非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算思維培養(yǎng)的策略探究

【摘 要】 本文在闡述計(jì)算思維研究現(xiàn)狀與基本特征的基礎(chǔ)上，探討了非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)策略：重視計(jì)算思維能力的培養(yǎng);創(chuàng)新計(jì)算機(jī)思維能力方式和手段;加強(qiáng)計(jì)算思維能力培養(yǎng)教學(xué)策略。

【關(guān)鍵詞】 非計(jì)算機(jī)專業(yè);計(jì)算思維;研究現(xiàn)狀;基本特征;培養(yǎng)策略

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國際計(jì)算機(jī)界開始對計(jì)算思維引起重視，并已成為高校教育工作者關(guān)注較多的一個領(lǐng)域，尤其是計(jì)算機(jī)科學(xué)教育領(lǐng)域更是開展了影響較大的相關(guān)研究。

一、計(jì)算思維研究的現(xiàn)狀與趨勢

在國外，計(jì)算思維經(jīng)歷的認(rèn)知和逐步推廣的過程，尤其是在美國的教育界和一些學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)對此廣泛推崇，不僅有卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的計(jì)算思維發(fā)展的專題討論，更有許多相關(guān)的協(xié)會和組織如國家級別的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會、團(tuán)體級別的計(jì)算機(jī)協(xié)會以及數(shù)學(xué)研究所等在內(nèi)的積極參與和響應(yīng)。根據(jù)美國計(jì)算機(jī)協(xié)會（ACM）2009年在網(wǎng)上公布對CC2001（CS2001）進(jìn)行的中期審查報(bào)告（CS2002Interim Review）（草案）中，就非常明確而具體地將“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”課程與“計(jì)算思維”概念交集在一起，并對此提出該課程需要講授計(jì)算思維本質(zhì)的特別要求。由于計(jì)算思維在許多相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對美國國家科學(xué)基金會（NSF）的直接促成起到了主要作用，其重大基金資助計(jì)劃CDI（Cyber-Enabled Discovery and Innovation，Cyber能夠?qū)崿F(xiàn)的技術(shù)創(chuàng)新與科學(xué)發(fā)現(xiàn)）的產(chǎn)生，CDI計(jì)劃其主要目標(biāo)是使用計(jì)算思維（包括在其研究領(lǐng)域產(chǎn)生的新思維、新見解、新方法）促進(jìn)美國工程技術(shù)和自然科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生劃時(shí)代意義的革命性的成果，[1]促使人們在思維模式以及思維方式等方面發(fā)生轉(zhuǎn)變。與此同時(shí)，得到美國微軟公司支持的美國國家計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會將自己的研究成果《計(jì)算思維：一個所有課堂問題解決的工具》（Computational Thinking：Aproblem solving tool for every classroom）報(bào)告在網(wǎng)上發(fā)布，對其研究成果和什么是計(jì)算思維進(jìn)行了總結(jié)和推廣，充分顯示了以“計(jì)算思維”為核心的美國國家自然科學(xué)、社會科學(xué)以及經(jīng)濟(jì)等各個學(xué)科領(lǐng)域的轉(zhuǎn)變，而這種轉(zhuǎn)變標(biāo)志著美國在自然科學(xué)與工程等領(lǐng)域保持和擁有處于世界領(lǐng)先地位的絕對優(yōu)勢。

在國內(nèi)，許多專家與學(xué)者也開始關(guān)注計(jì)算思維的發(fā)展，如中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所李國杰所長、國防科技大學(xué)的朱亞宗教授、桂林電子科技大學(xué)董榮勝教授等在這一領(lǐng)域做出了一些有益的探索。2008年10月31日至11月2日，在桂林召開了我國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育具有標(biāo)志意義的研究會，會議以“計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”為主題，開展相關(guān)的學(xué)術(shù)專題研討，全國有80多所高校參會，包括70多位在此領(lǐng)域較有影響的計(jì)算機(jī)學(xué)院院長、主管教學(xué)副院長在內(nèi)的近百名專家，與會者圍繞主題，集思廣益，暢所欲言，相互交流在“計(jì)算思維”領(lǐng)域的研究心得，以及它高校教育教學(xué)中和科技創(chuàng)新的重要作用，著重探討了在計(jì)算機(jī)學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新中科學(xué)方法與科學(xué)思維的作用，特別是結(jié)合所在學(xué)校計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)實(shí)際，探討了以課程為載體融入計(jì)算機(jī)思維的手段和方法，對提升和促進(jìn)我國計(jì)算機(jī)科學(xué)與教育事業(yè)的進(jìn)步起到了重要的推動作用。

