計算機系統(tǒng)課程教學(xué)模塊中的計算思維

鄧韌+樊友洪+劉興長+馬靜恒+李娜

摘 要：針對計算機系統(tǒng)課程的計算思維培養(yǎng)現(xiàn)狀，提出計算機系統(tǒng)教學(xué)模塊的計算思維培養(yǎng)框架模型，探討計算機系統(tǒng)中計算思維的本質(zhì)和3種重要的計算思維，為在實踐教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維提供借鑒。

關(guān)鍵詞：計算機系統(tǒng)教學(xué)模塊；計算思維；抽象；自動化

1 背 景

教育部高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會在《高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告暨計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求》中給出了計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)的4個教學(xué)模塊，即①系統(tǒng)平臺與計算環(huán)境，包括信息與社會、計算機系統(tǒng)以及計算機網(wǎng)絡(luò)；②算法基礎(chǔ)與程序設(shè)計；③數(shù)據(jù)管理與信息處理；④系統(tǒng)開發(fā)與行業(yè)應(yīng)用[1]。盡管如此，大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程的教學(xué)內(nèi)容到底應(yīng)該包括哪些模塊仍然莫衷一是。然而，無論哪所大學(xué)，無論從事計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)的教師秉持何種教學(xué)觀念，計算機系統(tǒng)和算法基礎(chǔ)與程序設(shè)計已是計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)中兩個最主要的教學(xué)模塊，這一點已經(jīng)達成共識。

另一個共識是在大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)中要注重探索和培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。目前，計算機基礎(chǔ)教學(xué)中對計算思維探索與培養(yǎng)的側(cè)重點基本放在基于問題求解的“算法基礎(chǔ)與程序設(shè)計”教學(xué)模塊上，在“計算機系統(tǒng)”教學(xué)模塊中則體現(xiàn)較少，究其原因是算法、程序設(shè)計等軟件教學(xué)方面的內(nèi)容，與計算及問題求解的關(guān)系更為密切。若要將計算思維作為思維模式進行培養(yǎng)，則應(yīng)將其貫穿于課程教學(xué)的全過程，那么，計算機系統(tǒng)教學(xué)模塊也概莫能外——這句話可以從兩方面進行解釋，一是計算機系統(tǒng)教學(xué)模塊內(nèi)部要體現(xiàn)計算思維，二是計算機系統(tǒng)教學(xué)模塊中的計算思維作為完整的計算思維過程鏈中的一環(huán)，甚至是最基礎(chǔ)的一環(huán)，要為全過程、全方位的計算思維培養(yǎng)提供原理支撐。我們對計算機系統(tǒng)教學(xué)模塊中的計算思維進行研究。

2 計算機系統(tǒng)教學(xué)模塊中的計算思維框架模型

計算思維貫穿計算機系統(tǒng)模塊教學(xué)的始終。計算思維應(yīng)該是一條線，將計算機系統(tǒng)的核心知識點像串珍珠一樣串起來，培養(yǎng)學(xué)生從機器本身和計算機科學(xué)家這兩個思維角度理解計算機系統(tǒng)的底層運作機制；在此基礎(chǔ)上，計算機是實現(xiàn)問題求解的手段，計算思維則是人類求解現(xiàn)實問題的一條途徑[2]，是一種解決客觀世界各種可計算問題的思維方法。

基于以上思路，我們將計算機系統(tǒng)教學(xué)的核心知識點概括為計算思維框架模型，如圖1所示。結(jié)合該框架模型，我們對計算機系統(tǒng)中計算思維的本質(zhì)和3種重要的計算思維進行歸納。

3 計算機系統(tǒng)教學(xué)模塊中計算思維的本質(zhì)

計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的一系列思維活動的統(tǒng)稱[2]，其本質(zhì)是抽象和自動化，即在不同層面進行抽象并將這些抽象機器化或自動化。

對于客觀世界中的某個可計算問題，要映射到計算機世界去求解，通常需要兩個步驟：一是將待求解問題抽象為可計算的概念模型；二是對于概念世界中的概念模型，用物理的計算機世界來實現(xiàn)與求解。前者體現(xiàn)計算思維的本質(zhì)之一——抽象化，后者反映計算思維的本質(zhì)之二——自動化。

抽象是一種很好的管理復(fù)雜性事物的思維方法。好的抽象可以把一個幾乎不可能管理的任務(wù)劃分為兩個可管理的部分：第一部分是有關(guān)抽象的定義和實現(xiàn)；第二部分是隨時用這些抽象解決問題[3]。

“抽象的定義和實現(xiàn)”可以理解為領(lǐng)域內(nèi)的、深刻反映外部世界的一些通用概念，在計算機系統(tǒng)教學(xué)中，就是指學(xué)生通過學(xué)習(xí)各個知識點來理解計算機系統(tǒng)的底層運作機制；“用這些抽象解決問題”意味著學(xué)生不能以客觀世界的事物為起點開展思維，而應(yīng)該以計算機系統(tǒng)中的抽象概念為起點分析待求解問題，包括用抽象概念代表待求解對象，用概念間的關(guān)系來代表待求解對象之間的關(guān)系。到此時，具體而復(fù)雜的現(xiàn)實問題被抽象為一個可計算問題，現(xiàn)實世界在抽象的計算機概念世界中得到再現(xiàn)。

