计算思维语境下的美术专业教育探索与实践

摘 要：本文从科学思维体系出发，详细阐述了计算思维的起源、内涵、发展和教育研究进展，并提出计算思维训练是美术专业学生培养计算参与能力和逻辑思维提升的关键。在此基础上，文章分析了美术专业课程教学中的计算思维困境和挑战，提出了计算思维语境下美术专业学科交叉教学模式的新途径。

关键词：艺术教育;计算思维;计算机教育;课程体系

人类在探索和改造世界的过程中，通过对客观物质的观察和理解，进而产生了思维活动，具备了对知识的传承和相互交流的能力。随着计算的广泛应用和计算机技术的快速发展，如同印刷术推动人类读写和算术能力的改变一样，计算思维作为普适性能力正在被越来越多的学者呼吁和重视，各个国家也在积极筹划和探讨如何在不同学段培养学生的计算思维能力并付诸实施。那么，到底什么是计算思维，计算思维对当前美术教育的改革和发展提供了哪些机遇和挑战，我们又该如何对美术专业学生开展计算思维培养？本文就结合美术专业本科生的计算机基础课程教学，探讨如何利用计算思维指导美术专业学生跨学科、跨专业应用和学科交叉教育，以期对计算思维在视觉美术领域的应用提供借鉴和启迪。

1 什么是计算思维

要理解计算思维，需要从科学思维的概念入手。相对于艺术思维、宗教思维、情感思维等不同的思维形式，科学思维是指人类从事科学活动时的思维形式。[1]科学思维涵盖了以观察和实验为特征的实验思维、以推理和演绎为特征的理论思维、以抽象和自动化为特征的计算思维，后者由周以真教授在2006年正式提出并进行了系统描述。由于采用了计算机科学的相关概念来解决问题，再加上名称上冠以计算两个字，计算思维往往被误认为是与计算机编程密切相关，是一种程序思维或算法思维，甚至被写成计算机思维。随着计算思维研究工作的不断推进，人们对其的理解和阐述也回归正途。计算思维是一种人的思维，是人类把对于自然的认识转变成一种可构造性、可实现性的新知识内容。[2]计算思维是一个提出问题并生成问题解决方案的思考过程，是对知识的一种深化应用和扩展。

既然计算思维伴随着人类的思维活动一直存在，那我们如何理解计算思维的普及应用？例如，早期装修一所房子，可能只需要参考装修公司提供的样板间即可，但随着生活质量的提升和选择的多样化，个性化的装修装潢要求越来越高，样板间效果就越来越不让人满意。现在的设计师可以利用计算机做出多种不同的装修效果图供客户选择，效果图就是关于装修的形式化表达。甚至还可以借助虚拟技术，让客户参与到设计过程中来，这其实就是计算思维在实践过程中的新发展——计算参与的概念，是计算思维在环境艺术设计专业领域与具体学科相结合的实践要素。计算思维的应用，使得各种工程活动或者设计有了一定的范式可以遵循，施工工艺或者操作环节也有了一定的依据和标准，利用计算思维来考虑和解决问题也逐渐成为人类交流和文化传承的一种新模式。

计算思维之所以不是计算机思维，在于它是人的思维，是思想，而不是机械技能，更不是让人类像计算机那样思考，其核心本质仍然是抽象，即省略掉不必要的环节而强调共性环节。诚然，计算机的出现和发展强化了计算思维在分析问题和解决问题方面的作用与意义，待解决的问题可以被分解成计算机可以理解的方式来进行描述，但其作用更多的在于使问题的提出、分析和解决变得更加容易组织和实现，我们对计算思维研究的内容也集中在问题分解、抽象、算法和自动模拟问题上。计算思维是无处不在的，它提供了理解世界的智力工具，在人类社会中具有永久的价值，[3]这是对计算思维在当前人类思维活动和科学发展地位的由衷肯定。

2 计算思维在美术专业教育中的机遇和挑战

计算思维在与各个学科领域探索交叉应用的过程中，逐步从计算机学科分离出来，由计算思维演变为计算参与，并融入自然、社会、文化、生物等多种学科因素，产生了诸如计算化学、计算生物学等新的学科，美术学、设计学等也不例外，计算思维在美术专业课程教学中亦充满了机遇和挑战。

