簡談計算機教學(xué)的計算思維教育理念

摘要：針對計算學(xué)科在跨學(xué)科領(lǐng)域的教學(xué)問題，分析計算學(xué)科的本質(zhì)、現(xiàn)狀及其在跨學(xué)科方面的應(yīng)用，結(jié)合參加國內(nèi)首次跨學(xué)科計算思維的學(xué)術(shù)活動的心得體會，闡述計算學(xué)科在跨學(xué)科計算思維方面的內(nèi)容、思路與方法。

關(guān)鍵詞：計算學(xué)科；跨學(xué)科；計算思維；創(chuàng)新思維能力；計算機教育

文章編號：1672-5913（2012）01-0014-04

中圖分類號：G642

2012年7月22-28日，北京大學(xué)李曉明教授主持了面向全國師資的一次傳播跨學(xué)科計算思維的課程培訓(xùn)活動。跨學(xué)科教育是社會發(fā)展的需要，是高效率人才培養(yǎng)的需要，計算思維是在課程整合和專業(yè)調(diào)整之上的一個更前衛(wèi)的全新理念。跨學(xué)科教育、計算思維是繼計算學(xué)科規(guī)范發(fā)展、專業(yè)內(nèi)涵建設(shè)、突出專業(yè)特色辦學(xué)后又一提升教育質(zhì)量的突破點。

1 計算學(xué)科的本質(zhì)

計算學(xué)科誕生于20世紀(jì)40年代初，它作為現(xiàn)代技術(shù)的標(biāo)志，已成為世界各國經(jīng)濟增長的主要動力，是現(xiàn)代科學(xué)體系的主要基石之一，計算機科學(xué)、量子力學(xué)、相對論、宇宙大爆炸模型、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、板塊構(gòu)造理論等六大科學(xué)一起確立了現(xiàn)代科學(xué)體系的基本結(jié)構(gòu)。

計算學(xué)科作為一門新興學(xué)科，以數(shù)學(xué)和電子科學(xué)為基礎(chǔ)，將理論和實踐相結(jié)合。學(xué)科發(fā)展的動力來自于科學(xué)理論和工程技術(shù)發(fā)展的驅(qū)動，具有自身發(fā)展的深度和廣度，尤其是應(yīng)用需求的牽引推動了學(xué)科持續(xù)高速的發(fā)展，并且具有很強的開放性、包容性和吸納性，其應(yīng)用廣泛普及且與其他學(xué)科相互滲透，呈現(xiàn)多學(xué)科的交叉和融合，跨學(xué)科、跨方向的創(chuàng)新與應(yīng)用形成計算學(xué)科發(fā)展的新形態(tài)，同時還具有促進(jìn)其他學(xué)科發(fā)展的作用。作為一門獨立的學(xué)科，計算機技術(shù)不但與數(shù)理化天地生等平行，而且逐漸演變成一種橫向的科學(xué)技術(shù)，并已經(jīng)成為如數(shù)學(xué)一樣的典型通用技術(shù)，兼具理科和工科的雙重特性。而從20世紀(jì)80年代開始，面對集成電路芯片設(shè)計的特約和深入研究所遇到的問題，人們開始認(rèn)識到學(xué)科需要走向深化和普適化。

1.1計算學(xué)科的問題與要求

目前計算機的教育和應(yīng)用存在一些嚴(yán)重的問題，如把計算機簡單地作為工具使用的“狹義工具論”，或持“計算機就是編程”的錯誤認(rèn)識。對計算學(xué)科認(rèn)識的淡化，不利于對計算機科學(xué)的核心思想與基礎(chǔ)概念的掌握，無法體驗計算的愉悅。從工具使用到初步編程、從零碎的知識掌握到系統(tǒng)級內(nèi)涵式設(shè)計、從跟蹤模仿到計算思維的養(yǎng)成，這些積累和應(yīng)用能很好地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新能力和獨立思考能力。將計算思維轉(zhuǎn)變成一種普適思維，即一切皆可計算，從物理世界模擬到人類社會模擬，再到智能活動，都是計算的某種形式，包括形式化、模型化描述和抽象思維與邏輯思維能力。

