基于計(jì)算思維的地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)框架

黃小蘭， 葉長(zhǎng)盛， 劉劍宇， 黃景碧， 昌 娜

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330022；3.江西師范大學(xué) 新聞與傳播學(xué)院， 江西 南昌 330022)

1 研究背景與意義

我國(guó)地理學(xué)研究生教育已有數(shù)十年的發(fā)展歷程，2005年，教育部提出了加強(qiáng)研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的若干意見[1]，對(duì)如何緊扣當(dāng)前時(shí)代背景，構(gòu)建地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)框架，具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。學(xué)界認(rèn)為，人類生產(chǎn)力的發(fā)展大體經(jīng)歷了采集狩獵時(shí)代、農(nóng)業(yè)時(shí)代、工業(yè)時(shí)代以及當(dāng)前的計(jì)算時(shí)代[2，3]。計(jì)算時(shí)代也常稱為信息計(jì)算時(shí)代、信息時(shí)代、數(shù)字化時(shí)代、網(wǎng)絡(luò)時(shí)代、大數(shù)據(jù)時(shí)代、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代、人工智能時(shí)代。那么，拓展到地理學(xué)科，計(jì)算思維無疑就是當(dāng)前計(jì)算時(shí)代非常需求的地理思維之一。為此，本研究基于計(jì)算思維的視角，擬研究構(gòu)建地理學(xué)研究生的創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)框架。這與國(guó)內(nèi)外日益重視計(jì)算思維的學(xué)科融合[4，5]、各種學(xué)科的計(jì)算教育學(xué)研究日漸增多[6-8]相一致。

2 研究現(xiàn)狀分析

2.1 計(jì)算思維研究現(xiàn)狀分析

2006年，Wing Jeannette M正式提出了“計(jì)算思維”，2008年，他進(jìn)一步界定了“計(jì)算思維”的“自動(dòng)化”“抽象”“迭代”三個(gè)本質(zhì)特征，提出了“計(jì)算思維的6個(gè)判定基礎(chǔ)”：(1)是人的思維，而非計(jì)算機(jī)的思維(或者說，是人思維與計(jì)算機(jī)思維的互相隱喻)；(2)是概念化，而非程序化；(3)是人的技能，而非機(jī)械的技能；(4)是數(shù)學(xué)思維與工程思維等思維的融合，而非純數(shù)學(xué)思維；(5)是思想，而非人造物；(6)是面向所有領(lǐng)域的思維，而非只是面向計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的思維[9]。

“計(jì)算思維”正式提出之后，概念、理論不斷被深化研究[10，11]。目前，較為統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的、政策性的計(jì)算思維定義，是計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)CSTA 2011年提出的定義“計(jì)算思維是一種解決問題的方法論，它將計(jì)算機(jī)科學(xué)與所有學(xué)科交織在一起，計(jì)算方式的分析并解決人類的各種問題”[12]。

上述計(jì)算思維的觀點(diǎn)，體現(xiàn)了學(xué)術(shù)界的一個(gè)思考：迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，不應(yīng)該只局限于計(jì)算機(jī)CPU自動(dòng)化計(jì)算，而應(yīng)該映射、延伸到人類人腦思辨計(jì)算，進(jìn)而發(fā)展成為通用于各種學(xué)科領(lǐng)域的方法論的計(jì)算思維體系。如果發(fā)展于地理學(xué)科領(lǐng)域，可將為圖1所示地理計(jì)算思維層次迭代細(xì)化。

圖1 地理學(xué)科計(jì)算思維的層次

圖1所示地理計(jì)算思維三個(gè)層次中：“計(jì)算機(jī)自動(dòng)化層次的計(jì)算思維”這一層次的研究發(fā)展迅猛[13]；“人類人腦思辨層次的計(jì)算思維”這一層次的研究日漸增多；“應(yīng)用于地理學(xué)科的地理計(jì)算思維”這一層次的研究較少(這可能是由于本層次的跨學(xué)科性、模糊性、非直接經(jīng)濟(jì)效益性等原因所致)。本研究主要探究這一層次，即研究地理學(xué)科領(lǐng)域的地理計(jì)算思維，及其在地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)的應(yīng)用。

