程決策是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。工程活動的實(shí)踐方法和路徑往往不是唯一的，需要運(yùn)用工程決策基于已有的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)水平對工程可行性以及價值性作出判斷。在解決計(jì)算問題的過程中，同樣需要作出決策，以判斷問題解決的能行性、實(shí)施方案的優(yōu)劣，并在計(jì)算作品運(yùn)行中對實(shí)施方案作出評價。

第五，工程問題都是基于真實(shí)世界的現(xiàn)實(shí)問題提出的，涉及的領(lǐng)域是綜合性的。項(xiàng)目是工程活動的基本單位，經(jīng)歷工程活動的完整過程就是經(jīng)歷一個工程項(xiàng)目從規(guī)劃實(shí)施到運(yùn)行的全過程。映射到中小學(xué)工程教育，跨學(xué)科和項(xiàng)目化是工程教育實(shí)施的兩大特征。計(jì)算思維教育的落實(shí)，同樣也需要經(jīng)歷真實(shí)問題的解決，也會具有跨學(xué)科和項(xiàng)目化的特征。

工程教育、CDIO教學(xué)模式與計(jì)算思維教育

思維能力的培養(yǎng)不是一件容易的事情，需要正確認(rèn)識、遵循與順應(yīng)思維能力培養(yǎng)的規(guī)律。由于思維現(xiàn)象非常復(fù)雜，現(xiàn)實(shí)的思維活動不可能是純而又純的某種單一類型的思維，必然表現(xiàn)為不同類型思維的結(jié)合或融合。但這種融合現(xiàn)象不妨礙人們承認(rèn)存在不同類型的思維方式，也不妨礙可以對特定思維類型的思維方式進(jìn)行單獨(dú)研究。對于不同的思維方式來說，由于它們有不同的本性和特征，它們的培養(yǎng)規(guī)律也不相同。

對計(jì)算思維的培養(yǎng)，可以借鑒工程教育的實(shí)施模式，這是因?yàn)椋阂环矫嬗?jì)算思維具有工程活動和工程思維的特征；另一方面，對于中小學(xué)生而言，要掌握計(jì)算機(jī)學(xué)科的科學(xué)理論是有難度的。因此，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)者已有的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，運(yùn)用成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)，工程化地實(shí)現(xiàn)計(jì)算作品，經(jīng)歷計(jì)算活動的全過程，是一種值得嘗試的、可行的計(jì)算思維養(yǎng)成路徑。

在傳統(tǒng)的觀念中，工程教育一直是高等教育或職業(yè)教育關(guān)注的熱點(diǎn)，開展工程教育旨在培養(yǎng)符合工程建設(shè)需要的專業(yè)人才。在中小學(xué)開展工程教育，雖然不是以工程人才培養(yǎng)為直接目標(biāo)，但對于發(fā)展中小學(xué)生的工程素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生理解工程過程和工程本質(zhì)、掌握工程知識與工程技能、學(xué)會工程思維、知曉工程倫理，特別是在培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力等方面具有積極的作用。

20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，工程教育改革在世界范圍內(nèi)興起，美國麻省理工學(xué)院（MIT）聯(lián)合學(xué)界、業(yè)界，研究并發(fā)表了CDIO能力大綱和CDIO課程標(biāo)準(zhǔn)。CDIO代表了實(shí)現(xiàn)工程產(chǎn)品的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)行（Operate）四個階段：在構(gòu)思階段，定義需求與技術(shù)，將產(chǎn)品全生命周期的開發(fā)與運(yùn)用作為教學(xué)背景，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)；在設(shè)計(jì)階段，描述將要被實(shí)現(xiàn)的計(jì)劃、方案和運(yùn)算法則；在實(shí)施階段，把設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為真實(shí)的產(chǎn)品；在運(yùn)行階段，對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化升級。作為工程教育的實(shí)施，CDIO教學(xué)模式依托真實(shí)的工程實(shí)踐環(huán)境，指導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷產(chǎn)品生命周期的“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)行”四個階段，鞏固學(xué)科知識，培養(yǎng)工程思維能力和工程實(shí)施能力。

