計(jì)算思維的工程特征分析與CDIO教學(xué)模式應(yīng)用探索

摘要：本文通過分析科學(xué)、技術(shù)、工程與計(jì)算機(jī)學(xué)科的關(guān)系，闡述計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)工程活動(dòng)中的作用，并提出了CDIO教學(xué)模式。該模式以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的方式讓學(xué)生經(jīng)歷計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐活動(dòng)，是一種適合中小學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；工程教育；CDIO；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2024）10-0027-04

計(jì)算思維是一種理性的思維，理性的思維一定是解決問題的思維。經(jīng)歷解決問題的過程，是培養(yǎng)計(jì)算思維的一種途徑。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行研究，通常用計(jì)算思維解決的問題是一種怎樣的問題？是科學(xué)問題、技術(shù)問題還是工程問題？清楚這些問題，有助于建立有效的計(jì)算思維培養(yǎng)路徑。

科學(xué)、技術(shù)、工程與計(jì)算機(jī)學(xué)科

科學(xué)、技術(shù)與工程是人類三種不同的社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)。大眾對(duì)科學(xué)的理解往往是一種價(jià)值判斷，通常認(rèn)為科學(xué)的就是正確的、合理的、高級(jí)的，如科學(xué)態(tài)度、科學(xué)決策、科學(xué)方法等。其實(shí)，科學(xué)的本意是反映自然、社會(huì)、思維等客觀規(guī)律的知識(shí)體系，科學(xué)活動(dòng)就是不斷探索自然、社會(huì)、思維等領(lǐng)域的客觀規(guī)律。例如，牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力定律是反映物體之間存在相互吸引力的定律，運(yùn)用該定律可以解釋太陽(yáng)系中行星、衛(wèi)星等天體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這是有關(guān)物理的自然科學(xué)?？梢?，科學(xué)活動(dòng)是以探索、發(fā)現(xiàn)為中心展開的，以求理為本質(zhì)特征，其成果是科學(xué)概念、科學(xué)理論等，是全人類的共同精神財(cái)富。

如果說科學(xué)活動(dòng)是解決“是什么”或“為什么”的問題，那么技術(shù)活動(dòng)就是解決“怎么做”的問題?？茖W(xué)在于發(fā)現(xiàn)，技術(shù)在于發(fā)明。技術(shù)活動(dòng)是以發(fā)明為中心的，以求用為本質(zhì)特征。技術(shù)活動(dòng)成果的主要形式是技術(shù)方法、發(fā)明專利等，其在一定時(shí)期或范圍內(nèi)是具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)或具有獨(dú)占權(quán)的專有知識(shí)。

如果說科學(xué)問題來源于人類，特別是科學(xué)家對(duì)自然奧秘的好奇心，那么，工程問題也是來源于人類，主要是大眾的現(xiàn)實(shí)需求。例如，建造長(zhǎng)江大橋或過江隧道，就是為了解決兩地人員通勤問題，并使物流便捷。因此，工程活動(dòng)是一種構(gòu)建新的存在物的實(shí)踐，以求物為本質(zhì)特征，以造物為中心展開，工程活動(dòng)的成果則是直接表現(xiàn)為特定的產(chǎn)品和設(shè)施。

計(jì)算機(jī)學(xué)科涉及科學(xué)與技術(shù)，是研究計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息獲取、表示、存儲(chǔ)、處理、控制等的理論、原則、方法和技術(shù)的學(xué)科。計(jì)算機(jī)科學(xué)側(cè)重于研究現(xiàn)象、揭示規(guī)律；計(jì)算機(jī)技術(shù)側(cè)重于研制計(jì)算機(jī)和研究使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理的方法與技術(shù)手段。計(jì)算機(jī)學(xué)科還是一門科學(xué)性與工程性并重的學(xué)科，表現(xiàn)為理論性和實(shí)踐性緊密結(jié)合的特征。

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科屬于科學(xué)還是工程的范疇這一問題存在著爭(zhēng)議。1985年由美國(guó)ACM組織專家對(duì)此進(jìn)行研究，得出的結(jié)論是：計(jì)算機(jī)科學(xué)和計(jì)算機(jī)工程之間沒有本質(zhì)區(qū)別。計(jì)算機(jī)學(xué)科研究的核心問題是能行性問題，能行性問題貫穿于整個(gè)學(xué)科，包括硬件和軟件在內(nèi)的理論、方法、技術(shù)的研究，以及各種應(yīng)用開發(fā)。代表計(jì)算機(jī)科學(xué)各分支學(xué)科的基礎(chǔ)理論與代表計(jì)算機(jī)工程各分支學(xué)科的工程技術(shù)常常既有理論特征，又有技術(shù)特征，也有工程特征。本質(zhì)上，它們都是從不同的角度和層面對(duì)各種問題的能行性及其求解方法和過程的描述。

