计算思维的工程特征分析与CDIO教学模式应用探索

摘要：本文通过分析科学、技术、工程与计算机学科的关系，阐述计算思维在计算机工程活动中的作用，并提出了CDIO教学模式。该模式以项目化学习的方式让学生经历计算机工程实践活动，是一种适合中小学生的计算思维培养的教学方法。

关键词：计算思维；工程教育；CDIO；项目化学习

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）10-0027-04

计算思维是一种理性的思维，理性的思维一定是解决问题的思维。经历解决问题的过程，是培养计算思维的一种途径。因此，有必要对其进行研究，通常用计算思维解决的问题是一种怎样的问题？是科学问题、技术问题还是工程问题？清楚这些问题，有助于建立有效的计算思维培养路径。

科学、技术、工程与计算机学科

科学、技术与工程是人类三种不同的社会实践活动。大众对科学的理解往往是一种价值判断，通常认为科学的就是正确的、合理的、高级的，如科学态度、科学决策、科学方法等。其实，科学的本意是反映自然、社会、思维等客观规律的知识体系，科学活动就是不断探索自然、社会、思维等领域的客观规律。例如，牛顿发现的万有引力定律是反映物体之间存在相互吸引力的定律，运用该定律可以解释太阳系中行星、卫星等天体的运动规律，这是有关物理的自然科学。可见，科学活动是以探索、发现为中心展开的，以求理为本质特征，其成果是科学概念、科学理论等，是全人类的共同精神财富。

如果说科学活动是解决“是什么”或“为什么”的问题，那么技术活动就是解决“怎么做”的问题。科学在于发现，技术在于发明。技术活动是以发明为中心的，以求用为本质特征。技术活动成果的主要形式是技术方法、发明专利等，其在一定时期或范围内是具有知识产权或具有独占权的专有知识。

如果说科学问题来源于人类，特别是科学家对自然奥秘的好奇心，那么，工程问题也是来源于人类，主要是大众的现实需求。例如，建造长江大桥或过江隧道，就是为了解决两地人员通勤问题，并使物流便捷。因此，工程活动是一种构建新的存在物的实践，以求物为本质特征，以造物为中心展开，工程活动的成果则是直接表现为特定的产品和设施。

计算机学科涉及科学与技术，是研究计算机的设计、制造和利用计算机进行信息获取、表示、存储、处理、控制等的理论、原则、方法和技术的学科。计算机科学侧重于研究现象、揭示规律；计算机技术侧重于研制计算机和研究使用计算机进行信息处理的方法与技术手段。计算机学科还是一门科学性与工程性并重的学科，表现为理论性和实践性紧密结合的特征。

长期以来，国内外学者一直对计算机学科属于科学还是工程的范畴这一问题存在着争议。1985年由美国ACM组织专家对此进行研究，得出的结论是：计算机科学和计算机工程之间没有本质区别。计算机学科研究的核心问题是能行性问题，能行性问题贯穿于整个学科，包括硬件和软件在内的理论、方法、技术的研究，以及各種应用开发。代表计算机科学各分支学科的基础理论与代表计算机工程各分支学科的工程技术常常既有理论特征，又有技术特征，也有工程特征。本质上，它们都是从不同的角度和层面对各种问题的能行性及其求解方法和过程的描述。

工程、工程思维与计算

思维

计算机学科涉及科学、技术与工程，计算思维作为一种计算机学科思维，针对科学、技术、工程的特征，应该兼而有之。研究计算思维与工程的关系，对于中小学计算思维教育有独特的价值。

工程是人类为满足生存和发展需要而进行的改变自然状态的活动，工程活动是很常见的社会活动和社会现象。工程活动中有思维活动渗透和贯穿其中，工程活动中的思维活动可称为工程思维，工程思维是运用各种知识解决工程实践问题的核心。计算机学科的工程性决定了计算思维与工程思维具有相通性。

第一，工程活动是造物活动，因此工程思维是一种价值导向思维。工程思维的基本任务和核心目的是创造作品并创造价值，就是把工程设计时的想象结果通过工程实践活动而建造为现实世界中的人造物品。相类似，计算作品是计算机工程活动的成果，计算作品可以是软件作品，也可以是硬件作品，或者是软硬件组合的系统。计算思维指导计算作品的制作，并通过作品的自动化功能体现价值。

