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计算思维与大学计算机基础教育

陈国良董荣胜

(中国科学技术大学,桂林电子科技大学)

摘 要:文章首先介绍了大学计算机基础课程的重要性,分析了教学中存在的问题,指出了"狭义工具论"的危害.然后从推动人类文明进步,科技发展三大科学思维之一的"计算思维"入手,阐述了计算思维对培养学生创新能力的重要性.最后按计算思维主要内容,即问题求解,系统设计和人类行为理解,探讨了大学计算机基础课程设置,强调了课程结构设计的重要性,给出了一种以"计算思维"为核心的大学计算机基础课程教学的最小集,为大学计算机基础教育提供了一种以提高学生计算思维能力为目标的新模式.

关 键 词:计算思维,大学计算机基础教育,计算思维导论

一、大学计算机基础课程的重要性

对于计算科学的重要性,在美国总统信息技术咨询委员会(PITAC)2005年6月给美国总统提交的报告《计算科学:确保美国竞争力》(ComputationalScience:EnsuringAmerica'sCompetitiveness)有明确的阐述.报告认为,虽然计算本身也是一门学科,但是其具有促进其他学科发展的作用[1].报告认为,21世纪科学上最重要的,经济上最有前途的前沿研究都有可能通过先进的计算技术和计算科学而得到解决.尽管报告用的是"都有可能",但是对于我们学科来说,这个论述已相当到位.那么,为其他学科培养掌握先进计算技术的大学计算机基础课程就显得非常重要.从国家层面,对这门课程的定位就是基础课程,也就是与数学,物理相同地位的基础课程.既然是基础课程,课程的教学方法就应该像数学与物理一样,讲授学科的基础概念.

二,大学计算机基础课程教学存在的问题

目前,在大学计算机基础课程的教学中出现了一些问题,主要是"狭义工具论"的问题."狭义工具论"就是认为计算机基础教学就是教学生怎么将计算机作为工具使用.应该说这种认识对计算机的教育非常有害,这样会使学生对计算学科的认识淡化,无助于计算技术中最重要的核心思想与方法的掌握.作为"狭义工具论"显然不好,但在过去一段时间里,在高校中的确某种程度上存在这种倾向.

再来看教程,我们大学计算机基础的教程,名称很多,诸如入门,文化等等,都被认为是计算机基础课的教材.内容基本上是有关领域的浓缩版,把它压缩在一起.好像网络也讲一点,人工智能,数据库也讲一点,都很浓缩.这会产生怎样的后果那就是:学生进入大学后,对第一门计算机课程兴趣不大,逃课率较高.

我国出现的这些问题,其实美国也存在.美国着名计算机杂志CommunicationsofTheACM前主编PeterDenning教授,2003年11月在CommunicationsofTheACM上发表了《伟大的计算原理》(GreatPrinciplesofComputing)一文[2],在文 绍过这个问题.当然,他讲的是"程序设计语言"作为大学的第一门计算机基础课程的问题.他介绍道,面对程序设计语言中繁杂的语法规则,在课程的学习过程中,有35%~50%的学生辍学,另外,不少学生还通过抄袭或者是作弊的方式来完成课程.许多非计算机专业的学生从来都没有体验过计算的愉悦——计算原理的相互影响以及问题有效解决的思维方式.

2005年11月,美国ComputingResearchNews刊登了一篇名为《科学与工程专业毕业生的工资》的报告.报告介绍了2003年10月在美国科学与工程领域各学科中,计算机与信息科学专业毕业生的平均工资最高.尽管如此,2001年以来,主修计算相关专业的学生却在不断下降.

加州大学洛杉矶分校的高等教育研究会一直都在追踪学生主修专业的情况.他们发现学生对计算专业的兴趣波动很大.具体数据如下图所示[3].

图美国主修计算专业学生人数的变化

三,计算思维在美国产生的背景

计算科学的至关重要性与学生兴趣的下降形成鲜明对比.2005年6月,美国总统信息技术咨询委员会(PITAC)向美国总统提交报告后,美国科学基金会(NSF)很快组织计算教育与研究领域的专家,召开系列会议,于2005年末至2006年初形成4份应对危机的报告.

(1)ReportofNSFWorkshoponIntegrativeComputingEducationandResearch(ICER)NortheastWorkshop,

(2)ReportofNSFMidwestRegionWorkshoponICER:PreparingITGraduatesfor2016andBeyond,

(3)ReportfromtheSoutheastRegionWorkshoponICER:PreparingITGraduatesfor2016andBeyond,

(4)ICERFinalReportoftheNorthwestRegionalMeeting.

根据以上报告的建议,2007年美国科学基金会(NSF)启动了"大学计算教育振兴的途径"(CISEPathwaystoRevitalizedUndergraduateComputingEducation,CPATH)计划,投入巨资进行美国计算教育的改革.


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经过2007年和2016年的资助和项目实践,"大学计算教育振兴的途径"(CPATH)计划相关工作者认识到计算思维(ComputationalThinking,CT)在计划中所起的重要作用,对在2016年申报的项目提出了更为具体的以计算思维为核心的课程改革[4]."大学计算教育振兴的途径"(CPATH)计划启动后,不仅引起美国教育界的关注,也引起美国科学界的关注.2016年,美国科学基金会(NSF)还启动了一个涉及所有学科的,以计算思维为核心的重大基础研究计划"计算使能的科学发现与技术创新"(Cyber-EnableDiscoveryandInnovation,CDI),进一步将计算思维的培育扩展到美国的各个研究领域[5].

以上3个事件,可以联系在一起看待.致美国总统的报告(《计算科学:确保美国竞争力》)开篇介绍道,大约在半个世纪前,前苏联成功地发射了世界第一颗人造卫星,它撼动了美国在政治与科技上的领导地位,促使美国在科学,工程和技术领域进行全面的改革.报告认为,如今美国又一次面临着挑战,这一次的挑战比以往来得更加广泛,复杂,也更具长期性.报告认为,美国还没有认识到计算科学在社会科学,生物医学,工程研究,国家安全以及工业改革中的中心位置.报告认为,这种认识不足将危及美国的科学领先地位,经济竞争力以及国家安全.报告建议,应将计算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位.

回顾历史,1957年前苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星,对美国产生了巨大的冲击.美国人是怎么做的呢他们将改革美国科技的力量放在教育上,投入巨资对美国课程的教学内容和教学方法进行改革,才有了今天世界科学,工程和技术领域上的领先地位.今天,美国将这次以计算科学为中心的教学改革与半个世纪前的那场科技与教育的变革相提并论,值得我们高度重视.致总统的报告不到半年的时间,美国科学基金会就将美国计算教育与研究领域,甚至是其他有关领域的专家召集在一起,分4个大

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区召开研讨会,检讨计算教育出现的问题,给出了4份相应的研究报告."大学计算教育振兴的途径"(CPATH)计划,甚至"计算使能的科学发现与技术创新"(CDI)计划,都可以认为是这些报告的产物,其源头是致美国总统的报告."计算思维"是报告实施过程中的一个重要成果,也是一个必然的结果,科技的竞争最终是有智慧的人才的竞争.

四、科学与科学思维

科学指的是反映现实世界各种现象的本质和规律的分科的知识体系.科学思维(简称思维)一般指的是理性认识及其过程,也即经过感性阶段获得的大量材料,通过整理和改造,形成概念,判断和推理,以反映事物的本质和规律.

科学思维主要分为理论思维,实验思维和计算思维三大类.一般认为,理论,实验和

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