計算思維的工程特征分析與CDIO教學模式應用探索

摘要：本文通過分析科學、技術、工程與計算機學科的關系，闡述計算思維在計算機工程活動中的作用，并提出了CDIO教學模式。該模式以項目化學習的方式讓學生經(jīng)歷計算機工程實踐活動，是一種適合中小學生的計算思維培養(yǎng)的教學方法。

關鍵詞：計算思維；工程教育；CDIO；項目化學習

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2024）10-0027-04

計算思維是一種理性的思維，理性的思維一定是解決問題的思維。經(jīng)歷解決問題的過程，是培養(yǎng)計算思維的一種途徑。因此，有必要對其進行研究，通常用計算思維解決的問題是一種怎樣的問題？是科學問題、技術問題還是工程問題？清楚這些問題，有助于建立有效的計算思維培養(yǎng)路徑。

科學、技術、工程與計算機學科

科學、技術與工程是人類三種不同的社會實踐活動。大眾對科學的理解往往是一種價值判斷，通常認為科學的就是正確的、合理的、高級的，如科學態(tài)度、科學決策、科學方法等。其實，科學的本意是反映自然、社會、思維等客觀規(guī)律的知識體系，科學活動就是不斷探索自然、社會、思維等領域的客觀規(guī)律。例如，牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律是反映物體之間存在相互吸引力的定律，運用該定律可以解釋太陽系中行星、衛(wèi)星等天體的運動規(guī)律，這是有關物理的自然科學。可見，科學活動是以探索、發(fā)現(xiàn)為中心展開的，以求理為本質特征，其成果是科學概念、科學理論等，是全人類的共同精神財富。

如果說科學活動是解決“是什么”或“為什么”的問題，那么技術活動就是解決“怎么做”的問題。科學在于發(fā)現(xiàn)，技術在于發(fā)明。技術活動是以發(fā)明為中心的，以求用為本質特征。技術活動成果的主要形式是技術方法、發(fā)明專利等，其在一定時期或范圍內(nèi)是具有知識產(chǎn)權或具有獨占權的專有知識。

如果說科學問題來源于人類，特別是科學家對自然奧秘的好奇心，那么，工程問題也是來源于人類，主要是大眾的現(xiàn)實需求。例如，建造長江大橋或過江隧道，就是為了解決兩地人員通勤問題，并使物流便捷。因此，工程活動是一種構建新的存在物的實踐，以求物為本質特征，以造物為中心展開，工程活動的成果則是直接表現(xiàn)為特定的產(chǎn)品和設施。

計算機學科涉及科學與技術，是研究計算機的設計、制造和利用計算機進行信息獲取、表示、存儲、處理、控制等的理論、原則、方法和技術的學科。計算機科學側重于研究現(xiàn)象、揭示規(guī)律；計算機技術側重于研制計算機和研究使用計算機進行信息處理的方法與技術手段。計算機學科還是一門科學性與工程性并重的學科，表現(xiàn)為理論性和實踐性緊密結合的特征。

長期以來，國內(nèi)外學者一直對計算機學科屬于科學還是工程的范疇這一問題存在著爭議。1985年由美國ACM組織專家對此進行研究，得出的結論是：計算機科學和計算機工程之間沒有本質區(qū)別。計算機學科研究的核心問題是能行性問題，能行性問題貫穿于整個學科，包括硬件和軟件在內(nèi)的理論、方法、技術的研究，以及各種應用開發(fā)。代表計算機科學各分支學科的基礎理論與代表計算機工程各分支學科的工程技術常常既有理論特征，又有技術特征，也有工程特征。本質上，它們都是從不同的角度和層面對各種問題的能行性及其求解方法和過程的描述。

工程、工程思維與計算

思維

計算機學科涉及科學、技術與工程，計算思維作為一種計算機學科思維，針對科學、技術、工程的特征，應該兼而有之。研究計算思維與工程的關系，對于中小學計算思維教育有獨特的價值。

工程是人類為滿足生存和發(fā)展需要而進行的改變自然狀態(tài)的活動，工程活動是很常見的社會活動和社會現(xiàn)象。工程活動中有思維活動滲透和貫穿其中，工程活動中的思維活動可稱為工程思維，工程思維是運用各種知識解決工程實踐問題的核心。計算機學科的工程性決定了計算思維與工程思維具有相通性。

