非計算機專業計算思維培養的策略探究

【摘 要】 本文在闡述計算思維研究現狀與基本特征的基礎上，探討了非計算機專業學生計算思維培養策略：重視計算思維能力的培養;創新計算機思維能力方式和手段;加強計算思維能力培養教學策略。

【關鍵詞】 非計算機專業;計算思維;研究現狀;基本特征;培養策略

隨著計算機技術的廣泛應用，國際計算機界開始對計算思維引起重視，并已成為高校教育工作者關注較多的一個領域，尤其是計算機科學教育領域更是開展了影響較大的相關研究。

一、計算思維研究的現狀與趨勢

在國外，計算思維經歷的認知和逐步推廣的過程，尤其是在美國的教育界和一些學術機構對此廣泛推崇，不僅有卡內基·梅隆大學的計算思維發展的專題討論，更有許多相關的協會和組織如國家級別的計算機科學技術教師協會、團體級別的計算機協會以及數學研究所等在內的積極參與和響應。根據美國計算機協會（ACM）2009年在網上公布對CC2001（CS2001）進行的中期審查報告（CS2002Interim Review）（草案）中，就非常明確而具體地將“計算機導論”課程與“計算思維”概念交集在一起，并對此提出該課程需要講授計算思維本質的特別要求。由于計算思維在許多相關領域的廣泛應用，對美國國家科學基金會（NSF）的直接促成起到了主要作用，其重大基金資助計劃CDI（Cyber-Enabled Discovery and Innovation，Cyber能夠實現的技術創新與科學發現）的產生，CDI計劃其主要目標是使用計算思維（包括在其研究領域產生的新思維、新見解、新方法）促進美國工程技術和自然科學領域產生劃時代意義的革命性的成果，[1]促使人們在思維模式以及思維方式等方面發生轉變。與此同時，得到美國微軟公司支持的美國國家計算機科學技術教師協會將自己的研究成果《計算思維：一個所有課堂問題解決的工具》（Computational Thinking：Aproblem solving tool for every classroom）報告在網上發布，對其研究成果和什么是計算思維進行了總結和推廣，充分顯示了以“計算思維”為核心的美國國家自然科學、社會科學以及經濟等各個學科領域的轉變，而這種轉變標志著美國在自然科學與工程等領域保持和擁有處于世界領先地位的絕對優勢。

在國內，許多專家與學者也開始關注計算思維的發展，如中國科學院計算技術研究所李國杰所長、國防科技大學的朱亞宗教授、桂林電子科技大學董榮勝教授等在這一領域做出了一些有益的探索。2008年10月31日至11月2日，在桂林召開了我國高等學校計算機教育具有標志意義的研究會，會議以“計算思維與計算機導論”為主題，開展相關的學術專題研討，全國有80多所高校參會，包括70多位在此領域較有影響的計算機學院院長、主管教學副院長在內的近百名專家，與會者圍繞主題，集思廣益，暢所欲言，相互交流在“計算思維”領域的研究心得，以及它高校教育教學中和科技創新的重要作用，著重探討了在計算機學科教學創新中科學方法與科學思維的作用，特別是結合所在學校計算機專業教學實際，探討了以課程為載體融入計算機思維的手段和方法，對提升和促進我國計算機科學與教育事業的進步起到了重要的推動作用。

計算思維作為計算機科學領域的高級思維活動，它對計算科學的發展和進步具有深遠影響，通過運用計算機科學的基礎概念，將人類行為理解與問題求解等一系列思維進行系統設計。Zenon W.Pylyshny認為大腦中發生的認知過程也與計算過程“強等價”，并從功能建構、代碼符號結構、代碼定義結構三個層面對認知過程進行了詮釋[2]。中科院院士李國杰認為：計算機科學本質上源自工程思維和數學思維，但計算思維遠遠不只是為計算機編程，它與“讀寫能力”一樣，是具有抽象的多個層次上的思維，既是每個人應具備的基本技能，也是人類的基本思維方式，因而它不屬于計算機科學家獨有，計算思維將滲透到我們每個人的生活之中。哈爾濱工業大學戰德臣教授認為：當前大學非計算機專業計算機教學課程存在知識型/技能型教學與未來計算能力需求之間的鴻溝，當前的教學模式關注點是計算機及其通用計算手段的應用，而能跨越通用計算手段到各學科專業計算手段的鴻溝，應是基于通用計算手段的計算思維與計算能力，思維性基礎教育應是改革的方向。

