計算思維計算機基礎(chǔ)論文
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隨著計算機科學(xué)的飛速發(fā)展，目前計算機的使用已經(jīng)深入到社會的各個領(lǐng)域，人們希望能夠更好地借助計算機完成工作，尤其是在科學(xué)研究領(lǐng)域，科研人員更迫切希望計算機為其研究開辟新的思路和方法。計算思維的提出是通過突出計算機處理問題的特性，引導(dǎo)人們從理論的角度理解計算機的行為，以便更好地使用它。然而關(guān)于計算思維這個概念，計算機學(xué)界一直存在著爭議，主要以ACM的前任會長PeterJDenning和2003年圖靈獎獲得者PeterNaur為代表。“計算思維”（ComputationalThinking）的爭議，關(guān)鍵在于對“計算”（Computation）一詞的理解。什么是計算？目前沒有明確唯一的定義，但一般的理解是，計算可看做一種信息狀態(tài)到另一種信息狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，其中包含信息的傳遞和變化。比如，在計算機程序設(shè)計里，一組輸入到一組輸出，其中的變化過程就是計算。然而在生物學(xué)領(lǐng)域有個著名的中心法則，即DNA→RNA→蛋白質(zhì)，現(xiàn)代分子生物學(xué)研究表明，DNA、RNA、蛋白質(zhì)都是由其編碼序列決定的，它們之間的變換存在著信息的傳遞，科學(xué)家們認為這也是一種計算。周以真教授關(guān)于計算思維的定義，顯然是將計算限定在計算機科學(xué)領(lǐng)域，這樣是否會導(dǎo)致人們對計算認識的局限甚至是誤解？Denning教授指出：“計算思維并不是計算機科學(xué)唯一和獨有的特征，如果不謹慎地認識和看待它，將會把人們引向思維的陷阱”。同時，他認為計算作為信息的處理過程，在自然界中是無處不在的，計算機的計算只是眾多計算中的一種形式。計算機可以幫助人們完成很多任務(wù)，導(dǎo)致人們對它寄予過高的期望，周以真教授認為應(yīng)該將計算思維變成常識。但是，這種美好的愿望忽略了一個基本的事實——計算機本身的局限性。
目前的計算機是以圖靈機為基本模型，Naur教授在Computingversushumanthinking一文中論證了這種計算機并不能描述人的思維，它只是描述現(xiàn)實世界的一種形式。這種觀點從根本上說明了當前計算機在處理信息能力上的局限性。當然，我們不能預(yù)測計算機以后能否完全描述和模擬人的思維，但是在目前的架構(gòu)下是不能實現(xiàn)的。計算機雖然能幫助我們解決很多現(xiàn)實的問題，但不能期望它是萬能的，我們要了解目前計算機科學(xué)的研究邊界。Naur教授的研究還表明，圖靈模型不足以描述人的智能，如何使機器具有人的智能，可能還需要從不同的角度去研究，比如生物學(xué)的角度或非數(shù)字的形式。上述兩位教授提出的質(zhì)疑，實質(zhì)上是計算思維定義的延伸，即計算不能僅指計算機科學(xué)范疇內(nèi)的計算，目前計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念也不足以描述所有的計算。計算思維的定義是從目前計算機科學(xué)所處的水平和角度提出的概念，這個概念可以概括當前計算機工作的特點，但如果作為一種思維方式進行推廣，可能會在某種程度上限制人們的思維。從另一個角度看，計算思維概念的提出具有非常積極的意義，它從一定程度上簡明扼要地指出了計算機科學(xué)的核心和本質(zhì)問題，為其他科學(xué)領(lǐng)域的研究人員深入學(xué)習(xí)和理解計算機科學(xué)提供了很好的目標與方向。綜上所述，計算思維目前還是一個處于研究和探索的定義或概念，有待發(fā)展和完善，因此，我們在將此概念運用到大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革中時，應(yīng)注意此概念涵蓋的范圍。
2計算思維與大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革
