計算思維與計算機教育培養(yǎng)思考

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

關(guān)鍵字：計算思維；計算機教育；專業(yè)培養(yǎng)

1引言

大學(xué)階段各相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)對計算機的要求越來越高，同時不同專業(yè)之間對計算機教育的直接需求和依賴程度又存在較大差異，同時考慮到在計算機教育不斷普及的今天，學(xué)生入學(xué)時的計算機水平也在不斷地變化，由于地區(qū)以及個人的差異，學(xué)生入學(xué)時的計算機基礎(chǔ)存在著較大的差異，為促進大學(xué)計算機教育的開展，需要進一步開展大學(xué)計算機教育的教學(xué)研究和實踐。隨著計算機日益廣泛而深刻的運用，計算機早已經(jīng)深入到干家萬戶，同時計算這個原本專門的數(shù)學(xué)概念正在滲透到自然科學(xué)以及社會科學(xué)等諸多領(lǐng)域，已經(jīng)泛化到了人類的整個知識領(lǐng)域，并上升為一種極為普適的科學(xué)概念，成為人們認(rèn)識事物、研究問題的一種新視角、新觀念和新方法?？梢哉f我們處在計算無處不在的計算新時代，什么都要“計算”，在理論研究、試驗科學(xué)之外，計算科學(xué)正在成為基礎(chǔ)科學(xué)研究的“第三維”。2006年3月，美國卡內(nèi)基•梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任周以真(JeannetteM．Wing)教授在美國計算機權(quán)威期：rU{CommunicationsoftheACM}}雜志上給出，并定義了計算思維(Computationa]Thinking)。周教授認(rèn)為：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計算思維代表著一種普遍的認(rèn)識和一類普適的技能，每一個人，不僅僅是計算機科學(xué)家，都應(yīng)熱心于它的學(xué)習(xí)和運用。計算機科學(xué)不是計算機編程。像計算機科學(xué)家那樣去思維意味著遠遠不止能為計算機編程，它要求能夠在抽象的多個層次上思維。

2現(xiàn)狀分析

大學(xué)的計算機對后續(xù)其他課程的學(xué)習(xí)影響最大，在計算機教育不斷普及的今天，學(xué)生入學(xué)時f’J~-I‘算機水平也在不斷地變化，越來越多的大學(xué)新生的計算機基礎(chǔ)水平擺脫“零起點”，但由于地區(qū)以及個人的差異，學(xué)生入學(xué)時的計算機基礎(chǔ)存在著較大的差異。大家已經(jīng)普遍認(rèn)為學(xué)生的計算機水平有了很大程度的提高，但從實際情況看，這種提高主要體現(xiàn)在學(xué)生的計算機使用水平上，而不使用基于計算思維能力的計算機水平的提高。針對學(xué)生入學(xué)時的計算機基礎(chǔ)存在著較大的差異，以及不同專業(yè)之問對計算機基礎(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)校的非計算機專業(yè)基本實現(xiàn)了類分層次的教學(xué)實踐，并取得了一定的成果。為了使人學(xué)計算機基礎(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)的特點和學(xué)生的情況，進行分類分層次教學(xué)。但同時應(yīng)以“計算思維”為核心進行計算機基礎(chǔ)教育，這樣才能適應(yīng)專業(yè)培養(yǎng)的需要。計算思維是目前大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)研究的熱點課題之一，應(yīng)在計算機基礎(chǔ)教學(xué)中以培養(yǎng)大學(xué)生計算思維能力出發(fā)，對大學(xué)的計算機課程教學(xué)改革進行一些探討和研究，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)的計算思維教學(xué)