總之，對于計算思維的研究國內外都取得了可喜的研究成果，我國高校也在計算機科學教學方面有意識地進行了相關研究。但對于計算思維概念、基本原理、歷史沿革（發展階段）以及今后的前景，特別是在教學中如何培養計算思維等，無論是國外還是國內目前還缺乏統一的認識，國內外尚未有文獻全面而詳細地對這些問題進行歸納總結。特別是對于計算思維從何而來？它的基本原理和特征怎樣？以及如何在高校計算機專業教學中有意識地培養計算思維能力等問題都需要有一個總體的把握，以推動和促進計算思維的研究健康發展。

二、計算思維的基本特征

1、計算思維的原理

有學者認為：計算思維的原理包括機算設計原理、形理算一體原理和可計算性原理。所謂機算設計原理，就是通過利用運行規則（算法）以及與物理器件相結合，從而實現某個任務順利完成的原理。自從計算機廣泛應用到社會生活各個方面之中，其計算思維領域也在不斷擴展，電子計算機的創造改變了世界，帶給人們許多前所未有的驚喜，計算機的設計原理也成為計算機科學取得的最顯著的成果，可計算性原理亦即計算的可行性原理。所謂形理算一體原理，即是應用相關理論針對具體問題進行計算發現規律的原理。[3]在計算思維領域，就是從物理模型和物理圖像出發，尋找相應的數學工具與計算方法進行問題求解。

2、計算思維的概念、方法和特征

計算思維一詞由Jeannette M. Wing 于2006年提出，要弄清究竟什么是“計算思維”，這是計算思維研究最為關鍵和首要的內容之一。但眾多專家與學者對計算思維的概念目前還未建立起統一的共識，并且每位學者對計算思維的觸角和認知也是各抒己見，都有自己獨到的見解;它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。其定義是：運用計算機科學的基本理論和基礎概念去解釋或理解人類行為，進行系統的相關設計和求解問題。周以真認為，計算思維具有六個方面的主要個特征（數學思維與工程思維的互補與融合;概念化，不是程序化;是人的，不是計算機的思維方式;是思想，不是人造物;根本的，不是刻板的技能;面向可以觸及到的所有的人，所有的地方）以及涉及到的計算機科學的思維能力培養系列的各種方法（保護、冗余、遞歸，容錯、糾錯和恢復，抽象和分解，學習和調度，利用啟發式推理來尋求解答，在不確定情況下的規劃等等）。[4]故綜合以上觀點：本人認為計算思維是我們的親密伙伴，它是以思維科學為基礎，體現了形象思維與創新思維的發展方向，通過計算基礎將思維科學為核心的認識論不斷推向新的研究領域[4]。

