計(jì)算思維：信息化社會(huì)中一種重要的解決問題的思想

楊越

摘 要：隨著全球網(wǎng)絡(luò)信息與通訊技術(shù)的發(fā)展，人類生活中電腦被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，卻很少有人覺察到身邊的電腦及其科學(xué)技術(shù)原理。計(jì)算機(jī)計(jì)算思考的技巧，應(yīng)該是每個(gè)人都應(yīng)該學(xué)會(huì)與使用的一種應(yīng)用態(tài)度與技能。作為利用信息科學(xué)的知識(shí)與能力進(jìn)行問題解決的一種重要的思維觀念與思想方式的計(jì)算思維日益受到重視。本文概述了有關(guān)于計(jì)算思維概念提出的時(shí)代背景、基本特點(diǎn)及日常生活應(yīng)用的實(shí)例，旨在讓更多的人來(lái)關(guān)注與重視計(jì)算思維能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：電腦；計(jì)算思維；解決問題

作為一種廣泛應(yīng)用能力的計(jì)算思維（Computational Thinking），主要依靠與利用信息化社會(huì)下信息與計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)與能力進(jìn)行問題解決。計(jì)算思維提出了面向問題解決的系列觀點(diǎn)和方法，這些觀點(diǎn)和方法有助于人們更加深刻地理解計(jì)算的本質(zhì)和計(jì)算機(jī)求解問題的核心思想。近年來(lái)，世界主要的一些先進(jìn)國(guó)家日益將計(jì)算思維作為學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)中具備的分析能力重要組成內(nèi)容及培養(yǎng)目標(biāo)，同時(shí)被納入學(xué)校教育的教學(xué)改革重點(diǎn)，注重通過課程與教學(xué)的變革來(lái)強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算思維能力，努力提升人才培養(yǎng)質(zhì)量與增強(qiáng)學(xué)生生活品質(zhì)。

一、計(jì)算思維提出的時(shí)代背景

全球網(wǎng)路與通訊信息技術(shù)正日益改變?nèi)祟惖纳钆c生產(chǎn)方式，這種變化曾經(jīng)是一種被稱為“變色龍”動(dòng)物具有的生活習(xí)性，正日益浸潤(rùn)到我們?nèi)祟惿疃鸩匠蔀樾畔⑸鐣?huì)生活的定律。使用平板計(jì)算機(jī)、視訊即時(shí)電話、網(wǎng)絡(luò)在線購(gòu)物以及微信社交等現(xiàn)代媒介與電腦技術(shù)，越來(lái)越多的資料與信息被迅速收集分享，極大地增加了人們彼此的連結(jié)，深刻地影響著人們的生產(chǎn)生活質(zhì)量，這種例子不勝枚舉。譬如將農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、營(yíng)養(yǎng)及人口的數(shù)據(jù)整合到單一的數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以有效率地管理全球食物供給問題；在沒有醫(yī)療建設(shè)的地方，移動(dòng)電話搭載著價(jià)格低廉的鏡頭，可以變成顯微鏡去檢查諸如生病的貧血細(xì)胞；新科技讓汽車們彼此之間可以及時(shí)溝通，可以減少80%左右的車禍機(jī)率，從而改善交通流量及維護(hù)了道路安全；人類基因圖譜的繪制在診斷和治療疾病有革命性的改變，接下來(lái)幾十年也會(huì)繼續(xù)進(jìn)行[1]等等。

人類生活中廣泛應(yīng)用電腦，因?yàn)槠浼铀儆?jì)算、處理數(shù)據(jù)能力正隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的改變而不斷增強(qiáng)。即使這樣，我們卻很少想到自己身邊的電腦及其科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)原理。為此，傳授給每一個(gè)人電腦的基礎(chǔ)知識(shí)，應(yīng)用現(xiàn)代電腦信息技術(shù)去創(chuàng)新解決生活中的實(shí)際問題，培養(yǎng)有適應(yīng)性、有彈性的問題解決者，讓他們從不斷發(fā)展的電腦技術(shù)中轉(zhuǎn)換出一種與之相關(guān)與匹配的思維能力，并以此來(lái)增進(jìn)人們的生活質(zhì)量，成為當(dāng)今世界社會(huì)發(fā)展的重要關(guān)切。計(jì)算思維將基礎(chǔ)的計(jì)算器科學(xué)概念運(yùn)用到問題解決，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和對(duì)人類行為了解上的一種思維方式，[2]正是這種背景下逐步形成與發(fā)展起來(lái)的新的研究與實(shí)踐領(lǐng)域。隨著現(xiàn)今世界信息技術(shù)分蓬勃發(fā)展，計(jì)算思維必將成為人們了解和認(rèn)識(shí)世界的基礎(chǔ)。

