張廣兵

（西南科技大學(xué) 計算機學(xué)院，四川 綿陽 621010）

0 引 言

計算思維已是當下計算機科學(xué)領(lǐng)域的熱門概念之一，相關(guān)學(xué)者將計算思維與“讀、寫、算”并列，并將其作為現(xiàn)代社會人們的必備素質(zhì)之一，計算機科學(xué)專家、學(xué)者、教師等大力倡導(dǎo)，著力培養(yǎng)計算機專業(yè)學(xué)生的計算思維。隨著計算思維方面理論研究與實踐探索的深入，計算思維的培養(yǎng)已從計算機專業(yè)課程拓展到非計算機專業(yè)的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程，呼吁計算思維進入中小學(xué)信息技術(shù)教育的聲音也迅速涌現(xiàn)。當下，一方面計算思維進入大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程和中小學(xué)信息技術(shù)教育呈必行之勢，另一方面卻是“計算思維是什么”等基礎(chǔ)性問題仍處于模糊狀態(tài)。

1 計算思維概念與內(nèi)涵之辨

盡管國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已在計算思維方面開展了大量研究，然而計算思維遠未成為概念明確、內(nèi)涵清晰的術(shù)語，具體可從以下兩個方面管窺計算思維概念與內(nèi)涵的模糊性。

1.1 計算思維與其英文原文computational thinking的含義有異

計算思維由英文computational thinking（文中簡稱為“CT”）翻譯而來，其中computational是一個形容詞，用于修飾、限定thinking。筆者之前發(fā)表的論文指出，綜合牛津、朗文等英漢詞典的釋義，computational的本義是使用計算機的、與計算機相關(guān)的或用計算機計算的[1]。據(jù)此，computational與計算的含義有所不同，computational只是計算的一種。嚴格地說CT只是計算思維的一種，即使用計算機的、與計算機相關(guān)的或用計算機計算的思維。漢語中的計算是個動詞，有2個意思：一是根據(jù)已知數(shù)通過數(shù)學(xué)方法求得未知數(shù)；二是考慮、籌劃[2]。英語中的calculate也有2個意思：一是用數(shù)字算出總數(shù)、總額、距離等；二是通過所有可用的信息推測某事或形成一個意見[3]。相較于computational，同為動詞的calculate與計算的意思更為接近。綜合而言，將computational譯為計算擴大了CT的內(nèi)涵，將CT譯為計算思維容易將非計算機科學(xué)的相關(guān)知識、思想納入CT之中。筆者認為，將CT譯為計算思維是不準確的，應(yīng)另覓新詞進行翻譯。在對此還未取得共識之時，本文為了闡述的方便，暫且繼續(xù)使用計算思維一詞。

1.2 computational thinking這一概念本身尚存爭議

2006年，CT這一概念的提出者周以真（Jeannette M. Wing）曾指出，CT是運用計算機科學(xué)的基本概念去解決問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為，運用探索性思考去發(fā)現(xiàn)問題解決方案，像計算科學(xué)家一樣思考[4]。2010年，Jan Cuny、Larry Snyder和周以真還進一步將CT定義為一個思考過程，包含將問題和問題解決方案公式化，以至于問題解決方案可以用一個能被信息處理代理有效執(zhí)行的形式來表示[5]。然而，Elizabeth Jones卻指出，周以真“沒有對‘CT是什么’給我們提供一個堅實的定義”，也沒有解釋“CT與其他類型的需要抽象或需要大量數(shù)據(jù)的思維的區(qū)別”[6]。Peter J. Denning亦指出，CT倡導(dǎo)者們“只對CT提出了一個模糊、含混的定義”[7]。

周以真等多次對CT進行界定，為何仍然出現(xiàn)諸如此類的批判與質(zhì)疑呢？筆者認為原因主要在于，周以真等雖闡述了CT是什么、不是什么，但并未將“CT的獨特性”和“CT與其他思維的區(qū)別”這兩個核心問題闡述清楚。以其2010年對CT的定義“一個包含將問題和問題解決方案公式化的思考過程”為例，問題和問題解決方案的公式化必然會用到“抽象”。抽象作為一種問題解決與思考方式，早已在眾多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，顯然并非計算機科學(xué)獨有。周以真也認可抽象是CT的重要組成部分，指出了抽象的重要性，但并未闡明CT中的抽象與一般問題解決中的抽象有何區(qū)別。未清楚闡釋“CT的獨特性”和“CT與其他思維的區(qū)別”，使CT的內(nèi)涵與外延處于模糊狀態(tài)，難免出現(xiàn)“將計算思維當做一個‘筐’，什么都可以往里裝”[8]之類的批判與質(zhì)疑。

