“計算+”時代大學生創(chuàng)新思維培養(yǎng)的路徑

崔海莉

摘要：計算思維是時代創(chuàng)新的保障，如何培養(yǎng)計算思維，不僅關(guān)系到人才培養(yǎng)目標的實現(xiàn)，更是關(guān)系到一個國家和民族在信息時代整體的信息素養(yǎng)和競爭能力。文章從計算思維培養(yǎng)現(xiàn)狀入手，分析了以計算思維培養(yǎng)為核心的創(chuàng)新思維培養(yǎng)面臨的困境，然后圍繞意識、方法、能力三個層面，從多重課程體系、多元化培養(yǎng)環(huán)境以及多角度評價體系三個方面，探討了“計算+”時代以計算思維培養(yǎng)為核心的創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，為新形式下培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供思路和途徑。

關(guān)鍵詞：“計算+”；大學生；創(chuàng)新思維；計算思維

中圖分類號：G64，TP3-4 文獻標志碼：A 文章編號：1001-862X（2017）05-0135-006

互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)越來越深刻地改變著人們的工作、生活、經(jīng)濟發(fā)展乃至思維模式，由此帶來了以新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式為特點的新經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展。在此趨勢下，富有創(chuàng)新精神和實踐能力的各類復合型、應(yīng)用型、創(chuàng)新型人才成為一個國家在全球發(fā)展背景下保持競爭力的關(guān)鍵要素，這一需求也驅(qū)動了高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的改革。計算社會學、計算經(jīng)濟學等一批新興交叉學科的興起和突破性創(chuàng)新成了信息時代創(chuàng)新的突破口，即“計算+各學科”、“大數(shù)據(jù)+各學科”、“互聯(lián)網(wǎng)+各學科”的跨界、融合模式，實現(xiàn)這種融合的基本思維就是計算思維。在數(shù)據(jù)爆炸性增長的今天，計算思維正在各領(lǐng)域復雜問題求解中顯示出強大的包容性和靈活的適應(yīng)性，其已經(jīng)被共識為信息時代與知識經(jīng)濟下每個人都應(yīng)具備的一種思維方式。“計算思維+各專業(yè)思維”的交叉融合成為創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)。以培養(yǎng)計算思維為核心探索創(chuàng)新思維培養(yǎng)途徑，成為深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革需要研究的“新”課題。

一、計算思維及其研究現(xiàn)狀

（一）計算思維

計算思維是人類在認知計算的過程中逐漸積累形成的思考“模式”。 計算思維（Computational Thinking）一詞早在1992年就由黃崇福教授在他的博士論文中提出。[1]美國學者周以真教授于2006年首次對這一概念進行了系統(tǒng)而全面的闡述。[2]人們對計算思維有了較清楚的認識：計算思維就是圍繞目標（任務(wù)），將問題及其解決方案表示成可以進行計算的形式的思維過程。[3]

利用計算思維解決問題是一個三段式不斷迭代的過程（如圖1所示）。在這一過程中，用到了計算機科學中的抽象、分解、自動化、建模、約簡、遞歸、冗余、容錯、學習、折中等一系列概念和方法。[4]由于所使用工具——計算機的特點，在用計算思維描述問題、解決問題的過程中，強調(diào)結(jié)論的有限性（區(qū)別于數(shù)學上的潛無限性）、過程描述的確定性（沒有二義性）和實現(xiàn)方式的機械性（可通過機械的步驟實現(xiàn)），它具備數(shù)學思維的抽象特征，但又不像數(shù)學思維那樣要求演繹起點的正確性，而是關(guān)注事物之間的關(guān)系，即輸入與輸出，或者說已知條件與未知結(jié)論之間是否存在正確的關(guān)系，強調(diào)整個抽象過程的形式化。同時，它又具備工程思維的近似化特征，即在資源受約束條件下如何進行折中、擇優(yōu)選擇。