計(jì)算思維作為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的高級思維活動，它對計(jì)算科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步具有深遠(yuǎn)影響，通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念，將人類行為理解與問題求解等一系列思維進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Zenon W.Pylyshny認(rèn)為大腦中發(fā)生的認(rèn)知過程也與計(jì)算過程“強(qiáng)等價(jià)”，并從功能建構(gòu)、代碼符號結(jié)構(gòu)、代碼定義結(jié)構(gòu)三個層面對認(rèn)知過程進(jìn)行了詮釋[2]。中科院院士李國杰認(rèn)為：計(jì)算機(jī)科學(xué)本質(zhì)上源自工程思維和數(shù)學(xué)思維，但計(jì)算思維遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只是為計(jì)算機(jī)編程，它與“讀寫能力”一樣，是具有抽象的多個層次上的思維，既是每個人應(yīng)具備的基本技能，也是人類的基本思維方式，因而它不屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家獨(dú)有，計(jì)算思維將滲透到我們每個人的生活之中。哈爾濱工業(yè)大學(xué)戰(zhàn)德臣教授認(rèn)為：當(dāng)前大學(xué)非計(jì)算機(jī)專業(yè)計(jì)算機(jī)教學(xué)課程存在知識型/技能型教學(xué)與未來計(jì)算能力需求之間的鴻溝，當(dāng)前的教學(xué)模式關(guān)注點(diǎn)是計(jì)算機(jī)及其通用計(jì)算手段的應(yīng)用，而能跨越通用計(jì)算手段到各學(xué)科專業(yè)計(jì)算手段的鴻溝，應(yīng)是基于通用計(jì)算手段的計(jì)算思維與計(jì)算能力，思維性基礎(chǔ)教育應(yīng)是改革的方向。

總之，對于計(jì)算思維的研究國內(nèi)外都取得了可喜的研究成果，我國高校也在計(jì)算機(jī)科學(xué)教學(xué)方面有意識地進(jìn)行了相關(guān)研究。但對于計(jì)算思維概念、基本原理、歷史沿革（發(fā)展階段）以及今后的前景，特別是在教學(xué)中如何培養(yǎng)計(jì)算思維等，無論是國外還是國內(nèi)目前還缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識，國內(nèi)外尚未有文獻(xiàn)全面而詳細(xì)地對這些問題進(jìn)行歸納總結(jié)。特別是對于計(jì)算思維從何而來？它的基本原理和特征怎樣？以及如何在高校計(jì)算機(jī)專業(yè)教學(xué)中有意識地培養(yǎng)計(jì)算思維能力等問題都需要有一個總體的把握，以推動和促進(jìn)計(jì)算思維的研究健康發(fā)展。

二、計(jì)算思維的基本特征

1、計(jì)算思維的原理

有學(xué)者認(rèn)為：計(jì)算思維的原理包括機(jī)算設(shè)計(jì)原理、形理算一體原理和可計(jì)算性原理。所謂機(jī)算設(shè)計(jì)原理，就是通過利用運(yùn)行規(guī)則（算法）以及與物理器件相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)某個任務(wù)順利完成的原理。自從計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用到社會生活各個方面之中，其計(jì)算思維領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，電子計(jì)算機(jī)的創(chuàng)造改變了世界，帶給人們許多前所未有的驚喜，計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)原理也成為計(jì)算機(jī)科學(xué)取得的最顯著的成果，可計(jì)算性原理亦即計(jì)算的可行性原理。所謂形理算一體原理，即是應(yīng)用相關(guān)理論針對具體問題進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)規(guī)律的原理。[3]在計(jì)算思維領(lǐng)域，就是從物理模型和物理圖像出發(fā)，尋找相應(yīng)的數(shù)學(xué)工具與計(jì)算方法進(jìn)行問題求解。

