計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革的基本思路

張金輝

（海口經(jīng)濟(jì)學(xué)院，海口571127）

1 引言

計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為人們生活中密不可分的生產(chǎn)工具，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，信息技術(shù)正在不斷改變著人們的生活和生產(chǎn)方式，為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，適應(yīng)社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)，積極推動(dòng)高校的計(jì)算機(jī)課程改革已成為亟待解決的課題。自20世紀(jì)80年代我國(guó)各主要高校引進(jìn)計(jì)算機(jī)課程后，我國(guó)高校的計(jì)算機(jī)課程改革已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)次變動(dòng)，每次教學(xué)體系和結(jié)構(gòu)的調(diào)整都是為了更好地培養(yǎng)符合社會(huì)需求的高技術(shù)人才，進(jìn)入21世紀(jì)后，計(jì)算思維這一理念受到了各國(guó)的高度重視，將計(jì)算機(jī)課程培養(yǎng)的目標(biāo)從“認(rèn)知技能”向“能力開(kāi)發(fā)”做出轉(zhuǎn)變，西方國(guó)家也迅速地將計(jì)算思維作為學(xué)術(shù)研究和教學(xué)的重要單元列入計(jì)算機(jī)課程改革的內(nèi)容之一，在市場(chǎng)和人才的綜合競(jìng)爭(zhēng)壓力下，開(kāi)展我國(guó)高校計(jì)算機(jī)課程改革已經(jīng)成為教學(xué)體系發(fā)展的必然選擇，對(duì)提升我國(guó)人才競(jìng)爭(zhēng)力和信息技術(shù)水平具有重要意義。

2 計(jì)算思維的內(nèi)涵

計(jì)算機(jī)技術(shù)起源于二戰(zhàn)期間，最早的計(jì)算機(jī)重達(dá)數(shù)噸，其計(jì)算能力相比現(xiàn)在已不可同日而語(yǔ)，但計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展更多體現(xiàn)在軟硬件上的突破，其計(jì)算系統(tǒng)的基本原理并沒(méi)有產(chǎn)生大的變化，總體上還是圍繞著二進(jìn)制等一系列思維體系進(jìn)行發(fā)展。二進(jìn)制的本質(zhì)是0和1，通過(guò)復(fù)雜的邏輯變換和運(yùn)算差異，形成集成化的思維體系，也是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。在二進(jìn)制的模式下升級(jí)為各種程序和動(dòng)作指令，可以理解為將簡(jiǎn)單的基本動(dòng)作進(jìn)行重做和復(fù)雜規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)多元次序的過(guò)程，程序也就是指令的集合，是計(jì)算機(jī)一切復(fù)雜功能得以實(shí)現(xiàn)的軟件基礎(chǔ)，“程序化”思維正是在計(jì)算機(jī)技術(shù)演變過(guò)程中，由機(jī)械程序反哺為人體思維的一種體現(xiàn)，是計(jì)算思維的核心部分。“遞歸”是計(jì)算機(jī)理論下特有的算法，在遞推邏輯法的基礎(chǔ)上演變而來(lái)，是通過(guò)有限的邏輯達(dá)成無(wú)限功能的一種思維方法，本身是計(jì)算機(jī)程序的一種邏輯方式，隨著時(shí)代的發(fā)展，遞歸程序的思維內(nèi)核也被人挖掘?yàn)橛?jì)算思維，在元素推理及前端設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[1]。