在求解問題，設(shè)計系統(tǒng)，理解當今高速互連、不斷演化的系統(tǒng)，理解人類社會、經(jīng)濟社會現(xiàn)象的過程中，計算思維提供了一種前所未有的視角，開拓了人們對社會、人際、人與自然之間關(guān)系的更加包容和更加客觀的理解。現(xiàn)在，計算思維開始應(yīng)用于各領(lǐng)域的問題求解，對計算思維的研究也上升到思維科學的高度。

（二） 計算思維研究現(xiàn)狀

很多學者分別從技術(shù)、哲學等多角度對計算思維進行了解讀。董榮勝教授從計算機方法論的角度[5]將周以真教授在文獻中的“concepts fundamental”[2]一詞修改為“思想與方法”，他認為計算思維和計算機方法論相互補充，相互促進。朱亞宗教授討論了計算思維的科學定位、基本原理及創(chuàng)新路徑。[6]陳國良教授討論了計算思維的表述體系框架，[7]為系統(tǒng)地將計算思維落實到教學中做準備。郭喜鳳教授將“computational thinking”推廣至“computing thinking”，[8]從工程化的角度提出計算機思維工程化的6大層次結(jié)構(gòu)，為將計算思維作為一個學科來研究以便發(fā)揮其更大作用提供了很好的研究方向。

計算思維本身也隨著技術(shù)的發(fā)展在不斷豐富完善。在我們今天所處的大數(shù)據(jù)時代，各行各業(yè)都開始了量化進程，力求做到計算先行，數(shù)據(jù)說話。規(guī)模大、變化快、種類雜、價值密度低的大數(shù)據(jù)[9]給計算思維帶來了新的變化：從追求精確轉(zhuǎn)為容許不精確和混雜的模糊思維；從有限樣本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向全量數(shù)據(jù)的整體思維；從因果探尋轉(zhuǎn)為尋找相關(guān)關(guān)系的關(guān)聯(lián)思維；從靜態(tài)、封閉轉(zhuǎn)為協(xié)同、開放、動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)思維。模糊思維帶來更廣泛的洞察力，整體思維避免了以偏概全，關(guān)聯(lián)思維幫助人們挖掘出很多隱藏起來的事物之間的關(guān)系，掌握社會動態(tài)，理解復雜技術(shù)，而且這種關(guān)聯(lián)并不局限于特定領(lǐng)域，它可以是跨越學科領(lǐng)域的，跨越空間和時間的，甚至是跨越文化的。

二、創(chuàng)新思維培養(yǎng)現(xiàn)狀及面臨的問題

（一） 計算思維培養(yǎng)現(xiàn)狀

由于現(xiàn)代計算機強大的處理能力，運用計算思維解決問題最終落實到將自然問題和社會問題中的信息抽象出來，并表達成為能夠利用計算機處理的形式，然后通過計算機的計算、模擬、預測來幫助我們解讀真實世界的系統(tǒng)并解決復雜的問題。因此，最早關(guān)注計算思維培養(yǎng)的是高等學校計算機教育界，這是高校職責使然。2008年，美國計算機協(xié)會就將與計算思維本質(zhì)相關(guān)的教學內(nèi)容明確列入了計算機導論課中。英國計算機學會也提出了政策綱領(lǐng)。我國在2010年7月，教育部高等學校計算機基礎(chǔ)課程教學指導委員會也把培養(yǎng)學生的計算思維能力提升為大學計算機的核心任務(wù)。

近年來，隨著計算思維的重要性越來越突出，計算思維被認為是繼閱讀、寫作和算術(shù)能力之后，未來社會的基本能力之一，計算思維的培養(yǎng)開始深入到了基礎(chǔ)教育階段。2011年，美國將計算思維、計算實踐和編程納入學科基本主線，政府計劃十年普及中小學生編程教育。2014年，英國政府也通過新的政策，規(guī)定5歲以上學齡兒童必須學習電腦編程課程，提出了計算思維逐級培養(yǎng)目標。新加坡在2017年要求把編程納入小學考試范圍。我國Scratch等兒童編程教育工具也已在中小學、教育機構(gòu)中得到一定應(yīng)用。endprint