計算學(xué)科的能力除了交流、獲取知識、分析信息等基本能力，還包括程序設(shè)計與實現(xiàn)能力，算法設(shè)計與分析能力，系統(tǒng)分析、開發(fā)與應(yīng)用能力以及計算思維能力。計算學(xué)科不但強調(diào)信息的獲取、存儲、處理等，更強調(diào)與人類社會、健康、藝術(shù)、生物、能源、材料等領(lǐng)域的聯(lián)系。計算學(xué)科作為一門獨立學(xué)科的同時，也是一種典型的通用技術(shù)，并與各種學(xué)科建立廣泛的橫向關(guān)系，形成技術(shù)的多樣性、開放性和個性化特點。

1.2計算學(xué)科的機遇與發(fā)展

計算思維是當(dāng)計算機、信息技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛滲入人類社會生產(chǎn)、生活的各個角落時，人類群體、高度互聯(lián)關(guān)系與市場行為帶來的效應(yīng)機制下的一種思維，是一種普適化思維，屬于每個人的基本技能。計算機的普及恰恰正向作用于計算思維的傳播，正如印刷出版促進(jìn)了3R（閱讀、寫作和算術(shù)）的傳播一樣。計算思維是概念化思維，不是程序化思維；是人的思維，不是計算機的思維；是數(shù)學(xué)和工程應(yīng)用的思維，不是純數(shù)學(xué)性的思維；是面向所有人的而不是僅僅屬于計算機專家的思維；是面向強調(diào)一切皆可計算，如物理世界、人類社會、智能活動。計算思維體現(xiàn)計算學(xué)科的廣度，在與其他學(xué)科進(jìn)行交叉和融合時，很好地促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科的深入發(fā)展。

北京大學(xué)李曉明教授首次在全國范圍傳播的跨學(xué)科計算思維的課程培訓(xùn)活動，引起了較大的反響。培訓(xùn)內(nèi)容以李曉明教授近年精心翻譯的《網(wǎng)絡(luò)、群體與市場》一書為主，這本書體現(xiàn)了計算科學(xué)與社會科學(xué)相互結(jié)合，該思想誕生于康奈爾大學(xué)，課程內(nèi)容產(chǎn)生于康奈爾大學(xué)專題項目的討論，已在麻省理工學(xué)院、密歇根州立大學(xué)、多倫多大學(xué)、西北大學(xué)、斯坦福大學(xué)、馬里蘭大學(xué)、南加州大學(xué)、卡爾頓大學(xué)、卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)等采用與傳播。對李曉明教授在國內(nèi)首倡的跨學(xué)科計算思維，大家抱有很高的期待，從年初就不斷聯(lián)系、醞釀和準(zhǔn)備，最后來自全國35所高校的38位老師有幸參加了此次培訓(xùn)，地域涵蓋東北、華北、華中、華東、西南、華南等地。在此次交流和培訓(xùn)中，學(xué)員們通過6天時間系統(tǒng)學(xué)習(xí)了《網(wǎng)絡(luò)、群體與市場》這本500多頁的書，并進(jìn)行了廣泛的探討和交流，以期開出相關(guān)課程，或者將有關(guān)內(nèi)容引入到計算概論之類的課程中去，或開展專題性講座。

作為教育部“2012高等學(xué)校青年骨干教師高級研修班”的這些首次跨學(xué)科計算思維課程的學(xué)員，在“教育部高等學(xué)校計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會”、“中國計算機學(xué)會教育專委會”、“全國高等學(xué)校計算機教育研究會”三家機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起的“跨學(xué)科課程培訓(xùn)班——網(wǎng)絡(luò)、群體與市場”授權(quán)書上簽名，如圖1所示。來自全國“985”、“211”、“三本”、地方院校、軍隊院校的“自愿者”及具有計算學(xué)科精神的計算思維者領(lǐng)會了李曉明教授的跨學(xué)科計算思維的實質(zhì)。李曉明教授用他的計算學(xué)科學(xué)識功底和教育的眼界與前瞻性，引領(lǐng)學(xué)員進(jìn)入計算思維的殿堂。我們有責(zé)任在各自的工作崗位上普及和傳播相關(guān)內(nèi)容和思想，加入計算學(xué)科教育改革的行列中，“星星之火”必然燎原。

2 跨學(xué)科活動介紹

2.1跨學(xué)科的培訓(xùn)內(nèi)容

學(xué)員從圖論研究的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型、博弈論關(guān)于個體行為的模型開始學(xué)習(xí)，討論網(wǎng)絡(luò)中的市場與策略性互動、信息網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)下的社會人群效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)，以及引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)和策略行為力量的制度設(shè)計并產(chǎn)生全局性結(jié)論和機制。通過一些例子、現(xiàn)象和原理，分析網(wǎng)絡(luò)、行為和群體層次動力學(xué)問題，涉及對數(shù)學(xué)模型的提煉和推理，對模型定性的認(rèn)識及其內(nèi)涵的探究，這一深入探究過程借助網(wǎng)絡(luò)觀念建立一種用來研究社會動力學(xué)和經(jīng)濟行為學(xué)的相互作用、在線信息、設(shè)計技術(shù)和自然過程的方式，并體現(xiàn)從對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式及豐富的反饋效應(yīng)研究復(fù)雜系統(tǒng)的全新視角。