工程、工程思維與計(jì)算

思維

計(jì)算機(jī)學(xué)科涉及科學(xué)、技術(shù)與工程，計(jì)算思維作為一種計(jì)算機(jī)學(xué)科思維，針對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程的特征，應(yīng)該兼而有之。研究計(jì)算思維與工程的關(guān)系，對(duì)于中小學(xué)計(jì)算思維教育有獨(dú)特的價(jià)值。

工程是人類為滿足生存和發(fā)展需要而進(jìn)行的改變自然狀態(tài)的活動(dòng)，工程活動(dòng)是很常見的社會(huì)活動(dòng)和社會(huì)現(xiàn)象。工程活動(dòng)中有思維活動(dòng)滲透和貫穿其中，工程活動(dòng)中的思維活動(dòng)可稱為工程思維，工程思維是運(yùn)用各種知識(shí)解決工程實(shí)踐問題的核心。計(jì)算機(jī)學(xué)科的工程性決定了計(jì)算思維與工程思維具有相通性。

第一，工程活動(dòng)是造物活動(dòng)，因此工程思維是一種價(jià)值導(dǎo)向思維。工程思維的基本任務(wù)和核心目的是創(chuàng)造作品并創(chuàng)造價(jià)值，就是把工程設(shè)計(jì)時(shí)的想象結(jié)果通過工程實(shí)踐活動(dòng)而建造為現(xiàn)實(shí)世界中的人造物品。相類似，計(jì)算作品是計(jì)算機(jī)工程活動(dòng)的成果，計(jì)算作品可以是軟件作品，也可以是硬件作品，或者是軟硬件組合的系統(tǒng)。計(jì)算思維指導(dǎo)計(jì)算作品的制作，并通過作品的自動(dòng)化功能體現(xiàn)價(jià)值。

第二，工程活動(dòng)的實(shí)施首先需要在紛繁的環(huán)境中把握事物發(fā)展趨勢(shì)，規(guī)劃方案，清晰設(shè)定可操作的步驟。工程思維是一種籌劃性思維，且具有先思性特征。先思性體現(xiàn)在工程活動(dòng)的構(gòu)思與設(shè)計(jì)之中，或采用順向思考，或采用逆向思維，或采用融合思維，謀思規(guī)劃，預(yù)測(cè)結(jié)果。計(jì)算思維也有同樣的特征，用于指導(dǎo)構(gòu)造自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的執(zhí)行步驟，先于造物計(jì)算作品的產(chǎn)生在大腦中運(yùn)行作品的計(jì)算過程。

第三，工程活動(dòng)涉及的知識(shí)有明言性的，也有意會(huì)性的。明言性知識(shí)可以用一定的符碼系統(tǒng)完整清晰地表述并在個(gè)體之間傳播，容易在常規(guī)的學(xué)習(xí)過程中獲取。意會(huì)性知識(shí)與技能由于其難以用語言符號(hào)表述，需要在工程活動(dòng)中體驗(yàn)與領(lǐng)悟。計(jì)算思維不等同于計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)，計(jì)算思維的形成也不是能夠依靠死記硬背方法來實(shí)現(xiàn)，而是需要采用發(fā)現(xiàn)式、啟發(fā)式的教學(xué)方法，通過個(gè)體經(jīng)歷計(jì)算作品的構(gòu)造過程來領(lǐng)悟。

第四，在工程活動(dòng)中，工程決策是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。工程活動(dòng)的實(shí)踐方法和路徑往往不是唯一的，需要運(yùn)用工程決策基于已有的物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)水平對(duì)工程可行性以及價(jià)值性作出判斷。在解決計(jì)算問題的過程中，同樣需要作出決策，以判斷問題解決的能行性、實(shí)施方案的優(yōu)劣，并在計(jì)算作品運(yùn)行中對(duì)實(shí)施方案作出評(píng)價(jià)。

