計算機學科的根本問題

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計算機學科的根本問題范文第1篇

關鍵詞 計算思維；信息技術課程；計算機；計算教育

中圖分類號：G623.58 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X(2012)27-0056-02

An Approach to Effects of Computational Thinking on Information Technology Curriculum in Primary and Secondary School//Wang Rongliang

Abstract This paper explains the concept of computational thinking, and points out the importance of computational thinking on computer education. The relationship between computational thinking and information technology is discussed. Information technology curriculum will be improved under the influence of computational thinking.

Key words computational thinking; information technology curriculum; computer; computational education

Author’s address Institute of IT Education in Primary and Secondary School, East China Normal University, Shanghai, China 200062

1 計算思維辨析

2006年3月，曾任美國卡內基·梅隆大學（CMU）計算機科學系主任，現任美國基金會（MSP）計算機和信息科學與工程部（CISE）主任的周以真（Jeannette M. Wing）教授在美國計算機權威雜志ACM會刊Communications of the ACM雜志上，首次提出計算思維（Computational Thinking）：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動[1]。

計算思維這一觀念一經提出，立即得到美國教育界的廣泛支持，并引起歐洲的極大關注。2007年9月19日，歐洲科學界、工業界領導者在布魯塞爾皇家科學院召開了名為“思維科學——歐洲的下一個政策挑戰”的會議[2]。2008年10月31日，我國高等學校計算機教育研究會在桂林召開關于“計算思維與計算機導論”專題學術研討會，來自全國80多所高校，包括70多位計算機學院院長、主管教學副院長在內的近百名專家出席會議，根據“計算思維”領域的研究以及它在科技創新與教育教學中的重要作用，探討科學思維與科學方法在計算機學科教學中的作用以及在教學過程中如何以課程為載體講授面向學科的思維方法，以共同促進國家科學與教育事業的進步[3]。

根據周以真教授的觀點，計算思維就是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡述成一個人們知道怎樣解決的問題。計算思維是一種遞歸思維，它把代碼譯成數據，又把數據譯成代碼；計算思維采用抽象和分解來迎接龐雜的任務或者設計巨大復雜的系統；計算思維是按照預防、保護以及通過冗余、容錯、糾錯的方式從最壞情況恢復的一種思維；計算思維利用啟發式推理來尋求解答，即在不確定情況下的規劃、學習和調試；計算思維利用海量數據來加快計算，在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行權衡。

計算思維與生活密切相關：當你早晨上學時，把當天所需要的東西放進背包，這就是“預置和緩存”；當有人丟失自己的物品，你建議他沿著走過的路線去尋找，這就叫“回推”；對自己租房還是買房作出決策，這就是“在線算法”；在超市付費時，決定排哪個隊，這就是“多服務器系統”的性能模型；此外還有“失敗無關性”和“設計冗余性”。由此可見，計算思維與人們的工作與生活密切相關，計算思維應當成為人類不可或缺的一種生存能力。

2 信息技術與計算思維的關系

信息技術是關于信息的產生、發送、傳輸、接收、變換、識別、控制等應用技術的總稱，是在信息科學的基本原理和方法的指導下擴展人類信息處理功能的技術。作為現代信息技術，包括通信技術、計算機技術、多媒體技術、自動控制技術和遙感技術等。當今社會，人們已經離不開信息技術。

從表現形式來看，信息技術可以應用在機械、激光、電子、生物等多個方面。現代信息技術的核心技術是計算機技術，特別是隨著普適計算的發展和網絡計算的普及，從本質而言，信息的自動處理越來越依賴于以CPU為核心的計算機，只是計算機的物理表現形態已不是傳統意義的計算機機箱。

計算機學科的根本問題范文第2篇

近年來，計算學科的教育創新問題已經受到國內外教育界的高度關注[1]。自1989年計算被作為一個學科獨立存在以來[2]，計算學科教育的內涵和外延在不斷演進。近10多年來，計算學科的課程體系主要包括“算法和數據結構”、“編程語言”、“體系結構”、“數值與符號計算”、“操作系統”、“軟件方法學和工程”、“數據庫和信息檢索系統”、“人工智能”以及“機器人與人機通信”等九個方面。這一框架一直是目前國內計算機專業課程的設置依據之一。但是隨著計算需求的增加，現存的計算學科教學內容并不能很好地適應社會發展新形勢。究其原因，一是教學內容沒有很好地體現社會計算、情感計算、服務計算、普適計算、綠色計算等計算范型；二是隨著信息技術墻的到來[3]，計算學科已經成為其他學科必不可少的基礎服務性學科。從當前計算機人才培養類型來看[4]，信息服務型的計算機人才培養模式尚未成熟。在國內，根據《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》和國務院2009年的《關于加快發展服務業的若干意見》，信息服務的需求愈發強烈。為了適應這一形勢，我們從服務計算的視角，提出了一種新型的計算學科教育模式，以滿足目前計算學科的現實需要。同時，我們結合河北師范大學的專業實踐和南京郵電大學的智慧校園系統建設為案例，驗證了本文所提出的服務計算新模式的科學性和可行性。

