新工科背景下計算思維能力培養的探索

張振國 崔榮一

摘? 要： 探討了計算思維的本質內涵及其與新工科的關系，探索如何在新工科課程教學中，有意識地培養學生認識和理解計算思維，提出結合具體實例的“問題抽象化-模型構建-自動化方案-思維分析”培養方式。以案例教學的方式，通過電梯運行實例闡述如何以計算思維為指導，使學生快速理解計算思維和掌握計算思維能力。

關鍵詞： 計算思維; 新工科; 抽象化; 案例教學; 思維分析

中圖分類號：G642? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-8228（2021）03-83-04

Exploration on the cultivation of computational thinking ability in the

background of New Engineering

Zhang Zhenguo， Cui Rongyi

（Department of computer science and technology， Yanbian University， Yanji， Jilin 133002， China）

Abstract： This paper discusses the essential connotation of computational thinking and its relationship with New Engineering Education， and how to consciously cultivate students' understanding of computational thinking in the teaching of New Engineering courses is explored. The training mode， which combines with the specific examples， of "problem abstraction， model construction， automation scheme and thinking analysis" is put forward. In the way of case teaching， with the instance of elevator operation， this paper expounds how to make students quickly understand computational thinking and master computational thinking ability under the guidance of computational thinking.

Key words： computational thinking; New Engineering; abstraction; case teaching; thinking analysis

0 引言

隨著大數據、人工智能、云計算等新技術的發展，以信息技術為主導的產業革命正逐步改變著人們生產生活的方式， “中國制造2025”、“互聯網+”等一批重大戰略目標被提上日程。在這一背景下，工程教育被賦予了新的內涵，工科專業亟需做出改變以適應這種挑戰，因此，各個高校正積極推進新工科相關專業的建設。“新工科”是國家在2016年“國家戰略性新興產業發展規劃”中提出的，經過了2017年的“復旦共識”、“天大方案”以及“北京指南”等一系列卓有成效的討論，基本上形成了新工科建設的綱領。2020年6月，“天大方案2.0”的發布，標志著新工科建設從理念和頂層設計向落實和實施階段展開。

新工科的一個核心內容是以信息技術推動傳統工科專業的改進和升級，以適應信息社會的變革，引導傳統工科逐步向智能化邁進。在這個過程中，關鍵的問題是如何在傳統工科領域實現自動化。計算機是信息處理的工具，其思維方式是傳統工科改革的有效思路。計算機科學最具有基礎性和長期性的思維是計算思維[1]，因而，在工科教學中，培養學生利用計算機進行問題描述和求解的能力，引導學生逐步理解和掌握其思維方式，從思考方式上考慮傳統工科的問題是根本且行之有效的途徑，所以，計算思維能力的培養對于新工科專業建設是重要的。

1 計算思維的內涵

“計算思維”一詞是周以真教授于2006年提出的，其概念被定義為“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”[2]。這一概念受到國內外學者的廣泛關注，被認為是可以與讀、寫、算等基本認知一樣，是每個人都必須掌握的一種基本技能。 計算思維對于教育的影響是巨大的，直接將計算機的基礎課程從“計算機工具論”轉變為一種思維模式來教學，推動了計算機基礎教育的改革。國內外學者針對這一新興思維方式進行了廣泛的研究，美國、英國和澳大利亞等國家的課程培養方案中都明確提出將計算思維是其相關課程的重要部分[3-4]。自2010年起，我國逐步將計算思維納入到計算機基礎教學中并其作為課程改革不可或缺的一部分[5]。

盡管培養學生的計算思維能力是計算機基礎課程的核心內容已成為課程改革的共識，但如何實施仍存在著不同的思路和見解。這種不同，從根本上來說，是對計算思維能力的本質內涵存在不同的理解。隨著科技的發展，計算思維在具體的實踐中有了新的、更廣的發展，這些都影響其對培養過程的指導作用。無論是“思維技能”觀點[6]還是“過程要素”的說法[3]都強調了計算思維是解決問題的重要手段，在不同領域，計算思維已被廣泛的應用于指導具體的實踐。而實際上，計算思維的本質特征是抽象[7]。這種抽象與數學的邏輯思維、物理的實證思維中的抽象不同，是更一般意義上的概括。這是因為計算思維的抽象有層次的概念，即包括同一層次上的抽象，也包含層次間的關系。從一般的意義上來說，計算思維應用計算機科學的基本原理，是在解決實際問題中形成的思維模式和技能，它并不是固定的，在不同的學科領域，問題解決思路和方式會不相同。此外，計算思維并不面向具體應用，而是一種抽象的思維能力，因此，計算思維的培養需要明確這一本質。

