計算教育是培養(yǎng)計算思維的有效途徑

牟連佳 李丕賢 邵洪艷

摘要：隨著移動計算和社會計算的發(fā)展，人們可以隨時隨地獲得需要的信息和服務(wù)，計算思維幾乎無處不在。計算思維使用的隱喻和結(jié)構(gòu)正在影響著所有的科學(xué)與工程領(lǐng)域。對計算教育的研究工作將為“計算思維”成為一種全面共享的21世紀的文化技能而鋪平道路。需要利用多個學(xué)科（包括計算機科學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)和社會學(xué)）的方法來改善計算教育。

關(guān)鍵詞：計算；計算教育；計算思維；計算機科學(xué)

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）51-0228-02

一、前言

上世紀60年代初，專家提出：校園內(nèi)的每一個大學(xué)生都應(yīng)該學(xué)會程序設(shè)計[1]，要把這當(dāng)作通才教育的組成部分。他們認為，程序設(shè)計是對流程的探索，是一個與每個人都有關(guān)的課題，而且如果能用機器來自動執(zhí)行流程的話，那將會改變一切。他們將程序設(shè)計看作是理解“計算理論”而必須采取的一個步驟，將導(dǎo)致學(xué)生們從計算理論的角度對大量的課題（比如微積分和經(jīng)濟學(xué)）進行重新理解。

今天，流程的自動執(zhí)行正在所有的科學(xué)與工程領(lǐng)域中改變著各個學(xué)科的專業(yè)人員對本行工作的思維方式。計算思維所使用的隱喻和結(jié)構(gòu)正在影響所有的科學(xué)與工程領(lǐng)域。計算思維的專業(yè)人員與教育工作者有責(zé)任幫助各個學(xué)科的思想家去掌握計算思維方法。

通過正規(guī)教學(xué)將能夠部分實現(xiàn)這一職責(zé)。雖然其他領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)人員可能不需要多少訓(xùn)練就能夠使用某一種應(yīng)用軟件，但是在軟件設(shè)計中所涉及到的隱喻和思維方式卻必須予以明確講授。在對校園中所有大學(xué)生進行計算教育的時候，可能需要采用多種不同的方法。這些方法應(yīng)該與對那些有志成為計算學(xué)科專家的大學(xué)生進行教學(xué)時所使用的方法有所不同。在開發(fā)適用于所有大學(xué)生的方法時，我們需要解決各種難題，比如：非計算學(xué)科專業(yè)的學(xué)生是如何理解計算思維的，他們將會遇到哪些挑戰(zhàn)，什么樣的工具可以幫助他們最輕松地掌握計算思維，以及應(yīng)該如何組織和建構(gòu)我們的課程以便使各種各樣的大學(xué)生都能夠接受計算思維。

在本文中，將舉幾個簡單的例子來說明計算教育研究領(lǐng)域內(nèi)的研究人員是如何解決這些問題的。計算教育領(lǐng)域的研究人員既倚重計算機科學(xué)理論又吸收教育理論的思想，二者缺一不可。雖然我們的計算機科學(xué)家是從實用的、理性的和理論的角度來理解計算思維，但是從本質(zhì)上來看，有關(guān)教育的問題卻屬于人的問題。人往往是不切實際的，缺乏理性，而且其行為難以預(yù)測，也難以求證。

計算教育研究者們正在利用實驗和設(shè)計方案來證明我們能夠解決這些重要問題：即人類怎樣才能理解計算思維，以及我們?nèi)绾尾拍芨玫乩斫庥嬎闼季S。有關(guān)計算教育的研究工作將會為此鋪平道路，使得“計算思維”成為一種全校園共享的21世紀文化技能。

二、編寫程序之前需具備計算知識

上世紀80年代初開展過一項研究課題，即如何讓程序設(shè)計語言更接近自然語言。當(dāng)時遇到了一個顯而易見的問題，那就是人類如何用自然語言來描述流程。Lance A. Miller要求參試人員為另一個人詳細說明文檔操作任務(wù)。其中有一項任務(wù)就是“以給定的紙質(zhì)文件為基礎(chǔ)，整理出一份清單，列出所有擁有攝影師職稱并被評估為高級攝影師的雇員”。然后，Miller對參試人員所使用的描述語言進行了研究[2]。

