陳曄 覃曉群

摘 ?要： 我國高校教育的持續(xù)改革，促使計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)已不僅局限于軟件工具的開發(fā)使用，而逐步擴(kuò)展到培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力。圍繞計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，從研究層面闡述了“力網(wǎng)理論”與計(jì)算思維的關(guān)系，分析了計(jì)算思維的內(nèi)涵與外延，提出了大學(xué)生計(jì)算思維能力的培養(yǎng)策略。

關(guān)鍵詞： 力網(wǎng)理論; 計(jì)算思維; 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育; 教育改革

中圖分類號：G4 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1006-8228（2015）07-65-03

Power Network Theory and computational thinking ability training of college students

Chen Ye， Qin Xiaoqun

（Hunan Internation Economic University， College of information science and Engineering， Changsha， Hunan 410205， China）

Abstract： With the development of education reform in colleges and universities， basic computer courses teaching is not limited to develop and use of software tools， but gradually extended to cultivating computational thinking ability of students. This paper from the aspects of research in the "Power Network Theory and computational thinking"， with the analysis of the computational thinking extension， proposed the strategy of cultivation of college students' computational thinking ability.

Key words： Power Network Theory; computational thinking; college computer basic education; reform in education

0 引言

2006年3月，美國周以真（Jeannette M. Wing）教授提出了“計(jì)算思維”一詞后，迅速得到了國際學(xué)術(shù)界的廣泛認(rèn)同和采納，很快成為當(dāng)今國際計(jì)算機(jī)界廣為關(guān)注的一個(gè)重要概念同時(shí)也成為了計(jì)算機(jī)教育重點(diǎn)研究的課題。2010年11月，陳國良院士在第六屆大學(xué)計(jì)算機(jī)課程報(bào)告論壇上所作的報(bào)告中第一次正式提出了將“計(jì)算思維能力培養(yǎng)”作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革切入點(diǎn)的倡議[1]。這一倡議迅速得到了國內(nèi)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育工作者的響應(yīng)，以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力為重點(diǎn)的高教改革在國內(nèi)悄然興起，并收獲了大量研究成果。然而，計(jì)算思維從何而來，它究竟是一種什么樣的思維，它具有什么樣的原理和特征，如何在教學(xué)中培養(yǎng)計(jì)算思維等問題仍然沒有解決[2]。通過學(xué)習(xí)和研究，筆者認(rèn)為，計(jì)算思維是一種創(chuàng)造性思維，通過對學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，旨在培養(yǎng)學(xué)生了解世界，認(rèn)識事物，認(rèn)識自然的能力，從而開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，以期達(dá)到不斷創(chuàng)新的目的。

為了進(jìn)一步理解計(jì)算思維之內(nèi)涵，筆者通過學(xué)習(xí)“力網(wǎng)理論”，系統(tǒng)論，萬有引力定律、馬克思主義哲學(xué)、思維科學(xué)，事物普遍聯(lián)系原理等理論，進(jìn)一步加深了對計(jì)算思維內(nèi)涵及外延的認(rèn)識。本文結(jié)合國情，探討培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力的策略。

1 力網(wǎng)理論與計(jì)算思維

2012年，劉合群在《中國基礎(chǔ)科學(xué)》雜志發(fā)表了“宇宙力網(wǎng)理論的建立——對宇宙、人體、疾病新認(rèn)知”的論文，提出了“萬物俱在網(wǎng)”的新概念。認(rèn)為“存在即力，聯(lián)系即網(wǎng)”。有力就有網(wǎng)，力中有網(wǎng)，網(wǎng)中有力，力與網(wǎng)無法剝離，兩者夾揉渾然一體”。這也就是“力網(wǎng)理論”所闡釋的思想內(nèi)涵[3]。牛頓萬有引力定律認(rèn)為：“任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)通過連心線方向上的力相互吸引。該引力的大小與它們的質(zhì)量乘積成正比，與它們距離的平方成反比，與兩物體的化學(xué)本質(zhì)或物理狀態(tài)以及中介物質(zhì)無關(guān)”。即宇宙及宇宙間存在著萬有引力。從牛頓提出“萬有引力定律”開始，我們就認(rèn)知到：事物只要存在，在客觀上力的作用就已經(jīng)發(fā)生了。力雖然無形，但它卻在無形中作用著整個(gè)宇宙[3]。

