計算思維語境下的美術專業教育探索與實踐

摘 要：本文從科學思維體系出發，詳細闡述了計算思維的起源、內涵、發展和教育研究進展，并提出計算思維訓練是美術專業學生培養計算參與能力和邏輯思維提升的關鍵。在此基礎上，文章分析了美術專業課程教學中的計算思維困境和挑戰，提出了計算思維語境下美術專業學科交叉教學模式的新途徑。

關鍵詞：藝術教育;計算思維;計算機教育;課程體系

人類在探索和改造世界的過程中，通過對客觀物質的觀察和理解，進而產生了思維活動，具備了對知識的傳承和相互交流的能力。隨著計算的廣泛應用和計算機技術的快速發展，如同印刷術推動人類讀寫和算術能力的改變一樣，計算思維作為普適性能力正在被越來越多的學者呼吁和重視，各個國家也在積極籌劃和探討如何在不同學段培養學生的計算思維能力并付諸實施。那么，到底什么是計算思維，計算思維對當前美術教育的改革和發展提供了哪些機遇和挑戰，我們又該如何對美術專業學生開展計算思維培養？本文就結合美術專業本科生的計算機基礎課程教學，探討如何利用計算思維指導美術專業學生跨學科、跨專業應用和學科交叉教育，以期對計算思維在視覺美術領域的應用提供借鑒和啟迪。

1 什么是計算思維

要理解計算思維，需要從科學思維的概念入手。相對于藝術思維、宗教思維、情感思維等不同的思維形式，科學思維是指人類從事科學活動時的思維形式。[1]科學思維涵蓋了以觀察和實驗為特征的實驗思維、以推理和演繹為特征的理論思維、以抽象和自動化為特征的計算思維，后者由周以真教授在2006年正式提出并進行了系統描述。由于采用了計算機科學的相關概念來解決問題，再加上名稱上冠以計算兩個字，計算思維往往被誤認為是與計算機編程密切相關，是一種程序思維或算法思維，甚至被寫成計算機思維。隨著計算思維研究工作的不斷推進，人們對其的理解和闡述也回歸正途。計算思維是一種人的思維，是人類把對于自然的認識轉變成一種可構造性、可實現性的新知識內容。[2]計算思維是一個提出問題并生成問題解決方案的思考過程，是對知識的一種深化應用和擴展。

既然計算思維伴隨著人類的思維活動一直存在，那我們如何理解計算思維的普及應用？例如，早期裝修一所房子，可能只需要參考裝修公司提供的樣板間即可，但隨著生活質量的提升和選擇的多樣化，個性化的裝修裝潢要求越來越高，樣板間效果就越來越不讓人滿意。現在的設計師可以利用計算機做出多種不同的裝修效果圖供客戶選擇，效果圖就是關于裝修的形式化表達。甚至還可以借助虛擬技術，讓客戶參與到設計過程中來，這其實就是計算思維在實踐過程中的新發展——計算參與的概念，是計算思維在環境藝術設計專業領域與具體學科相結合的實踐要素。計算思維的應用，使得各種工程活動或者設計有了一定的范式可以遵循，施工工藝或者操作環節也有了一定的依據和標準，利用計算思維來考慮和解決問題也逐漸成為人類交流和文化傳承的一種新模式。

計算思維之所以不是計算機思維，在于它是人的思維，是思想，而不是機械技能，更不是讓人類像計算機那樣思考，其核心本質仍然是抽象，即省略掉不必要的環節而強調共性環節。誠然，計算機的出現和發展強化了計算思維在分析問題和解決問題方面的作用與意義，待解決的問題可以被分解成計算機可以理解的方式來進行描述，但其作用更多的在于使問題的提出、分析和解決變得更加容易組織和實現，我們對計算思維研究的內容也集中在問題分解、抽象、算法和自動模擬問題上。計算思維是無處不在的，它提供了理解世界的智力工具，在人類社會中具有永久的價值，[3]這是對計算思維在當前人類思維活動和科學發展地位的由衷肯定。

2 計算思維在美術專業教育中的機遇和挑戰

計算思維在與各個學科領域探索交叉應用的過程中，逐步從計算機學科分離出來，由計算思維演變為計算參與，并融入自然、社會、文化、生物等多種學科因素，產生了諸如計算化學、計算生物學等新的學科，美術學、設計學等也不例外，計算思維在美術專業課程教學中亦充滿了機遇和挑戰。