“隨時用這些抽象解決問題”意味著計算機要將抽象概念機器化、自動化。雖然計算機的計算能力日益強大，應(yīng)用范圍日益廣泛，但是從本質(zhì)上來說，計算機的基本功能很簡單，即通過執(zhí)行程序進行信息處理[4]。信息處理包含兩方面的意思：一是構(gòu)造求解問題的算法和程序；二是程序在機器層面的自動執(zhí)行，即自動化。

抽象和自動化這兩種重要的研究思維模式，對于用計算手段求解現(xiàn)實問題是非常有效的，能為其他的計算思維奠定基礎(chǔ)，因此，教師在教學(xué)中要注重培養(yǎng)這兩種思維模式。本質(zhì)上來說，現(xiàn)實問題的計算和問題求解是不同層面的抽象以及抽象之后的自動化，這種抽象和自動化通過二進制思維、指令自動執(zhí)行思維、程序自動運行思維3方面得以體現(xiàn)。

4 3種計算思維

4.1 二進制思維

要將待解決問題表示成可計算的對象，就是要將該問題抽象為可描述的數(shù)學(xué)模型，并將可計算對象及其特性符號化，符號可以是數(shù)字、文本、圖形圖像、聲音、視頻等，統(tǒng)稱為該對象的數(shù)據(jù)信息（包含數(shù)值性和非數(shù)值性）。計算機本質(zhì)上是二進制（0、1）的世界，即可計算對象的數(shù)據(jù)信息都要表示成計算機可以處理的符號——0、1。在二進制的世界里，所有的二進制運算都可以用邏輯運算代替，而香農(nóng)在題為《繼電器和開關(guān)電路的符號分析》的論文中指出“由繼電器、晶體管等電子元件組成的邏輯電路可以實現(xiàn)所有的邏輯運算；然后，再通過集成各種復(fù)雜的邏輯電路得到不同功能的硬件——處理器、內(nèi)存儲器、I/O設(shè)備，最后，在一定的體系結(jié)構(gòu)下將這些硬件結(jié)合在一起，實現(xiàn)計算機的信息處理功能”。由此可見，從客觀世界到計算機世界的紐帶就是二進制（0、1）。

二進制思維是一種將客觀事物符號化、符號二進制化、二進制電子化和電子集成化的思維過程，是一種非常重要的計算思維。教師在教學(xué)中要培養(yǎng)學(xué)生多從機器的思維（客觀事物二進制化的抽象思維）和計算機科學(xué)家的思維（怎么實現(xiàn)二進制化，即二進制電子化和電子集成化的自動化思維）這兩個角度學(xué)習(xí)及思考，這種代入感對于學(xué)生掌握計算機系統(tǒng)運行原理和培養(yǎng)學(xué)生的計算思維都有事半功倍的效果。

在教學(xué)實踐中，為了培養(yǎng)學(xué)生的二進制抽象思維，可以采用事物編碼的方法。第一步，利用二進制方式對事物進行編碼，若用0001表示計算機類，則可用000101表示微型計算機類；第二步，利用編碼方式表達事物之間的靜態(tài)聯(lián)系，如整體與部分的關(guān)系，若用0001010001表示一臺微型計算機，則可用000101000110表示該計算機的第二顆CPU，由此，學(xué)生可利用二進制編碼逐漸建立出一個符號化的靜態(tài)世界；第三步，利用二進制編碼方式表達事物之間的動態(tài)關(guān)系，如前述的“微型計算機第二顆CPU開始運行”這個概念，可以使用 01 000101000110表達，前面兩位數(shù)“01”表示“開始運行”的操作碼，后面12位數(shù)“000101000110”是操作數(shù)，由此，學(xué)生可以利用二進制符號化、抽象化地表達世間萬物及其之間的關(guān)系，同時也能為后續(xù)計算機指令的表達方式作鋪墊。這些步驟可以讓學(xué)生深入理解機器是如何理解和表現(xiàn)世界的，從而切實了解機器思維。在將現(xiàn)實世界抽象為符號世界的基礎(chǔ)上，我們繼續(xù)探討了計算機科學(xué)家們是如何從抽象的符號世界走向物理的電子世界的。

4.2 指令自動執(zhí)行思維

將待求解問題表示成可計算對象后，怎么基于計算手段來求解呢？問題的求解方案可以抽象為基本動作以及基本動作的各種組合所構(gòu)成的動作序列，因此，我們將基于計算手段的求解方案的實現(xiàn)轉(zhuǎn)換為對抽象的定義和抽象定義的自動化實現(xiàn)：①定義這些基本動作；②實現(xiàn)控制這些基本動作并按次序執(zhí)行的機構(gòu)。對這些基本動作的控制就是指令，為求解問題而將指令按一定次序進行組合就構(gòu)成程序。程序（指令序列）經(jīng)輸入設(shè)備輸入并存儲在內(nèi)存儲器中，處理器從存儲器中一條接一條地順序讀取并執(zhí)行這些指令，以實現(xiàn)信息處理的功能。由此可見，計算機系統(tǒng)是根據(jù)程序來自動控制這些基本動作的執(zhí)行，從而完成問題求解。人的任務(wù)是編制程序——將待求解問題轉(zhuǎn)換為程序，通過程序運行達到解決問題的目的。