用力網(wǎng)理論研究計(jì)算思維：計(jì)算即力，思維即網(wǎng)。計(jì)算不僅是數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)技能，而且是整個(gè)自然科學(xué)的工具。其廣義的計(jì)算包括數(shù)學(xué)計(jì)算，邏輯推理，文法的產(chǎn)生式，集合論的函數(shù)，組合數(shù)學(xué)的置換，變量代換，圖形圖像的變換，數(shù)理統(tǒng)計(jì)等，還包括人工智能，問題求解，圖論的路徑問題，網(wǎng)絡(luò)安全，代數(shù)系統(tǒng)理論，上下文表示感知與推理，智能空間等，甚至包括數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟件程序設(shè)計(jì)，機(jī)器人設(shè)計(jì)，建筑設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)問題。計(jì)算既是人類適應(yīng)自然、征服自然的基本技能，更是改造自然、促進(jìn)社會發(fā)展的一種科學(xué)工具。然而，無論何種計(jì)算都存在著力，產(chǎn)生這種計(jì)算的思維就存在著網(wǎng)，這張思維的網(wǎng)聯(lián)系著計(jì)算的每一環(huán)節(jié)，滲透到計(jì)算的每個(gè)部署，使每一計(jì)算過程，每種計(jì)算方法環(huán)環(huán)相扣，步步相連，融會貫通。宇宙間的任何一種計(jì)算及其產(chǎn)生計(jì)算的思維之間都發(fā)生著聯(lián)系，這種聯(lián)系即構(gòu)成了網(wǎng)。有計(jì)算就有思維，有力就有網(wǎng)，力中有網(wǎng)，網(wǎng)中有力，力網(wǎng)共生又共存，彼此無法分割。計(jì)算是一種技能、工具，是一種工作方式，稱力。思維是人體腦細(xì)胞對客觀現(xiàn)實(shí)所產(chǎn)生直接和間接的反映，它反映的是事物的本質(zhì)和事物間規(guī)律性的聯(lián)系，稱網(wǎng)。計(jì)算思維也是一種力網(wǎng)關(guān)系。因此，計(jì)算思維可以用力網(wǎng)理論進(jìn)行分析、研究。

2 計(jì)算思維的內(nèi)涵外延

有關(guān)計(jì)算思維的定義云云種種：計(jì)算思維是計(jì)算機(jī)、軟件及計(jì)算機(jī)相關(guān)科學(xué)中的科學(xué)家和工程技術(shù)人員的思維模式;是運(yùn)用計(jì)算科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解，系統(tǒng)設(shè)計(jì)及人類行為理解等函蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動[1]。狹義的計(jì)算思維是指計(jì)算學(xué)科之計(jì)算思維，以面向計(jì)算機(jī)專業(yè)人群的生產(chǎn)、生活等活動為主。泛泛地講，狹義的計(jì)算思維是基于“計(jì)算機(jī)”，以及以計(jì)算機(jī)為核心的系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、利用活動中所需要的一種適應(yīng)計(jì)算機(jī)自動計(jì)算的“思維方式”，使人機(jī)的功能在互補(bǔ)中得到大力提升。從這個(gè)意義上講，計(jì)算機(jī)相關(guān)的很多“東西”都可以被“計(jì)算思維”一詞涵蓋[4]。周以真教授認(rèn)為計(jì)算思維“是一個(gè)明確問題和制定解決方案的思維過程，由此解決方案就可以表示為能夠被信息處理代理有效執(zhí)行的形式”[5]。

