大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育的“文化觀”與“工具論”

閻紅燦，張淑芬，付景紅

(河北聯(lián)合大學(xué)理學(xué)院，河北唐山063009)

計算機基礎(chǔ)教學(xué)在我國高等教育中已有30多年的發(fā)展歷史，已經(jīng)成為我國高等教育的必然組成部分，在學(xué)生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面發(fā)揮著重要作用。美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(PITAC)2005年6月給美國總統(tǒng)提交的報告《計算科學(xué):確保美國競爭力》認(rèn)為:21世紀(jì)科學(xué)上最重要的、經(jīng)濟上最有前途的前沿研究都有可能通過先進的計算技術(shù)和計算科學(xué)而得到解決。雖然這個論述中用的是“都有可能”，但我們?nèi)钥梢钥闯鰹槠渌麑W(xué)科培養(yǎng)掌握先進計算技術(shù)的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程是何等重要。

傳統(tǒng)的計算機教育經(jīng)歷了“計算機文化”和“計算機工具”兩個時期，到現(xiàn)在的信息技術(shù)教育，是將其視為“文化”還是“工具”，仁者見仁智者見智。2007年美國科學(xué)基金會(NSF)啟動了“大學(xué)計算教育振興的途徑”(CISE Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education，CPATH)計劃，并提出了以“計算思維”為核心的課程改革。2010年7月，在西安交通大學(xué)舉辦了首屆九校聯(lián)盟C9計算機基礎(chǔ)課程研討會，發(fā)布了《九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》［1］，旗幟鮮明地提出把“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，同時倡導(dǎo)高等學(xué)校應(yīng)加強以計算思維能力培養(yǎng)為核心的計算機基礎(chǔ)教學(xué)課程體系和教學(xué)內(nèi)容的研究。

筆者認(rèn)為，培養(yǎng)大學(xué)生計算思維的教學(xué)理念正是計算機基礎(chǔ)教學(xué)中“工具論”和“文化觀”的有機融合。計算機基礎(chǔ)教學(xué)不只是教授學(xué)生怎么使用計算機或進行程序設(shè)計，更承擔(dān)著培養(yǎng)大學(xué)生綜合素質(zhì)與能力的重任。大學(xué)生學(xué)習(xí)計算機基礎(chǔ)課程，不僅要了解計算機是什么，計算機能夠做什么、如何做，而且還要知道這個學(xué)科領(lǐng)域解決問題的基本方法與特點，即學(xué)習(xí)這個學(xué)科領(lǐng)域解決問題的基本思維方法。計算機作為通識教育的重要內(nèi)容，不只是簡單地拓展學(xué)生在計算機方面的知識面，更需要展現(xiàn)計算機學(xué)科的思維方式。

一、計算思維的核心蘊涵了“工具”和“文化”

美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真(Jeannette M．Wing)教授認(rèn)為，計算思維［2］(Computational Thinking)是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為;計算思維的本質(zhì)是抽象(Abstraction)和自動化(Automation)。如同所有人都具備“讀、寫、算”(簡稱3R)能力一樣，計算思維是必須具備的思維能力。

計算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個困難的問題闡釋為如何求解它的思維方法。計算思維的本質(zhì)和核心不僅僅是計算機科學(xué)的技術(shù)-工具，更重要的是對未知世界的思考方式-文化，正如《計算思維與計算文化》［3］中所言“可在兩個層面上思考:一是基本和哲學(xué)的;二是需求和現(xiàn)實的。”

(一)計算思維的“工具論”

周以真教授認(rèn)為，計算思維是21世紀(jì)中葉每一個人都要用的基本工具，它將會像數(shù)學(xué)和物理那樣成為人類學(xué)習(xí)知識和應(yīng)用知識的基本組成和基本技能［4］。陳國良教授認(rèn)為，當(dāng)計算思維真正融入人類活動的整體時，它作為一個問題解決的有效工具，人人都應(yīng)當(dāng)掌握，處處都會被使用［5］。徐志偉教授認(rèn)為，計算思維是無處不在的，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［6］。顯然，這將促進實現(xiàn)周教授提出的目標(biāo):“一個人可以主修計算機科學(xué)，接著從事醫(yī)學(xué)、法律、商業(yè)和政治，以及任何類型的科學(xué)和工程，甚至是藝術(shù)工作?！倍?，還會如她所指出的那樣:“當(dāng)我們行動起來去改變這一領(lǐng)域的社會形象時，計算思維就是一個引導(dǎo)著計算機教育家、研究者和實踐者的宏大愿景?！?/p>

