浅谈计算思维培养在计算机教学体系中的定位及层次

周宏

摘要：针对现阶段高校计算机课程教学体系，分析和研究了计算思维培养在整个计算机教学体系中应该有的定位及其层次结构，提出了以计算思维培养为核心的培养新模式，并以实际课程为例详细阐述了计算思维具体的六层结构以及存在的不足。

关键词：计算思维；计算机教学体系；思维层次

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）05-0197-02

一、计算思维及其培养

计算思维这一概念是由美国卡内基·梅隆大学的周以真教授在2006年提出和定义的。它是指运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动的总称[1]。在信息时代，计算的概念已不再是狭义的数字运算及演变，它与日常的万事万物都有联系。抽象出来，计算就是从一个已知的符号串，按照一定的规则与方法，经过有限步骤，最后得到满足预先设想的符号串的一种变换过程[2]。而思维是对某个问题或事物的思考过程以及随之产生的想法或见解，它是人脑对客观现实直接和间接的反映，反映了事物的本质及事物间的规律。因为大众所使用的工具影响着大众的思考方式和思维能力，所以，在计算无处不在的时代，计算机也影响着大众的思维方式与内容，计算思维成为现代人必须具备的思维能力。美国心理学和教育学家Robert J.Sternberg指出：“思维教学的模式是将思维训练融合在教学的各个环节当中，符合思维训练与学科教育的统一性，即学科知识与思维能力互相促进，共同提高。”[3]所以要将计算思维培养更好地融入到计算机专业教学中，就必须先明确计算思维培养在计算机教学体系中的定位及其本身的阶段性与层次性，让学习者在思维活动中学习，同时也学习思维本身，相辅相成，相互促进。

二、计算机教学知识体系及层次结构

从工程学角度上讲，计算学科知识体系可以分为理论、技术、工程三个层次，学科的根本问题与本质属性决定了这三个层次的模糊界限与关系。同样，现代计算机教学知识体系的设置也遵循这样的层次结构，分别从计算机理论知识、计算机技术开发、计算机工程应用这三个层次培养学生：理论层面主要是数理理论、逻辑理论等；技术层面主要涵盖软件开发、算法分析、程序设计等；工程层面主要是人机交互、机器智能、数据表示等。目前计算学科已经是一个庞大的学科，IEEE/CS和ACM在2005年将计算学科按内容划分为计算机科学、信息系统、软件工程、计算机工程、信息技术五个分支学科[4]，每个分支在教学侧重点上略有不同。但随着计算学科的规范和计算机产业的发展，这三个层次已不足以完全阐述学科的层次结构，计算工具、计算服务与计算应用作为计算学科更细致的划分，在整个工程层次体系中占有不可或缺的位置。虽然现代计算机教学体系中的课程较少涉及这三个层次，但理论、技术、工程、工具、服务、应用这种更完整的六层结构[5]，以理论开始，以应用结束，更清晰地阐述了计算学科的工程层次结构，这一层次链条上每一个环节都涵盖计算思维的内容，相互独立又彼此联系，是设置思维训练课程必须考虑的。

三、计算思维的定位与作用

计算思维培养在大学计算机教育体系中的定位，关系到整个计算学科的教育进程及思维方式的变革。在目前国内计算机教学体系中，计算思维培养才刚刚起步，它的课程设置多种多样，定位也很不明确。实际上，思维培养是一个长期的认知过程，思维培养应该是贯穿于整个学习过程的一个长期行为，不能只在教学体系的最初或者最后开设一两门普及课程进行讲解就以为足够了。这里说的计算思维培养是涵盖计算学科五个方向六个层次，从头到尾贯穿计算机整个知识体系，以计算机导论为基础和接入点，以思维培养为最终目的的渐进式课程设置。

现阶段，将计算思维能力培养融入课程中的方法很多，浙江大学何钦铭教授归纳了典型的三种[6]：（1）方法推动式。课程内容保持原样，不做大的调整。通过改进教学方法来引导学生体会知识背后所蕴含的计算思维规律和特点。（2）内容重组式。课程的知识点没有大的变换，但需以计算思维为主轴重新组织内容，在课程形式与结构上有大幅度的调整。（3）全面更新式。基本抛开原有的教学体系，对学科知识点进行大幅度更新，加大和突出与思维训练相关的主题与内容。当然，具体的教学方法要与高校实际教学情况与学生接受程度相吻合，循序漸进，有针对性地将思维培养融入到教学当中。

