高等教育中計算思維問題的探索

王茹娟

摘 要：計算思維幾十年來在學術界中一直存在爭議，直到2006 年， Jeanetee Wing描述計算思維是能夠使學生在所有領域可以獲得成功而需要的一項思維技能。Wing有關計算思維的理論和著作有著廣泛的影響，已經成為研究計算思維的學者在制定教學計劃時的主要參考材料，用于將計算思維貫穿于12年的義務教育之中。盡管著手點在義務教育之中，然而，除了計算機科學、 技術、 工程和數學（STEM）之外很少涉及計算思維，但是計算思維在高等教育中的潛力亟待人們去發掘。文章的目的是審視當前計算思維在高等教育領域中的狀態，并討論計算思維與其他學科的相關性。

關鍵詞：計算思維；高等教育；STEM

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）04-0003-03

Abstract： Computational thinking had been controversial in the academic world for several decades until 2006， when Jeanetee Wing described that computational thinking is a thinking skill that enables students to succeed in all fields. Wing's computational thinking theories and works have had a profound influence and become a major reference for making teaching plans for researchers in the field of computational thinking， which has thus been applied to the 12-year compulsory education. Despite the starting point in compulsory education， computational thinking is rarely utilized except in computer science， technology， engineering and mathematics （STEM）. The potential of computational thinking in higher education， however， is yet to discover. This paper is intended to examine the current utilization of computational thinking in higher education and discuss the correlation between computational thinking and other disciplines.

Keywords： computational thinking； higher education； STEM

一、介紹

計算思維是人類在思維過程中參與制訂問題及其解決辦法的一種思維模式，通過這種方式能快速地、有效地進行信息處理，提出問題的解決方案[1]。計算思維幾十年來在學術界有著不同的名稱和定義。1962 年由Alan Perlis最早提出，同時闡述了卡內基理工學院（現在是卡內基.梅隆大學）的編程入門課程[2]。基于他的研究Seymour Papert在 1980 年使用編程語言進行數學概念的教學，正如所望，程序性的思維（即“像計算機一樣思考”）被認為是構成整體思維技能的一部分[3]。

直到 2006 年，Jeanette Wing在ACM美國計算機學會通訊發表了“計算思維”這篇文章，從此，計算思維得到了新的定義。Wing的文章提出計算思維不只對計算機這門學科的專家有用的一種技能，而是任何人在解決問題和發現計算解決方案時都能使用的心理過程。在這個更廣泛的意義上，被視為邏輯思維的一部分，計算思維可視為一項與所有學科有關的技能，不僅僅是計算機科學。因此，Wing認為：“像對閱讀、寫作和算術一樣，我們應將計算思維加到評價每個學生的能力中去”[4]。

二、計算思維在高等教育中的缺失

在高等教育方面，對計算思維的應用則較為分散。對于計算機科學專業的本科生早期階段的教學而言，計算思維技能問題仍然是熱門的研究課題，也是在各個重要的、有革新性的領域中的研究熱點，但是許多對計算思維在交叉學科感興趣的，要么是具體的機構，例如卡內基·梅隆大學和斯坦福大學，要么就是較大學院專業的分支機構。而沒有機構將計算思維作為一個基本的技能融入到除計算機科學以外的幾個學科中。之所以會出現這種情況，主要是以下幾個原因：

1. 計算思維概念化的問題。這些問題更容易在中小學通過務實專注教學方法來解決它們，卻成為高等教育中更注重研究領域教育的潛在障礙。

2. 除了計算機科學和數學領域，對于從計算機科學分離出來的計算思維方法和簡單的應用計算機程序去解決數據問題的區別了解不多。

3. 即使在計算機科學中，對于計算的理解也是有限的。有些問題是可計算的，而另一些則不能。可能，在人文和其他非科學領域核心訓練問題的構建是一種非計算性的；在某些情況下用“可計算”方式來構建這些問題也許是不可取的。但是，我們當前理解計算的局限性可能被新興計算模型所改變，例如自然計算和并行交互計算[5]。

在本文中，我們會進一步了解現狀以發現計算思維在高等教育中的潛力，希望能夠為構建計算思維教育提供一套明確的方向，以便更好地學習和應用計算思維。

三、計算思維在高等教育中的應用

在大學教育中，關于計算思維的實踐教學研究依然很大程度上存在于科學、技術、工程和數學（STEM）領域中。Miller和Settle對計算機科學和非計算機科學專業的學生對學習樹（路徑）遍歷的多個方法進行了研究。這些樣本表明進行過非結構化學習的學生比經過傳統教學的學生表現的更好[6]。

有研究表明，基于游戲的學習可能是復雜計算思維技能訓練的有效策略。這種游戲原理的理解有可能早在60年代初就被提出了[2]。更多現代的研究將解決謎題游戲作為一種方法介紹編程的入門課程。它的原型最初是一個電腦游戲，學生使用混合的方向和命令移動頭像來通過較為復雜的系列“腦筋急轉彎”問題[7]。作者認為，“作為學習內容的游戲玩法，使學生理解了編程的工作原理，并使用這些原理作為游戲元素來解決環境中的問題，而使游戲成為有意義的事”。其后續的實驗表明：“游戲可以支持可視化的入門性的編程結構“[8]。作者希望通過更大的樣本量來進行進一步的實驗研究，以探索他們以游戲為基礎的學習與計算思維的假設。

