計(jì)算思維與高等教育的融合

王茹娟

摘要：計(jì)算思維的培養(yǎng)不是計(jì)算機(jī)單一專業(yè)的要求，而是整個(gè)大學(xué)通識(shí)教育的重要組成部分。為了讓學(xué)生尤其是非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生更好地理解和掌握計(jì)算機(jī)的原理和本質(zhì)，更好地應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決本專業(yè)實(shí)際問(wèn)題，教師在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中應(yīng)以計(jì)算機(jī)的核心概念、重要原理和先進(jìn)技術(shù)為依托，以計(jì)算思維的解決思路為主線，以多學(xué)科融合的典型案例為延伸，打破各專業(yè)之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)思維的遷移。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；融合

doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2017.04.030

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-1580（2017）04-0104-03

一、介紹

計(jì)算思維是人類在思維過(guò)程中參與制訂問(wèn)題及其解決辦法的一種思維模式，通過(guò)這種方式能快速、有效地進(jìn)行信息處理，提出問(wèn)題的解決方案。計(jì)算思維幾十年來(lái)在學(xué)術(shù)界有著不同的名稱和定義。1962年由Alan Perlis最早提出，同時(shí)闡述了卡內(nèi)基理工學(xué)院（現(xiàn)在是卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)）的編程入門課程?；谒难芯縎eymour Papert在1980年使用編程語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)學(xué)概念的教學(xué)，正如所望，程序性的思維（即“像計(jì)算機(jī)一樣思考”）被認(rèn)為是構(gòu)成整體思維技能的一部分。直到2006年，JeanetteWing在ACM美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊發(fā)表了“計(jì)算思維”這篇文章，從此，計(jì)算思維得到了新的定義。Wing提出計(jì)算思維不只對(duì)計(jì)算機(jī)這門學(xué)科的專家有用的一種技能，而是任何人在解決問(wèn)題和發(fā)現(xiàn)計(jì)算解決方案時(shí)都能使用的心理過(guò)程。在這個(gè)更廣泛的意義上，計(jì)算思維可視為一項(xiàng)與所有學(xué)科有關(guān)的技能，不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)。

Denning提出了計(jì)算思維本身是否是科學(xué)探究的一個(gè)方面、問(wèn)題或延伸，事實(shí)上可能被納入更廣泛的科學(xué)原理的架構(gòu)問(wèn)題。計(jì)算科學(xué)出現(xiàn)在其他科學(xué)中，不是作為一個(gè)流動(dòng)的概念，而是一個(gè)來(lái)自科學(xué)本身的概念。計(jì)算思維被看作是這種科學(xué)的一個(gè)特點(diǎn)。而不是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)顯著特征。

二、計(jì)算思維與各學(xué)科的融合

計(jì)算思維與各學(xué)科專業(yè)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，要分析“計(jì)算”與各學(xué)科之間的融合關(guān)系，依據(jù)專業(yè)需求和學(xué)生特點(diǎn)來(lái)設(shè)置相應(yīng)的課程內(nèi)容和教學(xué)方法。在教學(xué)和學(xué)習(xí)方法的創(chuàng)新中，非計(jì)算機(jī)專業(yè)的計(jì)算思維的培養(yǎng)取決于跨學(xué)科的興趣和延伸。Rob.errs等人設(shè)計(jì)了計(jì)算思維與自然和社會(huì)科學(xué)方面進(jìn)行交叉的訓(xùn)練方法并進(jìn)行了拓展。Curzon等人提出“最美的計(jì)算是工程、科學(xué)、藝術(shù)；它沒(méi)有明確的邊界，并涉及到每個(gè)學(xué)科。這種跨學(xué)科的方法給了我們機(jī)會(huì)來(lái)提高學(xué)生除計(jì)算機(jī)以外的興趣”。通過(guò)計(jì)算機(jī)與非計(jì)算機(jī)學(xué)科之間的交叉培養(yǎng)來(lái)提高學(xué)生的計(jì)算思維，將計(jì)算這種思想與各專業(yè)相結(jié)合，以促進(jìn)專業(yè)的學(xué)習(xí)。

（一）計(jì)算思維與STEM領(lǐng)域的融合

在大學(xué)教育中，關(guān)于計(jì)算思維的實(shí)踐教學(xué)研究主要在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（sTEM）領(lǐng)域中。目前，計(jì)算機(jī)科學(xué)與生物學(xué)之間已經(jīng)出現(xiàn)了交叉重疊的概念。Navlakha和Bar-Joseph提出了如何在系統(tǒng)生物學(xué)和計(jì)算思維的各種概念交叉點(diǎn)上進(jìn)行融合。值得注意的是，從計(jì)算思維的角度來(lái)看，這兩個(gè)學(xué)科的交叉點(diǎn)出現(xiàn)在“傳統(tǒng)”（基于圖靈）的概念中，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念。他們主張進(jìn)一步融合兩個(gè)學(xué)科，將提高對(duì)生物進(jìn)化的理解，同時(shí)也能改善各種算法的設(shè)計(jì)。秦紅設(shè)計(jì)的基于計(jì)算思維的生物信息學(xué)課程得到了學(xué)生積極的回應(yīng)，但由于各種因素，比如學(xué)生在學(xué)習(xí)更多的計(jì)算機(jī)技術(shù)的不適應(yīng)，如Linux，以及計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)中所出現(xiàn)的各種問(wèn)題表明需要進(jìn)一步改革教學(xué)環(huán)境與方法。