眾所周知，美術家在進行藝術作品創作時，往往通過將感情和想象寄托于畫筆下的形象來表達。這種形象可以是符號，也可以是山水、人物、風景，或者雕塑、建筑、動畫角色等各種藝術品。這種方法所體現的思維模式是具有形象性質的一種模式，是通過在一定原型基礎之上進行模仿，進而產生變化或者抽象得到新的組合和結構。這是人類進行創新設計的一種通用范式方法。相對于數字和計算來講，圖示的語言表達會更加簡潔明了，而圖像所蘊含的意境則又更值得揣摩和回味。將邏輯屬性極強的規律和形象特征通過抽象和簡化，進而濃縮定型為某一種具體形象，這和計算思維解決問題的方式如出一轍。計算思維正是通過將主要特征、方法進行梳理和組織，再進行合理的信息變換和訓練，使之能以適當的形式在計算機中進行處理和表達。例如，計算機借助抽象的符號來表達物質和能量轉換中的問題，完成計算，模擬乃至預測自然和社會中的演化過程。[4]因此，計算參與美術創作和教學大有可為。我們目前的困境是，教學環節往往偏重計算思維概念的理解，而缺乏必要的計算參與實踐。那么，教學體系中的諸要素要如何完成計算參與實踐呢？

目前，國內普遍通用的本科人才培養模式中計算機課程是按照學期遞增分別安排大學計算機基礎課程、程序設計語言課程、數據庫及數據結構課程，算法分析等，這種課程體系過多地傾向技能培訓而忽略了思維教育，不利于學生創造性思維的形成，結果學生畢業后往往無法及時跟上行業環境的變化還需要再培訓才能上崗。要突破思維禁錮放飛思想，內容上圍繞計算思維概念、計算系統與算法思維進行變革，進一步擴展為系統思維和數據抽象、智能計算、網絡思維等，利用MOOC和翻轉課堂等多種方法手段。通過改革現有的基于技能培養標準建立的針對美術專業的計算機課程教學體系和考核標準，升華為圍繞藝術創新和創作為核心，為藝術品的鑒賞、分析、評論和宣傳提供必要的計算解讀和計算參與，則是完全可行的。由于計算思維提供了分析問題和解決問題的通用范式，對計算思維的培養就可以從全方位的教學體系來實施，制定教學目標，優化教學內容，篩選教學方法，選擇教學工具，明確教學評價，逐步完成由能力培養過渡到思維培養的計算機課程教學改革。內容上圍繞計算機和藝術的融合創新進行變革，進一步細化為藝術抽象作品的鑒賞、設計及造型中的計算參與、藝術作品的模擬和仿真、平面作品和分形藝術的計算實現等，利用MOOC和翻轉課堂等多種手段和方法，促進學生對計算思維的理解和實踐。

3 計算思維語境下的美術專業教育探索

筆者從自己所在美術院校的本科教學實際出發，以大學計算機基礎課程的教學改革為依托，積極開展計算思維在藝術學科領域中的研究和實踐，并積累了一定經驗。

3.1 以抽象為突破點開展計算思維教育

計算思維脫胎于計算機科學，因而它天生被打上了自然科學知識的烙印，但計算思維并不是計算機科學獨有，在藝術領域藝術家們進行創作設計及評論的很多觀念技巧與計算思維的思想不謀而合。藝術來源于生活卻又高于生活，藝術品本質上可以看作是藝術家對生活的觀察和提煉，進而創作產生一種用于寄托情感的符號、圖像或者其他形式的作品，這個過程與計算思維的抽象本質殊途同歸，都是對形象的簡約、概括、轉化和仿真。由此可見，藝術專業計算機課程中的計算思維教育可以把抽象作為出發點和突破點，將專業問題的解決轉化為具體的造型、構圖、臨摹等特征問題并通過計算機工具實現，將計算思維的特征點如分解、簡化、遞歸、并行、冗余、規劃、變形、抽象、糾錯等通過融入課堂的具體案例講授從而被學生接受和理解，并逐步融入個人思維中。從藝術創作角度來說，廣義上的抽象也是一種創作手段，在計算機課程教學過程中，通過指導學生對相關模塊知識的歸納、提煉，再經過有意識的重組和整合，其目的是揭示知識模塊表面覆蓋的精神內涵。抽象的手段不再只是臨摹或具象寫生，而是通過造型、色彩、線條或各種莫名的空間元素來描述個人觀念，表達個人意境，這也是抽象派繪畫的基本風格。