2 新工科與計算思維

新工科是在新一輪的科技與產業革命的背景下，工程學科的一次重大戰略改革，其內涵是“以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才”[8]。新工科首先指的是新興的專業，如人工智能、智能制造等，它代表著行業的發展方向，是正在逐步形成的工程學科[9]。

一方面，新工科的建設和發展能為其他學科的人才培養改革提供良好的示范作用，另一方面，新工科專業中的新理論、新技術將為新產業的形成提供科學依據[10]。新工科需要多學科的交叉、融合，相應的工程人才應具備良好的創新能力和跨學科整合能力，這就要求在培養過程中需要從思維的高度上去考慮問題。而計算思維恰好契合這一要求，因而引導學生用計算思維的方式去認識、分析、解決問題，主動的用發散性思維去創新，將對新工科專業人才的培養起到積極的作用。

計算思維與程序思維、算法思維有緊密的聯系，而這兩者是計算機科學的重要基礎，同時，計算思維又是由計算機科學家提出的，因此，計算思維可以說是計算機科學領域的最為重要的思維方式。從解決問題的方法角度，計算思維是從數據運動的角度去認識和理解世界的思想和方法[11]，計算機是數據處理和加工的工具，是思維實現的手段，因此，計算機科學的相關理論和技術是計算思維解決問題的基礎。來自不同領域的問題經過信息抽取和模型構建，通過計算平臺的運算，在得到問題解決的同時，也能加深領域內知識的理解。計算機科學為其他學科提供了認知領域知識的角度和計算平臺，使得不同學科領域的人員能夠方便快速地得到問題處理的能力。此外，計算思維中，更多的是面向不同領域的具體應用，即理解如何從數據的角度來分析和解決具體的問題。從這個意義上，計算機科學是研究用計算機解決問題的共性理論與技術，而其他領域人員認識和理解計算思維，更多的是從應用角度去尋找問題的解決思路和方法。這也正印證計算思維正影響著傳統工業領域，用信息處理的自動化加速產業革命的升級，這種影響并不是簡單的修補，而是從思維高度的徹底改造，以數據為載體，對產業鏈上的各個環節進行重新認識，建立起人與人、人與物、物與物之間的聯系，不斷地創新傳統工業，建立新興產業，促進新工科的建設和發展。

3 計算思維能力培養的教學設計

3.1 指導思想

從上文分析中可以得出，計算思維能力的培養主要是讓學生運用現代化工具來分析、處理和解決各個領域的問題，其基本過程可以描述為問題抽象化、建模和自動化處理等方面。因此，需要培養學生的問題抽象和建模思維能力，使學生能夠以數據變化的形式理解本專業的問題，這就需要在計算機課程中讓學生意識到課程培養的是問題解決的思維模式，而非實用工具。為此，本文以“問題抽象化-模型構建-自動化方案-思維分析”的教學思路進行教學設計和實施。

3.2 教學實施過程

本節以我們日常乘坐的電梯為例，闡述如何進行問題抽象、構建模型、提出解決思路與方案并實現思維導向分析的過程。在電梯的運行邏輯中，每一層都有多種操作，其抽象化和建模過程對其他領域的問題有很好的借鑒意義。不失一般性，以4層樓電梯運行為例來說明如何進行問題抽象和建模（為了簡化描述，假設電梯按鍵不能取消）。