2.2 地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀分析

創(chuàng)新一般定義為一種“新思想、新裝置或新方法，即一種更好的解決方案，以滿足新的有意義的需求”。若從宏觀與微觀的視角探究，本文認(rèn)為：一方面，創(chuàng)新可以從微觀向宏觀迭代抽象出規(guī)律(此規(guī)律從而可以用來指導(dǎo)眾多的具體應(yīng)用)，也即理論創(chuàng)新，或上述的思想創(chuàng)新、方法創(chuàng)新；另一方面，創(chuàng)新也可以是從宏觀向微觀迭代出具體應(yīng)用(此應(yīng)用可以更有效地滿足實(shí)踐需求)，也即實(shí)踐創(chuàng)新，或上述的裝置創(chuàng)新、解決方案創(chuàng)新。若進(jìn)一步從創(chuàng)新與繼承的視角探究：(1)創(chuàng)新必須是在繼承前人現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)之上，也即必須全面了解研究現(xiàn)狀，在研究現(xiàn)狀之上有意義地標(biāo)新立異；(2)在前人現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)之上，又必須形成更好的解決方案，也即必須或多或少地產(chǎn)生研究結(jié)果，研究結(jié)果必須經(jīng)得起與研究現(xiàn)狀的比較，而且比研究現(xiàn)狀更加優(yōu)化。

創(chuàng)新能力一般理解為創(chuàng)新的潛能，如果將人類的各種能力分級(jí)的話，那么創(chuàng)新能力是各種能力中的高級(jí)別能力。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從各自不同的視角對(duì)創(chuàng)新能力的特點(diǎn)及所包含的要素等內(nèi)容進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究。張武升指出，創(chuàng)新能力受智力因素和非智力因素的雙重影響，不能僅將其作為智力品質(zhì)，還要涵蓋性格特征和精神狀態(tài)等多個(gè)方面[14]22-26。陳若松認(rèn)為，一個(gè)人的創(chuàng)新能力由思維能力、人格化能力及智力化能力構(gòu)成。其中，“智力化能力”是基礎(chǔ)，“思維能力”是開展創(chuàng)新活動(dòng)的關(guān)鍵，“人格化能力”則是創(chuàng)新的動(dòng)力和方向[15]。謝光前認(rèn)為，創(chuàng)新能力是駕馭知識(shí)生產(chǎn)過程的能力[16]?；谶@些研究觀點(diǎn)可發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)新能力雖然是面向創(chuàng)新的潛能，但因?yàn)閯?chuàng)新能力是各種能力中的高級(jí)別能力，所以本質(zhì)上還是從基礎(chǔ)能力抽象而來的，從基礎(chǔ)能力入手探究創(chuàng)新能力是可取的。本研究將聚焦上述觀點(diǎn)中的“思維能力是開展創(chuàng)新活動(dòng)的關(guān)鍵”，基于當(dāng)前計(jì)算時(shí)代的計(jì)算思維能力，探究創(chuàng)新能力。

創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有相關(guān)研究成果[17-19]。孫彩云提出了研究生個(gè)體的創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)指標(biāo)：創(chuàng)新素質(zhì)、團(tuán)隊(duì)合作、風(fēng)險(xiǎn)控制、成果形成4個(gè)一級(jí)(19個(gè)二級(jí))指標(biāo)，選用主客觀綜合賦權(quán)法(組合賦權(quán)法)對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)要素賦予權(quán)重，然后通過實(shí)驗(yàn)研究檢驗(yàn)反饋調(diào)整，確定評(píng)價(jià)體系[20]，定性、定量、軟件系統(tǒng)開發(fā)緊密結(jié)合，系統(tǒng)地進(jìn)行了創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)體系的研究，對(duì)創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)具有實(shí)踐方法論意義。本研究將秉承定性、定量、軟件系統(tǒng)開發(fā)緊密結(jié)合的思路，同時(shí)更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)觀，基于當(dāng)前計(jì)算時(shí)代的計(jì)算思維系統(tǒng)，推演創(chuàng)新能力框架及其評(píng)價(jià)框架。

