力网理论与大学生计算思维能力培养探讨

2015-05-30陈晔覃晓群

计算机时代 2015年7期

陈晔覃晓群

摘要：我国高校教育的持续改革，促使计算机基础课程教学已不仅局限于软件工具的开发使用，而逐步扩展到培养学生的计算思维能力。围绕计算思维能力的培养，从研究层面阐述了“力网理论”与计算思维的关系，分析了计算思维的内涵与外延，提出了大学生计算思维能力的培养策略。

关键词：力网理论; 计算思维; 大学计算机基础教育; 教育改革

中图分类号：G4 文献标志码：A 文章编号：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，美国周以真（Jeannette M. Wing）教授提出了“计算思维”一词后，迅速得到了国际学术界的广泛认同和采纳，很快成为当今国际计算机界广为关注的一个重要概念同时也成为了计算机教育重点研究的课题。2010年11月，陈国良院士在第六届大学计算机课程报告论坛上所作的报告中第一次正式提出了将“计算思维能力培养”作为计算机基础课程教学改革切入点的倡议[1]。这一倡议迅速得到了国内计算机基础教育工作者的响应，以培养学生计算思维能力为重点的高教改革在国内悄然兴起，并收获了大量研究成果。然而，计算思维从何而来，它究竟是一种什么样的思维，它具有什么样的原理和特征，如何在教学中培养计算思维等问题仍然没有解决[2]。通过学习和研究，笔者认为，计算思维是一种创造性思维，通过对学生计算思维的培养，旨在培养学生了解世界，认识事物，认识自然的能力，从而开发学生的创造性思维，以期达到不断创新的目的。

为了进一步理解计算思维之内涵，笔者通过学习“力网理论”，系统论，万有引力定律、马克思主义哲学、思维科学，事物普遍联系原理等理论，进一步加深了对计算思维内涵及外延的认识。本文结合国情，探讨培养学生计算思维能力的策略。

1 力网理论与计算思维

2012年，刘合群在《中国基础科学》杂志发表了“宇宙力网理论的建立——对宇宙、人体、疾病新认知”的论文，提出了“万物俱在网”的新概念。认为“存在即力，联系即网”。有力就有网，力中有网，网中有力，力与网无法剥离，两者夹揉浑然一体”。这也就是“力网理论”所阐释的思想内涵[3]。牛顿万有引力定律认为：“任意两个质点通过连心线方向上的力相互吸引。该引力的大小与它们的质量乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学本质或物理状态以及中介物质无关”。即宇宙及宇宙间存在着万有引力。从牛顿提出“万有引力定律”开始，我们就认知到：事物只要存在，在客观上力的作用就已经发生了。力虽然无形，但它却在无形中作用着整个宇宙[3]。

用力网理论研究计算思维：计算即力，思维即网。计算不仅是数学的基础技能，而且是整个自然科学的工具。其广义的计算包括数学计算，逻辑推理，文法的产生式，集合论的函数，组合数学的置换，变量代换，图形图像的变换，数理统计等，还包括人工智能，问题求解，图论的路径问题，网络安全，代数系统理论，上下文表示感知与推理，智能空间等，甚至包括数字系统设计，软件程序设计，机器人设计，建筑设计等设计问题。计算既是人类适应自然、征服自然的基本技能，更是改造自然、促进社会发展的一种科学工具。然而，无论何种计算都存在着力，产生这种计算的思维就存在着网，这张思维的网联系着计算的每一环节，渗透到计算的每个部署，使每一计算过程，每种计算方法环环相扣，步步相连，融会贯通。宇宙间的任何一种计算及其产生计算的思维之间都发生着联系，这种联系即构成了网。有计算就有思维，有力就有网，力中有网，网中有力，力网共生又共存，彼此无法分割。计算是一种技能、工具，是一种工作方式，称力。思维是人体脑细胞对客观现实所产生直接和间接的反映，它反映的是事物的本质和事物间规律性的联系，称网。计算思维也是一种力网关系。因此，计算思维可以用力网理论进行分析、研究。

2 计算思维的内涵外延

有关计算思维的定义云云种种：计算思维是计算机、软件及计算机相关科学中的科学家和工程技术人员的思维模式;是运用计算科学的基础概念进行问题求解，系统设计及人类行为理解等函盖计算机科学之广度的一系列思维活动[1]。狭义的计算思维是指计算学科之计算思维，以面向计算机专业人群的生产、生活等活动为主。泛泛地讲，狭义的计算思维是基于“计算机”，以及以计算机为核心的系统的研究、设计、开发、利用活动中所需要的一种适应计算机自动计算的“思维方式”，使人机的功能在互补中得到大力提升。从这个意义上讲，计算机相关的很多“东西”都可以被“计算思维”一词涵盖[4]。周以真教授认为计算思维“是一个明确问题和制定解决方案的思维过程，由此解决方案就可以表示为能够被信息处理代理有效执行的形式”[5]。