1計算學科教育現狀分析與課程設置調查

在60年代，學者們普遍認為計算學科教育的主要任務是培養學生的算法設計能力。80年代以后，一批學者針對原有認識的不足，擴充了計算學科的先前定義。他們將其定義為“描述和變化信息的算法過程”，包括其理論、分析、設計、效率分析、實現和應用系統的研究；同時指出學科的根本問題是“什么能（有效地）自動進行”。這使得計算學科的教育內容更加系統化、科學化。但是，隨著計算機軟件技術和硬件技術的日益成熟，計算學科教育的著眼點發生了相應的變化。自1989年，ACM攻關小組提交了著名的“計算作為一門學科”的報告之后，計算學科教育人才培養的目標一直處于動態變化的過程。綜合計算學科教育的歷史，我們認為計算學科教育的立足點應該包括三個方面：（1）計算思維能力的培養。（2）工程開發能力的培養。（3）服務創新意識的培養。根據美國專家JeannetteM.Wing的觀點，計算機科學工作者首先應該具有計算思維的能力。計算思維能力的培養主要通過“研究一種能夠突破人的計算能力限制，致力于問題求解的機器”加以實現。

比較國內外的計算學科教育理念，國外強調深層次學科思維能力的培養，而國內則更為強調應用層面的人才培養。我們認為，國內的計算學科教育本身缺少深厚的理論與實踐基礎，更多地停留在模仿與學習層面。這一實際情況導致了我國當前計算機應用人才的快速增長。但是，計算機技術開發與應用的目的之一是更好地為社會提供服務。從2010年中國互聯網大會的主題“服務——網絡價值之本；綠色——網絡發展之道”和近年來中國計算機學會引導的方向來看，面向服務的計算學科教育已經成為學術界和產業界的雙重期待。計算學科教育立足點的變化致使計算學科核心教學體系做出相應的調整。中國的計算學科教育經歷了幾十年的發展，其內容描述需要更加細致。一般認為，計算學科教育中的基本問題主要包括：（1）計算的基礎平臺和環境問題。（2）計算過程的能行操作與效率問題。（3）計算的正確性問題。（4）計算的服務性問題。圍繞前三個問題，計算機教育專家們已經給出很好的解決途徑，相關課程的設置構成了計算學科目前的專業課程群[5]。對于第四個問題，目前還沒有得到很好的解決。從計算學科的應用現狀來看，服務計算已經滲透到計算機科學、信息技術和信息管理等多個領域。從科學哲學的角度來看，當技術發展到一定地步，提升技術、服務社會成為一種必然[6]。因此，構建面向服務的計算教育模式正成為一個富有挑戰性的學科教育新課題。

2面向服務的計算學科教育框架

面向服務的計算學科課程體系可以借助學科的極小課程集加以描述。計算學科的極小課程集是指僅包含與其相應的科學概貌、基本原理和基本技術的最少課程。極小課程集與核心課程或基本課程概念不同，與學科各專業方向課程的交集相比，極小課程集的基數更小，更能凸現學科特征，所以它們的作用是不可替代的。計算框架的本質是從服務的視角實現計算學科的發展任務。服務具有無形性、同步性、動態性等特征。因此，面向服務的計算學科與傳統計算學科課程設置的差別主要在于理念不同。面向服務的計算學科課程著重體現了學以致用的學習特征。這是因為計算學科理論框架和硬件產品以及系統軟件在我國目前情形下難以形成重大突破。如果將成熟的計算學科理論和技術應用到社會實踐中，一方面會提升社會信息服務水平，同時也會促進計算學科自身的發展。面向服務的計算學科課程體系與現有的課程體系是兼容的。

面向服務的導論類課程主要面向一年級學生。課程目標是根據社會服務的計算需求激發新生的學習興趣。課程一方面全面介紹計算領域的總體概貌和計算學科的知識體系，另一方面深度挖掘社會服務環境中的計算需求，使學生感受計算學科廣泛的社會需求，進而激發學生的學習熱情。面向服務的計算理論與實踐課程主要包括計算機組成原理和操作系統等。這部分課程的學習強調基本的計算原理，以及這些基本理論產生的社會服務功能。面向服務的程序設計語言類課程也是計算學科的必修課。新的課程群設置注重面向服務的軟件開發功能，同時兼顧傳統計算課程的融合，在舍棄和充實的原則下，構建具有自適應性的面向服務的計算學科框架，并在此基礎上，建立新的面向服務的計算學科課程體系。

新課程群主要以服務語言開發和服務計算范型為基礎，以服務感知、服務聚合、服務挖掘、服務管理、服務優化，服務保障為理念而設計。計算導論類課程主要使學生增加社會服務意識，而面向服務的系統開發課程和面向服務的計算原理課程是兩大支撐課程組。服務通識課程以及面向服務的軟件工程等課程主要是培養學生的社會適應度和學生的實際工程應用能力。面向終端用戶（包括學生以及社會人才需求方）的服務感知、服務聚合和服務設計是面向服務課程效果反饋的智能化動態調整模塊。#p#分頁標題#e#

3面向服務的計算學科教育實踐

根據全國高等師范學校計算機教育研究會提出的計算機教育創新的需求，面向服務的計算學科課程設置示范工作已經在全國的部分高校展開。河北師范大學計算機學院針對服務計算的新形勢，提出了面向服務的軟件工程專業課程新體系[7]，并作為“地方院校計算機應用專業人才培養研究與試點”項目的試點單位進行了課程改革。河北師范大學提出的信息服務工程專業課程體系主要包括“IT服務管理、信息系統工程、信息安全保障、系統管理與維護以及服務科學”等內容。南京郵電大學為了適應面向服務的計算學科新趨勢，也展開了相應的學科教育實踐。在教學實踐方面，一方面加強與國外的軟件業進行廣泛深入合作;另一方面在校園管理過程中實施“智慧校園”的專業實踐活動。

已經開發并投入使用的“基于Web的智慧校園系統”充分體現了面向服務的學科特性。具體的服務內容包括管理服務、教學服務、科研服務、生活服務和感知服務5個模塊。特別是在感知服務模塊中引入了物聯網技術、RFID技術、溫濕度傳感、視頻監控技術、門禁技術以及工業實時Web服務技術，實現了校園生活感知和校園安全感知功能。對于被服務的對象——校園內師生而言，智能教室的感知是讓學生和教師可以隨時通過GIS查看教學樓中教室的使用情況，并可以實現在線評教。今后配合電子白板，還可以實現遠程教學互動，提高了便捷性，實現了服務信息的聚合。

