以計(jì)算思維為主線整合大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)課程

王大鵬　王續(xù)琨　劉德山　宋傳鳴

摘要：計(jì)算思維是一個(gè)具有多重內(nèi)涵的概念，一般而言是指人通過計(jì)算的方式認(rèn)識(shí)客觀世界和參與改造客觀世界的腦力活動(dòng)。文章依據(jù)現(xiàn)有的期刊論文和已經(jīng)出版的計(jì)算思維類教材，梳理出計(jì)算思維導(dǎo)論課程的5個(gè)基本論題，以計(jì)算思維作為課程整合的主線，提出將計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)文化概論、計(jì)算思維導(dǎo)論列為面向所有本科生的大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)課的課程設(shè)置改革方案。

關(guān)鍵詞：計(jì)算思維；計(jì)算思維導(dǎo)論；大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)課；計(jì)算機(jī)文化

1.計(jì)算思維概念的多重內(nèi)涵

計(jì)算思維作為與理論思維、實(shí)驗(yàn)思維相并列的一種科學(xué)思維形式，近年來越來越受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注，相關(guān)文獻(xiàn)逐年增多。依據(jù)文獻(xiàn)檢索結(jié)果可以大致斷定，中國(guó)學(xué)者在20世紀(jì)90年代即開始使用計(jì)算思維概念。錢學(xué)森先生于1980年提出創(chuàng)建和發(fā)展思維科學(xué)的設(shè)想，此后中國(guó)學(xué)者逐步將思維研究的觸角延伸到計(jì)算學(xué)科和計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。1992年，黃崇福在其博士學(xué)位論文《信息擴(kuò)散原理與計(jì)算思維及其在地震工程中的應(yīng)用》中為計(jì)算思維做出了最初的定義：“簡(jiǎn)明扼要地講，計(jì)算思維就是思維過程或功能的計(jì)算模擬方法論?！边@是一個(gè)從思維的計(jì)算功能模擬視角所做出的定義。

在中國(guó)知網(wǎng)的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫》中以計(jì)算思維作為檢索詞進(jìn)行篇名的精確檢索，共檢出901篇文獻(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱為計(jì)算思維期刊文獻(xiàn)）。表1列出這些文獻(xiàn)2003-2016的年度分布情況（2016年僅錄入部分文獻(xiàn)，表中加括號(hào)予以特別標(biāo)示）。

第一篇計(jì)算思維期刊文獻(xiàn)是《生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志》2003年第3期發(fā)表的《人腦不同計(jì)算思維方式的功能定位研究》，此文也是在腦科學(xué)、思維科學(xué)的意義上使用計(jì)算思維概念的。中斷了5年之后，2009年共有8篇計(jì)算思維期刊文獻(xiàn)問世。檢視文獻(xiàn)內(nèi)容可知，這些文獻(xiàn)所論述的計(jì)算思維概念是從國(guó)外引進(jìn)的。國(guó)外的“計(jì)算思維”概念最早出現(xiàn)于2006年美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授周以真（Jeannette M.Wing）發(fā)表的《計(jì)算思維》一文，此文提出具有特定學(xué)術(shù)內(nèi)涵的計(jì)算思維（computational thinking）概念，從計(jì)算機(jī)科學(xué)角度為其做出了經(jīng)典定義：“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為，它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)?！?008年，美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）接受了周以真的計(jì)算思維理念，明確要求計(jì)算機(jī)導(dǎo)論一類課程應(yīng)該重點(diǎn)講授計(jì)算思維的本質(zhì)。由于權(quán)威學(xué)術(shù)團(tuán)體的大力倡導(dǎo)，計(jì)算思維迅速成為計(jì)算機(jī)學(xué)術(shù)界和高等教育界的一個(gè)熱詞。

