計算機系統課程教學模塊中的計算思維

鄧韌+樊友洪+劉興長+馬靜恒+李娜

摘 要：針對計算機系統課程的計算思維培養現狀，提出計算機系統教學模塊的計算思維培養框架模型，探討計算機系統中計算思維的本質和3種重要的計算思維，為在實踐教學中培養學生的計算思維提供借鑒。

關鍵詞：計算機系統教學模塊；計算思維；抽象；自動化

1 背 景

教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會在《高等學校計算機基礎教學發展戰略研究報告暨計算機基礎課程教學基本要求》中給出了計算機基礎課程教學的4個教學模塊，即①系統平臺與計算環境，包括信息與社會、計算機系統以及計算機網絡；②算法基礎與程序設計；③數據管理與信息處理；④系統開發與行業應用[1]。盡管如此，大學計算機基礎課程的教學內容到底應該包括哪些模塊仍然莫衷一是。然而，無論哪所大學，無論從事計算機基礎課程教學的教師秉持何種教學觀念，計算機系統和算法基礎與程序設計已是計算機基礎課程教學中兩個最主要的教學模塊，這一點已經達成共識。

另一個共識是在大學計算機基礎課程教學中要注重探索和培養學生的計算思維。目前，計算機基礎教學中對計算思維探索與培養的側重點基本放在基于問題求解的“算法基礎與程序設計”教學模塊上，在“計算機系統”教學模塊中則體現較少，究其原因是算法、程序設計等軟件教學方面的內容，與計算及問題求解的關系更為密切。若要將計算思維作為思維模式進行培養，則應將其貫穿于課程教學的全過程，那么，計算機系統教學模塊也概莫能外——這句話可以從兩方面進行解釋，一是計算機系統教學模塊內部要體現計算思維，二是計算機系統教學模塊中的計算思維作為完整的計算思維過程鏈中的一環，甚至是最基礎的一環，要為全過程、全方位的計算思維培養提供原理支撐。我們對計算機系統教學模塊中的計算思維進行研究。

2 計算機系統教學模塊中的計算思維框架模型

計算思維貫穿計算機系統模塊教學的始終。計算思維應該是一條線，將計算機系統的核心知識點像串珍珠一樣串起來，培養學生從機器本身和計算機科學家這兩個思維角度理解計算機系統的底層運作機制；在此基礎上，計算機是實現問題求解的手段，計算思維則是人類求解現實問題的一條途徑[2]，是一種解決客觀世界各種可計算問題的思維方法。

基于以上思路，我們將計算機系統教學的核心知識點概括為計算思維框架模型，如圖1所示。結合該框架模型，我們對計算機系統中計算思維的本質和3種重要的計算思維進行歸納。

3 計算機系統教學模塊中計算思維的本質

計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類行為的一系列思維活動的統稱[2]，其本質是抽象和自動化，即在不同層面進行抽象并將這些抽象機器化或自動化。

對于客觀世界中的某個可計算問題，要映射到計算機世界去求解，通常需要兩個步驟：一是將待求解問題抽象為可計算的概念模型；二是對于概念世界中的概念模型，用物理的計算機世界來實現與求解。前者體現計算思維的本質之一——抽象化，后者反映計算思維的本質之二——自動化。

抽象是一種很好的管理復雜性事物的思維方法。好的抽象可以把一個幾乎不可能管理的任務劃分為兩個可管理的部分：第一部分是有關抽象的定義和實現；第二部分是隨時用這些抽象解決問題[3]。

“抽象的定義和實現”可以理解為領域內的、深刻反映外部世界的一些通用概念，在計算機系統教學中，就是指學生通過學習各個知識點來理解計算機系統的底層運作機制；“用這些抽象解決問題”意味著學生不能以客觀世界的事物為起點開展思維，而應該以計算機系統中的抽象概念為起點分析待求解問題，包括用抽象概念代表待求解對象，用概念間的關系來代表待求解對象之間的關系。到此時，具體而復雜的現實問題被抽象為一個可計算問題，現實世界在抽象的計算機概念世界中得到再現。

