計算思維與高等教育的融合

王茹娟

摘要：計算思維的培養不是計算機單一專業的要求，而是整個大學通識教育的重要組成部分。為了讓學生尤其是非計算機專業的學生更好地理解和掌握計算機的原理和本質，更好地應用計算機技術解決本專業實際問題，教師在計算機課程教學中應以計算機的核心概念、重要原理和先進技術為依托，以計算思維的解決思路為主線，以多學科融合的典型案例為延伸，打破各專業之間的壁壘，實現思維的遷移。

關鍵詞：計算思維；融合

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2017.04.030

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1671-1580（2017）04-0104-03

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、有效地進行信息處理，提出問題的解決方案。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。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。直到2006年，JeanetteWing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，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。

Denning提出了計算思維本身是否是科學探究的一個方面、問題或延伸，事實上可能被納入更廣泛的科學原理的架構問題。計算科學出現在其他科學中，不是作為一個流動的概念，而是一個來自科學本身的概念。計算思維被看作是這種科學的一個特點。而不是計算機科學的一個顯著特征。

二、計算思維與各學科的融合

計算思維與各學科專業有著千絲萬縷的聯系，要分析“計算”與各學科之間的融合關系，依據專業需求和學生特點來設置相應的課程內容和教學方法。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。Rob.errs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。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”。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。

（一）計算思維與STEM領域的融合

在大學教育中，關于計算思維的實踐教學研究主要在科學、技術、工程和數學（sTEM）領域中。目前，計算機科學與生物學之間已經出現了交叉重疊的概念。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。他們主張進一步融合兩個學科，將提高對生物進化的理解，同時也能改善各種算法的設計。秦紅設計的基于計算思維的生物信息學課程得到了學生積極的回應，但由于各種因素，比如學生在學習更多的計算機技術的不適應，如Linux，以及計算機實驗室設計中所出現的各種問題表明需要進一步改革教學環境與方法。

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”。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。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。

計算思維在STEM領域中的交叉及應用使學生通過計算思維的訓練，解決問題的能力有所提高。

（二）“計算”概念在非STEM領域中的不確定性

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。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。

例如，通過計算機的數據采集和處理的應用使得考古領域取得重大進展。它現在能通過計算構造出詳細的3D可視化考古遺址，包括人工分布以及放射性探測等資料。基于Agent的建模已被用于探索史前環境與人類互動的假設。但簡單地將一個計算機科學家加入到考古發掘中（或甚至只是對人進行復雜的硬件或軟件使用方面的培訓），并不意味著“計算思維”已經成為整個領域的主要內容。

過于擴大“計算”作為形容詞在各個領域中的應用，計算機作為工具和計算思維也有可能造成混淆。“計算考古學”在不同的上下文中可以有截然不同的意義。在考古界的學術領域，它描述了應用程序的計算機工具、網站分析和集合的工具。在基因學研究領域，它是一套分析物種之間的基因水平轉移的方法。這種缺乏精度的術語使它更難確定計算思維在高等教育中的實際應用。

三、交叉學科的融合障礙

計算思維在人文學科中的應用并不廣泛，雖然在個別機構對此做出了研究。例如，斯坦福大學文學實驗室，將計算思維的各元素應用于文學作品中，從計算思維借鑒來的應用圖理論對威廉·莎士比亞、紅樓夢等作品中的人物關系和相互作用進行網絡分析。然而，人文學科的構成問題使用“傳統”算法（圖靈型）可能會難以解決。計算思維在文學研究的應用，并非不重要那么簡單，而是因為被分析的數據也是含糊不清，而且計算分析文本的困難將隨著語義維度的增加而變得越來越難。

此外，在人文學科內還有在某些情況下很難使用分析技術，因為其含義有可能被簡化。人文是致力于解釋，作為知識的概念來理解現象、社會、文化的世界，是通過構想和制定的行為，沒有機械或自然主義寫實表示的預先存在的、明顯的信息。Papert指出當考慮科學知識時，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。

盡管如此，在一些人文和社會科學領域中依然有一些算法被提出。例如，在政治學領域，Frohock觀察到算法思想的線性和基于規則的性質可能成為一個多元化的社會的必要條件。Turkle和Pap.ert指出純粹的形式主義計算模型的影響，他們還進一步提出除了計算問題方法的不同之外，還可能通過關于學生性別和思維方式等社會假設進行強化。但是，許多反對在人文和藝術中應用計算思維的人假設計算思維是閉合的、有限的的理論和方法；重點是新興的計算模型和計算機科學家跨學科培訓可能鼓勵計算思維方法的發展更適用于人文和美術的“開放——終結”問題方面的研究。

在音樂表演領域，Edwards提出音樂可以通過計算機進行合成。他將計算機應用到二十世紀中葉起源的音樂作品中，使用計算機程序塑造人聲部分并與音樂進行合成，而這一應用印證了合成音樂的算法的有效性，是人機協作的完美體現。我們認為人類情感思維的不確定性和計算思維融合擴大了人們的創造力和擴展力，而計算思維則推動了交互計算的新模型的發展。

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。Cortina指出“非技術性非專業的嚴謹和細節需要正確編寫計算機程序是必不可少的”。對此他提出制定一個新的課程作為編程入門的替代課程。其重點是無需任何實際的編程算法和計算思維原理，而不是編寫代碼，學生用流程圖模擬器創建簡單的計算機游戲。soh等人提出更為詳細的跨學科計算思維課程，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。該項目提出了多種途徑，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。

四、結論

將計算思維技能納入大學課程，問題主要在分析和設計的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，設計計算思維課程所使用的策略類似于那些用來教學的一般方法。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。