大学计算机基础教育的“文化观”与“工具论”

阎红灿，张淑芬，付景红

(河北联合大学理学院，河北唐山063009)

计算机基础教学在我国高等教育中已有30多年的发展历史，已经成为我国高等教育的必然组成部分，在学生综合素质、创新能力培养方面发挥着重要作用。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》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。虽然这个论述中用的是“都有可能”，但我们仍可以看出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是何等重要。

传统的计算机教育经历了“计算机文化”和“计算机工具”两个时期，到现在的信息技术教育，是将其视为“文化”还是“工具”，仁者见仁智者见智。2007年美国科学基金会(NSF)启动了“大学计算教育振兴的途径”(CISE Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education，CPATH)计划，并提出了以“计算思维”为核心的课程改革。2010年7月，在西安交通大学举办了首届九校联盟C9计算机基础课程研讨会，发布了《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》［1］，旗帜鲜明地提出把“计算思维能力的培养”作为计算机基础教学的核心任务，同时倡导高等学校应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。

笔者认为，培养大学生计算思维的教学理念正是计算机基础教学中“工具论”和“文化观”的有机融合。计算机基础教学不只是教授学生怎么使用计算机或进行程序设计，更承担着培养大学生综合素质与能力的重任。大学生学习计算机基础课程，不仅要了解计算机是什么，计算机能够做什么、如何做，而且还要知道这个学科领域解决问题的基本方法与特点，即学习这个学科领域解决问题的基本思维方法。计算机作为通识教育的重要内容，不只是简单地拓展学生在计算机方面的知识面，更需要展现计算机学科的思维方式。

一、计算思维的核心蕴涵了“工具”和“文化”

美国卡内基·梅隆大学周以真(Jeannette M．Wing)教授认为，计算思维［2］(Computational Thinking)是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为;计算思维的本质是抽象(Abstraction)和自动化(Automation)。如同所有人都具备“读、写、算”(简称3R)能力一样，计算思维是必须具备的思维能力。

计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释为如何求解它的思维方法。计算思维的本质和核心不仅仅是计算机科学的技术-工具，更重要的是对未知世界的思考方式-文化，正如《计算思维与计算文化》［3］中所言“可在两个层面上思考:一是基本和哲学的;二是需求和现实的。”

(一)计算思维的“工具论”

周以真教授认为，计算思维是21世纪中叶每一个人都要用的基本工具，它将会像数学和物理那样成为人类学习知识和应用知识的基本组成和基本技能［4］。陈国良教授认为，当计算思维真正融入人类活动的整体时，它作为一个问题解决的有效工具，人人都应当掌握，处处都会被使用［5］。徐志伟教授认为，计算思维是无处不在的，提供了理解世界的智力工具，在人类社会中具有永久的价值［6］。显然，这将促进实现周教授提出的目标:“一个人可以主修计算机科学，接着从事医学、法律、商业和政治，以及任何类型的科学和工程，甚至是艺术工作。”而且，还会如她所指出的那样:“当我们行动起来去改变这一领域的社会形象时，计算思维就是一个引导着计算机教育家、研究者和实践者的宏大愿景。”

(二)计算思维的“文化观”

像计算机科学家那样去思维意味着远远不止能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思维。计算机科学不只是关于计算机，就像音乐产业不只是关于麦克风一样。计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力，是人类赋予计算机激情。

著名的计算机科学家、1972年图灵奖得主艾兹格·迪杰斯特拉说过的一句话:“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维能力。”“思维方式”和“思维习惯”是如何形成的?文化使然，是一种普遍的认识。

计算思维已经渗透到我们每个人的生活之中，诸如现实生活中“硬件不硬，软件不软”、“你的CPU休眠”等语言和“算法”等词汇已成为每个人日常语言的一部分，对“非确定论”和“垃圾收集”这些词的理解会和计算机科学里的含义驱近，而树已常常被倒过来画了。人们潜移默化的用计算思维的方式来认识世界和理解世界，并应用其改造世界，已经是我们身边的一种计算机文化了。

二、计算机基础教育的目标体现了计算思维的培养

教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会提出了大学计算机基础教学四个方面的能力培养目标［7］:

(1)对计算机的认知能力。掌握计算机、网络及其他相关信息技术的基本知识和原理;理解计算机分析、解决问题的基本方法;具备在实际应用中综合应用这些知识的能力，具有判断和选择计算机工具与方法的能力。

