基于算法設計的計算思維培養研究

韓杰 馮浩

摘要：計算思維的培養研究是當前教育領域的一個重要熱點課題，它對信息時代的科技創新和人才創新有著至關重要的作用。現階段，計算思維的培養主要落腳于高等教育領域中的計算機學科。因此，如何從計算機課程培養大學生的計算思維能力得到了廣泛的關注。文章以算法設計的角度出發，結合在校大學生的實際情況，探討如何在算法設計教學中培養計算思維能力。對大學生特別是非計算機專業的學生有著非常重要的實踐意義。

關鍵詞：思維背景；算法設計；思維視角

中圖分類號：TP301.6 文獻標識碼：A 文章編號：1672-9129（2018）07-0019-02

Abstract： The study of the cultivation of computational thinking is an important hot topic in the field of education. It plays a crucial role in technological innovation and talent innovation in the information age. At this stage， the cultivation of computing thinking is mainly focused on computer science in the field of higher education. Therefore， how to train students' computing thinking ability from computer courses has received extensive attention. From the point of view of algorithm design， the article combines the actual situation of college students and discusses how to train computing thinking ability in algorithm design teaching. It is of great practical significance to college students， especially those who are not computer majors.

Keywords： thinking background algorithm design thinking perspective

1 計算思維背景

隨著時代的快速發展，信息數字化已成為當今社會的基本形態特征，深刻影響著人們的日常生活方式和思維過程。回顧一下，十幾年的學習生涯中，學生學到了很多的專業知識，而在真正的生活和工作中，需要用到這些思維方式的場景卻少之又少，取而代之的是與計算機打交道。由于計算機強大的計算能力，人類應該學會利用這種力量去解決更多的問題。舉個例子，老師布置了一個任務，需要將各自紙質版的作業登記到電腦中，有的學生會逐字逐句地將作業內容敲到電腦里面；有的學生會通過對紙質版的內容拍照，使用小程序“傳圖識字”（算法設計衍生的產物）對照片進行自動識別，轉化為文字上傳到電腦上；更有甚者，部分學生會通過自己設計相應的圖像處理算法，對紙質版的內容進行批量處理，一勞永逸。當今社會計算機無處不在，很明顯后面兩種自動化的方法更加符合當前大數據時代的特征。因此，計算思維能力的培養對人類生活和科技發展的關鍵意義不言而喻。為了讓學生緊跟時代的步伐，讓學生了解計算機是如何思維變得至關重要。計算思維的定義最初由美國卡內基·梅隆大學主任Wing教授于2006年3月在美國計算機權威期刊上給出[1]。她指出在2l世紀，計算思維將不僅僅是計算機專家才具備的能力，而是全民都應該具有的必備技能。隨后，計算思維的培養研究逐漸引起了很多國內外的專家學者的重視。國際學者Curzon等人認為計算思維已經成為K-12課程計劃、大學通識教育和交叉學科研究與技術轉讓的基礎，可更加精確、深入和廣泛地解釋計算的本質[2]。Astrachan等人概述了計算思維的概念及其相關的活動和項目，展望了計算思維在教育界的未來發展[3]。國內為了緊跟國際學術的研究步伐，加緊更新傳統的教學理念，開展了多次計算思維的專題研討會，參會團體包括全國各高等學校計算機教育研究組織等。2010年9月發表的九校聯盟計算機基礎教學發展戰略聯合聲明指出：把“計算思維能力的培養”作為計算機基礎教學的核心任務。為此，國內學者郁等人提出基于可視化編程的計算思維培養模式，將項目問題的邏輯組織從拆解轉變為疊加關注到每個學生的思維發展，并運用可視化編程工具App Inventor開展該模式的教學實踐[4]。這些都表明了計算思維能力已成為當今復合型創新人才不可或缺的基本素質。培養計算思維能力是大學生綜合素質教育的重要內容，也是高等學校質量工程建設的要求

2 算法設計

算法是為解決問題而采取的方法與步驟。隨著計算機的出現，算法廣泛地應用于計算機的問題求解中，是程序設計的精髓。很多基本的算法設計方法已經廣泛適用于許多不同的領域。由于實際問題求解的需求以及算法的廣泛應用，算法研究領域包括傳統的排序、查詢、圖算法、數值計算等和目前的信息處理、工程計算與模擬、金融分析、生物計算、量子計算，大數據分析等。當然，對于特定的問題，大部分情況下算法不是唯一的。也就是說，同一個問題可以有多種解決問題的算法，但好的算法還是存在的。因此，在特定問題和條件下，設計合適的算法對解決問題有很大的幫助。由于算法設計在計算機學科中的重要地位，其基本內容已經成為計算機相關學科的一門專業必修課程。它的教學方式、內容和質量必須要能夠確保培養學生的學習興趣，以提高學生的專業能力和綜合能力為目的，為學生高水平、高層次的應用和發展提供保障。

3 算法設計教學的計算思維視角

計算思維涵蓋了信息技術領域蓬勃發展過程中所形成的思維模式。這些思維模式具有一定的普適性。將計算思維的方法與算法設計的步驟相結合，圍繞計算思維對教學內容進行重構。在算法設計的教學過程中，教師必須要將計算思維的培養融入到教學當中，在教學中不能局限于知識的傳授，而應該注重培養學生的計算思維，以提高學生的創新能力。通過對教與學的過程進行系統化設計，可以最終形成有效的基于算法設計的計算思維培養解決方案。具體在教學中應該注意如下五點[5]：