令Miller感到意外的是，那些參試人員極少對任何類型的控制流做出明確說明。在他們的任務(wù)描述中幾乎沒有出現(xiàn)任何明確的循環(huán)語句。雖然有些人試著使用了條件語句（“IF”），但是竟沒有一個人使用過一個“ELSE”語句。他對此感到非常吃驚，于是又為第二組參試人員提供了一個任務(wù)描述范例，范例中沒有出現(xiàn)循環(huán)語句和“ELSE”語句，結(jié)果第二組參試人員輕而易舉地完成了任務(wù)描述。

當(dāng)他們被問到如果條件不滿足，或者如果數(shù)據(jù)被用盡的話，那么該怎么辦，他們幾乎眾口一詞回答說：“當(dāng)然，那就查看下一個人，或者如果沒有數(shù)據(jù)了，那么繼續(xù)執(zhí)行下一步就行了”。

Miller的研究結(jié)果可以預(yù)測在學(xué)習(xí)程序設(shè)計的過程中可能會遇到的某些挑戰(zhàn)，即如今入門課程的教師無人不知的那些挑戰(zhàn)。雖然新手們往往不會具體說明在每一種條件下應(yīng)該做什么，但是計算機卻要求我們給出這樣明確的說明。Miller的研究結(jié)果表明了哪一種程序設(shè)計語言更容易被新手所接受。就像現(xiàn)在C和C++這樣的程序設(shè)計語言都使用了具體的循環(huán)語句，與Miller研究中參試人員的情況類似。

二十年以后，John Pane和他在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的同事們重新研究了Miller提出的問題，但是換到了新的應(yīng)用環(huán)境之中[3]。在一項實驗中，Pane為他的受試者說明了一個游戲中出現(xiàn)的情景和流程，然后問他們應(yīng)該如何描述。就像Miller一樣，Pane發(fā)現(xiàn)參試人員很少使用明確的循環(huán)語句，他們總是使用單向的條件語句。Pane進一步說明了參試人員的程序設(shè)計風(fēng)格。他發(fā)現(xiàn)，半數(shù)以上參試人員的任務(wù)說明都以順序結(jié)構(gòu)的形式出現(xiàn)，就像例子中給出的那樣。他也觀察到了有約束語句和命令語句的使用，但是幾乎沒有證據(jù)表明參試人員使用了面向?qū)ο蟮乃季S方式。參試人員確實談到置于實體中的訪問行為，但是幾乎沒有從那個實體的角度來探討這個問題。相反，他們是從游戲玩家或程序設(shè)計人員的角度來看待這個問題的。他沒有找到任何證據(jù)表明參試人員對實體的分類（類別定義）、繼承關(guān)系或多態(tài)性做過任何描述。

Pane的研究結(jié)果說明，考慮到新手對任務(wù)描述的典型特征，面向?qū)ο蟮乃季S不是“自然的”思維方式。由于對象是當(dāng)今多數(shù)現(xiàn)代化軟件的基礎(chǔ)，他的研究結(jié)果指出了我們在向?qū)W生解釋什么叫做對象的時候可能會在哪些地方遇到困難。Miller和Pane的研究結(jié)果都激勵我們?nèi)タ紤]如何才能設(shè)計出適合新手使用的程序設(shè)計語言，讓他們能夠按照自然的思維方式來描述計算步驟，就像使用MIT的Scratch進行面向事件的程序設(shè)計那樣。

