摘要：計(jì)算思維是21世紀(jì)每個(gè)人必須具備的基本技能，而面向?qū)ο笏枷霃母旧暇褪峭耆嫌?jì)算思維規(guī)律的。從計(jì)算思維的特點(diǎn)入手，在深入研究面向?qū)ο笏枷氲幕A(chǔ)上，詳細(xì)討論了如何在面向?qū)ο笳n程中加強(qiáng)計(jì)算思維能力的方法，從而指出面向?qū)ο笏枷胱裱?jì)算思維的核心，二者是一致的，應(yīng)該把計(jì)算思維思想貫穿在講授的每一堂課中。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；面向?qū)ο?；抽象；邏輯思維

作者簡(jiǎn)介：馮洪玉（1977-），女，河南新鄉(xiāng)人，河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，講師；李艷翠（1982-），女，河南新鄉(xiāng)人，河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，助教。（河南新鄉(xiāng)453003）

基金項(xiàng)目：本文系2011河南省社科聯(lián)調(diào)研課題（課題編號(hào)：SKL-2011-1563）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A#8195;#8195;#8195;#8195;#8195;文章編號(hào)：1007-0079（2012）13-0070-02

計(jì)算思維（Computational Thinking）是一種新的思維方法，它利用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去解決問(wèn)題、進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)并理解人類行為。計(jì)算思維一詞由周以真（Jeannette M.Wing）教授于2006年提出，Wing教授認(rèn)為：“計(jì)算思維不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，它將和閱讀、寫作和算術(shù)一樣，是21世紀(jì)每個(gè)人必須具備的基本技能?！蹦壳埃?jì)算思維受到了廣泛的重視。美國(guó)的卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)早在2007年就建立了計(jì)算思維中心，目的是研究計(jì)算機(jī)科學(xué)與其他學(xué)科交叉研究的新方法。ACM在2008年公布的《CC2001計(jì)算機(jī)科學(xué)教學(xué)指導(dǎo)草案》中指出，應(yīng)該將計(jì)算思維作為計(jì)算機(jī)學(xué)科教學(xué)的重要組成部分。

作為計(jì)算機(jī)專業(yè)人才，他們不僅要具備扎實(shí)的計(jì)算機(jī)學(xué)科基礎(chǔ)知識(shí)和編程能力，也應(yīng)該具備擅長(zhǎng)抽象和分解問(wèn)題的計(jì)算思維。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想是目前主流的程序設(shè)計(jì)方法，其解決問(wèn)題的基礎(chǔ)就是抽象，從具體事物中抽象出共性，它的三大特性就是封裝、派生和多態(tài)，每一個(gè)特性都是計(jì)算思維的深刻體現(xiàn)。直接面對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的客觀事物進(jìn)行軟件開發(fā)正是面向?qū)ο蠓椒ǖ幕驹瓌t，面向?qū)ο笏枷胧欠先藗兂Ｒ?guī)思維習(xí)慣的，故在教授“面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)”課程時(shí)，更容易滲透和強(qiáng)化學(xué)生的計(jì)算思維。在講授該課程時(shí)，如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，正是本文所討論和分析的重點(diǎn)問(wèn)題。

一、計(jì)算思維的概念及其重要性

1.計(jì)算思維概念

計(jì)算思維的概念是美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的周以真教授提出的。他在計(jì)算機(jī)權(quán)威期刊《Communications of the ACM》雜志上指出：計(jì)算思維是一系列的思維活動(dòng)，包括描述問(wèn)題、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和解決問(wèn)題等等。從求解問(wèn)題的層面上看，它與數(shù)學(xué)思維有著相似點(diǎn)，要通過(guò)抽象、約簡(jiǎn)、遞歸、建模等方法先把復(fù)雜的問(wèn)題描述清楚。然后通過(guò)編程讓機(jī)器實(shí)現(xiàn)全部操作。在計(jì)算機(jī)世界里，計(jì)算思維體現(xiàn)得淋漓盡致，比如一個(gè)遞歸算法就能很快地解決經(jīng)典的漢諾塔問(wèn)題。利用并行處理思想就能很好地解決計(jì)算速度問(wèn)題，利用冗余、糾錯(cuò)思想就能將系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)。但是計(jì)算思維并不是計(jì)算機(jī)的思維，是人類賦予了計(jì)算機(jī)這種能力，然后利用計(jì)算機(jī)來(lái)為人類解決日常問(wèn)題。

