計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)教育培養(yǎng)思考

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摘要：隨著計(jì)算機(jī)日益廣泛而深刻的運(yùn)用，計(jì)算思維成為計(jì)算機(jī)教育中的熱門話題，形成了以“計(jì)算思維”為核心的計(jì)算機(jī)教育。以計(jì)算思維為導(dǎo)向進(jìn)行大學(xué)計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)，其目的就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解。學(xué)生學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)的目的在于解決本專業(yè)的實(shí)際問(wèn)題。大學(xué)階段各相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)的要求越來(lái)越高，同時(shí)不同專業(yè)之間對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的直接需求和依賴程度又存在較大差異，大學(xué)計(jì)算機(jī)教育應(yīng)與各類專業(yè)的培養(yǎng)“無(wú)縫連接”。

關(guān)鍵字：計(jì)算思維；計(jì)算機(jī)教育；專業(yè)培養(yǎng)

1引言

大學(xué)階段各相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)的要求越來(lái)越高，同時(shí)不同專業(yè)之間對(duì)計(jì)算機(jī)教育的直接需求和依賴程度又存在較大差異，同時(shí)考慮到在計(jì)算機(jī)教育不斷普及的今天，學(xué)生入學(xué)時(shí)的計(jì)算機(jī)水平也在不斷地變化，由于地區(qū)以及個(gè)人的差異，學(xué)生入學(xué)時(shí)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)存在著較大的差異，為促進(jìn)大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的開展，需要進(jìn)一步開展大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的教學(xué)研究和實(shí)踐。隨著計(jì)算機(jī)日益廣泛而深刻的運(yùn)用，計(jì)算機(jī)早已經(jīng)深入到干家萬(wàn)戶，同時(shí)計(jì)算這個(gè)原本專門的數(shù)學(xué)概念正在滲透到自然科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)泛化到了人類的整個(gè)知識(shí)領(lǐng)域，并上升為一種極為普適的科學(xué)概念，成為人們認(rèn)識(shí)事物、研究問(wèn)題的一種新視角、新觀念和新方法。可以說(shuō)我們處在計(jì)算無(wú)處不在的計(jì)算新時(shí)代，什么都要“計(jì)算”，在理論研究、試驗(yàn)科學(xué)之外，計(jì)算科學(xué)正在成為基礎(chǔ)科學(xué)研究的“第三維”。2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基•梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真(JeannetteM．Wing)教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威期：rU{CommunicationsoftheACM}}雜志上給出，并定義了計(jì)算思維(Computationa]Thinking)。周教授認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)算思維代表著一種普遍的認(rèn)識(shí)和一類普適的技能，每一個(gè)人，不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)家，都應(yīng)熱心于它的學(xué)習(xí)和運(yùn)用。計(jì)算機(jī)科學(xué)不是計(jì)算機(jī)編程。像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維意味著遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止能為計(jì)算機(jī)編程，它要求能夠在抽象的多個(gè)層次上思維。

2現(xiàn)狀分析

大學(xué)的計(jì)算機(jī)對(duì)后續(xù)其他課程的學(xué)習(xí)影響最大，在計(jì)算機(jī)教育不斷普及的今天，學(xué)生入學(xué)時(shí)f’J~-I‘算機(jī)水平也在不斷地變化，越來(lái)越多的大學(xué)新生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)水平擺脫“零起點(diǎn)”，但由于地區(qū)以及個(gè)人的差異，學(xué)生入學(xué)時(shí)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)存在著較大的差異。大家已經(jīng)普遍認(rèn)為學(xué)生的計(jì)算機(jī)水平有了很大程度的提高，但從實(shí)際情況看，這種提高主要體現(xiàn)在學(xué)生的計(jì)算機(jī)使用水平上，而不使用基于計(jì)算思維能力的計(jì)算機(jī)水平的提高。針對(duì)學(xué)生入學(xué)時(shí)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)存在著較大的差異，以及不同專業(yè)之問(wèn)對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的直接需求和依賴程度又存在較大差異，目前我們已經(jīng)在學(xué)校的非計(jì)算機(jī)專業(yè)基本實(shí)現(xiàn)了類分層次的教學(xué)實(shí)踐，并取得了一定的成果。為了使人學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程發(fā)揮其基礎(chǔ)作用，就要很好地與專業(yè)課程相結(jié)合，我們根據(jù)各專業(yè)的特點(diǎn)和學(xué)生的情況，進(jìn)行分類分層次教學(xué)。但同時(shí)應(yīng)以“計(jì)算思維”為核心進(jìn)行計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育，這樣才能適應(yīng)專業(yè)培養(yǎng)的需要。計(jì)算思維是目前大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)研究的熱點(diǎn)課題之一，應(yīng)在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中以培養(yǎng)大學(xué)生計(jì)算思維能力出發(fā)，對(duì)大學(xué)的計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革進(jìn)行一些探討和研究，將思維訓(xùn)練融入教學(xué)的各環(huán)節(jié)中，以期進(jìn)一步提升大學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力，挖掘大學(xué)生的學(xué)習(xí)潛能。

