新工科背景下計(jì)算思維能力培養(yǎng)的探索

張振國(guó) 崔榮一

摘? 要： 探討了計(jì)算思維的本質(zhì)內(nèi)涵及其與新工科的關(guān)系，探索如何在新工科課程教學(xué)中，有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)和理解計(jì)算思維，提出結(jié)合具體實(shí)例的“問(wèn)題抽象化-模型構(gòu)建-自動(dòng)化方案-思維分析”培養(yǎng)方式。以案例教學(xué)的方式，通過(guò)電梯運(yùn)行實(shí)例闡述如何以計(jì)算思維為指導(dǎo)，使學(xué)生快速理解計(jì)算思維和掌握計(jì)算思維能力。

關(guān)鍵詞： 計(jì)算思維; 新工科; 抽象化; 案例教學(xué); 思維分析

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2021）03-83-04

Exploration on the cultivation of computational thinking ability in the

background of New Engineering

Zhang Zhenguo， Cui Rongyi

（Department of computer science and technology， Yanbian University， Yanji， Jilin 133002， China）

Abstract： This paper discusses the essential connotation of computational thinking and its relationship with New Engineering Education， and how to consciously cultivate students' understanding of computational thinking in the teaching of New Engineering courses is explored. The training mode， which combines with the specific examples， of "problem abstraction， model construction， automation scheme and thinking analysis" is put forward. In the way of case teaching， with the instance of elevator operation， this paper expounds how to make students quickly understand computational thinking and master computational thinking ability under the guidance of computational thinking.

Key words： computational thinking; New Engineering; abstraction; case teaching; thinking analysis

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等新技術(shù)的發(fā)展，以信息技術(shù)為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)革命正逐步改變著人們生產(chǎn)生活的方式， “中國(guó)制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等一批重大戰(zhàn)略目標(biāo)被提上日程。在這一背景下，工程教育被賦予了新的內(nèi)涵，工科專業(yè)亟需做出改變以適應(yīng)這種挑戰(zhàn)，因此，各個(gè)高校正積極推進(jìn)新工科相關(guān)專業(yè)的建設(shè)。“新工科”是國(guó)家在2016年“國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃”中提出的，經(jīng)過(guò)了2017年的“復(fù)旦共識(shí)”、“天大方案”以及“北京指南”等一系列卓有成效的討論，基本上形成了新工科建設(shè)的綱領(lǐng)。2020年6月，“天大方案2.0”的發(fā)布，標(biāo)志著新工科建設(shè)從理念和頂層設(shè)計(jì)向落實(shí)和實(shí)施階段展開(kāi)。

新工科的一個(gè)核心內(nèi)容是以信息技術(shù)推動(dòng)傳統(tǒng)工科專業(yè)的改進(jìn)和升級(jí)，以適應(yīng)信息社會(huì)的變革，引導(dǎo)傳統(tǒng)工科逐步向智能化邁進(jìn)。在這個(gè)過(guò)程中，關(guān)鍵的問(wèn)題是如何在傳統(tǒng)工科領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化。計(jì)算機(jī)是信息處理的工具，其思維方式是傳統(tǒng)工科改革的有效思路。計(jì)算機(jī)科學(xué)最具有基礎(chǔ)性和長(zhǎng)期性的思維是計(jì)算思維[1]，因而，在工科教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行問(wèn)題描述和求解的能力，引導(dǎo)學(xué)生逐步理解和掌握其思維方式，從思考方式上考慮傳統(tǒng)工科的問(wèn)題是根本且行之有效的途徑，所以，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)對(duì)于新工科專業(yè)建設(shè)是重要的。