計算機學科的根本問題范文第3篇

1.1亟待解決的問題

課程的改革目標是讓學生在學習計算機核心知識和掌握應用工具的基礎上學習運用高效的思維去思考，將無意識的計算思維教學理念提升到有意識、系統性的計算思維教學。力求從根本上扭轉目前大學計算機基礎課程所面臨的教學困境。針對以上目標，需要以計算思維為核心重構教學內容，并通過合適的教學實踐手段和方法使得這些重構的內容能夠被學生接受和理解。通過分析，提煉出要解決的具體問題如下：

1）在有限課時內需要培養學生哪些具體計算思維要素。我們的目標是傳授給學生基本的計算機核心知識，但是計算機科學作為一門學科包含了復雜的知識體系，并在不斷地發展和創新，需要確定哪些知識點能夠被定義為該課程教授的核心內容。

2）如何在學生尚未掌握任何一門編程語言的情況下實踐所學計算思維內容。大學計算機基礎課程所面臨的是大學一年級學生，除個別學生在入校之前有過編程經驗，學生普遍沒有編程基礎。如何在缺乏編程實踐的前提下讓學生掌握計算思維是決定最終教學效果的關鍵問題。

3）面向不同基礎和專業的學生如何體現不同的計算思維的教育和訓練內容。

1.2分類教學、專業融合的教學內容設計

西北工業大學是一所以發展航空、航天、航海工程教育和科學研究為特色，以工、理為主，管、文、經、法協調發展的研究型、多學科性和開放式大學。不同專業對學生的計算機知識的要求不同，存在較大差異。相同專業學生之間的計算機知識也有較大差距，在這種情況下采用分類教學是必要的。例如在程序設計課程中按照文、理科進行分類實踐教學，取得了良好的成效，積累了經驗，但是在大學計算機基礎課程中尚未實施。此次以計算思維培養為核心的大學計算機基礎課程教學改革在教學內容設計上除按照文、理分類外，還考慮到特殊方向和專業學生群體的較高計算機教育的需求，將教學內容分為4個方向：

（1）面向理工類專業學生；

（2）面向文管類專業學生；

（3）面向國際班學生全英文計算機教學；

（4）面向教育實驗學院卓越班。西北工業大學作為理工科重點院校，大多數學生都歸類于方向（1）,以2013年數據為例，方向（1）約占62%，方向（2）約占17%，方向（3）約占4%，方向（4）約占17%。在確定每個方向學生教學內容時，遵循“兩個融合”的原則，將計算機基礎教育與計算思維培養融合，構建以計算思維能力培養為主線的非計算機專業通識教育；將計算機基礎知識與學生的專業技術融合，在進行計算機思維培養教學內容選擇時，注重計算機基礎知識與學生專業方向的融合度。“兩個融合”的具體內容包括：（1）計算思維培養融合，是指將計算機科學中最具有基礎性和長期性的計算思想教授給學生，側重使非計算機專業學生能夠領略計算的核心方法，學會如何把問題轉化成能夠用計算機解決的形式，培養學生從本質和全局來建立解決問題的思路，為其今后的專業學習和應用計算技術打下堅實基礎。（2）專業技術融合，是指根據學生專業特點和需求，在計算思維培養融合的基礎上，動態選擇課程內容，形成可定制教學模塊，實施分類分層教學。“兩個融合”原則體現了具有鮮明特色的非計算機專業大學計算機教學方案，形成了縱向分類、橫向分層的教學內容。每個方向內容由基本理論知識層、計算思維融合層、專業融合層組成。以面向理工類專業學生的方向（1）為例說明各層的含義。

1）基本理論知識層。該層屬于計算機基本知識內容，包括基本概念和基本計算思維模塊，在介紹計算機軟、硬件的歷史和未來發展趨勢過程中貫徹計算機基本知識，包括二進制、馮•諾依曼計算機、圖靈機、計算復雜性等計算機重要基礎概念等。這部分內容比較近似于之前課程中計算機基本知識部分，但我們在教學改革中對其內容重新組織，從計算機重要的“分層”和“抽象”概念出發引導學生學習這部分知識，力圖讓學生領略到這些技術背后的基本計算思維內涵。通過學習計算機發展歷史，讓學生對整個計算科學發展有全局了解。

2）計算思維層。包括問題求解方法和算法模塊，學生在學習了計算機重要基礎知識后，開始深入學習計算系統底層具體思維和運行機制。這部分從系統和算法角度讓學生學習計算機解決問題的方法，包括求解框架、典型案例的計算算法、具體思維過程和實現方法等，讓學生在計算思維較高層次討論計算機學科的根本問題和思維方式，深入了解計算機的工作和運行機理。這一部分內容體現了本課程的計算思維培養目標。

3）專業融合層。最高層的專業融合層完成融合專業知識、提升學生在專業學習中應用計算思維的能力的任務。該部分從數據處理和網絡計算角度，讓學生領略到計算機目前最廣泛的應用模式，從而在自己的專業領域加以運用。這部分模塊屬于變化較大的模塊，目前仍然需要開發和擴充大量與其他專業更為緊密相關的案例和應用模式。按照圖1所示，不同類別學生在基本理論知識層內容是相同的，在第2層上，教育實驗學院學生所學的算法和系統內容更為深化和多樣，實現了差異化教學。在專業融合層，為理工類和文管類不同專業特色的學生設計了不同模塊內容。理工類學生學習數據處理和計算網絡知識，而文管類學生側重學習用計算機處理數據和利用計算知識研究社會關系等。