总的来说，计算思维培养在计算机教学体系中的定位应该是以思维培养为目标，全面覆盖计算机学科知识体系中各个分支内容，以分层次教学为主要形式的创新型计算机思维培养模式。

四、计算思维的教学层次分析

我国高校对于计算思维教学大多数都还处于研究阶段，少数高校以选修课的形式进行介绍与培养，几乎没有国内高校进行专业研究及专业课程培养。这与高校计算机教育的培养目标有关，也与学生素质与需求等实际情况有关。以本校重庆理工大学为例，教研团队开设了《计算思维与计算文化》选修课，主要进行计算思维的介绍与培养。课程针对的主要人群是大量的非计算机专业学生及少部分专业学生，属于通识类的思维启发课程。经过教学实践，效果良好，但也有很多问题与不足，尤其对于整个计算学科来说，它不应该仅仅只局限于非专业学生的通识普及，更应该让计算思维优势在专业学生中产生作用与影响，促进计算机教学知识体系的完善与突破。

对于计算机专业的学生而言，计算思维培养理应作为必修课贯穿于整个教学体系当中，并且其培养应该与专业知识体系及层次相一致，进行层次化的计算思维培养。从学科内容和层次来看，计算学科至少包含五个方向：计算机科学、信息系统、软件工程、计算机工程、信息技术，以及六个层次：理论、技术、工程、工具、服务和应用。在方向内容大同小异的前提下，计算思维在这个层次结构中应该形成与它自身相对应的层次结构，即：计算理论思维、计算技术思维、计算工程思维、计算工具思维、计算服务思维和计算应用思维。

为了更清晰地阐述计算思维的层次结构，以课程《面向对象程序设计》为例，它作为一门综合性课程，应包含程序设计理论、程序设计技术、程序设计工程、程序设计工具、程序设计服务、程序设计的应用这六个层次。程序设计理论包括结构化程序设计思想、面向对象程序设计思想等理论知识；程序设计技术包括数据结构、算法设计等开发技术；程序设计工程包括软件工程、测试与调试等相关内容；程序设计工具包括C++、JAVA等各种高级语言及编译环境；程序设计服务包含Web Service、Mobile Service等内容；程序设计应用则包含众多的应用领域，如管理信息系统、计算机游戏和Web应用等。因此，对于学生来说，思维层次也应相应地具有程序设计理论思维、程序设计技术思维、程序设计工程思维、程序设计工具思维、程序设计服务思维和程序设计应用思维[7]。在教学过程中，每一层次的思维培养都能帮助学习者更好地熟悉和理解程序设计，反过来程序设计所体现的计算方法与思想也为学习者计算思维的培养提供了依据与养分。

五、结束语

思维发展水平是学生成才的关键，计算思维让学习者像计算机专家一样去思考和解决问题，它理应在计算机教学体系中占据越来越重要的位置。学习和思维不是彼此独立的，计算机教育不应仅仅停留在专业技术的学习上，怎样把思维培养更好地融入专业教学中，怎样以一个更系统的更清晰的层次结构来进行思维培养，还有很多工作要做。

参考文献：

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

[2]李建会.走向计算注意[M].北京：中国书籍出版社，2004.

[3]斯滕伯格.思维教学——培养聰明的学习者[M].北京：中国轻工业出版社，2001.

[4]ACM/IEEE-CS.Computing Curricula 2005-The Overview Report（pdf）[Z].

[5]董荣胜，古天龙，蔡国永，等.计算机科学与技术方法论[J].计算机科学，2002，29（1）：124，12.

[6]冯博琴.对于计算思维能力培养“落地”问题的探讨[J].中国大学教育，2012，（9）：6-9.

[7]郭喜凤，孙兆豪.论计算思维工程化的层次结构[J].计算机科学，2009，4（36）：64-68.