1 計(jì)算思維的內(nèi)涵

“計(jì)算思維”一詞是周以真教授于2006年提出的，其概念被定義為“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)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)”[2]。這一概念受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是可以與讀、寫、算等基本認(rèn)知一樣，是每個(gè)人都必須掌握的一種基本技能。 計(jì)算思維對(duì)于教育的影響是巨大的，直接將計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)課程從“計(jì)算機(jī)工具論”轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N思維模式來(lái)教學(xué)，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的改革。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這一新興思維方式進(jìn)行了廣泛的研究，美國(guó)、英國(guó)和澳大利亞等國(guó)家的課程培養(yǎng)方案中都明確提出將計(jì)算思維是其相關(guān)課程的重要部分[3-4]。自2010年起，我國(guó)逐步將計(jì)算思維納入到計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中并其作為課程改革不可或缺的一部分[5]。

盡管培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的核心內(nèi)容已成為課程改革的共識(shí)，但如何實(shí)施仍存在著不同的思路和見(jiàn)解。這種不同，從根本上來(lái)說(shuō)，是對(duì)計(jì)算思維能力的本質(zhì)內(nèi)涵存在不同的理解。隨著科技的發(fā)展，計(jì)算思維在具體的實(shí)踐中有了新的、更廣的發(fā)展，這些都影響其對(duì)培養(yǎng)過(guò)程的指導(dǎo)作用。無(wú)論是“思維技能”觀點(diǎn)[6]還是“過(guò)程要素”的說(shuō)法[3]都強(qiáng)調(diào)了計(jì)算思維是解決問(wèn)題的重要手段，在不同領(lǐng)域，計(jì)算思維已被廣泛的應(yīng)用于指導(dǎo)具體的實(shí)踐。而實(shí)際上，計(jì)算思維的本質(zhì)特征是抽象[7]。這種抽象與數(shù)學(xué)的邏輯思維、物理的實(shí)證思維中的抽象不同，是更一般意義上的概括。這是因?yàn)橛?jì)算思維的抽象有層次的概念，即包括同一層次上的抽象，也包含層次間的關(guān)系。從一般的意義上來(lái)說(shuō)，計(jì)算思維應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本原理，是在解決實(shí)際問(wèn)題中形成的思維模式和技能，它并不是固定的，在不同的學(xué)科領(lǐng)域，問(wèn)題解決思路和方式會(huì)不相同。此外，計(jì)算思維并不面向具體應(yīng)用，而是一種抽象的思維能力，因此，計(jì)算思維的培養(yǎng)需要明確這一本質(zhì)。

2 新工科與計(jì)算思維

新工科是在新一輪的科技與產(chǎn)業(yè)革命的背景下，工程學(xué)科的一次重大戰(zhàn)略改革，其內(nèi)涵是“以立德樹(shù)人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才”[8]。新工科首先指的是新興的專業(yè)，如人工智能、智能制造等，它代表著行業(yè)的發(fā)展方向，是正在逐步形成的工程學(xué)科[9]。

一方面，新工科的建設(shè)和發(fā)展能為其他學(xué)科的人才培養(yǎng)改革提供良好的示范作用，另一方面，新工科專業(yè)中的新理論、新技術(shù)將為新產(chǎn)業(yè)的形成提供科學(xué)依據(jù)[10]。新工科需要多學(xué)科的交叉、融合，相應(yīng)的工程人才應(yīng)具備良好的創(chuàng)新能力和跨學(xué)科整合能力，這就要求在培養(yǎng)過(guò)程中需要從思維的高度上去考慮問(wèn)題。而計(jì)算思維恰好契合這一要求，因而引導(dǎo)學(xué)生用計(jì)算思維的方式去認(rèn)識(shí)、分析、解決問(wèn)題，主動(dòng)的用發(fā)散性思維去創(chuàng)新，將對(duì)新工科專業(yè)人才的培養(yǎng)起到積極的作用。

