數字素養視域下外語院校計算思維的教育價值、核心內涵與實踐路徑探究

0 引言

為迎接全球數字化浪潮，2023年2月，中共中央、國務院印發的《數字中國建設整體布局規劃》提出，用數字化驅動生產生活和治理方式變革。數字化不僅僅是一種技術變革，更是一場認知與思維革命，為此，亟須增強全民，尤其是當代大學生的數字素養。數字素養從信息素養演變而來，最初由以色列學者YoramEshet-Alkalai于20世紀90年代提出，并將其描述為一種數字時代的生存技能，后經歐盟[1]、聯合國教科文組織[2]等不斷補充和完善，被清晰定義成包括計算機素養、通信技術素養、信息素養和媒介素養在內的四個方面的綜合能力，并成為后續開展相關研究的重要參考[1]。2021年，中央網絡安全和信息化委員會印發的《提升全民數字素養與技能行動綱要》把數字素養界定為“人們創造性地理解、分析、評估、管理和處理數據信息的綜合水平和素質底蘊”，并涵蓋“數字意識、計算思維、終身學習能力和社會責任感”等方面的能力[3]。為落實提升全民數字素養與技能這一國家基礎性、戰略性任務，《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》把提升包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任等在內的數字素養作為課程的核心目標[4]。數字中國背景下，培養大學生尤其是文科大學生數字素養的重要性進一步凸顯。計算思維作為數字素養的重要內容，既體現了個體應用數字工具加工處理數據信息的方法和能力，也體現了個體對數據信息進行批判性思考和創造性表達的能力。因此，加強計算機基礎課程教學研究，強化計算思維教學效果，既是順應數字時代提升國民素質、促進全面發展的要求，也是新文科建設落實文科教育要融合新理念、新技術、新方法，培養學生的跨學科思維和解決綜合復雜問題能力的重要抓手[5]

1計算思維的概念

計算思維最早由麻省理工學院的西蒙·派波特教授提出[6，后卡內基梅隆大學的周以真教授在2006年第一次對計算思維概念做了詳細定義，即計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計和人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[]。之后，周以真教授又兩次對計算思維的定義進行補充，分別認為計算思維是與形式化問題及其解決方案相關的思維過程，其解決問題的表示形式應該能有效地被信息處理代理執行；計算思維是用來表述問題，并以計算機可以有效應用的方式來表達其解決方案的思維過程[8]。隨著計算思維研究的深入和應用范圍的擴大，學者們對計算思維的本質和核心又有了新的認識。2011年，ISTE（國際教育技術協會）和CSTA（美國計算機科學教師協會）將計算思維定義為一個能夠用計算機和其他計算工具來幫助解決問題的過程；Furber認為，計算思維是人們認知現實世界中與計算有關的問題，以及通過應用計算機技術與工具來理解自然和人工系統的過程[8]；國內學者陳國良等[9認為，計算思維并不僅僅是計算機編程，而是在多個層次上抽象的思維，是一種以有序編碼、機械執行和有效可行方式解決問題的模式。盡管學者們對計算思維的定義不同，但始終沒有離開利用計算來解決問題這個核心。同時，大家普遍認為計算思維雖然具有計算機科學的許多特征，并且形式化和利用計算機進行問題求解的方式是相同的，但計算思維并不是計算機科學所獨有的，事實上在計算機出現以前，如抽象（Abstract）和自動化（Automation）等計算思維的核心概念就已經存在了，只是計算機的普及擴大了計算思維的應用范圍。正如Hemmendiger提到的，一個物理學家不一定了解計算機科學的基礎概念，但可以利用計算思維和計算技術有效地解決其領域中的問題[8]。