第一，工程活動是造物活動，因此工程思維是一種價值導向思維。工程思維的基本任務和核心目的是創(chuàng)造作品并創(chuàng)造價值，就是把工程設計時的想象結果通過工程實踐活動而建造為現(xiàn)實世界中的人造物品。相類似，計算作品是計算機工程活動的成果，計算作品可以是軟件作品，也可以是硬件作品，或者是軟硬件組合的系統(tǒng)。計算思維指導計算作品的制作，并通過作品的自動化功能體現(xiàn)價值。

第二，工程活動的實施首先需要在紛繁的環(huán)境中把握事物發(fā)展趨勢，規(guī)劃方案，清晰設定可操作的步驟。工程思維是一種籌劃性思維，且具有先思性特征。先思性體現(xiàn)在工程活動的構思與設計之中，或采用順向思考，或采用逆向思維，或采用融合思維，謀思規(guī)劃，預測結果。計算思維也有同樣的特征，用于指導構造自動化實現(xiàn)的執(zhí)行步驟，先于造物計算作品的產(chǎn)生在大腦中運行作品的計算過程。

第三，工程活動涉及的知識有明言性的，也有意會性的。明言性知識可以用一定的符碼系統(tǒng)完整清晰地表述并在個體之間傳播，容易在常規(guī)的學習過程中獲取。意會性知識與技能由于其難以用語言符號表述，需要在工程活動中體驗與領悟。計算思維不等同于計算機學科知識，計算思維的形成也不是能夠依靠死記硬背方法來實現(xiàn)，而是需要采用發(fā)現(xiàn)式、啟發(fā)式的教學方法，通過個體經(jīng)歷計算作品的構造過程來領悟。

第四，在工程活動中，工程決策是關鍵的環(huán)節(jié)。工程活動的實踐方法和路徑往往不是唯一的，需要運用工程決策基于已有的物質基礎和技術水平對工程可行性以及價值性作出判斷。在解決計算問題的過程中，同樣需要作出決策，以判斷問題解決的能行性、實施方案的優(yōu)劣，并在計算作品運行中對實施方案作出評價。

第五，工程問題都是基于真實世界的現(xiàn)實問題提出的，涉及的領域是綜合性的。項目是工程活動的基本單位，經(jīng)歷工程活動的完整過程就是經(jīng)歷一個工程項目從規(guī)劃實施到運行的全過程。映射到中小學工程教育，跨學科和項目化是工程教育實施的兩大特征。計算思維教育的落實，同樣也需要經(jīng)歷真實問題的解決，也會具有跨學科和項目化的特征。

工程教育、CDIO教學模式與計算思維教育

思維能力的培養(yǎng)不是一件容易的事情，需要正確認識、遵循與順應思維能力培養(yǎng)的規(guī)律。由于思維現(xiàn)象非常復雜，現(xiàn)實的思維活動不可能是純而又純的某種單一類型的思維，必然表現(xiàn)為不同類型思維的結合或融合。但這種融合現(xiàn)象不妨礙人們承認存在不同類型的思維方式，也不妨礙可以對特定思維類型的思維方式進行單獨研究。對于不同的思維方式來說，由于它們有不同的本性和特征，它們的培養(yǎng)規(guī)律也不相同。

對計算思維的培養(yǎng)，可以借鑒工程教育的實施模式，這是因為：一方面計算思維具有工程活動和工程思維的特征；另一方面，對于中小學生而言，要掌握計算機學科的科學理論是有難度的。因此，充分發(fā)揮學習者已有的數(shù)學基礎，運用成熟的計算機技術，工程化地實現(xiàn)計算作品，經(jīng)歷計算活動的全過程，是一種值得嘗試的、可行的計算思維養(yǎng)成路徑。

在傳統(tǒng)的觀念中，工程教育一直是高等教育或職業(yè)教育關注的熱點，開展工程教育旨在培養(yǎng)符合工程建設需要的專業(yè)人才。在中小學開展工程教育，雖然不是以工程人才培養(yǎng)為直接目標，但對于發(fā)展中小學生的工程素養(yǎng)，促進學生理解工程過程和工程本質、掌握工程知識與工程技能、學會工程思維、知曉工程倫理，特別是在培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實踐能力等方面具有積極的作用。

