計(jì)算思維培養(yǎng)的作用與方法研究

張淑輝

（武警工程大學(xué)，陜西 西安 710086）

0 引言

隨著“計(jì)算思維”概念的提出與發(fā)展，計(jì)算思維已經(jīng)逐漸成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者關(guān)注的重要課題。計(jì)算思維已經(jīng)滲透到每個(gè)人的生活當(dāng)中，其蘊(yùn)含的思想、方法對(duì)許多領(lǐng)域都有著非常深遠(yuǎn)和重要的影響。全國(guó)各大高校有的已經(jīng)開(kāi)設(shè)了計(jì)算思維的相關(guān)課程，有的則在原有計(jì)算機(jī)課程的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了相應(yīng)的計(jì)算思維教學(xué)模塊。計(jì)算思維的培養(yǎng)對(duì)人才培養(yǎng)具有重要意義，有助于提升其內(nèi)驅(qū)力和創(chuàng)造力。因此，如何引導(dǎo)學(xué)習(xí)者完善和提高計(jì)算思維，是當(dāng)前高校教育中一個(gè)需要深入研究的重要課題。

1 計(jì)算思維培養(yǎng)的發(fā)展需求

“計(jì)算思維”是由美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)原計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授于2006年提出并定義的概念[1]，是指運(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)，由人和計(jì)算機(jī)協(xié)同配合執(zhí)行。計(jì)算思維是一種基礎(chǔ)且強(qiáng)大的能力，它能夠解決許多在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前無(wú)法解決的問(wèn)題。在計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)過(guò)程中，有意識(shí)地去培養(yǎng)和鍛煉計(jì)算思維有助于培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，計(jì)算思維的內(nèi)涵也在不斷豐富，不再局限于計(jì)算機(jī)學(xué)科和專業(yè)，而是跨學(xué)科跨專業(yè)綜合培養(yǎng)，其在計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算物理、計(jì)算化學(xué)等交叉科學(xué)已得到了廣泛的應(yīng)用，并推動(dòng)整個(gè)知識(shí)體系的發(fā)展。許多專家學(xué)者都認(rèn)為計(jì)算思維是現(xiàn)代學(xué)習(xí)者的核心能力之一，與閱讀、寫(xiě)作、算術(shù)等基本技能同樣重要，是人才發(fā)展核心能力的重要組成部分，對(duì)其教育重視程度決定了未來(lái)國(guó)家科技發(fā)展的水平。

但是，很多人在計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的理解較為狹隘，不僅對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)的重視程度不高，而且缺乏轉(zhuǎn)化計(jì)算思維的各種方法和技巧，無(wú)法將計(jì)算思維應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題，所以針對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)中計(jì)算思維的培養(yǎng)與鍛煉是我們當(dāng)前需要高度重視的問(wèn)題。在未來(lái)，社會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)人才的需求越來(lái)越大，計(jì)算思維的培養(yǎng)會(huì)越來(lái)越受到國(guó)家的重視，培養(yǎng)模式也將由過(guò)去潛移默化的自我革新轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)高效的教育培養(yǎng)，并開(kāi)設(shè)相對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)課程，以提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力和創(chuàng)造能力[2]。

2 計(jì)算思維培養(yǎng)的作用

計(jì)算思維不單單是利用計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的一種思維方式，而是如何通過(guò)使用計(jì)算機(jī)強(qiáng)化自己的認(rèn)知能力。因此，計(jì)算思維代表著一種普遍的認(rèn)識(shí)和一類普適的技能。培養(yǎng)計(jì)算思維，有助于培養(yǎng)和提高人們的綜合能力。

2.1 有助于培養(yǎng)利用計(jì)算機(jī)分析和解決問(wèn)題的能力

計(jì)算機(jī)的實(shí)質(zhì)是一種解決問(wèn)題的工具，我們能否熟練地使用工具將決定我們能否快速地解決問(wèn)題。合理的人機(jī)配合，可以提高處理問(wèn)題的效率，特別是在遇到紛繁復(fù)雜、較大規(guī)模問(wèn)題的時(shí)候。在日常的學(xué)習(xí)生活中，我們通過(guò)計(jì)算機(jī)快速高效解決問(wèn)題的同時(shí)，深深感受到運(yùn)用計(jì)算思維設(shè)計(jì)解決問(wèn)題的方便快捷。

