计算机通识教育中培养计算思维能力的价值探索

吴雅娟，申静波

（东北石油大学 计算机与信息技术学院，黑龙江 大庆 163318）

计算机通识教育中培养计算思维能力的价值探索

吴雅娟，申静波

（东北石油大学 计算机与信息技术学院，黑龙江 大庆 163318）

计算思维越来越受到国内外计算机教育界的重视，本文引用计算思维的系统定义，从科技创新和人才培养的角度论述了培养学生计算思维的价值体现，以及在计算机通识教育课程中培养计算思维的价值及实施思路和方法。

计算思维；通识教育；计算机基础教学

一、计算思维提出的意义

计算思维和计算问题关系密切，美国在2005年6月，通过一份报告《计算科学：确保美国竞争力》中明确阐述了计算科学的重要性，提出计算科学中的先进技术可以在经济以及其他的前沿研究中发挥重要作用[1]，21世纪科学研究中的难题可以通过计算找到相应的解决办法。2007年美国科学基金会启动了“大学计算教育振兴的途径”计划，投入巨资进行美国计算教育的改革。美国政府开始实行CPATH计划进一步宣传了计算思维在社会生活各领域以及人才培养中的重要作用，在高等教育中提出了具体的以计算思维能力培养为核心的课程改革[2，3]。2008年，美国麻省理工学院还向全球开放公开课程《计算科学与编程导论》，重点讲解计算思维训练，让全球的读者都可以自由免费学习计算思维的本质。

在我国近几年也有越来越多的学者和机构开始认识到计算思维的重要性，并开展了相关的研究。全国高等教育学校2008年中国计算机教育研究会在召开了“计算思维与计算机导论”专题学术研讨会，探讨了在中国高等学校中开展计算思维能力培养的研究。2010年7月，中国的“常青藤”学校发表了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，提出计算机基础课程应该以计算思维为核心[4]。

新生的事物出现还是需要一个普及的过程，目前多数高校教师对于计算思维价值的认识和重视程度还远远不够，因此培养计算思维的实践也甚少。针对这个问题本文探讨计算思维在科学研究、哲学方法论以及人才培养等方面的价值，提出在计算机通识教育中培养学生计算思维能力的教学改革措施，使非计算机专业学生像具备读、写、算能力一样，具备计算思维的普适能力。

二、计算思维的定义及解读

2006年周以真教授的《Computational Thinking》给出了计算思维系统定义，在国际上被广泛认同。计算思维涉及运用计算机科学的基础概念去解问题、设计系统并理解人类行为。计算思维涵盖反映了计算机科学之广泛性的一系列思维活动。强调计算思维是所有人必需具备的基本技能，在阅读、写作及算术之外，应将计算思维添加到每个孩子解析能力之中。周以真从多个角度给出了计算思维的细致描述[5]。具备计算思维能力，是在信息化社会中创新的需要。各领域中的科学研究都需要有高效思维的正确引导，要培养出具有创造性的人才，我们在思想方法上就必须重视思维能力的培养，让学习者运用高效的思维去思考。

三、计算思维对于科技创新的价值

对应于自然科学领域的理论、实验和计算三大科学的方法，同样有三大科学的思维：理论思维、计算思维和实验思维。计算创新在人类科技发展史上占有异常重要的地位，历史上有多位科学家因为在计算方面的成就而获得了诺贝尔奖。1982年的物理学奖和化学奖都是计算技术在相关领域的应用，证明科学计算在科学方法论中的重要地位。1985年得主豪普曼就凭借X光晶体结构分析的方法摘得当年的诺贝尔化学奖，同样，1998年科恩与波普尔也是因为将计算量子化学方法获得了大奖。

人类历史上的许多重大科学发现也与计算思维有关。19世纪海王星的发现就是通过计算得来的，在20世纪爱因斯坦的广义相对论开创物理学的新纪元，充分体现计算思维对于科学史的贡献。前人未能证明的“四色定理”也通过计算机的数值计算得到了证明。

中国著名的“华—王方法”，有限元方法，及“吴方法”，也都是和计算相关的重大的科学创新[6]。

很多科学发现的过程充分说明了计算思维在科技创新中的重要价值。

四、计算思维的哲学价值

计算机科学家、图灵奖获得者Edsger Dijkstra曾说：我们使用的工具影响着我们的思维方式及习惯，从而也将影响我们的思维力。思维的方式、方法是人类认识论研究的一项重要内容，恩格斯说过：每一时代的理论思维，包括我们时代的理论思维，都是一种历史的产物，在不同的时代具有不同的形式，并因而具有不同的内容。所以，有关于思维的科学，和其他的任何科学是一样，是一种历史科学，是关于人的思维的历史发展的科学[7]。

五、计算机的计算思维对于人才的培养价值

人才对于国家和企业的重要性是不言而喻的，高等学校的首要任务就是为国家培养合格的人才。衡量人才质量的标准有多种多样，最重要的是解决实际问题的创新能力，而在计算机普及的现代社会中，利用计算机科学的基础概念去求解问题和设计系统的计算思维能力就显得非常重要了。现代的合格人才应该是能充分利用计算机的优越性能高效地解决实际问题，能根据实际问题的规模选择合适的计算环境和算法，这就是计算思维能力的具体体现了。现实社会中的问题用人工解决还是计算机辅助解决，即不同的计算环境采取的思路是有很大不同的；同样用计算机辅助求解问题，问题的复杂程度不同，采用的算法也是截然不同的。因此面对问题解决的思路和效果就和决策人的计算思维相关了。计算思维不是独立存在的，是融合在一个人的整体素质中的，但是在高校的培养方案和课程设置中却可以特别强调计算思维能力的培养，确保提高学生的创新能力，而计算机基础教学对此责无旁贷。