众所周知，美术家在进行艺术作品创作时，往往通过将感情和想象寄托于畫笔下的形象来表达。这种形象可以是符号，也可以是山水、人物、风景，或者雕塑、建筑、动画角色等各种艺术品。这种方法所体现的思维模式是具有形象性质的一种模式，是通过在一定原型基础之上进行模仿，进而产生变化或者抽象得到新的组合和结构。这是人类进行创新设计的一种通用范式方法。相对于数字和计算来讲，图示的语言表达会更加简洁明了，而图像所蕴含的意境则又更值得揣摩和回味。将逻辑属性极强的规律和形象特征通过抽象和简化，进而浓缩定型为某一种具体形象，这和计算思维解决问题的方式如出一辙。计算思维正是通过将主要特征、方法进行梳理和组织，再进行合理的信息变换和训练，使之能以适当的形式在计算机中进行处理和表达。例如，计算机借助抽象的符号来表达物质和能量转换中的问题，完成计算，模拟乃至预测自然和社会中的演化过程。[4]因此，计算参与美术创作和教学大有可为。我们目前的困境是，教学环节往往偏重计算思维概念的理解，而缺乏必要的计算参与实践。那么，教学体系中的诸要素要如何完成计算参与实践呢？

目前，国内普遍通用的本科人才培养模式中计算机课程是按照学期递增分别安排大学计算机基础课程、程序设计语言课程、数据库及数据结构课程，算法分析等，这种课程体系过多地倾向技能培训而忽略了思维教育，不利于学生创造性思维的形成，结果学生毕业后往往无法及时跟上行业环境的变化还需要再培训才能上岗。要突破思维禁锢放飞思想，内容上围绕计算思维概念、计算系统与算法思维进行变革，进一步扩展为系统思维和数据抽象、智能计算、网络思维等，利用MOOC和翻转课堂等多种方法手段。通过改革现有的基于技能培养标准建立的针对美术专业的计算机课程教学体系和考核标准，升华为围绕艺术创新和创作为核心，为艺术品的鉴赏、分析、评论和宣传提供必要的计算解读和计算参与，则是完全可行的。由于计算思维提供了分析问题和解决问题的通用范式，对计算思维的培养就可以从全方位的教学体系来实施，制定教学目标，优化教学内容，筛选教学方法，选择教学工具，明确教学评价，逐步完成由能力培养过渡到思维培养的计算机课程教学改革。内容上围绕计算机和艺术的融合创新进行变革，进一步细化为艺术抽象作品的鉴赏、设计及造型中的计算参与、艺术作品的模拟和仿真、平面作品和分形艺术的计算实现等，利用MOOC和翻转课堂等多种手段和方法，促进学生对计算思维的理解和实践。

3 计算思维语境下的美术专业教育探索

笔者从自己所在美术院校的本科教学实际出发，以大学计算机基础课程的教学改革为依托，积极开展计算思维在艺术学科领域中的研究和实践，并积累了一定经验。

3.1 以抽象为突破点开展计算思维教育

计算思维脱胎于计算机科学，因而它天生被打上了自然科学知识的烙印，但计算思维并不是计算机科学独有，在艺术领域艺术家们进行创作设计及评论的很多观念技巧与计算思维的思想不谋而合。艺术来源于生活却又高于生活，艺术品本质上可以看作是艺术家对生活的观察和提炼，进而创作产生一种用于寄托情感的符号、图像或者其他形式的作品，这个过程与计算思维的抽象本质殊途同归，都是对形象的简约、概括、转化和仿真。由此可见，艺术专业计算机课程中的计算思维教育可以把抽象作为出发点和突破点，将专业问题的解决转化为具体的造型、构图、临摹等特征问题并通过计算机工具实现，将计算思维的特征点如分解、简化、递归、并行、冗余、规划、变形、抽象、纠错等通过融入课堂的具体案例讲授从而被学生接受和理解，并逐步融入个人思维中。从艺术创作角度来说，广义上的抽象也是一种创作手段，在计算机课程教学过程中，通过指导学生对相关模块知识的归纳、提炼，再经过有意识的重组和整合，其目的是揭示知识模块表面覆盖的精神内涵。抽象的手段不再只是临摹或具象写生，而是通过造型、色彩、线条或各种莫名的空间元素来描述个人观念，表达个人意境，这也是抽象派绘画的基本风格。