計(jì)算思維是解決問(wèn)題的一個(gè)有力工具，而且它無(wú)處不在，這種能力就像閱讀、算數(shù)能力一樣。只有真正掌握了計(jì)算思維，它才能更好地為人類服務(wù)，所以在每一堂課程中，都應(yīng)該注意對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)。

2.計(jì)算思維的重要性

數(shù)學(xué)遵循的是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S，物理學(xué)體現(xiàn)的是驗(yàn)證思維，其實(shí)計(jì)算機(jī)學(xué)科的誕生，更多地蘊(yùn)含在其中的是計(jì)算思維。國(guó)防科技大學(xué)的朱亞宗教授也曾經(jīng)指出，計(jì)算思維應(yīng)歸類為三大科學(xué)思維之一（三大科學(xué)思維即：實(shí)驗(yàn)思維、理論思維、計(jì)算思維）。因此，計(jì)算思維也是計(jì)算機(jī)教育屆的重要研究課題，被國(guó)際計(jì)算機(jī)界廣為關(guān)注。在國(guó)外，參與研究的機(jī)構(gòu)有卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)、美國(guó)數(shù)學(xué)研究所（AIM）、美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）等組織。我國(guó)教育機(jī)構(gòu)也在積極研究計(jì)算思維在教學(xué)中的創(chuàng)新作用。在2009年，我國(guó)工程院院士李國(guó)杰也提到，計(jì)算思維選擇了合適的方式來(lái)表述問(wèn)題，建模并實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解。計(jì)算思維和其他學(xué)科的交叉研究也正在不斷拓展和深入。例如納米計(jì)算、計(jì)算生物學(xué)、量子計(jì)算和計(jì)算博弈理論等新興研究領(lǐng)域的發(fā)展正在逐漸地改變化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)領(lǐng)域研究的思考方式。

二、如何在“面向?qū)ο蟆闭n程中提高計(jì)算思維

如何培養(yǎng)計(jì)算思維是目前計(jì)算機(jī)教育界廣泛關(guān)心的問(wèn)題。例如，現(xiàn)在不僅高等院校開設(shè)計(jì)算機(jī)課程，有些中學(xué)甚至小學(xué)也都有計(jì)算機(jī)課程，學(xué)生從小就接受計(jì)算思維的培養(yǎng)。因此就像數(shù)學(xué)和物理一樣，計(jì)算機(jī)也屬于基礎(chǔ)教育。在大學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)中，程序設(shè)計(jì)課程是一門必修課程，這門課中處處體現(xiàn)了計(jì)算思維。計(jì)算思維就是解決問(wèn)題的一種思維方式，程序設(shè)計(jì)課程中從問(wèn)題求解、數(shù)據(jù)定義、算法編程等地方都是培養(yǎng)計(jì)算思維的重要方式。面向?qū)ο蟮木幊趟枷霃钠渌枷氘a(chǎn)生到其解決問(wèn)題的方式都體現(xiàn)著計(jì)算思維。下面將從三個(gè)方面說(shuō)明如何在該專業(yè)課程中培養(yǎng)計(jì)算思維。

1.從面向?qū)ο笏枷虢嵌扰囵B(yǎng)計(jì)算思維

面向?qū)ο笏枷霃母旧暇褪峭耆嫌?jì)算思維規(guī)律的。計(jì)算思維是大腦思維過(guò)程或功能的計(jì)算模擬方法論。那么從思維角度看，計(jì)算思維注重什么呢？通過(guò)對(duì)人腦思維規(guī)律的認(rèn)識(shí)，從而建立與人腦思維模式比較相似的計(jì)算方法正是計(jì)算思維的核心。軟件開發(fā)從本質(zhì)上講，也是對(duì)問(wèn)題的一種認(rèn)識(shí)并描述的過(guò)程。而面向?qū)ο笏枷氲母揪褪菑娜藗兊娜粘Ｋ季S習(xí)慣入手，將人們的日常表達(dá)方式應(yīng)用到軟件開發(fā)中，直接描述出現(xiàn)實(shí)世界中存在的客觀事物的狀態(tài)。因此面向?qū)ο笏枷胧管浖_發(fā)從過(guò)分專業(yè)化的方式回歸到了客觀世界，是一種返璞歸真的開發(fā)方式?？梢娒嫦?qū)ο笏枷胱裱?jì)算思維的核心，二者是一致的，從開始求解問(wèn)題時(shí)就注重對(duì)人腦思維規(guī)律的認(rèn)識(shí)。它與面向過(guò)程編程有本質(zhì)的區(qū)別，面向過(guò)程是函數(shù)式的編程方式，在學(xué)生一開始接觸面向?qū)ο蠓椒〞r(shí)，就應(yīng)該把這個(gè)區(qū)別和概念清楚地灌輸給學(xué)生，這更有助于計(jì)算思維的形成。所以在學(xué)習(xí)面向?qū)ο笏枷霑r(shí)就是在學(xué)習(xí)計(jì)算思維。