(二)計算思維的“文化觀”

像計算機科學(xué)家那樣去思維意味著遠遠不止能為計算機編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思維。計算機科學(xué)不只是關(guān)于計算機，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)于麥克風(fēng)一樣。計算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計算機那樣地思考。計算機枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力，是人類賦予計算機激情。

著名的計算機科學(xué)家、1972年圖靈獎得主艾茲格·迪杰斯特拉說過的一句話:“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力?！薄八季S方式”和“思維習(xí)慣”是如何形成的?文化使然，是一種普遍的認(rèn)識。

計算思維已經(jīng)滲透到我們每個人的生活之中，諸如現(xiàn)實生活中“硬件不硬，軟件不軟”、“你的CPU休眠”等語言和“算法”等詞匯已成為每個人日常語言的一部分，對“非確定論”和“垃圾收集”這些詞的理解會和計算機科學(xué)里的含義驅(qū)近，而樹已常常被倒過來畫了。人們潛移默化的用計算思維的方式來認(rèn)識世界和理解世界，并應(yīng)用其改造世界，已經(jīng)是我們身邊的一種計算機文化了。

二、計算機基礎(chǔ)教育的目標(biāo)體現(xiàn)了計算思維的培養(yǎng)

教育部高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會提出了大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)四個方面的能力培養(yǎng)目標(biāo)［7］:

(1)對計算機的認(rèn)知能力。掌握計算機、網(wǎng)絡(luò)及其他相關(guān)信息技術(shù)的基本知識和原理;理解計算機分析、解決問題的基本方法;具備在實際應(yīng)用中綜合應(yīng)用這些知識的能力，具有判斷和選擇計算機工具與方法的能力。

(2)應(yīng)用計算機解決問題的能力。能有效地掌握并應(yīng)用計算機工具、技術(shù)和方法，解決專業(yè)領(lǐng)域中的問題。

(3)基于網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力。熟練掌握與運用計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠有效地對信息進行獲取、分析、評價和吸收。

(4)依托信息技術(shù)的共處能力。掌握與運用計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠有效地表達思想，彼此傳播信息、溝通知識和經(jīng)驗;掌握基于信息技術(shù)的團隊協(xié)作方式;充分認(rèn)識互聯(lián)網(wǎng)的參與性、廣泛性和自律性，自覺遵循并接受信息社會道德規(guī)范的約束，并自覺承擔(dān)相應(yīng)的社會責(zé)任。

計算思維是一種遞歸思維，它是并行處理，是選擇合適的方式去陳述一個問題，或者是選擇合適的方式對一個問題的相關(guān)方面建模使其易于處理?？赡馨?但不僅這些)如下的概念:規(guī)約、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、遞歸、并行、抽象、分解、保護、冗余、容錯、糾錯、系統(tǒng)恢復(fù)、啟發(fā)式、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、調(diào)度、折中，優(yōu)化等等［4］。

從上述四個目標(biāo)中可以看出，計算機教學(xué)的主體內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)都體現(xiàn)了計算思維的內(nèi)容和技巧，通過一堂一堂課程的具體講授被學(xué)生所接受，并逐漸內(nèi)化為學(xué)生的思維方法?？梢姡髮W(xué)計算機基礎(chǔ)教育是學(xué)生計算思維培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

