人工智能驅動下的計算思維培養探究

沈繼云

摘要：在信息化高度發展的今天，社會也正逐步向數據化和智能化方向發展，特別是人工智能地出現在一定程度上推動了社會產業結構變化的進程。在這一時代背景下，我們必須培養出更多的創造性人才，才能夠滿足社會發展的需求。所謂計算思維從本質上來說是一種讓人獲益匪淺的普適性思維技能，它對于培養學生的創造性思維來說，具有非常重要的意義。因此，有必要加強對學生計算思維的培養，使學生具備這項基本技能為學生今后的就業和求職奠定基礎，使學生能夠在日益激烈的社會競爭中實現自身的發展。

關鍵詞：人工智能；計算思維；創新思維

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）10-0126-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

人工智能驅動下計算思維培養是信息化高度發展這一大環境背景下我們必須要考慮的問題。計算思維這一概念一經提出就引起了學界的廣泛關注，本文以計算思維的概念為切入點，系統地闡述了人工智能驅動下的計算思維培養的必要性及路徑，力求為培養學生的計算思維提供一點思路。

1計算思維

1.1計算思維的概念

現如今計算思維已經逐步發展成為關系計算機科學本質問題的基礎性概念。計算思維最早的提出者為麻省理工學院的Seymour Papert教授，計算思維這一概念一經提出后，便引起了世界范圍內的關注。周以真教授（美國國家自然基金會計計算與信息工程科學工程部助理部長）在美國計算機權威期刊上正式提出了有關于計算思維的定義，在他看來計算思維主要是通過靈活的運用計算機科學基礎概念實現對相關問題的解決等系列的思維活動。計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，計算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法由個人獨立完成的問題求解和系統設計。計算思維概念傳入我國后，我國的相關學者也對計算思維進行了全面深入的研究。以李國杰教授為例，他認為計算思維是有關于問題描述、建模、并用最有效的辦法實現問題求解。計算思維遠遠不只是計算機編程，它是抽象的、多個層次上的思維，與“讀寫算能力”一樣，是人類的基本思維方式。除此之外，李國杰教授還認為計算機和計算機活動會促進計算思維的傳播，而計算思維的傳播也會反作用于計算活動。這一理論已經提出，旋即引起了國內外各領域的深入研究與探討，并取得了一定的成績。然而，長期以來，計算機科學技術被看成是一種高科技工具，這種“狹義工具論”認知對發展和普及計算思維極為不利。早在1972年，就有相關學者提出我們現在所擁有的工具對于我們的思維方式具有深遠的影響，甚至在一定程度上直接影響著我們的思維能力，這種工具影響思維的論點，在當今社會得到了廣大的推崇。所謂計算思維從本質上來說就是通過計算機等科學手段來影響思維方式，它是廣大學者在審視計算機科學時提出的。現如今計算思維已經與理論思維和實驗思維并駕齊驅，成為計算時代的最為直接的產物。

1.2 國內外研究現狀

近些年來，計算思維的諸多方法包括關注點分離和抽象以及分解等內容逐步應用，在教學和培訓活動中，取得了較好的成績。以美國為例，在美國教育界中計算思維得到了廣泛的應用，卡內基梅隆大學的專題討論和美國計算機協會以及美國國家計算機科學技術教師協會等眾多團體都參與到了計算思維的應用和傳播活動中來。除了美國以外，英國的教育界也開展了對計算思維的全面探討，并嘗試著將計算思維應用到哲學和物理以及生物等諸多領域。BCS，全名British Computer Society是英國計算機學會，該協會組織了歐洲的相關專家學者對計算思維進行了全面深入的研討，并創造性地提出了歐洲的行動綱領，這對于計算思維的全面適用來說具有非常重要的意義。

計算思維于20世紀初傳入我國開始，進入了我國學者的研究視野當中。國內關于計算思維的研討大部分都是在與計算機方法論一起研究的。2008，我國舉辦了相關研討會，研究高等學校計算機教育和科學思維與科學方法在計算機學科教育中的應用等諸多內容，會議以計算思維領域的研究為重點內容。

想要在高等教育階段實現學生計算思維能力的培養，潛移默化地影響學生解決問題的方式方法，是我國學者一直探究的重要領域之一。廣大學者們認為計算思維在當今時代已經成為廣大學生日常學習和生活中必須要掌握的基本思維能力，應將其列入高等教育課程體系當中，潛移默化地影響學生計算思維能力的培養，這是大學通識教育最為基礎的內容之一。

1.3 計算思維的核心內容

對于紛繁復雜的、不確定的物質世界，人腦通過極大的冗余設計獲得了計算機無法比擬的靈活性與適應性。然而在確定條件下的、簡單而重復的工作上，計算機則表現出壓倒性的可靠、高效等優勢。運用計算思維就是為了把人從大量的機械性的、重復性的運算中解放出來，使人腦這樣寶貴的資源能更多地運用到創造性的工作當中。在用計算思維解決問題時，人的分工是把生活中遇到的實際問題轉化為計算機能夠處理的可計算化問題，讓計算機去執行具體的運算任務。計算機思維的根本要點是通過數學建模、映射、算法實現問題的可計算化，最終實現問題解的自動化。

