閻紅燦，張淑芬，付景紅

(河北聯(lián)合大學理學院，河北唐山063009)

計算機基礎(chǔ)教學在我國高等教育中已有30多年的發(fā)展歷史，已經(jīng)成為我國高等教育的必然組成部分，在學生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面發(fā)揮著重要作用。美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(PITAC)2005年6月給美國總統(tǒng)提交的報告《計算科學:確保美國競爭力》認為:21世紀科學上最重要的、經(jīng)濟上最有前途的前沿研究都有可能通過先進的計算技術(shù)和計算科學而得到解決。雖然這個論述中用的是“都有可能”，但我們?nèi)钥梢钥闯鰹槠渌麑W科培養(yǎng)掌握先進計算技術(shù)的大學計算機基礎(chǔ)課程是何等重要。

傳統(tǒng)的計算機教育經(jīng)歷了“計算機文化”和“計算機工具”兩個時期，到現(xiàn)在的信息技術(shù)教育，是將其視為“文化”還是“工具”，仁者見仁智者見智。2007年美國科學基金會(NSF)啟動了“大學計算教育振興的途徑”(CISE Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education，CPATH)計劃，并提出了以“計算思維”為核心的課程改革。2010年7月，在西安交通大學舉辦了首屆九校聯(lián)盟C9計算機基礎(chǔ)課程研討會，發(fā)布了《九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎(chǔ)教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》［1］，旗幟鮮明地提出把“計算思維能力的培養(yǎng)”作為計算機基礎(chǔ)教學的核心任務(wù)，同時倡導(dǎo)高等學校應(yīng)加強以計算思維能力培養(yǎng)為核心的計算機基礎(chǔ)教學課程體系和教學內(nèi)容的研究。

筆者認為，培養(yǎng)大學生計算思維的教學理念正是計算機基礎(chǔ)教學中“工具論”和“文化觀”的有機融合。計算機基礎(chǔ)教學不只是教授學生怎么使用計算機或進行程序設(shè)計，更承擔著培養(yǎng)大學生綜合素質(zhì)與能力的重任。大學生學習計算機基礎(chǔ)課程，不僅要了解計算機是什么，計算機能夠做什么、如何做，而且還要知道這個學科領(lǐng)域解決問題的基本方法與特點，即學習這個學科領(lǐng)域解決問題的基本思維方法。計算機作為通識教育的重要內(nèi)容，不只是簡單地拓展學生在計算機方面的知識面，更需要展現(xiàn)計算機學科的思維方式。

一、計算思維的核心蘊涵了“工具”和“文化”

美國卡內(nèi)基·梅隆大學周以真(Jeannette M．Wing)教授認為，計算思維［2］(Computational Thinking)是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為;計算思維的本質(zhì)是抽象(Abstraction)和自動化(Automation)。如同所有人都具備“讀、寫、算”(簡稱3R)能力一樣，計算思維是必須具備的思維能力。

計算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個困難的問題闡釋為如何求解它的思維方法。計算思維的本質(zhì)和核心不僅僅是計算機科學的技術(shù)-工具，更重要的是對未知世界的思考方式-文化，正如《計算思維與計算文化》［3］中所言“可在兩個層面上思考:一是基本和哲學的;二是需求和現(xiàn)實的。”

(一)計算思維的“工具論”

周以真教授認為，計算思維是21世紀中葉每一個人都要用的基本工具，它將會像數(shù)學和物理那樣成為人類學習知識和應(yīng)用知識的基本組成和基本技能［4］。陳國良教授認為，當計算思維真正融入人類活動的整體時，它作為一個問題解決的有效工具，人人都應(yīng)當掌握，處處都會被使用［5］。徐志偉教授認為，計算思維是無處不在的，提供了理解世界的智力工具，在人類社會中具有永久的價值［6］。顯然，這將促進實現(xiàn)周教授提出的目標:“一個人可以主修計算機科學，接著從事醫(yī)學、法律、商業(yè)和政治，以及任何類型的科學和工程，甚至是藝術(shù)工作。”而且，還會如她所指出的那樣:“當我們行動起來去改變這一領(lǐng)域的社會形象時，計算思維就是一個引導(dǎo)著計算機教育家、研究者和實踐者的宏大愿景。”

