計算思維計算機基礎論文

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1計算思維

隨著計算機科學的飛速發展，目前計算機的使用已經深入到社會的各個領域，人們希望能夠更好地借助計算機完成工作，尤其是在科學研究領域，科研人員更迫切希望計算機為其研究開辟新的思路和方法。計算思維的提出是通過突出計算機處理問題的特性，引導人們從理論的角度理解計算機的行為，以便更好地使用它。然而關于計算思維這個概念，計算機學界一直存在著爭議，主要以ACM的前任會長PeterJDenning和2003年圖靈獎獲得者PeterNaur為代表。“計算思維”（ComputationalThinking）的爭議，關鍵在于對“計算”（Computation）一詞的理解。什么是計算？目前沒有明確唯一的定義，但一般的理解是，計算可看做一種信息狀態到另一種信息狀態的轉變過程，其中包含信息的傳遞和變化。比如，在計算機程序設計里，一組輸入到一組輸出，其中的變化過程就是計算。然而在生物學領域有個著名的中心法則，即DNA→RNA→蛋白質，現代分子生物學研究表明，DNA、RNA、蛋白質都是由其編碼序列決定的，它們之間的變換存在著信息的傳遞，科學家們認為這也是一種計算。周以真教授關于計算思維的定義，顯然是將計算限定在計算機科學領域，這樣是否會導致人們對計算認識的局限甚至是誤解？Denning教授指出：“計算思維并不是計算機科學唯一和獨有的特征，如果不謹慎地認識和看待它，將會把人們引向思維的陷阱”。同時，他認為計算作為信息的處理過程，在自然界中是無處不在的，計算機的計算只是眾多計算中的一種形式。計算機可以幫助人們完成很多任務，導致人們對它寄予過高的期望，周以真教授認為應該將計算思維變成常識。但是，這種美好的愿望忽略了一個基本的事實——計算機本身的局限性。

目前的計算機是以圖靈機為基本模型，Naur教授在Computingversushumanthinking一文中論證了這種計算機并不能描述人的思維，它只是描述現實世界的一種形式。這種觀點從根本上說明了當前計算機在處理信息能力上的局限性。當然，我們不能預測計算機以后能否完全描述和模擬人的思維，但是在目前的架構下是不能實現的。計算機雖然能幫助我們解決很多現實的問題，但不能期望它是萬能的，我們要了解目前計算機科學的研究邊界。Naur教授的研究還表明，圖靈模型不足以描述人的智能，如何使機器具有人的智能，可能還需要從不同的角度去研究，比如生物學的角度或非數字的形式。上述兩位教授提出的質疑，實質上是計算思維定義的延伸，即計算不能僅指計算機科學范疇內的計算，目前計算機科學的基礎概念也不足以描述所有的計算。計算思維的定義是從目前計算機科學所處的水平和角度提出的概念，這個概念可以概括當前計算機工作的特點，但如果作為一種思維方式進行推廣，可能會在某種程度上限制人們的思維。從另一個角度看，計算思維概念的提出具有非常積極的意義，它從一定程度上簡明扼要地指出了計算機科學的核心和本質問題，為其他科學領域的研究人員深入學習和理解計算機科學提供了很好的目標與方向。綜上所述，計算思維目前還是一個處于研究和探索的定義或概念，有待發展和完善，因此，我們在將此概念運用到大學計算機基礎教學改革中時，應注意此概念涵蓋的范圍。

2計算思維與大學計算機基礎教學改革

在當前的信息化社會中，計算機作為信息處理的主要工具已成為人們生活、學習和工作必不可少的幫手，因此，在各個層次的教育中，計算機基礎教育都是非常必要的。但是，在以往計算機教學的過程中，不論是教學方法還是教學內容都存在著“狹義工具論”的問題，即僅把計算機作為工具，產生的后果是，學生只能機械地操作計算機而不能靈活地使用計算機解決問題。從另一個角度看，工具論的教學思維導致了計算機基礎教學思想不明確，老師和學生熱衷于追逐新技術、新方法，多年的計算機基礎教育并沒有形成穩定的課程知識體系和科學的課程知識結構，這都是教學中亟待改革的弊端。把計算思維引入計算機基礎教學改革的研究即是針對這一弊端提出的解決思路。計算思維強調運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及行為理解，正好指明了計算機基礎教育不應只停留在工具使用層面，而應深入地培養學生運用計算機科學解決問題的能力。然而，如何才能培養學生的計算思維能力？計算思維不能只是抽象的概念，我們需深入思考一下計算思維的內涵，再結合計算機基礎教學的實際對其進行全面的分析。我們知道一種思維的形成不是通過一兩門課程的學習就能構建起來的。具體到計算思維，按照其定義，計算思維是運用計算機學科的基礎概念進行問題求解的，而計算機學科求解問題通常有3個過程：①理論（數學）；②抽象（模型）；③設計（工程）。具備這3個過程的計算機基礎知識課程至少包括離散數學、算法分析理論、計算機組成原理、數據結構、程序設計方法學以及至少一種程序設計語言。目前，我國的大學計算機基礎教學屬于公共基礎課程，其課時和教學內容都很有限，一般在1~3個學期內完成，每個學期開設一門計算機相關課程，大概總學時不會超過200學時。如果按照上文的方式引入以計算思維為主的教學，其課時至少要翻一倍，且這種調整涉及所有專業，其可行性有待商榷。況且，課程的深度與難度也不是所有專業的學生都能適應的。因此，通過大幅增加教學內容和加深教學難度的方式來培養計算思維，其實施難度較大。怎樣才能將計算思維的理念有效地運用到大學計算機基礎教學中去呢？計算思維涵蓋的內容非常廣泛，如果籠統地強調計算思維能力的培養，在教學實踐中難以落實。

