計算思維系統(tǒng)化特征探析

摘 要：計算思維作為思維科學(xué)的一個重要分支，具有其基本內(nèi)涵和外延。本文以培養(yǎng)跨學(xué)科人才計算思維能力為目標(biāo)，從思維科學(xué)的角度出發(fā)剖析計算思維的系統(tǒng)化基本特征以及其內(nèi)在規(guī)律。采用歸納和演繹推理的方法辨析計算思維和思維科學(xué)活動之間的縱向和橫向聯(lián)系。此工作有助于人們對計算思維在大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教育方法論上的認(rèn)識提高，對于以計算思維為核心的課程體系的建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：計算思維 系統(tǒng)化 思維科學(xué) 計算學(xué)科

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）04（b）-0099-02

1 什么是計算思維

美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授指出[1]：計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。

計算思維首先是計算學(xué)科所特有的一種思維方式，其次計算思維已經(jīng)成為各個學(xué)科共同的思維方式，已經(jīng)成為與理論思維和實(shí)驗(yàn)思維并列的第三種科學(xué)思維方式，最后也是最重要的一點(diǎn)是，計算思維正在成為當(dāng)今社會中一種重要的一般思維方式，正在成為人們生活智慧的重要組成。

2 計算思維研究現(xiàn)狀

嚴(yán)格說來，最早提出“計算思維”概念的是麻省理工學(xué)院（MIT）的Seymour Papert教授[2]，他在這篇并非以“計算思維”為核心的著述中卻無意中首次給出了“計算思維”的一些基本概念，為后來者的研究奠定了一個“計算思維”雛形。國內(nèi)學(xué)者如張曉如等[3]在20世紀(jì)90年代末也提出了“計算機(jī)思維”的概念，其內(nèi)涵和隨后周教授等提出的思想在主要方面基本一致，并可形成互補(bǔ)，他指出隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，“計算機(jī)”已不再是一個單純的計算工具的代名詞，而是信息時代高新技術(shù)的象征。但是國內(nèi)外比較公認(rèn)的最早系統(tǒng)提出“計算思維”的還是周以真教授[1]，她認(rèn)為計算思維不僅僅屬于計算機(jī)科學(xué)家，它應(yīng)當(dāng)是每個人的基本技能。在培養(yǎng)孩子們的解析能力時，我們不僅要求他們掌握基本的閱讀、寫作和算術(shù)（Reading，writing，and arithmetic，簡稱3R），并且還應(yīng)該要求他們學(xué)會基本的計算思維。

隨后桂林電子科技大學(xué)董榮勝教授在2008年全國“計算思維與計算機(jī)導(dǎo)論”專題學(xué)術(shù)研討會上[4]所作的主題報告分別介紹了以“計算思維”和“學(xué)科思想與方法”為基礎(chǔ)的兩類“計算機(jī)導(dǎo)論”課程，給出了兩類“計算機(jī)導(dǎo)論”課程的講授提綱，指出了它們的不同點(diǎn)以及課程講授本質(zhì)上的一致性。朱亞宗教授[5]站在人文歷史的基礎(chǔ)之上，把計算思維歸類為三大科學(xué)思維（實(shí)驗(yàn)思維、理論思維、計算思維）之一。電子科技大學(xué)的陳文宇等[6]指出了計算思維能力是形式化描述和抽象思維能力以及邏輯思維方法，在計算科學(xué)和思維兩方面說明了這樣的一種思維能力，思維能力是主體，核心是如何讓思維具有計算特征。

可以說計算思維成為當(dāng)前國際上被計算機(jī)科學(xué)界和教育界廣泛關(guān)注的一個重要課題。美國計算機(jī)協(xié)會（ACM）2008年在網(wǎng)上公布對CC2001（CS2001）進(jìn)行的中期審查報告（CS2001 Interim Review）（草案）中，就明確將“計算思維”與“計算機(jī)導(dǎo)論”課程綁定在一起，并明確要求該課程講授計算思維的本質(zhì)。計算思維還直接促成美國國家科學(xué)基金會（NSF）重大基金資助計劃CDI（Cyber-Enabled Discovery and Innovation，Cyber能夠?qū)崿F(xiàn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新）的產(chǎn)生，CDI計劃旨在使用計算思維（特別是在該領(lǐng)域產(chǎn)生的新思想、新方法）促進(jìn)美國自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的成果。