二、計(jì)算思維的基本概念與特點(diǎn)

事實(shí)上，關(guān)于“計(jì)算思維”概念的提出者，可以更早追溯到麻省理工學(xué)院（MIT）的Seymour Papert教授。他在從事Logo編程語(yǔ)言的工作中，提出了讓兒童操作電腦編制程序的想法，他認(rèn)為這將使他們能夠通過編程開發(fā)他們的程序思維。近來(lái)，由于更好的計(jì)算工具及移動(dòng)技術(shù)的進(jìn)展及其容易獲取的優(yōu)勢(shì)等原因，使計(jì)算思維的話題被重新點(diǎn)燃并日益受到廣泛關(guān)注。

2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授Jeannette M.Wing 在世界計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域最頂級(jí)期刊JACM（Journal of the Association for Computing Machinery）刊物上發(fā)表了一篇題為《計(jì)算科學(xué)》的論文。她正式提出計(jì)算思維的概念，指出計(jì)算思維是建立在計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)之上，吸收其基本概念，它主要涉及問題解決、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及對(duì)人類行為的理解。她認(rèn)為，學(xué)校育中兒童的分析能力中都需要加入計(jì)算機(jī)計(jì)算的概念，包括讀寫算在內(nèi)的所有的基礎(chǔ)能力都應(yīng)該加入計(jì)算機(jī)計(jì)算的因素。在她看來(lái)，計(jì)算機(jī)計(jì)算思考的技巧，并非計(jì)算機(jī)科學(xué)家的專利，而是每個(gè)人都應(yīng)該急切學(xué)會(huì)與使用的一種應(yīng)用態(tài)度與技能。[3]

計(jì)算思維提出了面向問題解決的系列觀點(diǎn)和方法，這些觀點(diǎn)和方法有助于人們更加深刻地理解計(jì)算的本質(zhì)和計(jì)算機(jī)求解問題的核心思想。但對(duì)于什么是計(jì)算思維以及其具有什么樣的特征的問題，一些學(xué)者，主要是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域研究者試圖定義核心概念，他們強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維主要是應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程思維，系統(tǒng)地、正確地及有效的處理信息和任務(wù)，設(shè)計(jì)專門的系統(tǒng)，以幫助解決人類面臨的重點(diǎn)復(fù)雜問題的一種概念性方式。

來(lái)自美國(guó)信息教育領(lǐng)域重要網(wǎng)站ISTE（International Society for Technologyin Education）也主張將計(jì)算思維作為一個(gè)問題解決的過程，其主要特點(diǎn)包括這么幾方面：1.將問題轉(zhuǎn)換為我們可以用計(jì)算機(jī)和其他工具去解決的方式。2.有邏輯地組織與分析數(shù)據(jù)。3.使用例如模型或仿真等抽象化的方式來(lái)表達(dá)數(shù)據(jù)。4.通過演算的思維自動(dòng)地解決問題。5.確認(rèn)、分析、實(shí)踐可行的解決方案，以達(dá)到最有效益的步驟與資源整合的目標(biāo)。6.將一般化問題解決過程轉(zhuǎn)化到其他各式各樣的問題解決上去。

相關(guān)研究進(jìn)一步指出，具備計(jì)算思維的個(gè)體需要具備特定的基本態(tài)度與心理傾向，主要包括：有信心處理復(fù)雜的事；愿意堅(jiān)持并能處理困難的問題；能容忍含糊不明確的事物；有處理開放性的問題的能力，以及具有與他人溝通合作去達(dá)成目標(biāo)的能力等方面。[4]

三、日常生活中應(yīng)用計(jì)算思維的實(shí)例

來(lái)自臺(tái)灣地區(qū)的研究者陸朝俊編著的《程序設(shè)計(jì)思想與方法》中，將計(jì)算思維運(yùn)用到生活中的問題進(jìn)行了專門探討，提出了一些人們?cè)谌粘Ｉ钪械暮芏嘧龇?，他認(rèn)為這反映了計(jì)算思維的思想。下面是他提出的一系列很有意義的實(shí)例，[5]可以幫助我們更具體形象地理解計(jì)算思維的一些特征。