2、計(jì)算思維的概念、方法和特征

計(jì)算思維一詞由Jeannette M. Wing 于2006年提出，要弄清究竟什么是“計(jì)算思維”，這是計(jì)算思維研究最為關(guān)鍵和首要的內(nèi)容之一。但眾多專家與學(xué)者對計(jì)算思維的概念目前還未建立起統(tǒng)一的共識，并且每位學(xué)者對計(jì)算思維的觸角和認(rèn)知也是各抒己見，都有自己獨(dú)到的見解;它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。其定義是：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本理論和基礎(chǔ)概念去解釋或理解人類行為，進(jìn)行系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)和求解問題。周以真認(rèn)為，計(jì)算思維具有六個方面的主要個特征（數(shù)學(xué)思維與工程思維的互補(bǔ)與融合;概念化，不是程序化;是人的，不是計(jì)算機(jī)的思維方式;是思想，不是人造物;根本的，不是刻板的技能;面向可以觸及到的所有的人，所有的地方）以及涉及到的計(jì)算機(jī)科學(xué)的思維能力培養(yǎng)系列的各種方法（保護(hù)、冗余、遞歸，容錯、糾錯和恢復(fù)，抽象和分解，學(xué)習(xí)和調(diào)度，利用啟發(fā)式推理來尋求解答，在不確定情況下的規(guī)劃等等）。[4]故綜合以上觀點(diǎn)：本人認(rèn)為計(jì)算思維是我們的親密伙伴，它是以思維科學(xué)為基礎(chǔ)，體現(xiàn)了形象思維與創(chuàng)新思維的發(fā)展方向，通過計(jì)算基礎(chǔ)將思維科學(xué)為核心的認(rèn)識論不斷推向新的研究領(lǐng)域[4]。

三、計(jì)算思維能力的培養(yǎng)、創(chuàng)新與策略

1、重視計(jì)算思維能力的培養(yǎng)

當(dāng)前，對學(xué)生進(jìn)行計(jì)算思維能力的培養(yǎng)已經(jīng)越來越受到重視，并在教育領(lǐng)域逐漸展開。國外很多國家的教育主管部門或教育機(jī)構(gòu)也將更多的精力投入到對學(xué)生計(jì)算思維教育、訓(xùn)練以及計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，并高度重視計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，將它納入學(xué)校課程的考核體系之中。但就目前而言，我國對計(jì)算思維能力訓(xùn)練和有意識的培養(yǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，其設(shè)計(jì)與整體規(guī)劃欠完善，至今還沒有形成一套完整的方法體系，盡管高校在教學(xué)過程中已經(jīng)有意識地進(jìn)行學(xué)生計(jì)算思維訓(xùn)練及能力培養(yǎng)，但這些都是探索性的、小規(guī)模的和碎片化的，缺乏大規(guī)模的、系統(tǒng)化的和自覺的意識。我國在計(jì)算機(jī)科學(xué)研究方面的專著如《計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論—思想與方法》和《計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論》等，已經(jīng)列為完整成熟的計(jì)算機(jī)方法論的研究成果，[5]但對剛剛起步的計(jì)算思維培養(yǎng)研究而言，要走的路還很遠(yuǎn)，還有很多工作需要開展。以筆者所在學(xué)校為例，嘗試在醫(yī)科學(xué)生中開設(shè)了“醫(yī)用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”這門課程，從學(xué)生學(xué)習(xí)和反饋的情況看，很受學(xué)生歡迎且反響較好。因此我們認(rèn)為可以在高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生中進(jìn)一步嘗試開設(shè)計(jì)算思維能力的課程，達(dá)到學(xué)生培養(yǎng)的目的。