人的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)具有局限性。在解決問(wèn)題之前，借助于網(wǎng)絡(luò)中海量的資料，利用計(jì)算機(jī)分析出問(wèn)題存在的無(wú)限可能性，可以幫助人們得到大量有關(guān)問(wèn)題的信息，制定多種解決問(wèn)題的方案。通過(guò)分析和研究，人們將其轉(zhuǎn)化為可計(jì)算問(wèn)題，并選擇可靠的算法讓計(jì)算機(jī)去解決問(wèn)題，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。

計(jì)算思維讓我們解決問(wèn)題的能力進(jìn)一步得到提高的同時(shí)，拓展我們的知識(shí)面，便于更好地掌握與應(yīng)用知識(shí)。在程序編寫(xiě)中逐步提高計(jì)算思維，當(dāng)計(jì)算思維在我們的腦海當(dāng)中根深蒂固的時(shí)候，我們?cè)诘谝粫r(shí)間就會(huì)想到使用計(jì)算思維的方法去解決我們所遇到的問(wèn)題。當(dāng)我們?cè)儆龅筋愃茊?wèn)題的時(shí)候，就不用重復(fù)思考解決方案，而是直接拿出我們已經(jīng)設(shè)計(jì)好的算法，通過(guò)簡(jiǎn)單的修改，就能夠解決當(dāng)下的問(wèn)題。

2.2 有助于培養(yǎng)基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同能力

計(jì)算思維整合群體的力量可以解決復(fù)雜的實(shí)際問(wèn)題，并提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)我們遇到一個(gè)復(fù)雜而又龐大的系統(tǒng)問(wèn)題，個(gè)人能力無(wú)法解決時(shí)，我們可以結(jié)合計(jì)算機(jī)將復(fù)雜的問(wèn)題分配給網(wǎng)絡(luò)中的其他計(jì)算機(jī)，將大型問(wèn)題劃分為一個(gè)個(gè)小型問(wèn)題，或者將其中我們無(wú)法解決的部分通過(guò)網(wǎng)絡(luò)尋求其他人的幫助。

2.3 有助于培養(yǎng)信息社會(huì)下的終身學(xué)習(xí)能力

終身學(xué)習(xí)能力的重點(diǎn)是學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，也就是獲取知識(shí)并應(yīng)用知識(shí)的能力，與計(jì)算思維的內(nèi)涵不謀而合。在信息社會(huì)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展使學(xué)習(xí)知識(shí)的地方不單單止于學(xué)校，通過(guò)手機(jī)、電腦等設(shè)備，學(xué)習(xí)者無(wú)論何時(shí)何地都可以學(xué)習(xí)。教學(xué)觀念、教學(xué)模式迎來(lái)了重大改革，網(wǎng)絡(luò)教育已然成為一種常態(tài)，形成了人們終生學(xué)習(xí)的體系。擁有計(jì)算思維不僅能使學(xué)習(xí)者更好地掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容，反思內(nèi)化，還能使學(xué)習(xí)者對(duì)自己的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行自我指導(dǎo)和自我控制。

計(jì)算思維打破了時(shí)間和空間的距離，充分調(diào)動(dòng)了社會(huì)公共資源，讓終身學(xué)習(xí)變得更加容易?；谟?jì)算思維的終身學(xué)習(xí)不僅是計(jì)算思維的培養(yǎng)方法、應(yīng)用方法，同時(shí)為學(xué)習(xí)者提供更多的學(xué)習(xí)方法，讓學(xué)習(xí)者運(yùn)用高效率的學(xué)習(xí)方法隨時(shí)隨地進(jìn)行自主的學(xué)習(xí)，有助于更合理高效地進(jìn)行有效信息的整合和知識(shí)體系構(gòu)建。

3 計(jì)算思維培養(yǎng)面臨的問(wèn)題

計(jì)算思維培養(yǎng)所面臨的最直接的問(wèn)題就是學(xué)習(xí)者在計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)中沒(méi)有意識(shí)到計(jì)算思維的培養(yǎng)。在現(xiàn)階段的計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者處于無(wú)意識(shí)的狀態(tài)，既沒(méi)有預(yù)定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，也不對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程有明確的要求。學(xué)習(xí)者獲得的是零碎的計(jì)算機(jī)經(jīng)驗(yàn)和很容易被遺忘的計(jì)算機(jī)知識(shí)，而不是計(jì)算思維的培養(yǎng)，導(dǎo)致目前計(jì)算思維培養(yǎng)面臨著很多問(wèn)題亟待解決。

3.1 對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)處于無(wú)意識(shí)狀態(tài)