1.3兩階段培養、可視化計算思維實踐的實驗環節

一直以來，實驗教學通常是理論教學的輔助，和理論教學在章節內容上是對應的。但在我們的教學改革中將實驗課程和理論課程定位為“互補關系”，實驗課程具有相對獨立性，在內容中體現“兩階段培養”的實驗教學理念。第一階段實驗為計算機基礎知識實踐，包括Windows的使用、常用工具軟件的使用、常見網絡應用等。此階段目標是培養學生對計算機基本操作技能和常用工具軟件的掌握；第二階段實驗是關于計算思維的實驗。這部分內容要求學生依據具體應用問題設計程序，實現典型算法。兩階段培養中的第一階段目標就是要學生熟練掌握工作和學習中常用的工具類軟件，為以后的學習和科研打下基礎。針對在本文2.1節中提出的第2個問題，即此階段的學生尚未具備程序設計的基本知識和經驗，我們認為，采用可視化編程工具是解決這一問題的有效方法。可視化編程工具支持可視化(Visual)程序設計，主要是讓程序設計人員利用軟件本身所提供的控件，構造應用程序的各種界面，可視化編程技術已經成為當今軟件開發的重要工具和手段。為此，我們在課程實驗改革中引入可視化編程工具Raptor，使得尚未具備編程基礎的大一學生能夠實施算法實踐和驗證。Raptor是一種可視化的程序設計環境，其將程序設計中的要素以圖形符號的方式展現，使得學生在不具備編程知識的基礎上可以實踐計算機中算法類問題。目前，它已經在卡內基•梅隆大學等世界22個以上的國家和地區的高等院校中使用。在實驗課程中設計了4個學時講解Raptor工具并要求每個學生至少課堂完成8個基本算法實驗任務。在實驗課之外，要求學生用Raptor完成算法類大作業并撰寫實驗報告，以綜合訓練學生解決算法類問題的能力。教學過程和最后的調查結果表明，引入算法類可視化工具有助于實驗教學取得良好效果。

2改革實踐和總結

在2013—2014學年，我們將改革后的教學內容對部分理工類班級開展了試點教學，試點專業涉及材料、自動化、電子信息專業等，在課程末期分別針對任課教師和學生做了教學效果調查,調查結果表明教學效果基本達到預期教學目標。教師普遍感受為所帶課程的難度和以往課程內容相比備課較難，但課堂氛圍較好，內容受到學生關注，尤其實驗環節引入了Raptor可視化程序設計工具，課堂氛圍活躍，學生的學習興趣和積極性較以往有大幅提高。部分學生調查結果如圖2和圖3所示。圖2是學生對計算思維認識的調查結果，顯示出大多數學生（達到60%以上）理解了計算思維的概念，認識到計算思維和計算機基礎課程的重要性，不僅僅只是學習工具應用，而是對今后理解和掌握計算機應用技術奠定基礎，從無意識地應用計算機解決問題到有意識地培養自己的計算思維思想。圖3為調查學生認為教學內容中哪部分收獲最大，19%的學生認為計算思維有最大收獲，居第二位置，說明這部分的學習為培養優秀學生的創新能力打下了良好的基礎。

3結語

計算機學科的根本問題范文第4篇

關鍵詞：計算思維；表述體系；計算；層次結構；教育；思維習慣

一、問題的提出

2006年3月，周以真（Jeannette M. Wing）教授在國際著名計算機雜志Communications of the ACM上發表了《計算思維》一文[1]，并用3種技能定義了“計算思維”，該定義被國際學術界廣泛采用。然而人們仍然在問，計算思維是什么？計算思維的核心是什么？計算思維的組成元素是什么？計算思維會因學科的不同而不同嗎[2]？

顯然，要給出計算思維的一個內涵式的定義是困難的，周以真教授為此給出了一個外延式的定義，并請大家盡可能地補充。周以真教授希望人們不要將精力放在計算思維的定義上，而更多的是將精力放在計算思維的運用上，通過計算思維在各自學科領域創造性地進行科學發現與技術創新。周以真是成功的，她聯合美國國家科學基金會的各個學科部門，推動了美國兩個重大的國家科學基金研究計劃CDI和CPATH，促進了美國以計算思維引領的各學科的發展。在她退出美國國家基金會后不久，她又得到了微軟公司的邀請，擔任了微軟負責研發的副總裁職務。毫無疑問，周以真教授的建議是正確的，通過計算思維，可以在多學科的行動中，進行根本的、范式變化的研究與發現。

一般來說，一個好的研究“主題”在開始的時候，可以先用外延式的方式盡可能拓展開來，隨著研究的深入，人們希望建立一個框架，讓更多的人更容易理解這個“主題”，持續地發揮這個“主題”的作用，進一步拓展它的應用范圍。教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會遵循這樣的基本原則，鼓勵學校、教師先實踐[3-7]。在已有的大量實踐基礎上，教指委認為，目前很有必要盡快給出計算思維表述體系的一個基本框架，進一步推動這項改革。本文作者受教指委的委托，對此展開了研究工作。

二、計算思維教育的目的

在構建計算思維的表述體系之前，人們希望先明確計算思維的教育目的之所在。本文認為，計算思維教育的目的是培養一種思維習慣，一種像計算機科學家思考問題那樣的習慣。

在研究層面，對于一個問題的解決，著名計算機科學家、1998年圖靈獎獲得者詹姆士?格雷（James Gray）的思路（習慣）是這樣的：

（1）首先，對問題進行非常簡單的陳述，即要說明解決一個什么樣的問題。他認為，一個能夠清楚表述的問題，能夠得到周圍人的支持。雖然不清楚具體該怎么做，但對問題解決之后能夠帶來的益處非常清楚。