計(jì)算思維與程序思維、算法思維有緊密的聯(lián)系，而這兩者是計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要基礎(chǔ)，同時(shí)，計(jì)算思維又是由計(jì)算機(jī)科學(xué)家提出的，因此，計(jì)算思維可以說(shuō)是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的最為重要的思維方式。從解決問(wèn)題的方法角度，計(jì)算思維是從數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)的角度去認(rèn)識(shí)和理解世界的思想和方法[11]，計(jì)算機(jī)是數(shù)據(jù)處理和加工的工具，是思維實(shí)現(xiàn)的手段，因此，計(jì)算機(jī)科學(xué)的相關(guān)理論和技術(shù)是計(jì)算思維解決問(wèn)題的基礎(chǔ)。來(lái)自不同領(lǐng)域的問(wèn)題經(jīng)過(guò)信息抽取和模型構(gòu)建，通過(guò)計(jì)算平臺(tái)的運(yùn)算，在得到問(wèn)題解決的同時(shí)，也能加深領(lǐng)域內(nèi)知識(shí)的理解。計(jì)算機(jī)科學(xué)為其他學(xué)科提供了認(rèn)知領(lǐng)域知識(shí)的角度和計(jì)算平臺(tái)，使得不同學(xué)科領(lǐng)域的人員能夠方便快速地得到問(wèn)題處理的能力。此外，計(jì)算思維中，更多的是面向不同領(lǐng)域的具體應(yīng)用，即理解如何從數(shù)據(jù)的角度來(lái)分析和解決具體的問(wèn)題。從這個(gè)意義上，計(jì)算機(jī)科學(xué)是研究用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的共性理論與技術(shù)，而其他領(lǐng)域人員認(rèn)識(shí)和理解計(jì)算思維，更多的是從應(yīng)用角度去尋找問(wèn)題的解決思路和方法。這也正印證計(jì)算思維正影響著傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，用信息處理的自動(dòng)化加速產(chǎn)業(yè)革命的升級(jí)，這種影響并不是簡(jiǎn)單的修補(bǔ)，而是從思維高度的徹底改造，以數(shù)據(jù)為載體，對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈上的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行重新認(rèn)識(shí)，建立起人與人、人與物、物與物之間的聯(lián)系，不斷地創(chuàng)新傳統(tǒng)工業(yè)，建立新興產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)新工科的建設(shè)和發(fā)展。

3 計(jì)算思維能力培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 指導(dǎo)思想

從上文分析中可以得出，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)主要是讓學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)代化工具來(lái)分析、處理和解決各個(gè)領(lǐng)域的問(wèn)題，其基本過(guò)程可以描述為問(wèn)題抽象化、建模和自動(dòng)化處理等方面。因此，需要培養(yǎng)學(xué)生的問(wèn)題抽象和建模思維能力，使學(xué)生能夠以數(shù)據(jù)變化的形式理解本專業(yè)的問(wèn)題，這就需要在計(jì)算機(jī)課程中讓學(xué)生意識(shí)到課程培養(yǎng)的是問(wèn)題解決的思維模式，而非實(shí)用工具。為此，本文以“問(wèn)題抽象化-模型構(gòu)建-自動(dòng)化方案-思維分析”的教學(xué)思路進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施。

3.2 教學(xué)實(shí)施過(guò)程

本節(jié)以我們?nèi)粘３俗碾娞轂槔?，闡述如何進(jìn)行問(wèn)題抽象、構(gòu)建模型、提出解決思路與方案并實(shí)現(xiàn)思維導(dǎo)向分析的過(guò)程。在電梯的運(yùn)行邏輯中，每一層都有多種操作，其抽象化和建模過(guò)程對(duì)其他領(lǐng)域的問(wèn)題有很好的借鑒意義。不失一般性，以4層樓電梯運(yùn)行為例來(lái)說(shuō)明如何進(jìn)行問(wèn)題抽象和建模（為了簡(jiǎn)化描述，假設(shè)電梯按鍵不能取消）。

電梯的運(yùn)行方式可分為上行和下行兩種。上行的方式（下行的規(guī)則與上行一致，方向相反）可描述為：對(duì)于任何合法的層數(shù)i，j，k，設(shè)i

