計算思維與計算機教育

計算思維與計算機教育

1 引言

大學階段各相關專業培養對計算機的要求越來越高，同時不同專業之間對計算機教育的直接需求和依賴程度又存在較大差異，同時考慮到在計算機教育不斷普及的今天，學生入學時的計算機水平也在不斷地變化，由于地區以及個人的差異，學生入學時的計算機基礎存在著較大的差異，為促進大學計算機教育的開展，需要進一步開展大學計算機教育的教學研究和實踐。

隨著計算機日益廣泛而深刻的運用，計算機早已經深入到干家萬戶，同時計算這個原本專門的數學概念正在滲透到自然科學以及社會科學等諸多領域，已經泛化到了人類的整個知識領域，并上升為一種極為普適的科學概念，成為人們認識事物、研究問題的一種新視角、新觀念和新方法。可以說我們處在計算無處不在的計算新時代，什么都要“計算”，在理論研究、試驗科學之外，計算科學正在成為基礎科學研究的“第三維”。

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真(Jeannette M．Wing)教授在美國計算機權威期：rU{Communications of the ACM}}雜志上給出，并定義了計算思維(Computationa]Thinking)。周教授認為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。

計算思維代表著一種普遍的認識和一類普適的技能，每一個人，不僅僅是計算機科學家，都應熱心于它的學習和運用。計算機科學不是計算機編程。像計算機科學家那樣去思維意味著遠遠不止能為計算機編程，它要求能夠在抽象的多個層次上思維。

2 現狀分析

大學的計算機對后續其他課程的學習影響最大，在計算機教育不斷普及的今天，學生入學時f’J~-I‘算機水平也在不斷地變化，越來越多的大學新生的計算機基礎水平擺脫“零起點”，但由于地區以及個人的差異，學生入學時的計算機基礎存在著較大的差異。大家已經普遍認為學生的計算機水平有了很大程度的提高，但從實際情況看，這種提高主要體現在學生的計算機使用水平上，而不使用基于計算思維能力的計算機水平的提高。

針對學生入學時的計算機基礎存在著較大的差異，以及不同專業之問對計算機基礎教育的直接需求和依賴程度又存在較大差異，目前我們已經在學校的非計算機專業基本實現了類分層次的教學實踐，并取得了一定的成果。為了使人學計算機基礎課程發揮其基礎作用，就要很好地與專業課程相結合，我們根據各專業的特點和學生的情況，進行分類分層次教學。但同時應以“計算思維”為核心進行計算機基礎教育，這樣才能適應專業培養的需要。

計算思維是目前大學計算機基礎教學研究的熱點課題之一，應在計算機基礎教學中以培養大學生計算思維能力出發，對大學的計算機課程教學改革進行一些探討和研究，將思維訓練融入教學的各環節中，以期進一步提升大學生的綜合素質和能力，挖掘大學生的學習潛能。

3 與專業培養相適應的計算思維教學

計算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非試圖使人類像計算機那樣地思考。計算思維是建立在計算過程的能力和限制之上的，不管這些過程是由人還是由機器執行的。計算方法利模型使我們可以去處理那些原本無法由任何個人獨自完成的問題求解和系統設計。許多人將計算機科學等同于計算機編程，計算思維可以給我們打開寬闊的視野，學生可以j 修計算機科學，接著從事醫學、法律、商業、政治，以及任何類型的科學和工程，甚至藝術工作。

計算具有復雜性，當求解一個特定的問題時，我們需要考慮：解決這個問題有多困難?怎樣才是最佳的解決之道?需要我們運用計算思維的觀點準確地回答這些問題，考慮機器的指令系統、它的資源約束和它的操作環境。

而為了有效地求解，需要進一步問：一個近似解是否就足夠了，以及允許的誤差。計算思維就是把一個看來困難的問題重新闡述成一個我們知道怎樣解的問題，如通過約簡、嵌入、轉化和仿真的方法。

