本站原创一个古老而又年轻的概念,计算思维的概念,正在科技界和教育界萌发、激荡和蔓延.所到之处,彻底更新和改变了现在被广泛认同的一些理论和认识.一种新的关于计算和计算机科学的观点正迅速荡涤着旧有的传统,焕发出面向新时代和新技术的崭新面貌.从事计算机科学、思维科学、教育科学、社会科学、人文科学等各方面的专家,围绕着不同的要求和目的被吸引到这一领域里来.这种共同的兴趣将酝酿出新的重大的理论革命和技术飞跃,一种全新的对于计算机科学的理解和应用的时代已经展现在我们的面前.
在对计算思维进行了长达5年的跟踪研究和教学实践的基础上,教育部高教司在2012年设立了以计算思维为切入点的“大学计算机课程改革项目”.2013年5月中旬,教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会的新老两届主任和副主任共聚深圳,就进一步推动项目进展,在高校计算机教育中加强计算思维的研究和教育进行了深入的讨论,并在此发表旨在大力推进以计算思维为切入点的计算机教学改革宣言.
一、教育与科学思维
“人的类特性恰恰就是自由的有意识的活动”（马克思）.自古至今,所有的教育都是为了人的发展.人之发展,首在思维,因此培养人的科学的思维能力必然是教育的核心内容.在不同的历史时期和社会形态,教育总是会被附加一些其他的要求和目标,但是究其本质,人的科学思维能力的养成永远是所有历史时期和社会形态共同的普适教育价值.在坚定的理想形成和优良的品格塑造过程中,科学的思维起到决定性的意义.一个人的科学思维能力的养成,必然伴随着创新能力的提高；一个社会的科学思维能力的普及,必然伴随着整个民族的振兴和国家的富强.因此,任何一个富有进取精神的政府,都把科学思维能力的培养作为教育的最重要和最基本的目标之一.
思维,作为人和动物最明显和最本质的区别,被分为思维的本身和思维的表达形式.思维本身是人的自身的活动,这是人类与生俱来的本能；而思维的表达形式却是科学研究的对象,无论这种表达形式是生理的或者
心理的,还是文字的或者语言的.思维的研究不可能研究思维本身,只能通过思维外在表达形式来揭示思维的内在实质.但是思维科学的力量并不仅限于此,仅仅通过揭示思维外在表达形式与内在本质的关联远远不是思维科学的全部精髓.真正令人惊异的结论是,思维科学研究反过来也影响着人类思维自身：为了能够精确和科学地表达自己的思维结论,人们必须学会让自己的思维活动适应表达的形式,并且形成了科学的思维习惯.对于思维外在表达形式的规范和整理,可以极大地影响人类思维自身的质量和效率,科学在这里再一次表现了它的神妙.人的思维科学研究促进了人类自身的进化和发展,在科学的光辉下,人可以比大自然赋予的本能做得更好和更多.在科学技术发达的今天,思维科学对于思维本身的反作用已经表现得非常充分,人类几千年来的发展,使得这种反作用推进了人类思维模式的不断革命,人的思维变得越来越清晰和精准,人类交流思维活动的方式也变得越来越有效和广泛.人,从一种自然思维的生物变成了科学思维的生物.
迄今为止,人类所有的创新史都是思维的创新史,人类文明进步的重大飞跃总是伴随着思维科学的进步.中国春秋战国时期孔丘、公孙龙、李耳等对于思维辩证的研究奠定了延绵几千年的东方文化；亚里士多德对于哲学和逻辑学的研究,为希腊文明的高度辉煌铺垫了牢固的基石；伽利略、牛顿对于现代实证主义体系的建立,最终催生了现代一切科学的基础——现代的物理学和数学,它的影响遍及所有的学科.马克思认为：“一种科学只有在成功地运用数学时,才算达到了真正完善的地步.”莱布尼茨、弗雷格、希尔伯特等近代科学家对于思维逻辑学的深入研究,使得人类对于科学体系的整理建立在稳固的逻辑基础之上,以至于人类现在已经无法怀疑这个体系内部的所有结论,否则整个科学的大厦将会轰然倒塌,人类的科学水平将不得不倒退几千年,一切将再次重头而来!所有对于已有结论质以怀疑的人,最后总是质疑者本身被质疑.近100年来,因图灵、冯·诺依曼等对于计算机科学的开拓和推进,激发了计算思维的作用和影响,使之成为继实证思维和逻辑思维之后被确立的第三种科学思维模式,这种思维模式极大地提升了人类认识世界和改造世界的能力,把人类带进了信息化的时代.这些事实反映了,人类文明的进步,必然以思维模式的革新为前奏和铺垫.如果思维被桎梏于旧的框架,我们怎么能够要求文明会大踏步地前进呢?
