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1計算機科學中的計算思維

計算機科學中的計算思維概念于2006年3月由JeannetteWing提出，JeannetteWing認為“計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及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”，并將計算思維的應用引申到非計算機專業的計算機教育及智力養成和科學的計算思維化兩個領域。計算思維是知識思維的一個實例，這個知識思維的實例有一定的特殊性，原因是作為計算思維內容的計算機科學知識本身是系統思維科學化、工程化的結果。計算思維是自然思維、系統思維之上的知識思維，計算思維的內容是計算機科學的知識系統，計算思維的形式是計算思維的核心。因為知識思維有內容和形式兩個屬性，內容是知識，形式是思維。這一點同作為系統思維組成的相容邏輯有相同之處，邏輯的內容是知識，邏輯的形式是邏輯。

JeannetteWing指出，計算思維能力是人們在閱讀、寫作、算數基本思維能力以外的一種思維能力。閱讀、寫作、算數其實就是系統思維的組成：語言、數學和邏輯。系統思維是通過感知、注意、記憶、分析、解決問題等自然思維能力學習語言、數學、邏輯形成的系統思維能力。在系統思維的三個組成部分之上，通過知識思維中的計算思維內容的學習形成了以計算思維形式為本質的系統思維層面的計算思維。JeannetteWing認為科學正在積極應用計算方法、計算手段、計算思維推進科學具體學科的發展，特別是在生物學領域。計算機和計算機科學與科學結合不僅僅是使用計算方法、計算手段、計算思維促進科學的發展，而是正在給科學帶來一場深刻的進化。

計算認知正在成為傳統思維語言認知、數學認知、邏輯認知之后的第四個認知成分；計算機正在成為傳統思維語言認知、數學認知、邏輯認知的大腦認知器官之后的第四個認知器官。感覺器官的感覺能力自400年前的科學革命以來，已經有了來自科學、技術方面的許多延伸。認知器官的認知能力自20世紀40年代產生的計算機和20世紀60年代產生的計算機科學以來，也已經有了質量和數量的延伸。在21世紀，計算機和計算機科學帶來的認知能力的延伸正在給相容邏輯維度上的認識論的知識系統和信息系統帶來科學的變化。計算機和計算機科學延伸了感知、注意、記憶、分析、解決問題的自然思維，以計算機和計算機科學為內容的計算認知和計算思維增加了語言、數學、邏輯的系統思維維度。自然思維的延伸和系統思維維度的增加正在引起科學知識系統的深刻變化。新型科學不斷形成，人們習慣和熟悉的科學正在成為同計算科學結合形成的新型科學的子集。

2教育學中的計算思維與計算思維的教育

2012年9月11日至12日，在英國曼徹斯特舉行的英國學習技術協會（AssociationforLearningTechnology，ALT）的年會上，AaronSloman作了“什么是計算思維？誰需要計算思維？為什么需要計算思維？計算思維可以學習嗎？計算思維可以教嗎？”的演講。JeannetteWing提出計算機科學的計算思維概念之后不到十年的時間，愛爾蘭的國立愛爾蘭大學（NationalUniversityofIreland）梅努斯分校的計算機科學系便設立了計算思維的本科教育，有完整的大綱和課程設置。這個本科教育大綱和課程設置直接回答了AaronSloman演講中5個問題的后兩個問題：計算思維可以學習，計算思維可以教授。國立愛爾蘭大學計算機科學系這個專業的目標是集成和統一計算機科學、數學和哲學，課程是從現有的計算機科學課程、數學課程和哲學課程中挑選、重新組合形成的一個課程集合。從知識系統的角度看，沒有一門新的課程屬于計算思維課程。

計算思維是一個橫跨思維和知識的涉及多個學科的組合概念，從事計算機相關工作的專家和學者率先感覺到了計算思維的存在，并從自己熟悉的眼前的第一步開始進入計算思維這個領域。對計算思維在不同學科的不同認識和描述并不影響人們對計算思維的感知和在教育中對計算思維的培養。對計算思維本質的認識已經超出了計算機科學的范圍，但這并不影響在計算機科學領域對計算思維規律的認識和在教育學領域對計算思維的培養。關鍵是要在計算機科學領域認識計算思維，要在教育學領域應用計算思維進行計算思維的培養，對計算思維的觀察必須從科學哲學和哲學的角度出發。計算思維的教育主要在計算機科學計算思維和計算機應用計算機思維領域，通過計算機科學知識系統和計算機應用知識系統的教學和學習進行。計算機科學從20世紀60年代成為獨立學科以來已經有完整的知識系統和相應的教育體制。計算機科學的知識體系也在發展變化中，有關計算思維的課程也在甄別和抽象形式化的過程中。人們都知道認識論中有認識主體、認識客體、知識系統三個基本組成部分。對于計算思維來說，認識的主體是人的大腦中認識計算思維所需要的智力和思維能力，認識的客體是客觀存在的計算思維，認識結果的知識系統是計算思維知識系統。同一般清晰可見的認識對象的認識主體、認識客體、知識系統分別是三個獨立的系統不同，計算思維的認識主體、認識客體、知識系統三個系統之間相互交織、關系重疊。原因是計算思維既是認識的主體，又是認識的客體，同時還是認識結果的知識系統。