在過去四年里，有一個多國研究小組對“常理計算思維”作了探討。研究的問題有：學(xué)生們在我們講授這門課之前已經(jīng)具備了哪些知識？面對一項復(fù)雜任務(wù)時，那些不具備程序設(shè)計知識的人們是怎樣描述其算法的？Lewandowski等曾經(jīng)發(fā)表一篇論文，文中對并發(fā)沖突現(xiàn)象進行了研究。在一家戲院有多個售票處的情況下，沒有程序設(shè)計知識的學(xué)生們?nèi)绾尾拍鼙苊馐鄢鰞蓮埻蛔坏膽蚱保克麄兊难芯拷Y(jié)果表明，有97個解決方案都是正確的（占受試者總數(shù)的69%，他們來自五個不同的機構(gòu)）；但是只有31%的解決方案（占正確方案的45%）得到了發(fā)行推廣。非計算機專業(yè)的學(xué)生不可能自然而然地拿出像計算機專業(yè)學(xué)生設(shè)計的那種非常講究的解決方案。然而，這些結(jié)果卻說明了學(xué)生們能夠用“自然的”思維方式對并發(fā)沖突問題進行正確思考。在實現(xiàn)并發(fā)沖突程序的過程中會遇到的問題可能更多地來自如何用當(dāng)前使用的程序設(shè)計語言來描述那些算法，而不是來自這些算法本身的復(fù)雜程度。

如果我們的目標是要讓計算思維的思想更容易地為新手所接受，那么Pane和Miller的研究結(jié)果都為編程語言的設(shè)計提供了啟示，即需要重新設(shè)計程序設(shè)計語言。Thomas R.G. Green以及其他多名研究人員都對新型程序設(shè)計語言做過測試。這是一個相當(dāng)活躍的研究領(lǐng)域[4]。

三、為所有學(xué)生鋪平“計算思維”的道路

為了讓校園中所有大學(xué)生都能夠接受“計算思維”，我們就要了解如何才能更好地教授計算學(xué)科這一類課程。計算教育領(lǐng)域的研究人員應(yīng)該探討人類是如何理解計算思維的，以及他們是如何改善這種理解的。計算教育是人機交互學(xué)的一個近親學(xué)科，因為人機交互學(xué)的研究人員是探索人類如何與計算機進行交互活動的，以及如何才能改善這種交互活動。計算教育研究人員在國際計算教育研究會（ICER）以及像《計算機科學(xué)教育》和《計算教育資源期刊》這類刊物中已經(jīng)占有了自己的一席之地。

計算教育研究從許多不同學(xué)科中汲取了知識和經(jīng)驗，用這些來改善計算教育現(xiàn)狀。一些社會學(xué)科學(xué)家都曾幫助我們了解學(xué)生們在我們課堂上的體驗（這些體驗往往與我們作為教師所預(yù)期的效果有所不同），以及如何改變我們的課堂教學(xué)，使之更加成功地滿足全體學(xué)生的需要。計算教育研究人員從教育學(xué)、社會學(xué)和心理學(xué)領(lǐng)域中尋找方法，以便使用這些方法來測量計算學(xué)科的學(xué)習(xí)效果和了解都有哪些因素在影響著這個學(xué)習(xí)過程。改進了計算教育，我們就可以拓寬計算思維的普及面，增強計算思維的能力。當(dāng)我們能夠以有益于學(xué)生們各自學(xué)科發(fā)展的方式將程序設(shè)計和計算理論教給他們的時候，就能夠看到，當(dāng)計算學(xué)科得到全面普及后，它將以什么樣的勢頭推動著整個學(xué)校的發(fā)展。專家們早在50多年前就已經(jīng)預(yù)見到了這一前景。

參考文獻：

[1]Perlis，A. The computer in the university[C].M.Greenberger，Ed.，Computers and the World of the Future[M].MIT Press，Cambridge，MA，1962，180–219.

[2]Miller，L.A. Natural language programming：Styles，strategies，and contrasts[J]. IBM Systems Journal，1981，29（2）：184–215.

[3]Pane，J.F.，Ratanamahatana，C.，and Myers，B.A. Studying the language and structure in nonprogrammers solutions to programming problems[J].International Journal of Human-Computer Studies，2001，54：237–264.

[4]Sime，M.E.，Arblaster，A.T.，and Green，T.R.G. Structuring the programmers task[J] .Journal of Occupational Psychology，1977，50， 205–216.