2 計算思維培養(yǎng)的必要性之商榷

對于計算思維培養(yǎng)的必要性，周以真的相關(guān)論述主要有以下4個方面。

2.1 計算思維與“讀、寫、算”一樣基本

周以真曾指出，“除讀、寫、算外，我們應(yīng)該將計算思維加入每個人的分析能力之中”[4]，“到21世紀中期，計算思維將成為世界上每一個人的一項基本技能，通過‘基本’這個詞，我的意思是與讀、寫和算一樣基本”[9]。姑且不論周以真對“計算思維和讀、寫、算一樣基本”這一結(jié)論的論證是否充分，計算思維是否與讀、寫、算是一個層級的概念，是否能夠與讀、寫、算相提并論，值得商榷。即使完全認可計算思維這一概念，計算思維也只是邏輯思維、批判性思維等眾多思維中的一種，只是思維的一個下位概念。能夠與讀、寫、算并列的應(yīng)是整個思維，而非思維中的一種。若計算思維與讀、寫、算并列成立，那么我們還可以列出很多的內(nèi)容與讀、寫、算并列，如批判性思維、創(chuàng)新思維等。據(jù)此，筆者認為計算思維與讀、寫、算并非同一級別的概念，無法相提并論，將計算思維與讀、寫、算并列不合邏輯，存在不同層級概念并列之誤。此外，從學(xué)習(xí)、教學(xué)科目的角度而言，與閱讀、寫作、算術(shù)3個科目并列的應(yīng)是整個計算機科學(xué)，而非計算機科學(xué)中的一部分內(nèi)容。要將計算思維與閱讀、寫作、算術(shù)三者并列，那么計算思維就應(yīng)是整個計算機科學(xué)的代名詞，亦即計算思維可以等同于計算機科學(xué)。然而，Peter J. Denning明確反對將計算思維視為計算機科學(xué)的代名詞，他認為“計算思維是計算機科學(xué)的關(guān)鍵實踐之一”，“用計算思維來描繪整個領(lǐng)域是不合適的”[10]。

2.2 計算思維與理論、實驗并列為三大科學(xué)支柱

周以真在《計算思維——是什么和為什么？》一文中，對美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會（PITAC）指出的“計算已被認為是繼理論與實驗之后的第三個科學(xué)支柱”進行了引用，并將之作為計算思維有益于其他學(xué)科的論據(jù)之一[5]。首先，該委員會闡述的內(nèi)容是“計算科學(xué)”（Computational Science），而非“計算思維”，引文出自該委員會的一個報告《計算科學(xué)：確保美國競爭力》[11]，該報告所用的概念是“計算科學(xué)”，整個報告中并沒有出現(xiàn)“計算思維”這一概念。其次，將“計算科學(xué)”視為三大科學(xué)支柱之一并非興起于計算機科學(xué)領(lǐng)域，正如Peter J. Denning所指出，該觀點發(fā)端于物理和生命科學(xué)[10]，其重要倡導(dǎo)者包括諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Ken Wilson等，而Ken Wilson使用的術(shù)語是“計算科學(xué)”（Computational Science），“計算科學(xué)”這一術(shù)語是“經(jīng)過仔細挑選的，以避免與‘計算機科學(xué)’（Computer Science）混淆”[10]。最后，“計算思維是否為計算機科學(xué)所獨有”這一問題尚存爭議，一些學(xué)者將計算思維作為計算機科學(xué)的一個概念，亦有學(xué)者認為計算思維并非計算機科學(xué)獨有，比如，Peter J. Denning就明確提出，對于“計算思維是否是計算機科學(xué)獨有的、獨特的特性”這一問題，他的結(jié)論是“否”[10]?？梢?，雖然“計算科學(xué)與理論、實驗并列為三大科學(xué)支柱”得到了學(xué)界的廣泛認同，然而對于“計算科學(xué)能否等同于計算思維”尚缺乏清楚的論述，對于“計算思維是否為計算機科學(xué)獨有”還存在激烈的爭論。