三、計算思維能力的培養、創新與策略

1、重視計算思維能力的培養

當前，對學生進行計算思維能力的培養已經越來越受到重視，并在教育領域逐漸展開。國外很多國家的教育主管部門或教育機構也將更多的精力投入到對學生計算思維教育、訓練以及計算思維能力的培養，并高度重視計算思維能力的培養，將它納入學校課程的考核體系之中。但就目前而言，我國對計算思維能力訓練和有意識的培養還遠遠不夠，其設計與整體規劃欠完善，至今還沒有形成一套完整的方法體系，盡管高校在教學過程中已經有意識地進行學生計算思維訓練及能力培養，但這些都是探索性的、小規模的和碎片化的，缺乏大規模的、系統化的和自覺的意識。我國在計算機科學研究方面的專著如《計算機科學導論—思想與方法》和《計算機科學與技術方法論》等，已經列為完整成熟的計算機方法論的研究成果，[5]但對剛剛起步的計算思維培養研究而言，要走的路還很遠，還有很多工作需要開展。以筆者所在學校為例，嘗試在醫科學生中開設了“醫用計算機基礎”這門課程，從學生學習和反饋的情況看，很受學生歡迎且反響較好。因此我們認為可以在高校非計算機專業學生中進一步嘗試開設計算思維能力的課程，達到學生培養的目的。

2、創新計算機思維能力方式和手段

21世紀是知識經濟的時代，更是知識創新的時代。國家的興旺和國力的強大離不開創新，而創新的核心問題取決于人，只有在教育教學中主動融入創新理念，充分調動學生的創新意識和創新主觀能動性，才能在未來社會發展和競爭中

搶占新世紀新型人才的培養的制高點，不負時代向教育和人才培養提出的嚴峻課題。因此，高校在計算機思維能力培養方面，要有意識地創新教學方式和教學手段，使計算機思維能力的培養成為學生喜聞樂見的教學課程，以培養出具有創新意識和創新能力的創造型人才，使我們在日益激烈的國際競爭中昂首闊步、充滿信心地迎接各種挑戰，才能并保證我們在未來競爭中立于不敗之地，從而達到目的雙贏。

3、加強計算思維能力培養教學策略

當前的社會發展形勢要求高校必須重視和加強大學生創新能力的開發和培養，而計算思維理應成為高校課堂教學采用的重要工具。筆者所在的高校經過多年努力，教師與學生對計算思維能力的培養達成了共識，在教學過程中也日漸體現其效果。已在教學當中逐步應用，但如前所述，由于人們計算思維的認識還沒有達到較高層次，作為獨立的學科體系來說，計算思維還未成氣候，并且在教學中的應用還限于是少數專家學者的行為，一般處于探索階段、小規模或較為零散的實驗性教學，在培養過程中缺乏系統性的應用計算思維的系列方法，[6]取得的效果還有待時間的經驗。但總之，基于“一種新的思維模式的培養，可以通過有針對性的學習、訓練、實例展示與應用來逐步完成，最終在人的思維結構中形成一種新的可選擇的思維定式”。隨著現代教育信息技術的發展，互聯網+時代的到來，學生可以通過混合式學習模式自主學習，以培養非計算機專業學生的計算思維能力。

【參考文獻】

[1] 牟琴，譚良.計算思維的研究及其進展[J].計算機科學，2011.03.25-28.

[2] 陽小華，劉杰，劉志明，徐卓然.融入計算思維訓練的程序設計教學方法探討[J].高教學刊，2015.19.106-109.

[3] 黃玲玲，楊剴，王穎，黃欣陽，陽小華.計算思維特征探析[J].計算機教育，2014.17.12-15

[4] 劉杰，陽小華，陳星，劉志明，張慧仁.提升計算思維能力的編程游戲設計[J].電腦知識與技術，2014.21.55-57.

[4] 萬亞平，陽小華，劉志明，黃欣陽，馬淑萍.計算思維系統化特征探析[J].中國科教創新導刊，2014.11.99+101.

[5] 丁琳，王穎，馬淑萍.MOOC支撐下的以計算思維為導向的大學計算機課程教學模式研究[J].計算機教育，2014.09.30-33.

[6] 龔向堅，鄒臘梅，胡義香.以培養學生計算思維能力為目標的計算機專業主干課程教學改革探討[J].高等教育研究（成都），2014.01.26-28+34.

【作者簡介】

彭國建（1969-）男，湖南衡陽人，南華大學教務處實驗師，主要從事高教管理研究.