目前國內高校的計算機基礎教學主要依據教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會編制的《大學計算機基礎課程教學基本要求》和《新時代大學計算機基礎課程教學基本要求》（以下簡稱新《基本要求》）。新《基本要求》明確了計算思維培養和新技術賦能的教學目標，并設計了平臺與計算、程序與算法、數據與智能、信息與社會四個板塊內容。其中，對計算思維的定義和上一版保持一致，即計算思維又稱構造思維，是指從具體的算法設計規范入手，通過算法過程的構造與實施來解決給定問題的一種思維方法，它以設計和構造為特征，以計算機學科為代表，其核心包括計算、抽象、自動化等概念[10]。為落實算法過程的構造與實施，讓計算思維能夠在學生解決具體問題的過程中潛移默化地建立，部分高校嘗試開展編程教育，并取得不錯效果。雖然編程教育有助于發展學生的計算思維能力，但在具體實施過程中，常常受到學時、專業、師資等各方面條件的限制，容易陷入兩難境地。站在數字中國和新文科建設視角，計算思維教育在外語院校要想取得更好的效果，需進一步厘清三個問題：1）計算思維教育對當前外語專業學生的意義何在，即教育價值；2）計算思維教育的主要內容，即核心內涵；3）如何在有限的課時內把計算思維融入具體教學過程，即實踐路徑。厘清上述問題有助于教學目標的達成。

2 教育價值

近年來，隨著以人工智能、大數據、區塊鏈等為代表的新一代數字技術的持續發展與應用，世界正進入數字經濟快速發展的時期。與此同時，國內新文科、數字中國建設也進入新階段。因此，計算思維教育要立足新時代，從人的終身學習和素養提升角度考慮，使學生在理解和掌握計算思維核心概念的基礎上，培養他們應用計算思維解決實際問題的習慣，從而提高其未來在數字社會中理解、創造、應用數據信息的能力。對外語專業學生來說，計算思維教育具有如下價值。

2.1提升數字素養

當前，在全球數字革命大背景下，數字和計算充斥著社會的每一個角落，對人類的生產模式、生活方式、價值理念都產生了深刻影響，教育領域也不例外，如外語教學的計算化趨勢就越來越明顯。因此，從新時代對外語人才培養的要求出發，亟須幫助學生提高應對未來社會變化的能力，包括在數字化情境中解決實際問題的方法與策略。計算思維教育具有促進學生數字素養與技能提升的價值，并與數字意識、終身學習能力和社會責任感等數字素養目標相吻合。

2.2培養創新意識

新文科建設要推進工文結合、醫文結合、農文結合，外語教育要培養一精多會、一專多能的國際化復合型人才必須堅持融合創新。計算思維作為與理論思維和實驗思維并列的、人們必須具備的科學思維方式之一，融合了包括數學思維、工程思維、邏輯思維、算法思維和系統思維等內容。在學習計算思維的同時，自然會與相關學科聯系，這對拓展語言專業學生的學術視野、提高他們的跨語言跨文化交際能力大有幫助。例如，語言專業學生由于缺乏理科背景和相應訓練，利用計算解決現實問題的視野較窄，辦法不多，容易生搬硬套某種計算工具，而計算思維有助于學生跳出傳統文科思維框架，把科技與人文融合起來，不僅在語言學習中融入數字科技的內容，而且對計算模型和計算結果也可以自覺地用科技與人文精神去闡釋。

2.3 實現技術賦能

為適應數字化社會發展的需要，近年來外語教學在人才培養的目標、模式、環境、評價等方面發生了一些變化[11]：如傳統的語言技能訓練已融合了人工智能、大數據、虛擬仿真等技術；語言研究增加了數據驅動、模型計算等新的范式；人文精神、思辨和批判性思維逐漸與最新的科學技術相結合。通過計算思維培養，學生應用數字工具的方法和能力與對數據信息客觀分析的能力，能有效促進他們在數字化環境下的語言學習和研究。例如，關于抽象與自動化的概念，抽象是為了用符號描述現實問題，自動化是為了快速、準確、高效地解決問題，而模型既是抽象的結果，也是自動化執行的前提。為了自動化執行，所抽象的模型需要按可計算的方式形式化表達，同時還要對計算結果進行客觀分析，這些都要求文科學生突破思維慣性，摒棄經驗主義，采用更加科學的思維模式。

