力網理論與大學生計算思維能力培養探討

陳曄 覃曉群

摘 ?要： 我國高校教育的持續改革，促使計算機基礎課程教學已不僅局限于軟件工具的開發使用，而逐步擴展到培養學生的計算思維能力。圍繞計算思維能力的培養，從研究層面闡述了“力網理論”與計算思維的關系，分析了計算思維的內涵與外延，提出了大學生計算思維能力的培養策略。

關鍵詞： 力網理論; 計算思維; 大學計算機基礎教育; 教育改革

中圖分類號：G4 ? ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2015）07-65-03

Power Network Theory and computational thinking ability training of college students

Chen Ye， Qin Xiaoqun

（Hunan Internation Economic University， College of information science and Engineering， Changsha， Hunan 410205， China）

Abstract： With the development of education reform in colleges and universities， basic computer courses teaching is not limited to develop and use of software tools， but gradually extended to cultivating computational thinking ability of students. This paper from the aspects of research in the "Power Network Theory and computational thinking"， with the analysis of the computational thinking extension， proposed the strategy of cultivation of college students' computational thinking ability.

Key words： Power Network Theory; computational thinking; college computer basic education; reform in education

0 引言

2006年3月，美國周以真（Jeannette M. Wing）教授提出了“計算思維”一詞后，迅速得到了國際學術界的廣泛認同和采納，很快成為當今國際計算機界廣為關注的一個重要概念同時也成為了計算機教育重點研究的課題。2010年11月，陳國良院士在第六屆大學計算機課程報告論壇上所作的報告中第一次正式提出了將“計算思維能力培養”作為計算機基礎課程教學改革切入點的倡議[1]。這一倡議迅速得到了國內計算機基礎教育工作者的響應，以培養學生計算思維能力為重點的高教改革在國內悄然興起，并收獲了大量研究成果。然而，計算思維從何而來，它究竟是一種什么樣的思維，它具有什么樣的原理和特征，如何在教學中培養計算思維等問題仍然沒有解決[2]。通過學習和研究，筆者認為，計算思維是一種創造性思維，通過對學生計算思維的培養，旨在培養學生了解世界，認識事物，認識自然的能力，從而開發學生的創造性思維，以期達到不斷創新的目的。

為了進一步理解計算思維之內涵，筆者通過學習“力網理論”，系統論，萬有引力定律、馬克思主義哲學、思維科學，事物普遍聯系原理等理論，進一步加深了對計算思維內涵及外延的認識。本文結合國情，探討培養學生計算思維能力的策略。

1 力網理論與計算思維

2012年，劉合群在《中國基礎科學》雜志發表了“宇宙力網理論的建立——對宇宙、人體、疾病新認知”的論文，提出了“萬物俱在網”的新概念。認為“存在即力，聯系即網”。有力就有網，力中有網，網中有力，力與網無法剝離，兩者夾揉渾然一體”。這也就是“力網理論”所闡釋的思想內涵[3]。牛頓萬有引力定律認為：“任意兩個質點通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的質量乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學本質或物理狀態以及中介物質無關”。即宇宙及宇宙間存在著萬有引力。從牛頓提出“萬有引力定律”開始，我們就認知到：事物只要存在，在客觀上力的作用就已經發生了。力雖然無形，但它卻在無形中作用著整個宇宙[3]。

用力網理論研究計算思維：計算即力，思維即網。計算不僅是數學的基礎技能，而且是整個自然科學的工具。其廣義的計算包括數學計算，邏輯推理，文法的產生式，集合論的函數，組合數學的置換，變量代換，圖形圖像的變換，數理統計等，還包括人工智能，問題求解，圖論的路徑問題，網絡安全，代數系統理論，上下文表示感知與推理，智能空間等，甚至包括數字系統設計，軟件程序設計，機器人設計，建筑設計等設計問題。計算既是人類適應自然、征服自然的基本技能，更是改造自然、促進社會發展的一種科學工具。然而，無論何種計算都存在著力，產生這種計算的思維就存在著網，這張思維的網聯系著計算的每一環節，滲透到計算的每個部署，使每一計算過程，每種計算方法環環相扣，步步相連，融會貫通。宇宙間的任何一種計算及其產生計算的思維之間都發生著聯系，這種聯系即構成了網。有計算就有思維，有力就有網，力中有網，網中有力，力網共生又共存，彼此無法分割。計算是一種技能、工具，是一種工作方式，稱力。思維是人體腦細胞對客觀現實所產生直接和間接的反映，它反映的是事物的本質和事物間規律性的聯系，稱網。計算思維也是一種力網關系。因此，計算思維可以用力網理論進行分析、研究。

