教育部第十期大学计算机课程骨干教师培训班总结 房媛 -大连工业大学 ...
王大鹏 王续琨 刘德山 宋传鸣
摘要：计算思维是一个具有多重内涵的概念，一般而言是指人通过计算的方式认识客观世界和参与改造客观世界的脑力活动。文章依据现有的期刊论文和已经出版的计算思维类教材，梳理出计算思维导论课程的5个基本论题，以计算思维作为课程整合的主线，提出将计算机应用基础、计算机文化概论、计算思维导论列为面向所有本科生的大学计算机通识课的课程设置改革方案。
关键词：计算思维；计算思维导论；大学计算机通识课；计算机文化
1.计算思维概念的多重内涵
计算思维作为与理论思维、实验思维相并列的一种科学思维形式，近年来越来越受到学术界的关注，相关文献逐年增多。依据文献检索结果可以大致断定，中国学者在20世纪90年代即开始使用计算思维概念。钱学森先生于1980年提出创建和发展思维科学的设想，此后中国学者逐步将思维研究的触角延伸到计算学科和计算机技术领域。1992年，黄崇福在其博士学位论文《信息扩散原理与计算思维及其在地震工程中的应用》中为计算思维做出了最初的定义：“简明扼要地讲，计算思维就是思维过程或功能的计算模拟方法论。”这是一个从思维的计算功能模拟视角所做出的定义。
在中国知网的《中国学术期刊网络出版总库》中以计算思维作为检索词进行篇名的精确检索，共检出901篇文献（以下简称为计算思维期刊文献）。表1列出这些文献2003-2016的年度分布情况（2016年仅录入部分文献，表中加括号予以特别标示）。
第一篇计算思维期刊文献是《生物医学工程学杂志》2003年第3期发表的《人脑不同计算思维方式的功能定位研究》，此文也是在脑科学、思维科学的意义上使用计算思维概念的。中断了5年之后，2009年共有8篇计算思维期刊文献问世。检视文献内容可知，这些文献所论述的计算思维概念是从国外引进的。国外的“计算思维”概念最早出现于2006年美国卡内基·梅隆大学计算机科学系教授周以真（Jeannette M.Wing）发表的《计算思维》一文，此文提出具有特定学术内涵的计算思维（computational thinking）概念，从计算机科学角度为其做出了经典定义：“计算思维是运用计算机科学的基本概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。”2008年，美国计算机协会（ACM）接受了周以真的计算思维理念，明确要求计算机导论一类课程应该重点讲授计算思维的本质。由于权威学术团体的大力倡导，计算思维迅速成为计算机学术界和高等教育界的一个热词。
2008年10月，全国高等学校计算机教育研究会计算思维与计算机导论专题研讨会在桂林召开，此后出现了学术研究的连锁反应，相关文献数量迅速增长。由表1可知，计算思维期刊文献从2010年至2013年分别呈现三倍数、四倍数和两倍数的增长。2015年该类文献的产出量大约在300篇以上。目前，在中国知网的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》中以计算思维作为检索词进行题名的精确检索，可以检索到25篇学位论文。除前面提到的1992年完成的一篇博士学位论文之外，其余24篇硕士学位论文为2012年3篇、2013年4篇、2014年7篇、2015年10篇，同样呈现加速增长的趋势。期刊文献和学位论文数量的急剧增长，缘于社会需求的强力拉动，社会需求诱导研究者对计算思维产生越来越高的学术关注度和探究热情。
初步浏览上述期刊文献的内容可以看出，中国学者在研究中普遍从计算机课程教学和人才培养的视角来探讨计算思维的各种问题。较早介入计算思维研究的董荣胜，借用周以真的定义将计算思维界定为“运用计算机科学的思想与方法进行问题求解、系统设计以及人类行为理解的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动”。该定义将周以真定义中的“基本概念”置换为“思想与方法”，有助于人们对计算思维有更全面的理解。
在最近几年的研究中，中国学者对计算思维概念也做出了一些补充性的阐释。李廉在《计算思维——概念与挑战》一文中从基本特征的角度做出界定：“计算思维是人类科学思维中，以抽象化和自动化，或者说以形式化、程序化和机械化为特征的思维形式。”龚沛曾和杨志强的《大学计算机基础教学中的计算思维培养》一文，认为计算思维包含计算思维意识、计算思维方法、计算思维能力3个层次的内容。张东生和季超在《从形象思维到计算思维》一文中指出，现代计算思维概念的内涵是计算机解题（目前主要是结构化和形式化问题）的思维方式。