計算思維采用了抽象和分解來處理浩大復雜的任務或者設計巨大復雜的系統。通過進行分離，選擇合適方式去陳述，或者是選擇合適的方式對問題的相關方面建模使其易于處理。它是利用不變量簡明扼要且表述性地刻畫系統的行為。計算思維利用啟發式推理來尋求解答，它在不確定情況下的規劃、學習和調度。計算思維是利用海量的數據來加快計算，它就是在時問和空問之間，存處理能力和存儲容量之間的權衡。

計算不但已經成為人們認識自然、生命、思維和社會的一種普遍方法，而且正在試圖成為‘種傘新的世界觀。

計算機科學在本質上源自數學思維，因為像所有的科學一樣，它的形式化解析基礎筑于數學之 。計算機科學又從本質上源自工程思維，基本計算設備的限制迫使計算機學家必須計算性地思考，不能只是數學性地思考。計算思維構建了計算機教育與專業培養之間的橋梁。

隨著人們對計算能力要求的不斷提高，但是終端設備卻無泫滿足這種要求的增長，于是云計算技術出現了Goog]e于2007年正式在IT行業內提出了“云計算”的概念，并成功地引發了產業界對于云計算的極大關注。云計算是一種基于互聯網的大眾參與的計算模式，其計算資源(包括計算能力、存儲能力、交互能力)是動態的、ⅡJ伸縮的、被虛擬化的，而且是服務的方式提供。

計算能力以服務的方式供消費者使用，這就好比是從古老的單臺發電機模式轉向了電廠集中供電的模式。它意味著計算能力也i-j一以作為一種商品進行流通，就像煤氣、水電，取用方便，費用低廉。最大的不同在于，它是通過互聯 進行傳輸的。云計算技術催牛了計算的泛化。

云計算將為公司節省大量蚍勾置硬件設備所需的資金。云計算時代，計算已經成為一種公共服務，我們無需購置昂貴的巨型計算機。而且，通過向計算供應商租用計算，也省卻了維護費用。節省下來的巨大開支及人力可使公司更加專注于自己的核心業務。

此外，云計算特別適用于復雜多變的經濟環境。當公司業務量激增時，公司只需租用更多I，I勺計算即可，當業務因某種危機而出現萎縮時，公司只要少租用一一些計算，即可使自己的損失降到最低。

而隨著數據量的不斷擴展，我們進入了大數據時代，人數據(big data)是指數據海量(包捅數據量大、產生速度快)、計算復雜(包括類型復雜、處理復雜)的數據集合，所涉及的資料量 巨大到無法透過目前主流軟件工具，在合理時問內進行有效的采集、管理和分析。大數據的出現，意味著處理規模更大，要處理的數據更為集中，用戶的數據被保存得更加完備更加集中，使得用戶隱私暴露的風險更大。各種各樣的大數據技術出現了，大數據技術正成為科學研究的第四范式——強推。大數據分析常和云計算聯系到一起，因為實時的大型數據集分析需要像MapReduce一樣的框架來向數十、數百或甚至數干的電腦分配工作。

隨著計算的泛化，計算思維成為使用計算機科學分析和解決問題的方法，計算機教育已經由粗放式、經驗式教學向精細化、計算思維能力培養轉型。計算機教育的內容既有各專業基本都要涉及到的通識教育內容，也有與專業聯系比較密切的內容。因此，計算機教育需要針對不同類別的專業，在課程體系、教學內容、實踐內容等方面應進行分類的教學模式。隨著信計算機教育的普及，絕大部分的學生都是非零起點。

為此，可以針對不同專業類別和不同起點的新生采用不同的教學內容，其內容的廣度、深度都可以有所的區別，計算機教育的重點不再是知識的傳授，而是計算機思維能力的培養，這種思維應該成為學生的技能組合。普在計算是己變為今日之現實的昨日之夢，而對于計算機教育來說，計算思維培養在于今日，結果在于明日之現實。