(2)应用计算机解决问题的能力。能有效地掌握并应用计算机工具、技术和方法，解决专业领域中的问题。

(3)基于网络的学习能力。熟练掌握与运用计算机与网络技术，能够有效地对信息进行获取、分析、评价和吸收。

(4)依托信息技术的共处能力。掌握与运用计算机与网络技术，能够有效地表达思想，彼此传播信息、沟通知识和经验;掌握基于信息技术的团队协作方式;充分认识互联网的参与性、广泛性和自律性，自觉遵循并接受信息社会道德规范的约束，并自觉承担相应的社会责任。

计算思维是一种递归思维，它是并行处理，是选择合适的方式去陈述一个问题，或者是选择合适的方式对一个问题的相关方面建模使其易于处理。可能包括(但不仅这些)如下的概念:规约、嵌入、转化、仿真、递归、并行、抽象、分解、保护、冗余、容错、纠错、系统恢复、启发式、规划、学习、调度、折中，优化等等［4］。

从上述四个目标中可以看出，计算机教学的主体内容和教学目标都体现了计算思维的内容和技巧，通过一堂一堂课程的具体讲授被学生所接受，并逐渐内化为学生的思维方法。可见，大学计算机基础教育是学生计算思维培养的重要环节。

三、大学生计算思维能力培养的教学实践

过去我们总是说，学生学习数学课程、物理课程并不是要成为数学家或者物理学家，而是通过这些课程的训练养成科学思维的素质和能力，现在这种认识也同样适用于计算机课程。计算思维这个概念在近期如此鲜明提出来，就是将计算机课程对于大学生科学思维能力培养的重要性放在了前所未有的高度。如果从人类思维的三个组成部分—实证思维、逻辑思维和计算思维的角度来考虑，那么计算机课程将会成为等同于数学课程、物理课程一样重要的课程。计算机课程不是培养计算思维唯一的课程，但却是最好的课程，这是从计算思维角度对于计算机课程重要性的新观点［8］。

计算思维不仅仅是解决问题的有效工具和方法，更是人类知识积累和传承的模式和规范，这种能力不是短时间内通过单一学习就能形成的，要通过计算思维概念的学习、综合素质的培养、实践的凝练和升华循序渐进造就而成。作为大学教育工作者，首先要做好计算思维的基础培养，营造计算文化的氛围，为大学生将来的计算思维的提升打下坚实基础。

(一)信息素养和创新能力的培养是前提

我们是地方综合性院校，计算机基础教学的目标依然是计算机应用能力和创新能力培养，通过“工具”化的学习计算机基础概念、办公软件、网络及计算机编程，提高学生信息素养，为解决专业领域问题提供有效方法和手段。通过学习，学生具有了判断和选择计算机工具和方法的能力;知晓了有效获取和分析信息的途径;掌握了表达思想，沟通知识和经验的方法;具备了综合运用所学知识解决实际难题的创新能力，从而潜移默化地为计算思维的形成奠定了基础。

(二)计算文化和计算思维的凝练是升华

在教学中不仅仅是工具的教化，更注重文化的陶冶。早期大学计算机课程“计算机文化基础”中的“文化”含义非常深刻，一是蕴涵着“普及”，无处不在;一是代表了一种思维方式，人为精神层面的东西。所以周教授认为“当计算思维真正融人人类活动的整体以致不再是一种显式哲学的时候，它就将成为现实。”届时计算思维也就必然是计算文化了［3］。

计算思维是隐藏在能力培养内容中的，在教学中，要明明白白地将知识中蕴涵的道理讲出来。原来的“工具论”可能知其然就可以了，但是“文化观”要求其背后的深层的规律挖掘出来，让学生在实践中“悟”，久而久之，计算思维的认识就在学习和实践中凝练、逐步提升。

计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法;计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法;计算思维是利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法;计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法。这些便是我们在计算机教学中应该给同学们“悟出”的道理，所以我们开设计算机编程课程目的不是培养程序员，而是培养学生的计算思维能力。

［1］ 九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明［J］．中国大学教学，2010(9)．

［2］ Jeannette M．Wing．Computational Thinking［J］．Communications of the ACM，2006，49(3):33-35．

［3］ 王飞跃．计算思维与计算文化［N］．科学时报，2007-10-12．

［4］ Jeannette M．Wing．Computational Thinking and Thinking about Computing［EB/OL］．2008．

［5］ 陈国良，董荣胜．计算思维与大学计算机基础教育［J］．中国大学教学，2011(1)．

［6］ Xu ZW，Tu DD．Three new concepts of future computer science［J］．Journal of Computer Science and Technology，2011，26(4):616-624．

［7］ 何钦铭，陆汉权，冯博琴．计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养．中国大学教学，2010(9)．

［8］ 李廉．计算思维—概念与挑战．中国大学教学，2012(1)．