計算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非試圖使人類像計算機那樣地思考。計算思維是建立在計算過程的能力和限制之上的，不管這些過程是由人還是由機器執(zhí)行的。計算方法利模型使我們可以去處理那些原本無法由任何個人獨自完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計。許多人將計算機科學(xué)等同于計算機編程，計算思維可以給我們打開寬闊的視野，學(xué)生可以j修計算機科學(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。計算具有復(fù)雜性，當(dāng)求解一個特定的問題時，我們需要考慮：解決這個問題有多困難?怎樣才是最佳的解決之道?需要我們運用計算思維的觀點準(zhǔn)確地回答這些問題，考慮機器的指令系統(tǒng)、它的資源約束和它的操作環(huán)境。而為了有效地求解，需要進一步問：一個近似解是否就足夠了，以及允許的誤差。計算思維就是把一個看來困難的問題重新闡述成一個我們知道怎樣解的問題，如通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真的方法。計算思維采用了抽象和分解來處理浩大復(fù)雜的任務(wù)或者設(shè)計巨大復(fù)雜的系統(tǒng)。通過進行分離，選擇合適方式去陳述，或者是選擇合適的方式對問題的相關(guān)方面建模使其易于處理。它是利用不變量簡明扼要且表述性地刻畫系統(tǒng)的行為。計算思維利用啟發(fā)式推理來尋求解答，它在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度。計算思維是利用海量的數(shù)據(jù)來加快計算，它就是在時問和空問之間，存處理能力和存儲容量之間的權(quán)衡。計算不但已經(jīng)成為人們認(rèn)識自然、生命、思維和社會的一種普遍方法，而且正在試圖成為‘種傘新的世界觀。計算機科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，因為像所有的科學(xué)一樣，它的形式化解析基礎(chǔ)筑于數(shù)學(xué)之。計算機科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維，基本計算設(shè)備的限制迫使計算機學(xué)家必須計算性地思考，不能只是數(shù)學(xué)性地思考。計算思維構(gòu)建了計算機教育與專業(yè)培養(yǎng)之間的橋梁。

隨著人們對計算能力要求的不斷提高，但是終端設(shè)備卻無泫滿足這種要求的增長，于是云計算技術(shù)出現(xiàn)了Goog]e于2007年正式在IT行業(yè)內(nèi)提出了“云計算”的概念，并成功地引發(fā)了產(chǎn)業(yè)界對于云計算的極大關(guān)注。云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的大眾參與的計算模式，其計算資源(包括計算能力、存儲能力、交互能力)是動態(tài)的、ⅡJ伸縮的、被虛擬化的，而且是服務(wù)的方式提供。計算能力以服務(wù)的方式供消費者使用，這就好比是從古老的單臺發(fā)電機模式轉(zhuǎn)向了電廠集中供電的模式。它意味著計算能力也i-j一以作為一種商品進行流通，就像煤氣、水電，取用方便，費用低廉。最大的不同在于，它是通過互聯(lián)進行傳輸?shù)?。云計算技術(shù)催牛了計算的泛化。云計算將為公司節(jié)省大量蚍勾置硬件設(shè)備所需的資金。云計算時代，計算已經(jīng)成為一種公共服務(wù)，我們無需購置昂貴的巨型計算機。而且，通過向計算供應(yīng)商租用計算，也省卻了維護費用。節(jié)省下來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，云計算特別適用于復(fù)雜多變的經(jīng)濟環(huán)境。當(dāng)公司業(yè)務(wù)量激增時，公司只需租用更多I，I勺計算即可，當(dāng)業(yè)務(wù)因某種危機而出現(xiàn)萎縮時，公司只要少租用一一些計算，即可使自己的損失降到最低。而隨著數(shù)據(jù)量的不斷擴展，我們進入了大數(shù)據(jù)時代，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法透過目前主流軟件工具，在合理時問內(nèi)進行有效的采集、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——強推。大數(shù)據(jù)分析常和云計算聯(lián)系到一起，因為實時的大型數(shù)據(jù)集分析需要像MapReduce一樣的框架來向數(shù)十、數(shù)百或甚至數(shù)干的電腦分配工作。

隨著計算的泛化，計算思維成為使用計算機科學(xué)分析和解決問題的方法，計算機教育已經(jīng)由粗放式、經(jīng)驗式教學(xué)向精細化、計算思維能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)型。計算機教育的內(nèi)容既有各專業(yè)基本都要涉及到的通識教育內(nèi)容，也有與專業(yè)聯(lián)系比較密切的內(nèi)容。因此，計算機教育需要針對不同類別的專業(yè)，在課程體系、教學(xué)內(nèi)容、實踐內(nèi)容等方面應(yīng)進行分類的教學(xué)模式。隨著信計算機教育的普及，絕大部分的學(xué)生都是非零起點。為此，可以針對不同專業(yè)類別和不同起點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，計算機教育的重點不再是知識的傳授，而是計算機思維能力的培養(yǎng)，這種思維應(yīng)該成為學(xué)生的技能組合。普在計算是己變?yōu)榻袢罩F(xiàn)實的昨日之夢，而對于計算機教育來說，計算思維培養(yǎng)在于今日，結(jié)果在于明日之現(xiàn)實。

作者：牛少彰 單位：南京大學(xué)