劉貴松 ,房秀芬 ,陳文宇

(電子科技大學(xué) a.計算機科學(xué)與工程學(xué)院；b.數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，成都 611731)

·課程教學(xué)改革·

基于計算思維能力培養(yǎng)的計算機圖形學(xué)知識體系

劉貴松a,房秀芬b,陳文宇a

(電子科技大學(xué) a.計算機科學(xué)與工程學(xué)院；b.數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，成都 611731)

近年來，如何在計算機相關(guān)課程中貫徹計算思維能力的培養(yǎng)已經(jīng)成為計算機教育界的研討熱點。文中結(jié)合大學(xué)計算機課程教學(xué)指導(dǎo)委員會的研究工作，闡述了計算思維的內(nèi)涵、外延及體系框架。結(jié)合電子科技大學(xué)計算機圖形學(xué)課程的教學(xué)實踐，分析了該課程的知識點，給出了課程知識體系與計算思維能力培養(yǎng)核心概念的對應(yīng)關(guān)系。同時，給出了后續(xù)課程設(shè)計的參考案例點。

計算思維；計算機圖形學(xué)；知識體系；課程設(shè)計

1 計算思維相關(guān)概念

科學(xué)思維的訓(xùn)練在人才培養(yǎng)中意義重大?？茖W(xué)思維包括了以推理和演繹為特征的理論思維、以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征的實驗思維以及以設(shè)計和構(gòu)造為特征的計算思維(computational thinking)[1]。計算思維是美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任周以真(Jeannette M. Wing)教授于2006年在美國計算機權(quán)威期刊《Communications of the ACM》上提出并定義。周教授認為，計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計算思維提供了理解物理、社會以及其他現(xiàn)象的一個新視角，指出了解決問題的一種新途徑，強調(diào)了創(chuàng)造知識而非使用信息，從而提高人們的創(chuàng)造和創(chuàng)新能力[2]。

計算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個困難的問題重新闡釋成一個人們知道怎樣解決的問題。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。計算思維是一種采用抽象和分解來控制龐雜的任務(wù)或進行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計的方法，是一種基于關(guān)注點分離的方法。計算思維是一種選擇合適的方式來陳述一個問題，或?qū)σ粋€問題的相關(guān)方面建模并使其易于處理的思維方法。計算思維是按照預(yù)防、保護及通過冗余、容錯和糾錯方式，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，也即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)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。計算思維的這些基礎(chǔ)概念可用外延的形式給出，比如約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、遞歸、并行、抽象、分解、建模、預(yù)防、保護、恢復(fù)、冗余、容錯、糾錯、啟發(fā)式推理、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、調(diào)度等[3]。

2 計算思維的表達體系框架

如何進行計算思維能力的訓(xùn)練？通常來說，計算思維能力培養(yǎng)是以計算機學(xué)科為代表的。在計算機教育最為先進的美國，科學(xué)基金會(NSF)2007年就啟動了“大學(xué)計算教育振興的途徑”(CPATH)計劃，投入巨資進行美國計算教育的改革。經(jīng)過2007年和2008年的資助和項目實踐，CPATH計劃相關(guān)工作者認識到計算思維在計劃中所起的重要作用，對在2009年申報的項目中提出了更為具體的以計算思維為核心的課程改革。2008年，美國NSF還啟動了一個涉及所有學(xué)科的、以計算思維為核心的重大基礎(chǔ)研究計劃——“計算使能的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新”(CDI)，進一步將計算思維的培育擴展到美國的各個研究領(lǐng)域。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)眾多“985工程”“211工程”高校的專家學(xué)者已經(jīng)達成共識，即以計算思維能力培養(yǎng)作為計算機基礎(chǔ)課程的改革方向，對有效提升大學(xué)生的科學(xué)思維能力，培養(yǎng)創(chuàng)新人才有著積極意義，雖然這其中還有很多問題需要深入研究。

ACM和IEEE聯(lián)合制定的CC1991給出了計算機科學(xué)領(lǐng)域的12個核心概念：綁定、大問題的復(fù)雜性、概念模型和形式模型、一致性和完備性、效率、演化、抽象層次、按空間排序、按時間排序、重用、安全性、折中與結(jié)論。ACM前主席Denning教授系統(tǒng)地總結(jié)了計算的7類原理，包括計算、通信、協(xié)作、記憶、自動化、評估和設(shè)計7個類別[4]。