2008年10月，全國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)教育研究會(huì)計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)導(dǎo)論專題研討會(huì)在桂林召開，此后出現(xiàn)了學(xué)術(shù)研究的連鎖反應(yīng)，相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)量迅速增長(zhǎng)。由表1可知，計(jì)算思維期刊文獻(xiàn)從2010年至2013年分別呈現(xiàn)三倍數(shù)、四倍數(shù)和兩倍數(shù)的增長(zhǎng)。2015年該類文獻(xiàn)的產(chǎn)出量大約在300篇以上。目前，在中國(guó)知網(wǎng)的《中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》中以計(jì)算思維作為檢索詞進(jìn)行題名的精確檢索，可以檢索到25篇學(xué)位論文。除前面提到的1992年完成的一篇博士學(xué)位論文之外，其余24篇碩士學(xué)位論文為2012年3篇、2013年4篇、2014年7篇、2015年10篇，同樣呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。期刊文獻(xiàn)和學(xué)位論文數(shù)量的急劇增長(zhǎng)，緣于社會(huì)需求的強(qiáng)力拉動(dòng)，社會(huì)需求誘導(dǎo)研究者對(duì)計(jì)算思維產(chǎn)生越來越高的學(xué)術(shù)關(guān)注度和探究熱情。

初步瀏覽上述期刊文獻(xiàn)的內(nèi)容可以看出，中國(guó)學(xué)者在研究中普遍從計(jì)算機(jī)課程教學(xué)和人才培養(yǎng)的視角來探討計(jì)算思維的各種問題。較早介入計(jì)算思維研究的董榮勝，借用周以真的定義將計(jì)算思維界定為“運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想與方法進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解的涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)”。該定義將周以真定義中的“基本概念”置換為“思想與方法”，有助于人們對(duì)計(jì)算思維有更全面的理解。

在最近幾年的研究中，中國(guó)學(xué)者對(duì)計(jì)算思維概念也做出了一些補(bǔ)充性的闡釋。李廉在《計(jì)算思維——概念與挑戰(zhàn)》一文中從基本特征的角度做出界定：“計(jì)算思維是人類科學(xué)思維中，以抽象化和自動(dòng)化，或者說以形式化、程序化和機(jī)械化為特征的思維形式?！饼徟嬖蜅钪緩?qiáng)的《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)中的計(jì)算思維培養(yǎng)》一文，認(rèn)為計(jì)算思維包含計(jì)算思維意識(shí)、計(jì)算思維方法、計(jì)算思維能力3個(gè)層次的內(nèi)容。張東生和季超在《從形象思維到計(jì)算思維》一文中指出，現(xiàn)代計(jì)算思維概念的內(nèi)涵是計(jì)算機(jī)解題（目前主要是結(jié)構(gòu)化和形式化問題）的思維方式。

思維是人認(rèn)識(shí)客觀世界和指向改造客觀世界的精神活動(dòng)（或腦力活動(dòng)），是人類大腦的機(jī)能，并可由機(jī)器加以模擬?；趯?duì)思維的這樣一種理解，可以為計(jì)算思維做出一個(gè)粗淺的解釋：計(jì)算思維是人通過計(jì)算的方式認(rèn)識(shí)客觀世界和參與改造客觀世界，能夠?yàn)闄C(jī)器所部分模擬的腦力活動(dòng)。對(duì)人而言，計(jì)算在本質(zhì)上是一種思維性的腦力活動(dòng)。將計(jì)算和思維整合為計(jì)算思維概念，目的在于強(qiáng)調(diào)從思維的層面或視角來看待、研究、應(yīng)用計(jì)算方法和作為計(jì)算工具的電子計(jì)算機(jī)，概括、總結(jié)、提煉計(jì)算理論和計(jì)算文化。

2.計(jì)算思維導(dǎo)論類課程基本內(nèi)容的梳理

進(jìn)入新世紀(jì)以后，在美國(guó)計(jì)算思維教育理念的影響下，許多中國(guó)學(xué)者主張“大學(xué)計(jì)算機(jī)”類課程應(yīng)以計(jì)算思維為主線。2010年以來，一些學(xué)校開設(shè)了以計(jì)算思維導(dǎo)論、計(jì)算思維概論、計(jì)算思維基礎(chǔ)等命名的課程。借助“讀秀學(xué)術(shù)搜索”平臺(tái)，可以檢索到以計(jì)算思維作為書名主題詞的著作46部，其中2012年3部、2013年7部、2014年16部、2015年20部。這些著作多數(shù)為高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類課程的教材，其出版量的快速增長(zhǎng)，表明開設(shè)計(jì)算思維類課程的學(xué)校越來越多。