根據學生專業的特點以及對計算機知識需求的層次不同，教師可以將計算思維能力進一步分解與細化，實現在不同層次上培養學生的計算思維能力。計算思維能力由淺到深可分為3個層次：操作能力、信息處理能力、問題求解能力。操作能力是指運用計算機應用程序的能力，非計算機專業的學生使用計算機解決實際問題，只有在熟練操作機器的基礎上才可能進一步了解機器。操作能力是計算思維最基本的內容。計算機的操作系統眾多，應用程序更是成千上萬，操作能力的培養關鍵是能夠舉一反三，培養學生的自學能力。這個階段的學習應以上機訓練為主，學生學習若干個應用程序的使用，并自學幾個應用程序，達到自行掌握應用程序的能力。信息處理能力是指主動運用計算機存儲、傳輸、管理和處理各類信息的能力。在這個層次，我們首先應該讓學生掌握計算機硬件結構、數制編碼、網絡基礎、數據庫基礎等基本問題，注重培養學生從信息處理的角度理解并應用這些知識，引導他們以計算機學科的眼光看待和處理生活中的信息，培養學生主動運用計算機進行信息處理的能力。問題求解能力是指運用計算機求解實際問題的能力，即將實際問題化為計算機能夠求解的方式。對于非計算機專業的學生，我們主要通過講授程序設計語言讓他們理解和運用計算機求解問題的方式，培養他們發現問題的能力，發現計算機與自身專業的結合點。

3從知識教學向思維教學轉變

計算機基礎教學的傳統教學模式以老師為主體，將計算機的相關知識傳授給學生，先講基礎理論知識，再教相關軟件的應用，這是典型的知識教學模式。知識教學側重于學習現成的知識結論、技巧和方法，忽視了學科基本方法和基本精神的培養與訓練，這也正是造成計算機基礎教學種種弊端的根源。思維教學強調在教學環節中對學生進行思維的訓練。美國心理學和教育學專家RobertJSternberg指出：思維教學的核心理念是培養聰明的學習者，教師不僅要教會學生如何解決問題，也要教會他們發現值得解決的問題。以往的教學重視如何將知識與技能傳授給學生，學生被動接受，并沒有主動思考。思維教學強調以問題為核心，問題可以是老師提出的問題也可以是學生提出的問題。教學模式主要以“提出問題—分析問題—解決問題”為主，輔以理論知識的介紹。在問題的提出、分析、解答過程中需要學生參與，極大地調動了學生的積極性；在思考的過程中由老師引導學生進行思維訓練。發現問題需要有實踐做基礎，因此，思維教學中創設情境是非常必要的。大學計算機基礎教學可以依據思維教學理論制定相應的思維教學實施步驟。在講授操作系統這個知識模塊時，教師往往一開始就是講操作系統的原理、特征與分類等基礎知識，學生一般難以接受，尤其不能理解進程、并發、虛擬等概念，更別說提出自己感興趣的問題了。然而，思維教學模式先創設情境，從現在學生熟悉的智能手機入手，再教學生使用Windows操作系統，讓學生了解操作系統的作用。在初步了解的前提下，適當地提出問題：操作系統怎么進行設備管理？為什么“死機”的情況下，可以通過結束任務或進程恢復機器？任務管理器管理的是什么？學生在使用的過程中也會提出很多他們感興趣的問題。教師在對這些問題進行分析和解答的過程中，將操作系統的基礎知識傳授給學生。整個學習過程里，學生不僅學到了操作系統是什么，怎么運行，也了解了操作系統為什么這么做，從而培養了從計算思維的視角認識和理解操作系統的能力。

4結語

計算思維能力的培養是當前大學計算機基礎教學改革的重點方向，全面深刻地認識計算思維概念的內涵，有利于擴展老師和學生的視野。研究如何在教學實踐中培養學生的計算思維能力是非常迫切的任務，將教學模式從知識教學向思維教學轉變是值得深入研究和切實可行的改革舉措。

作者：羅芳 楊長興 單位：中南大學信息科學與工程學院