（二）從計算思維到創(chuàng)新思維

在互聯(lián)網(wǎng)時代知識獲取已經(jīng)不存在障礙，以知識學習及應(yīng)用為特征的傳統(tǒng)學習的效能低于以識別、連通、 解構(gòu)、重構(gòu)知識為特征的探究學習，使得學生缺乏創(chuàng)新思維的認識論和方法論，思維訓練“只聞其聲，不見其人”，創(chuàng)新教育目標往往不能落地。幫助學生掌握創(chuàng)新思維的認識論和方法論，必須將處于創(chuàng)新思維核心地位的計算思維作為創(chuàng)新思維培養(yǎng)的突破口。

創(chuàng)新思維是人們在已掌握的知識和已積累的經(jīng)驗之上，跳出常規(guī)、現(xiàn)有的思路，尋求對問題全新的結(jié)論、見解和解決方法的思維過程。其不僅表現(xiàn)在意識上，也表現(xiàn)在行為上。計算思維是不同于理論思維和實驗思維的第三種科學思維方式，這種建立在抽象、工程、實踐等多個層面的思考方法開拓了人類解決問題、認知世界的視野和行動能力。與其它科學方法相比，在用計算手段解決各領(lǐng)域問題的過程中，計算思維方法更是體現(xiàn)了典型的技術(shù)上的螺旋迭代式上升和方法上的顛覆性進化。

計算思維更為重要的作用是為人類帶來用以理解社會、人際、人與自然之間關(guān)系，建立與其他對象交流互動的計算概念。在時間維度上，計算思維蘊含了不斷變革的計算內(nèi)涵；在空間維度上，計算思維的跨領(lǐng)域?qū)W科交叉打破了領(lǐng)域壁壘和專業(yè)局限，展現(xiàn)出來強大的包容性和靈活的適應(yīng)性。這使得計算思維、理論思維和實驗思維一起構(gòu)成了在“計算+”時代背景下的通識核心課程，成為拓展學生的思維空間，促進面對專業(yè)領(lǐng)域問題時的聯(lián)想，培養(yǎng)新時代大學生信息素養(yǎng)的重要載體（如圖2所示）。計算思維和各專業(yè)思維融合升華為跨界思維、顛覆性思維，形成創(chuàng)新的一個途徑。將計算思維作為創(chuàng)新思維的核心，可以使得創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育落到實處，避免了只能對創(chuàng)新思想、創(chuàng)新方法等陷入純方法論教育的空談局面，成為創(chuàng)新思維培養(yǎng)的最佳載體。

（三）培養(yǎng)計算思維面臨的突出問題：重技能、應(yīng)用，輕思想、方法

計算思維培養(yǎng)的重要課程載體是大學計算機教育，但大學計算機教育本身也存在著短板和缺陷。運用計算思維解決問題，關(guān)鍵步驟在于通過各種方法將現(xiàn)實世界的問題抽象自動化成可以計算的形式，這一步驟遠比接下來解決該問題的具體方法要重要，只要前者做好了，后者在現(xiàn)代社會化分工協(xié)作的大環(huán)境下甚至有現(xiàn)成的工具自動解決。雖然大學計算機教育先后經(jīng)歷了從狹義的技能教育到能力培養(yǎng)教育的轉(zhuǎn)型，但是計算思維的培養(yǎng)一直是無意識的，始終沒有走出重技能、應(yīng)用，輕思想、方法的圈子，忽視了這些技能和應(yīng)用背后隱含的計算科學的思想，只做到了“授人以魚”。

思維培養(yǎng)是一項綜合性的大工程，僅僅通過一兩門課是難以達到目標的，它需要站到更高的層次，去構(gòu)建計算思維的教學體系：從理論層面研究計算思維的概念、原理、特征、培養(yǎng)方法論以及創(chuàng)新方法論等；從系統(tǒng)層面規(guī)劃反映計算思維特征的科學的知識體系、合理的知識結(jié)構(gòu)；從操作層面創(chuàng)新教學方法和教學模式，根據(jù)知識結(jié)構(gòu)，有機、合理地融匯到課程模塊中，并圍繞建設(shè)一批適用的教學資源。但是在整個高校教育體系內(nèi)，從目標、觀念、模式、方法等方面存在的滯后現(xiàn)象，導致以計算思維培養(yǎng)為核心的創(chuàng)新思維培養(yǎng)面臨著困境。