計(jì)算機(jī)技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中，與多門學(xué)科相融合，形成了許多分支的融合性思維，并逐漸形成了具有鮮明特色的分支樹(shù)，產(chǎn)生了層次分明的思維網(wǎng)絡(luò)，包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多維互聯(lián)網(wǎng)以及未來(lái)的智慧網(wǎng)絡(luò)層次，也被稱為互聯(lián)網(wǎng)思維，這種具備前瞻性的思維方式對(duì)人們的生活方式造成了潛移默化的影響，即便在非計(jì)算機(jī)領(lǐng)域依然具有指導(dǎo)意義。在算法方面，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的規(guī)則為集合的設(shè)計(jì)和算法融合提供了多種方案。算法在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的位置猶如靈魂之于人體，它是計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合的紐帶和橋梁，算法邏輯上的突破也是計(jì)算思維研究的重要內(nèi)容。除算法外，系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟件的載體，是賦予計(jì)算機(jī)功能展示和結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)，計(jì)算思維在系統(tǒng)中的表現(xiàn)是化繁為簡(jiǎn)，通過(guò)整體性的優(yōu)化，使軟件的各部分取得聯(lián)系，保障結(jié)構(gòu)功能的各種特性。

3 大學(xué)課程改革的背景

計(jì)算思維的重要性不言而喻，它不斷刷新著人們對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)為非計(jì)算機(jī)領(lǐng)域提供著運(yùn)營(yíng)或設(shè)計(jì)思維上的幫助，對(duì)社會(huì)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。自從人們對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)從一種技能轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰螅菩邢到y(tǒng)化的計(jì)算思維教學(xué)已經(jīng)成為各國(guó)積極推動(dòng)的一種共識(shí)，在北美，為適應(yīng)行業(yè)發(fā)展，培育全方位人才，在高校聯(lián)盟和聯(lián)邦政府的主導(dǎo)下，多個(gè)州的公立大學(xué)已經(jīng)將計(jì)算思維列為計(jì)算機(jī)科學(xué)課程的必修單元，同時(shí)從技術(shù)和思維兩個(gè)方面對(duì)計(jì)算思維的算法和邏輯進(jìn)行傳授，旨在積極推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，為未來(lái)潛在的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)積累人才。在歐洲，多個(gè)國(guó)家將計(jì)算思維同工業(yè)4.0和人工智能等領(lǐng)域列為21世紀(jì)影響世界技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)革命的潛在方向，德國(guó)和法國(guó)已在2011年后全面開(kāi)展新時(shí)期“計(jì)算機(jī)課程”改革計(jì)劃，編制全新教材用于計(jì)算機(jī)思維和邏輯的傳授與普及，同時(shí)加入了計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展的方向規(guī)劃與原始宗旨的探討，將計(jì)算思維總結(jié)為一種建立在計(jì)算機(jī)技術(shù)上產(chǎn)生的理性思維，對(duì)編程算法和跨行業(yè)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新具有重要意義。我國(guó)高校的計(jì)算機(jī)課程改革起步較晚，但教育部在多所高校和專家的聯(lián)名致信下終于開(kāi)展了關(guān)于以計(jì)算思維為核心的新時(shí)期高校教學(xué)體制改革的可行性研討。在陳院士帶領(lǐng)下，我國(guó)在2010年也同步開(kāi)展了高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)計(jì)劃，在九所985重點(diǎn)大學(xué)展開(kāi)試點(diǎn)教學(xué)，其中計(jì)算思維作為人才培養(yǎng)計(jì)劃的核心，受到了業(yè)內(nèi)的一致重視。