規(guī)則1：如果超重，則電梯不啟動(dòng)，停在原來(lái)的樓層。

規(guī)則2：若電梯現(xiàn)在停在第i層，同時(shí)按下第j層和第k層的按鍵，則電梯運(yùn)行到第j層停下，之后再停到第k層。

規(guī)則3：若電梯正在上升至第k層的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)第i層時(shí)，再有第j層按鍵，則電梯運(yùn)行到第j層停下，之后再停到第k層。

規(guī)則4：若電梯正在上升至第k層的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)第j層時(shí)，再有第i層按鍵，則電梯會(huì)停在第k層，不會(huì)向第i層下降，即第i層按鍵無(wú)效。

⑴ 問(wèn)題抽象

電梯的運(yùn)行狀態(tài)可以分為三種：停止、上行和下行，因此，可以把整個(gè)運(yùn)行過(guò)程按狀態(tài)進(jìn)行劃分：用S1，S2，S3，S4分別表示電梯停在各個(gè)樓層上，用U12，U23，U34分別表示電梯的上行過(guò)程（例如U12表示電梯在第1～2層之間上行），用D12，D23，D34分別表示電梯的下降過(guò)程。按鍵操作分別以數(shù)字1，2，3，4表示。這樣，4層電梯的運(yùn)行過(guò)程就可以用10個(gè)狀態(tài)和4種按鍵進(jìn)行表述，即將電梯的運(yùn)行過(guò)程抽象為不同運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。

⑵ 建模

狀態(tài)的轉(zhuǎn)換可以通過(guò)有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，故可以將電梯的運(yùn)行過(guò)程構(gòu)建為自動(dòng)機(jī)模型，如圖1所示。

在上述模型（圖1）中，雙圓圈表示的是電梯隨時(shí)可停止，退出運(yùn)行的狀態(tài)，單圓圈表示的是電梯正在上升或者下降的狀態(tài)。模型可以上下兩部分，上半部分是電梯上行過(guò)程中的可能出現(xiàn)的情況，下半部分描述的是電梯下行時(shí)的各種情況。這兩部分除了方向不同，所有的操作都一樣。

⑶ 自動(dòng)化處理

培養(yǎng)學(xué)生的自動(dòng)化問(wèn)題處理能力中最為重要的是算法思維和程序設(shè)計(jì)能力。在電梯運(yùn)行的例子中，算法不復(fù)雜，但程序設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)要素均有體現(xiàn)。該過(guò)程的程序流程如圖2所示。

上述過(guò)程包含程序設(shè)計(jì)的三種結(jié)構(gòu)，有助于加深程序設(shè)計(jì)知識(shí)的理解。多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，學(xué)生經(jīng)歷中小學(xué)大量的邏輯思維能力訓(xùn)練后，在最初接觸程序設(shè)計(jì)時(shí)往往難以很快地接受計(jì)算機(jī)處理和解決問(wèn)題的方式。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，這是思維能力轉(zhuǎn)變的問(wèn)題，即需要以計(jì)算思維的方式考慮和解決問(wèn)題。使用與日常生活密切相關(guān)的實(shí)例展示問(wèn)題處理的過(guò)程，將程序設(shè)計(jì)中的符號(hào)和處理流程與具體生活應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，可以形象地展現(xiàn)出知識(shí)的應(yīng)用，增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

3.3 計(jì)算思維的體現(xiàn)