3.1 算法復雜性理論應作為教學重點內容。

計算復雜性理論是理論計算機科學和數學的一個分支，它致力于將可計算問題根據它們本身的復雜性分類，以及將這些類別聯系起來。復雜性理論所研究的資源中最常見的是時間（要通過多少步演算才能解決問題）和空間（在解決問題時需要多少內存）。使用數學方法對計算中所需的各種資源的耗費作定量分析，并研究各類問題之間在計算復雜程度上的相互關系和基本性質，是算法分析的理論基礎。該理論回答了一個問題到底有多復雜，并指導選擇和設計解決問題的策略。而目前在教學過程中，由于教材通常將復雜性理論部分放在教材的最后章節，由于學時等因素，對復雜性理論的教學不夠重視。而復雜性理論是培養計算思維及對各種算法深刻理解的必備基礎。所以復雜性理論在教學中應該適當提前，并作為教學的重點內容。

3.2 算法思想應滲透在整個教學課程中。

發展層次理論認為思維是多層次的、逐步發展的過程。算法教學時應有意識地朝著這一方向努力。很多算法的提出往往都基于某一個實際的、有趣的問題。在教學過程中可以為學生設置不同的問題情境，有意識的培養學生多角度思考問題的能力。現實生活中通常問題的解決方式都不是唯一的，在教學過程中應有意識的培養學生的算法思想，引導學生用不同的解決方法面對問題。從而加深學生對算法思想的理解，提高學生的邏輯思維能力，并將這樣的思維習慣遷移到日常生活中，體會到算法思想的意義和作用，真正意識到算法思想的重要性。

3.3 算法思維的教學應從最簡單的程序設計語言出發。

算法雖然獨立于具體的計算機和具體的程序設計語言，但算法思維是以程序設計為載體，讓學生能夠清楚認識到問題的起點、邊界和限定范圍，按部就班地完成任務或解決問題。算法思維盡管涉及程序，但也關注算法的實現。在具體教學過程中，算法的實現應盡量使用簡單的語言，強調通過算法來理解計算機對預設問題的解決過程，并能清楚地分析問題解決的優劣。在問題分析的描述中應主要通過偽代碼或自然語言的形式。這樣的描述對學生更為直觀、清晰、易懂，并使得教師的教學和學生的學習更加專注于算法的概念和計算思維的培養。

3.4 教學過程中應注重培養學生解決問題的思維能力。

在算法的具體教學過程中，教師應該更加關注學生的思維發展，所提供的解決路徑只是作為引導和參考，并不限制學生的多元化解決思路。教師通過師生互動，指導學生掌握解決問題的思路與方法，而不是簡單的工具講解。教師隨時引導學生對問題進行深入思考和模式遷移，并鼓勵學生自己利用算法設計的方式加以實踐檢驗，從而促進計算思維在解決問題過程中形式化、模型化到自動化發展。例如人們往往首先通過猜想，然后經過驗證、證明、分析、完善等過程，最終解決一個問題。這也是我們探究真理的常見過程。在該過程中培養學生科學的分析問題、邏輯推理、抽象概括能力，往往要比單純地講解某一種算法有更大的意義。邏輯推理是依據一定的邏輯規則，從已知項得出未知項，或用已知項來解釋未知項。這些都是解決問題、探討概念、發現事物規律的重要基本工具，任何一個算法思想的產生都離不開推理、抽象和概括。培養和訓練這些思維能力是大學計算思維和通識教育的重要組成部分。

3.5 教學過程中應該循序漸進，由淺入深。

教師應當主要將從基礎的問題單元出發，一開始并不展現給定情境的完整問題域，在教學過程中，根據學生對問題的理解和加工情況逐步加以引導、疊加，拓展情境的問題域，提升任務的復雜度。由于整個問題解決的過程放權給學生自主探索，因此，最終的結果也將根據學生不同的能力和想法而呈現出不同的效果。這樣一來，項目問題邏輯的組織就從教師的拆解轉變為學生的疊加，需要學生更多的思維參與，而整個學習不再以預先擬定的結果為目標后，教師也能夠更好地關注學生在問題解決過程中的思維培養。

4 結束語

計算思維已經和人們的生活密不可分，甚至成為了一項重要的生存能力。作為一個解決問題的有效工具，人人都應熟練掌握并學會運用。那么如何培養具有計算思維的新型人才，變成了時代向教育事業提出的課題。國家要求高校必須重視并加強大學生創新能力的開發和培養，讓學生能有意識地運用計算思維思考和解決問題，為今后的學習研究打下良好的基礎。為此，本文從算法設計的角度出發，提出將計算思維融入到課程教學之中，給出了一個基于算法設計教學的計算思維培養解決方案。學生的反饋信息表明這種計算思維培養模式取得了較好的效果，與之前相比，學生在碰到問題時表現出愿意思考、會思考的良好現象，具備了自我學習和獨立研究的初步能力。希望我們的工作，為全國算法設計的教學建設改革探路，為國家培養拔尖創新人才做出貢獻。

參考文獻

[1]J. M. Wing.Computational thinking [J]. Communications of the ACM， 2006， 49（3）： 33-35.

[2]P. Curzon， J. Peckham， A. Settle，et a1.Computational thinking：on weaving it [C].In Proceeding of ITiCSE， Paris， France，2009：201-202.

[3]O. Astrachan，S. Hambrusch， J. Peckhanm，et a1.The present and future of computational thinking [C].In Proceeding of SIGGSE，Chattanooga， Tennessee， USA， 2009， 41（1）：549-550.

[4]張遠平， 邱麗娜. 在算法設計與分析課程教學中融入計算思維. 價值工程， 2016， 35（8）：245-247.