那么什么是面向?qū)ο蟮姆椒?？它首先?duì)同類型的客觀事物進(jìn)行抽象，形成“類”。類中包含有靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)行為，靜態(tài)數(shù)據(jù)主要描述事物的外觀、顏色、形態(tài)等特點(diǎn)；動(dòng)態(tài)行為主要描述事物可以用來(lái)做什么?！邦悺边€設(shè)置了外部接口用來(lái)與外界通信聯(lián)系。但“類”是一個(gè)抽象概念，將“類”具體化就是對(duì)象。這也是面向?qū)ο筮@個(gè)稱呼的由來(lái)。比如，電器類可以包括電視機(jī)、洗衣機(jī)、電冰箱等等電器，其中一臺(tái)具體的洗衣機(jī)就是一個(gè)對(duì)象了，洗衣機(jī)的大小、重量、顏色、形狀等就是它的靜態(tài)數(shù)據(jù)；那么洗衣機(jī)的洗衣服功能就可以看作是它的動(dòng)態(tài)行為；洗衣機(jī)面板上的“洗滌”、“脫水”、“定時(shí)”等按鈕就是外部接口，只有有了這些外部接口，洗衣機(jī)才能與外部聯(lián)系，否則它就成為一個(gè)與世隔絕的黑匣子了。在講授該門課程時(shí)，首先就要把面向?qū)ο蟮母舅枷霛B透給學(xué)生，讓學(xué)生在潛移默化的學(xué)習(xí)過(guò)程中既掌握了軟件開發(fā)方法，也掌握了計(jì)算思維。

2.從抽象概念角度培養(yǎng)計(jì)算思維

計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。抽象，是人類認(rèn)識(shí)問(wèn)題的最基本手段之一。計(jì)算思維中的抽象表現(xiàn)在使用形式化語(yǔ)言和完全使用符號(hào)系統(tǒng)上。一般的程序由標(biāo)識(shí)符、常數(shù)、變量、語(yǔ)句、函數(shù)等組成，其中變量的數(shù)據(jù)類型就是一個(gè)抽象特例?；镜臄?shù)據(jù)類型有整型、浮點(diǎn)型、字符型等。在面向?qū)ο笾杏幸粋€(gè)很重要的數(shù)據(jù)類型，就是“類”，而面向?qū)ο笳Z(yǔ)言也可以看作是“類”的語(yǔ)言。在現(xiàn)實(shí)世界中，“類”是對(duì)一組具有共同的屬性特征和行為特征的對(duì)象的抽象。例如“人類”，每個(gè)人的性格、愛(ài)好、職業(yè)和特長(zhǎng)等各有不同，但是基本特征是相似的，都有相同的生理構(gòu)造，都有名字、性別、年齡、籍貫、身高、體重等等靜態(tài)行為，都能吃飯、說(shuō)話、走路等動(dòng)態(tài)行為，所以抽象出人類這個(gè)統(tǒng)稱。因此“類”就是從現(xiàn)實(shí)中抽象出來(lái)的一種數(shù)據(jù)類型。加強(qiáng)對(duì)“類”設(shè)計(jì)的練習(xí)和訓(xùn)練，可以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。