1.教學模式守舊，定位單一

一方面，數(shù)字時代的新經(jīng)濟總是在推陳出新，現(xiàn)代先進教育需要著眼于互聯(lián)網(wǎng)革命跨界滲透、新技術(shù)發(fā)展交叉融合等時代特征。另一方面，高校對于信息化社會人才新需求的變化缺乏認知和積極應(yīng)對，依舊沿襲的是工業(yè)化社會的人才培養(yǎng)標準，更多地將面向行業(yè)培養(yǎng)專業(yè)人才作為目標，忽視了對學生在新興交叉領(lǐng)域上的培養(yǎng)對，對學生的個性化發(fā)展關(guān)注不夠，學生創(chuàng)新發(fā)展的潛力受到束縛。

2.“普及”教學思想固化

“普及”的教學思維使得教師水平、課程內(nèi)容缺乏對前沿性、高度、深度等維度的挖掘，講授內(nèi)容、實踐方式與實際脫節(jié)，且往往與科學技術(shù)領(lǐng)域最新動向脫節(jié)，與行業(yè)企業(yè)的需求脫節(jié)，教學內(nèi)容陳舊，教學方法落后，激發(fā)不起學生的學習興趣，被動學習的比重較大，學生不能保持“領(lǐng)跑”狀態(tài)。

3.體系封閉，觀念落后

傳統(tǒng)課程過分注重專業(yè)技能，知識結(jié)構(gòu)過度固化，過分強調(diào)學科本位，沒有從學科交叉融合創(chuàng)新的高度認識計算思維的重要性。學生缺乏國際視野，與前沿科學交流、對接、學習的能力不足，只能跟隨國際新技術(shù)后面模仿，面對問題難以跳出原有的解決框架，缺乏創(chuàng)新后勁。

三、“計算+”時代創(chuàng)新思維培養(yǎng)路徑的探析

計算思維目前還未形成知識形態(tài)的“學科”，它的學科體系尚未建立。[10]當前以培養(yǎng)計算思維為核心的教學改革大多圍繞著計算機類課程，從能力培養(yǎng)的方法論入手，如盧俊嶺、朱鳴華、郭喜鳳等分別針對算法設(shè)計課程、大學計算機基礎(chǔ)課程做的改革嘗試，[11-13]或者是對“大學計算機基礎(chǔ)”這門課程的教學內(nèi)容進行改革，如李暾、吳寧、陸漢權(quán)等分別就大學計算機基礎(chǔ)提出了教學內(nèi)容設(shè)計的原則，改革的具體方案等，[14-16]還有一批如桂林電子科技大學、哈爾濱工業(yè)大學等學校，直接開設(shè)“計算思維導論”取代了以往的“大學計算機基礎(chǔ)”，[17]有的學校還開始構(gòu)建以計算思維為核心的計算機基礎(chǔ)課程體系[18]。除此以外，更多的非計算機類課程或許強調(diào)邏輯思維、工程思維等的培養(yǎng)，但很少有涉及計算思維培養(yǎng)的教學改革嘗試。

思維的培養(yǎng)是一項系統(tǒng)工程，需要從意識、方法和能力三個層面逐層遞進，首先是計算思維意識的培養(yǎng)，理解計算思維概念和思維過程；其次是在通過學習計算機科學的基礎(chǔ)知識和典型算法，培養(yǎng)應(yīng)用特定計算機技術(shù)解決問題的能力過程中，掌握運用計算思維求解問題的通用方法；最后是“計算思維+專業(yè)思維”的融合，做到自覺將有關(guān)方法運用于理解未來遇到的專業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H問題中的能力。這需要從知識體系梳理到課程體系的重構(gòu)，教學模式的改革到多元化培養(yǎng)環(huán)境的形成，教學評價管理體系立體多樣化等多方面入手，構(gòu)建全方位計算思維培養(yǎng)體系。

