計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程教學(xué)模塊中的計(jì)算思維

鄧韌+樊友洪+劉興長+馬靜恒+李娜

摘 要：針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程的計(jì)算思維培養(yǎng)現(xiàn)狀，提出計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)模塊的計(jì)算思維培養(yǎng)框架模型，探討計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中計(jì)算思維的本質(zhì)和3種重要的計(jì)算思維，為在實(shí)踐教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維提供借鑒。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)模塊；計(jì)算思維；抽象；自動(dòng)化

1 背 景

教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)在《高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告暨計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》中給出了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的4個(gè)教學(xué)模塊，即①系統(tǒng)平臺(tái)與計(jì)算環(huán)境，包括信息與社會(huì)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；②算法基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)；③數(shù)據(jù)管理與信息處理；④系統(tǒng)開發(fā)與行業(yè)應(yīng)用[1]。盡管如此，大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容到底應(yīng)該包括哪些模塊仍然莫衷一是。然而，無論哪所大學(xué)，無論從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的教師秉持何種教學(xué)觀念，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和算法基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)已是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中兩個(gè)最主要的教學(xué)模塊，這一點(diǎn)已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。

另一個(gè)共識(shí)是在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)中要注重探索和培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。目前，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中對(duì)計(jì)算思維探索與培養(yǎng)的側(cè)重點(diǎn)基本放在基于問題求解的“算法基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)”教學(xué)模塊上，在“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”教學(xué)模塊中則體現(xiàn)較少，究其原因是算法、程序設(shè)計(jì)等軟件教學(xué)方面的內(nèi)容，與計(jì)算及問題求解的關(guān)系更為密切。若要將計(jì)算思維作為思維模式進(jìn)行培養(yǎng)，則應(yīng)將其貫穿于課程教學(xué)的全過程，那么，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)模塊也概莫能外——這句話可以從兩方面進(jìn)行解釋，一是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)模塊內(nèi)部要體現(xiàn)計(jì)算思維，二是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)模塊中的計(jì)算思維作為完整的計(jì)算思維過程鏈中的一環(huán)，甚至是最基礎(chǔ)的一環(huán)，要為全過程、全方位的計(jì)算思維培養(yǎng)提供原理支撐。我們對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)模塊中的計(jì)算思維進(jìn)行研究。

2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)模塊中的計(jì)算思維框架模型

計(jì)算思維貫穿計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模塊教學(xué)的始終。計(jì)算思維應(yīng)該是一條線，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心知識(shí)點(diǎn)像串珍珠一樣串起來，培養(yǎng)學(xué)生從機(jī)器本身和計(jì)算機(jī)科學(xué)家這兩個(gè)思維角度理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的底層運(yùn)作機(jī)制；在此基礎(chǔ)上，計(jì)算機(jī)是實(shí)現(xiàn)問題求解的手段，計(jì)算思維則是人類求解現(xiàn)實(shí)問題的一條途徑[2]，是一種解決客觀世界各種可計(jì)算問題的思維方法。

基于以上思路，我們將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)的核心知識(shí)點(diǎn)概括為計(jì)算思維框架模型，如圖1所示。結(jié)合該框架模型，我們對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中計(jì)算思維的本質(zhì)和3種重要的計(jì)算思維進(jìn)行歸納。

3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)模塊中計(jì)算思維的本質(zhì)

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的一系列思維活動(dòng)的統(tǒng)稱[2]，其本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化，即在不同層面進(jìn)行抽象并將這些抽象機(jī)器化或自動(dòng)化。

對(duì)于客觀世界中的某個(gè)可計(jì)算問題，要映射到計(jì)算機(jī)世界去求解，通常需要兩個(gè)步驟：一是將待求解問題抽象為可計(jì)算的概念模型；二是對(duì)于概念世界中的概念模型，用物理的計(jì)算機(jī)世界來實(shí)現(xiàn)與求解。前者體現(xiàn)計(jì)算思維的本質(zhì)之一——抽象化，后者反映計(jì)算思維的本質(zhì)之二——自動(dòng)化。