2、創(chuàng)新計(jì)算機(jī)思維能力方式和手段

21世紀(jì)是知識經(jīng)濟(jì)的時(shí)代，更是知識創(chuàng)新的時(shí)代。國家的興旺和國力的強(qiáng)大離不開創(chuàng)新，而創(chuàng)新的核心問題取決于人，只有在教育教學(xué)中主動融入創(chuàng)新理念，充分調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新主觀能動性，才能在未來社會發(fā)展和競爭中

搶占新世紀(jì)新型人才的培養(yǎng)的制高點(diǎn)，不負(fù)時(shí)代向教育和人才培養(yǎng)提出的嚴(yán)峻課題。因此，高校在計(jì)算機(jī)思維能力培養(yǎng)方面，要有意識地創(chuàng)新教學(xué)方式和教學(xué)手段，使計(jì)算機(jī)思維能力的培養(yǎng)成為學(xué)生喜聞樂見的教學(xué)課程，以培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的創(chuàng)造型人才，使我們在日益激烈的國際競爭中昂首闊步、充滿信心地迎接各種挑戰(zhàn)，才能并保證我們在未來競爭中立于不敗之地，從而達(dá)到目的雙贏。

3、加強(qiáng)計(jì)算思維能力培養(yǎng)教學(xué)策略

當(dāng)前的社會發(fā)展形勢要求高校必須重視和加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的開發(fā)和培養(yǎng)，而計(jì)算思維理應(yīng)成為高校課堂教學(xué)采用的重要工具。筆者所在的高校經(jīng)過多年努力，教師與學(xué)生對計(jì)算思維能力的培養(yǎng)達(dá)成了共識，在教學(xué)過程中也日漸體現(xiàn)其效果。已在教學(xué)當(dāng)中逐步應(yīng)用，但如前所述，由于人們計(jì)算思維的認(rèn)識還沒有達(dá)到較高層次，作為獨(dú)立的學(xué)科體系來說，計(jì)算思維還未成氣候，并且在教學(xué)中的應(yīng)用還限于是少數(shù)專家學(xué)者的行為，一般處于探索階段、小規(guī)模或較為零散的實(shí)驗(yàn)性教學(xué)，在培養(yǎng)過程中缺乏系統(tǒng)性的應(yīng)用計(jì)算思維的系列方法，[6]取得的效果還有待時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)。但總之，基于“一種新的思維模式的培養(yǎng)，可以通過有針對性的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、實(shí)例展示與應(yīng)用來逐步完成，最終在人的思維結(jié)構(gòu)中形成一種新的可選擇的思維定式”。隨著現(xiàn)代教育信息技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的到來，學(xué)生可以通過混合式學(xué)習(xí)模式自主學(xué)習(xí)，以培養(yǎng)非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 牟琴，譚良.計(jì)算思維的研究及其進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011.03.25-28.

[2] 陽小華，劉杰，劉志明，徐卓然.融入計(jì)算思維訓(xùn)練的程序設(shè)計(jì)教學(xué)方法探討[J].高教學(xué)刊，2015.19.106-109.

[3] 黃玲玲，楊剴，王穎，黃欣陽，陽小華.計(jì)算思維特征探析[J].計(jì)算機(jī)教育，2014.17.12-15

[4] 劉杰，陽小華，陳星，劉志明，張慧仁.提升計(jì)算思維能力的編程游戲設(shè)計(jì)[J].電腦知識與技術(shù)，2014.21.55-57.

[4] 萬亞平，陽小華，劉志明，黃欣陽，馬淑萍.計(jì)算思維系統(tǒng)化特征探析[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2014.11.99+101.

[5] 丁琳，王穎，馬淑萍.MOOC支撐下的以計(jì)算思維為導(dǎo)向的大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)模式研究[J].計(jì)算機(jī)教育，2014.09.30-33.

[6] 龔向堅(jiān)，鄒臘梅，胡義香.以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力為目標(biāo)的計(jì)算機(jī)專業(yè)主干課程教學(xué)改革探討[J].高等教育研究（成都），2014.01.26-28+34.

【作者簡介】

彭國建（1969-）男，湖南衡陽人，南華大學(xué)教務(wù)處實(shí)驗(yàn)師，主要從事高教管理研究.