（一）梳理知識體系，構(gòu)建多重課程體系

意識、方法層面的計算思維培養(yǎng)需要依托于計算機類課程。因為計算思維的基本概念和利用計算思維求解問題的通用方法，正是通過原有的“1+X”課程體系（“1”是指“大學計算機基礎(chǔ)”，“X”是指幾門必修或選修的重點課程，可根據(jù)專業(yè)方向進行選擇）的學習得以掌握，只有建立了計算思維意識，掌握了計算思維方法，再談計算思維和專業(yè)思維的融合才不會淪為空中樓閣，成為空談。endprint

從理論層面清晰梳理計算思維的科學內(nèi)涵，按照現(xiàn)代結(jié)構(gòu)主義教育體系的特點，將計算思維的培養(yǎng)內(nèi)容抽取、凝練和總結(jié) ，[19]將分解、復合、折中、迭代、遞歸等核心概念滲透到大學計算機課程中，重新梳理大學計算機的知識體系，每個知識領(lǐng)域都有需關(guān)注的計算思維培養(yǎng)重點，做到對原有知識體系的增量優(yōu)化、存量調(diào)整、 交叉融合，最終實現(xiàn)計算思維理論的“落地”。在此基礎(chǔ)上重構(gòu)大學計算機通識型課程體系和專業(yè)型課程體系。前者面向全體學生，旨在培養(yǎng)學生的信息素養(yǎng)，其中，“通識型”的“通”側(cè)重于融會貫通，通過如計算機的發(fā)展及應(yīng)用、軟硬件系統(tǒng)、工作原理、數(shù)據(jù)存儲與表示等通用知識，全面展示“計算”對人類思維空間的擴展，最終傳遞“計算”給我們帶來的可能性以及實現(xiàn)這些可能的基本方法，這是培養(yǎng)、建立計算思維意識的重要載體。后者根據(jù)不同專業(yè)對能力的需求，圍繞相應(yīng)計算機技術(shù)組織內(nèi)容，重點是在學習計算機科學的基礎(chǔ)知識和典型算法，培養(yǎng)應(yīng)用特定計算機技術(shù)解決問題的能力過程中，掌握運用計算思維求解問題的通用方法。在具體落實到教學行為上時，教師需要以培養(yǎng)計算思維能力為導向，轉(zhuǎn)變教學觀念，轉(zhuǎn)移教學重點。

在上面兩個培養(yǎng)層次基礎(chǔ)上，具備了意識，掌握了方法，對于非計算機專業(yè)學生來說，他未來的計算能力或計算思維能力體現(xiàn)在以下兩個方面（如圖3所示）。

非計算機專業(yè)學生未來計算能力層面的培養(yǎng)需要以相應(yīng)專業(yè)為背景融合計算機技術(shù)，構(gòu)建交叉型課程體系。選取特定專業(yè)方案中的難點、細節(jié)，設(shè)計思維訓練，將計算思維融入專業(yè)思維過程，同時掌握各學科領(lǐng)域新的發(fā)展方向。交叉型課程是隨著計算技術(shù)在各專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入而產(chǎn)生的一類新興課程，如醫(yī)學信息學、數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)、生物信息學、計算社會學、網(wǎng)絡(luò)群體和市場等。它們一般參照各專業(yè)學科的知識體系，以專業(yè)問題如何轉(zhuǎn)化為計算機可以解決的形式為中心，按照圖1的迭代過程，分析問題，抽象問題（建模）。然后借助模型的規(guī)范化描述，提取算法，形成方案，轉(zhuǎn)化為計算機處理的形式。最后是方案的執(zhí)行、評估，即如何在成本、環(huán)境、效率、用戶體驗等資源受約束條件下進行折中選擇。

