以計算思維為主線整合大學計算機通識課程

王大鵬　王續琨　劉德山　宋傳鳴

摘要：計算思維是一個具有多重內涵的概念，一般而言是指人通過計算的方式認識客觀世界和參與改造客觀世界的腦力活動。文章依據現有的期刊論文和已經出版的計算思維類教材，梳理出計算思維導論課程的5個基本論題，以計算思維作為課程整合的主線，提出將計算機應用基礎、計算機文化概論、計算思維導論列為面向所有本科生的大學計算機通識課的課程設置改革方案。

關鍵詞：計算思維；計算思維導論；大學計算機通識課；計算機文化

1.計算思維概念的多重內涵

計算思維作為與理論思維、實驗思維相并列的一種科學思維形式，近年來越來越受到學術界的關注，相關文獻逐年增多。依據文獻檢索結果可以大致斷定，中國學者在20世紀90年代即開始使用計算思維概念。錢學森先生于1980年提出創建和發展思維科學的設想，此后中國學者逐步將思維研究的觸角延伸到計算學科和計算機技術領域。1992年，黃崇福在其博士學位論文《信息擴散原理與計算思維及其在地震工程中的應用》中為計算思維做出了最初的定義：“簡明扼要地講，計算思維就是思維過程或功能的計算模擬方法論。”這是一個從思維的計算功能模擬視角所做出的定義。

在中國知網的《中國學術期刊網絡出版總庫》中以計算思維作為檢索詞進行篇名的精確檢索，共檢出901篇文獻（以下簡稱為計算思維期刊文獻）。表1列出這些文獻2003-2016的年度分布情況（2016年僅錄入部分文獻，表中加括號予以特別標示）。

第一篇計算思維期刊文獻是《生物醫學工程學雜志》2003年第3期發表的《人腦不同計算思維方式的功能定位研究》，此文也是在腦科學、思維科學的意義上使用計算思維概念的。中斷了5年之后，2009年共有8篇計算思維期刊文獻問世。檢視文獻內容可知，這些文獻所論述的計算思維概念是從國外引進的。國外的“計算思維”概念最早出現于2006年美國卡內基·梅隆大學計算機科學系教授周以真（Jeannette M.Wing）發表的《計算思維》一文，此文提出具有特定學術內涵的計算思維（computational thinking）概念，從計算機科學角度為其做出了經典定義：“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，它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。”2008年，美國計算機協會（ACM）接受了周以真的計算思維理念，明確要求計算機導論一類課程應該重點講授計算思維的本質。由于權威學術團體的大力倡導，計算思維迅速成為計算機學術界和高等教育界的一個熱詞。

2008年10月，全國高等學校計算機教育研究會計算思維與計算機導論專題研討會在桂林召開，此后出現了學術研究的連鎖反應，相關文獻數量迅速增長。由表1可知，計算思維期刊文獻從2010年至2013年分別呈現三倍數、四倍數和兩倍數的增長。2015年該類文獻的產出量大約在300篇以上。目前，在中國知網的《中國優秀博碩士學位論文全文數據庫》中以計算思維作為檢索詞進行題名的精確檢索，可以檢索到25篇學位論文。除前面提到的1992年完成的一篇博士學位論文之外，其余24篇碩士學位論文為2012年3篇、2013年4篇、2014年7篇、2015年10篇，同樣呈現加速增長的趨勢。期刊文獻和學位論文數量的急劇增長，緣于社會需求的強力拉動，社會需求誘導研究者對計算思維產生越來越高的學術關注度和探究熱情。

初步瀏覽上述期刊文獻的內容可以看出，中國學者在研究中普遍從計算機課程教學和人才培養的視角來探討計算思維的各種問題。較早介入計算思維研究的董榮勝，借用周以真的定義將計算思維界定為“運用計算機科學的思想與方法進行問題求解、系統設計以及人類行為理解的涵蓋了計算機科學之廣度的一系列思維活動”。該定義將周以真定義中的“基本概念”置換為“思想與方法”，有助于人們對計算思維有更全面的理解。

在最近幾年的研究中，中國學者對計算思維概念也做出了一些補充性的闡釋。李廉在《計算思維——概念與挑戰》一文中從基本特征的角度做出界定：“計算思維是人類科學思維中，以抽象化和自動化，或者說以形式化、程序化和機械化為特征的思維形式。”龔沛曾和楊志強的《大學計算機基礎教學中的計算思維培養》一文，認為計算思維包含計算思維意識、計算思維方法、計算思維能力3個層次的內容。張東生和季超在《從形象思維到計算思維》一文中指出，現代計算思維概念的內涵是計算機解題（目前主要是結構化和形式化問題）的思維方式。