在教學和學習方法的創新中，非計算機專業的計算思維的培養取決于跨學科的興趣和延伸。Roberts等人設計了計算思維與自然和社會科學方面進行交叉的訓練方法并進行了拓展[9]。Curzon等人提出“最美的計算是工程、科學、藝術；它沒有明確的邊界，并涉及到每個學科。這種跨學科的方法給了我們機會來提高學生除計算機以外的興趣”[9]。通過計算機與非計算機學科之間的交叉培養來提高學生的計算思維，將計算這種思想與各專業相結合，以促進專業的學習。

計算機科學與生物學之間本身存在著交叉重疊的概念[9-10]。Navlakha 和Bar-Joseph提出了如何在系統生物學和計算思維的各種概念交叉點上進行融合。值得注意的是，從計算思維的角度來看，這兩個學科的交叉點出現在“傳統”（基于圖靈）的概念中。例如神經網絡的概念。在物理學方面，Caballero， Kohlmyer and Schatz使用 VPython編程環境引入計算思維概念介紹力學課程教學。他們發現“解決一系列計算作業中的問題之后，大多數的學生都能夠成功塑造出一個新的問題”[11]。在這些情況下，學生未必能建立一個成功的模型，但通過對質量問題分析和調試技能的額外關注，性能將會得到提高。Hambrusch等人研究并創建了屬于科學而非特定領域的計算思維主修課程[12]。此課程能夠滿足一般的計算要求，大學中應用編程和計算思維概念處理物理學、生物學和統計學中的問題。從學生的進入和退出統計中分析，在計算機科學和計算機編程中學生的完成度有所增加。

將計算思維方法納入非計算機科學和數學領域之外的學科是很困難的事情。一是由于“計算”概念的不確定性，二是因為計算思維是僅限于使用一個封閉的、基于圖靈模型的計算方法來解決問題的觀念。當考慮科學知識時，創建“命題性的知識”和“程序性知識”是存在二義性風險的。例如，自然語言理解一直是計算機專業領域所研究的重點課題，其中所涉及到的語義網絡、本體映射等都是計算機科學的研究范疇。而研究的一些成果已經有大量的應用，若從此來看人文學科與計算機的交叉意義已非分析那么簡單。

將計算思維加入到人文與藝術領域的主修課程中，需要適當的介紹計算思維的原理。為非技術專業的學生介紹計算機科學課程的類型，以便更適應學科的發展。Soh等人提出更為詳細的跨學科計算思維課程[13]，這個是針對文藝復興時期的藝術提出的計算項目，并在內布拉斯加大學進行通用。這一項目跨越了計算機、工程、人文和美術等多個學科。框架提出了多種途徑，通過一系列的專門根據工程、 科學、 藝術或人文為主要研究領域的學生設計計算機科學課程。學生還將參與協作學習活動，不同的學生群體將分配到跨學科項目中的不同工作中。

將計算思維納入大學課程，問題主要集中在分析和設計的教學設計過程而不是發展和實施步驟。教學設計者將計算思維視為其他思維技能等同；因此他們設計計算思維課程所使用得策略類似于那些用來教學的一般化方法。因此，我們需要更多的研究，建立計算思維和教學設計與技術銜接得更好和更具體的教學設計戰略。

四、 結束語

本文綜述了計算思維的相關問題，包括計算機科學與其它非計算機學科之間的聯系和如何將計算思維課程納入非計算機學科中。當然還面臨以下幾個問題：

1. 計算機與其它學科之間怎樣合作，計算思維在其他學科的高等教育發展中的概念化、 執行和評價，建立在各種環境下的共享的模型。

2. 在各種非技術性學科，尤其是社會科學、人文學科和教育教學中如何建立計算思維的方法、策略、示例和案例。

3. 實現評價計算思維所需要的更廣泛的資源。

4. 計算思維教學的研究成果，特別是在非技術性學科。

學生的計算思維能力在進入大學之初就是不平衡的，這與多種因素相關，受地域、家庭、性別、學生興趣、初等教育水平等多種因素影響，因此，在提出各種教育方案之前，了解和分析學生的狀況是教育工作者的一項艱難任務。

計算思維的學習、教學工具和評估程序成為高等教育學生素質發展的需要仍然存在。應進一步研究計算思維與各學科之間的關系。此外，高等教育是一個復雜和相對的環境，改變需要時間。然而，思考和尋求更深層次的解釋將更多地影響未來跨學科的發展。

參考文獻

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[13]Soh，L-K.，Samal， A.， Scott， S.， Ramsay， S.， Moriyama， E.，Meyer， G.， Moore， B.， T.G. Thomas & Shell， D.F.Renaissance computing： An initiative for promotingstudent participation in computing.SIGCSE Bulletin，2009，41（1）：59-63.