相对于艺术思维、宗教思维、情感思维等种种不同的思维形式,科学思维是指人类从事科学活动时的思维形式.与其他思维相比,科学思维最大的特点是,它的表达体系必须具有以下特征：第一,必须能够对于思维内容进行精确表达,使得别人能够理解你所思维的内容；第二,必须能够对于思维过程进行合理描述,使得别人不必重复你的思维过程即可相信你的思维结果；第三,必须能够对于思维基础有一个公共约定,使得别人可以有一个共同讨论的起点.从这个意义上讲,思维与它的载体被紧密地联系起来,思维最普遍的载体是语言或者文字.即使在科学发达的今天,我们仍然无法直接读取人的思维,而是通过它的表达来间接了解思维的内容.因此,仔细地规范思维的表达载体和表达形式是思维科学基础而重要的内容,采用什么样的表达形式确实关系到是否能够正确和有效表达思维,科学思维的范畴中必须包含思维的表达体系.
以目前的认识,在科学思维的谱系中,真正具备了系统和完善的表达体系的思维模式只有三个,分别是实证思维、逻辑思维和计算思维.其中计算思维是最晚一个被研究和整理的思维模式.尽管在人类思维发展的历史上,常常会看见计算思维的影子,同时计算思维一些重要内容也在不同的时期被研究,但是严格地说,只是在最近的10年里,计算思维才真正得到重视和关注.与实证思维和逻辑思维不同,计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分.当一个原始人面对一块石头准备加工工具时,他脑子里的思维既不是对于石头本身属性的物理认识,也不是对于这件工具用途的逻辑推理,他所想到的是实实在在的加工这件工具的操作细节,是如何一步一步完成从石头到工具的过程,这些步骤之间的顺序,每一个步骤完成的标准,以及某一步骤失败后的替代措施,就是现代意义上的可操作性和可验证性.原始人把这些思维逐步地映射到具体的加工工程,一定是先有工程的思维,后有工程的实践.这样的思维就包含了计算思维所有核心的内容,尽管从程度上来说,原始人类的思维还是粗浅的和简单的.但是计算思维确实存在于人类的自然思维之中,是人类思维活动中固有的和先天的成分.没有计算机之前,就有了计算思维的萌芽和表现,只是在有了计算机之后,计算思维的问题才被真正关注,得到突飞猛进的发展,成为现代人类必须掌握的基本思维能力. 但是我们一点也不轻视科学活动中的其他思维模式,如类比、联想和灵感.甚至我们还认为这些思维是人类创新的重要源头,历史上许多重大的发明创造,都是借助于这些思维取得的.然而这些思维有一个重大的问题没有解决,就是如何正确地表达思维的结论,使得其他人不去重复你的思维过程而相信你的结论.试想一下,通过灵感得到的结果如何才能表达清楚呢?实际上,我们对于类比、联想和灵感的研究还十分不够,应用这些思维即使得到了新的结论,依然需要借助实证思维、逻辑思维或者计算思维的框架表达结论,至少目前人类还只能这样做.
二、计算机教育与计算思维
我们关注思维和思维科学的教育,不仅仅是对于人类自身行为的好奇,更重要的是,思维的进步,无论是它的内容和形式,都会带来社会的巨大进步.用科学思维武装起来的人,将会对于我们这个世界有着全新的认识,将会具备改造世界的强烈愿望和足够能力.思维的创新,一方面使得社会个体的行为更加有效和理性,另一方面使得社会整体变得更为和谐和强大.科学的思维表达方式,使得人们能够方便地交流思维结果,从而使知识的积累和传授越来越迅捷和方便.人类,从个体人的集合演变为社会人的集体,思维的进步和发展在其中起到了至关重要的作用.因此掌握正确的思维模式和表达方式是现代每一个社会人必须具备的素质,我们只需要少量的研究思维的科学家,但是我们需要数以亿计的掌握了科学思维基本模式和方法的劳动者.而教育为实现这一目标提供了可能,教育把少数精英创造的知识传授给每一个人,从而成为社会群体共同拥有的财富.通过普惠于所有人群的教育,把人群中发散的和各取所好的思维整合为有着共同认知的和方向一致的思维取向,形成了人类认识世界和改造世界的思维合力,并由此产生巨大的改造世界的社会生产力.教育通过改造人而改造世界,这就是教育的根本和魅力.教育是把自然人变成现代人的桥梁.科学思维不会遗传,因此教育是人类社会发展的永恒主题.