六、计算机通识教育课程中培养计算思维

计算思维本质上是一种利用计算机去解决问题的思维方式，是基于不同计算环境的问题求解，而这和计算机基础教学的教学目标相吻合。计算机基础课程作为各高校的通识教育课程，面向广大的非计算机专业的学生，不仅要扩展学生的计算机方面的知识面，更重要的是展示计算机科学的思维方式。其核心目标就是培养学生应用计算机解决专业问题的能力，因此，在计算机基础教学中培养学生的计算思维能力是很顺理成章的，也应该作为计算机基础教学的核心任务，特别可以在大学的第一门计算机课程——《大学计算机基础》课中着力培养计算思维。

目前由于对于《大学计算机基础》课程的错误认识，出现了“狭义工具论”的说法，甚至有人质疑《大学计算机基础》课程开设的必要性。问题的产生可能是因为多数《大学计算机基础》课程的教学内容偏重知识的介绍和流行软件的使用方法，仅注重实用而没有提升到计算机科学的思维方式，即教学过程中仅将计算机作为一个普通的工具使用，而并没有重视计算机科学本身自有的思想方法、方式，导致学生感觉不到新知识而失去学习的兴趣。因此，在《大学计算机基础》以及其他计算机通识课程教学课程中加强计算思维能力的培养不仅关系到学生的综合素质和能力，也关系到《大学计算机基础》课程本身的出路，重新审视计算机基础教学的定位，将计算思维能力培养作为计算机基础教学的核心任务，是一个明智的选择。

计算机基础课程群一般包括《大学计算机基础》、《程序设计》、《计算机硬件技术基础》和《计算方法》等，可以从多方面培养学生的计算思维，包括涉及计算机基本原理的思维、应用计算机的思维以及计算机和专业结合的思维等。从《大学计算机基础》中计算机系统的构成和存储程序的思想让学生了解二进制的存储、0和1的思维、程序代码和机器指令的思维、程序设计语言的思维和计算机系统的思维等。从《程序设计》语言中可以培养学生关于问题求解的算法的思维，例如问题约简、细化和仿真的思维，递归和并行的思维、预防、保护和启发式推理的思维，在时间和空间之间、处理能力和存储能力之间寻求平衡的思维等。让学生为解决问题而主动学习驾驭计算机硬件和软件的方法，而不是为考试而被动学习。计算思维是人类求解问题的一条途径，使人类更好地借助计算机发挥强大的计算能力去解决各种需要大量计算的问题。

计算思维的培养可以贯穿于教学活动的过程中，《大学计算机基础》课程的基本教学内容大部分可以保留，思维方式的培养可以渗透到每一教学环节中，例如课程实施中通过讲解案例分析，让学生感受思维方式对问题有效解决的影响，再通过实践环节中问题的有效解决让学生体验计算的愉悦，培养学生将现实问题转化为可计算问题的思维习惯，训练学生针对问题规模选择或发掘计算工具和算法的敏锐性，在教学过程和实践过程培养学生创新思维和创新能力。

计算机基础课程作为通识教育课程在培养学生综合素质和能力方面应该承担更多的责任，特别应充分发挥学科优势在培养学生综合能力方面有所作为，更好地体现杨玉良所说的通识教育的特征：通识教育要同时传递科学精神和人文精神；要展现不同文化、不同学科的思维方式；要充分展示学术的魅力[8]。通识教育课程受众面大，影响广泛，认真研究通识教育规律将对人才培养质量有深入的影响。现在已有几所高校针对计算思维能力做了对应的培养，将大学生入学的第一门计算机基础课《大学计算机基础》课程改名为《计算思维导论》，从内容到形式都聚焦在计算思维上，明确的为基础课程的改革做了示范。希望更多的高校能认识到计算思维对于人才培养的价值，继而在计算机基础教学及计算机通识教育中开展计算思维能力培养的实践。

[1]President's Information Technology Advisory Committee. Computational Science：Ensuring America's Competitiveness [EB/OL].http：//www.nitrd.gov/pitac/reports/20050609 _computational/computational.pdf，June 2005.

[2]美国国家科学基金CPATH计划2009年项目申报说明[EB/OL].http：//www.nsf.Gov/cise/funding/cpath_faq.jsp#1.

[3]美国国家科学基金CDI计划官方网站[EB/OL].http：//www. nsf.gov/crssprgm/cdi/

[4]九校联盟（C9）.计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学，2010，（9）.

[5]Jeannette M.Wing.Computational Thinking [J]. Communicationsofthe ACM.2006，49，（3）.

[6]朱亚宗.论计算思维[J].计算机科学，2009，（4）.

[7]恩格斯.自然辩证法[M].北京：人民出版社，1971.

[8]杨玉良.实施通识教育，培养未来社会中坚[Z].教育部直属高校工作咨询委员第二十次全体会议大会交流发言材料，2010.

G642.41

A

1674-9324（2014）40-0276-03

2013年黑龙江省高等教育教学改革项目（项目编号：JG2013010157）。

吴雅娟（1966-），女，黑龙江人，硕士，教授，研究方向为人工智能与计算机基础教学。