在計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)過(guò)程中，很多的學(xué)習(xí)者事先沒(méi)有意識(shí)到計(jì)算思維的存在，或者是簡(jiǎn)單地看待計(jì)算思維，在計(jì)算思維的培養(yǎng)方面沒(méi)有發(fā)揮主觀能動(dòng)性，不能對(duì)計(jì)算思維全面地研究。遇到使用計(jì)算機(jī)能夠快速解決的問(wèn)題，往往第一時(shí)間不能聯(lián)想到使用計(jì)算機(jī)。當(dāng)使用計(jì)算機(jī)快速地解決問(wèn)題時(shí)，卻不知其所以然。無(wú)意識(shí)計(jì)算思維的培養(yǎng)雖然有著重要的作用，但是因?yàn)槿狈δ康男?、意志努力和帶有片面性，摻雜偶然的因素，所以并不能幫助學(xué)習(xí)者建立科學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算思維。

3.2 重視技巧與方法的學(xué)習(xí)，忽視思維的高度

在計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者容易把計(jì)算思維與編寫(xiě)程序的概念相混淆，往往只重視解決問(wèn)題的方法和技巧，忽視解決問(wèn)題的思考方法。問(wèn)題得到解決后，也不會(huì)去深入研究問(wèn)題背后存在的客觀規(guī)律，一旦遇到新的問(wèn)題，可能會(huì)無(wú)法解決，缺乏創(chuàng)新性解決問(wèn)題的能力。

此外，還有部分學(xué)習(xí)者單純地認(rèn)為掌握專業(yè)需要的基本軟件操作能力即可，不重視掌握一些思維方式和思維技巧，培養(yǎng)自己的計(jì)算思維和各種能力。長(zhǎng)此以往，沒(méi)有計(jì)算思維支撐的死知識(shí)很快就會(huì)面臨淘汰，當(dāng)面臨新一代的軟件應(yīng)用或需要新的知識(shí)儲(chǔ)備的情況時(shí)，學(xué)習(xí)者就會(huì)束手無(wú)策，無(wú)法滿足社會(huì)對(duì)人才強(qiáng)大能力的需求。

3.3 急功近利的計(jì)算思維培養(yǎng)

在計(jì)算思維的培養(yǎng)中還存在著矯枉過(guò)正的現(xiàn)象，很多人為培養(yǎng)計(jì)算思維刻意將計(jì)算機(jī)應(yīng)用與計(jì)算思維的培養(yǎng)分割成兩個(gè)方面。學(xué)習(xí)者在探索計(jì)算思維的階段，對(duì)計(jì)算思維的理論重視程度過(guò)高，而對(duì)計(jì)算思維的應(yīng)用卻一帶而過(guò)。這其實(shí)是一種舍本逐末的行為。學(xué)會(huì)如何利用計(jì)算思維去分析和解決問(wèn)題才是計(jì)算思維培養(yǎng)的終極目標(biāo)。計(jì)算思維的培養(yǎng)應(yīng)該落到實(shí)處，脫離實(shí)際的計(jì)算思維只能算是紙上談兵。

4 計(jì)算思維培養(yǎng)的方法

培養(yǎng)和鍛煉計(jì)算思維，并非是要將計(jì)算思維的概念和內(nèi)容牢記于心，也不是將計(jì)算思維當(dāng)成我們學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，而是需要深入地領(lǐng)悟計(jì)算思維的思想、方法所在，讓其成為解決問(wèn)題的普適思想。因此，計(jì)算思維的培養(yǎng)可以從計(jì)算機(jī)應(yīng)用、專業(yè)需求以及解決問(wèn)題的過(guò)程等多個(gè)方面入手，形成一個(gè)全面、科學(xué)的培養(yǎng)體系。

4.1 在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中培養(yǎng)計(jì)算思維

計(jì)算思維本來(lái)就隱藏于所學(xué)的計(jì)算機(jī)知識(shí)當(dāng)中，而培養(yǎng)計(jì)算思維的最終目的也是為了能夠熟練地應(yīng)用計(jì)算機(jī)解決將來(lái)遇到的各種各樣的問(wèn)題。因此，我們應(yīng)該將計(jì)算思維的培養(yǎng)落到實(shí)處，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中培養(yǎng)計(jì)算思維。

在實(shí)際的工作生活中，我們可以從具體的實(shí)踐中升華計(jì)算思維，潛移默化，逐漸內(nèi)化為學(xué)生的一種思維習(xí)慣，使之成為解決問(wèn)題的思維模式。例如在使用遞歸算法時(shí)，可在學(xué)習(xí)相關(guān)概念后，了解遞歸算法就是計(jì)算思維，用遞歸的思想解決很多較為復(fù)雜的問(wèn)題，如漢諾塔問(wèn)題、旅行商問(wèn)題等。