2.1 计算思维是人类的一种本能

思维是自然界动物的一种基本功能，也是人类受大脑支配的一种特有的高级精神活动。其工作模式是对信息进行的能动操作，如采集、传递、存储、提取、删除、对比、筛选、判别、排列、分类、变相、转形、整合、表达等。按马克思主义哲学的观点，思维主体主要指人，思维客体指主体思维的对象，包括人自己。思维的过程就是在表象、概念的基础上进行分析、综合、判断、推理等认识活动的过程。科学思维分为理论思维、实验思维和计算思维三大类。计算思维又称结构思维，是一种思维模式。计算思维无处不在，当计算思维真正融入人类活动的整体时，它作为一个问题解决的有效工具，人人都应掌握，处处都会被使用[6]。因此，笔者认为，从人类发展的视角来看，计算思维不能仅局限于计算学科及计算机相关活动，而应扩展为人类在自然界生存和发展过程中不断产生的一种重要的思维模式，是推动社会发展的一种重要的科学思维。

2.2 力网理论中的计算思维

战德臣教授等人用“计算之树”来表述计算思维的一种多维度观察框架[1]。将“0和1”、“程序”、“递归”三大核心思维喻为计算之树的根。计算机本质上是以0和1为基础来实现的。0和1两个简单的自然数就是“力”，两者之间构成千变万化的关联就是“网”。力中有网，网中有力，二者紧密相连，组成一个“理论单元”。以此类推，“程序”、“递归”也分别组成各种 “理论单元”。这三大核心思维的“理论单元”通过力网的作用，紧密相连组成计算机之树的根。根、干、枝、叶连接在一起，就构成了计算思维多维度框架的“计算之树”。这种“力网”之间的联系形成了一种计算机系统的奠基性思维，发展成了基本的计算机原理。

3 计算思维的培养策略

3.1 用马克思主义哲学思想培养学生计算思维

马克思主义哲学包括辩证唯物主义，历史唯物主义，唯物辩证主义，其中又包括唯物论、实践的观点、联系的观点、发展的观点、矛盾的观点、认识论等内容。辩证唯物主义认识论是以实践的观点为首要的基本观点，把辩证法应用于考察认识过程，科学地揭示了认识的基础、本质和发展规律。我们用马克思主义哲学思想培养学生的辩证思维，培养学生认识事物，分析事物，处理事物及解决问题的能力。用马克思主义哲学思想指导实际应用、创新计算思维。我们学习钱学森近30年来的著作时不难看到，对于科学研究中的新观点、新说法，他总喜欢问一问：是否符合马克思主义哲学？学习马克思主义哲学可以使我们正确地看待自然、社会与人生的变化与发展，用睿智的眼光看待生活与实践，正确看待社会进步与个人发展，树立正确的世界观，人生观和价值观，从而为生活和实践提供更加积极有意义的指导，对我们的生活和学习有很大的益处。

大学计算机基础教学是培养大学生计算思维能力的重要课程载体。教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会提出了大学计算机基础教学要培养对计算机的认知能力、利用计算机解决问题能力、基于网络的协同能力和信息社会终身学习能力。这四个方面能力的培养，恰恰说明了计算思维能力培养的核心要素[8]，也进一步明确了加强对马克思主义哲学思想学习的重要性。

3.2 用丰富的想象力培养学生的计算思维

爱因斯坦说：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识的源泉。严格地说想象力是科学研究中的实在因素”。大学生具有一定的知识功底，具有极其丰富的想象力和较好的思维能力。因势利导开发学生的想像力，培养学生的计算思维尤显重要。想像力应用到实际中去的多少，也是评价一个人能力高低的一个重要标志。世界上凡是具有创造力的活动，都是想象的结晶。没有想象，人类就没有预见，也就没有发明创造，没有艺术创作。人类在实践生活中，会不断遇到新的问题，产生新的需要，而想象是解决这些问题和适应这些需要的非常必要的条件。人类的一切实践都离不开想象。高尔基说：“想象，在其本质上也是关于世界的思维，但主要是用形象来思想，是艺术的思维”。人的想象力决定着人的智慧，决定人的创作，但人的想象力不稳定，可随环境、条件改变而改变。想象力有遗传因素，更与后天学习、实践因素有直接关联。计算之树给出了计算思维一个框架，也就是说给出了计算思维一个知识空间，有待我们充分激发出学生的丰富想象，培养学生的计算思维能力，在生活实践中不断地发现问题，解决问题，推动人类历史的发展和社会的不断进步。

3.3 用创新意识培养学生的计算思维

西安交通大学于2010年7月举办了首届“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”，旗帜鲜明地把计算思维能力的培养作为计算机基础教育的核心任务，并明确指出建立计算思维是培养复合型创新人才的重要内容[9]。我们培养学生的计算思维能力就是要求学生利用现有的知识和认知能力，在学习和生活环境中，不断改进或创造新的事物，解决新的问题，得到新的收获。计算思维对各学科学生创造性思维的培养，尤其是创新能力的培养都是十分有益的。如：“0和1”、“程序”有助于学生形成研究和应用自动化手段求解问题的思维模式。“并行分布计算”和“云计算”有助于学生形成现实空间与虚拟空间、并行分布虚拟解决社会自然问题的新型思维模式。“数据化”和“网络化”有助于学生形成数据聚集与分析、网络化获取数据与网络化服务的新型思维模式[1]。培养学生的计算思维就是要传授、挖掘、培养这样的思维，使学生在今后的学习和工作中不断创造新的思维，实现新的思维。

