淺談高等農(nóng)業(yè)院校計(jì)算思維教育

田緒紅， 林丕源， 肖 磊， 王 琴

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院， 廣東 廣州 510642)

0 引 言

2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任周以真(Jeanentte M.Wing)教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志ACM上發(fā)表并定義了計(jì)算思維(Computational Thinking)概念。計(jì)算思維這一觀念提出后，立即得到美國(guó)教育界的廣泛支持，并引起了歐洲的極大關(guān)注。國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)教育界也緊跟國(guó)際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，2010 年7 月，北京大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、上海交通大學(xué)、南京大學(xué)、中國(guó)科枝大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)九所知名高校在西安交通大學(xué)舉辦了“C9 高校聯(lián)盟計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會(huì)”，發(fā)表了《九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》[1-2]，聲明旗幟鮮明地把“計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)。隨后教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)組織了一系列相關(guān)會(huì)議，探討開(kāi)展“計(jì)算思維：確保學(xué)生的創(chuàng)新能力”的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的研究。不僅如此，相關(guān)實(shí)踐也廣泛地開(kāi)展起來(lái)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)[3]，西安交通大學(xué)[4]等國(guó)內(nèi)許多綜合性與理工大學(xué)相繼開(kāi)展了以“計(jì)算思維能力培養(yǎng)”為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革。相對(duì)而言，目前許多高等農(nóng)業(yè)院校計(jì)算思維教育沒(méi)有引起足夠的重視。

1 農(nóng)業(yè)院校學(xué)生也需要“計(jì)算思維能力培養(yǎng)”

1.1 計(jì)算思維是每個(gè)人的技能組合成分

周以真教授定義的計(jì)算思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)[5]。她指出，計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家。我們應(yīng)當(dāng)使每個(gè)孩子在培養(yǎng)解析能力時(shí)不僅掌握閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)(Reading，wRiting, and aRithmetic-3R)，還要學(xué)會(huì)計(jì)算思維，猶如印刷出版促進(jìn)3R的普及，計(jì)算和計(jì)算機(jī)也以類似的正反饋促進(jìn)了計(jì)算思維的傳播。她認(rèn)為，這種思維在不久的將來(lái)，會(huì)成為每一個(gè)人的技能組合，而不僅僅限于科學(xué)家。周教授甚至提出是在2050 年以前，讓地球上每一個(gè)公民都具備‘計(jì)算思維’能力。換句話說(shuō)，以前要“掃盲”，是掃“文盲”，在21 世紀(jì)，要掃“計(jì)算機(jī)盲”。

有學(xué)者認(rèn)為不妨把計(jì)算思維看成是“基礎(chǔ)的回歸”，把學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)看成像學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)或英語(yǔ)一樣的基礎(chǔ)知識(shí)。他們認(rèn)為，在原來(lái)的數(shù)、理、化、天、生、物六大基礎(chǔ)學(xué)科的基礎(chǔ)上，加上計(jì)算機(jī)科學(xué)而成為七大基礎(chǔ)學(xué)科。

從科學(xué)思維的角度，一般認(rèn)為主要分為理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維三大類。理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算是推動(dòng)人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展的三大支柱。這種認(rèn)知不僅被科學(xué)文獻(xiàn)廣泛引用，而且還通過(guò)了美國(guó)國(guó)會(huì)的聽(tīng)證，以及美國(guó)聯(lián)邦政府和私人企業(yè)報(bào)告的認(rèn)同[6-7]。這方面有許多著名的例子。

先看人類基因組計(jì)劃。該計(jì)劃宗旨在于測(cè)定組成人類染色體(指單倍體)中所包含的30億個(gè)堿基對(duì)組成的核苷酸序列，從而繪制人類基因組圖譜，并且辨識(shí)其載有的基因及其序列，達(dá)到破譯人類遺傳信息的最終目的。在測(cè)序過(guò)程中，這30億個(gè)核苷酸堿基對(duì)被分割為成千上萬(wàn)條長(zhǎng)約400～800個(gè)核苷酸片段，這些片段的兩端相互重疊，它們分別被測(cè)序后通過(guò)計(jì)算機(jī)程序?qū)⑵淦唇悠饋?lái)。這個(gè)拼接過(guò)程即使用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)完成有時(shí)也要耗時(shí)幾個(gè)月。后來(lái)Langmead采用數(shù)據(jù)壓縮中的塊排序壓縮算法對(duì)基因序列做索引，在此基礎(chǔ)進(jìn)一步提出了雙向索引技術(shù)，從而將基因序列比對(duì)步驟的性能提高了30倍甚至300倍以上，極大地促進(jìn)了生物計(jì)算整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。這個(gè)例子說(shuō)明計(jì)算機(jī)算法對(duì)科學(xué)研究具有重要作用。