思維是人認識客觀世界和指向改造客觀世界的精神活動（或腦力活動），是人類大腦的機能，并可由機器加以模擬。基于對思維的這樣一種理解，可以為計算思維做出一個粗淺的解釋：計算思維是人通過計算的方式認識客觀世界和參與改造客觀世界，能夠為機器所部分模擬的腦力活動。對人而言，計算在本質上是一種思維性的腦力活動。將計算和思維整合為計算思維概念，目的在于強調從思維的層面或視角來看待、研究、應用計算方法和作為計算工具的電子計算機，概括、總結、提煉計算理論和計算文化。

2.計算思維導論類課程基本內容的梳理

進入新世紀以后，在美國計算思維教育理念的影響下，許多中國學者主張“大學計算機”類課程應以計算思維為主線。2010年以來，一些學校開設了以計算思維導論、計算思維概論、計算思維基礎等命名的課程。借助“讀秀學術搜索”平臺，可以檢索到以計算思維作為書名主題詞的著作46部，其中2012年3部、2013年7部、2014年16部、2015年20部。這些著作多數為高等學校計算機類課程的教材，其出版量的快速增長，表明開設計算思維類課程的學校越來越多。

各高等學校所開設的計算思維類課程在體系內容方面各擅勝場，各有側重。在翻看多部教材類著作的基礎上，我們梳理出計算思維導論類課程的5個基本論題，每個論題之下都包含若干具體內容或有待長期研究的具體課題。

——計算和計算思維的本質和特征。主要內容包括：計算和計算思維概念的內涵和外延，計算手段向計算思維轉化遞升的路徑，計算思維的基本特征，計算、計算思維與電子計算機的關系，前計算機時代與計算機時代計算思維的比較。

——計算思維的科學定位。主要內容包括：計算思維與創造性思維的關系，計算思維與理論思維、實驗思維的區分和相互關系，計算思維與抽象思維及具象思維的交互作用，計算思維與邏輯思維及直覺思維的交互作用，計算思維與科學學科思維的互補關系，計算思維與管理思維、決策思維、臨床思維等實踐活動思維的互滲關系。

——計算思維的社會功能。主要內容包括：計算思維的適用范圍，計算思維的創新功能，基于計算思維（概念、方法、模型、算法、工具、系統等）進化的解決問題新模式，計算思維與互聯網時代網絡思維的內在聯系，作為科學研究手段的計算思維模式，計算思維轉化為科學研究方法的機制，計算思維在計算機通識課建設中的導向作用，計算思維框架下的計算機類課程教學模式，計算思維在管理、工程、生產等領域的實際運用。

——計算思維的運作機理。主要內容包括：計算問題的辨識和確認，計算思維進路的設計，計算思維的展開步驟，計算思維的表述體系，計算思維過程中的基本運作方法（嵌入、轉化、仿真等），計算思維的化整為零（有限元）原理，計算思維的化繁為簡（約簡）原理，大數據和云計算背景下的計算思維運用模式。

——計算思維培養訓練的路徑和方式。主要內容包括：小學階段、中學階段和大學階段計算思維訓練的對接，知識傳授基礎上的計算思維培養訓練機理，不同類型大學生（理科生、工科生、農科生、醫科生、文科生、高等職業院校生等）計算思維能力培育的共性和差異，計算思維培養訓練與相關課程（計算機硬件類課程、程序類課程、算法類課程、數據庫課程、一般數學類課程、信息技術類課程等）的關系，不同類型受教育對象的計算思維培養方式，跨學科課堂的計算思維訓練。

伴隨著高等學校計算思維導論類課程的普遍開設，在計算思維研究成果積累到一定程度之后對這些成果進行學科化梳理，有望建立一門新學科——計算思維學。以計算思維作為研究對象的計算思維學，是介于計算科學、計算機科學與思維科學之間的交叉學科。這門學科對于強化計算機思維導論類課程的理論基礎具有不可替代的作用。

3.整合大學計算機通識課程的構想

電子計算機是20世紀人類的一項極為重要的發明成果。在電子計算機的重要性越來越凸顯、應用范圍越來越廣泛的大背景下，高等學校為學生普遍開設計算機類課程是必然的選擇。20世紀80年代初，計算機普及在中國出現第一次熱潮，一些高等學校開始為學生開設“計算機應用”一類課程。為了推動面向非計算機專業大學生的計算機基礎教育，1984年，全國高等院校計算機基礎教育研究會成立。1985年，該研究會提出高等學校非計算機專業同四年學制相對應的計算機基礎教育4個層次課程體系方案。在計算機普及的第二次熱潮中，教育部于1997年12月下發教高司[1997]155號文件，提出計算機基礎教育的目標、要求和內容，將以往的4個層次調整為計算機文化基礎、計算機技術基礎和計算機應用基礎3個層次。2002年以來，全國高等院校計算機基礎教育研究會和清華大學出版社共同發起成立的“中國高等院校計算機基礎教育改革課題研究組”，在2004年、2006年、2008年、2014年出版課題研究報告《中國高等院校計算機基礎教育課程體系》，提出不同類型專業的計算機基礎教育課程體系參考方案。