3.2 以計算參與方式培養計算思維能力

計算參與是近幾年計算思維概念在實踐應用和發展過程中的一種新解讀，在一定程度上也可以看成培養計算思維能力的一種新方法，很多藝術品的創作也都離不開計算的參與。例如，我們比較熟悉的遵循數學黃金分割比例的維納斯雕像、維特魯威人、埃及金字塔、巴特農神殿等，利用計算機編程完成的德羅斯特遞歸效應、龐加萊變幻、庫斯塔曲面等，探討數學可視化以及分形、混沌節點、雙曲空間和拓撲變換等。這些藝術品以及生成原理和計算的參與密不可分，兩者直接自然形成了一種默契的關系。我們在指導計算機基礎課程所涵蓋的算法結構、網絡檢索和多媒體技術等知識環節中，尤其是算法、圖形圖像處理問題時，有意識地將算法思想和圖形圖像矩陣變換原理與專業知識結合起來，培養學生將算法轉化為圖示的能力，也使得學生在明白軟件相關命令操作對應的計算方法和原理后再熟悉和掌握軟件，往往能達到事半功倍的效果。

3.3 以學科交叉應用指導美術教學實踐

計算機課程離不開教學實踐，教學實踐也是檢驗學生是否能將所學知識融會貫通付諸應用的直接體現。現階段，高校計算機課程的實踐多是圍繞課本知識點展開，再輔以一定學時量的課程設計或者實習，其本質依然是偏向課本知識驗證，以驗證類型實踐居多，設計型以及綜合型實踐設計相對較少。我們在計算機課程教學過程中，針對學生的專業特點有選擇性地設計部分實踐內容，例如，針對純繪畫類專業屬性的學生，除完成基本的技能操作和網絡應用知識外，重點設計一批圖形圖像處理軟件和電腦繪圖軟件的教學實踐，同時輔助多媒體制作技術以便學生將自己的作品數字化、系統化和條理化;針對設計類專業屬性的學生，以展示和設計方面的軟件應用為主導，同時也涉及一些排版應用和虛擬開發實踐項目。總之，在這些實踐項目的構建過程中，都遵循一條基本的原則就是多從軟件功能的角度出發，從計算輔助出發去探討專業作品的完成，為美術作品的計算參與創作提供實踐。

3.4 以計算思維理論為指導構建課程教學體系

普通高校非計算機專業的計算機課程教學體系，自教育部發布白皮書在高校普及計算機基礎教育以來，先后經歷了層次化教學、模塊化教學、1+X等多種不同的教學體系，也經歷了以計算機文化教育為主導、以計算機技能教育為主導和以計算思維理論為主導的不同歷史時代，這是計算機科技的發展和計算機學科教育的歷史必然。編者所在高校以計算思維理論為指導構建計算機課程教學體系，已經完成相應計算機基礎課程的教材出版和實踐編排工作，側重點就在于計算機與藝術的融合創新。同時，圍繞計算思維內涵教育和計算思維的培養完成課程體系建設與規劃、相應教學方案的更新、教材的反饋和修訂、教學方式的變化和翻轉以及教學考核的改革、教學質量的提升和總結等。一切工作的部署和開展均圍繞計算思維能力的培養和學科交叉教育，著重為藝術學科的專業能力提升、教學質量的進步和課程建設工作的不斷完善提供了一種方法論和指導思想。

4 結語

美術專業的計算思維教育不是一蹴而就或者一勞永逸就能解決所有問題，但針對美術專業本科教學來說，認真規劃相應的計算機課程教學體系，將計算思維的培養和教育融入美術專業培養目標并進行跨學科的教育和應用，向我們展現計算參與藝術創作發現和發掘事物本質的過程，這是進行學科交叉教育的一種良好的優選方式方法。

參考文獻：

[1] 趙鋒，王誠.大學計算機基礎與計算思維[M].北京：清華大學出版社，2016.

[2] 李廉.計算思維——概念和挑戰[J].中國大學教學，2012（1）：7-12.

[3] Xu ZW，Tu DD . Three new concepts of future computer science[J]. Journal of Computer Science and Technology，2011，26（4）：616-624.

[4] 韓德.基于計算思維的大學計算機課程知識體系構建研究[J].西昌學院學報（自然科學版），2014（12）：81-83.

作者簡介：趙鋒（1980—），男，湖北武漢人，研究生，副教授，主要研究方向：數字媒體，虛擬技術。