與數(shù)學(xué)思維相比，計(jì)算思維中的抽象顯得更豐富也更復(fù)雜。周教授指出：“像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維意味著遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止能為計(jì)算機(jī)編程，還要求能夠在抽象的多個(gè)層次上思維?！薄邦悺北旧硎浅橄蟮?，并且“類”還具有繼承性和多態(tài)性?！芭缮焙汀袄^承”是計(jì)算思維的又一種體現(xiàn)，萬(wàn)事萬(wàn)物都是有聯(lián)系的，不存在完全獨(dú)立的個(gè)體，繼承性體現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)世界中事物的聯(lián)系。比如定義了“學(xué)生”這個(gè)父類后，在定義“大學(xué)生”這個(gè)類時(shí)為了避免重復(fù)定義，可以繼承“學(xué)生”類，然后再添加大學(xué)生的一些共同屬性和行為特征。這樣“大學(xué)生”類就具有了學(xué)生的所有特征，并具有自己的個(gè)性特征。多態(tài)性體現(xiàn)的是人腦的正常的邏輯思維，比如可以說(shuō)“大學(xué)生是學(xué)生”，但說(shuō)“學(xué)生是大學(xué)生”就是不正確的。計(jì)算機(jī)把這種人類的正常邏輯應(yīng)用到了面向?qū)ο笏枷胫校褪嵌鄳B(tài)性?？梢娫诿嫦?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中，無(wú)處不體現(xiàn)計(jì)算思維的思想，所以在講授該課程時(shí)，不僅要講出一般的程序設(shè)計(jì)方法，更重要的是把面向?qū)ο蟮乃季S方式灌輸給學(xué)生。學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)課程不是讓學(xué)生照抄程序，關(guān)鍵是讓學(xué)生理解這種編程方式的本質(zhì)，會(huì)自己寫程序，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

3.從邏輯思維角度培養(yǎng)計(jì)算思維

計(jì)算思維體現(xiàn)的是一種形式規(guī)整的思維。算法和程序的基本要求是算法確定性，算法的實(shí)現(xiàn)一定會(huì)使用定義好的符號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題描述和問(wèn)題求解。算法確定性要求算法的每一步操作必須是明確定義的，沒(méi)有任何二義。所以，從算法要求的角度看，計(jì)算思維體現(xiàn)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎季S。算法的確定性要求程序不能出現(xiàn)無(wú)限循環(huán)，要求單入口單出口，尤其不能有二義性。那么二義性是如何產(chǎn)生的，又應(yīng)該如何解決，這是專業(yè)的計(jì)算機(jī)學(xué)生應(yīng)該了解和掌握的。在問(wèn)題的產(chǎn)生和解決過(guò)程中可以更好地培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)密的邏輯思維。在面向?qū)ο笏枷胫?，有幾個(gè)需要注意的二義性問(wèn)題。比如在多重繼承時(shí)，從最遠(yuǎn)父類繼承的成員不能明確其繼承路線，會(huì)產(chǎn)生二義性，從而面向?qū)ο螽a(chǎn)生了虛基類來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。面向?qū)ο笏枷胫械淖饔糜蛳薅ê吞摶惣疤摵瘮?shù)等等方法很好地解決了二義性問(wèn)題。那么在講授二義性問(wèn)題之前，可以首先發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生在調(diào)試程序的過(guò)程中去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題。最難發(fā)現(xiàn)的程序問(wèn)題往往是邏輯性錯(cuò)誤，而不是語(yǔ)法錯(cuò)誤。所以加強(qiáng)計(jì)算思維可以從算法角度入手，加強(qiáng)學(xué)生調(diào)試程序的能力，比如可以在程序中設(shè)置一些邏輯性錯(cuò)誤讓學(xué)生來(lái)調(diào)試，從而提高學(xué)生的邏輯思維能力。

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程中處處體現(xiàn)著計(jì)算思維的思想，教師在講授這門課時(shí)，可以在每一堂課，每一個(gè)細(xì)節(jié)去滲透計(jì)算思維，讓計(jì)算思維融入到生活中，成為解決問(wèn)題的有力工具。

三、結(jié)論

計(jì)算思維的培養(yǎng)是貫穿于整個(gè)教育過(guò)程中的，不是某一門課程的教學(xué)就能解決的問(wèn)題。對(duì)于計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生來(lái)說(shuō)，應(yīng)在各門專業(yè)課中強(qiáng)化計(jì)算思維的培養(yǎng)。目前，關(guān)于改革計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程或計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課程方面的研究頗多，主要是通過(guò)改革教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法等來(lái)突出計(jì)算思維。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程中處處蘊(yùn)含著計(jì)算思維，而討論面向?qū)ο笏枷牒陀?jì)算思維的聯(lián)系方面的研究還很鮮見。本文在研究了面向?qū)ο笏枷氲幕A(chǔ)上，提出可以從3個(gè)方面加強(qiáng)計(jì)算思維，即從面向?qū)ο笏枷氡旧?、抽象概念角度和邏輯思維角度培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，從而使學(xué)生能夠更好地利用計(jì)算思維去處理問(wèn)題和解決問(wèn)題。

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（責(zé)任編輯：宋秀麗）