（2）其次，解決問題的方案和所取得的進步要有可測試性。

（3）最后，是整個研究和解決問題的過程能夠被劃分為一些小的步驟，這樣的話就可以看到中間每一個取得進步的過程。

在技術層面，美國華盛頓大學教授、美國國家研究立法委員會計算機文化協會主席史耐德（Snyder Lawrence）教授在其撰寫的《新編信息技術導論：技能、概念和能力》一書中指出，人們可以從抽象的角度來思考信息技術。他寫道，當你成為數字文人之后，你可以從抽象的角度來思考技術，而且更喜歡（習慣）提以下問題：

（1）對于這個軟件，我必須學會用哪些功能，才能幫助我完成任務？

（2）該軟件的設計者希望我知道些什么？

（3）該軟件的設計者希望我做些什么？

（4）該軟件向我展示了哪些隱喻？

（5）為完成指定任務，該軟件還需要其他哪些信息？

（6）我是否在其他軟件中見到過這個軟件中的操作？

在專業層面，對于一個專業的計算問題，筆者認為：從計算的手段來看，我們應當使計算機械化（如算盤、手搖計算機、模擬計算機、電子數字計算機）；從計算的過程來看，我們應當使計算形式化（如圖靈機、計算理論）；從計算的執行來看，我們應當使計算自動化（如馮?諾依曼機）。

在計算思維的研究中，教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會主任委員李廉教授認為，在傳統的教學中，計算思維是隱藏在能力培養內容中的，要靠學生“悟”出來，現在要把這些明白地講出來，讓學生自覺地去學習，提高培養質量，縮短培養的時間。從軟件開發的角度，他提出了抽象與綁定的研究思路，大致是，抽象是構建和理解復雜系統的工具，規范是現實世界到虛擬世界的抽象；而綁定是虛擬世界到現實世界的重現，所有的軟件開發，無非都是抽象與綁定的結果。

美國計算機科學技術教師協會則認為，計算思維的教育應存在于每一所學校的每一堂課程的教學中。他們認為衡量是否采用了計算思維，取決于對于一個要解決的問題，教師能否有意識（習慣）地提出以下問題[8]：

（1）人與計算機的計算能力有多大，各自的局限性是什么？

（2）研究的問題復雜性有多大？

（3）問題解決的判定條件是什么？

（4）什么樣的技術可以應用于當前的問題討論中？

（5）什么樣的計算策略更能有效地解決當前的問題？

以上是計算機科學家以及計算機教師協會關于問題解決的思維習慣。隨著研究的深入，人們不僅需要總的一般性的認識，人們還希望建立在某種合理框架上的認識，以便系統地、有步驟地、鮮明地培養這種習慣，最終全面提高人們的計算思維能力。

三、計算思維表述體系的框架

計算思維表述體系的框架，涉及計算思維的組成元素以及這些組成元素之間的相互關系。在美國CPATH計劃的支持下，經過幾年的努力，已取得一些成果。如在CPATH計劃的支持下，美國德保羅大學（DePaul University）的教授們就在ACM前主席Denning“偉大的計算原理”概念分類的基礎上構建了一個教學框架，把通識教育中的核心技能――邏輯推理、寫作和倫理聯系了起來[9]。Denning設想，在向各學科介紹計算原理時要力爭做到通俗易懂，通過大眾化的解讀來建立一種超越學科范疇的計算共識，由此構建不同學科之間的全新關系。他表示，計算原理可以被歸為7個類別，每個類別都從一個獨特的視角去看待計算本身。根據Denning的觀點，7個偉大的計算原理分別是：計算、通信、協作、記憶、自動化、評估和設計[10]。

1.基于“偉大的計算原理”計算思維表述體系框架

Denning的7項“偉大原理”奠定了一個基礎，這個基礎可以幫助人們認識和組織計算思維的實例，并將它們進行有效的分類。同時，這個基礎也可以認為是一個框架，這個框架可以幫助人們將計算思維運用到計算機科學以外的領域。在基于“偉大的計算原理”研究中，我們認為，“抽象”也是一個偉大的計算原理，應納入框架之中。另外，Denning劃分的概念之間沒有層次和邏輯關系，還需進一步完善。下表給出基于“偉大的計算原理”構建的計算思維表述體系框架。

2.計算思維表述體系中的基本概念

在周以真的文章中，計算思維指的是一種能力，這種能力通過熟練地掌握計算機科學的基礎概念而得到提高。周以真將這些基礎概念用外延的形式給出：約簡、嵌入、轉化、仿真、遞歸、并行、抽象、分解、建模、預防、保護、恢復、冗余、容錯、糾錯、啟發式推理、規劃、學習、調度等。周以真希望人們對這些基礎概念繼續補充，本文認為，這些基礎概念至少還應該包括CC1991 給出的12個核心概念：綁定、大問題的復雜性、概念模型和形式模型、一致性和完備性、效率、演化、抽象層次、按空間排序、按時間排序、重用、安全性、折中與結論。顯然，12個核心概念與周以真給出的基礎概念有些是重合的，如“建模”與“概念模型和形式模型”。下面，對以上概念進行分類，力求減少它們的交集。另外，我們希望更多的學者對這些概念（包括擴展的基礎概念）在研究的基礎上進行更有效的分類，以使該框架更加完善。

