计算思维与大学计算机基础教育(2)

　　五、计算思维

　　国际上广泛认同的计算思维定义来自周以真（JeannetteWing）教授。周教授认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[7]。

　　计算思维的本质是抽象和自动化。如同所有人都具备“读、写、算”（简称3R）能力一样，计算思维是必须具备的思维能力。为便于理解，在给出计算思维清晰定义的同时，周以真教授还对计算思维进行了更细致的阐述：

　　计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释为如何求解它的思维方法。

　　计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。

　　计算思维是一种采用抽象和分解的方法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法（SoC方法）。

　　计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。

　　计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。

　　计算思维是利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。

　　计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法。

　　在理解计算思维时，要特别注意以下几个问题：

　　像计算机科学家那样去思维意味着远远不止能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思维。计算机科学不只是关于计算机，就像音乐产业不只是关于麦克风一样。

　　计算思维是一种根本技能，是每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的。

　　计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情，反过来，是计算机给了人类强大的计算能力，人类应该好好利用这种力量去解决各种需要大量计算的问题。

　　计算思维是思想，不是人造品。计算机科学不只是将软硬件等人造物呈现给我们的生活，更重要的是计算的概念，它被人们用来求解问题、管理日常生活以及与他人进行交流和互动。

　　计算机科学在本质上源自数学思维，它的形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维，因为我们建造的是能够与现实世界互动的系统。所以计算思维是数学与工程思维的互补与融合。

　　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。自然，它应当有效地融入我们每一堂课之中。

　　六、计算思维在我国

　　计算思维不是今天才有的，它早就存在于中国的古代数学之中，只不过周以真教授使之清晰化和系统化了。

　　中国古代学者认为，当一个问题能够在算盘上解算的时候，这个问题就是可解的，这就是中国的“算法化”思想。吴文俊院士正是在这一基础上围绕几何定理的证明展开了研究，开拓了一个在国际上被称为“吴方法”的新领域——数学的机械化领域，吴文俊为此于年获得国家首届最高科学技术奖。

　　随着以计算机科学为基础的信息技术的迅猛发展，计算思维的作用日益凸显。正像天文学有了望远镜，生物学有了显微镜，音乐产业有了麦克风一样，计算思维的力量正在随着计算机速度的快速增长而被加速地放大。

　　计算思维的重要作用引起了中国学者与美国学者的共同注意。

　　由李国杰院士任组长的中国科学院信息领域战略研究组撰写的《中国至2050年信息科技发展路线图》指出：

　　长期以来，计算机科学与技术这门学科被构造成一门专业性很强的工具学科。“工具”意味着它是一种辅助性学科，并不是主业，这种狭隘的认知对信息科技的全民普及极其有害。针对这个问题，报告认为计算思维的培育是克服“狭义工具论”的有效途径，是解决其他信息科技难题的基础[8]。

　　孙家广院士在《计算机科学的变革》一文中明确指出：（计算机科学界）最具有基础性和长期性的思想是计算思维[9]。

　　国家自然科学基金委员会信息科学部二处处长刘克教授，特别强调大学推进计算思维这一基本理念的必要性[10]。

　　中国科学院计算技术研究所研究员徐志伟总工认为：计算思维是一种本质的、所有人都必须具备的思维方式，就像识字、做算术一样；在2050年以前，让地球上每一个公民都应具备计算思维的能力[11]。

　　中科院自动化所王飞跃教授率先将国际同行倡导的“计算思维”引入国内，王教授翻译了周以真教授的《计算思维》一文，撰写了相关的论文《计算思维与计算文化》。他认为：在中文里，计算思维不是一个新的名词。

　　在中国，从小学到大学教育，计算思维经常被朦朦胧胧地使用，却一直没有提高到周以真教授所描述的高度和广度，以及那样地新颖、明确和系统。他希望我们能借“计算思维”之东风，尽快把中国世故人情的“算计文化”反正成为科学理性的“计算文化”，以提高我们民族的整体素质[12]。