電梯的運行方式可分為上行和下行兩種。上行的方式（下行的規則與上行一致，方向相反）可描述為：對于任何合法的層數i，j，k，設i

規則1：如果超重，則電梯不啟動，停在原來的樓層。

規則2：若電梯現在停在第i層，同時按下第j層和第k層的按鍵，則電梯運行到第j層停下，之后再停到第k層。

規則3：若電梯正在上升至第k層的過程中，經過第i層時，再有第j層按鍵，則電梯運行到第j層停下，之后再停到第k層。

規則4：若電梯正在上升至第k層的過程中，經過第j層時，再有第i層按鍵，則電梯會停在第k層，不會向第i層下降，即第i層按鍵無效。

⑴ 問題抽象

電梯的運行狀態可以分為三種：停止、上行和下行，因此，可以把整個運行過程按狀態進行劃分：用S1，S2，S3，S4分別表示電梯停在各個樓層上，用U12，U23，U34分別表示電梯的上行過程（例如U12表示電梯在第1～2層之間上行），用D12，D23，D34分別表示電梯的下降過程。按鍵操作分別以數字1，2，3，4表示。這樣，4層電梯的運行過程就可以用10個狀態和4種按鍵進行表述，即將電梯的運行過程抽象為不同運行狀態之間的轉換。

⑵ 建模

狀態的轉換可以通過有限狀態自動機實現，故可以將電梯的運行過程構建為自動機模型，如圖1所示。

在上述模型（圖1）中，雙圓圈表示的是電梯隨時可停止，退出運行的狀態，單圓圈表示的是電梯正在上升或者下降的狀態。模型可以上下兩部分，上半部分是電梯上行過程中的可能出現的情況，下半部分描述的是電梯下行時的各種情況。這兩部分除了方向不同，所有的操作都一樣。

⑶ 自動化處理

培養學生的自動化問題處理能力中最為重要的是算法思維和程序設計能力。在電梯運行的例子中，算法不復雜，但程序設計的主要結構要素均有體現。該過程的程序流程如圖2所示。

上述過程包含程序設計的三種結構，有助于加深程序設計知識的理解。多年的教學經驗表明，學生經歷中小學大量的邏輯思維能力訓練后，在最初接觸程序設計時往往難以很快地接受計算機處理和解決問題的方式。從本質上來說，這是思維能力轉變的問題，即需要以計算思維的方式考慮和解決問題。使用與日常生活密切相關的實例展示問題處理的過程，將程序設計中的符號和處理流程與具體生活應用聯系起來，可以形象地展現出知識的應用，增強學生理論聯系實際的能力。

3.3 計算思維的體現

“像計算機科學家一樣思考問題、理解問題和解決問題”是周以真教授在提出計算思維概念時給出的界定[2]，盡管計算思維的內涵和外延仍在發展變化，但這一表述給出了計算思維培養的指導性意見，其核心在于掌握使用計算機解決問題的基本過程和步驟。在上文例子中，將電梯的運行過程的不同階段抽象為不同的狀態，即停在某一層和層間運行，然后通過狀態間的轉換表達電梯的運行。這一過程中除了程序設計和算法要素外，思維是更為重要的因素，無論是可處理數據的抽象，還是狀態轉換的處理過程，都是計算思維能力在該例中的體現。

在新工科興起的背景下，以數據驅動的方式解決問題成為一個趨勢，這很好的擴展了計算思維所涵蓋的范圍，使之不再局限于借助計算機來實現自動化。然而無論形式如何變化，其本質都不在“計算”本身，而是計算背后所蘊含的思維本質。

4 結束語

新工科的發展離不開信息技術的支撐，在信息化特別是數字化的過程中，無論是新興產業還是傳統工業，以數據促進工業智能化發展已成為共識，所以，從思維的高度上去認識、理解，進而解決問題是至關重要的。因此，在新工科建設和教學中，要求學生從數據變化的角度思考行業內產業升級所涉及的基本問題，用計算的觀點去自動的解決這些問題。因此，教學過程除了引導學生掌握計算機科學的基本理論和技能外，須將計算機科學與行業結合，建立用計算方法解決問題的思維。然而，思維方式的轉變是需要時間的，以“問題抽象化-模型構建-自動化方案-思維分析”的方式，用日常生活中的具體實例講解問題的解決思路，能夠加深學生對于計算思維能力的認識。

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