在本文給出的計算思維表述體系框架中，“計算”是一個中心詞，是第一層次的概念，其他7個概念以“計算”為中心并服務于“計算”；7個概念中的“抽象、自動化和設計”為第二層次的概念，是從不同方面對“計算”進行的描述；“通信、協作、記憶、評估”蘊含在“抽象、自動化和設計”三個概念之中，是計算機科學中僅次于“抽象、自動化和設計”的基礎概念，屬框架中第三層次的概念（如下圖所示）。對這些概念的理解，有助于加深人們對“計算”的認知。下面，分別對這些概念進行定義。

計算思維基本概念的層次關系圖

（1）計算（Computation）是執行一個算法的過程。從一個包含算法本身的初始狀態開始，輸入數據，然后經過一系列中間級狀態，直到達到最終也即目標狀態。計算不僅僅是數據分析的工具，它還是思想與發現的原動力。可以認為，計算學科及其所有相關學科的任務歸根結底都是“計算”，甚至還可以進一步地認為，都是符號串的轉換。效率是計算問題的核心，以計算思維為切入點的大學計算機教學改革最大的亮點在于充分地重視“計算復雜性”這個與“效率”有密切聯系的核心概念。一般來說，掌握一個概念往往需要舉出反映該概念本質的3個經典案例和3個反例。計算包含的核心概念有：大問題的復雜性、效率、演化、按空間排序、按時間排序；計算的表示、表示的轉換、狀態和狀態轉換；可計算性、計算復雜性理論等。

（2）抽象（Abstraction）是計算的“精神”工具。周以真認為，計算思維的本質是抽象化。至少在兩個方面，計算學科中的抽象往往比數學和物理學更加豐富和復雜。第一，計算學科中的抽象并不一定具有整潔、優美或輕松的可定義的數學抽象的代數性質，如物理世界中的實數或集合。例如，兩個元素堆棧就不能像物理世界中的兩個整數那樣進行相加，算法也是如此，不能將兩個串行執行的算法“交織在一起”實現并行算法。第二，計算學科中的抽象最終需要在物理世界的限制下進行工作，因此，必須考慮各種的邊緣情況和可能的失敗情況。抽象包含的核心概念有：概念模型與形式模型、抽象層次；約簡、嵌入、轉化、分解、數據結構（如隊列、棧、表和圖等）、虛擬機等。

（3）自動化（Automation）是計算在物理系統自身運作過程中的表現形式（鏡像）。什么能被（有效地）自動化是計算學科的根本問題。這里的“什么”通常是指人工任務，尤其是認知任務，可以用計算來執行的任務。我們能夠使用計算機來下棋嗎？能夠解決數學問題嗎？給出關鍵字能夠在因特網上搜索到我們頭腦中想要的東西嗎？能夠實時地將漢語和英語互譯嗎？能夠指引我們開車穿過偏僻地形的地區嗎？能夠準確地標記圖像嗎？能夠看到我們眼睛看到的東西嗎？在周以真的論文中，她認為，計算是抽象的自動化。自動化意味著需要某種計算機來解釋抽象。這種計算機是一個具有處理、存貯和通信能力的設備。計算機可以被認為是一臺機器，也可以是一個人，還可以是人類和機器的組合。自動化包含的核心概念有：算法到物理計算系統的映射，人的認識到人工智能算法的映射；形式化（定義、定理和證明）、程序、算法、迭代、遞歸、搜索、推理；強人工智能、弱人工智能等。

（4）設計（Design）是利用學科中的抽象、模塊化、聚合和分解等方法對一個系統、程序或者對象等進行組織。在軟件開發中，設計這個詞意味著兩件事：體系結構和處理過程。一個系統的體系結構可以劃分為組件以及組件之間的交互活動和它們的布局。處理過程意味著根據一系列步驟來構件一個體系結構。好的設計有正確性、速度、容錯性、適應性等4個標準。正確性意味著軟件能符合精確的規格。軟件的正確性是一項挑戰，因為對一個復雜系統來說精確的規格是很難達到的，而證明本身就是一個棘手的問題。速度意味著我們能夠預測系統在我們所期望的時間內完成任務。容錯性意味著盡管有一些小錯誤但軟件和它的主系統仍然能夠正確地運行。適應性意味著一個系統的動態行為符合其環境的使用。設計包含的核心概念有：一致性和完備性、重用、安全性、折中與結論；模塊化、信息隱藏、類、結構、聚合等。

（5）通信（Communication）是指信息從一個過程或者對象傳輸到另一個過程或者對象。通信包含的核心概念有：信息及其表示、香農定理、信息壓縮、信息加密、校驗與糾錯、編碼與解碼等。

（6）協作（Coordination）是為確保多方參與的計算過程（如多人會話）最終能夠得到確切的結論而對整個過程中各步驟序列先后順序進行的時序控制。協作包含的核心概念有：同步、并發、死鎖、仲裁；事件以及處理、流和共享依賴，協同策略與機制；網絡協議、人機交互、群體智能。

（7）記憶（Recollection）是指通過實現有效搜索數據的方法或者執行其他操作對數據進行編碼和組織。計算思維表述體系中的記憶是人們討論大數據背后的原理之所在，沒有“記憶”這個偉大原理，大數據就是空談。記憶包含的核心概念有：綁定；存儲體系、動態綁定（names、Handles、addresses、locations）、命名（層次、樹狀）、檢索（名字和內容檢索、倒排索引）；局部性與緩存、trashing抖動、數據挖掘、推薦系統等。

（8）評估（Evaluation）是對數據進行統計分析、數值分析或者實驗分析。評估包含的核心概念有：可視化建模與仿真、數據分析、統計、計算實驗；模型方法、模擬方法、benchmark；預測與評價、服務網絡模型；負載、吞吐率、反應時間、瓶頸、容量規劃等。