3與專業(yè)培養(yǎng)相適應(yīng)的計(jì)算思維教學(xué)

計(jì)算思維是人類求解問(wèn)題的一條途徑，但決非試圖使人類像計(jì)算機(jī)那樣地思考。計(jì)算思維是建立在計(jì)算過(guò)程的能力和限制之上的，不管這些過(guò)程是由人還是由機(jī)器執(zhí)行的。計(jì)算方法利模型使我們可以去處理那些原本無(wú)法由任何個(gè)人獨(dú)自完成的問(wèn)題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。許多人將計(jì)算機(jī)科學(xué)等同于計(jì)算機(jī)編程，計(jì)算思維可以給我們打開寬闊的視野，學(xué)生可以j修計(jì)算機(jī)科學(xué)，接著從事醫(yī)學(xué)、法律、商業(yè)、政治，以及任何類型的科學(xué)和工程，甚至藝術(shù)工作。計(jì)算具有復(fù)雜性，當(dāng)求解一個(gè)特定的問(wèn)題時(shí)，我們需要考慮：解決這個(gè)問(wèn)題有多困難?怎樣才是最佳的解決之道?需要我們運(yùn)用計(jì)算思維的觀點(diǎn)準(zhǔn)確地回答這些問(wèn)題，考慮機(jī)器的指令系統(tǒng)、它的資源約束和它的操作環(huán)境。而為了有效地求解，需要進(jìn)一步問(wèn)：一個(gè)近似解是否就足夠了，以及允許的誤差。計(jì)算思維就是把一個(gè)看來(lái)困難的問(wèn)題重新闡述成一個(gè)我們知道怎樣解的問(wèn)題，如通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真的方法。計(jì)算思維采用了抽象和分解來(lái)處理浩大復(fù)雜的任務(wù)或者設(shè)計(jì)巨大復(fù)雜的系統(tǒng)。通過(guò)進(jìn)行分離，選擇合適方式去陳述，或者是選擇合適的方式對(duì)問(wèn)題的相關(guān)方面建模使其易于處理。它是利用不變量簡(jiǎn)明扼要且表述性地刻畫系統(tǒng)的行為。計(jì)算思維利用啟發(fā)式推理來(lái)尋求解答，它在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度。計(jì)算思維是利用海量的數(shù)據(jù)來(lái)加快計(jì)算，它就是在時(shí)問(wèn)和空問(wèn)之間，存處理能力和存儲(chǔ)容量之間的權(quán)衡。計(jì)算不但已經(jīng)成為人們認(rèn)識(shí)自然、生命、思維和社會(huì)的一種普遍方法，而且正在試圖成為‘種傘新的世界觀。計(jì)算機(jī)科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，因?yàn)橄袼械目茖W(xué)一樣，它的形式化解析基礎(chǔ)筑于數(shù)學(xué)之。計(jì)算機(jī)科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維，基本計(jì)算設(shè)備的限制迫使計(jì)算機(jī)學(xué)家必須計(jì)算性地思考，不能只是數(shù)學(xué)性地思考。計(jì)算思維構(gòu)建了計(jì)算機(jī)教育與專業(yè)培養(yǎng)之間的橋梁。