“像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考問(wèn)題、理解問(wèn)題和解決問(wèn)題”是周以真教授在提出計(jì)算思維概念時(shí)給出的界定[2]，盡管計(jì)算思維的內(nèi)涵和外延仍在發(fā)展變化，但這一表述給出了計(jì)算思維培養(yǎng)的指導(dǎo)性意見(jiàn)，其核心在于掌握使用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的基本過(guò)程和步驟。在上文例子中，將電梯的運(yùn)行過(guò)程的不同階段抽象為不同的狀態(tài)，即停在某一層和層間運(yùn)行，然后通過(guò)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換表達(dá)電梯的運(yùn)行。這一過(guò)程中除了程序設(shè)計(jì)和算法要素外，思維是更為重要的因素，無(wú)論是可處理數(shù)據(jù)的抽象，還是狀態(tài)轉(zhuǎn)換的處理過(guò)程，都是計(jì)算思維能力在該例中的體現(xiàn)。

在新工科興起的背景下，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式解決問(wèn)題成為一個(gè)趨勢(shì)，這很好的擴(kuò)展了計(jì)算思維所涵蓋的范圍，使之不再局限于借助計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。然而無(wú)論形式如何變化，其本質(zhì)都不在“計(jì)算”本身，而是計(jì)算背后所蘊(yùn)含的思維本質(zhì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

新工科的發(fā)展離不開(kāi)信息技術(shù)的支撐，在信息化特別是數(shù)字化的過(guò)程中，無(wú)論是新興產(chǎn)業(yè)還是傳統(tǒng)工業(yè)，以數(shù)據(jù)促進(jìn)工業(yè)智能化發(fā)展已成為共識(shí)，所以，從思維的高度上去認(rèn)識(shí)、理解，進(jìn)而解決問(wèn)題是至關(guān)重要的。因此，在新工科建設(shè)和教學(xué)中，要求學(xué)生從數(shù)據(jù)變化的角度思考行業(yè)內(nèi)產(chǎn)業(yè)升級(jí)所涉及的基本問(wèn)題，用計(jì)算的觀點(diǎn)去自動(dòng)的解決這些問(wèn)題。因此，教學(xué)過(guò)程除了引導(dǎo)學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本理論和技能外，須將計(jì)算機(jī)科學(xué)與行業(yè)結(jié)合，建立用計(jì)算方法解決問(wèn)題的思維。然而，思維方式的轉(zhuǎn)變是需要時(shí)間的，以“問(wèn)題抽象化-模型構(gòu)建-自動(dòng)化方案-思維分析”的方式，用日常生活中的具體實(shí)例講解問(wèn)題的解決思路，能夠加深學(xué)生對(duì)于計(jì)算思維能力的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 孫家廣.計(jì)算機(jī)科學(xué)的變革[J].中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2009.5（2）：1-4

[2] Wing J M. Computational Thinking[J]. Communications ofthe ACM，2006.28（9）：23-28

[3] Yadav A，Hong H，Stephenson C.Computational Thinkingfor All： Pedagogical Approaches to Embedding 21st Century Problem Solving in K-12 Classrooms[J].Techtrends，2016.60（6）：565-568

[4] 肖廣德，高丹陽(yáng).計(jì)算思維的培養(yǎng)：高中信息技術(shù)課程的新選擇[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2015.25（7）：38-43

[5] 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[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2010.9：6，11

[6] Yadav A， Mayfield C， Zhou N， et al. ComputationalThinking in Elementary and Secondary Teacher Education[J].Acm Transactions on Computing Education，2014.14（1）：1-16

[7] Wing J M. Computational Thinking and Thinking aboutComputing[J]. Philosophical Transactions，2008.366（1881）：3717-3725

[8] 鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017.3：1-6

[9] 姚琳，宋晏，石志國(guó).基于新工科的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系思考與探索[J].計(jì)算機(jī)教育，2019.3：112-116

[10] 劉佳，王立松.從阿爾法元談“新工科”建設(shè)中的“計(jì)算思維”課程教學(xué)探索[J].工業(yè)和信息化教育，2018.9：61-66

[11] 狄長(zhǎng)艷，周慶國(guó)，李廉.新工科背景下對(duì)于計(jì)算思維的再認(rèn)識(shí)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2019.7：47-53