最近，來(lái)自約翰霍普金斯大學(xué)的研究人員成功利用計(jì)算機(jī)去識(shí)別用以調(diào)控基因活性的DNA序列的共同點(diǎn)，并利用這些共同點(diǎn)預(yù)測(cè)基因組中的其他調(diào)控區(qū)域，這種新工具能幫助科學(xué)家們更好地了解疾病風(fēng)險(xiǎn)和細(xì)胞發(fā)育。研究人員采用的方法就是我們熟悉的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，他們構(gòu)造了兩個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集：其中一個(gè)是利用公開(kāi)數(shù)據(jù)構(gòu)建的包含大腦特殊區(qū)域的增強(qiáng)子序列的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，另外一個(gè)是根據(jù)他們自己的經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建具有黑色素細(xì)胞特異性數(shù)據(jù)集。有了這兩個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，就能令計(jì)算機(jī)區(qū)分訓(xùn)練序列特征與基因組中所有其他序列特征，創(chuàng)建識(shí)別不同序列的規(guī)則。在整個(gè)基因組中應(yīng)用這種規(guī)則，計(jì)算機(jī)就能發(fā)現(xiàn)上千對(duì)可能的大腦或者黑色素細(xì)胞增強(qiáng)子序列。目前機(jī)器學(xué)習(xí)方法已廣泛應(yīng)用于不同學(xué)科的科學(xué)研究中。

從上述計(jì)算思維的論述不難看出，計(jì)算思維是面向所有的人，所有的地方。國(guó)內(nèi)也不少學(xué)者提出了不同學(xué)科學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的重要性，如李志文[8]、張樂(lè)平等[9]就討論了醫(yī)科學(xué)生計(jì)算思維培養(yǎng)的問(wèn)題，成敏盈[10]討論財(cái)經(jīng)類高校非計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生計(jì)算思維構(gòu)建問(wèn)題。也有學(xué)者討論了農(nóng)科院校學(xué)生信息素養(yǎng)培養(yǎng)方面的問(wèn)題，如余建橋等[11]提出了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)課程的改革問(wèn)題，張喜海等[12]討論了數(shù)字農(nóng)業(yè)與學(xué)生信息素養(yǎng)問(wèn)題。雖然沒(méi)有直接提及計(jì)算思維，但本質(zhì)上與計(jì)算思維培養(yǎng)問(wèn)題相關(guān)。

1.2 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究與應(yīng)用的必然要求

我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)將進(jìn)入關(guān)鍵的攻堅(jiān)階段。這一階段，農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的要求更加迫切，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式將向集約化生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)、社會(huì)化服務(wù)、市場(chǎng)化運(yùn)作、信息化管理轉(zhuǎn)變，這些變化都迫切需要現(xiàn)代信息技術(shù)的支撐。農(nóng)業(yè)規(guī)?；⒕珳?zhǔn)化、設(shè)施化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化步伐加快，多功能、經(jīng)濟(jì)型、智能化的信息技術(shù)和產(chǎn)品在田間作業(yè)、設(shè)施栽培、健康養(yǎng)殖、精深加工、儲(chǔ)運(yùn)保鮮等環(huán)節(jié)將大量應(yīng)用，會(huì)凸顯農(nóng)業(yè)信息化的綜合經(jīng)濟(jì)效益[13-14]。

農(nóng)業(yè)信息化的核心和具體表現(xiàn)形式是數(shù)字農(nóng)業(yè)。數(shù)字農(nóng)業(yè)主要包括農(nóng)業(yè)要素(生物要素、環(huán)境要素、技術(shù)要素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素)的數(shù)字信息化、農(nóng)業(yè)過(guò)程的數(shù)字信息化(數(shù)字化實(shí)施，數(shù)字化設(shè)計(jì))，農(nóng)業(yè)管理的數(shù)字信息化。目前,涵蓋“信息農(nóng)業(yè)”、“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”、“虛擬農(nóng)業(yè)”等概念的所有內(nèi)容，可以理解為以計(jì)算機(jī)技術(shù)、地學(xué)空間技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、電子工程技術(shù)等一批信息高技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息獲取的實(shí)時(shí)性和標(biāo)準(zhǔn)化，農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)與決策管理的智能化，信息傳播的網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)施過(guò)程的自動(dòng)化，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化。