抽象是一種很好的管理復(fù)雜性事物的思維方法。好的抽象可以把一個(gè)幾乎不可能管理的任務(wù)劃分為兩個(gè)可管理的部分：第一部分是有關(guān)抽象的定義和實(shí)現(xiàn)；第二部分是隨時(shí)用這些抽象解決問題[3]。

“抽象的定義和實(shí)現(xiàn)”可以理解為領(lǐng)域內(nèi)的、深刻反映外部世界的一些通用概念，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)中，就是指學(xué)生通過學(xué)習(xí)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)來理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的底層運(yùn)作機(jī)制；“用這些抽象解決問題”意味著學(xué)生不能以客觀世界的事物為起點(diǎn)開展思維，而應(yīng)該以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的抽象概念為起點(diǎn)分析待求解問題，包括用抽象概念代表待求解對(duì)象，用概念間的關(guān)系來代表待求解對(duì)象之間的關(guān)系。到此時(shí)，具體而復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題被抽象為一個(gè)可計(jì)算問題，現(xiàn)實(shí)世界在抽象的計(jì)算機(jī)概念世界中得到再現(xiàn)。

“隨時(shí)用這些抽象解決問題”意味著計(jì)算機(jī)要將抽象概念機(jī)器化、自動(dòng)化。雖然計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力日益強(qiáng)大，應(yīng)用范圍日益廣泛，但是從本質(zhì)上來說，計(jì)算機(jī)的基本功能很簡單，即通過執(zhí)行程序進(jìn)行信息處理[4]。信息處理包含兩方面的意思：一是構(gòu)造求解問題的算法和程序；二是程序在機(jī)器層面的自動(dòng)執(zhí)行，即自動(dòng)化。

抽象和自動(dòng)化這兩種重要的研究思維模式，對(duì)于用計(jì)算手段求解現(xiàn)實(shí)問題是非常有效的，能為其他的計(jì)算思維奠定基礎(chǔ)，因此，教師在教學(xué)中要注重培養(yǎng)這兩種思維模式。本質(zhì)上來說，現(xiàn)實(shí)問題的計(jì)算和問題求解是不同層面的抽象以及抽象之后的自動(dòng)化，這種抽象和自動(dòng)化通過二進(jìn)制思維、指令自動(dòng)執(zhí)行思維、程序自動(dòng)運(yùn)行思維3方面得以體現(xiàn)。

4 3種計(jì)算思維

4.1 二進(jìn)制思維

要將待解決問題表示成可計(jì)算的對(duì)象，就是要將該問題抽象為可描述的數(shù)學(xué)模型，并將可計(jì)算對(duì)象及其特性符號(hào)化，符號(hào)可以是數(shù)字、文本、圖形圖像、聲音、視頻等，統(tǒng)稱為該對(duì)象的數(shù)據(jù)信息（包含數(shù)值性和非數(shù)值性）。計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是二進(jìn)制（0、1）的世界，即可計(jì)算對(duì)象的數(shù)據(jù)信息都要表示成計(jì)算機(jī)可以處理的符號(hào)——0、1。在二進(jìn)制的世界里，所有的二進(jìn)制運(yùn)算都可以用邏輯運(yùn)算代替，而香農(nóng)在題為《繼電器和開關(guān)電路的符號(hào)分析》的論文中指出“由繼電器、晶體管等電子元件組成的邏輯電路可以實(shí)現(xiàn)所有的邏輯運(yùn)算；然后，再通過集成各種復(fù)雜的邏輯電路得到不同功能的硬件——處理器、內(nèi)存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備，最后，在一定的體系結(jié)構(gòu)下將這些硬件結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的信息處理功能”。由此可見，從客觀世界到計(jì)算機(jī)世界的紐帶就是二進(jìn)制（0、1）。

二進(jìn)制思維是一種將客觀事物符號(hào)化、符號(hào)二進(jìn)制化、二進(jìn)制電子化和電子集成化的思維過程，是一種非常重要的計(jì)算思維。教師在教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生多從機(jī)器的思維（客觀事物二進(jìn)制化的抽象思維）和計(jì)算機(jī)科學(xué)家的思維（怎么實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制化，即二進(jìn)制電子化和電子集成化的自動(dòng)化思維）這兩個(gè)角度學(xué)習(xí)及思考，這種代入感對(duì)于學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行原理和培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維都有事半功倍的效果。