地理學(xué)科研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)方面，劉波、程朋根等從社會(huì)對(duì)地理信息科學(xué)專業(yè)GIS人才能力的需求出發(fā)，從GIS學(xué)生數(shù)據(jù)采集處理能力、空間數(shù)據(jù)建模與分析能力、自主學(xué)習(xí)能力及科研創(chuàng)新能力等方面構(gòu)建了指標(biāo)體系[21，22]。李加林等學(xué)者指出，地理學(xué)研究生培養(yǎng)存在培養(yǎng)體系不健全、地理學(xué)思維和能力培養(yǎng)不到位等問題，需要堅(jiān)持學(xué)科交叉的理念，與其他院系和研究院所合作辦學(xué)，同時(shí)與社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等專業(yè)學(xué)科聯(lián)合設(shè)置專業(yè)選修課程，從而促進(jìn)地理學(xué)學(xué)科融合[23]。許俐俐強(qiáng)調(diào)當(dāng)今知識(shí)更新快速且豐富多樣，地理學(xué)研究生需掌握計(jì)算機(jī)語言等多學(xué)科知識(shí)，在《自然地理學(xué)》的學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力、空間思維能力[24]。因此，本研究在上述研究成果的基礎(chǔ)上，基于計(jì)算思維能力探究創(chuàng)新能力，推演創(chuàng)新能力框架及其評(píng)價(jià)框架，進(jìn)而擴(kuò)展為地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力及其評(píng)價(jià)框架。

3 研究結(jié)果與討論

3.1 地理學(xué)科計(jì)算思維的迭代起點(diǎn)

地理學(xué)科計(jì)算思維，必須以地理學(xué)習(xí)者、地理學(xué)主角為本、從宏觀到微觀、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜地構(gòu)建。當(dāng)前計(jì)算時(shí)代，“地理計(jì)算”默認(rèn)為“地理計(jì)算互動(dòng)系統(tǒng)”，在此抽象出地理學(xué)習(xí)者、地理學(xué)之間的計(jì)算互動(dòng)，作為地理計(jì)算思維要素及其架構(gòu)的迭代起點(diǎn)，如圖2所示(注：除了地理學(xué)習(xí)者、地理學(xué)主角之外，可能還有其他配角的互動(dòng)，可同樣思路地迭代，但不屬于本研究的核心范疇，所以在此不深入探討)。

圖2 地理學(xué)科計(jì)算思維要素及其架構(gòu)的迭代起點(diǎn)

圖2中地理學(xué)習(xí)者、地理學(xué)、計(jì)算互動(dòng)三要素的粒度尚偏抽象，為此計(jì)算互動(dòng)這一要素，將根據(jù)計(jì)算領(lǐng)域主流的、經(jīng)受了實(shí)踐檢驗(yàn)的MVC架構(gòu)進(jìn)一步迭代，迭代為模型M(內(nèi)容方法)、視圖V/媒體M、控制C/互動(dòng)I三要素，將細(xì)化為圖3所示。

圖3 地理學(xué)科計(jì)算思維要素及其架構(gòu)的迭代粒度之一

圖3若進(jìn)一步迭代細(xì)化為圖4所示，此時(shí)，已較接近實(shí)踐所需的粒度，又便于整體表述，所以是地理計(jì)算思維架構(gòu)的較理想的迭代粒度，可稱為“地理計(jì)算思維架構(gòu)的理想迭代起點(diǎn)”。地理計(jì)算思維的架構(gòu)都建議以此作為相對(duì)起點(diǎn)進(jìn)一步迭代，而無須從圖2所示的絕對(duì)起點(diǎn)迭代。