“隨時用這些抽象解決問題”意味著計算機要將抽象概念機器化、自動化。雖然計算機的計算能力日益強大，應用范圍日益廣泛，但是從本質上來說，計算機的基本功能很簡單，即通過執行程序進行信息處理[4]。信息處理包含兩方面的意思：一是構造求解問題的算法和程序；二是程序在機器層面的自動執行，即自動化。

抽象和自動化這兩種重要的研究思維模式，對于用計算手段求解現實問題是非常有效的，能為其他的計算思維奠定基礎，因此，教師在教學中要注重培養這兩種思維模式。本質上來說，現實問題的計算和問題求解是不同層面的抽象以及抽象之后的自動化，這種抽象和自動化通過二進制思維、指令自動執行思維、程序自動運行思維3方面得以體現。

4 3種計算思維

4.1 二進制思維

要將待解決問題表示成可計算的對象，就是要將該問題抽象為可描述的數學模型，并將可計算對象及其特性符號化，符號可以是數字、文本、圖形圖像、聲音、視頻等，統稱為該對象的數據信息（包含數值性和非數值性）。計算機本質上是二進制（0、1）的世界，即可計算對象的數據信息都要表示成計算機可以處理的符號——0、1。在二進制的世界里，所有的二進制運算都可以用邏輯運算代替，而香農在題為《繼電器和開關電路的符號分析》的論文中指出“由繼電器、晶體管等電子元件組成的邏輯電路可以實現所有的邏輯運算；然后，再通過集成各種復雜的邏輯電路得到不同功能的硬件——處理器、內存儲器、I/O設備，最后，在一定的體系結構下將這些硬件結合在一起，實現計算機的信息處理功能”。由此可見，從客觀世界到計算機世界的紐帶就是二進制（0、1）。

二進制思維是一種將客觀事物符號化、符號二進制化、二進制電子化和電子集成化的思維過程，是一種非常重要的計算思維。教師在教學中要培養學生多從機器的思維（客觀事物二進制化的抽象思維）和計算機科學家的思維（怎么實現二進制化，即二進制電子化和電子集成化的自動化思維）這兩個角度學習及思考，這種代入感對于學生掌握計算機系統運行原理和培養學生的計算思維都有事半功倍的效果。

在教學實踐中，為了培養學生的二進制抽象思維，可以采用事物編碼的方法。第一步，利用二進制方式對事物進行編碼，若用0001表示計算機類，則可用000101表示微型計算機類；第二步，利用編碼方式表達事物之間的靜態聯系，如整體與部分的關系，若用0001010001表示一臺微型計算機，則可用000101000110表示該計算機的第二顆CPU，由此，學生可利用二進制編碼逐漸建立出一個符號化的靜態世界；第三步，利用二進制編碼方式表達事物之間的動態關系，如前述的“微型計算機第二顆CPU開始運行”這個概念，可以使用 01 000101000110表達，前面兩位數“01”表示“開始運行”的操作碼，后面12位數“000101000110”是操作數，由此，學生可以利用二進制符號化、抽象化地表達世間萬物及其之間的關系，同時也能為后續計算機指令的表達方式作鋪墊。這些步驟可以讓學生深入理解機器是如何理解和表現世界的，從而切實了解機器思維。在將現實世界抽象為符號世界的基礎上，我們繼續探討了計算機科學家們是如何從抽象的符號世界走向物理的電子世界的。

4.2 指令自動執行思維

將待求解問題表示成可計算對象后，怎么基于計算手段來求解呢？問題的求解方案可以抽象為基本動作以及基本動作的各種組合所構成的動作序列，因此，我們將基于計算手段的求解方案的實現轉換為對抽象的定義和抽象定義的自動化實現：①定義這些基本動作；②實現控制這些基本動作并按次序執行的機構。對這些基本動作的控制就是指令，為求解問題而將指令按一定次序進行組合就構成程序。程序（指令序列）經輸入設備輸入并存儲在內存儲器中，處理器從存儲器中一條接一條地順序讀取并執行這些指令，以實現信息處理的功能。由此可見，計算機系統是根據程序來自動控制這些基本動作的執行，從而完成問題求解。人的任務是編制程序——將待求解問題轉換為程序，通過程序運行達到解決問題的目的。