3.2 以计算参与方式培养计算思维能力

计算参与是近几年计算思维概念在实践应用和发展过程中的一种新解读，在一定程度上也可以看成培养计算思维能力的一种新方法，很多艺术品的创作也都离不开计算的参与。例如，我们比较熟悉的遵循数学黄金分割比例的维纳斯雕像、维特鲁威人、埃及金字塔、巴特农神殿等，利用计算机编程完成的德罗斯特递归效应、庞加莱变幻、库斯塔曲面等，探讨数学可视化以及分形、混沌节点、双曲空间和拓扑变换等。这些艺术品以及生成原理和计算的参与密不可分，两者直接自然形成了一种默契的关系。我们在指导计算机基础课程所涵盖的算法结构、网络检索和多媒体技术等知识环节中，尤其是算法、图形图像处理问题时，有意识地将算法思想和图形图像矩阵变换原理与专业知识结合起来，培养学生将算法转化为图示的能力，也使得学生在明白软件相关命令操作对应的计算方法和原理后再熟悉和掌握软件，往往能达到事半功倍的效果。

3.3 以学科交叉应用指导美术教学实践

计算机课程离不开教学实践，教学实践也是检验学生是否能将所学知识融会贯通付诸应用的直接体现。现阶段，高校计算机课程的实践多是围绕课本知识点展开，再辅以一定学时量的课程设计或者实习，其本质依然是偏向课本知识验证，以验证类型实践居多，设计型以及综合型实践设计相对较少。我们在计算机课程教学过程中，针对学生的专业特点有选择性地设计部分实践内容，例如，针对纯绘画类专业属性的学生，除完成基本的技能操作和网络应用知识外，重点设计一批图形图像处理软件和电脑绘图软件的教学实践，同时辅助多媒体制作技术以便学生将自己的作品数字化、系统化和条理化;针对设计类专业属性的学生，以展示和设计方面的软件应用为主导，同时也涉及一些排版应用和虚拟开发实践项目。总之，在这些实践项目的构建过程中，都遵循一条基本的原则就是多从软件功能的角度出发，从计算辅助出发去探讨专业作品的完成，为美术作品的计算参与创作提供实践。

3.4 以计算思维理论为指导构建课程教学体系

普通高校非计算机专业的计算机课程教学体系，自教育部发布白皮书在高校普及计算机基础教育以來，先后经历了层次化教学、模块化教学、1+X等多种不同的教学体系，也经历了以计算机文化教育为主导、以计算机技能教育为主导和以计算思维理论为主导的不同历史时代，这是计算机科技的发展和计算机学科教育的历史必然。编者所在高校以计算思维理论为指导构建计算机课程教学体系，已经完成相应计算机基础课程的教材出版和实践编排工作，侧重点就在于计算机与艺术的融合创新。同时，围绕计算思维内涵教育和计算思维的培养完成课程体系建设与规划、相应教学方案的更新、教材的反馈和修订、教学方式的变化和翻转以及教学考核的改革、教学质量的提升和总结等。一切工作的部署和开展均围绕计算思维能力的培养和学科交叉教育，着重为艺术学科的专业能力提升、教学质量的进步和课程建设工作的不断完善提供了一种方法论和指导思想。

4 结语

美术专业的计算思维教育不是一蹴而就或者一劳永逸就能解决所有问题，但针对美术专业本科教学来说，认真规划相应的计算机课程教学体系，将计算思维的培养和教育融入美术专业培养目标并进行跨学科的教育和应用，向我们展现计算参与艺术创作发现和发掘事物本质的过程，这是进行学科交叉教育的一种良好的优选方式方法。

参考文献：

[1] 赵锋，王诚.大学计算机基础与计算思维[M].北京：清华大学出版社，2016.

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

[3] Xu ZW，Tu DD . Three new concepts of future computer science[J]. Journal of Computer Science and Technology，2011，26（4）：616-624.

[4] 韩德.基于计算思维的大学计算机课程知识体系构建研究[J].西昌学院学报（自然科学版），2014（12）：81-83.

作者简介：赵锋（1980—），男，湖北武汉人，研究生，副教授，主要研究方向：数字媒体，虚拟技术。