　　教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会对计算思维的培育非常重视。2010年7月，在西安会议上，发布了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，确定了以计算思维为核心的计算机基础课程的教学改革[13]。

　　七、计算思维导论课程的构建

　　大学计算机基础课程群一般由“大学计算机基础”、“算法与程序设计”、“计算机系统类课程（软/硬件基础）”，以及“信息处理与应用基础”等若干课程组成。其中，大学第一门计算机基础课程是计算思维培养的一个关键。对于第一门课程，我们初步构建了以计算思维为核心的课程内容，并命名为“计算思维导论”。下面，从该课程的地位、性质、任务等方面介绍该课程的大致内容。

　　1．课程的地位、性质、任务

　　本课程是大学一年级新生入学后的第一门计算机基础课程。课程从推动人类文明进步和科技发展的三大支柱出发，介绍计算思维的定义、本质、特征，以及计算思维对其他学科的重要影响。然后，从学科的根本问题，即“能行性”入手，介绍计算理论的有关内容，包括计算复杂性、图灵机、量子计算等内容。最后，介绍计算机的算法基础、程序设计语言、Python编程、计算机软硬件基础等内容。

　　2．课程的基本要求

　　课程要求学生了解计算思维的基本内容，了解人与计算机器能力的局限性，了解计算思维解决问题的一般步骤，理解计算在问题解决过程中所发挥的作用，初步掌握Python编程语言，能进行简单的程序设计。

　　3．教学内容

　　（1）计算思维基础知识：科学发现的三大支柱，计算学科的兴起，计算学科的作用，名人名言；什么是计算科学；什么是计算机科学；什么是计算思维；主要研究内容，主要特征（它是什么，它不是什么），计算思维对其他学科的影响。

　　（2）计算理论：可计算问题、停机问题、计算复杂性等；图灵机，冯·诺依曼计算机模型，存储程序计算机，基本组成原理等；非传统计算模型（量子计算、分子计算、光计算等）。

　　（3）算法基础：算法的基本概念（定义、分类、表达），算法的设计方法（迭代法、递归法、随机法、启发式法等），算法的分析（最坏情况分析、平均情况分析），基本算法介绍（求和、求积、最大/最小、排序、查找、基本的图算法等）。

　　（4）程序设计语言：程序设计的结构问题（程序的三种基本结构、GOTO语句的问题等）；语言的语法和语义；低级程序设计语言（机器二进制指令代码、符号汇编语言等），高级程序设计语言（C、Fortran、C++、Java、等）。

　　（5）Python编程基础：Python语言简介，，Graphicvisual——VPython简介，科学计算包Numpy，功能的Matplotlib（库），安装包NetworkX，生物信息软件平台Cytoscape等。基本要素：编程过程，注释，操作符，变量和函数，数据类型及转换，字符串，列表和数组，字典，判定结构，循环语句，比较符，参数，递归，迭代，随机数等。Python编程实例：基本输入/输出，定义函数，创建文件，直线式编程，for循环，调用文件，数组计算等。基于Python的实验：蒙特卡罗算法计算圆周率，控制和创建一个声音文件，仿真一个小型物理系统等。

　　（6）计算机硬件基础：数制与运算，布尔逻辑与门电路，计算机组成（CPU、存储器、I/O设备、系统互联），指令系统及执行，计算机体系结构，组网与因特网（网络基础、因特网协议）。

　　（7）计算机基础软件：操作系统（操作系统的体系结构、协调机器的活动），软件工程（软件生命周期、模块化、人机界面），数据库系统（数据库基础、关系模型），人工智能（智能与机器）。

　　4．教学方法的原则建议

　　以计算学科基本问题为导向，以经典案例为基础，通过实验了解和应用编程的基本原理，通过习题课强化学科基础概念的理解，着力提高学生的计算思维能力。

　　5．教材与参考书目

　　（1）AllenDowney,JeffElknerandChrisMeyers.How

　　toThinkLikeaComputerScientist.GreenTeaPress,2002.