3.4 从实际需要培养学生的计算思维

美国管理学家、统计学家爱德华·戴明说：“除了上帝，任何人都必须用数据说话”。面对大数据时代，技能训练，让学生学会数据处理;能力培养，让学生学会更好地进行数据处理，充分体现数据的应用价值;思维养成，让学生学会在数据处理中所体现的计算思维能力，在工作中能够灵活应用，敢于思考、敢于创新[10]。周以真教授指出，计算思维是每个人的基本技能，不仅仅属于计算机科学家。我们应当使每个孩子在培养解析能力时不仅掌握阅读、写作和算术（Reading，wRiting，and aRithmetic—3R），还要学会计算思维，犹如印刷出版促进3R的普及，计算和计算机也以类似的正反馈促进了计算思维的传播[2].。计算思维无处不在，无时不存，只是人们尚未完全认知，未对其进一步分析、整理、应用。随着人们对计算思维的认知度逐步提高，计算技术与其他学科的广泛结合，极大地推动了生产力的发展，促进了社会的进步。如医学的CT技术，即是X射线技术与计算技术相结合的创新，其理论的首创者和器械的首创者共同获得了1979年诺贝尔医学和生理学奖;“数字骨科”反映了数字化技术在骨科的应用与研究方面的最新学术成果;3D技术在生物医学工程的应用等。

从计算金融学到电子贸易，电子商务乃至大型商场，计算思维已经渗透到整个经济、商务领域。如某大型超市购物车的使用管理，最初是由顾客随意使用，用完后顾客常常将购物车随意摆放。为此，商场必须在四个出口分别安排2人负责购物车管理。年管理费用约24万元。商场管理人员采取了“押金式”规范管理措施：即顾客用1元硬币打开购物车钥匙即可使用。用后必须将购物车送回指定位置才能退回1元硬币。通过这一管理措施后，商场只需前期在购物车上安装押金锁，花少许费用。后期花少量维护费用就行了。这样减少了大量人力成本，获得了很好的效益。

计算思维在各个学科的研究、创新和应用推动着各个行业不断发展。各种传感器技术的发展推动着工业、汽车制造业、医疗等行业的发展。现在技术的革新、计算思维的发展已经超越了行业的限制。最近比较流行的物联网，就是指物物相连、利用各种传感器技术、借助移动网络可以采集如蔬菜等信息，从而实现智能浇水、施肥。在未来已经说不清楚是计算机思维还是计算思维在影响着人类的发展。但是各学科、各行业的发展肯定需要人才来研究和发展，未来是计算机人才引导社会向前发展[11]。高性能计算、普适计算、云计算、服务计算、智能计算以及生物计算的快速发展，欧盟的科学研究框架中提出的“未来互联网”技术，IBM提出的“智慧地球”技术等为人类计算思维的发展指明了方向。

4 结论

计算思维能力的培养是大学计算机基础课程教学改革的一项重要内容。随着教改的不断深入，教育学家对大学教育改革的思路已逐渐明朗：计算思维、理论思维和实验思维三种思维互为补充，是所有大学生应掌握的基本思维，也是我们大学基础教育的一项长期而艰巨的教学任务。计算思维既然与人们的工作和生活如此密切相关，理所当然地应当成为人类不可或缺的一种生存能力[12]。因此，笔者认为，大学生思维能力的培养，应该与马克思主义哲学思想的培养，与力网理论、系统论、万有引力定律、事物普遍联系原理等理论的学习相结合，与工作、生活实践相结合，与社会的发展、进步相适应，培养学生树立正确的人生观、价值观，以期不断提升学生的综合素质，提高学生的创新思维和创新能力。

参考文献：

[1] 陈国良，战德臣等.大学计算机—计算思维导论[M].电子工业出版社，

2014.

[2] 牟琴，谭良.计算思维的研究及其进展[J].计算机科学，2011.38：10-15

[3] 刘合群.宇宙“力网理论”的建立——对宇宙、人体、疾病的新认知[J].

中国基础科学，2012.14（3）：25-34

[4] 蒋宗礼.计算思维之我见.[J].中国大学教学，2013.9：5-10

[5] Cuny， J.， Snyder， L.，&wing， J.M.Demystifying complltational

thinking for noncomputer scientists[EB/OL].http：//www.cs.cmu.edu/～ConlpThink/resources/theLinkWing.Pdf，2013-10-5.

[6] 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

[7] 顾新华，顾朝林，陈岩.简述“新三论”与“老三论”的关系[J]. 经济理论