第五，工程問題都是基于真實(shí)世界的現(xiàn)實(shí)問題提出的，涉及的領(lǐng)域是綜合性的。項(xiàng)目是工程活動(dòng)的基本單位，經(jīng)歷工程活動(dòng)的完整過程就是經(jīng)歷一個(gè)工程項(xiàng)目從規(guī)劃實(shí)施到運(yùn)行的全過程。映射到中小學(xué)工程教育，跨學(xué)科和項(xiàng)目化是工程教育實(shí)施的兩大特征。計(jì)算思維教育的落實(shí)，同樣也需要經(jīng)歷真實(shí)問題的解決，也會(huì)具有跨學(xué)科和項(xiàng)目化的特征。

工程教育、CDIO教學(xué)模式與計(jì)算思維教育

思維能力的培養(yǎng)不是一件容易的事情，需要正確認(rèn)識(shí)、遵循與順應(yīng)思維能力培養(yǎng)的規(guī)律。由于思維現(xiàn)象非常復(fù)雜，現(xiàn)實(shí)的思維活動(dòng)不可能是純而又純的某種單一類型的思維，必然表現(xiàn)為不同類型思維的結(jié)合或融合。但這種融合現(xiàn)象不妨礙人們承認(rèn)存在不同類型的思維方式，也不妨礙可以對(duì)特定思維類型的思維方式進(jìn)行單獨(dú)研究。對(duì)于不同的思維方式來說，由于它們有不同的本性和特征，它們的培養(yǎng)規(guī)律也不相同。

對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)，可以借鑒工程教育的實(shí)施模式，這是因?yàn)椋阂环矫嬗?jì)算思維具有工程活動(dòng)和工程思維的特征；另一方面，對(duì)于中小學(xué)生而言，要掌握計(jì)算機(jī)學(xué)科的科學(xué)理論是有難度的。因此，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)者已有的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，運(yùn)用成熟的計(jì)算機(jī)技術(shù)，工程化地實(shí)現(xiàn)計(jì)算作品，經(jīng)歷計(jì)算活動(dòng)的全過程，是一種值得嘗試的、可行的計(jì)算思維養(yǎng)成路徑。

在傳統(tǒng)的觀念中，工程教育一直是高等教育或職業(yè)教育關(guān)注的熱點(diǎn)，開展工程教育旨在培養(yǎng)符合工程建設(shè)需要的專業(yè)人才。在中小學(xué)開展工程教育，雖然不是以工程人才培養(yǎng)為直接目標(biāo)，但對(duì)于發(fā)展中小學(xué)生的工程素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生理解工程過程和工程本質(zhì)、掌握工程知識(shí)與工程技能、學(xué)會(huì)工程思維、知曉工程倫理，特別是在培養(yǎng)創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力等方面具有積極的作用。

20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，工程教育改革在世界范圍內(nèi)興起，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）聯(lián)合學(xué)界、業(yè)界，研究并發(fā)表了CDIO能力大綱和CDIO課程標(biāo)準(zhǔn)。CDIO代表了實(shí)現(xiàn)工程產(chǎn)品的構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計(jì)（Design）、實(shí)施（Implement）、運(yùn)行（Operate）四個(gè)階段：在構(gòu)思階段，定義需求與技術(shù)，將產(chǎn)品全生命周期的開發(fā)與運(yùn)用作為教學(xué)背景，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)；在設(shè)計(jì)階段，描述將要被實(shí)現(xiàn)的計(jì)劃、方案和運(yùn)算法則；在實(shí)施階段，把設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為真實(shí)的產(chǎn)品；在運(yùn)行階段，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。作為工程教育的實(shí)施，CDIO教學(xué)模式依托真實(shí)的工程實(shí)踐環(huán)境，指導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷產(chǎn)品生命周期的“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)行”四個(gè)階段，鞏固學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)工程思維能力和工程實(shí)施能力。

計(jì)算思維指導(dǎo)學(xué)生計(jì)算作品的工程化制造，同樣需要經(jīng)歷產(chǎn)品生命周期的“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)行”四階段。計(jì)算思維的方法路徑即“抽象-形式化表達(dá)-構(gòu)造-自動(dòng)化”四步驟就天然地與工程活動(dòng)的“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)行”四階段相吻合：在構(gòu)思階段，運(yùn)用計(jì)算機(jī)學(xué)科的思想方法分析問題，對(duì)其目標(biāo)、性質(zhì)、狀態(tài)及其變化過程或規(guī)律進(jìn)行抽象；在設(shè)計(jì)階段，描述問題解決的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、方法步驟，形成以符號(hào)化為特征的形式化表達(dá)；在實(shí)施階段，實(shí)現(xiàn)計(jì)算作品各組件的物理連接或程序編寫，完成計(jì)算作品的構(gòu)造；在運(yùn)行階段，運(yùn)行計(jì)算作品，體驗(yàn)自動(dòng)化，評(píng)估系統(tǒng)功能與性能，提出改進(jìn)方案。

