計算機通識教育中培養(yǎng)計算思維能力的價值探索

吳雅娟，申靜波

（東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318）

計算機通識教育中培養(yǎng)計算思維能力的價值探索

吳雅娟，申靜波

（東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318）

計算思維越來越受到國內外計算機教育界的重視，本文引用計算思維的系統(tǒng)定義，從科技創(chuàng)新和人才培養(yǎng)的角度論述了培養(yǎng)學生計算思維的價值體現，以及在計算機通識教育課程中培養(yǎng)計算思維的價值及實施思路和方法。

計算思維；通識教育；計算機基礎教學

一、計算思維提出的意義

計算思維和計算問題關系密切，美國在2005年6月，通過一份報告《計算科學：確保美國競爭力》中明確闡述了計算科學的重要性，提出計算科學中的先進技術可以在經濟以及其他的前沿研究中發(fā)揮重要作用[1]，21世紀科學研究中的難題可以通過計算找到相應的解決辦法。2007年美國科學基金會啟動了“大學計算教育振興的途徑”計劃，投入巨資進行美國計算教育的改革。美國政府開始實行CPATH計劃進一步宣傳了計算思維在社會生活各領域以及人才培養(yǎng)中的重要作用，在高等教育中提出了具體的以計算思維能力培養(yǎng)為核心的課程改革[2，3]。2008年，美國麻省理工學院還向全球開放公開課程《計算科學與編程導論》，重點講解計算思維訓練，讓全球的讀者都可以自由免費學習計算思維的本質。

在我國近幾年也有越來越多的學者和機構開始認識到計算思維的重要性，并開展了相關的研究。全國高等教育學校2008年中國計算機教育研究會在召開了“計算思維與計算機導論”專題學術研討會，探討了在中國高等學校中開展計算思維能力培養(yǎng)的研究。2010年7月，中國的“常青藤”學校發(fā)表了《九校聯盟（C9）計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯合聲明》，提出計算機基礎課程應該以計算思維為核心[4]。

新生的事物出現還是需要一個普及的過程，目前多數高校教師對于計算思維價值的認識和重視程度還遠遠不夠，因此培養(yǎng)計算思維的實踐也甚少。針對這個問題本文探討計算思維在科學研究、哲學方法論以及人才培養(yǎng)等方面的價值，提出在計算機通識教育中培養(yǎng)學生計算思維能力的教學改革措施，使非計算機專業(yè)學生像具備讀、寫、算能力一樣，具備計算思維的普適能力。

二、計算思維的定義及解讀

2006年周以真教授的《Computational Thinking》給出了計算思維系統(tǒng)定義，在國際上被廣泛認同。計算思維涉及運用計算機科學的基礎概念去解問題、設計系統(tǒng)并理解人類行為。計算思維涵蓋反映了計算機科學之廣泛性的一系列思維活動。強調計算思維是所有人必需具備的基本技能，在閱讀、寫作及算術之外，應將計算思維添加到每個孩子解析能力之中。周以真從多個角度給出了計算思維的細致描述[5]。具備計算思維能力，是在信息化社會中創(chuàng)新的需要。各領域中的科學研究都需要有高效思維的正確引導，要培養(yǎng)出具有創(chuàng)造性的人才，我們在思想方法上就必須重視思維能力的培養(yǎng)，讓學習者運用高效的思維去思考。

三、計算思維對于科技創(chuàng)新的價值

對應于自然科學領域的理論、實驗和計算三大科學的方法，同樣有三大科學的思維：理論思維、計算思維和實驗思維。計算創(chuàng)新在人類科技發(fā)展史上占有異常重要的地位，歷史上有多位科學家因為在計算方面的成就而獲得了諾貝爾獎。1982年的物理學獎和化學獎都是計算技術在相關領域的應用，證明科學計算在科學方法論中的重要地位。1985年得主豪普曼就憑借X光晶體結構分析的方法摘得當年的諾貝爾化學獎，同樣，1998年科恩與波普爾也是因為將計算量子化學方法獲得了大獎。