20世紀末到21世紀初，工程教育改革在世界范圍內(nèi)興起，美國麻省理工學院（MIT）聯(lián)合學界、業(yè)界，研究并發(fā)表了CDIO能力大綱和CDIO課程標準。CDIO代表了實現(xiàn)工程產(chǎn)品的構思（Conceive）、設計（Design）、實施（Implement）、運行（Operate）四個階段：在構思階段，定義需求與技術，將產(chǎn)品全生命周期的開發(fā)與運用作為教學背景，明確學習目標；在設計階段，描述將要被實現(xiàn)的計劃、方案和運算法則；在實施階段，把設計轉化為真實的產(chǎn)品；在運行階段，對產(chǎn)品進行優(yōu)化升級。作為工程教育的實施，CDIO教學模式依托真實的工程實踐環(huán)境，指導學生經(jīng)歷產(chǎn)品生命周期的“構思-設計-實施-運行”四個階段，鞏固學科知識，培養(yǎng)工程思維能力和工程實施能力。

計算思維指導學生計算作品的工程化制造，同樣需要經(jīng)歷產(chǎn)品生命周期的“構思-設計-實施-運行”四階段。計算思維的方法路徑即“抽象-形式化表達-構造-自動化”四步驟就天然地與工程活動的“構思-設計-實施-運行”四階段相吻合：在構思階段，運用計算機學科的思想方法分析問題，對其目標、性質、狀態(tài)及其變化過程或規(guī)律進行抽象；在設計階段，描述問題解決的系統(tǒng)結構、方法步驟，形成以符號化為特征的形式化表達；在實施階段，實現(xiàn)計算作品各組件的物理連接或程序編寫，完成計算作品的構造；在運行階段，運行計算作品，體驗自動化，評估系統(tǒng)功能與性能，提出改進方案。

采用項目式學習方式，讓學生經(jīng)歷計算作品制作過程的計算思維培養(yǎng)教學實施流程如下圖所示。

啟示

由上述分析可知，科學是對未知世界的發(fā)現(xiàn)、理解和認識，技術是人們改造世界的各種可能的方法、技巧和工具。科學活動是反映客觀存在，技術活動是探尋變革存在的具體方法，而工程活動是創(chuàng)造存在和超越存在。科學原理為技術和工程提供了必要的理論基礎、實施原則和方法，使得技術發(fā)明和工程實現(xiàn)更為有效，同時，技術和工程的發(fā)展也促進了科學的發(fā)展。

科學、技術、工程三類活動都是人類認識世界改造世界的社會活動，各有獨特的社會功能，不存在某項活動一定比其他活動更重要或更高級。計算思維的培養(yǎng)，是應該側重計算機科學理論，還是側重計算機工程實踐，需要作具體考慮。計算機學科有著“高要求準入，低門檻應用”的特征，即深入學科、理解其學科原理有著較高的學科基礎與認知要求，而其應用技術相對比較容易被大眾所掌握。因此，針對中小學生，倡導“輕理論、重實踐”，不盲目追求計算機科學理論的學習，研究如何發(fā)揮他們已具備的數(shù)學基礎及其他學科理論基礎，如何運用他們?nèi)菀渍莆盏挠嬎銠C技術，如何經(jīng)歷他們能夠理解與實施的計算機工程制造實踐，都是計算思維培養(yǎng)實踐中需要不斷探索的具體問題。基于個體經(jīng)歷計算作品工程化制作全過程的計算思維培養(yǎng)路徑，可以推論計算作品的重要性。計算作品，如編制的應用程序，其教育作用不能只局限于對設計階段的驗證，而應是個體對自動化的體驗、理解并升華為思維能力的重要介質。只有產(chǎn)生了計算作品，個體才完成了從構思到運行的CDIO教學模式全過程，也經(jīng)歷了從抽象到自動化的計算思維方法運用的路徑。CDIO教學模式不只是局限于“構思-設計-實施-運行”四環(huán)節(jié)，MIT團隊提出的CDIO課程大綱主要目標是建構一套能夠被業(yè)界和學界普遍認可的未來工程師必備的知識、經(jīng)驗和價值觀體系，包括工程師必備的技術知識與推理、個人職業(yè)技能、人際交往能力以及系統(tǒng)建構能力。CDIO教學模式除了對中小學計算思維培養(yǎng)的課程體系建設有啟示作用，還會對中小學有效開展工程教育發(fā)揮作用。

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