(二)計算思維的“文化觀”

像計算機科學家那樣去思維意味著遠遠不止能為計算機編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思維。計算機科學不只是關(guān)于計算機，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)于麥克風一樣。計算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計算機那樣地思考。計算機枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力，是人類賦予計算機激情。

著名的計算機科學家、1972年圖靈獎得主艾茲格·迪杰斯特拉說過的一句話:“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力。”“思維方式”和“思維習慣”是如何形成的?文化使然，是一種普遍的認識。

計算思維已經(jīng)滲透到我們每個人的生活之中，諸如現(xiàn)實生活中“硬件不硬，軟件不軟”、“你的CPU休眠”等語言和“算法”等詞匯已成為每個人日常語言的一部分，對“非確定論”和“垃圾收集”這些詞的理解會和計算機科學里的含義驅(qū)近，而樹已常常被倒過來畫了。人們潛移默化的用計算思維的方式來認識世界和理解世界，并應(yīng)用其改造世界，已經(jīng)是我們身邊的一種計算機文化了。

二、計算機基礎(chǔ)教育的目標體現(xiàn)了計算思維的培養(yǎng)

教育部高等學校計算機基礎(chǔ)課程教學指導(dǎo)委員會提出了大學計算機基礎(chǔ)教學四個方面的能力培養(yǎng)目標［7］:

(1)對計算機的認知能力。掌握計算機、網(wǎng)絡(luò)及其他相關(guān)信息技術(shù)的基本知識和原理;理解計算機分析、解決問題的基本方法;具備在實際應(yīng)用中綜合應(yīng)用這些知識的能力，具有判斷和選擇計算機工具與方法的能力。

(2)應(yīng)用計算機解決問題的能力。能有效地掌握并應(yīng)用計算機工具、技術(shù)和方法，解決專業(yè)領(lǐng)域中的問題。

(3)基于網(wǎng)絡(luò)的學習能力。熟練掌握與運用計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠有效地對信息進行獲取、分析、評價和吸收。

(4)依托信息技術(shù)的共處能力。掌握與運用計算機與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠有效地表達思想，彼此傳播信息、溝通知識和經(jīng)驗;掌握基于信息技術(shù)的團隊協(xié)作方式;充分認識互聯(lián)網(wǎng)的參與性、廣泛性和自律性，自覺遵循并接受信息社會道德規(guī)范的約束，并自覺承擔相應(yīng)的社會責任。

計算思維是一種遞歸思維，它是并行處理，是選擇合適的方式去陳述一個問題，或者是選擇合適的方式對一個問題的相關(guān)方面建模使其易于處理。可能包括(但不僅這些)如下的概念:規(guī)約、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、遞歸、并行、抽象、分解、保護、冗余、容錯、糾錯、系統(tǒng)恢復(fù)、啟發(fā)式、規(guī)劃、學習、調(diào)度、折中，優(yōu)化等等［4］。

從上述四個目標中可以看出，計算機教學的主體內(nèi)容和教學目標都體現(xiàn)了計算思維的內(nèi)容和技巧，通過一堂一堂課程的具體講授被學生所接受，并逐漸內(nèi)化為學生的思維方法?？梢姡髮W計算機基礎(chǔ)教育是學生計算思維培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

三、大學生計算思維能力培養(yǎng)的教學實踐

過去我們總是說，學生學習數(shù)學課程、物理課程并不是要成為數(shù)學家或者物理學家，而是通過這些課程的訓(xùn)練養(yǎng)成科學思維的素質(zhì)和能力，現(xiàn)在這種認識也同樣適用于計算機課程。計算思維這個概念在近期如此鮮明提出來，就是將計算機課程對于大學生科學思維能力培養(yǎng)的重要性放在了前所未有的高度。如果從人類思維的三個組成部分—實證思維、邏輯思維和計算思維的角度來考慮，那么計算機課程將會成為等同于數(shù)學課程、物理課程一樣重要的課程。計算機課程不是培養(yǎng)計算思維唯一的課程，但卻是最好的課程，這是從計算思維角度對于計算機課程重要性的新觀點［8］。

