計算思維系統化特征探析

摘 要：計算思維作為思維科學的一個重要分支，具有其基本內涵和外延。本文以培養跨學科人才計算思維能力為目標，從思維科學的角度出發剖析計算思維的系統化基本特征以及其內在規律。采用歸納和演繹推理的方法辨析計算思維和思維科學活動之間的縱向和橫向聯系。此工作有助于人們對計算思維在大學計算機基礎教育方法論上的認識提高，對于以計算思維為核心的課程體系的建設具有指導意義。

關鍵詞：計算思維 系統化 思維科學 計算學科

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）04（b）-0099-02

1 什么是計算思維

美國卡內基·梅隆大學周以真教授指出[1]：計算思維是運用計算機科學的基本概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。

計算思維首先是計算學科所特有的一種思維方式，其次計算思維已經成為各個學科共同的思維方式，已經成為與理論思維和實驗思維并列的第三種科學思維方式，最后也是最重要的一點是，計算思維正在成為當今社會中一種重要的一般思維方式，正在成為人們生活智慧的重要組成。

2 計算思維研究現狀

嚴格說來，最早提出“計算思維”概念的是麻省理工學院（MIT）的Seymour Papert教授[2]，他在這篇并非以“計算思維”為核心的著述中卻無意中首次給出了“計算思維”的一些基本概念，為后來者的研究奠定了一個“計算思維”雛形。國內學者如張曉如等[3]在20世紀90年代末也提出了“計算機思維”的概念，其內涵和隨后周教授等提出的思想在主要方面基本一致，并可形成互補，他指出隨著計算機科學的發展，“計算機”已不再是一個單純的計算工具的代名詞，而是信息時代高新技術的象征。但是國內外比較公認的最早系統提出“計算思維”的還是周以真教授[1]，她認為計算思維不僅僅屬于計算機科學家，它應當是每個人的基本技能。在培養孩子們的解析能力時，我們不僅要求他們掌握基本的閱讀、寫作和算術（Reading，writing，and arithmetic，簡稱3R），并且還應該要求他們學會基本的計算思維。

隨后桂林電子科技大學董榮勝教授在2008年全國“計算思維與計算機導論”專題學術研討會上[4]所作的主題報告分別介紹了以“計算思維”和“學科思想與方法”為基礎的兩類“計算機導論”課程，給出了兩類“計算機導論”課程的講授提綱，指出了它們的不同點以及課程講授本質上的一致性。朱亞宗教授[5]站在人文歷史的基礎之上，把計算思維歸類為三大科學思維（實驗思維、理論思維、計算思維）之一。電子科技大學的陳文宇等[6]指出了計算思維能力是形式化描述和抽象思維能力以及邏輯思維方法，在計算科學和思維兩方面說明了這樣的一種思維能力，思維能力是主體，核心是如何讓思維具有計算特征。

可以說計算思維成為當前國際上被計算機科學界和教育界廣泛關注的一個重要課題。美國計算機協會（ACM）2008年在網上公布對CC2001（CS2001）進行的中期審查報告（CS2001 Interim Review）（草案）中，就明確將“計算思維”與“計算機導論”課程綁定在一起，并明確要求該課程講授計算思維的本質。計算思維還直接促成美國國家科學基金會（NSF）重大基金資助計劃CDI（Cyber-Enabled Discovery and Innovation，Cyber能夠實現的科學發現與技術創新）的產生，CDI計劃旨在使用計算思維（特別是在該領域產生的新思想、新方法）促進美國自然科學和工程技術領域產生革命性的成果。