（二）改革教學模式，形成多元化培養(yǎng)環(huán)境

教學模式的改革是一個解構(gòu)與建構(gòu)的過程：以教師、教材、教室為中心，課堂講授為主。學生被動學習的傳統(tǒng)教學模式明顯不適應(yīng)以培養(yǎng)思維能力為目標的教學需求。傳統(tǒng)以教師為中心的教學模式開始轉(zhuǎn)向以學生發(fā)展為中心、以學生學習為中心、以學習效果為中心的現(xiàn)代教學模式。在這個過程中，信息技術(shù)對高等教育發(fā)展起到了重要支撐作用，“互聯(lián)網(wǎng)+”思維推進了信息技術(shù)與教育教學深度融合，又進一步促進了教學模式的改革，帶來了教育教學思想、理念、模式、方法和手段全方位創(chuàng)新。尤其是“MOOC+SPOC+翻轉(zhuǎn)課堂”的混合教學模式成為以能力輸出為導向的教學模式改革的新方向，2012—2016年，MOOC（Massive Open Online Courses，大型開放式網(wǎng)絡(luò)課程）教學模式引發(fā)了教育界重大變革。非中心化的線上線下學習模式，帶來了實際意義的自主學習，它不僅僅是打破了傳統(tǒng)課程時間、地點上的限制，更是對多種形式課程資源的整合，最終形成優(yōu)質(zhì)資源的疊加、共享。SPOC（Small Private Online Course，小規(guī)模限制性在線課程）則提供了更為個性化、有區(qū)別的、力度更大的專業(yè)支持。翻轉(zhuǎn)課堂帶來了教學主體的重定位，讓學生在“教”中“學”。這一新模式充分體現(xiàn)了以學生為中心的特點。

教學模式的改革帶來了教學體系的重建，最終形成多元化培養(yǎng)環(huán)境。圍繞核心課程呈現(xiàn)了多種形式的教學：有傳統(tǒng)課堂形式；在線課堂形式，培養(yǎng)隨時隨地獲取知識的能力和素質(zhì)；創(chuàng)新實踐和實習課堂形式，側(cè)重創(chuàng)意、創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)素質(zhì)的提高；多維度社區(qū)課堂，可以相互學習，共同提高，推動終身學習；注重與行業(yè)、企業(yè)的合作，將學生的實踐能力培養(yǎng)落實在先進和前沿技術(shù)的培訓上；推進大學生創(chuàng)新體系與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地建設(shè)，將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育落到實處；組織和推進學生參與各種相關(guān)比賽，通過賽事培養(yǎng)學生的綜合應(yīng)用能力等。

（三）結(jié)合結(jié)果過程，構(gòu)成多角度教學評價體系

教學主體重定位，即以“學”為中心，強調(diào)師生的互動、翻轉(zhuǎn)，以及課堂內(nèi)外同線上線下相結(jié)合的多樣化教學形式，當然也帶來了教學評價管理體系的變革。師生互動關(guān)系中應(yīng)抓住學生心理資本，發(fā)掘更多潛能。[21]教學評價不再局限于授課教師對結(jié)果的單向性評價，轉(zhuǎn)而形成結(jié)果過程結(jié)合的評價體系。即包括客觀、自動化的線上評量系統(tǒng)，如隨堂測驗、考試、線上刷題得分，同時還有協(xié)作小組內(nèi)的成員互評，以及由開放平臺互動、回應(yīng)帶來的同行評審等。多角度的評價體系帶來對學生學習效果的立體化評價，既能夠把握學生能力的真實情況，也極大地促進了學生的學習興趣，成為教學質(zhì)量保障的重要環(huán)節(jié)。

四、總結(jié)與展望

當前，國家推動創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，實施“一帶一路”、“互聯(lián)網(wǎng)+” 等重大發(fā)展戰(zhàn)略，對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提出了更高要求，迫切需要加快高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革。以培養(yǎng)計算思維作為創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的載體，具有可操作性、可行性和科學性，可以將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育落到實處。但是計算思維尚未形成學科體系，如何結(jié)合學校培養(yǎng)目標，選擇探索適合本校的計算思維培養(yǎng)模式，成為高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的研究熱點。本文從多重課程體系、多元化培養(yǎng)環(huán)境以及多角度評價體系三個方面，探討了“計算+”時代的計算思維的培養(yǎng)路徑，具體實施方式還需要在應(yīng)用中不斷修正改進，這也是研究者今后繼續(xù)努力的方向。

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（責任編輯 丹 若）endprint