思维是人认识客观世界和指向改造客观世界的精神活动（或脑力活动），是人类大脑的机能，并可由机器加以模拟。基于对思维的这样一种理解，可以为计算思维做出一个粗浅的解释：计算思维是人通过计算的方式认识客观世界和参与改造客观世界，能够为机器所部分模拟的脑力活动。对人而言，计算在本质上是一种思维性的脑力活动。将计算和思维整合为计算思维概念，目的在于强调从思维的层面或视角来看待、研究、应用计算方法和作为计算工具的电子计算机，概括、总结、提炼计算理论和计算文化。
2.计算思维导论类课程基本内容的梳理
进入新世纪以后，在美国计算思维教育理念的影响下，许多中国学者主张“大学计算机”类课程应以计算思维为主线。2010年以来，一些学校开设了以计算思维导论、计算思维概论、计算思维基础等命名的课程。借助“读秀学术搜索”平台，可以检索到以计算思维作为书名主题词的著作46部，其中2012年3部、2013年7部、2014年16部、2015年20部。这些著作多数为高等学校计算机类课程的教材，其出版量的快速增长，表明开设计算思维类课程的学校越来越多。
各高等学校所开设的计算思维类课程在体系内容方面各擅胜场，各有侧重。在翻看多部教材类著作的基础上，我们梳理出计算思维导论类课程的5个基本论题，每个论题之下都包含若干具体内容或有待长期研究的具体课题。
——计算和计算思维的本质和特征。主要内容包括：计算和计算思维概念的内涵和外延，计算手段向计算思维转化递升的路径，计算思维的基本特征，计算、计算思维与电子计算机的关系，前计算机时代与计算机时代计算思维的比较。
——计算思维的科学定位。主要内容包括：计算思维与创造性思维的关系，计算思维与理论思维、实验思维的区分和相互关系，计算思维与抽象思维及具象思维的交互作用，计算思维与逻辑思维及直觉思维的交互作用，计算思维与科学学科思维的互补关系，计算思维与管理思维、决策思维、临床思维等实践活动思维的互渗关系。
——计算思维的社会功能。主要内容包括：计算思维的适用范围，计算思维的创新功能，基于计算思维（概念、方法、模型、算法、工具、系统等）进化的解决问题新模式，计算思维与互联网时代网络思维的内在联系，作为科学研究手段的计算思维模式，计算思维转化为科学研究方法的机制，计算思维在计算机通识课建设中的导向作用，计算思维框架下的计算机类课程教学模式，计算思维在管理、工程、生产等领域的实际运用。
——计算思维的运作机理。主要内容包括：计算问题的辨识和确认，计算思维进路的设计，计算思维的展开步骤，计算思维的表述体系，计算思维过程中的基本运作方法（嵌入、转化、仿真等），计算思维的化整为零（有限元）原理，计算思维的化繁为简（约简）原理，大数据和云计算背景下的计算思维运用模式。
——计算思维培养训练的路径和方式。主要内容包括：小学阶段、中学阶段和大学阶段计算思维训练的对接，知识传授基础上的计算思维培养训练机理，不同类型大学生（理科生、工科生、农科生、医科生、文科生、高等职业院校生等）计算思维能力培育的共性和差异，计算思维培养训练与相关课程（计算机硬件类课程、程序类课程、算法类课程、数据库课程、一般数学类课程、信息技术类课程等）的关系，不同类型受教育对象的计算思维培养方式，跨学科课堂的计算思维训练。
伴随着高等学校计算思维导论类课程的普遍开设，在计算思维研究成果积累到一定程度之后对这些成果进行学科化梳理，有望建立一门新学科——计算思维学。以计算思维作为研究对象的计算思维学，是介于计算科学、计算机科学与思维科学之间的交叉学科。这门学科对于强化计算机思维导论类课程的理论基础具有不可替代的作用。
3.整合大学计算机通识课程的构想
电子计算机是20世纪人类的一项极为重要的发明成果。在电子计算机的重要性越来越凸显、应用范围越来越广泛的大背景下，高等学校为学生普遍开设计算机类课程是必然的选择。20世纪80年代初，计算机普及在中国出现第一次热潮，一些高等学校开始为学生开设“计算机应用”一类课程。为了推动面向非计算机专业大学生的计算机基础教育，1984年，全国高等院校计算机基础教育研究会成立。1985年，该研究会提出高等学校非计算机专业同四年学制相对应的计算机基础教育4个层次课程体系方案。在计算机普及的第二次热潮中，教育部于1997年12月下发教高司[1997]155号文件，提出计算机基础教育的目标、要求和内容，将以往的4个层次调整为计算机文化基础、计算机技术基础和计算机应用基础3个层次。2002年以来，全国高等院校计算机基础教育研究会和清华大学出版社共同发起成立的“中国高等院校计算机基础教育改革课题研究组”，在2004年、2006年、2008年、2014年出版课题研究报告《中国高等院校计算机基础教育课程体系》，提出不同类型专业的计算机基础教育课程体系参考方案。