培訓(xùn)內(nèi)容跨度寬且富有內(nèi)涵，以圖論、概率論、網(wǎng)絡(luò)行為、博弈論為基礎(chǔ)，內(nèi)容包括社會網(wǎng)絡(luò)的分析、博弈論及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)中的市場與策略互動、信息網(wǎng)絡(luò)分析、網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)的總體模型與結(jié)構(gòu)模型、制度與聚合行為，如圖2所示。

從一些網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的社會現(xiàn)象、經(jīng)濟現(xiàn)象、人類行為現(xiàn)象等人手，分析其內(nèi)在本質(zhì)，并給出數(shù)學(xué)的量化模型，求解并分析現(xiàn)象背后的實質(zhì)，用計算的思路分析諸如物以類聚、博弈行為、軍備競賽、網(wǎng)絡(luò)均衡、拍賣、清倉、排行榜、中間商、六度分隔、隨大流、富者更富、賽馬、集體行為、投票打分、長尾營銷等現(xiàn)象，從而引導(dǎo)和建立一定的計算思維能力。以李曉明教授系統(tǒng)地講解為主，穿插部分學(xué)員的試講和交流，圍繞若干主題，包括圖論、強弱聯(lián)系、正負(fù)關(guān)系下的結(jié)構(gòu)平衡、同質(zhì)與歸屬、最佳應(yīng)對、納什均衡、混合策略、帕累托最優(yōu)、動態(tài)博弈、進(jìn)化博弈與穩(wěn)定策略、進(jìn)化穩(wěn)定混合策略、布雷斯悖論、拍賣、市場匹配、中介下的市場網(wǎng)絡(luò)模型、議價、萬維網(wǎng)領(lǐng)結(jié)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)頁排名、商業(yè)搜索匹配市場、信息級聯(lián)、網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)、冪律與“長尾”、小世界現(xiàn)象、流行病學(xué)、市場與信息、表決與產(chǎn)權(quán)等，真正體驗了跨學(xué)科計算思維的樂趣和真諦。

2.2跨學(xué)科學(xué)習(xí)的收獲

通過學(xué)習(xí)跨學(xué)科計算思維，我們體會到要以計算的視角，運用圖論、概率論、博弈論、網(wǎng)絡(luò)等知識，科學(xué)分析各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的市場與策略性互動、信息網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)下的社會人群效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)，以及引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)和策略行為力量的制度設(shè)計并產(chǎn)生全局性效果。尤其通過各種現(xiàn)象，如議價、拍賣、流行、表決、博彩、集體行動、鏈接、清倉、流量等，構(gòu)建模型分析各種關(guān)系和策略，揭示內(nèi)在的效應(yīng)機制，獲得對問題或現(xiàn)象本質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識。從日常交流和課程博客來看，大家在一周寶貴的學(xué)習(xí)時間里，對跨學(xué)科計算思維有了初步認(rèn)識，參加此次培訓(xùn)的各位老師都表示啟發(fā)很大、收獲頗豐、不枉此行。

3 結(jié)語

教育是最難的一件事，將以往“教科書導(dǎo)向的應(yīng)試教育”轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜻m應(yīng)21世紀(jì)的知識與創(chuàng)造過程的“問題導(dǎo)向的跨學(xué)科教育”，是我們教育工作者應(yīng)該深入研究的課題。問題導(dǎo)向的跨學(xué)科計算思維的教育具有前瞻性、先導(dǎo)性和探索性，它把計算學(xué)科從知識教育提升到創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)，從計算學(xué)科的理論、抽象和設(shè)計拓展到真正的通識教育和跨學(xué)科教育，用科學(xué)的視角分析人類社會、經(jīng)濟行為、市場等，并鞏固計算學(xué)科在現(xiàn)代教育領(lǐng)域的基礎(chǔ)作用，促進(jìn)了學(xué)科的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)以及專業(yè)應(yīng)用的拓寬與發(fā)展。

（編輯：彭遠(yuǎn)紅）