計(jì)算思維指導(dǎo)學(xué)生計(jì)算作品的工程化制造，同樣需要經(jīng)歷產(chǎn)品生命周期的“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)行”四階段。計(jì)算思維的方法路徑即“抽象-形式化表達(dá)-構(gòu)造-自動化”四步驟就天然地與工程活動的“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)行”四階段相吻合：在構(gòu)思階段，運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科的思想方法分析問題，對其目標(biāo)、性質(zhì)、狀態(tài)及其變化過程或規(guī)律進(jìn)行抽象；在設(shè)計(jì)階段，描述問題解決的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方法步驟，形成以符號化為特征的形式化表達(dá)；在實(shí)施階段，實(shí)現(xiàn)計(jì)算作品各組件的物理連接或程序編寫，完成計(jì)算作品的構(gòu)造；在運(yùn)行階段，運(yùn)行計(jì)算作品，體驗(yàn)自動化，評估系統(tǒng)功能與性能，提出改進(jìn)方案。

采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生經(jīng)歷計(jì)算作品制作過程的計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)實(shí)施流程如下圖所示。

啟示

由上述分析可知，科學(xué)是對未知世界的發(fā)現(xiàn)、理解和認(rèn)識，技術(shù)是人們改造世界的各種可能的方法、技巧和工具?？茖W(xué)活動是反映客觀存在，技術(shù)活動是探尋變革存在的具體方法，而工程活動是創(chuàng)造存在和超越存在?？茖W(xué)原理為技術(shù)和工程提供了必要的理論基礎(chǔ)、實(shí)施原則和方法，使得技術(shù)發(fā)明和工程實(shí)現(xiàn)更為有效，同時，技術(shù)和工程的發(fā)展也促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展。

科學(xué)、技術(shù)、工程三類活動都是人類認(rèn)識世界改造世界的社會活動，各有獨(dú)特的社會功能，不存在某項(xiàng)活動一定比其他活動更重要或更高級。計(jì)算思維的培養(yǎng)，是應(yīng)該側(cè)重計(jì)算機(jī)科學(xué)理論，還是側(cè)重計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐，需要作具體考慮。計(jì)算機(jī)學(xué)科有著“高要求準(zhǔn)入，低門檻應(yīng)用”的特征，即深入學(xué)科、理解其學(xué)科原理有著較高的學(xué)科基礎(chǔ)與認(rèn)知要求，而其應(yīng)用技術(shù)相對比較容易被大眾所掌握。因此，針對中小學(xué)生，倡導(dǎo)“輕理論、重實(shí)踐”，不盲目追求計(jì)算機(jī)科學(xué)理論的學(xué)習(xí)，研究如何發(fā)揮他們已具備的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及其他學(xué)科理論基礎(chǔ)，如何運(yùn)用他們?nèi)菀渍莆盏挠?jì)算機(jī)技術(shù)，如何經(jīng)歷他們能夠理解與實(shí)施的計(jì)算機(jī)工程制造實(shí)踐，都是計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐中需要不斷探索的具體問題?；趥€體經(jīng)歷計(jì)算作品工程化制作全過程的計(jì)算思維培養(yǎng)路徑，可以推論計(jì)算作品的重要性。計(jì)算作品，如編制的應(yīng)用程序，其教育作用不能只局限于對設(shè)計(jì)階段的驗(yàn)證，而應(yīng)是個體對自動化的體驗(yàn)、理解并升華為思維能力的重要介質(zhì)。只有產(chǎn)生了計(jì)算作品，個體才完成了從構(gòu)思到運(yùn)行的CDIO教學(xué)模式全過程，也經(jīng)歷了從抽象到自動化的計(jì)算思維方法運(yùn)用的路徑。CDIO教學(xué)模式不只是局限于“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)行”四環(huán)節(jié)，MIT團(tuán)隊(duì)提出的CDIO課程大綱主要目標(biāo)是建構(gòu)一套能夠被業(yè)界和學(xué)界普遍認(rèn)可的未來工程師必備的知識、經(jīng)驗(yàn)和價值觀體系，包括工程師必備的技術(shù)知識與推理、個人職業(yè)技能、人際交往能力以及系統(tǒng)建構(gòu)能力。CDIO教學(xué)模式除了對中小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)的課程體系建設(shè)有啟示作用，還會對中小學(xué)有效開展工程教育發(fā)揮作用。

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