三、大學(xué)生計算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)實踐

過去我們總是說，學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)課程、物理課程并不是要成為數(shù)學(xué)家或者物理學(xué)家，而是通過這些課程的訓(xùn)練養(yǎng)成科學(xué)思維的素質(zhì)和能力，現(xiàn)在這種認(rèn)識也同樣適用于計算機課程。計算思維這個概念在近期如此鮮明提出來，就是將計算機課程對于大學(xué)生科學(xué)思維能力培養(yǎng)的重要性放在了前所未有的高度。如果從人類思維的三個組成部分—實證思維、邏輯思維和計算思維的角度來考慮，那么計算機課程將會成為等同于數(shù)學(xué)課程、物理課程一樣重要的課程。計算機課程不是培養(yǎng)計算思維唯一的課程，但卻是最好的課程，這是從計算思維角度對于計算機課程重要性的新觀點［8］。

計算思維不僅僅是解決問題的有效工具和方法，更是人類知識積累和傳承的模式和規(guī)范，這種能力不是短時間內(nèi)通過單一學(xué)習(xí)就能形成的，要通過計算思維概念的學(xué)習(xí)、綜合素質(zhì)的培養(yǎng)、實踐的凝練和升華循序漸進造就而成。作為大學(xué)教育工作者，首先要做好計算思維的基礎(chǔ)培養(yǎng)，營造計算文化的氛圍，為大學(xué)生將來的計算思維的提升打下堅實基礎(chǔ)。

(一)信息素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是前提

我們是地方綜合性院校，計算機基礎(chǔ)教學(xué)的目標(biāo)依然是計算機應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，通過“工具”化的學(xué)習(xí)計算機基礎(chǔ)概念、辦公軟件、網(wǎng)絡(luò)及計算機編程，提高學(xué)生信息素養(yǎng)，為解決專業(yè)領(lǐng)域問題提供有效方法和手段。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生具有了判斷和選擇計算機工具和方法的能力;知曉了有效獲取和分析信息的途徑;掌握了表達思想，溝通知識和經(jīng)驗的方法;具備了綜合運用所學(xué)知識解決實際難題的創(chuàng)新能力，從而潛移默化地為計算思維的形成奠定了基礎(chǔ)。

(二)計算文化和計算思維的凝練是升華

在教學(xué)中不僅僅是工具的教化，更注重文化的陶冶。早期大學(xué)計算機課程“計算機文化基礎(chǔ)”中的“文化”含義非常深刻，一是蘊涵著“普及”，無處不在;一是代表了一種思維方式，人為精神層面的東西。所以周教授認(rèn)為“當(dāng)計算思維真正融人人類活動的整體以致不再是一種顯式哲學(xué)的時候，它就將成為現(xiàn)實?！睂脮r計算思維也就必然是計算文化了［3］。

計算思維是隱藏在能力培養(yǎng)內(nèi)容中的，在教學(xué)中，要明明白白地將知識中蘊涵的道理講出來。原來的“工具論”可能知其然就可以了，但是“文化觀”要求其背后的深層的規(guī)律挖掘出來，讓學(xué)生在實踐中“悟”，久而久之，計算思維的認(rèn)識就在學(xué)習(xí)和實踐中凝練、逐步提升。

計算思維是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法;計算思維是按照預(yù)防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法;計算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答，即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法;計算思維是利用海量數(shù)據(jù)來加快計算，在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行折中的思維方法。這些便是我們在計算機教學(xué)中應(yīng)該給同學(xué)們“悟出”的道理，所以我們開設(shè)計算機編程課程目的不是培養(yǎng)程序員，而是培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。

［1］ 九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明［J］．中國大學(xué)教學(xué)，2010(9)．

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

［3］ 王飛躍．計算思維與計算文化［N］．科學(xué)時報，2007-10-12．

［4］ Jeannette M．Wing．Computational Thinking and Thinking about Computing［EB/OL］．2008．

［5］ 陳國良，董榮勝．計算思維與大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育［J］．中國大學(xué)教學(xué)，2011(1)．

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

［7］ 何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴．計算機基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計算思維能力的培養(yǎng)．中國大學(xué)教學(xué)，2010(9)．

［8］ 李廉．計算思維—概念與挑戰(zhàn)．中國大學(xué)教學(xué)，2012(1)．