在教學(xué)實(shí)踐中，為了培養(yǎng)學(xué)生的二進(jìn)制抽象思維，可以采用事物編碼的方法。第一步，利用二進(jìn)制方式對(duì)事物進(jìn)行編碼，若用0001表示計(jì)算機(jī)類，則可用000101表示微型計(jì)算機(jī)類；第二步，利用編碼方式表達(dá)事物之間的靜態(tài)聯(lián)系，如整體與部分的關(guān)系，若用0001010001表示一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，則可用000101000110表示該計(jì)算機(jī)的第二顆CPU，由此，學(xué)生可利用二進(jìn)制編碼逐漸建立出一個(gè)符號(hào)化的靜態(tài)世界；第三步，利用二進(jìn)制編碼方式表達(dá)事物之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，如前述的“微型計(jì)算機(jī)第二顆CPU開始運(yùn)行”這個(gè)概念，可以使用 01 000101000110表達(dá)，前面兩位數(shù)“01”表示“開始運(yùn)行”的操作碼，后面12位數(shù)“000101000110”是操作數(shù)，由此，學(xué)生可以利用二進(jìn)制符號(hào)化、抽象化地表達(dá)世間萬物及其之間的關(guān)系，同時(shí)也能為后續(xù)計(jì)算機(jī)指令的表達(dá)方式作鋪墊。這些步驟可以讓學(xué)生深入理解機(jī)器是如何理解和表現(xiàn)世界的，從而切實(shí)了解機(jī)器思維。在將現(xiàn)實(shí)世界抽象為符號(hào)世界的基礎(chǔ)上，我們繼續(xù)探討了計(jì)算機(jī)科學(xué)家們是如何從抽象的符號(hào)世界走向物理的電子世界的。

4.2 指令自動(dòng)執(zhí)行思維

將待求解問題表示成可計(jì)算對(duì)象后，怎么基于計(jì)算手段來求解呢？問題的求解方案可以抽象為基本動(dòng)作以及基本動(dòng)作的各種組合所構(gòu)成的動(dòng)作序列，因此，我們將基于計(jì)算手段的求解方案的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換為對(duì)抽象的定義和抽象定義的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)：①定義這些基本動(dòng)作；②實(shí)現(xiàn)控制這些基本動(dòng)作并按次序執(zhí)行的機(jī)構(gòu)。對(duì)這些基本動(dòng)作的控制就是指令，為求解問題而將指令按一定次序進(jìn)行組合就構(gòu)成程序。程序（指令序列）經(jīng)輸入設(shè)備輸入并存儲(chǔ)在內(nèi)存儲(chǔ)器中，處理器從存儲(chǔ)器中一條接一條地順序讀取并執(zhí)行這些指令，以實(shí)現(xiàn)信息處理的功能。由此可見，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是根據(jù)程序來自動(dòng)控制這些基本動(dòng)作的執(zhí)行，從而完成問題求解。人的任務(wù)是編制程序——將待求解問題轉(zhuǎn)換為程序，通過程序運(yùn)行達(dá)到解決問題的目的。

指令自動(dòng)執(zhí)行思維體現(xiàn)的是指令如何被表示、如何被存儲(chǔ)以及如何被CPU（控制器和運(yùn)算器）執(zhí)行的基本思維。

教學(xué)實(shí)踐中，通過二進(jìn)制思維的培養(yǎng)，學(xué)生掌握了指令二進(jìn)制表達(dá)方式的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，一方面，教師可以通過圖示、動(dòng)作分解、寄存器狀態(tài)再現(xiàn)、I/O分時(shí)動(dòng)作等方法，重點(diǎn)分析指令表達(dá)及其存儲(chǔ)、指令的自動(dòng)執(zhí)行等知識(shí)點(diǎn)，增強(qiáng)對(duì)學(xué)生指令自動(dòng)執(zhí)行思維的培養(yǎng)；另一方面，教師可以讓學(xué)生利用DEBUG命令實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算機(jī)指令的存儲(chǔ)、執(zhí)行以及結(jié)果，讓學(xué)生切身體會(huì)指令自動(dòng)執(zhí)行的過程和效果。