隨著人們對(duì)計(jì)算能力要求的不斷提高，但是終端設(shè)備卻無(wú)泫滿足這種要求的增長(zhǎng)，于是云計(jì)算技術(shù)出現(xiàn)了Goog]e于2007年正式在IT行業(yè)內(nèi)提出了“云計(jì)算”的概念，并成功地引發(fā)了產(chǎn)業(yè)界對(duì)于云計(jì)算的極大關(guān)注。云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大眾參與的計(jì)算模式，其計(jì)算資源(包括計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、交互能力)是動(dòng)態(tài)的、ⅡJ伸縮的、被虛擬化的，而且是服務(wù)的方式提供。計(jì)算能力以服務(wù)的方式供消費(fèi)者使用，這就好比是從古老的單臺(tái)發(fā)電機(jī)模式轉(zhuǎn)向了電廠集中供電的模式。它意味著計(jì)算能力也i-j一以作為一種商品進(jìn)行流通，就像煤氣、水電，取用方便，費(fèi)用低廉。最大的不同在于，它是通過(guò)互聯(lián)進(jìn)行傳輸?shù)?。云?jì)算技術(shù)催牛了計(jì)算的泛化。云計(jì)算將為公司節(jié)省大量蚍勾置硬件設(shè)備所需的資金。云計(jì)算時(shí)代，計(jì)算已經(jīng)成為一種公共服務(wù)，我們無(wú)需購(gòu)置昂貴的巨型計(jì)算機(jī)。而且，通過(guò)向計(jì)算供應(yīng)商租用計(jì)算，也省卻了維護(hù)費(fèi)用。節(jié)省下來(lái)的巨大開支及人力可使公司更加專注于自己的核心業(yè)務(wù)。此外，云計(jì)算特別適用于復(fù)雜多變的經(jīng)濟(jì)環(huán)境。當(dāng)公司業(yè)務(wù)量激增時(shí)，公司只需租用更多I，I勺計(jì)算即可，當(dāng)業(yè)務(wù)因某種危機(jī)而出現(xiàn)萎縮時(shí)，公司只要少租用一一些計(jì)算，即可使自己的損失降到最低。而隨著數(shù)據(jù)量的不斷擴(kuò)展，我們進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代，人數(shù)據(jù)(bigdata)是指數(shù)據(jù)海量(包捅數(shù)據(jù)量大、產(chǎn)生速度快)、計(jì)算復(fù)雜(包括類型復(fù)雜、處理復(fù)雜)的數(shù)據(jù)集合，所涉及的資料量巨大到無(wú)法透過(guò)目前主流軟件工具，在合理時(shí)問(wèn)內(nèi)進(jìn)行有效的采集、管理和分析。大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，意味著處理規(guī)模更大，要處理的數(shù)據(jù)更為集中，用戶的數(shù)據(jù)被保存得更加完備更加集中，使得用戶隱私暴露的風(fēng)險(xiǎn)更大。各種各樣的大數(shù)據(jù)技術(shù)出現(xiàn)了，大數(shù)據(jù)技術(shù)正成為科學(xué)研究的第四范式——強(qiáng)推。大數(shù)據(jù)分析常和云計(jì)算聯(lián)系到一起，因?yàn)閷?shí)時(shí)的大型數(shù)據(jù)集分析需要像MapReduce一樣的框架來(lái)向數(shù)十、數(shù)百或甚至數(shù)干的電腦分配工作。

隨著計(jì)算的泛化，計(jì)算思維成為使用計(jì)算機(jī)科學(xué)分析和解決問(wèn)題的方法，計(jì)算機(jī)教育已經(jīng)由粗放式、經(jīng)驗(yàn)式教學(xué)向精細(xì)化、計(jì)算思維能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)型。計(jì)算機(jī)教育的內(nèi)容既有各專業(yè)基本都要涉及到的通識(shí)教育內(nèi)容，也有與專業(yè)聯(lián)系比較密切的內(nèi)容。因此，計(jì)算機(jī)教育需要針對(duì)不同類別的專業(yè)，在課程體系、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐內(nèi)容等方面應(yīng)進(jìn)行分類的教學(xué)模式。隨著信計(jì)算機(jī)教育的普及，絕大部分的學(xué)生都是非零起點(diǎn)。為此，可以針對(duì)不同專業(yè)類別和不同起點(diǎn)的新生采用不同的教學(xué)內(nèi)容，其內(nèi)容的廣度、深度都可以有所的區(qū)別，計(jì)算機(jī)教育的重點(diǎn)不再是知識(shí)的傳授，而是計(jì)算機(jī)思維能力的培養(yǎng)，這種思維應(yīng)該成為學(xué)生的技能組合。普在計(jì)算是己變?yōu)榻袢罩F(xiàn)實(shí)的昨日之夢(mèng)，而對(duì)于計(jì)算機(jī)教育來(lái)說(shuō)，計(jì)算思維培養(yǎng)在于今日，結(jié)果在于明日之現(xiàn)實(shí)。

作者：牛少彰 單位：南京大學(xué)