2008年以后，源于美国的计算思维概念传人中国，对计算机教育产生了深刻的影响，不仅出现一批融入计算思维理念的计算机基础类教材，如《计算思维与大学计算机基础》《大学计算机基础与计算思维》等，还出现了《计算思维基础》《计算思维导论》《计算思维教育》《计算思维——计算学科导论》等以计算思维为主要内容的教材，可以将这种趋向称之为计算机基础教育的“计算思维转向”。
针对这一情势，《中国高等院校计算机基础教育课程体系2014》明确指出：“把计算思维能力的培养作为计算机基础教学的核心任务和改革的切入点，……需要以现有的计算机基础教学培养目标和内容为基础，从计算思维能力培养的要求角度，进一步组织与优化教学内容，突出核心；同时，通过教学方法的改革，加强思维方法训练。”遵循这个思路，我们提出改进高等学校计算机基础教育的课程设置方案。
中国高等学校总计有数百个本科专业，各校根据自身的专业设置情况和师资力量，对非计算机专业可以按专业类别，据实际需要开设不同的计算机课程，如面向工科类专业的程序设计、计算机硬件技术基础、微机原理与接口技术、数据库技术与应用、计算机辅助设计基础等，面向文科非财经类专业的数据库与程序设计、网页设计基础、电子政务应用、电子商务应用、社会统计分析软件应用等。在这些个性化课程之外，建议面向所有的专业（包括计算机专业）开设计算机应用基础、计算机文化概论、计算思维导论3门公共必修课。这3门既有相对功能分工又有总体整合目标的课程，是通识教育的重要内容，因而可将其称为大学计算机通识课程。这是一个涵义更为直观的概念。
计算机应用基础的基本功能，是通过计算机应用技能的训练，提高学生的信息素养，使之具备良好的信息获取、信息储存、信息处理、信息呈现分享能力，初步认识计算和计算思维在社会进步中的重要作用，成为信息社会的合格公民。这门课程要特别注意同中学阶段衔接。由于中学办学条件的不断改善，大学生入学时已经掌握了基本的计算机操作技能。计算机应用基础课程要在技能的提升上下功夫，适度引入“形而上”的计算机文化和计算思维理念，为后续的两门课程做必要的铺垫。
计算机文化概论的基本功能，是通过对生产、销售、使用和研究计算机过程中所形成的各种文化现象的探讨，使学生对多层面（物质文化、行为文化、制度文化、心智文化）的计算机文化有较为全面的了解，使其自觉遵守社会公共道德规范和相关法律法规和信息安全准则，依法进行信息技术活动，坚决抵制不良信息，树立知识产权意识，敬畏创造性脑力劳动及其成果，充分理解计算思维的智能属性。
计算思维导论的基本功能，是通过对前期计算机课程和计算机操作应用实践的总结反思，使学生在思维层面了解计算机的基本原理和演进发展历程，正确认识计算思维的本质和特征，把握计算思维的科学定位和运作机理，厘清计算机技术发展与计算思维方法及计算思维能力的关系，树立变革性的计算思维意识，积极主动地实现思维方式的变革。
表2对大学计算机通识课程的功能分工、课程特征、教学方式、整合目标做了简单的比较。3门课程的功能、特征不同，应该有各具特色的教学方式。计算机应用基础应围绕最新软件技术少讲多练，着力于提升学生的计算机操作技能；计算机文化概论应重视情景教学法、案例教学法的运用，在探索研究的氛围中让学生感知和体悟无处不在的计算机文化；计算思维导论则要注重引导学生展开自身的思维过程，在总结反思中发展计算思维智能。3门课程既有相对的功能分工，又都以计算思维作为课程整合的主线和“抓手”。
在高等学校普遍减少开课门数、精简学时的背景下，大学计算机通识课程的总课时要少于以往计算机基础教育课程的总学时。针对此情况，可采用以下两种实施方案：第一方案是将计算机应用基础、计算机文化概论、计算思维导论均设置为小学分课程（例如2学分），教学中以计算思维为主线和“抓手”做到前后呼应、连贯递进；第二方案是将计算机应用基础、计算机文化概论、计算思维导论作为3个板块，整合为一门3-4学分的课程，以计算思维为核心组合课程内容，课程名称可以选用大学计算机或大学计算机基础等。这门课程的学时数，不同学校可以有不同的选择，同一所学校的不同院系或专业也可以有不同的选择。