在當前的信息化社會中，計算機作為信息處理的主要工具已成為人們生活、學(xué)習(xí)和工作必不可少的幫手，因此，在各個層次的教育中，計算機基礎(chǔ)教育都是非常必要的。但是，在以往計算機教學(xué)的過程中，不論是教學(xué)方法還是教學(xué)內(nèi)容都存在著“狹義工具論”的問題，即僅把計算機作為工具，產(chǎn)生的后果是，學(xué)生只能機械地操作計算機而不能靈活地使用計算機解決問題。從另一個角度看，工具論的教學(xué)思維導(dǎo)致了計算機基礎(chǔ)教學(xué)思想不明確，老師和學(xué)生熱衷于追逐新技術(shù)、新方法，多年的計算機基礎(chǔ)教育并沒有形成穩(wěn)定的課程知識體系和科學(xué)的課程知識結(jié)構(gòu)，這都是教學(xué)中亟待改革的弊端。把計算思維引入計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革的研究即是針對這一弊端提出的解決思路。計算思維強調(diào)運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及行為理解，正好指明了計算機基礎(chǔ)教育不應(yīng)只停留在工具使用層面，而應(yīng)深入地培養(yǎng)學(xué)生運用計算機科學(xué)解決問題的能力。然而，如何才能培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力？計算思維不能只是抽象的概念，我們需深入思考一下計算思維的內(nèi)涵，再結(jié)合計算機基礎(chǔ)教學(xué)的實際對其進行全面的分析。我們知道一種思維的形成不是通過一兩門課程的學(xué)習(xí)就能構(gòu)建起來的。具體到計算思維，按照其定義，計算思維是運用計算機學(xué)科的基礎(chǔ)概念進行問題求解的，而計算機學(xué)科求解問題通常有3個過程：①理論（數(shù)學(xué)）；②抽象（模型）；③設(shè)計（工程）。具備這3個過程的計算機基礎(chǔ)知識課程至少包括離散數(shù)學(xué)、算法分析理論、計算機組成原理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計方法學(xué)以及至少一種程序設(shè)計語言。目前，我國的大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)屬于公共基礎(chǔ)課程，其課時和教學(xué)內(nèi)容都很有限，一般在1~3個學(xué)期內(nèi)完成，每個學(xué)期開設(shè)一門計算機相關(guān)課程，大概總學(xué)時不會超過200學(xué)時。如果按照上文的方式引入以計算思維為主的教學(xué)，其課時至少要翻一倍，且這種調(diào)整涉及所有專業(yè)，其可行性有待商榷。況且，課程的深度與難度也不是所有專業(yè)的學(xué)生都能適應(yīng)的。因此，通過大幅增加教學(xué)內(nèi)容和加深教學(xué)難度的方式來培養(yǎng)計算思維，其實施難度較大。怎樣才能將計算思維的理念有效地運用到大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)中去呢？計算思維涵蓋的內(nèi)容非常廣泛，如果籠統(tǒng)地強調(diào)計算思維能力的培養(yǎng)，在教學(xué)實踐中難以落實。
根據(jù)學(xué)生專業(yè)的特點以及對計算機知識需求的層次不同，教師可以將計算思維能力進一步分解與細化，實現(xiàn)在不同層次上培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力。計算思維能力由淺到深可分為3個層次：操作能力、信息處理能力、問題求解能力。操作能力是指運用計算機應(yīng)用程序的能力，非計算機專業(yè)的學(xué)生使用計算機解決實際問題，只有在熟練操作機器的基礎(chǔ)上才可能進一步了解機器。操作能力是計算思維最基本的內(nèi)容。計算機的操作系統(tǒng)眾多，應(yīng)用程序更是成千上萬，操作能力的培養(yǎng)關(guān)鍵是能夠舉一反三，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力。這個階段的學(xué)習(xí)應(yīng)以上機訓(xùn)練為主，學(xué)生學(xué)習(xí)若干個應(yīng)用程序的使用，并自學(xué)幾個應(yīng)用程序，達到自行掌握應(yīng)用程序的能力。信息處理能力是指主動運用計算機存儲、傳輸、管理和處理各類信息的能力。在這個層次，我們首先應(yīng)該讓學(xué)生掌握計算機硬件結(jié)構(gòu)、數(shù)制編碼、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)等基本問題，注重培養(yǎng)學(xué)生從信息處理的角度理解并應(yīng)用這些知識，引導(dǎo)他們以計算機學(xué)科的眼光看待和處理生活中的信息，培養(yǎng)學(xué)生主動運用計算機進行信息處理的能力。問題求解能力是指運用計算機求解實際問題的能力，即將實際問題化為計算機能夠求解的方式。對于非計算機專業(yè)的學(xué)生，我們主要通過講授程序設(shè)計語言讓他們理解和運用計算機求解問題的方式，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題的能力，發(fā)現(xiàn)計算機與自身專業(yè)的結(jié)合點。