2 計算思維的內涵外延

有關計算思維的定義云云種種：計算思維是計算機、軟件及計算機相關科學中的科學家和工程技術人員的思維模式;是運用計算科學的基礎概念進行問題求解，系統設計及人類行為理解等函蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。狹義的計算思維是指計算學科之計算思維，以面向計算機專業人群的生產、生活等活動為主。泛泛地講，狹義的計算思維是基于“計算機”，以及以計算機為核心的系統的研究、設計、開發、利用活動中所需要的一種適應計算機自動計算的“思維方式”，使人機的功能在互補中得到大力提升。從這個意義上講，計算機相關的很多“東西”都可以被“計算思維”一詞涵蓋[4]。周以真教授認為計算思維“是一個明確問題和制定解決方案的思維過程，由此解決方案就可以表示為能夠被信息處理代理有效執行的形式”[5]。

2.1 計算思維是人類的一種本能

思維是自然界動物的一種基本功能，也是人類受大腦支配的一種特有的高級精神活動。其工作模式是對信息進行的能動操作，如采集、傳遞、存儲、提取、刪除、對比、篩選、判別、排列、分類、變相、 轉形、整合、表達等。按馬克思主義哲學的觀點，思維主體主要指人，思維客體指主體思維的對象，包括人自己。思維的過程就是在表象、概念的基礎上進行分析、綜合、判斷、推理等認識活動的過程。科學思維分為理論思維、實驗思維和計算思維三大類。計算思維又稱結構思維，是一種思維模式。計算思維無處不在，當計算思維真正融入人類活動的整體時，它作為一個問題解決的有效工具，人人都應掌握，處處都會被使用[6]。因此，筆者認為，從人類發展的視角來看，計算思維不能僅局限于計算學科及計算機相關活動，而應擴展為人類在自然界生存和發展過程中不斷產生的一種重要的思維模式，是推動社會發展的一種重要的科學思維。

2.2 力網理論中的計算思維

戰德臣教授等人用“計算之樹”來表述計算思維的一種多維度觀察框架[1]。將“0和1”、“程序”、“遞歸”三大核心思維喻為計算之樹的根。計算機本質上是以0和1為基礎來實現的。0和1兩個簡單的自然數就是“力”，兩者之間構成千變萬化的關聯就是“網”。力中有網，網中有力，二者緊密相連，組成一個“理論單元”。以此類推，“程序”、“遞歸”也分別組成各種 “理論單元”。這三大核心思維的“理論單元”通過力網的作用，緊密相連組成計算機之樹的根。根、干、枝、葉連接在一起，就構成了計算思維多維度框架的“計算之樹”。這種“力網”之間的聯系形成了一種計算機系統的奠基性思維，發展成了基本的計算機原理。

3 計算思維的培養策略

3.1 用馬克思主義哲學思想培養學生計算思維

馬克思主義哲學包括辯證唯物主義，歷史唯物主義，唯物辯證主義，其中又包括唯物論、實踐的觀點、聯系的觀點、發展的觀點、矛盾的觀點、認識論等內容。辯證唯物主義認識論是以實踐的觀點為首要的基本觀點，把辯證法應用于考察認識過程，科學地揭示了認識的基礎、本質和發展規律。我們用馬克思主義哲學思想培養學生的辯證思維，培養學生認識事物，分析事物，處理事物及解決問題的能力。用馬克思主義哲學思想指導實際應用、創新計算思維。我們學習錢學森近30年來的著作時不難看到，對于科學研究中的新觀點、新說法，他總喜歡問一問：是否符合馬克思主義哲學？學習馬克思主義哲學可以使我們正確地看待自然、社會與人生的變化與發展，用睿智的眼光看待生活與實踐，正確看待社會進步與個人發展，樹立正確的世界觀，人生觀和價值觀，從而為生活和實踐提供更加積極有意義的指導，對我們的生活和學習有很大的益處。

大學計算機基礎教學是培養大學生計算思維能力的重要課程載體。教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會提出了大學計算機基礎教學要培養對計算機的認知能力、利用計算機解決問題能力、基于網絡的協同能力和信息社會終身學習能力。這四個方面能力的培養，恰恰說明了計算思維能力培養的核心要素[8]，也進一步明確了加強對馬克思主義哲學思想學習的重要性。

3.2 用豐富的想象力培養學生的計算思維

愛因斯坦說：“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識的源泉。嚴格地說想象力是科學研究中的實在因素”。大學生具有一定的知識功底，具有極其豐富的想象力和較好的思維能力。因勢利導開發學生的想像力，培養學生的計算思維尤顯重要。想像力應用到實際中去的多少，也是評價一個人能力高低的一個重要標志。世界上凡是具有創造力的活動，都是想象的結晶。沒有想象，人類就沒有預見，也就沒有發明創造，沒有藝術創作。人類在實踐生活中，會不斷遇到新的問題，產生新的需要，而想象是解決這些問題和適應這些需要的非常必要的條件。人類的一切實踐都離不開想象。高爾基說：“想象，在其本質上也是關于世界的思維，但主要是用形象來思想，是藝術的思維”。人的想象力決定著人的智慧，決定人的創作，但人的想象力不穩定，可隨環境、條件改變而改變。想象力有遺傳因素，更與后天學習、實踐因素有直接關聯。計算之樹給出了計算思維一個框架，也就是說給出了計算思維一個知識空間，有待我們充分激發出學生的豐富想象，培養學生的計算思維能力，在生活實踐中不斷地發現問題，解決問題，推動人類歷史的發展和社會的不斷進步。