指令自動執(zhí)行思維體現(xiàn)的是指令如何被表示、如何被存儲以及如何被CPU（控制器和運算器）執(zhí)行的基本思維。

教學(xué)實踐中，通過二進制思維的培養(yǎng)，學(xué)生掌握了指令二進制表達方式的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，一方面，教師可以通過圖示、動作分解、寄存器狀態(tài)再現(xiàn)、I/O分時動作等方法，重點分析指令表達及其存儲、指令的自動執(zhí)行等知識點，增強對學(xué)生指令自動執(zhí)行思維的培養(yǎng)；另一方面，教師可以讓學(xué)生利用DEBUG命令實驗驗證計算機指令的存儲、執(zhí)行以及結(jié)果，讓學(xué)生切身體會指令自動執(zhí)行的過程和效果。

4.3 程序自動運行思維

指令自動執(zhí)行思維是從微觀角度思考指令與硬件的交互，再通過拓寬思維，從宏觀角度思考程序借助操作系統(tǒng)與硬件的交互和自動運行。

操作系統(tǒng)是程序和硬件之間的接口，負(fù)責(zé)向應(yīng)用程序提供簡單一致的機制來控制復(fù)雜而原理各異的底層硬件設(shè)備[5]。這個簡單一致的機制就是“抽象”，也是計算機管理硬件的關(guān)鍵。這些抽象主要包括文件、地址空間和進程，其中，文件是對I/O設(shè)備的抽象表示，它為程序創(chuàng)造了一個抽象的永久存儲設(shè)備；地址空間是對內(nèi)存和I/O設(shè)備的抽象表示，該概念為程序創(chuàng)造了一個抽象的獨立的內(nèi)存；進程則是對處理器、內(nèi)存和I/O設(shè)備的抽象表示，進程概念創(chuàng)造了一個抽象的獨占的處理器以運行程序。在此基礎(chǔ)上，程序和硬件之間的交互以及自動運行主要是利用操作系統(tǒng)提供的、比實際硬件更方便使用的抽象來實現(xiàn)，包括程序及其數(shù)據(jù)被合并成一個文件并保存在I/O設(shè)備上，程序運行時，處理器將這個文件加載到“獨立的”地址空間，然后該進程被“獨立的”處理器執(zhí)行。

程序自動運行思維體現(xiàn)的是在操作系統(tǒng)的協(xié)助下程序被硬件自動運行的思維。在教學(xué)實踐中，我們一方面補充講解計算機操作系統(tǒng)的必要內(nèi)容，如文件系統(tǒng)管理、內(nèi)存管理、進程管理等相關(guān)知識；另一方面則結(jié)合生活中的實際問題進行實驗，如批處理文件的編寫、文件I/O操作與NTFS文件系統(tǒng)的關(guān)系等。通過這些與日常學(xué)習(xí)生活非常貼近的知識和實驗，學(xué)生不僅對操作系統(tǒng)和計算機硬件系統(tǒng)之間的協(xié)作有了更深入的理解，同時也培養(yǎng)了他們的程序自動執(zhí)行思維。

指令自動執(zhí)行和程序自動運行思維是一種構(gòu)造性的問題求解思維，即一個問題的求解可以通過構(gòu)造其算法和程序來解決，因此這兩種思維對于培養(yǎng)學(xué)生利用算法和程序手段求解客觀現(xiàn)實問題具有重要的意義。

5 結(jié) 語

計算機系統(tǒng)教學(xué)模塊中計算思維的本質(zhì)以及二進制思維、指令自動執(zhí)行思維、程序自動運行思維3種計算思維可以讓學(xué)生逐步理解計算機系統(tǒng)，并且讓學(xué)生能夠進行這些知識背后的思維訓(xùn)練，為學(xué)生形成抽象和應(yīng)用自動化手段求解問題的思維模式提供重要支撐。我們所在的計算機系統(tǒng)教學(xué)組已經(jīng)將這些計算思維應(yīng)用到實際教學(xué)中，并編寫了支撐計算思維教學(xué)的教材，即將由清華大學(xué)出版社出版。

計算思維作為一種解決客觀世界各種可計算問題的思維方法，在計算學(xué)科中還有很多應(yīng)用。教師要挖掘并傳授這些思維，學(xué)生則要掌握這些思維并將這些思維與自己的專業(yè)研究對象結(jié)合起來，從而形成一種應(yīng)用計算手段求解問題的創(chuàng)新性思維，這種思維的培養(yǎng)也必將對專業(yè)人才在未來進行創(chuàng)造性研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

參考文獻：

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（編輯：宋文婷）