由此可以看出，現(xiàn)代信息化農(nóng)業(yè)本質(zhì)上將是一個(gè)計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)，計(jì)算思維的相關(guān)概念在這個(gè)系統(tǒng)中得到充分體現(xiàn)。因此，對(duì)于高等農(nóng)業(yè)院校學(xué)生，將來(lái)無(wú)論是從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究，還是從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐，計(jì)算思維能力培養(yǎng)都非常重要。

2 農(nóng)業(yè)院校計(jì)算思維教學(xué)方式

為便于理解，在給出計(jì)算思維清晰定義的同時(shí)，周以真教授還對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行了更細(xì)致的闡述[5]：

計(jì)算思維是通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)困難的問(wèn)題闡釋為如何求解它的思維方法。

計(jì)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(jì)算思維是一種采用抽象和分解的方法來(lái)控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨型復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法(SoC 方法)。

計(jì)算思維是選擇合適的方式陳述一個(gè)問(wèn)題，或?qū)σ粋€(gè)問(wèn)題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法。

式中：Fi為幾何要素的變動(dòng)位置，m為幾何要素的變動(dòng)自由度數(shù)量，Df1,Df2,,Dfm為實(shí)際幾何要素相對(duì)理想幾何要素在各自由度方向上的偏量。若將公差域大小記為T(mén)，則有-T/2≤Dfm≤T/2。

計(jì)算思維是按照預(yù)防、保護(hù)及通過(guò)冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法。

計(jì)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(jì)算思維是利用海量數(shù)據(jù)來(lái)加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間、在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折中的思維方法。

雖然這些詳細(xì)的論述對(duì)于從事計(jì)算機(jī)科學(xué)的人員來(lái)說(shuō)，計(jì)算思想的概念已經(jīng)是非常清晰了。但是對(duì)于高等農(nóng)業(yè)院校非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，這樣的論述仍然難以理解。因此，必須采用他們更易于接受的方法進(jìn)行計(jì)算思維的教學(xué)。

2.1 通過(guò)具體的案例將計(jì)算思維的概念實(shí)例化

計(jì)算思維是可見(jiàn)、可實(shí)現(xiàn)的思維而非抽象的思維。周以真教授也舉了一些日常生活中的事例：當(dāng)你的孩子早晨去上學(xué)時(shí)，他把當(dāng)天所需的東西放進(jìn)背包，這就是“預(yù)置和緩存”；當(dāng)有人弄丟了自己的物品，你建議他沿著走過(guò)的路線去尋找，這就叫“回推”；在什么時(shí)候停止長(zhǎng)期租用的物品而為自己買(mǎi)一個(gè)呢？這就是“在線算法”；在超市付費(fèi)時(shí)，你應(yīng)當(dāng)去排哪一個(gè)隊(duì)呢? 這就是“多服務(wù)器系統(tǒng)”的性能模型；為什么停電時(shí)你的電話仍然可以用呢？這就是“失敗的無(wú)關(guān)性”和“設(shè)計(jì)的冗余性。[5]”

當(dāng)然，對(duì)于高等農(nóng)業(yè)院校的大學(xué)生來(lái)說(shuō)，還需要更多科學(xué)研究與生產(chǎn)實(shí)踐的案例。

例如：在數(shù)字農(nóng)業(yè)方面，虛擬植物是一個(gè)重要的研究課題，所謂虛擬植物( virtual plant)是指將植物生長(zhǎng)信息進(jìn)行重構(gòu)以便采用直觀的可視化方式在計(jì)算機(jī)上對(duì)其進(jìn)行模擬，而虛擬植物模型的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)植物形態(tài)仿真及對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵[15]。這其中有一個(gè)著名L系統(tǒng)，它是一個(gè)形式語(yǔ)言方法，它通過(guò)對(duì)公理應(yīng)用產(chǎn)生式進(jìn)行有限次迭代后，對(duì)產(chǎn)生的字符串進(jìn)行幾何解釋，就能生成非常復(fù)雜的圖形，再通過(guò)可視化技術(shù)就能實(shí)現(xiàn)逼真效果的各種植物。

