基于计算思维能力培养的计算机图形学知识体系

刘贵松 ,房秀芬 ,陈文宇

(电子科技大学 a.计算机科学与工程学院；b.数学科学学院，成都 611731)

·课程教学改革·

基于计算思维能力培养的计算机图形学知识体系

刘贵松a,房秀芬b,陈文宇a

(电子科技大学 a.计算机科学与工程学院；b.数学科学学院，成都 611731)

近年来，如何在计算机相关课程中贯彻计算思维能力的培养已经成为计算机教育界的研讨热点。文中结合大学计算机课程教学指导委员会的研究工作，阐述了计算思维的内涵、外延及体系框架。结合电子科技大学计算机图形学课程的教学实践，分析了该课程的知识点，给出了课程知识体系与计算思维能力培养核心概念的对应关系。同时，给出了后续课程设计的参考案例点。

计算思维；计算机图形学；知识体系；课程设计

1 计算思维相关概念

科学思维的训练在人才培养中意义重大。科学思维包括了以推理和演绎为特征的理论思维、以观察和总结自然规律为特征的实验思维以及以设计和构造为特征的计算思维(computational thinking)[1]。计算思维是美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真(Jeannette M. Wing)教授于2006年在美国计算机权威期刊《Communications of the ACM》上提出并定义。周教授认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维提供了理解物理、社会以及其他现象的一个新视角，指出了解决问题的一种新途径，强调了创造知识而非使用信息，从而提高人们的创造和创新能力[2]。

计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题重新阐释成一个人们知道怎样解决的问题。计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。计算思维是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是一种基于关注点分离的方法。计算思维是一种选择合适的方式来陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模并使其易于处理的思维方法。计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错和纠错方式，从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。计算思维是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法。计算思维的这些基础概念可用外延的形式给出，比如约简、嵌入、转化、仿真、递归、并行、抽象、分解、建模、预防、保护、恢复、冗余、容错、纠错、启发式推理、规划、学习、调度等[3]。

2 计算思维的表达体系框架

如何进行计算思维能力的训练？通常来说，计算思维能力培养是以计算机学科为代表的。在计算机教育最为先进的美国，科学基金会(NSF)2007年就启动了“大学计算教育振兴的途径”(CPATH)计划，投入巨资进行美国计算教育的改革。经过2007年和2008年的资助和项目实践，CPATH计划相关工作者认识到计算思维在计划中所起的重要作用，对在2009年申报的项目中提出了更为具体的以计算思维为核心的课程改革。2008年，美国NSF还启动了一个涉及所有学科的、以计算思维为核心的重大基础研究计划——“计算使能的科学发现与技术创新”(CDI)，进一步将计算思维的培育扩展到美国的各个研究领域。经调研发现，国内众多“985工程”“211工程”高校的专家学者已经达成共识，即以计算思维能力培养作为计算机基础课程的改革方向，对有效提升大学生的科学思维能力，培养创新人才有着积极意义，虽然这其中还有很多问题需要深入研究。

ACM和IEEE联合制定的CC1991给出了计算机科学领域的12个核心概念：绑定、大问题的复杂性、概念模型和形式模型、一致性和完备性、效率、演化、抽象层次、按空间排序、按时间排序、重用、安全性、折中与结论。ACM前主席Denning教授系统地总结了计算的7类原理，包括计算、通信、协作、记忆、自动化、评估和设计7个类别[4]。

教育部大学计算机课程教学指导委员会在教育部相关项目的支持下，经过充分讨论和研究，通过分类的“核心概念”方法构建了计算思维的表述体系，见表1。

表1 计算思维表述体系框架

同时，教育部也提出了“普及计算机文化，培养专业应用能力，训练计算思维能力”的大学计算机课程教学改革的总体目标要求。包括：了解信息技术应用对人们生活、工作、学习方式所带来的变化和对经济社会发展所做出的巨大贡献；了解信息技术如何与自然科学、工程技术、人文社科相互渗透、交叉融合，促进各个学科的发展；掌握基本的信息技术应用能力；理解和掌握计算科学的基本知识和基本方法；掌握利用计算思维和计算工具解决专业领域问题的思路和做法[5]。这些研究成果为以计算思维为切入点进行计算机相关课程改革提供了有益的参考和指导。

3 计算机图形学课程对应知识体系及案例

总结表1中的计算思维表述的体系框架，在八个核心概念中，以“计算”概念为核心，其他概念以“计算”为中心并服务于“计算”。围绕这些核心概念，充分理解其内涵和外延，结合我们多年计算机图形学课程的教学实践，给出了该课程的知识体系及其和计算思维核心概念的对应关系。在此基础上，设计了相关教学案例的参考点，见表2。

表2 计算机图形学课程知识点与计算思维核心概念对应关系

通过梳理不难发现，在计算机图形学课程中，我们必须特别关注计算思维中“计算”与“自动化”两个核心概念。很显然这是由课程的重点讲解内容所决定的。思考计算思维的概念重点，不同计算机类课程改革的关注重点亦不相同，比如，软件工程课程以“设计”作为重点，多媒体技术课程以“通信”为重点，数据库系统课程以“记忆”“协同”与“设计”为重点，而计算机组成原理课程以“协同”与“记忆”为重点。这也是相关课程改革必须关注的核心。

4 结束语

结合计算机图形学课程的教学实践，我们给出了与计算思维对应的课程知识体系及教学案例初步设计。今后将围绕表2给出的对应关系做进一步的研究和梳理，尽快完成对应的课程案例设计，并应用到实际教学中，加强学生思维能力的培养。

[1] 李廉. 计算思维——概念与挑战[J]. 中国大学教学，2012(1): 7-12.

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

[3] 陈国良，董荣胜. 计算思维与大学计算机基础教育[J]. 中国大学教学, 2011(1):7-11.

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

[5] 刘贵松,李茂国. 大学计算机系列课程改革思考[J]. 中国大学教学, 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

电子科技大学教改基金资助项目(2013XJYEL017)。

刘贵松(1973-),男,博士,副教授,主要从事计算智能、数据挖掘的研究与教学工作。

G642.0；TP391;TP3-05

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.053