四、計算思維的作用

計算思維表述體系的建立，有助于計算領域以外的人了解和運用計算思維，伴隨經典實例的計算概念講授，可以讓計算領域以外的人了解計算的美麗與愉悅，拓展計算思維的應用范圍。雖說計算作為一門學科存在的時間不長，但人們已經認識到計算在科學界的影響力。1982年，諾貝爾物理學獎得主Ken Wilson在他的獲獎演講中就提到計算在他的工作中扮演的重要角色。2013年的諾貝爾物理學獎、生理學或醫學獎都與“計算”有關，化學獎的主要成果“復雜化學系統多尺度模型的創立”，這更是一個典型的用計算思維的方式――結構和算法的過程得到科學新發現的實例。

在分子生物學領域取得的研究進展中，計算和計算思維已經成為其核心內容。如今在研究許多復雜的物理過程（如群鳥行為）時，最佳方式也是將其理解為一個計算過程，然后運用算法和復雜的計算工具對其進行分析。從計算金融學到電子貿易，計算思維已經滲透到整個經濟學領域。隨著越來越多的檔案文件歸入各種數據庫中，計算思維正在改變社會科學的研究方式。甚至音樂家和其他藝術家也紛紛將計算視為提升創造力和生產力的有效途徑。

總的來說，計算思維為人們提供了理解自然、社會以及其他現象的一個新視角，給出了解決問題的一種新途徑，強調了創造知識而非使用信息，提高了人們的創造和創新能力。

1.理解自然、社會等現象的新視角

在許多不同的科學領域，無論是自然科學還是社會科學，底層的基本過程都是可計算的，可以從計算思維的新視角進行分析。其中，“人類基因組計劃”就是一個典型案例。

用數字編碼技術來解析DNA串結構的研究是計算思維的一個經典實例，其為分子生物學帶來了一場革命。將有機化學的復雜結構抽象成4個字符組合而成的序列后，研究人員就可以將DNA看作一長串信息編碼。DNA串結構實際就是控制有機體發育過程的指令集，而編碼是這一指令集的數據結構，基因突變就類似于隨機計算，細胞發育和細胞間的相互作用可視為協同通信的一種形式。沿著這一思路，研究人員已經在分子生物學領域取得了長足的進展，最具代表性成績就是“人類基因組計劃”中包括的人體內全部DNA解碼、基因測序并繪制人類基因圖譜、開發基因信息分析工具等一系列任務的圓滿完成。

2.解決問題的新方法

折紙又稱“工藝折紙”，是一種以紙張折成各種不同形狀的藝術活動。折紙發源于中國，在日本得到了很大的發展，歷經若干世紀，現在的日本折紙已成為一項集藝術審美、數學和計算機科學于一身的新藝術，而且還催生了名為“計算折紙”的新領域。該領域通過與折紙算法有關的理論來解答折紙過程中遇到的問題。如在折出某個物品之前事先將這一物品的外形抽象成一張圖，這就用到了圖論。一旦將某個物體抽象為圖的形式就可以得到描述整個折疊順序的算法，這就意味著該物品對應的折紙過程完全可以實現自動化，運用計算思維的這種抽象和自動化方法還可以做出更多更為復雜的折紙。折紙藝術家可以在完成折紙工序自動化的過程中，從折紙創新的角度向人們更為具體地介紹折紙的基本概念。在美國德保羅大學基于計算思維的教學改革中，已成功地將這種解決問題的新方法及其案例融入課程，特別是人文類課程的教學中[9]。

3.創造知識

采用計算思維還可以創造大量的新知識，比如，亞馬遜公司“網上購物推薦系統”創造的新知識。亞馬遜公司成立時間并不長，但通過客戶瀏覽網站的痕跡和購物的歷史記錄，該公司已經積累了大量的客戶信息。傳統的統計方法成為亞馬遜公司手中的有力杠桿，借力這些信息，公司得以及時跟蹤客戶的喜好和興趣以及公司的庫存產品。但是這些累積信息中可能包含一些無法基于視覺或者手動檢測的數據模式，而知識的創造過程就是發現并且明確地表述出那些藏而不露但意義深遠的數據模式。亞馬遜公司利用各種方法對這些數據進行深入挖掘并用于各項決策中，比如給某位顧客推薦某些書。亞馬遜的推薦系統正是建立在這些客戶留下的數據信息的基礎上，比如該客戶的歷史購物記錄以及購買了同一件商品的其他客戶的購物記錄。就是這些規則構成了亞馬遜的推薦系統，而它正是該公司商業模式的核心部分，也是Netflix prize算法競賽中列舉的在線商務系統的核心。

4.提高創造力和創新力

計算思維可以極大地提高人們的創造力。比如在音樂制作領域，依靠計算機的軟硬件可以產生大量的合成聲音，創作音樂。從最簡單到最復雜的任何聲音都可以通過計算機的軟件來合成。基于聲音物理特性的理解以及對這種特性在計算機中存儲的認識，人們可以采用計算思維了解聲音的合成過程與音樂的制作過程。通過音樂合成軟件的研制，人們可以很自然地將編程和作曲思維變成一種平行關系，并采用這些軟件產生大量的高質量音樂作品。實際上，鑒于這個目的，人們已經開發出不少功能強大的音樂制作編程語言，如Nyquist、JFugue、DarkWave Studio等。

參考文獻：

[1] Jeannette M. Wing. Computational Thinking[J]. Communications of the ACM， 2006， 49（3）.

[2] National Research Council. Report of a workshop on the scope and nature of computational thinking[M]. National Academies Press， 2010.

[3] 教育部高等學校大學計算機課程教學指導委員會. 計算思維教學改革宣言[J]. 中國大學教學，2013（7）.