指令自動執行思維體現的是指令如何被表示、如何被存儲以及如何被CPU（控制器和運算器）執行的基本思維。

教學實踐中，通過二進制思維的培養，學生掌握了指令二進制表達方式的基礎。在此基礎上，一方面，教師可以通過圖示、動作分解、寄存器狀態再現、I/O分時動作等方法，重點分析指令表達及其存儲、指令的自動執行等知識點，增強對學生指令自動執行思維的培養；另一方面，教師可以讓學生利用DEBUG命令實驗驗證計算機指令的存儲、執行以及結果，讓學生切身體會指令自動執行的過程和效果。

4.3 程序自動運行思維

指令自動執行思維是從微觀角度思考指令與硬件的交互，再通過拓寬思維，從宏觀角度思考程序借助操作系統與硬件的交互和自動運行。

操作系統是程序和硬件之間的接口，負責向應用程序提供簡單一致的機制來控制復雜而原理各異的底層硬件設備[5]。這個簡單一致的機制就是“抽象”，也是計算機管理硬件的關鍵。這些抽象主要包括文件、地址空間和進程，其中，文件是對I/O設備的抽象表示，它為程序創造了一個抽象的永久存儲設備；地址空間是對內存和I/O設備的抽象表示，該概念為程序創造了一個抽象的獨立的內存；進程則是對處理器、內存和I/O設備的抽象表示，進程概念創造了一個抽象的獨占的處理器以運行程序。在此基礎上，程序和硬件之間的交互以及自動運行主要是利用操作系統提供的、比實際硬件更方便使用的抽象來實現，包括程序及其數據被合并成一個文件并保存在I/O設備上，程序運行時，處理器將這個文件加載到“獨立的”地址空間，然后該進程被“獨立的”處理器執行。

程序自動運行思維體現的是在操作系統的協助下程序被硬件自動運行的思維。在教學實踐中，我們一方面補充講解計算機操作系統的必要內容，如文件系統管理、內存管理、進程管理等相關知識；另一方面則結合生活中的實際問題進行實驗，如批處理文件的編寫、文件I/O操作與NTFS文件系統的關系等。通過這些與日常學習生活非常貼近的知識和實驗，學生不僅對操作系統和計算機硬件系統之間的協作有了更深入的理解，同時也培養了他們的程序自動執行思維。

指令自動執行和程序自動運行思維是一種構造性的問題求解思維，即一個問題的求解可以通過構造其算法和程序來解決，因此這兩種思維對于培養學生利用算法和程序手段求解客觀現實問題具有重要的意義。

5 結 語

計算機系統教學模塊中計算思維的本質以及二進制思維、指令自動執行思維、程序自動運行思維3種計算思維可以讓學生逐步理解計算機系統，并且讓學生能夠進行這些知識背后的思維訓練，為學生形成抽象和應用自動化手段求解問題的思維模式提供重要支撐。我們所在的計算機系統教學組已經將這些計算思維應用到實際教學中，并編寫了支撐計算思維教學的教材，即將由清華大學出版社出版。

計算思維作為一種解決客觀世界各種可計算問題的思維方法，在計算學科中還有很多應用。教師要挖掘并傳授這些思維，學生則要掌握這些思維并將這些思維與自己的專業研究對象結合起來，從而形成一種應用計算手段求解問題的創新性思維，這種思維的培養也必將對專業人才在未來進行創造性研究產生深遠影響。

參考文獻：

[1] 教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會. 高等學校計算機基礎教學發展戰略研究報告暨計算機基礎課程教學基本要求[M]. 北京： 高等教育出版社， 2012： 9-10 .

[2] 周以真. 計算思維[J]. 中國計算機學會通訊， 2007， 3（11）： 83-85.

[3] Tanenbaum A S. 現代操作系統[M]. 3版. 北京： 機械工業出版社， 2009： 2-3.

[4] Stallings W. 計算機組成與體系結構——性能設計[M]. 彭蔓蔓， 吳強， 任小西， 等譯. 6版. 北京： 機械工業出版社， 2011： 7.

[5] Bryant R E， OHallaron D R. 深入理解計算機系統[M]. 龔奕利， 雷迎春， 譯. 2版. 北京： 機械工業出版社， 2010： 10-13.

（編輯：宋文婷）