3 核心內涵

為提高計算思維教學效果，新《基本要求》在教學內容上強化了計算（Computing）的概念，并提出計算系統的基本理解、計算技術的融合應用等能力培養目標，使從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來實施計算思維教育有了具體的抓手。事實上，近年來學界對計算思維核心內涵的認知也在發生變化，如ISTE認為創造力、算法思維、批判性思維、合作（2015）和數據分析、抽象思維、算法思維、建模、數據表示、問題分解、自動化（2016）[8]是重點。其中，算法教育包括設計算法并實現，是計算思維教育的重要內容。但學習編程不是算法教育的唯一途徑，歸根到底，算法不僅是對信息、數據計算時所采用的方法，也包括人們思考問題、作出決策時采取的一系列有條理的步驟。因此，對文科學生來說，計算思維教育可以從計算出發，向學生闡釋什么是計算，計算（工具）的發展，以及如何通過有序步驟構建解決現實問題的方案，或者是如何通過計算化來解決本學科問題。這樣學生可以對計算系統基本原理有一定理解，能夠在應用計算的基礎概念求解實際問題的過程中逐步培養抽象、問題分解、建模、設計等計算思維能力。

人類計算的歷史甚至早于文字的產生。在古代中國、埃及、印度等地，人們很早就將計算應用于農業生產，古希臘的畢達哥拉斯和亞里士多德則把計算和自然、計算和哲學聯系起來，以揭示現實世界中各種對象的關系。畢達哥拉斯學派提出萬物皆數的概念和該學派對形式化數學的推崇對后來整個西方自然科學的發展產生巨大影響。包括萊布尼茨、弗雷格、圖靈與馮·諾依曼等人在內的眾多科學家對該領域進行研究。萊布尼茨試圖設計出一套理想符號系統或語言，以及確定的語言變換（演算）規則，這樣可把日常問題解決轉變成用理想符號（語言）表達，并利用演算規則求解的過程[12]。弗雷格、羅素等人沿著這種形式化的道路繼續前進，建立數理邏輯體系，使機械化數學（計算）成為可能。后來的圖靈在希爾伯特綱領、哥德爾形式系統不完備性定理的基礎上開始可計算性研究，即從理論上表述符號化計算（通用圖靈機）。馮·諾依曼則依此思路設計了物理計算機來實現這種符號變換，并從此開啟了大規模機械化計算取代人力計算的時代。今天，計算已經充分融入人類社會的幾乎所有活動，無處不在。人們意識到，人類正處于一個高度依賴計算的時代，甚至計算主義者認為一切皆可計算，心靈、認知、生命、宇宙、自然等不過是圖靈機的特殊形態，其本質還是計算[13]。

與計算概念的發展相適應，計算工具也在不斷進步，充分體現了計算對促進人類社會文明進步和科技發展的作用[14]。因此，從計算出發，容易向學生解釋：什么是計算（按規則的符號變換過程，或者圖靈機的操作過程），為什么說計算思維一直存在（從古人對數字符號化表示開始）并且是廣泛應用的（面向所有人，適用于所有領域）。對如何利用計算求解現實問題，有學者指出，計算思維最本質的概念是計算模型[9]。因此，通過設計和構造模型來表達事物之間的關系，既是符號化和抽象的結果，也是運用計算思維的方式。尤其在大數據時代，現實世界的各種行為均可轉化為數據，人們通過尋找隱藏在數據背后的各種模式來揭示事物之間的關系，此即計算的目的，亦是適用于所有領域的證明。這一點即使對語言專業的學生來說也并不陌生，大家多少在課堂或者現實生活都接觸過一些物理、化學、社會科學，甚至語言學等方面的模型。因此，基于對計算本質的認識，計算思維可以理解為人們在面對實際問題時，以數據或者信息為處理對象，采取抽象問題、形式化描述、選擇合適工具、構造模型等步驟來解決問題的思路和方法。

4實踐路徑

在以往的教學中，圍繞算法和程序設計闡釋計算思維的效果不是很理想，這主要是由于諸如抽象、分解、遞歸、數據結構等概念對文科學生來說比較晦澀難懂，也與絕大多數學生的專業學習和日常應用并不直接相關，其真實價值難以很好地體現，這導致學生對學習計算思維的目的認識比較模糊，缺乏內生驅動力，僅以應付考試為主。新《基本要求》提出，把“人工智能等新技術融入對計算系統的理解和融合應用的能力培養中，從中實現技術賦能和養成較好的計算思維素質”，為語言專業學生的計算思維培養提供了新的思路。對語言專業的學生來說，如果以計算作為出發點，則計算思維能力主要包括問題抽象、符號化表示、模型構造、利用計算工具求解等。人工智能無論是其在學生中的熱度，還是本身所包含的內容，均可滿足教學要求。但由于人工智能知識體系十分繁雜，為保證教學效果，需要對其進行合理挑選。