采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生經(jīng)歷計(jì)算作品制作過程的計(jì)算思維培養(yǎng)教學(xué)實(shí)施流程如下圖所示。

啟示

由上述分析可知，科學(xué)是對(duì)未知世界的發(fā)現(xiàn)、理解和認(rèn)識(shí)，技術(shù)是人們改造世界的各種可能的方法、技巧和工具?？茖W(xué)活動(dòng)是反映客觀存在，技術(shù)活動(dòng)是探尋變革存在的具體方法，而工程活動(dòng)是創(chuàng)造存在和超越存在。科學(xué)原理為技術(shù)和工程提供了必要的理論基礎(chǔ)、實(shí)施原則和方法，使得技術(shù)發(fā)明和工程實(shí)現(xiàn)更為有效，同時(shí)，技術(shù)和工程的發(fā)展也促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展。

科學(xué)、技術(shù)、工程三類活動(dòng)都是人類認(rèn)識(shí)世界改造世界的社會(huì)活動(dòng)，各有獨(dú)特的社會(huì)功能，不存在某項(xiàng)活動(dòng)一定比其他活動(dòng)更重要或更高級(jí)。計(jì)算思維的培養(yǎng)，是應(yīng)該側(cè)重計(jì)算機(jī)科學(xué)理論，還是側(cè)重計(jì)算機(jī)工程實(shí)踐，需要作具體考慮。計(jì)算機(jī)學(xué)科有著“高要求準(zhǔn)入，低門檻應(yīng)用”的特征，即深入學(xué)科、理解其學(xué)科原理有著較高的學(xué)科基礎(chǔ)與認(rèn)知要求，而其應(yīng)用技術(shù)相對(duì)比較容易被大眾所掌握。因此，針對(duì)中小學(xué)生，倡導(dǎo)“輕理論、重實(shí)踐”，不盲目追求計(jì)算機(jī)科學(xué)理論的學(xué)習(xí)，研究如何發(fā)揮他們已具備的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及其他學(xué)科理論基礎(chǔ)，如何運(yùn)用他們?nèi)菀渍莆盏挠?jì)算機(jī)技術(shù)，如何經(jīng)歷他們能夠理解與實(shí)施的計(jì)算機(jī)工程制造實(shí)踐，都是計(jì)算思維培養(yǎng)實(shí)踐中需要不斷探索的具體問題。基于個(gè)體經(jīng)歷計(jì)算作品工程化制作全過程的計(jì)算思維培養(yǎng)路徑，可以推論計(jì)算作品的重要性。計(jì)算作品，如編制的應(yīng)用程序，其教育作用不能只局限于對(duì)設(shè)計(jì)階段的驗(yàn)證，而應(yīng)是個(gè)體對(duì)自動(dòng)化的體驗(yàn)、理解并升華為思維能力的重要介質(zhì)。只有產(chǎn)生了計(jì)算作品，個(gè)體才完成了從構(gòu)思到運(yùn)行的CDIO教學(xué)模式全過程，也經(jīng)歷了從抽象到自動(dòng)化的計(jì)算思維方法運(yùn)用的路徑。CDIO教學(xué)模式不只是局限于“構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)施-運(yùn)行”四環(huán)節(jié)，MIT團(tuán)隊(duì)提出的CDIO課程大綱主要目標(biāo)是建構(gòu)一套能夠被業(yè)界和學(xué)界普遍認(rèn)可的未來工程師必備的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和價(jià)值觀體系，包括工程師必備的技術(shù)知識(shí)與推理、個(gè)人職業(yè)技能、人際交往能力以及系統(tǒng)建構(gòu)能力。CDIO教學(xué)模式除了對(duì)中小學(xué)計(jì)算思維培養(yǎng)的課程體系建設(shè)有啟示作用，還會(huì)對(duì)中小學(xué)有效開展工程教育發(fā)揮作用。

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