计算思维以表示的形式化和执行的机械化为特点,抽象和自动化是其本质的内容,在问题求解、系统设计和人类行为理解等方面具有重要的作用.计算思维与实证思维、逻辑思维鼎足而立,在各种科学和工程以及社会经济技术领域有着独特的意义和无可替代性.也就是说,三种思维各有所长,各有所重,合在一起形成了人类认识世界和改造世界的强大工具.古代很多精彩的工程或者工艺未能保存下来,或者难以被现代人理解,一个主要原因是对于工程或者工艺的表达方式不科学和不规范,因此无法重现当时的思维,导致知识传承的断裂.相反,正是得益于计算思维能力的不断提高,现代人类已经掌握了很好地描述一项工程或者一种社会行为的方法.由于采用了科学规范的描述格式,在工程组织或者技术理解方面,人类的交流能力已经跨越了国家和民族,远远超出了文化交流和语言交流所能达到的水平.一件产品,它的设计与生产可以相隔几千公里或者几十年的跨度.计算思维的发展使得人类改造世界的能力摆脱了时间和空间的束缚,达到了仅靠实证思维和逻辑思维无法企及的高度.
随着计算机逐步成为每一个人日常无法离开的工具,随着各种事务,无论是自然的还是人工的、经济的还是社会的,都被数字化而成为计算机处理的对象时,信息处理已经成为人们日常工作和生活的基本手段,因此计算思维必然与实证思维和逻辑思维一样,成为一个现代公民必须掌握的基本思维模式.同时,由于人和社会的活动越来越依赖计算机和各种通讯设备,这些大量的数据存在已经迫使我们必须从新的角度看待个人的权利和隐私、社会的结构和行为以及国家的经济安全和政治稳定,从这个意义上讲,计算思维教育已经不仅是个人能力提升的问题,而且是影响到国家的发展战略和安全的一个严重而急迫的大事.国内外一些专家敏锐地捕捉到这一影响全球未来的新动向,提出了加强计算思维研究和教育的建议.
2005年6月美国总统信息技术咨询委员会（PITAC）提交了一份题为《计算科学：确保美国的竞争力》的报告,报告认为,21世纪科学上最重要、经济上最有前途的研究前沿都有可能通过熟练掌握先进的计算技术和运用计算科学而得以解决,因而建议将计算科学长期置于美国科技领域的中心地位.美国国家科学基金会（N）也建议全面改革美国的计算教育,确保美国的国际竞争力,并在2008年启动了一个涉及所有学科的以计算思维为核心的国家重大科学研究计划CDI（Cyber-Enable Discovery and Innovation）,将计算思维拓展到美国的各个研究领域.CDI计划支持的三个主题域是：从数据到知识（From Data to Knowledge）,理解自然、人工及社会系统的复杂性（Understanding Complexity in Natural, Built, and Social Systems）,虚拟组织（Virtual Organizations）.其中,“从数据到知识”将增进人类的认知和从丰富的异构的数字化数据中产生新知识；“理解自然、人工及社会系统的复杂性”将对三大系统产生根本性的新的认识；“虚拟组织”将不同结构、不同地域和不同文化的人们和资源联系在一起进行科学发现及创新.2011年,N又启动了CE21（The Computing Education for the 21st Century）计划,其目的是提高K-14（中小学和大学一、二年级）老师与学生的计算思维能力.N希望通过CDI等研究计划,使人们在科学与工程以及社会经济技术等领域的思维范式产生根本性的改变,为美国产生更多的新的财富,并最终提高美国人民的生活质量.