各高等學(xué)校所開設(shè)的計(jì)算思維類課程在體系內(nèi)容方面各擅勝場(chǎng)，各有側(cè)重。在翻看多部教材類著作的基礎(chǔ)上，我們梳理出計(jì)算思維導(dǎo)論類課程的5個(gè)基本論題，每個(gè)論題之下都包含若干具體內(nèi)容或有待長(zhǎng)期研究的具體課題。

——計(jì)算和計(jì)算思維的本質(zhì)和特征。主要內(nèi)容包括：計(jì)算和計(jì)算思維概念的內(nèi)涵和外延，計(jì)算手段向計(jì)算思維轉(zhuǎn)化遞升的路徑，計(jì)算思維的基本特征，計(jì)算、計(jì)算思維與電子計(jì)算機(jī)的關(guān)系，前計(jì)算機(jī)時(shí)代與計(jì)算機(jī)時(shí)代計(jì)算思維的比較。

——計(jì)算思維的科學(xué)定位。主要內(nèi)容包括：計(jì)算思維與創(chuàng)造性思維的關(guān)系，計(jì)算思維與理論思維、實(shí)驗(yàn)思維的區(qū)分和相互關(guān)系，計(jì)算思維與抽象思維及具象思維的交互作用，計(jì)算思維與邏輯思維及直覺思維的交互作用，計(jì)算思維與科學(xué)學(xué)科思維的互補(bǔ)關(guān)系，計(jì)算思維與管理思維、決策思維、臨床思維等實(shí)踐活動(dòng)思維的互滲關(guān)系。

——計(jì)算思維的社會(huì)功能。主要內(nèi)容包括：計(jì)算思維的適用范圍，計(jì)算思維的創(chuàng)新功能，基于計(jì)算思維（概念、方法、模型、算法、工具、系統(tǒng)等）進(jìn)化的解決問題新模式，計(jì)算思維與互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代網(wǎng)絡(luò)思維的內(nèi)在聯(lián)系，作為科學(xué)研究手段的計(jì)算思維模式，計(jì)算思維轉(zhuǎn)化為科學(xué)研究方法的機(jī)制，計(jì)算思維在計(jì)算機(jī)通識(shí)課建設(shè)中的導(dǎo)向作用，計(jì)算思維框架下的計(jì)算機(jī)類課程教學(xué)模式，計(jì)算思維在管理、工程、生產(chǎn)等領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用。

——計(jì)算思維的運(yùn)作機(jī)理。主要內(nèi)容包括：計(jì)算問題的辨識(shí)和確認(rèn)，計(jì)算思維進(jìn)路的設(shè)計(jì)，計(jì)算思維的展開步驟，計(jì)算思維的表述體系，計(jì)算思維過程中的基本運(yùn)作方法（嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真等），計(jì)算思維的化整為零（有限元）原理，計(jì)算思維的化繁為簡(jiǎn)（約簡(jiǎn)）原理，大數(shù)據(jù)和云計(jì)算背景下的計(jì)算思維運(yùn)用模式。

——計(jì)算思維培養(yǎng)訓(xùn)練的路徑和方式。主要內(nèi)容包括：小學(xué)階段、中學(xué)階段和大學(xué)階段計(jì)算思維訓(xùn)練的對(duì)接，知識(shí)傳授基礎(chǔ)上的計(jì)算思維培養(yǎng)訓(xùn)練機(jī)理，不同類型大學(xué)生（理科生、工科生、農(nóng)科生、醫(yī)科生、文科生、高等職業(yè)院校生等）計(jì)算思維能力培育的共性和差異，計(jì)算思維培養(yǎng)訓(xùn)練與相關(guān)課程（計(jì)算機(jī)硬件類課程、程序類課程、算法類課程、數(shù)據(jù)庫課程、一般數(shù)學(xué)類課程、信息技術(shù)類課程等）的關(guān)系，不同類型受教育對(duì)象的計(jì)算思維培養(yǎng)方式，跨學(xué)科課堂的計(jì)算思維訓(xùn)練。

伴隨著高等學(xué)校計(jì)算思維導(dǎo)論類課程的普遍開設(shè)，在計(jì)算思維研究成果積累到一定程度之后對(duì)這些成果進(jìn)行學(xué)科化梳理，有望建立一門新學(xué)科——計(jì)算思維學(xué)。以計(jì)算思維作為研究對(duì)象的計(jì)算思維學(xué)，是介于計(jì)算科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與思維科學(xué)之間的交叉學(xué)科。這門學(xué)科對(duì)于強(qiáng)化計(jì)算機(jī)思維導(dǎo)論類課程的理論基礎(chǔ)具有不可替代的作用。