3.3 用創新意識培養學生的計算思維

西安交通大學于2010年7月舉辦了首屆“九校聯盟（C9）計算機基礎課程研討會”，旗幟鮮明地把計算思維能力的培養作為計算機基礎教育的核心任務，并明確指出建立計算思維是培養復合型創新人才的重要內容[9]。我們培養學生的計算思維能力就是要求學生利用現有的知識和認知能力，在學習和生活環境中，不斷改進或創造新的事物，解決新的問題，得到新的收獲。計算思維對各學科學生創造性思維的培養，尤其是創新能力的培養都是十分有益的。如：“0和1”、“程序”有助于學生形成研究和應用自動化手段求解問題的思維模式。“并行分布計算”和“云計算”有助于學生形成現實空間與虛擬空間、并行分布虛擬解決社會自然問題的新型思維模式。“數據化”和“網絡化”有助于學生形成數據聚集與分析、網絡化獲取數據與網絡化服務的新型思維模式[1]。培養學生的計算思維就是要傳授、挖掘、培養這樣的思維，使學生在今后的學習和工作中不斷創造新的思維，實現新的思維。

3.4 從實際需要培養學生的計算思維

美國管理學家、統計學家愛德華·戴明說：“除了上帝，任何人都必須用數據說話”。面對大數據時代，技能訓練，讓學生學會數據處理;能力培養，讓學生學會更好地進行數據處理，充分體現數據的應用價值;思維養成，讓學生學會在數據處理中所體現的計算思維能力，在工作中能夠靈活應用，敢于思考、敢于創新[10]。周以真教授指出，計算思維是每個人的基本技能，不僅僅屬于計算機科學家。我們應當使每個孩子在培養解析能力時不僅掌握閱讀、寫作和算術（Reading，wRiting，and aRithmetic—3R），還要學會計算思維，猶如印刷出版促進3R的普及，計算和計算機也以類似的正反饋促進了計算思維的傳播[2].。計算思維無處不在，無時不存，只是人們尚未完全認知，未對其進一步分析、整理、應用。隨著人們對計算思維的認知度逐步提高，計算技術與其他學科的廣泛結合，極大地推動了生產力的發展，促進了社會的進步。如醫學的CT技術，即是X射線技術與計算技術相結合的創新，其理論的首創者和器械的首創者共同獲得了1979年諾貝爾醫學和生理學獎;“數字骨科”反映了數字化技術在骨科的應用與研究方面的最新學術成果;3D技術在生物醫學工程的應用等。

從計算金融學到電子貿易，電子商務乃至大型商場，計算思維已經滲透到整個經濟、商務領域。如某大型超市購物車的使用管理，最初是由顧客隨意使用，用完后顧客常常將購物車隨意擺放。為此，商場必須在四個出口分別安排2人負責購物車管理。年管理費用約24萬元。商場管理人員采取了“押金式”規范管理措施：即顧客用1元硬幣打開購物車鑰匙即可使用。用后必須將購物車送回指定位置才能退回1元硬幣。通過這一管理措施后，商場只需前期在購物車上安裝押金鎖，花少許費用。后期花少量維護費用就行了。這樣減少了大量人力成本，獲得了很好的效益。

計算思維在各個學科的研究、創新和應用推動著各個行業不斷發展。各種傳感器技術的發展推動著工業、汽車制造業、醫療等行業的發展。現在技術的革新、計算思維的發展已經超越了行業的限制。最近比較流行的物聯網，就是指物物相連、利用各種傳感器技術、借助移動網絡可以采集如蔬菜等信息，從而實現智能澆水、施肥。在未來已經說不清楚是計算機思維還是計算思維在影響著人類的發展。但是各學科、各行業的發展肯定需要人才來研究和發展，未來是計算機人才引導社會向前發展[11]。高性能計算、普適計算、云計算、服務計算、智能計算以及生物計算的快速發展，歐盟的科學研究框架中提出的“未來互聯網”技術，IBM提出的“智慧地球”技術等為人類計算思維的發展指明了方向。

4 結論

計算思維能力的培養是大學計算機基礎課程教學改革的一項重要內容。隨著教改的不斷深入，教育學家對大學教育改革的思路已逐漸明朗：計算思維、理論思維和實驗思維三種思維互為補充，是所有大學生應掌握的基本思維，也是我們大學基礎教育的一項長期而艱巨的教學任務。計算思維既然與人們的工作和生活如此密切相關，理所當然地應當成為人類不可或缺的一種生存能力[12]。因此，筆者認為，大學生思維能力的培養，應該與馬克思主義哲學思想的培養，與力網理論、系統論、萬有引力定律、事物普遍聯系原理等理論的學習相結合，與工作、生活實踐相結合，與社會的發展、進步相適應，培養學生樹立正確的人生觀、價值觀，以期不斷提升學生的綜合素質，提高學生的創新思維和創新能力。

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