此外，在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的過(guò)程中，我們還需要根據(jù)技術(shù)的發(fā)展、學(xué)習(xí)的深入或者自身專業(yè)的要求，從計(jì)算機(jī)知識(shí)中吸收我們所需要的營(yíng)養(yǎng)，加入個(gè)人的理解，融入個(gè)人的需求，逐步構(gòu)建出屬于自己的計(jì)算思維體系，并內(nèi)化為一種思維習(xí)慣。例如在面對(duì)海量數(shù)據(jù)處理的問(wèn)題時(shí)，應(yīng)用“大數(shù)據(jù)”技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，從大量數(shù)據(jù)中提取出我們需要的信息。

4.2 從專業(yè)需求出發(fā)培養(yǎng)計(jì)算思維

計(jì)算思維給學(xué)習(xí)者帶來(lái)的是一種強(qiáng)大而普適的能力，很多計(jì)算時(shí)代之前無(wú)法解決的專業(yè)問(wèn)題都能通過(guò)它解決。目前，“計(jì)算思維＋專業(yè)”的交叉融合成為專業(yè)學(xué)習(xí)的重要趨勢(shì)，突破了單一專業(yè)的局限，成為知識(shí)創(chuàng)新的主要領(lǐng)域之一。計(jì)算思維本身蘊(yùn)含了很多思想、技術(shù)和方法，我們參照各專業(yè)學(xué)科的知識(shí)體系，將專業(yè)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以解決的問(wèn)題，自然而然地把計(jì)算思維的思想融入專業(yè)領(lǐng)域。

4.3 從解決問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)計(jì)算思維

人們?cè)趯W(xué)習(xí)和工作的過(guò)程中往往會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，而解決問(wèn)題則可以達(dá)到自我提高的效果。一般情況下，我們?cè)诜治鰡?wèn)題的時(shí)候會(huì)運(yùn)用概念圖、模型圖、流程圖、思維導(dǎo)圖等把本來(lái)不可見(jiàn)的思維過(guò)程呈現(xiàn)出來(lái)，這已經(jīng)屬于計(jì)算思維培養(yǎng)的初始階段了。一旦這種可視化的方法在人們的腦海中形成對(duì)計(jì)算思維的初步印象，那么接下來(lái)在解決問(wèn)題的過(guò)程中，我們便可以運(yùn)用這些解決問(wèn)題的思路，找出問(wèn)題答案。而且，當(dāng)我們得到結(jié)論后，不能僅滿足于現(xiàn)有的結(jié)果，還應(yīng)該回過(guò)頭反思解決問(wèn)題的過(guò)程，有沒(méi)有更加簡(jiǎn)潔快速的方法，或者解決問(wèn)題的關(guān)鍵步驟是什么，從而驅(qū)動(dòng)計(jì)算思維的進(jìn)一步提升。因此，在解決問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)計(jì)算思維，既可以讓最初具備的計(jì)算思維得到充分鍛煉，還能夠通過(guò)反思讓其得到更有效的發(fā)展和提升。

5 結(jié)語(yǔ)

培養(yǎng)計(jì)算思維，不僅有助于培養(yǎng)人們利用計(jì)算機(jī)分析和解決問(wèn)題的能力，還有助于培養(yǎng)人們基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同能力，甚至有助于培養(yǎng)人們?cè)谛畔⑸鐣?huì)下的終身學(xué)習(xí)能力。但是現(xiàn)階段人們對(duì)于計(jì)算思維的培養(yǎng)還處于無(wú)意識(shí)狀態(tài)，在計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)過(guò)程中只是注重技巧與方法的學(xué)習(xí)，而忽視思維的高度。還有很多人為培養(yǎng)計(jì)算思維刻意將計(jì)算機(jī)應(yīng)用與計(jì)算思維的培養(yǎng)分割成兩個(gè)方面。因此，我們不僅要重視計(jì)算思維培養(yǎng)，更要重視培養(yǎng)方法。通過(guò)論證，計(jì)算思維的培養(yǎng)可以從計(jì)算機(jī)應(yīng)用、專業(yè)需求以及解決問(wèn)題的過(guò)程等多個(gè)方面入手，形成一個(gè)全面、科學(xué)的培養(yǎng)體系。