圖4所示地理計(jì)算思維架構(gòu)變換為語言描述是“地理計(jì)算思維是地理學(xué)習(xí)者與地理學(xué)之間，地理模型M(地理內(nèi)容方法)通過視圖V(媒體M)進(jìn)行互動(dòng)I(控制C)的迭代。以此為起點(diǎn)，迭代到實(shí)踐所需的對(duì)象及其關(guān)系，并運(yùn)用語言及其算法描述，甚至最終轉(zhuǎn)化為隱喻人腦的計(jì)算機(jī)CPU的二進(jìn)制數(shù)碼序列而自動(dòng)化計(jì)算(同時(shí)注重?zé)o機(jī)與有機(jī)、物性與人性、硬件與軟件、物質(zhì)與意識(shí)的統(tǒng)一)，從而正確認(rèn)識(shí)與改造地理世界。宏觀地說，地理計(jì)算思維是一種解決地理學(xué)科問題的方法論，它將計(jì)算機(jī)科學(xué)與地理學(xué)科交織在一起，計(jì)算方式地分析并解決各種地理問題?？梢?，圖4所示地理計(jì)算思維架構(gòu)，吻合前述的CSTA 2011計(jì)算思維定義，但又向微觀層次進(jìn)一步迭代細(xì)化，形成貫穿宏觀與微觀的、可用來解決地理問題的思維體系框架。

圖4各要素不斷迭代，并運(yùn)用語言及其算法描述，甚至最終轉(zhuǎn)化為隱喻人腦的計(jì)算機(jī)CPU的二進(jìn)制序列而自動(dòng)化計(jì)算。

一是“地理學(xué)習(xí)者”“地理學(xué)”兩要素，分別從軟件、硬件的思路，迭代為地理軟素質(zhì)、地理硬素質(zhì)。并可根據(jù)實(shí)際需求迭代細(xì)化，形成地理學(xué)習(xí)的主角體系。

二是“地理模型M(內(nèi)容、方法)”這一要素進(jìn)一步迭代為地理數(shù)據(jù)采集、地理信息分析、地理規(guī)律挖掘、地理情感交流、地理哲思建構(gòu)五層次。并可根據(jù)實(shí)際需求迭代細(xì)化，形成地理學(xué)習(xí)的內(nèi)容方法體系[25，26]。

三是“視圖V/媒體M”這一要素，又以人的五種感覺器官為本，迭代為視媒(文本、圖像、視頻、2D、3D)、聽媒(波形音頻、MIDI器樂)、嗅媒、觸媒、味媒。并可根據(jù)實(shí)際需求迭代細(xì)化，形成地理學(xué)習(xí)的媒體體系。例如，視媒中的2D迭代細(xì)化為地理中的2D地圖，3D迭代細(xì)化為地理中的3D地圖，等等。其中視圖V，即媒體M中的視覺媒體。因?yàn)橛?jì)算機(jī)媒體技術(shù)當(dāng)前主要長(zhǎng)于視覺媒體、聽覺媒體；而在觸覺媒體、嗅覺媒體、味覺媒體領(lǐng)域尚不太擅長(zhǎng)，所以當(dāng)前計(jì)算領(lǐng)域，往往使用視圖V這一術(shù)語表述媒體M，也常稱為計(jì)算的可視化。

圖4 地理學(xué)科計(jì)算思維要素及其架構(gòu)的理想迭代起點(diǎn)

四是“控制C/互動(dòng)I”這一要素，迭代為一對(duì)多近程、一對(duì)多遠(yuǎn)程、一對(duì)一近程、一對(duì)一遠(yuǎn)程。并可根據(jù)實(shí)際需求迭代細(xì)化，形成地理學(xué)習(xí)的互動(dòng)體系。其中控制C常用于機(jī)器領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)強(qiáng)制性、少情感性；互動(dòng)I常用于人類領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)互相交流溝通性、多情感性。

3.2 地理學(xué)科計(jì)算思維與現(xiàn)有地理思維的兼容性分析

圖4所示地理學(xué)科計(jì)算思維要素及其架構(gòu)，與當(dāng)前地理分為自然地理、人文地理然后不斷迭代細(xì)化的框架非常吻合。此外，因?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)GIS本質(zhì)上也是計(jì)算機(jī)科技與地理學(xué)的交叉學(xué)科領(lǐng)域，所以地理信息系統(tǒng)GIS與自然地理、人文地理迭代細(xì)化的框架自然也是吻合的，如圖5所示。