計算思維不僅僅是解決問題的有效工具和方法，更是人類知識積累和傳承的模式和規(guī)范，這種能力不是短時間內(nèi)通過單一學習就能形成的，要通過計算思維概念的學習、綜合素質(zhì)的培養(yǎng)、實踐的凝練和升華循序漸進造就而成。作為大學教育工作者，首先要做好計算思維的基礎(chǔ)培養(yǎng)，營造計算文化的氛圍，為大學生將來的計算思維的提升打下堅實基礎(chǔ)。

(一)信息素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是前提

我們是地方綜合性院校，計算機基礎(chǔ)教學的目標依然是計算機應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，通過“工具”化的學習計算機基礎(chǔ)概念、辦公軟件、網(wǎng)絡(luò)及計算機編程，提高學生信息素養(yǎng)，為解決專業(yè)領(lǐng)域問題提供有效方法和手段。通過學習，學生具有了判斷和選擇計算機工具和方法的能力;知曉了有效獲取和分析信息的途徑;掌握了表達思想，溝通知識和經(jīng)驗的方法;具備了綜合運用所學知識解決實際難題的創(chuàng)新能力，從而潛移默化地為計算思維的形成奠定了基礎(chǔ)。

(二)計算文化和計算思維的凝練是升華

在教學中不僅僅是工具的教化，更注重文化的陶冶。早期大學計算機課程“計算機文化基礎(chǔ)”中的“文化”含義非常深刻，一是蘊涵著“普及”，無處不在;一是代表了一種思維方式，人為精神層面的東西。所以周教授認為“當計算思維真正融人人類活動的整體以致不再是一種顯式哲學的時候，它就將成為現(xiàn)實?！睂脮r計算思維也就必然是計算文化了［3］。

計算思維是隱藏在能力培養(yǎng)內(nèi)容中的，在教學中，要明明白白地將知識中蘊涵的道理講出來。原來的“工具論”可能知其然就可以了，但是“文化觀”要求其背后的深層的規(guī)律挖掘出來，讓學生在實踐中“悟”，久而久之，計算思維的認識就在學習和實踐中凝練、逐步提升。

計算思維是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法;計算思維是按照預(yù)防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法;計算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答，即在不確定情況下的規(guī)劃、學習和調(diào)度的思維方法;計算思維是利用海量數(shù)據(jù)來加快計算，在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行折中的思維方法。這些便是我們在計算機教學中應(yīng)該給同學們“悟出”的道理，所以我們開設(shè)計算機編程課程目的不是培養(yǎng)程序員，而是培養(yǎng)學生的計算思維能力。

［1］ 九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎(chǔ)教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明［J］．中國大學教學，2010(9)．

［2］ Jeannette M．Wing．Computational Thinking［J］．Communications of the ACM，2006，49(3):33-35．

［3］ 王飛躍．計算思維與計算文化［N］．科學時報，2007-10-12．

［4］ Jeannette M．Wing．Computational Thinking and Thinking about Computing［EB/OL］．2008．

［5］ 陳國良，董榮勝．計算思維與大學計算機基礎(chǔ)教育［J］．中國大學教學，2011(1)．

［6］ Xu ZW，Tu DD．Three new concepts of future computer science［J］．Journal of Computer Science and Technology，2011，26(4):616-624．

［7］ 何欽銘，陸漢權(quán)，馮博琴．計算機基礎(chǔ)教學的核心任務(wù)是計算思維能力的培養(yǎng)．中國大學教學，2010(9)．

［8］ 李廉．計算思維—概念與挑戰(zhàn)．中國大學教學，2012(1)．