人類歷史上的許多重大科學發(fā)現也與計算思維有關。19世紀海王星的發(fā)現就是通過計算得來的，在20世紀愛因斯坦的廣義相對論開創(chuàng)物理學的新紀元，充分體現計算思維對于科學史的貢獻。前人未能證明的“四色定理”也通過計算機的數值計算得到了證明。

中國著名的“華—王方法”，有限元方法，及“吳方法”，也都是和計算相關的重大的科學創(chuàng)新[6]。

很多科學發(fā)現的過程充分說明了計算思維在科技創(chuàng)新中的重要價值。

四、計算思維的哲學價值

計算機科學家、圖靈獎獲得者Edsger Dijkstra曾說：我們使用的工具影響著我們的思維方式及習慣，從而也將影響我們的思維力。思維的方式、方法是人類認識論研究的一項重要內容，恩格斯說過：每一時代的理論思維，包括我們時代的理論思維，都是一種歷史的產物，在不同的時代具有不同的形式，并因而具有不同的內容。所以，有關于思維的科學，和其他的任何科學是一樣，是一種歷史科學，是關于人的思維的歷史發(fā)展的科學[7]。

五、計算機的計算思維對于人才的培養(yǎng)價值

人才對于國家和企業(yè)的重要性是不言而喻的，高等學校的首要任務就是為國家培養(yǎng)合格的人才。衡量人才質量的標準有多種多樣，最重要的是解決實際問題的創(chuàng)新能力，而在計算機普及的現代社會中，利用計算機科學的基礎概念去求解問題和設計系統(tǒng)的計算思維能力就顯得非常重要了?，F代的合格人才應該是能充分利用計算機的優(yōu)越性能高效地解決實際問題，能根據實際問題的規(guī)模選擇合適的計算環(huán)境和算法，這就是計算思維能力的具體體現了?，F實社會中的問題用人工解決還是計算機輔助解決，即不同的計算環(huán)境采取的思路是有很大不同的；同樣用計算機輔助求解問題，問題的復雜程度不同，采用的算法也是截然不同的。因此面對問題解決的思路和效果就和決策人的計算思維相關了。計算思維不是獨立存在的，是融合在一個人的整體素質中的，但是在高校的培養(yǎng)方案和課程設置中卻可以特別強調計算思維能力的培養(yǎng)，確保提高學生的創(chuàng)新能力，而計算機基礎教學對此責無旁貸。

六、計算機通識教育課程中培養(yǎng)計算思維

計算思維本質上是一種利用計算機去解決問題的思維方式，是基于不同計算環(huán)境的問題求解，而這和計算機基礎教學的教學目標相吻合。計算機基礎課程作為各高校的通識教育課程，面向廣大的非計算機專業(yè)的學生，不僅要擴展學生的計算機方面的知識面，更重要的是展示計算機科學的思維方式。其核心目標就是培養(yǎng)學生應用計算機解決專業(yè)問題的能力，因此，在計算機基礎教學中培養(yǎng)學生的計算思維能力是很順理成章的，也應該作為計算機基礎教學的核心任務，特別可以在大學的第一門計算機課程——《大學計算機基礎》課中著力培養(yǎng)計算思維。

目前由于對于《大學計算機基礎》課程的錯誤認識，出現了“狹義工具論”的說法，甚至有人質疑《大學計算機基礎》課程開設的必要性。問題的產生可能是因為多數《大學計算機基礎》課程的教學內容偏重知識的介紹和流行軟件的使用方法，僅注重實用而沒有提升到計算機科學的思維方式，即教學過程中僅將計算機作為一個普通的工具使用，而并沒有重視計算機科學本身自有的思想方法、方式，導致學生感覺不到新知識而失去學習的興趣。因此，在《大學計算機基礎》以及其他計算機通識課程教學課程中加強計算思維能力的培養(yǎng)不僅關系到學生的綜合素質和能力，也關系到《大學計算機基礎》課程本身的出路，重新審視計算機基礎教學的定位，將計算思維能力培養(yǎng)作為計算機基礎教學的核心任務，是一個明智的選擇。