3 計算思維作為一般思維方式的特征

著名的認知心理學家 Newell和 Simon（1972）把思維看作是個體在問題空間中進行搜索的過程。這是信息加工心理學背景下的思維定義，有明顯的“系列加工”印記。在Newell和Simon看來，問題解決者會在問題情境中對問題進行心理表征，而這一心理表征會構建起一幅問題狀態及其轉換的心理圖景，這一圖景既是符號性的，又具有一定的空間延展性，然后，問題解決者就會在心里對這一圖景進行路徑搜索，直到將問題起始狀態與目標狀態聯結起來，問題即得以解決。系統論是研究系統的一般模式、結構和規律的學問，它研究各種系統的共同特征，用數學方法定量地描述其功能，尋求并確立適用于一切系統的原理、原則和數學模型。Gerald M.Weinberg在《系統化思維導論》中表述系統化思維：“這種思維先于專門的學科知識的存在而存在——有時繞過專門的學科知識，有時又把專門的學科知識綜合起來。我們把這種思維和教育方法稱為一般系統論的方法?！?/p>

系統論的基本思想方法，就是把所研究和處理的對象，當作一個系統，分析系統的結構和功能，研究系統、要素、環境三者的相互關系和變動的規律性。要素重要，要素之間的關聯（系統結構）更重要；系統重要，系統與環境的關系也重要?？梢哉f，系統論首先是一種世界觀，世界是成系統的，整體性、動態性；其次是一種方法論，其具有結構性、綜合性。

計算思維所涉及到的所有主體可以說都是一個復雜系統，所有從主體到客體的活動過程實質上就是一個復雜系統的運動過程。所以說，計算思維首先是一種系統思維，具有系統思維的系統化特征。例如，在計算機文本分類領域，一個典型的計算思維過程如下所示。

例句1：請將軍用毛毯蓋在受傷的士兵身上。

由于漢語沒有分詞標記，詞與詞之間的界限不清，幾個詞語不同，詞長不等，意義不同的句法結構可以共用字面統一而詞面不統一的文字形式，例句1根據不同的切詞結構可以得到：

A.請/將軍/用毛毯蓋在受傷的士兵身上。

B.請/將/軍用毛毯/蓋在受傷的士兵身上。

我們容易發現語義上的混亂，實際上這是計算機進行詞法分析的結果。起初，我們認為這種分類只涉及到了詞法問題，但實際情況更為復雜。我們不知道自己的大腦中是如何在不同的解釋中進行選擇的，甚至有時候我們發現了某些含混的解釋，卻不知道還有更多種可能的歧義深藏其中。計算機在對上面的句子進行詞法分析的時候揭示了隱藏的假設，要想選擇文法通順的句子，首先必須懂得怎樣認識句子，要讓計算機明白無誤的理解這些選擇。因此，我們會把對一個句子的理解堆積起來：語義規則堆在語法規則之上，語法規則又堆積在詞法規則上，我們必須強迫自己采用系統化的方法去理解一個簡單的句子。

因此，計算思維具有系統化特征。

4 結語

思無定法。計算思維教育問題已經引起廣大計算機教育者的關注，國內外不少學者對其都進行了深入研究和探討，并且找到了行之有效的方法。本文的目的是培養大學計算機基礎教學中計算思維的形成、升華以及實用化。筆者在后續的研究中將結合大學計算機基礎課程的教學改革，深入探討當代大學生創新精神和創新能力的培養，以計算思維的培養為核心構建課程模型和體系。

參考文獻

[1] Wing J M.Computational Thinking[J].Communications of the ACM，2006， 49（3）.

[2] Seymour Papert.An Exploration in the Space of Mathematics Educations[J].International Journal of Computers for Mathematical Learning，1996，1（1）：95-123.

[3] 張曉如，張再躍，陳凌.談談計算機思維[J].計算機科學，2000，27（增刊1）：107-109.

[4] 董榮勝.計算思維與計算機導論[J].計算機科學，2009，36（4）：50-52.

[5] 朱亞宗.論計算思維—計算思維的科學定位、基本原理及創新路徑[J].計算機科學，2009，36（4）：53-55，93.

[6] 陳文宇，吳祖峰，羅宗粉，等.計算機專業本科生計算思維能力的培養[C]//電子科技大學本科教學改革的實踐與研究論文集.2005.