在中国,众多科学家已广泛关注计算思维,在介绍国外相关动态的同时,也发表了大量关于计算思维的观点.他们普遍认为,计算机科学最具有基础性和长期性的思想是计算思维,到了2050年,每一个地球上的公民都应该具备计算思维的能力.虽然从小学、中学开始,计算思维的概念已经被朦朦胧胧地使用着,但是从来没有像今天这么认识到其重要性.2010年,清华大学、西安交通大学等高校在西安召开了首届“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”.会后发表了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》,达成4点共识：（1）计算机基础教学是培养大学生综合素质和创新能力不可或缺的重要环节,是培养复合型创新人才的重要组成部分；（2）旗帜鲜明地把“计算思维能力的培养”作为计算机基础教学的核心任务；（3）进一步确立计算机基础教学的基础地位,加强队伍和机制建设；（4）加强以计算思维能力培养为核心的计算机基础教学课程体系和教学内容的研究.围绕这一共识,近年来,高校和科研院所的一批教师和研究人员在计算思维研究方面做了大量工作,积极推动有关计算思维理论、体系以及方法论的研究,逐步渗透到科学与工程领域以及社会经济技术等领域.使用计算思维的概念与方法,产生革命性的新理解、新成果、新技术,推动社会、经济、文化、科学的全面发展,并由此成为建设创新型国家的最重要的软实力之一. 近年来,移动通讯、普适计算、物联网、云计算、大数据这些新概念和新技术的出现,在社会经济、人文科学、自然科学的许多领域引发了一系列革命性的突破,极大改变了人们对于计算和计算机的认识.在商业、经济及其他领域中,决策将日益基于数据和分析而做出,而并非基于经验和直觉.庞大的数据资源使得学术界、商界和政府,各个领域都开始了数字化的进程.随着这一进程的全面深入,无处不在、无事不用的计算思维成为人们认识和解决问题的基本能力之一.一个人若不具备计算思维的能力,将在从业竞争中处于劣势；一个国家若不使它的公民得到计算思维的培养,将在竞争激烈的国际环境中处于落后地位.改革势在必行,改革时不我待,改革已经风潮涌动.在这样历史性的重大任务和责任面前,我们将毫无选择地投身到这场触及计算机教学每一个角落的改革当中,通过以计算思维为切入点的计算机课程改革,大胆扬弃现有的教学观念和方法,建设适应时代要求的新的教学体系.
三、人才培养与计算思维教学改革
计算思维,不仅是计算机专业学生应该具备的能力,而且也是所有大学生应该具备的能力.在这样的背景下,究竟给学生讲什么、怎么讲,成为一个尖锐的问题.当前社会的发展,已经越来越多地依赖计算机作为分析和解决问题的工具,在这个过程中,最重要的不是如何解决问题的具体技巧,而是如何把问题转化成能够用计算机解决的形式,这正好是计算思维培养所强调的内容.学会使用计算思维的基本方法解决问题比起学会具体解决问题的技术,显然前者更加重要和基础.计算思维的深刻知识内涵正在被当今社会的发展进一步揭示.学生接受计算机课程的培养已经不仅是为了学会应用计算机,而是由此学会一种思维方式.并非每一个学生都要成为计算机科学家,但是我们期望他们能够正确掌握计算思维的基本方式,这种思维方式对于学生从事任何事业都是有益的.思维的培养可以造就具有良好知识修养,敢于创新,善于创新的一代新人.因此作为一门课程的改革必须跟上时代的步伐,超前设计,科学谋划,这是时代赋予我们的改革任务.
毫无疑问,比起技能培养和能力培养,思维的培养是最困难的.这是因为,思维看起来更加不可捉摸.因此我们需要以极大的勇气和合作精神来探索和推进这项改革.前一阶段,教学指导委员会先后编制并发布了《高等学校计算机基础课程教学基本要求》、《高等学校计算机基础课程核心课程教学实施方案》和《高等学校计算机基础课程经典实验案例集丛书》,并且推动和组织了有关在大学计算机课程体系中融入“计算思维”培养的相关研究工作.高校大学计算机课程教学已取得长足发展,但仍面临着严峻的挑战.如何提高课程教学效果、落实计算思维培养目标,还缺乏足够的实践经验、必要的规范和教学资源.加快教材建设、教学内容和方法的改革,要探索和实践的问题依然很多.同时,将计算思维培养作为大学通识教育的一部分,还存在许多深层次的理论性、制度性和技术性的问题迫切需要予以解决.
目前,在不少学校,大学计算机课程仍然停留在计算机知识与操作技能的培养,狭义的技能培养观念还明显存在.计算机课程未能深刻地反映思维能力培养的性质,距离计算机已经广泛渗透各个领域的现状有很大差距.需要抓住教育部实施“本科教学工程”的机遇,开展以计算思维培养为切入点的大学计算机课程改革,这将是大学计算机课程的第三次重大改革.这项改革将会更好地实现专业化和信息化相融合的模式,提升未来社会对于计算机的理解和应用的整体水平.通过这一轮的改革工作,我们将：
（1）从理论层面研究计算思维的内涵、表达形式以及对大学计算机教学的影响；
（2）从系统层面科学规划大学计算机课程的知识结构和课程体系；
（3）从操作层面将大学计算机课程建设成为培养学生多元化思维之一的计算思维能力的有效途径,并建设一批适用的教学资源；
（4）从实践层面推动一批高校按照不同层次培养目标、不同专业应用需求开展大学计算机课程的改革探索.