2008年以后，源于美國的計算思維概念傳人中國，對計算機教育產生了深刻的影響，不僅出現一批融入計算思維理念的計算機基礎類教材，如《計算思維與大學計算機基礎》《大學計算機基礎與計算思維》等，還出現了《計算思維基礎》《計算思維導論》《計算思維教育》《計算思維——計算學科導論》等以計算思維為主要內容的教材，可以將這種趨向稱之為計算機基礎教育的“計算思維轉向”。

針對這一情勢，《中國高等院校計算機基礎教育課程體系2014》明確指出：“把計算思維能力的培養作為計算機基礎教學的核心任務和改革的切入點，……需要以現有的計算機基礎教學培養目標和內容為基礎，從計算思維能力培養的要求角度，進一步組織與優化教學內容，突出核心；同時，通過教學方法的改革，加強思維方法訓練。”遵循這個思路，我們提出改進高等學校計算機基礎教育的課程設置方案。

中國高等學校總計有數百個本科專業，各校根據自身的專業設置情況和師資力量，對非計算機專業可以按專業類別，據實際需要開設不同的計算機課程，如面向工科類專業的程序設計、計算機硬件技術基礎、微機原理與接口技術、數據庫技術與應用、計算機輔助設計基礎等，面向文科非財經類專業的數據庫與程序設計、網頁設計基礎、電子政務應用、電子商務應用、社會統計分析軟件應用等。在這些個性化課程之外，建議面向所有的專業（包括計算機專業）開設計算機應用基礎、計算機文化概論、計算思維導論3門公共必修課。這3門既有相對功能分工又有總體整合目標的課程，是通識教育的重要內容，因而可將其稱為大學計算機通識課程。這是一個涵義更為直觀的概念。

計算機應用基礎的基本功能，是通過計算機應用技能的訓練，提高學生的信息素養，使之具備良好的信息獲取、信息儲存、信息處理、信息呈現分享能力，初步認識計算和計算思維在社會進步中的重要作用，成為信息社會的合格公民。這門課程要特別注意同中學階段銜接。由于中學辦學條件的不斷改善，大學生入學時已經掌握了基本的計算機操作技能。計算機應用基礎課程要在技能的提升上下功夫，適度引入“形而上”的計算機文化和計算思維理念，為后續的兩門課程做必要的鋪墊。

計算機文化概論的基本功能，是通過對生產、銷售、使用和研究計算機過程中所形成的各種文化現象的探討，使學生對多層面（物質文化、行為文化、制度文化、心智文化）的計算機文化有較為全面的了解，使其自覺遵守社會公共道德規范和相關法律法規和信息安全準則，依法進行信息技術活動，堅決抵制不良信息，樹立知識產權意識，敬畏創造性腦力勞動及其成果，充分理解計算思維的智能屬性。

計算思維導論的基本功能，是通過對前期計算機課程和計算機操作應用實踐的總結反思，使學生在思維層面了解計算機的基本原理和演進發展歷程，正確認識計算思維的本質和特征，把握計算思維的科學定位和運作機理，厘清計算機技術發展與計算思維方法及計算思維能力的關系，樹立變革性的計算思維意識，積極主動地實現思維方式的變革。

表2對大學計算機通識課程的功能分工、課程特征、教學方式、整合目標做了簡單的比較。3門課程的功能、特征不同，應該有各具特色的教學方式。計算機應用基礎應圍繞最新軟件技術少講多練，著力于提升學生的計算機操作技能；計算機文化概論應重視情景教學法、案例教學法的運用，在探索研究的氛圍中讓學生感知和體悟無處不在的計算機文化；計算思維導論則要注重引導學生展開自身的思維過程，在總結反思中發展計算思維智能。3門課程既有相對的功能分工，又都以計算思維作為課程整合的主線和“抓手”。

在高等學校普遍減少開課門數、精簡學時的背景下，大學計算機通識課程的總課時要少于以往計算機基礎教育課程的總學時。針對此情況，可采用以下兩種實施方案：第一方案是將計算機應用基礎、計算機文化概論、計算思維導論均設置為小學分課程（例如2學分），教學中以計算思維為主線和“抓手”做到前后呼應、連貫遞進；第二方案是將計算機應用基礎、計算機文化概論、計算思維導論作為3個板塊，整合為一門3-4學分的課程，以計算思維為核心組合課程內容，課程名稱可以選用大學計算機或大學計算機基礎等。這門課程的學時數，不同學校可以有不同的選擇，同一所學校的不同院系或專業也可以有不同的選擇。