3.整合大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)課程的構(gòu)想

電子計(jì)算機(jī)是20世紀(jì)人類的一項(xiàng)極為重要的發(fā)明成果。在電子計(jì)算機(jī)的重要性越來越凸顯、應(yīng)用范圍越來越廣泛的大背景下，高等學(xué)校為學(xué)生普遍開設(shè)計(jì)算機(jī)類課程是必然的選擇。20世紀(jì)80年代初，計(jì)算機(jī)普及在中國(guó)出現(xiàn)第一次熱潮，一些高等學(xué)校開始為學(xué)生開設(shè)“計(jì)算機(jī)應(yīng)用”一類課程。為了推動(dòng)面向非計(jì)算機(jī)專業(yè)大學(xué)生的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育，1984年，全國(guó)高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會(huì)成立。1985年，該研究會(huì)提出高等學(xué)校非計(jì)算機(jī)專業(yè)同四年學(xué)制相對(duì)應(yīng)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育4個(gè)層次課程體系方案。在計(jì)算機(jī)普及的第二次熱潮中，教育部于1997年12月下發(fā)教高司[1997]155號(hào)文件，提出計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的目標(biāo)、要求和內(nèi)容，將以往的4個(gè)層次調(diào)整為計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)3個(gè)層次。2002年以來，全國(guó)高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育研究會(huì)和清華大學(xué)出版社共同發(fā)起成立的“中國(guó)高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育改革課題研究組”，在2004年、2006年、2008年、2014年出版課題研究報(bào)告《中國(guó)高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程體系》，提出不同類型專業(yè)的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程體系參考方案。

2008年以后，源于美國(guó)的計(jì)算思維概念傳人中國(guó)，對(duì)計(jì)算機(jī)教育產(chǎn)生了深刻的影響，不僅出現(xiàn)一批融入計(jì)算思維理念的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)類教材，如《計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與計(jì)算思維》等，還出現(xiàn)了《計(jì)算思維基礎(chǔ)》《計(jì)算思維導(dǎo)論》《計(jì)算思維教育》《計(jì)算思維——計(jì)算學(xué)科導(dǎo)論》等以計(jì)算思維為主要內(nèi)容的教材，可以將這種趨向稱之為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的“計(jì)算思維轉(zhuǎn)向”。

針對(duì)這一情勢(shì)，《中國(guó)高等院校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程體系2014》明確指出：“把計(jì)算思維能力的培養(yǎng)作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)和改革的切入點(diǎn)，……需要以現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)和內(nèi)容為基礎(chǔ)，從計(jì)算思維能力培養(yǎng)的要求角度，進(jìn)一步組織與優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，突出核心；同時(shí)，通過教學(xué)方法的改革，加強(qiáng)思維方法訓(xùn)練?！弊裱@個(gè)思路，我們提出改進(jìn)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的課程設(shè)置方案。

中國(guó)高等學(xué)校總計(jì)有數(shù)百個(gè)本科專業(yè)，各校根據(jù)自身的專業(yè)設(shè)置情況和師資力量，對(duì)非計(jì)算機(jī)專業(yè)可以按專業(yè)類別，據(jù)實(shí)際需要開設(shè)不同的計(jì)算機(jī)課程，如面向工科類專業(yè)的程序設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)基礎(chǔ)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等，面向文科非財(cái)經(jīng)類專業(yè)的數(shù)據(jù)庫與程序設(shè)計(jì)、網(wǎng)頁設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、電子政務(wù)應(yīng)用、電子商務(wù)應(yīng)用、社會(huì)統(tǒng)計(jì)分析軟件應(yīng)用等。在這些個(gè)性化課程之外，建議面向所有的專業(yè)（包括計(jì)算機(jī)專業(yè)）開設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)文化概論、計(jì)算思維導(dǎo)論3門公共必修課。這3門既有相對(duì)功能分工又有總體整合目標(biāo)的課程，是通識(shí)教育的重要內(nèi)容，因而可將其稱為大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)課程。這是一個(gè)涵義更為直觀的概念。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)的基本功能，是通過計(jì)算機(jī)應(yīng)用技能的訓(xùn)練，提高學(xué)生的信息素養(yǎng)，使之具備良好的信息獲取、信息儲(chǔ)存、信息處理、信息呈現(xiàn)分享能力，初步認(rèn)識(shí)計(jì)算和計(jì)算思維在社會(huì)進(jìn)步中的重要作用，成為信息社會(huì)的合格公民。這門課程要特別注意同中學(xué)階段銜接。由于中學(xué)辦學(xué)條件的不斷改善，大學(xué)生入學(xué)時(shí)已經(jīng)掌握了基本的計(jì)算機(jī)操作技能。計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)課程要在技能的提升上下功夫，適度引入“形而上”的計(jì)算機(jī)文化和計(jì)算思維理念，為后續(xù)的兩門課程做必要的鋪墊。