2.3 計算思維在日常生活中有重要意義

周以真曾論述到，計算思維可以用于日常生活，并列舉了3個實例。實例一是Randy Bryant為保障畢業(yè)典禮更為順暢而設(shè)計的“流水線”；實例二是Danny Sleator的孩子們通過分類的方式更快速地將樂高積木收起來；實例三是在一次活動中，Roger Dannenberg被要求將200張打亂順序的圖表依序放到40個標題下，其他人都采取找到一個就放一個的方式，而Roger Dannenberg采取先對圖表排序再放圖表的方式，結(jié)果Roger Dannenberg最先完成任務(wù)[5]。誠然，以上提及的3種問題解決方式，可以用計算機科學(xué)中常用的分步式策略、線程控制、分類策略、算法的復(fù)雜性分析等進行解釋。然而，3個實例述及的問題解決策略，無論是流水線，還是分類策略、先排序再配對的問題解決策略，均非計算機科學(xué)獨有，而是多個學(xué)科、多個領(lǐng)域通用的問題解決策略。而且，流水線在18世紀興起的第一次工業(yè)革命后已廣泛采用，分類策略和先排序再配對的問題解決策略可以追溯到更早，上述時期計算機、計算機科學(xué)均未誕生。將這些問題解決策略歸結(jié)為計算機科學(xué)獨有的計算思維，并借此論證計算思維培養(yǎng)的必要性比較牽強，其說服力不足。

2.4 計算思維使每個人、每個職業(yè)均受益

對于計算思維使每個人、每個職業(yè)受益，周以真指出“計算思維能讓每個人理解問題的哪些方面能用計算解決，將計算策略（如分步解決策略）應(yīng)用于任何領(lǐng)域”“計算思維能將計算方法應(yīng)用于每個職業(yè)人群的問題中，用計算機的術(shù)語解釋問題和問題解決方案”[5]。該論述將計算思維作為一種廣泛適用的問題解決方法、思路等，對此的批判與質(zhì)疑主要集中于兩個方面。一是有些問題計算思維解決不了，Elizabeth Jones 曾指出，“周以真文章的潛在意思是計算思維能用來解決任何問題，然而許多問題是處于計算思維領(lǐng)域之外的，比如，當我思考如何將一篇草稿修改為一篇故事”[6]，Steve Easterbrook亦指出，“諸如道德困境、價值判斷、社會的變遷等問題無法通過計算來解決”[12]。二是有些問題計算思維解決不好，Steve Easterbrook曾指出，“計算思維本質(zhì)上是一種還原論，計算問題通過還原被處理成一組離散變量”，應(yīng)用計算思維解決問題“使我們無視社會、環(huán)境對信息和通信技術(shù)的影響等問題”[12]，還原主義在問題解決過程中通過抽象、還原，使環(huán)境、情境等“不重要”的因素被忽略掉，這些被忽略掉的因素雖然可能對問題能否解決沒多大影響，但是卻很可能對某些問題解決的質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。將計算思維作為一種問題解決方式，其適用范圍亟待厘清。該問題解決方式是普遍適用，還是部分領(lǐng)域、部分問題適用？若是前者，則應(yīng)論證清楚相關(guān)學(xué)者所提詰問的不合理之處；若是后者，則應(yīng)明晰哪些領(lǐng)域、哪些類型的問題適用。

3 計算思維培養(yǎng)的可行性之審視

3.1 小學(xué)低年級學(xué)生能否開展計算思維培養(yǎng)

周以真曾指出，不僅大學(xué)生應(yīng)該培養(yǎng)計算思維，K-12學(xué)生也應(yīng)該培養(yǎng)計算思維，她也很高興地看到計算思維培養(yǎng)正在進入美、英等國的一些K-12學(xué)校[9]。前文已論及，周以真亦認可“抽象”是計算思維的重要組成部分。然而，大量的教育學(xué)、心理學(xué)研究早已表明，小學(xué)生還以形象思維為主。根據(jù)瑞士教育、心理學(xué)家皮亞杰（Jean Piaget）的認知發(fā)展理論，兒童的發(fā)展可分為感覺運動階段（0～2歲）、前運算階段（2～7歲）、具體運算階段（7～11歲）和形式運算階段（11歲以后），一般要到11歲以后，兒童才進入以抽象、理論和假設(shè)思維為特征的認知發(fā)展期。[13]對小學(xué)低年級學(xué)生而言，其認知發(fā)展尚未進入形式運算階段，而計算思維要求的“將問題和問題解決方案公式化”，需要較高水平的“抽象”和“形式運算”。從兒童認知發(fā)展的角度而言，小學(xué)低年級學(xué)生是否已具備計算思維培養(yǎng)所需的認知基礎(chǔ)，計算思維培養(yǎng)在小學(xué)低年級學(xué)生中是否可行均存在很大的疑問。