2.1 計(jì)算思維是人類的一種本能

思維是自然界動物的一種基本功能，也是人類受大腦支配的一種特有的高級精神活動。其工作模式是對信息進(jìn)行的能動操作，如采集、傳遞、存儲、提取、刪除、對比、篩選、判別、排列、分類、變相、 轉(zhuǎn)形、整合、表達(dá)等。按馬克思主義哲學(xué)的觀點(diǎn)，思維主體主要指人，思維客體指主體思維的對象，包括人自己。思維的過程就是在表象、概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、綜合、判斷、推理等認(rèn)識活動的過程。科學(xué)思維分為理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維三大類。計(jì)算思維又稱結(jié)構(gòu)思維，是一種思維模式。計(jì)算思維無處不在，當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動的整體時(shí)，它作為一個(gè)問題解決的有效工具，人人都應(yīng)掌握，處處都會被使用[6]。因此，筆者認(rèn)為，從人類發(fā)展的視角來看，計(jì)算思維不能僅局限于計(jì)算學(xué)科及計(jì)算機(jī)相關(guān)活動，而應(yīng)擴(kuò)展為人類在自然界生存和發(fā)展過程中不斷產(chǎn)生的一種重要的思維模式，是推動社會發(fā)展的一種重要的科學(xué)思維。

2.2 力網(wǎng)理論中的計(jì)算思維

戰(zhàn)德臣教授等人用“計(jì)算之樹”來表述計(jì)算思維的一種多維度觀察框架[1]。將“0和1”、“程序”、“遞歸”三大核心思維喻為計(jì)算之樹的根。計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是以0和1為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)的。0和1兩個(gè)簡單的自然數(shù)就是“力”，兩者之間構(gòu)成千變?nèi)f化的關(guān)聯(lián)就是“網(wǎng)”。力中有網(wǎng)，網(wǎng)中有力，二者緊密相連，組成一個(gè)“理論單元”。以此類推，“程序”、“遞歸”也分別組成各種 “理論單元”。這三大核心思維的“理論單元”通過力網(wǎng)的作用，緊密相連組成計(jì)算機(jī)之樹的根。根、干、枝、葉連接在一起，就構(gòu)成了計(jì)算思維多維度框架的“計(jì)算之樹”。這種“力網(wǎng)”之間的聯(lián)系形成了一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的奠基性思維，發(fā)展成了基本的計(jì)算機(jī)原理。

3 計(jì)算思維的培養(yǎng)策略

3.1 用馬克思主義哲學(xué)思想培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維

馬克思主義哲學(xué)包括辯證唯物主義，歷史唯物主義，唯物辯證主義，其中又包括唯物論、實(shí)踐的觀點(diǎn)、聯(lián)系的觀點(diǎn)、發(fā)展的觀點(diǎn)、矛盾的觀點(diǎn)、認(rèn)識論等內(nèi)容。辯證唯物主義認(rèn)識論是以實(shí)踐的觀點(diǎn)為首要的基本觀點(diǎn)，把辯證法應(yīng)用于考察認(rèn)識過程，科學(xué)地揭示了認(rèn)識的基礎(chǔ)、本質(zhì)和發(fā)展規(guī)律。我們用馬克思主義哲學(xué)思想培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識事物，分析事物，處理事物及解決問題的能力。用馬克思主義哲學(xué)思想指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用、創(chuàng)新計(jì)算思維。我們學(xué)習(xí)錢學(xué)森近30年來的著作時(shí)不難看到，對于科學(xué)研究中的新觀點(diǎn)、新說法，他總喜歡問一問：是否符合馬克思主義哲學(xué)？學(xué)習(xí)馬克思主義哲學(xué)可以使我們正確地看待自然、社會與人生的變化與發(fā)展，用睿智的眼光看待生活與實(shí)踐，正確看待社會進(jìn)步與個(gè)人發(fā)展，樹立正確的世界觀，人生觀和價(jià)值觀，從而為生活和實(shí)踐提供更加積極有意義的指導(dǎo)，對我們的生活和學(xué)習(xí)有很大的益處。

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)是培養(yǎng)大學(xué)生計(jì)算思維能力的重要課程載體。教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會提出了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)要培養(yǎng)對計(jì)算機(jī)的認(rèn)知能力、利用計(jì)算機(jī)解決問題能力、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同能力和信息社會終身學(xué)習(xí)能力。這四個(gè)方面能力的培養(yǎng)，恰恰說明了計(jì)算思維能力培養(yǎng)的核心要素[8]，也進(jìn)一步明確了加強(qiáng)對馬克思主義哲學(xué)思想學(xué)習(xí)的重要性。