運用計算思維進行問題求解的一般過程如下。

第一步：定義問題，建立數學模型。使用抽象能力，將人對實際問題的理解過程用數學的語言描述出來。

第二步：完成映射，編寫算法。將數學模型中的所有變量及運算規則等，用相應的特定符號替換，將完整的解題思路編寫成程序代碼，用以指揮計算機進行計算。

第三步：執行算法、解模，獲得符合人類習慣的答案。根據算法，計算機完成相應指令，自動求出問題的解。

在運用計算機進行問題求解的過程中，計算思維的作用是分析如何將復雜的實際問題演化成可計算的問題，其關鍵特征是抽象及自動化。計算思維讓人能夠利用計算機的基本運行機制創造性地使用新的思想、新的方法去解決問題。

2人工智能高速發展的背景下計算思維培養的必要性

學習過程大致分為四個層次：知識，理解，意識，悟性。傳統的教學基本上僅僅處于第一個層次，目光和精力均放在了知識的要點上，不重視人的獨立思維和批判性思維的開發，培養出的學生思維狹窄，缺乏創造、創新的精神和能力。人工智能時代，隨著互聯網的高度發展，學生獲得知識及能力、素養的提升途徑更加多元化。知識是開放的，隨時隨地都可以檢索，知識的記憶、復述、再現等基本認知技能的重要性將會逐步降低，而創造知識的意識及悟性將會是最需要的。

但要讓學生做到知識的融會貫通，形成意識，也就是培養出計算思維，甚或達到知識創造這一悟性層次，還任重道遠。

在信息化高度發展的今天，未來的一切會變得更加數據化和智能化，人工智能技術會促進整個社會產業結構的變化，社會的發展需要更多創新型人才來推動。而計算思維是解決問題的方法論，是一種創新思維能力，是人工智能時代的素質教育。當下教育缺乏培養創新型人才的意識和方法，在人工智能時代，不僅需要強調高階認知能力的培養，更加需要增加和突出計算思維的培養，教育的改革應以“思維教育”為主方向，

計算思維是一種問題解決的方式，這種思維將將問題分解成大小不同的部分，并逐一處理解決，最終進行總結歸納以解決整體問題，這是一種讓人受益的技能。如果我們掌握了計算思維技能，不僅能成為技術創新者，還能通過創造性地解決重要問題而造福社會。

3計算思維培養的路徑

計算思維具有強大的創新能力，培養計算思維能力的最終目的就是為了創新。但是，目前缺少具有指導性的使用計算思維進行創新的經驗總結、甚或相關方法論。在創新思維培養方面，英國一直致力于使學生掌握“創造性思維和創造性想象”的基本方法和技能，并訓練其擁有“靈活性、獨創性”等創造性的智能品質。計算思維應當是所有學校所有課堂教學都應當采用的一個工具，培養學生主動使用計算機解決問題的意識和能力，提高他們對計算可以影響學科發展的認識。然而我國目前的培養路徑中存在著功利主義課程價值觀、錯誤的技術化取向問題：只見技術不見人。

如何進行計算思維的培養，目前缺乏相應的培養體系和教育標準，但我們可以將“學生創新意識的形成和創新能力的培養”作為計算思維訓練及培養的著手點，可從下面幾個方面入手。

第一點，修正教師定位，幫助學生去發現問題，激發學生在興趣引領下探索。

在信息大爆炸時代，教師不是知識的簡單傳遞者，而是做一個引導學生的導師，教會學生如何學習，如何發掘信息而不是簡單的記憶，正視好奇與激情相比于智商的重要性。教師不應是某一個理論的復讀機或重復驗證者，而應闡述這個理論提出的原因，以及這個理論所能夠解決的問題，激發學生好奇心及進一步探究的激情，推動學生創新意識的形成。

第二點，高度重視基礎教育階段的學生創造力培養。

目前，我國中小學階段的教育基本重視低階的認知技能的培養，普遍認為創造力培養是大學階段、研究生階段的任務。但大量的實驗證明這種觀點是錯誤的，必須從小培養創造力，同時應重視對擁有特殊才能的孩子的培養。

第三點，培養具有創新思維的教師，修正激勵體系與評價體系。

培養學生創造力，需要創新型教師，教師既可能是學生創造潛能轉化現實的助力手，也可能是學生創造力培養道路上的殺手，如果老師僅僅充當知識的傳遞者，就會扼殺學生創造的熱情與能力；如果教師是學生的同行者、引導者，鼓勵學生大膽探索問題，自由地表達思想，會提高學生創造熱情及能力。培養學生的創造性，要給學生創造性評價；要減少標準化考試，重視學生全面發展和學生個體差異能力培養。

4 結語

總而言之，對于廣大學生來說實現計算思維能力的提升，具有非常重要的意義，它可以幫助學生解決問題，樹立創新意識。當然，我們也應當充分意識到在人工智能背景下，培養學生的計算思維能力并非一蹴而就的，它是一個系統的過程，需要廣大教師不斷探索。

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【通聯編輯：光文玲】