3.2 相關(guān)教師的能力水平等能否達到要求

要培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，要使學(xué)生“像計算機科學(xué)家一樣思考”，作為培養(yǎng)者的教師自然無法回避。培養(yǎng)學(xué)生計算思維對教師有什么要求？教師，尤其是中小學(xué)教師能達到要求嗎？教師如何才能具有較高的計算思維水平？如何知曉教師達到了相應(yīng)的能力水平要求？諸如此類的問題隨之而生。教師是否具備相應(yīng)的能力水平直接影響課程、教學(xué)改革能否順利實施、能否取得預(yù)期效果等。歷史上的課程、教學(xué)改革不乏這樣的實例，課程、教學(xué)改革對教師的要求太高，教師通過自身努力并接受培訓(xùn)也無法達到相應(yīng)的要求，進而導(dǎo)致改革倡導(dǎo)的內(nèi)容并未得到有效實施。正如J. L. Goodlad所言：“改革許多時候被認為失敗，其實不然，因為它們從來就未能得到實施”[14]。周以真亦認可，計算思維培養(yǎng)中“最主要的現(xiàn)實挑戰(zhàn)是我們沒有足夠的接受過培訓(xùn)的K-12教師”。她對解決此問題感到樂觀，但并沒有具體論述如何解決這一問題。倘若教師不具備相應(yīng)的能力水平，倘若通過相應(yīng)的培訓(xùn)教師亦無法達成“像計算機科學(xué)家一樣思考”，那么教師如何培養(yǎng)學(xué)生“像計算機科學(xué)家一樣思考”呢？

3.3 計算思維培養(yǎng)能否得到相關(guān)群體的認可與接納

目前，計算思維培養(yǎng)得到很多專家、學(xué)者甚至相關(guān)組織、協(xié)會的認可與倡導(dǎo)。例如，美國計算機科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）曾在《K-12計算機科學(xué)標準》和《計算思維于K-12教育》中倡導(dǎo)在K-12學(xué)生中培養(yǎng)計算思維[15-16]。然而，需要注意的是，這些專家、學(xué)者，這些組織、協(xié)會基本上全來自計算機科學(xué)領(lǐng)域，幾乎沒有其他學(xué)科的專家、學(xué)者。另一個需要注意的問題是，在“計算思維能否等同于計算機科學(xué)”還存在較大爭議之時，不應(yīng)將“計算機科學(xué)”的重要性與“計算思維”的重要性混為一談，政府部門、企業(yè)、學(xué)校等對計算機科學(xué)教育的重視不能直接轉(zhuǎn)換為對計算思維培養(yǎng)的重視。第三個需要注意的問題是，目前對學(xué)生為什么應(yīng)該“像計算機科學(xué)家一樣思考”的論證和辯護還很不充分。計算思維培養(yǎng)過程中相關(guān)實踐者難免產(chǎn)生諸如此類的疑問：為何學(xué)生非要“像計算機科學(xué)家一樣思考”，而不是像數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家等一樣思考？尤其是社科專業(yè)的學(xué)生為何應(yīng)該“像計算機科學(xué)家一樣思考”，而不是像哲學(xué)家、社會學(xué)家等一樣思考？

4 結(jié) 語

目前，對計算思維的概念與內(nèi)涵的闡釋還不夠清楚，對計算思維培養(yǎng)必要性與可行性的論證也不夠充分，這難免會對計算思維培養(yǎng)實踐能否順利開展以及能否取得預(yù)期效果等產(chǎn)生影響。綜合分析計算思維方面的理論與實踐研究，筆者認為計算思維培養(yǎng)亟待厘清4個方面的問題。

一是計算思維的獨特性。計算思維與其他相關(guān)思維有何不同？是完全不同，還是部分不同？若是部分不同，是哪些部分不同？

二是計算思維與相關(guān)概念的關(guān)系。計算思維與計算機科學(xué)、計算科學(xué)、計算機基礎(chǔ)知識、計算機基本技能是什么樣的關(guān)系。

三是計算思維培養(yǎng)的對象。一方面是縱向的年齡階段問題，所有年齡階段的學(xué)生均需、均能培養(yǎng)計算思維，還是計算思維培養(yǎng)對學(xué)生的年齡階段有一定的要求。另一方面是橫向的學(xué)科專業(yè)問題，所有學(xué)科專業(yè)的學(xué)生都需要培養(yǎng)計算思維，還是部分專業(yè)學(xué)生需要，部分專業(yè)學(xué)生可以不培養(yǎng)；所有學(xué)科專業(yè)的學(xué)生都需要同樣的計算思維，還是不同學(xué)科專業(yè)需要不同的計算思維。

四是承載計算思維培養(yǎng)的課程。計算思維是僅在計算機類課程中培養(yǎng)，還是通過多個學(xué)科的課程共同培養(yǎng)。

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