3從知識教學(xué)向思維教學(xué)轉(zhuǎn)變
計算機基礎(chǔ)教學(xué)的傳統(tǒng)教學(xué)模式以老師為主體，將計算機的相關(guān)知識傳授給學(xué)生，先講基礎(chǔ)理論知識，再教相關(guān)軟件的應(yīng)用，這是典型的知識教學(xué)模式。知識教學(xué)側(cè)重于學(xué)習(xí)現(xiàn)成的知識結(jié)論、技巧和方法，忽視了學(xué)科基本方法和基本精神的培養(yǎng)與訓(xùn)練，這也正是造成計算機基礎(chǔ)教學(xué)種種弊端的根源。思維教學(xué)強調(diào)在教學(xué)環(huán)節(jié)中對學(xué)生進行思維的訓(xùn)練。美國心理學(xué)和教育學(xué)專家RobertJSternberg指出：思維教學(xué)的核心理念是培養(yǎng)聰明的學(xué)習(xí)者，教師不僅要教會學(xué)生如何解決問題，也要教會他們發(fā)現(xiàn)值得解決的問題。以往的教學(xué)重視如何將知識與技能傳授給學(xué)生，學(xué)生被動接受，并沒有主動思考。思維教學(xué)強調(diào)以問題為核心，問題可以是老師提出的問題也可以是學(xué)生提出的問題。教學(xué)模式主要以“提出問題—分析問題—解決問題”為主，輔以理論知識的介紹。在問題的提出、分析、解答過程中需要學(xué)生參與，極大地調(diào)動了學(xué)生的積極性；在思考的過程中由老師引導(dǎo)學(xué)生進行思維訓(xùn)練。發(fā)現(xiàn)問題需要有實踐做基礎(chǔ)，因此，思維教學(xué)中創(chuàng)設(shè)情境是非常必要的。大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)可以依據(jù)思維教學(xué)理論制定相應(yīng)的思維教學(xué)實施步驟。在講授操作系統(tǒng)這個知識模塊時，教師往往一開始就是講操作系統(tǒng)的原理、特征與分類等基礎(chǔ)知識，學(xué)生一般難以接受，尤其不能理解進程、并發(fā)、虛擬等概念，更別說提出自己感興趣的問題了。然而，思維教學(xué)模式先創(chuàng)設(shè)情境，從現(xiàn)在學(xué)生熟悉的智能手機入手，再教學(xué)生使用Windows操作系統(tǒng)，讓學(xué)生了解操作系統(tǒng)的作用。在初步了解的前提下，適當?shù)靥岢鰡栴}：操作系統(tǒng)怎么進行設(shè)備管理？為什么“死機”的情況下，可以通過結(jié)束任務(wù)或進程恢復(fù)機器？任務(wù)管理器管理的是什么？學(xué)生在使用的過程中也會提出很多他們感興趣的問題。教師在對這些問題進行分析和解答的過程中，將操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識傳授給學(xué)生。整個學(xué)習(xí)過程里，學(xué)生不僅學(xué)到了操作系統(tǒng)是什么，怎么運行，也了解了操作系統(tǒng)為什么這么做，從而培養(yǎng)了從計算思維的視角認識和理解操作系統(tǒng)的能力。
4結(jié)語
計算思維能力的培養(yǎng)是當前大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)改革的重點方向，全面深刻地認識計算思維概念的內(nèi)涵，有利于擴展老師和學(xué)生的視野。研究如何在教學(xué)實踐中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力是非常迫切的任務(wù)，將教學(xué)模式從知識教學(xué)向思維教學(xué)轉(zhuǎn)變是值得深入研究和切實可行的改革舉措。
作者：羅芳 楊長興 單位：中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院