在物理學(xué)方面，Caballero，Kohlmyer and Schatz使用VPython編程環(huán)境引入計(jì)算思維概念介紹力學(xué)課程教學(xué)。他們發(fā)現(xiàn)“解決一系列計(jì)算作業(yè)中的問(wèn)題之后，大多數(shù)的學(xué)生都能夠成功塑造出一個(gè)新的問(wèn)題”。在這些情況下，學(xué)生未必能建立一個(gè)成功的模型，但通過(guò)對(duì)質(zhì)量問(wèn)題分析和調(diào)試技能的額外關(guān)注，性能將會(huì)得到提高。

Hambrusch等人研究并創(chuàng)建了屬于科學(xué)而非特定領(lǐng)域的計(jì)算思維主修課程。此課程能夠滿足一般的計(jì)算要求，大學(xué)中應(yīng)用編程和計(jì)算思維概念處理物理學(xué)、生物學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)中的問(wèn)題。從學(xué)生的進(jìn)入和退出統(tǒng)計(jì)中分析，在計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)編程中學(xué)生的完成度有所增加。

計(jì)算思維在STEM領(lǐng)域中的交叉及應(yīng)用使學(xué)生通過(guò)計(jì)算思維的訓(xùn)練，解決問(wèn)題的能力有所提高。

（二）“計(jì)算”概念在非STEM領(lǐng)域中的不確定性

將計(jì)算思維方法納入非計(jì)算機(jī)科學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域之外的學(xué)科是很困難的。一是由于“計(jì)算”概念的不確定性，二是因?yàn)橛?jì)算思維是僅限于使用一個(gè)封閉的、基于圖靈模型的計(jì)算方法來(lái)解決問(wèn)題的觀念。

例如，通過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集和處理的應(yīng)用使得考古領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。它現(xiàn)在能通過(guò)計(jì)算構(gòu)造出詳細(xì)的3D可視化考古遺址，包括人工分布以及放射性探測(cè)等資料?；贏gent的建模已被用于探索史前環(huán)境與人類互動(dòng)的假設(shè)。但簡(jiǎn)單地將一個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)家加入到考古發(fā)掘中（或甚至只是對(duì)人進(jìn)行復(fù)雜的硬件或軟件使用方面的培訓(xùn)），并不意味著“計(jì)算思維”已經(jīng)成為整個(gè)領(lǐng)域的主要內(nèi)容。

過(guò)于擴(kuò)大“計(jì)算”作為形容詞在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)作為工具和計(jì)算思維也有可能造成混淆。“計(jì)算考古學(xué)”在不同的上下文中可以有截然不同的意義。在考古界的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，它描述了應(yīng)用程序的計(jì)算機(jī)工具、網(wǎng)站分析和集合的工具。在基因?qū)W研究領(lǐng)域，它是一套分析物種之間的基因水平轉(zhuǎn)移的方法。這種缺乏精度的術(shù)語(yǔ)使它更難確定計(jì)算思維在高等教育中的實(shí)際應(yīng)用。

三、交叉學(xué)科的融合障礙

計(jì)算思維在人文學(xué)科中的應(yīng)用并不廣泛，雖然在個(gè)別機(jī)構(gòu)對(duì)此做出了研究。例如，斯坦福大學(xué)文學(xué)實(shí)驗(yàn)室，將計(jì)算思維的各元素應(yīng)用于文學(xué)作品中，從計(jì)算思維借鑒來(lái)的應(yīng)用圖理論對(duì)威廉·莎士比亞、紅樓夢(mèng)等作品中的人物關(guān)系和相互作用進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析。然而，人文學(xué)科的構(gòu)成問(wèn)題使用“傳統(tǒng)”算法（圖靈型）可能會(huì)難以解決。計(jì)算思維在文學(xué)研究的應(yīng)用，并非不重要那么簡(jiǎn)單，而是因?yàn)楸环治龅臄?shù)據(jù)也是含糊不清，而且計(jì)算分析文本的困難將隨著語(yǔ)義維度的增加而變得越來(lái)越難。