3計算機大賽中的計算思維能力培養

目前，對于如何在大學的計算機課程中培養學生的計算思維能力，國內學者已提出了一些很好的構想。陳國良院士認為大學第一門計算機基礎課程是計算思維培養的一個關鍵。哈爾濱工業大學的戰德臣教授認為，大學第一門計算機基礎課程必須強化思維性教學改革，強調可實現思維的教授與培養。浙江大學的何銘欽教授等在對九校聯盟（C9）聯合聲明的解讀中提出，一方面要突出相應領域問題求解的核心思路和基本方法，另一方面要通過小規模的應用系統設計與實現，使學生領悟應用系統級的問題求解方式。因此計算思維能力的培養不僅僅局限于大學的計算機課程，更應貫穿于計算機課程的課程設計、計算機大賽等綜合實踐活動中，通過應用系統的設計與實現逐步啟發和培養學生的計算思維能力。計算機設計大賽是大學生綜合運用計算機知識和計算思維的一個創新實踐活動，大賽作品本身就是計算機知識和計算思維應用的表現。學生通過對具體問題進行理論建模和工程實施，不但運用了計算機知識和計算思維，同時拓展了計算機知識，增強了計算思維能力。大賽內容包括軟件應用與開發、微課（課件制作）、數字媒體設計、中華優秀傳統文化微電影、中華民族文化元素、動漫游戲創意設計、軟件服務外包及計算機音樂創作8大類別。從問題求解的角度來看，每一類作品都需要對現實世界的具體應用問題進行抽象和模型化，并通過計算機硬件平臺來展現。通過講解這些實際問題的解決思路，可以培養學生運用計算機知識進行問題求解的計算思維。完成作品的過程涉及從作品策劃、構思、設計到開發、的各個階段，大賽作品是由設計者通過計算機模型化出來的虛擬世界，展示了設計者如何利用計算機科學的知識、方法和模型進行問題求解、系統設計和人類行為理解的整個計算思維過程。學生在作品的設計開發過程中，逐步培養了運用計算機科學的知識、方法和模型進行抽象、自動化的計算思維能力。

在指導學生參賽的過程中，教師通過大賽引導學生主動參與知識的學習，在實踐活動中有意識地逐步培養學生個人的計算思維。數據庫、計算機網絡、程序設計的基本概念、原理和方法都體現著計算機科學家的計算思維，在指導教師有意識地引導和系統規劃下，學生通過學習和應用數據庫、計算機網絡和程序設計，能夠了解計算的方法和模型，建立起利用計算機求解問題的基本思路，站在計算思維的高度觀察和處理問題，從而改變舊的思維方式和工作方式，有意識地培養計算思維。例如，在大賽作品的設計中，關注點分離是控制和解決復雜問題的一種思維方法，該方法先將復雜問題進行合理的分解，再分別研究問題的不同側面（關注點），最后綜合得到整體的解決方案，在計算機科學中的典型表現即“分而治之”。在數據庫設計、龐雜的數據管理和數據庫應用開發中，經常采用“分而治之”的思想。數據庫設計采用軟件工程的思想，自頂向下將設計任務劃分為多個階段，每個階段有各自相對獨立的任務，相鄰階段又互相聯系、互相承接，共同完成整個設計任務；面對復雜的數據管理和維護任務，也進一步分解為數據恢復、并發控制、數據完整性和安全性的保護、數據庫的運行維護等多個子任務，由不同的子系統負責，并相互協作保護數據在運行過程中的正確性和有效性；在進行基于數據庫的應用開發中，模塊化是最常用的最有代表性的一個分解方法。這些數據庫的知識點都充分體現了計算思維的方法。信息化教學為大學生提供了豐富的學習資源：微課、優秀大賽作品和計算思維專題，創設環境，鼓勵大學生通過自主學習、探究學習，培養計算思維能力。我們在大賽活動中充分尊重學生的主體性，通過教學方法的改革和對學生主觀能動性的開發，創建了以培養計算思維為核心的協作學習、研究性學習模式。指導教師把計算模型、算法、并行計算、云計算這些計算思維的思想融入到計算機大賽活動中，與專業課程的知識點緊密銜接起來，進行深入細致的實例分析，使學生不再覺得計算思維是懸空抽象的概念，而是實實在在的思維方法，從而真正做到了教學與科研的互補與相互促進。

4結語

計算思維的概念在計算機科學中提出，但計算思維本身是一個交叉學科的概念。計算思維直接涉及的學科包括認知科學、計算機科學、教育學，間接涉及的學科有語言學、數學、邏輯學。計算思維剛剛走出計算機科學，在計算機科學哲學的領域通過自然科學哲學來逐漸感知認知科學中計算思維的本質。計算思維的培養在教育理論中的探討和在教育實踐中的實施涉及教學大綱的制定、教材的編寫、教學心理、學習心理、學習模式、課堂教學活動、課堂學習活動、實踐教學活動、測試教育理論和實踐的方方面面。學生是教學情境中的主角，是學習的主體。學習的過程是學習者主動建構知識的過程。學習活動不是由教師單純向學生傳遞知識，也不是學生被動地接受信息的過程，而是學生憑借原有的知識和經驗，通過與外界的互動，主動生成信息的過程，教育的成效最終取決于受教育者對所受教育的內化過程。學生通過計算機設計大賽活動成為了教學情境中的主角，積極主動地參與到教學過程中，從而使教學成為一個激發學生建構知識的過程，而不是傳授、灌輸知識的活動。計算思維能力的培養最終要靠學生自己在學習和實踐活動過程中逐步掌握和形成。

作者：曹菡 劉永勃 單位：陜西師范大學計算機科學學院