3 計算思維作為一般思維方式的特征

著名的認(rèn)知心理學(xué)家 Newell和 Simon（1972）把思維看作是個體在問題空間中進(jìn)行搜索的過程。這是信息加工心理學(xué)背景下的思維定義，有明顯的“系列加工”印記。在Newell和Simon看來，問題解決者會在問題情境中對問題進(jìn)行心理表征，而這一心理表征會構(gòu)建起一幅問題狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換的心理圖景，這一圖景既是符號性的，又具有一定的空間延展性，然后，問題解決者就會在心里對這一圖景進(jìn)行路徑搜索，直到將問題起始狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)聯(lián)結(jié)起來，問題即得以解決。系統(tǒng)論是研究系統(tǒng)的一般模式、結(jié)構(gòu)和規(guī)律的學(xué)問，它研究各種系統(tǒng)的共同特征，用數(shù)學(xué)方法定量地描述其功能，尋求并確立適用于一切系統(tǒng)的原理、原則和數(shù)學(xué)模型。Gerald M.Weinberg在《系統(tǒng)化思維導(dǎo)論》中表述系統(tǒng)化思維：“這種思維先于專門的學(xué)科知識的存在而存在——有時繞過專門的學(xué)科知識，有時又把專門的學(xué)科知識綜合起來。我們把這種思維和教育方法稱為一般系統(tǒng)論的方法?！?/p>

系統(tǒng)論的基本思想方法，就是把所研究和處理的對象，當(dāng)作一個系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，研究系統(tǒng)、要素、環(huán)境三者的相互關(guān)系和變動的規(guī)律性。要素重要，要素之間的關(guān)聯(lián)（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）更重要；系統(tǒng)重要，系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系也重要?？梢哉f，系統(tǒng)論首先是一種世界觀，世界是成系統(tǒng)的，整體性、動態(tài)性；其次是一種方法論，其具有結(jié)構(gòu)性、綜合性。

計算思維所涉及到的所有主體可以說都是一個復(fù)雜系統(tǒng)，所有從主體到客體的活動過程實(shí)質(zhì)上就是一個復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動過程。所以說，計算思維首先是一種系統(tǒng)思維，具有系統(tǒng)思維的系統(tǒng)化特征。例如，在計算機(jī)文本分類領(lǐng)域，一個典型的計算思維過程如下所示。

例句1：請將軍用毛毯蓋在受傷的士兵身上。

由于漢語沒有分詞標(biāo)記，詞與詞之間的界限不清，幾個詞語不同，詞長不等，意義不同的句法結(jié)構(gòu)可以共用字面統(tǒng)一而詞面不統(tǒng)一的文字形式，例句1根據(jù)不同的切詞結(jié)構(gòu)可以得到：

A.請/將軍/用毛毯蓋在受傷的士兵身上。

B.請/將/軍用毛毯/蓋在受傷的士兵身上。

我們?nèi)菀装l(fā)現(xiàn)語義上的混亂，實(shí)際上這是計算機(jī)進(jìn)行詞法分析的結(jié)果。起初，我們認(rèn)為這種分類只涉及到了詞法問題，但實(shí)際情況更為復(fù)雜。我們不知道自己的大腦中是如何在不同的解釋中進(jìn)行選擇的，甚至有時候我們發(fā)現(xiàn)了某些含混的解釋，卻不知道還有更多種可能的歧義深藏其中。計算機(jī)在對上面的句子進(jìn)行詞法分析的時候揭示了隱藏的假設(shè)，要想選擇文法通順的句子，首先必須懂得怎樣認(rèn)識句子，要讓計算機(jī)明白無誤的理解這些選擇。因此，我們會把對一個句子的理解堆積起來：語義規(guī)則堆在語法規(guī)則之上，語法規(guī)則又堆積在詞法規(guī)則上，我們必須強(qiáng)迫自己采用系統(tǒng)化的方法去理解一個簡單的句子。

因此，計算思維具有系統(tǒng)化特征。

4 結(jié)語

思無定法。計算思維教育問題已經(jīng)引起廣大計算機(jī)教育者的關(guān)注，國內(nèi)外不少學(xué)者對其都進(jìn)行了深入研究和探討，并且找到了行之有效的方法。本文的目的是培養(yǎng)大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中計算思維的形成、升華以及實(shí)用化。筆者在后續(xù)的研究中將結(jié)合大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，深入探討當(dāng)代大學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，以計算思維的培養(yǎng)為核心構(gòu)建課程模型和體系。

參考文獻(xiàn)

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[2] Seymour Papert.An Exploration in the Space of Mathematics Educations[J].International Journal of Computers for Mathematical Learning，1996，1（1）：95-123.

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[6] 陳文宇，吳祖峰，羅宗粉，等.計算機(jī)專業(yè)本科生計算思維能力的培養(yǎng)[C]//電子科技大學(xué)本科教學(xué)改革的實(shí)踐與研究論文集.2005.