3.2 用豐富的想象力培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維

愛因斯坦說：“想象力比知識更重要，因?yàn)橹R是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進(jìn)步，并且是知識的源泉。嚴(yán)格地說想象力是科學(xué)研究中的實(shí)在因素”。大學(xué)生具有一定的知識功底，具有極其豐富的想象力和較好的思維能力。因勢利導(dǎo)開發(fā)學(xué)生的想像力，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維尤顯重要。想像力應(yīng)用到實(shí)際中去的多少，也是評價(jià)一個(gè)人能力高低的一個(gè)重要標(biāo)志。世界上凡是具有創(chuàng)造力的活動，都是想象的結(jié)晶。沒有想象，人類就沒有預(yù)見，也就沒有發(fā)明創(chuàng)造，沒有藝術(shù)創(chuàng)作。人類在實(shí)踐生活中，會不斷遇到新的問題，產(chǎn)生新的需要，而想象是解決這些問題和適應(yīng)這些需要的非常必要的條件。人類的一切實(shí)踐都離不開想象。高爾基說：“想象，在其本質(zhì)上也是關(guān)于世界的思維，但主要是用形象來思想，是藝術(shù)的思維”。人的想象力決定著人的智慧，決定人的創(chuàng)作，但人的想象力不穩(wěn)定，可隨環(huán)境、條件改變而改變。想象力有遺傳因素，更與后天學(xué)習(xí)、實(shí)踐因素有直接關(guān)聯(lián)。計(jì)算之樹給出了計(jì)算思維一個(gè)框架，也就是說給出了計(jì)算思維一個(gè)知識空間，有待我們充分激發(fā)出學(xué)生的豐富想象，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，在生活實(shí)踐中不斷地發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，推動人類歷史的發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步。

3.3 用創(chuàng)新意識培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維

西安交通大學(xué)于2010年7月舉辦了首屆“九校聯(lián)盟（C9）計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程研討會”，旗幟鮮明地把計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的核心任務(wù)，并明確指出建立計(jì)算思維是培養(yǎng)復(fù)合型創(chuàng)新人才的重要內(nèi)容[9]。我們培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力就是要求學(xué)生利用現(xiàn)有的知識和認(rèn)知能力，在學(xué)習(xí)和生活環(huán)境中，不斷改進(jìn)或創(chuàng)造新的事物，解決新的問題，得到新的收獲。計(jì)算思維對各學(xué)科學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，尤其是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)都是十分有益的。如：“0和1”、“程序”有助于學(xué)生形成研究和應(yīng)用自動化手段求解問題的思維模式?！安⑿蟹植加?jì)算”和“云計(jì)算”有助于學(xué)生形成現(xiàn)實(shí)空間與虛擬空間、并行分布虛擬解決社會自然問題的新型思維模式。“數(shù)據(jù)化”和“網(wǎng)絡(luò)化”有助于學(xué)生形成數(shù)據(jù)聚集與分析、網(wǎng)絡(luò)化獲取數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)的新型思維模式[1]。培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維就是要傳授、挖掘、培養(yǎng)這樣的思維，使學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)和工作中不斷創(chuàng)造新的思維，實(shí)現(xiàn)新的思維。

3.4 從實(shí)際需要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維

美國管理學(xué)家、統(tǒng)計(jì)學(xué)家愛德華·戴明說：“除了上帝，任何人都必須用數(shù)據(jù)說話”。面對大數(shù)據(jù)時(shí)代，技能訓(xùn)練，讓學(xué)生學(xué)會數(shù)據(jù)處理;能力培養(yǎng)，讓學(xué)生學(xué)會更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，充分體現(xiàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值;思維養(yǎng)成，讓學(xué)生學(xué)會在數(shù)據(jù)處理中所體現(xiàn)的計(jì)算思維能力，在工作中能夠靈活應(yīng)用，敢于思考、敢于創(chuàng)新[10]。周以真教授指出，計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家。我們應(yīng)當(dāng)使每個(gè)孩子在培養(yǎng)解析能力時(shí)不僅掌握閱讀、寫作和算術(shù)（Reading，wRiting，and aRithmetic—3R），還要學(xué)會計(jì)算思維，猶如印刷出版促進(jìn)3R的普及，計(jì)算和計(jì)算機(jī)也以類似的正反饋促進(jìn)了計(jì)算思維的傳播[2].。計(jì)算思維無處不在，無時(shí)不存，只是人們尚未完全認(rèn)知，未對其進(jìn)一步分析、整理、應(yīng)用。隨著人們對計(jì)算思維的認(rèn)知度逐步提高，計(jì)算技術(shù)與其他學(xué)科的廣泛結(jié)合，極大地推動了生產(chǎn)力的發(fā)展，促進(jìn)了社會的進(jìn)步。如醫(yī)學(xué)的CT技術(shù)，即是X射線技術(shù)與計(jì)算技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新，其理論的首創(chuàng)者和器械的首創(chuàng)者共同獲得了1979年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎;“數(shù)字骨科”反映了數(shù)字化技術(shù)在骨科的應(yīng)用與研究方面的最新學(xué)術(shù)成果;3D技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)工程的應(yīng)用等。