4 高校計(jì)算機(jī)課程改革的思路

4.1 改革的內(nèi)容

在21世紀(jì)，計(jì)算機(jī)尚未普及的年代，互聯(lián)網(wǎng)、軟件編程、硬件知識(shí)等都作為常人難以理解的高級(jí)知識(shí)而存在，隨著時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，當(dāng)年這些看似復(fù)雜和生僻的原理，現(xiàn)在已經(jīng)變?yōu)楹?jiǎn)單的常識(shí)，這說(shuō)明看似高深的專業(yè)知識(shí)并不具有普及意義，除計(jì)算機(jī)系的學(xué)生外，多數(shù)人對(duì)所謂的高新知識(shí)并沒(méi)有掌握的必要，但實(shí)際上，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展背后蘊(yùn)含的工作原理和計(jì)算思維卻永不過(guò)時(shí)，他能夠幫助受教育者在技能培養(yǎng)的基礎(chǔ)上提升計(jì)算機(jī)的應(yīng)用能力。因此，高校計(jì)算機(jī)課程改革也要遵循思維優(yōu)先的原則，在開(kāi)展改革之前要明確進(jìn)行大學(xué)計(jì)算機(jī)課程改革的意義。包括：①如何看待計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展；②通過(guò)算法推演揭示計(jì)算思維的優(yōu)勢(shì)和核心理念；③嘗試用計(jì)算思維去解決問(wèn)題；④深化研究潛在的問(wèn)題，提出具象化的解決方案，并據(jù)此推導(dǎo)出計(jì)算思維的方法論。改革之前要明確計(jì)算思維的具體內(nèi)涵是什么，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)出符合體系要求的，利于學(xué)生接受的課程[2]。

4.2 體系的建設(shè)與發(fā)展

推行改革的步驟分為兩個(gè)部分，一是以計(jì)算思維為核心的教材的編撰與相關(guān)問(wèn)題的探討；二是圍繞在新時(shí)期的高校環(huán)境中教學(xué)體系的建設(shè)。在研究體系建設(shè)前，我們可以先借鑒西方國(guó)家的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。例如，美國(guó)作為較早開(kāi)展計(jì)算思維普及和教學(xué)體系建設(shè)的國(guó)家，最初在推行教學(xué)體系的建設(shè)過(guò)程中，將計(jì)算思維的相關(guān)知識(shí)列為教學(xué)的核心，并以此為基礎(chǔ)開(kāi)展全方位的理論建設(shè)，但通過(guò)實(shí)際教學(xué)成果反饋研究發(fā)現(xiàn)，由于計(jì)算思維涉及的概念和理論相對(duì)冗雜，在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)課堂教學(xué)進(jìn)行推廣是不現(xiàn)實(shí)的，因此，在進(jìn)行教學(xué)體系建設(shè)之前，要首先進(jìn)行哲學(xué)層面上對(duì)計(jì)算思維的內(nèi)容討論。比如在以計(jì)算思維進(jìn)行一次糾錯(cuò)和方案分析時(shí)，要首先思考該技術(shù)如何通過(guò)建模來(lái)進(jìn)行表達(dá)，即一種合適的方式去計(jì)算和解決問(wèn)題。高校計(jì)算機(jī)課程改革的思路是以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為導(dǎo)向開(kāi)展的內(nèi)容試點(diǎn)，所以對(duì)計(jì)算思維的概況不僅要體現(xiàn)在程序和原理上，還要幫助學(xué)生理解計(jì)算思維的理念和內(nèi)涵。

5 結(jié)論

計(jì)算思維的養(yǎng)成實(shí)際上是一種能力進(jìn)步的體現(xiàn)，隨著世界各國(guó)愈發(fā)重視對(duì)計(jì)算機(jī)人才思維能力的培養(yǎng)，未來(lái)的人才競(jìng)爭(zhēng)將從計(jì)算機(jī)領(lǐng)域延伸到多元化全方位的技術(shù)和能力競(jìng)爭(zhēng)，因此開(kāi)展圍繞計(jì)算思維展開(kāi)的高校課程改革要盡快落實(shí)。在大數(shù)據(jù)和高度發(fā)達(dá)的信息化時(shí)代，計(jì)算機(jī)技術(shù)將會(huì)在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，加快教材編寫，推動(dòng)模式創(chuàng)新，做好理論與實(shí)踐的結(jié)合，才是應(yīng)對(duì)時(shí)代發(fā)展和激烈競(jìng)爭(zhēng)的正確道路。望本文能得到相關(guān)院校及教育工作者的關(guān)注，積極響應(yīng)政策號(hào)召，使我國(guó)高校計(jì)算機(jī)課程教學(xué)接近世界先進(jìn)水平，為培養(yǎng)綜合型人才發(fā)揮更多作用。