教育部大學(xué)計算機課程教學(xué)指導(dǎo)委員會在教育部相關(guān)項目的支持下，經(jīng)過充分討論和研究，通過分類的“核心概念”方法構(gòu)建了計算思維的表述體系，見表1。

表1 計算思維表述體系框架

同時，教育部也提出了“普及計算機文化，培養(yǎng)專業(yè)應(yīng)用能力，訓(xùn)練計算思維能力”的大學(xué)計算機課程教學(xué)改革的總體目標要求。包括：了解信息技術(shù)應(yīng)用對人們生活、工作、學(xué)習(xí)方式所帶來的變化和對經(jīng)濟社會發(fā)展所做出的巨大貢獻；了解信息技術(shù)如何與自然科學(xué)、工程技術(shù)、人文社科相互滲透、交叉融合，促進各個學(xué)科的發(fā)展；掌握基本的信息技術(shù)應(yīng)用能力；理解和掌握計算科學(xué)的基本知識和基本方法；掌握利用計算思維和計算工具解決專業(yè)領(lǐng)域問題的思路和做法[5]。這些研究成果為以計算思維為切入點進行計算機相關(guān)課程改革提供了有益的參考和指導(dǎo)。

3 計算機圖形學(xué)課程對應(yīng)知識體系及案例

總結(jié)表1中的計算思維表述的體系框架，在八個核心概念中，以“計算”概念為核心，其他概念以“計算”為中心并服務(wù)于“計算”。圍繞這些核心概念，充分理解其內(nèi)涵和外延，結(jié)合我們多年計算機圖形學(xué)課程的教學(xué)實踐，給出了該課程的知識體系及其和計算思維核心概念的對應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了相關(guān)教學(xué)案例的參考點，見表2。

表2 計算機圖形學(xué)課程知識點與計算思維核心概念對應(yīng)關(guān)系

通過梳理不難發(fā)現(xiàn)，在計算機圖形學(xué)課程中，我們必須特別關(guān)注計算思維中“計算”與“自動化”兩個核心概念。很顯然這是由課程的重點講解內(nèi)容所決定的。思考計算思維的概念重點，不同計算機類課程改革的關(guān)注重點亦不相同，比如，軟件工程課程以“設(shè)計”作為重點，多媒體技術(shù)課程以“通信”為重點，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)課程以“記憶”“協(xié)同”與“設(shè)計”為重點，而計算機組成原理課程以“協(xié)同”與“記憶”為重點。這也是相關(guān)課程改革必須關(guān)注的核心。

4 結(jié)束語

結(jié)合計算機圖形學(xué)課程的教學(xué)實踐，我們給出了與計算思維對應(yīng)的課程知識體系及教學(xué)案例初步設(shè)計。今后將圍繞表2給出的對應(yīng)關(guān)系做進一步的研究和梳理，盡快完成對應(yīng)的課程案例設(shè)計，并應(yīng)用到實際教學(xué)中，加強學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。

[1] 李廉. 計算思維——概念與挑戰(zhàn)[J]. 中國大學(xué)教學(xué)，2012(1): 7-12.

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

[3] 陳國良，董榮勝. 計算思維與大學(xué)計算機基礎(chǔ)教育[J]. 中國大學(xué)教學(xué), 2011(1):7-11.

[4] Peter J Denning. Great principles of computing[J]. Communications of the ACM, 2003, 46(11)：15-20.

[5] 劉貴松,李茂國. 大學(xué)計算機系列課程改革思考[J]. 中國大學(xué)教學(xué), 2012(11)：39-41.

Knowledge Hierarchy of Computer Graphics Aiming to Train Computational Thinking Ability

LIU Guisonga, FANG Xiufenb, CHEN Wenyua

(a. School of Computer Science and Engineering; b. School of Mathematical Sciences， University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

In recent years, how to enhance the ability of computational thinking in computer-related courses has become a hot research topic. Combined with the relative research work by the college computer teaching committee of the Education Ministry, this paper introduces the conceptions and hierarchy framework of computational thinking. Meanwhile, the knowledge hierarchy of computer graphics with its relationship to the core conceptions of computational thinking is also presented in detail. Then, some teaching reference samples about the course design are also given.

computational thinking; computer graphics; knowledge hierarchy; course design

2015-01-19

電子科技大學(xué)教改基金資助項目(2013XJYEL017)。

劉貴松(1973-),男,博士,副教授,主要從事計算智能、數(shù)據(jù)挖掘的研究與教學(xué)工作。

G642.0；TP391;TP3-05

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.053