4.3 程序自動(dòng)運(yùn)行思維

指令自動(dòng)執(zhí)行思維是從微觀角度思考指令與硬件的交互，再通過拓寬思維，從宏觀角度思考程序借助操作系統(tǒng)與硬件的交互和自動(dòng)運(yùn)行。

操作系統(tǒng)是程序和硬件之間的接口，負(fù)責(zé)向應(yīng)用程序提供簡單一致的機(jī)制來控制復(fù)雜而原理各異的底層硬件設(shè)備[5]。這個(gè)簡單一致的機(jī)制就是“抽象”，也是計(jì)算機(jī)管理硬件的關(guān)鍵。這些抽象主要包括文件、地址空間和進(jìn)程，其中，文件是對(duì)I/O設(shè)備的抽象表示，它為程序創(chuàng)造了一個(gè)抽象的永久存儲(chǔ)設(shè)備；地址空間是對(duì)內(nèi)存和I/O設(shè)備的抽象表示，該概念為程序創(chuàng)造了一個(gè)抽象的獨(dú)立的內(nèi)存；進(jìn)程則是對(duì)處理器、內(nèi)存和I/O設(shè)備的抽象表示，進(jìn)程概念創(chuàng)造了一個(gè)抽象的獨(dú)占的處理器以運(yùn)行程序。在此基礎(chǔ)上，程序和硬件之間的交互以及自動(dòng)運(yùn)行主要是利用操作系統(tǒng)提供的、比實(shí)際硬件更方便使用的抽象來實(shí)現(xiàn)，包括程序及其數(shù)據(jù)被合并成一個(gè)文件并保存在I/O設(shè)備上，程序運(yùn)行時(shí)，處理器將這個(gè)文件加載到“獨(dú)立的”地址空間，然后該進(jìn)程被“獨(dú)立的”處理器執(zhí)行。

程序自動(dòng)運(yùn)行思維體現(xiàn)的是在操作系統(tǒng)的協(xié)助下程序被硬件自動(dòng)運(yùn)行的思維。在教學(xué)實(shí)踐中，我們一方面補(bǔ)充講解計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的必要內(nèi)容，如文件系統(tǒng)管理、內(nèi)存管理、進(jìn)程管理等相關(guān)知識(shí)；另一方面則結(jié)合生活中的實(shí)際問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如批處理文件的編寫、文件I/O操作與NTFS文件系統(tǒng)的關(guān)系等。通過這些與日常學(xué)習(xí)生活非常貼近的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅對(duì)操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)之間的協(xié)作有了更深入的理解，同時(shí)也培養(yǎng)了他們的程序自動(dòng)執(zhí)行思維。

指令自動(dòng)執(zhí)行和程序自動(dòng)運(yùn)行思維是一種構(gòu)造性的問題求解思維，即一個(gè)問題的求解可以通過構(gòu)造其算法和程序來解決，因此這兩種思維對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生利用算法和程序手段求解客觀現(xiàn)實(shí)問題具有重要的意義。

5 結(jié) 語

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)模塊中計(jì)算思維的本質(zhì)以及二進(jìn)制思維、指令自動(dòng)執(zhí)行思維、程序自動(dòng)運(yùn)行思維3種計(jì)算思維可以讓學(xué)生逐步理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并且讓學(xué)生能夠進(jìn)行這些知識(shí)背后的思維訓(xùn)練，為學(xué)生形成抽象和應(yīng)用自動(dòng)化手段求解問題的思維模式提供重要支撐。我們所在的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)教學(xué)組已經(jīng)將這些計(jì)算思維應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)中，并編寫了支撐計(jì)算思維教學(xué)的教材，即將由清華大學(xué)出版社出版。

計(jì)算思維作為一種解決客觀世界各種可計(jì)算問題的思維方法，在計(jì)算學(xué)科中還有很多應(yīng)用。教師要挖掘并傳授這些思維，學(xué)生則要掌握這些思維并將這些思維與自己的專業(yè)研究對(duì)象結(jié)合起來，從而形成一種應(yīng)用計(jì)算手段求解問題的創(chuàng)新性思維，這種思維的培養(yǎng)也必將對(duì)專業(yè)人才在未來進(jìn)行創(chuàng)造性研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：宋文婷）