計算機基礎課程群一般包括《大學計算機基礎》、《程序設計》、《計算機硬件技術基礎》和《計算方法》等，可以從多方面培養(yǎng)學生的計算思維，包括涉及計算機基本原理的思維、應用計算機的思維以及計算機和專業(yè)結合的思維等。從《大學計算機基礎》中計算機系統(tǒng)的構成和存儲程序的思想讓學生了解二進制的存儲、0和1的思維、程序代碼和機器指令的思維、程序設計語言的思維和計算機系統(tǒng)的思維等。從《程序設計》語言中可以培養(yǎng)學生關于問題求解的算法的思維，例如問題約簡、細化和仿真的思維，遞歸和并行的思維、預防、保護和啟發(fā)式推理的思維，在時間和空間之間、處理能力和存儲能力之間尋求平衡的思維等。讓學生為解決問題而主動學習駕馭計算機硬件和軟件的方法，而不是為考試而被動學習。計算思維是人類求解問題的一條途徑，使人類更好地借助計算機發(fā)揮強大的計算能力去解決各種需要大量計算的問題。

計算思維的培養(yǎng)可以貫穿于教學活動的過程中，《大學計算機基礎》課程的基本教學內容大部分可以保留，思維方式的培養(yǎng)可以滲透到每一教學環(huán)節(jié)中，例如課程實施中通過講解案例分析，讓學生感受思維方式對問題有效解決的影響，再通過實踐環(huán)節(jié)中問題的有效解決讓學生體驗計算的愉悅，培養(yǎng)學生將現實問題轉化為可計算問題的思維習慣，訓練學生針對問題規(guī)模選擇或發(fā)掘計算工具和算法的敏銳性，在教學過程和實踐過程培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

計算機基礎課程作為通識教育課程在培養(yǎng)學生綜合素質和能力方面應該承擔更多的責任，特別應充分發(fā)揮學科優(yōu)勢在培養(yǎng)學生綜合能力方面有所作為，更好地體現楊玉良所說的通識教育的特征：通識教育要同時傳遞科學精神和人文精神；要展現不同文化、不同學科的思維方式；要充分展示學術的魅力[8]。通識教育課程受眾面大，影響廣泛，認真研究通識教育規(guī)律將對人才培養(yǎng)質量有深入的影響?，F在已有幾所高校針對計算思維能力做了對應的培養(yǎng)，將大學生入學的第一門計算機基礎課《大學計算機基礎》課程改名為《計算思維導論》，從內容到形式都聚焦在計算思維上，明確的為基礎課程的改革做了示范。希望更多的高校能認識到計算思維對于人才培養(yǎng)的價值，繼而在計算機基礎教學及計算機通識教育中開展計算思維能力培養(yǎng)的實踐。

[1]President's Information Technology Advisory Committee. Computational Science：Ensuring America's Competitiveness [EB/OL].http：//www.nitrd.gov/pitac/reports/20050609 _computational/computational.pdf，June 2005.

[2]美國國家科學基金CPATH計劃2009年項目申報說明[EB/OL].http：//www.nsf.Gov/cise/funding/cpath_faq.jsp#1.

[3]美國國家科學基金CDI計劃官方網站[EB/OL].http：//www. nsf.gov/crssprgm/cdi/

[4]九校聯盟（C9）.計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯合聲明[J].中國大學教學，2010，（9）.

[5]Jeannette M.Wing.Computational Thinking [J]. Communicationsofthe ACM.2006，49，（3）.

[6]朱亞宗.論計算思維[J].計算機科學，2009，（4）.

[7]恩格斯.自然辯證法[M].北京：人民出版社，1971.

[8]楊玉良.實施通識教育，培養(yǎng)未來社會中堅[Z].教育部直屬高校工作咨詢委員第二十次全體會議大會交流發(fā)言材料，2010.

G642.41

A

1674-9324（2014）40-0276-03

2013年黑龍江省高等教育教學改革項目（項目編號：JG2013010157）。

吳雅娟（1966-），女，黑龍江人，碩士，教授，研究方向為人工智能與計算機基礎教學。