3.3 計(jì)算思維視角的地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)框架

基于現(xiàn)有研究成果所認(rèn)同的“思維能力是開展創(chuàng)新活動(dòng)的關(guān)鍵”這一觀點(diǎn)，可以根據(jù)圖4所示的地理學(xué)科計(jì)算思維架構(gòu)的“地理模型M(內(nèi)容、方法)”這一要素作為主導(dǎo)(其他要素作為輔助)，推導(dǎo)地理研究生創(chuàng)新評(píng)價(jià)框架的迭代起點(diǎn)如表1所示(注：因?yàn)槭腔究蚣埽栽诖烁饕剡x用了平均權(quán)重作為示例。實(shí)際的要素權(quán)重是隨研究生對(duì)象而動(dòng)態(tài)變化的，必須基于具體的研究生對(duì)象進(jìn)行問卷調(diào)查，然后統(tǒng)計(jì)分析獲得具體的權(quán)重。并且可以提交主管部門審批，逐步發(fā)展為權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)。此將在后續(xù)研究中迭代深入)。

圖5 地理學(xué)科計(jì)算思維與現(xiàn)有地理思維的兼容性

表1 地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)框架的迭代起點(diǎn)(權(quán)重平均分配為例)：地理計(jì)算思維的視角

基于表1，結(jié)合我國(guó)研究生培養(yǎng)政策、現(xiàn)有課程體系，進(jìn)一步迭代為比較理想的粒度如表2所示(權(quán)重平均分配作為示例)，并可根據(jù)實(shí)際需求，迭代至實(shí)踐所需的粒度。

3.4 地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)框架與現(xiàn)有框架的兼容性分析

表2所示地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)框架，與現(xiàn)有評(píng)價(jià)體系的兼容性分析如下。

表2 地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)框架的理想迭代起點(diǎn)

(1)表2所示框架，基于現(xiàn)有研究成果“思維能力是開展創(chuàng)新活動(dòng)的關(guān)鍵”的觀點(diǎn)，緊扣當(dāng)前計(jì)算時(shí)代的計(jì)算思維，從基礎(chǔ)開始挖掘創(chuàng)新能力的評(píng)價(jià)要素，然后不斷迭代，有望兼容各種創(chuàng)新能力定義。例如，框架中“規(guī)律挖掘?qū)哟文芰?、情感交流層次能力”，不僅與現(xiàn)有“智力能力與非智力能力”相兼容，其與現(xiàn)有“思維能力、人格化能力及智力化能力”中的智力能力、人格化能力也是相兼容的，更重要的是其與當(dāng)前計(jì)算時(shí)代的大數(shù)據(jù)科技、人工智能科技、科技與人文結(jié)合的思想相吻合。

(2)表2所示框架，秉承定性、定量緊密結(jié)合的思路，但又更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)觀，基于當(dāng)前計(jì)算時(shí)代的計(jì)算思維系統(tǒng)，迭代推演，邏輯主線清晰。而且與當(dāng)前計(jì)算時(shí)代的軟件技術(shù)緊密結(jié)合，便于映射為相應(yīng)的軟件系統(tǒng)開發(fā)，從而支持相關(guān)領(lǐng)域可持續(xù)研究。

4 研究小結(jié)與展望

當(dāng)前計(jì)算時(shí)代急需基于計(jì)算思維視角的地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)體系，但是相關(guān)領(lǐng)域的研究不多。文章構(gòu)建了地理學(xué)科計(jì)算思維框架，并將此框架應(yīng)用于地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)中，文中構(gòu)建的地理學(xué)研究生創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)框架，可與其他學(xué)者的評(píng)價(jià)框架互為補(bǔ)充，提升評(píng)價(jià)的時(shí)代性、有效性。