作為人類智能的延伸，人工智能經歷了從計算智能、感知智能到認知智能的發展階段，其高階表現形式是具備認知功能的智能體，而底層技術框架包括知識表示、邏輯推理、神經網絡、深度學習等，其方法論主要包括符號主義、聯結主義和行為主義。符號主義認為智能的核心是思維，思維的抽象形式是邏輯，人工智能就是計算機用邏輯方法把思維還原為簡單數字來模擬人腦的過程；聯結主義認為神經元就是不同的計算單元，人工神經網絡就是用來模擬人類認知現象和智能行為的分布式并行信息處理的數學模型，其本質仍為計算[13]。因此，無論是符號主義，還是聯結主義，都可以在抽象、自動化、計算與人工智能之間建立聯系。教學內容的組織應體現這種聯系，并與計算思維的核心概念相統一。

經過進一步梳理計算思維教育框架內的各種定義和關鍵特征，在明確計算系統理解、計算技術融合應用的教學目標后，將計算思維核心概念整合到人工智能的教學內容里面，形成由易到難四個層次的內容。

1）計算思維概念介紹。從計算文化的歷史發展入手，著重介紹包括萊布尼茨、希爾伯特、圖靈、馮·諾依曼等科學家的杰出貢獻，或者結合計算工具的變化，幫助學生了解從早期的機械計算工具到計算概念的形式化描述，再到后來自動化計算工具的出現，以及這一系列演變過程背后的思想變遷，從而深刻體會計算思維的本質是抽象和自動化，抽象體現為符號化和形式化，自動化體現為模型建立和算法實現。

2）人工智能概念介紹。從符號智能概念、知識表示與推理入手，主要涉及知識與問題求解的符號表示、邏輯推理、形式化證明等過程，并進一步加深邏輯推理是基于符號系統機械化（自動化）計算的理解。在時間允許的條件下，編程教育可基于邏輯編程語言Prolog開展。為體現設計和構造思想，可選擇一些利用啟發式推理來尋求解答的實例。

3）應用實踐。聯結主義把智能歸結為人腦的生物神經元活動，因此人工智能應著重于模擬人的生理神經網絡結構，為此，可從簡單的機器學習算法入手，將生活中的場景抽象成為模型，并且依靠機器的超強計算能力，對目標問題進行預測或者分類操作。但機器學習由于學習門檻高、學習曲線陡等原因，即便是最簡單的算法，也不一定適合文科大一新生。因此，課堂上可以借助Excel、ChatGPT等的數據處理能力，讓學生通過一些簡單模型來提高他們對數據分析的理解。此外，還可以介紹一些其他的AI工具，如機器翻譯、語音識別等。

4）素養提升。計算思維從計算機和信息科學中汲取了諸如抽象、分解、迭代等概念和技術，其中分析、評估、推論等概念可認為是對批判性思維的補充。例如，引導學生使用ChatGPT等AI工具進行語言學習的過程就是在幫助學生培養獨立思考、用事實（數據）說話、批判性思維和創造性分析等能力。

5 結束語

學生計算思維的養成不是一蹴而就的，需要激發學生的學習興趣，讓他們從內心接受和認可計算思維的概念，并真正理解和掌握其具體使用方法，才能在不斷發現問題和解決問題的過程中逐步形成。在數字中國戰略和新文科建設背景下，外語院校計算思維教育需與時俱進。新《基本要求》提出的把“人工智能等新技術融入對計算系統的理解和融合應用的能力培養中，從中實現技術賦能和養成較好的計算思維素質”，為語言專業學生的計算思維培養提供了新的思路。一方面，學生對人工智能有強烈的學習興趣，尤其是隨著ChatGPT等應用逐步成熟，學生對生成式人工智能模型在語言方面的應用十分關注；另一方面，人工智能技術內容豐富，便于詮釋計算思維的核心概念，包括什么是計算和如何通過計算來解決問題等。因此，從人工智能切入，有助于增強計算思維教學效果，提升學生的數字素養，實現技術賦能。

6 參考文獻

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