計(jì)算機(jī)文化概論的基本功能，是通過對(duì)生產(chǎn)、銷售、使用和研究計(jì)算機(jī)過程中所形成的各種文化現(xiàn)象的探討，使學(xué)生對(duì)多層面（物質(zhì)文化、行為文化、制度文化、心智文化）的計(jì)算機(jī)文化有較為全面的了解，使其自覺遵守社會(huì)公共道德規(guī)范和相關(guān)法律法規(guī)和信息安全準(zhǔn)則，依法進(jìn)行信息技術(shù)活動(dòng)，堅(jiān)決抵制不良信息，樹立知識(shí)產(chǎn)權(quán)意識(shí)，敬畏創(chuàng)造性腦力勞動(dòng)及其成果，充分理解計(jì)算思維的智能屬性。

計(jì)算思維導(dǎo)論的基本功能，是通過對(duì)前期計(jì)算機(jī)課程和計(jì)算機(jī)操作應(yīng)用實(shí)踐的總結(jié)反思，使學(xué)生在思維層面了解計(jì)算機(jī)的基本原理和演進(jìn)發(fā)展歷程，正確認(rèn)識(shí)計(jì)算思維的本質(zhì)和特征，把握計(jì)算思維的科學(xué)定位和運(yùn)作機(jī)理，厘清計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展與計(jì)算思維方法及計(jì)算思維能力的關(guān)系，樹立變革性的計(jì)算思維意識(shí)，積極主動(dòng)地實(shí)現(xiàn)思維方式的變革。

表2對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)課程的功能分工、課程特征、教學(xué)方式、整合目標(biāo)做了簡(jiǎn)單的比較。3門課程的功能、特征不同，應(yīng)該有各具特色的教學(xué)方式。計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)應(yīng)圍繞最新軟件技術(shù)少講多練，著力于提升學(xué)生的計(jì)算機(jī)操作技能；計(jì)算機(jī)文化概論應(yīng)重視情景教學(xué)法、案例教學(xué)法的運(yùn)用，在探索研究的氛圍中讓學(xué)生感知和體悟無處不在的計(jì)算機(jī)文化；計(jì)算思維導(dǎo)論則要注重引導(dǎo)學(xué)生展開自身的思維過程，在總結(jié)反思中發(fā)展計(jì)算思維智能。3門課程既有相對(duì)的功能分工，又都以計(jì)算思維作為課程整合的主線和“抓手”。

在高等學(xué)校普遍減少開課門數(shù)、精簡(jiǎn)學(xué)時(shí)的背景下，大學(xué)計(jì)算機(jī)通識(shí)課程的總課時(shí)要少于以往計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程的總學(xué)時(shí)。針對(duì)此情況，可采用以下兩種實(shí)施方案：第一方案是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)文化概論、計(jì)算思維導(dǎo)論均設(shè)置為小學(xué)分課程（例如2學(xué)分），教學(xué)中以計(jì)算思維為主線和“抓手”做到前后呼應(yīng)、連貫遞進(jìn)；第二方案是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)文化概論、計(jì)算思維導(dǎo)論作為3個(gè)板塊，整合為一門3-4學(xué)分的課程，以計(jì)算思維為核心組合課程內(nèi)容，課程名稱可以選用大學(xué)計(jì)算機(jī)或大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)等。這門課程的學(xué)時(shí)數(shù)，不同學(xué)?？梢杂胁煌倪x擇，同一所學(xué)校的不同院系或?qū)I(yè)也可以有不同的選擇。