在上述案例中，計(jì)算思維的許多概念得到充分的體現(xiàn)。首先，它對(duì)植物形狀結(jié)構(gòu)用字符集進(jìn)行了抽象，并通過(guò)生成規(guī)則集自動(dòng)化進(jìn)行迭代。而周以真教授認(rèn)為計(jì)算思維的本質(zhì)是就是抽象與自動(dòng)化。其次，L系統(tǒng)中植物分枝結(jié)構(gòu)的生成本質(zhì)一個(gè)分形過(guò)程，從計(jì)算角度看就是一種遞歸思維。第三，L系統(tǒng)迭代過(guò)程用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)就是循環(huán)與控制。而可視化過(guò)程更是涉及計(jì)算幾何的許多算法，如用三角剖分算法對(duì)表面進(jìn)行網(wǎng)格化處理，即對(duì)連續(xù)曲面進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)等。

通過(guò)這樣案例，學(xué)生將明白要進(jìn)行虛擬植物的研究與應(yīng)用，不僅要懂得植物科學(xué)的知識(shí)，同時(shí)也要具備計(jì)算思維的能力。要像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣，如何將一個(gè)問(wèn)題進(jìn)行抽象與建模，如何讓其能在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)化執(zhí)行，如何控制問(wèn)題初始條件與結(jié)束條件，如何將連續(xù)的問(wèn)題離散化，如何進(jìn)行數(shù)字化求解等等。

2.2 構(gòu)建與農(nóng)業(yè)院校各專業(yè)背景相關(guān)的案例

在開(kāi)展基于案例的計(jì)算思維教學(xué)過(guò)程中，要針對(duì)高等農(nóng)業(yè)院校特點(diǎn)，構(gòu)造一些有關(guān)農(nóng)業(yè)信息化，數(shù)字農(nóng)業(yè)，虛擬農(nóng)業(yè)等方面的通用案例，同時(shí)還要特別注意選取一些與學(xué)生的專業(yè)背景相關(guān)的特定案例。這樣一方面學(xué)生更容易理解，另一方面也可激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的興趣。

對(duì)于農(nóng)學(xué)專業(yè)的學(xué)生，可以用一些具體的虛擬植物如虛擬水稻，虛擬玉米等作為案例；而對(duì)于園藝專業(yè)，則可選取虛擬花卉，虛擬景觀等；動(dòng)物科學(xué)專業(yè)則可用動(dòng)物育種算法，動(dòng)物專家系統(tǒng)等作為案例；食品工程專業(yè)可講解食品質(zhì)量安全監(jiān)控與追溯系統(tǒng)的原理與構(gòu)建；農(nóng)業(yè)工程專業(yè)可應(yīng)用的案例有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)等；生物學(xué)專業(yè)則有生物信息學(xué)中許多案例可講解，如基因序列比對(duì)算法、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)算法、蛋白質(zhì)折疊算法、蛋白質(zhì)對(duì)接算法等等。

案例構(gòu)建最好有專業(yè)老師的參與，這樣一方面針對(duì)性更強(qiáng)，另一方面也能更準(zhǔn)確地把握案例的專業(yè)性與正確性。

2.3 通過(guò)演示系統(tǒng)加深學(xué)生對(duì)計(jì)算思維的理解

在開(kāi)展基于案例的計(jì)算思維教學(xué)過(guò)程中，可在課堂上演示相關(guān)案例系統(tǒng)。如對(duì)于L系統(tǒng)案例，已經(jīng)有許多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了基于L模型的虛擬植物系統(tǒng)，可直接從網(wǎng)上下載運(yùn)行。學(xué)生通過(guò)演示可以直觀看到虛擬樹(shù)木或虛擬玉米一步一步生長(zhǎng)的過(guò)程，將加深對(duì)教學(xué)案例的直觀感受與計(jì)算思維概念的深入理解。也可要求學(xué)生自己從網(wǎng)上下載案例系統(tǒng)，自己安裝、配置、運(yùn)行。對(duì)于基礎(chǔ)好學(xué)生甚至可以建議他們下載源代碼進(jìn)行分析理解。

3 結(jié) 語(yǔ)

高等農(nóng)業(yè)院校計(jì)算思維教育非常必要，勢(shì)在必行。選擇合適的計(jì)算思維教學(xué)方法也非常重要，基于案例的教學(xué)是一種比較直觀、學(xué)生易于接受的方式。當(dāng)然在以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心任務(wù)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程體系、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐體系、教材等方面仍有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步探討與實(shí)踐。

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