　　（2）JohnZelle.PythonProgramming:AnIntroduction

　　toComputerScience.Franklin,Beedle&Associates,2004.

　　（3）J.GlennBrookshear.ComputerScience:An

　　Overview(10thEdition).AddisonWesley,2009.

　　（4）DavidHarel,YishaiFeldman.Algorithmics-TheSpiritofComputing(3rdedition).Addison-Wesley,2004.

　　（5）JeannetteM.Wing.ComputationalThinking.

　　CommunicationsoftheACM,2006,49(3).

　　（6）TimBell,IanWhitten,andMikePowell.Computer

　　scienceunplugged.www.unplugged.canterbury.ac.nz.

　　本届教指委在上届教指委工作的基础上，总结了计算机基础教学的发展规律，做了三件大事：即计算机基础教学的能力培养目标、知识体系和实验体系、核心课程的基本要求。教指委的这些工作，创造性地建立了计算机基础教学科学化和规范化的教学研究方法，形成了比较科学的基础课程教学体系，这些都为以计算思维能力培养为核心的计算机基础课程教学改革奠定了良好的基础。本届教指委为新一轮的大学计算机基础课程改革作了大量的前期准备工作。在2010年5月的合肥会议上，探讨了计算思维融入计算机基础课程的问题，2010年月召开的西安会议，2010年9月召开的太原会议，均把计算思维列为会议的主要议题，特别是在《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》中，确定了以计算思维为核心的计算机基础课程教学改革[14，15]。

　　年11月的济南会议在更大范围内，讨论以计算思维为核心的课程教学改革。我们正在积极向教育部领导建言和申请立项，开展“计算思维：确保学生的创新能力”的大学计算机基础课程教学改革的研究。我们现在不仅仅是在谈论，而且是在具体做了，包括上海交通大学2010年秋季开设的实际上就是计算思维的课程，以及南方科技大学即将开设全新的大学计算机基础课程——计算思维导论。

参考文献：

[1]PresidentsInformationTechnologyAdvisoryCommittee.ComputationalScience:EnsuringAmericasCompetitiveness[EB/OL].http://www.nitrd.gov/pitac/reports/20050609_computational/computational.pdf,June2005.　　　  　　　　[2]PeterJ.Denning.Greatprinciplesofcomputing[J].CommunicationsoftheACM,2003,46(11).　[3]DavidPatterson.Restoringthepopularityofcomputerscience[J].CommunicationsoftheACM,2005,48(9).

[4]美国国家科学基金CPATH计划2009年项目申报说明[EB/OL].http://www.nsf.gov/cise/funding/cpath_faq.jsp#1.

[5]美国国家科学基金CDI计划官方网站[EB/OL].http://www.nsf.gov/crssprgm/cdi/

[6]爱因斯坦.相对论[M].周学政等译.北京：北京出版社，2007.

[7]JeannetteM.Wing.ComputationalThinking[J].CommunicationsoftheACM.2006,49(3

[8]中国科学院信息领域战略研究组.中国至2050年信息科技发展路线图[M].北京：科学出版社，2009.

[9]孙家广.计算机科学的变革[J].中国计算机学会通讯，2009，5(2).

[10]刘克.主题报告和分组报告评述[J].中国计算机学会通讯，2009，5(2).

[11]徐志伟.21世纪计算机科学的研究热点[J].中国计算机学会通讯，2009，5(2).

[12]王飞跃.从计算思维到计算文化[J].中国计算机学会通讯，2007，3(11).

[13]九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明[J].中国大学教学，2010(9).

[14]何钦铭，陆汉权，冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养——《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》解读[J].中国大学教学，2010(9).

[15]董荣胜.《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》呼唤教育的转型[J].中国大学教学，2010(10).