此外，在人文學(xué)科內(nèi)還有在某些情況下很難使用分析技術(shù)，因?yàn)槠浜x有可能被簡(jiǎn)化。人文是致力于解釋，作為知識(shí)的概念來(lái)理解現(xiàn)象、社會(huì)、文化的世界，是通過(guò)構(gòu)想和制定的行為，沒(méi)有機(jī)械或自然主義寫實(shí)表示的預(yù)先存在的、明顯的信息。Papert指出當(dāng)考慮科學(xué)知識(shí)時(shí)，創(chuàng)建“命題性的知識(shí)”和“程序性知識(shí)”是存在二義性風(fēng)險(xiǎn)的。例如，自然語(yǔ)言理解一直是計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域所研究的重點(diǎn)課題，其中所涉及到的語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)、本體映射等都是計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究范疇。而研究的一些成果已經(jīng)有大量的應(yīng)用，若從此來(lái)看人文學(xué)科與計(jì)算機(jī)的交叉意義已非分析那么簡(jiǎn)單。

盡管如此，在一些人文和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域中依然有一些算法被提出。例如，在政治學(xué)領(lǐng)域，F(xiàn)rohock觀察到算法思想的線性和基于規(guī)則的性質(zhì)可能成為一個(gè)多元化的社會(huì)的必要條件。Turkle和Pap.ert指出純粹的形式主義計(jì)算模型的影響，他們還進(jìn)一步提出除了計(jì)算問(wèn)題方法的不同之外，還可能通過(guò)關(guān)于學(xué)生性別和思維方式等社會(huì)假設(shè)進(jìn)行強(qiáng)化。但是，許多反對(duì)在人文和藝術(shù)中應(yīng)用計(jì)算思維的人假設(shè)計(jì)算思維是閉合的、有限的的理論和方法；重點(diǎn)是新興的計(jì)算模型和計(jì)算機(jī)科學(xué)家跨學(xué)科培訓(xùn)可能鼓勵(lì)計(jì)算思維方法的發(fā)展更適用于人文和美術(shù)的“開放——終結(jié)”問(wèn)題方面的研究。

在音樂(lè)表演領(lǐng)域，Edwards提出音樂(lè)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行合成。他將計(jì)算機(jī)應(yīng)用到二十世紀(jì)中葉起源的音樂(lè)作品中，使用計(jì)算機(jī)程序塑造人聲部分并與音樂(lè)進(jìn)行合成，而這一應(yīng)用印證了合成音樂(lè)的算法的有效性，是人機(jī)協(xié)作的完美體現(xiàn)。我們認(rèn)為人類情感思維的不確定性和計(jì)算思維融合擴(kuò)大了人們的創(chuàng)造力和擴(kuò)展力，而計(jì)算思維則推動(dòng)了交互計(jì)算的新模型的發(fā)展。

將計(jì)算思維加入到人文與藝術(shù)領(lǐng)域的主修課程中，需要適當(dāng)?shù)慕榻B計(jì)算思維的原理。Cortina指出“非技術(shù)性非專業(yè)的嚴(yán)謹(jǐn)和細(xì)節(jié)需要正確編寫計(jì)算機(jī)程序是必不可少的”。對(duì)此他提出制定一個(gè)新的課程作為編程入門的替代課程。其重點(diǎn)是無(wú)需任何實(shí)際的編程算法和計(jì)算思維原理，而不是編寫代碼，學(xué)生用流程圖模擬器創(chuàng)建簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)游戲。soh等人提出更為詳細(xì)的跨學(xué)科計(jì)算思維課程，這個(gè)是針對(duì)文藝復(fù)興時(shí)期的藝術(shù)提出的計(jì)算項(xiàng)目，并在內(nèi)布拉斯加大學(xué)進(jìn)行通用。這一項(xiàng)目跨越了計(jì)算機(jī)、工程、人文和美術(shù)等多個(gè)學(xué)科。該項(xiàng)目提出了多種途徑，通過(guò)一系列的專門根據(jù)工程、科學(xué)、藝術(shù)或人文為主要研究領(lǐng)域的學(xué)生設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)課程，學(xué)生還將參與協(xié)作學(xué)習(xí)活動(dòng)，不同的學(xué)生群體將分配到跨學(xué)科項(xiàng)目中的不同工作中。

四、結(jié)論

將計(jì)算思維技能納入大學(xué)課程，問(wèn)題主要在分析和設(shè)計(jì)的過(guò)程而不是發(fā)展和實(shí)施步驟。教學(xué)設(shè)計(jì)者將計(jì)算思維視為其他思維技能等同，設(shè)計(jì)計(jì)算思維課程所使用的策略類似于那些用來(lái)教學(xué)的一般方法。我們需要更多的研究，建立計(jì)算思維和教學(xué)設(shè)計(jì)與技術(shù)銜接得更好和更具體的教學(xué)設(shè)計(jì)戰(zhàn)略。