对于我国大学生计算思维素质方面的调查显示,从一般意义上讲,当前学生在掌握具体的计算机技术方面有着很好的表现,但在计算思维方面的培养滞后,使得学生在解决具体问题时,擅长于用现成的技术手段而不是用科学的思维方式来寻求解决问题的方案.这导致学生在解决问题的思路上习惯于沿用已有方法,缺乏革命性的突破；也造成当前在计算机应用方面的创新不足,在很多领域跟着国外的技术发展路线走,缺少原创性成果,更加缺乏引领技术发展潮流的能力.以培养计算思维意识和方法为目标的教学改革,则着眼于培养学生从本质上和全局上来建立对于问题的解决思路,从而达到提高计算机应用水平的目的.这样的例子并不鲜见,一些表面上看来不大可能用计算机来解决的问题,通过深刻的剖析,仍然可以实现通过计算机来解决,而且所取得的成果往往是突破性和开创性的,这更加说明了“计算无处不在”这样一个永恒的真理.当下学生所缺乏的就是这种创新能力.
在这项改革中,我们面临的最大挑战就是构建培养计算思维能力的教学体系.需要解决计算思维的基本内容如何表达,清楚地描述计算思维相关的知识内容及其之间的关系,把有关计算思维的相关思维特征和方法分解到每一个具体的教学内容之中.通过一堂一堂课程的讲授,使得学生在学会知识的过程中,逐步理解和掌握计算思维的一些基本内容和方法.这个教学体系的建设十分重要,涉及教学内容的组织与呈现、师资队伍建设、教学方法改革以及实践体系建设等方面的内容,它是这一轮课程改革最重要、最基本、同时也是最复杂的任务.在这个教学体系中,应正确处理好知识、能力和思维的关系.计算思维的培养并不是要代替对于知识和能力的培养,相反,它与知识和能力培养呈现递进的关系.思维的培养必须置身于知识和能力培养的基础之上,而知识和能力的培养必须置身于思维培养的视野之下.通过讲授计算机的具体理论和技术,揭示有关计算思维的内容.比如,在讲授数据库的内容时,要揭示如何根据数据的性质,建立合适的数据库结构,使得在数据存储中达到既能少占资源,又能快速方便查询；在讲授算法内容时,揭示如何通过归约的方法,把问题求解的困难程度进行科学的划分,使得关注的重点集中在最重要和最核心的问题上.这就是计算思维解决实际问题所体现出来的引人入胜的美妙特征,在每一门计算机课程中,都有这样的反映计算思维精髓而在过去的教学中被忽略的内容,这次改革希望开发出体现计算思维精华和魅力的全新教材.计算机课程不仅要教给学生有用的知识,更要教给学生这些知识背后的思想.学会了这些思维的方法,就掌握了解决各种问题（科学的、社会的、政治的、经济的）的有效武器,无论将来从事什么工作,学生都会因此而受益终身.
善于思维并且不断创新思维的民族才是真正的优秀民族.我们相信,以计算思维为导向的计算机教学改革,将在很大程度上提升中国大学生的思维水平和认识境界,并以此提高整个社会对于现代技术的认知和理解.大学的校门将走出一代新人,他们具有高尚的道德修养、优秀的人格品质、坚定的理想信仰、科学的思维方式和充实的知识能力.他们将能够胜任国家繁荣、民族振兴的历史重任,引领中国胜利驶向社会主义富强国家的彼岸.
教育培养人才,人才改变世界.教育强,则少年强；少年强,则中国强.
致谢：文中参考和引用了下列人员的讲话、文章和往来邮件,特此致谢!
深圳大学/中国科技大学陈国良院士,清华大学孙家广院士,西安交通大学冯博琴教授,合肥工业大学李廉教授,浙江大学何钦铭教授,北京大学李晓明教授,北京工业大学蒋宗礼教授,高等教育出版社张龙副编审,中科院自动化所王飞跃研究员,中科院计算所徐志伟研究员,桂林电子科技大学董荣胜教授.
——2013年5月18日,深圳
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