算法過程：菜譜可以說(shuō)是算法（或程序）的典型代表，它將一道菜的烹飪方法一步一步地羅列出來(lái)，即使不是專業(yè)廚師，照著菜譜的步驟也能做出可口的菜肴。

模塊化：很多菜譜都有“勾芡”這個(gè)步驟，與其說(shuō)這是一個(gè)基本步驟，不如說(shuō)是一個(gè)模塊，因?yàn)楣窜捅旧泶碇粋€(gè)操作序列——取一些淀粉，加點(diǎn)水，攪拌均勻，在適當(dāng)時(shí)候倒入菜中。由于這個(gè)操作序列經(jīng)常使用，為了避免重復(fù)，也為了使菜譜結(jié)構(gòu)清晰、易讀，所以用“勾芡”這個(gè)術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)明地表示。這個(gè)例子同時(shí)也反映了在不同層次上進(jìn)行抽象的思想。

查找：如果要在英漢詞典中查一個(gè)英文單詞，相信讀者不會(huì)從第一頁(yè)開始一頁(yè)頁(yè)地翻看，而是會(huì)根據(jù)字典是有序排列的事實(shí)，快速地定位單詞詞條。這正是計(jì)算機(jī)中廣泛使用的索引技術(shù)。

回溯：人們?cè)诼飞线z失了東西之后，會(huì)沿原路邊往回走邊尋找。或者在一個(gè)岔路口，人們會(huì)選擇一條路走下去，如果最后發(fā)現(xiàn)此路不通就會(huì)原路返回，到岔路口選擇另一條路。這種回溯法對(duì)于系統(tǒng)地搜索問題空間是非常重要的。

緩沖：假如將學(xué)生用的教科書視為數(shù)據(jù)，上課視為對(duì)數(shù)據(jù)的處理，那么學(xué)生的書包就可以視為緩沖存儲(chǔ)。學(xué)生隨身攜帶所有的教科書是不可能的，因此每天只能把當(dāng)天要用的教科書放入書包，第二天再換入新的教科書。

并發(fā)：廚師在燒菜時(shí)，如果一個(gè)菜需要在鍋中煮一段時(shí)間，廚師一定會(huì)利用這段時(shí)間去做點(diǎn)別的事情（比如將另一個(gè)菜洗凈切好），而絕不會(huì)無(wú)所事事。在此期間如果鍋里的菜需要加鹽加佐料，廚師可以放下手頭的活兒去處理鍋里的菜。就這樣，雖然只有一個(gè)廚師，但他可以同時(shí)做幾個(gè)菜。

總之，我們?nèi)找姹话谝粋€(gè)由電腦與網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)組成的生活世界之中。主動(dòng)了解與學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)工作知識(shí)及原理以及其影響的信息化生活環(huán)境，培養(yǎng)應(yīng)用計(jì)算思維解決現(xiàn)實(shí)問題，越來(lái)越成為網(wǎng)絡(luò)信息社會(huì)生存與發(fā)展不可避免的重要挑戰(zhàn)。作為現(xiàn)代中小學(xué)校教育，需要認(rèn)真思考將計(jì)算思維納入到學(xué)?；A(chǔ)課程之中，努力培養(yǎng)信息化社會(huì)具有計(jì)算思維品質(zhì)的創(chuàng)新人才，以積極的態(tài)度來(lái)回應(yīng)信息化社會(huì)對(duì)于人才培養(yǎng)的新要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]ISTE（2013）.http：//www.youtube.com/watch？v=VFcUgSYyRPg.

[2]Walter Gander（2011）.學(xué)校的基礎(chǔ)課程：計(jì)算思維.http：//www.math.hkbu.edu.hk/PL/12May11/.

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

[4][5]賴和?。?016）.應(yīng)用計(jì)算思維于高中信息教學(xué)設(shè)計(jì)之分享.http：//pulse.naer.edu.tw/content.aspx？type=B&sid=248#.

（作者單位：江蘇省無(wú)錫市輔仁高級(jí)中學(xué)高三（3）班）