從計(jì)算金融學(xué)到電子貿(mào)易，電子商務(wù)乃至大型商場，計(jì)算思維已經(jīng)滲透到整個(gè)經(jīng)濟(jì)、商務(wù)領(lǐng)域。如某大型超市購物車的使用管理，最初是由顧客隨意使用，用完后顧客常常將購物車隨意擺放。為此，商場必須在四個(gè)出口分別安排2人負(fù)責(zé)購物車管理。年管理費(fèi)用約24萬元。商場管理人員采取了“押金式”規(guī)范管理措施：即顧客用1元硬幣打開購物車鑰匙即可使用。用后必須將購物車送回指定位置才能退回1元硬幣。通過這一管理措施后，商場只需前期在購物車上安裝押金鎖，花少許費(fèi)用。后期花少量維護(hù)費(fèi)用就行了。這樣減少了大量人力成本，獲得了很好的效益。

計(jì)算思維在各個(gè)學(xué)科的研究、創(chuàng)新和應(yīng)用推動著各個(gè)行業(yè)不斷發(fā)展。各種傳感器技術(shù)的發(fā)展推動著工業(yè)、汽車制造業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)在技術(shù)的革新、計(jì)算思維的發(fā)展已經(jīng)超越了行業(yè)的限制。最近比較流行的物聯(lián)網(wǎng)，就是指物物相連、利用各種傳感器技術(shù)、借助移動網(wǎng)絡(luò)可以采集如蔬菜等信息，從而實(shí)現(xiàn)智能澆水、施肥。在未來已經(jīng)說不清楚是計(jì)算機(jī)思維還是計(jì)算思維在影響著人類的發(fā)展。但是各學(xué)科、各行業(yè)的發(fā)展肯定需要人才來研究和發(fā)展，未來是計(jì)算機(jī)人才引導(dǎo)社會向前發(fā)展[11]。高性能計(jì)算、普適計(jì)算、云計(jì)算、服務(wù)計(jì)算、智能計(jì)算以及生物計(jì)算的快速發(fā)展，歐盟的科學(xué)研究框架中提出的“未來互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)，IBM提出的“智慧地球”技術(shù)等為人類計(jì)算思維的發(fā)展指明了方向。

4 結(jié)論

計(jì)算思維能力的培養(yǎng)是大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的一項(xiàng)重要內(nèi)容。隨著教改的不斷深入，教育學(xué)家對大學(xué)教育改革的思路已逐漸明朗：計(jì)算思維、理論思維和實(shí)驗(yàn)思維三種思維互為補(bǔ)充，是所有大學(xué)生應(yīng)掌握的基本思維，也是我們大學(xué)基礎(chǔ)教育的一項(xiàng)長期而艱巨的教學(xué)任務(wù)。計(jì)算思維既然與人們的工作和生活如此密切相關(guān)，理所當(dāng)然地應(yīng)當(dāng)成為人類不可或缺的一種生存能力[12]。因此，筆者認(rèn)為，大學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，應(yīng)該與馬克思主義哲學(xué)思想的培養(yǎng)，與力網(wǎng)理論、系統(tǒng)論、萬有引力定律、事物普遍聯(lián)系原理等理論的學(xué)習(xí)相結(jié)合，與工作、生活實(shí)踐相結(jié)合，與社會的發(fā)展、進(jìn)步相適應(yīng)，培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的人生觀、價(jià)值觀，以期不斷提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

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