[4] 九校聯盟（C9）計算機基礎教學發展戰略聯合聲明[J]. 中國大學教學，2010（9）.

[5] 陳國良. 計算思維：大學計算教育的振興，科學工程研究的創新[J]. 中國計算機學會通信，2012，8（1）.

[6] 陳國良，董榮勝. 計算思維與大學計算機基礎教育[J]. 中國大學教學，2011（1）.

[7] 李廉. 以計算思維培養為導向深化大學計算機課程改革[J]. 中國大學教學，2013（4）.

[8] Pat Philips. Computational Thinking： A problem-solving tool for every classroom[EB/OL]. http：///Resources/sub/ ResourceFiles/ComputationalThinking.pdf.

計算機學科的根本問題范文第5篇

一、擺正心態

計算機技術本身的特點及社會需求深刻影響到計算機專業人才的心態。計算機技術不僅在教育領域扮演著重要角色，更是在社會其他各個領域都起著舉足輕重的作用。來自社會各方面的多種誘惑使得從事計算機專業教學的教師特別是年輕教師們心態復雜，難以平衡。走上教育線，成為一名教師，就要清醒地認識到自身所肩負的責任和使命，要立志用自己所學在教育工作崗位上做出應有的貢獻，這也是成為一名“好”教師的基本前提。

二、了解體制

社會上各行各業，人才輩出，他們是各自領域的精英，他們最了解各自領域的體制、現狀乃至存在的問題。作為一名計算機專業教師，同樣也要了解現行的教育體制、現狀乃至存在的問題。常聽說：“××××問題，是現在教育體制的問題……”。這不是壞事，因為只有充分了解，才能發現問題所在，才有解決問題的可能。不管一己之力能否解決，但終究是看到了問題的存在。任何體制不是永遠正確、合理、一成不變的。作為教師，只有了解現行的教育體制，才能把握自己教育教學的大方向。而作為職業學校的計算機專業教師，不僅要鉆研計算機專業技術、探索靈活多樣的教法，更要了解現行的職業教育體制、法規、政策，做一名熱心教育事業發展的教師，而不只是機械的教學。不僅要了解現行的職業水平教育，更要了解現階段國家大力提倡的職業資格教育，要用發展的眼光看待計算機專業教學。

三、掌握技術

各行各業，要成功，首先要有技術或技術支持。只有自己掌握了過硬的專業技術，才能解決問題，才能得到別人的信服。作為職業中學的計算機專業教師，任務是要培養出以“技術”為本、以“就業準入”為導向的人才。這就要求教師不僅要學習各種計算機專業理論知識，更要掌握計算機領域的各種專業技能，要具備解決問題的能力；不僅要做一名優秀的理論教師，更要做一名技術過硬的實踐教師，這是職業中學培養“雙師型”教師隊伍的最終目的，同時也對職業中學的計算機專業教師提出了更高的要求。

四、學會教學

對教師而言，自身擁有較強的專業知識和技能水平是前提，但不是這樣就一定能做一名好教師。教師的職業特色從某個角度來說是不僅要做得，還要說得。教師不是單純的技術人才，而是集學識、技術、表達于一身的復合型人才。自身技術好，還要會教學。要學會把握教學的各個環節，從課前的準備工作開始，不僅要備教材，更要備學生；在課堂教學中，充分運用現代化的教學手段，掌控教學的各個環節，靈活運用多種教學方法和手段，啟發學生獨立思考，激發學生的學習積極性和主動性、創造性。特別是要結合計算機專業實踐性強的特點，合理安排理論教學與實踐教學的比例，力爭教學以專項能力的培養展開，以綜合能力的形成而告終。

五、面向市場

中國經濟在改革開放30多年中迅速騰飛，而今正全面向市場經濟轉變，市場經濟帶給了各行各業無盡的發展契機。教育行業也隨之發生了翻天覆地的變化，正從傳統教育逐漸向素質教育演變。素質教育要求我們培養出來的學生是既要有知識，又要懂技術的人才，特別是職業學校培養出來的學生一定要能夠適應市場需求，要能夠面向社會、參與競爭。作為職業學校及教師，要做到與時俱進，順應時代潮流，遵循市場規律，樹立市場觀念，無論從教學目的還是教學內容，都要與市場接軌，滲透市場理念，培養出來的學生對用人單位來說，要：“招之能來，來之能用”，正所謂“有用才出色”也是這個道理。

六、以人為本

現今，最流行的理念莫過于“以人為本”的理念，在教育教學工作中也有共同之處。正如“學生本位論”的提出也是“以人為本”理念的延伸和擴展。“以人為本”的理念要求人性化之教學。教師和學生作為教育教學中的兩大主體，其關系是相輔相成、缺一不可的，教學本身就是師生之間的交流過程。“以人為本”的理念及人性化之教學，可以拉近教與學的距離，促進師生情感，一改過去教師機械的教，學生機械的學的枯燥無味，使教學過程更加新穎，更有效率，也更有助于學生身心健康的發展。

七、勇于探索

對一名職業中學的計算機專業教師來講，教學過程是一個勇于探索的實踐過程。計算機專業有其自身的復雜性和特殊性，知識面廣，更新換代快，應用廣泛，是一門特殊的學科。在教學過程中，采取怎樣的教學方法和手段來讓學生接受和掌握知識及技能是非常關鍵的。俗話說：“教無定法”，只有在實際的教學工作中，通過自身實踐得出的教學方法和手段才是最有效的。因此，積極探索，勇于實踐，努力探究符合計算機專業特色的靈活多樣的教學方法和手段，形成自己的教學風格和特色尤為重要。