第二，工程活动的实施首先需要在纷繁的环境中把握事物发展趋势，规划方案，清晰设定可操作的步骤。工程思维是一种筹划性思维，且具有先思性特征。先思性体现在工程活动的构思与设计之中，或采用顺向思考，或采用逆向思维，或采用融合思维，谋思规划，预测结果。计算思维也有同样的特征，用于指导构造自动化实现的执行步骤，先于造物计算作品的产生在大脑中运行作品的计算过程。

第三，工程活动涉及的知识有明言性的，也有意会性的。明言性知识可以用一定的符码系统完整清晰地表述并在个体之间传播，容易在常规的学习过程中获取。意会性知识与技能由于其难以用语言符号表述，需要在工程活动中体验与领悟。计算思维不等同于计算机学科知识，计算思维的形成也不是能够依靠死记硬背方法来实现，而是需要采用发现式、启发式的教学方法，通过个体经历计算作品的构造过程来领悟。

第四，在工程活动中，工程决策是关键的环节。工程活动的实践方法和路径往往不是唯一的，需要运用工程决策基于已有的物质基础和技术水平对工程可行性以及价值性作出判断。在解决计算问题的过程中，同样需要作出决策，以判断问题解决的能行性、实施方案的优劣，并在计算作品运行中对实施方案作出评价。

第五，工程问题都是基于真实世界的现实问题提出的，涉及的领域是综合性的。项目是工程活动的基本单位，经历工程活动的完整过程就是经历一个工程项目从规划实施到运行的全过程。映射到中小学工程教育，跨学科和项目化是工程教育实施的两大特征。计算思维教育的落实，同样也需要经历真实问题的解决，也会具有跨学科和项目化的特征。

工程教育、CDIO教学模式与计算思维教育

思维能力的培养不是一件容易的事情，需要正确认识、遵循与顺应思维能力培养的规律。由于思维现象非常复杂，现实的思维活动不可能是纯而又纯的某种单一类型的思维，必然表现为不同类型思维的结合或融合。但这种融合现象不妨碍人们承认存在不同类型的思维方式，也不妨碍可以对特定思维类型的思维方式进行单独研究。对于不同的思维方式来说，由于它们有不同的本性和特征，它们的培养规律也不相同。

对计算思维的培养，可以借鉴工程教育的实施模式，这是因为：一方面计算思维具有工程活动和工程思维的特征；另一方面，对于中小学生而言，要掌握计算机学科的科学理论是有难度的。因此，充分发挥学习者已有的数学基础，运用成熟的计算机技术，工程化地实现计算作品，经历计算活动的全过程，是一种值得尝试的、可行的计算思维养成路径。

在传统的观念中，工程教育一直是高等教育或职业教育关注的热点，开展工程教育旨在培养符合工程建设需要的专业人才。在中小学开展工程教育，虽然不是以工程人才培养为直接目标，但对于发展中小学生的工程素养，促进学生理解工程过程和工程本质、掌握工程知识与工程技能、学会工程思维、知晓工程伦理，特别是在培养创新能力和实践能力等方面具有积极的作用。

20世纪末到21世纪初，工程教育改革在世界范围内兴起，美国麻省理工学院（MIT）联合学界、业界，研究并发表了CDIO能力大纲和CDIO课程标准。CDIO代表了实现工程产品的构思（Conceive）、设计（Design）、实施（Implement）、运行（Operate）四个阶段：在构思阶段，定义需求与技术，将产品全生命周期的开发与运用作为教学背景，明确学习目标；在设计阶段，描述将要被实现的计划、方案和运算法则；在实施阶段，把设计转化为真实的產品；在运行阶段，对产品进行优化升级。作为工程教育的实施，CDIO教学模式依托真实的工程实践环境，指导学生经历产品生命周期的“构思-设计-实施-运行”四个阶段，巩固学科知识，培养工程思维能力和工程实施能力。

计算思维指导学生计算作品的工程化制造，同样需要经历产品生命周期的“构思-设计-实施-运行”四阶段。计算思维的方法路径即“抽象-形式化表达-构造-自动化”四步骤就天然地与工程活动的“构思-设计-实施-运行”四阶段相吻合：在构思阶段，运用计算机学科的思想方法分析问题，对其目标、性质、状态及其变化过程或规律进行抽象；在设计阶段，描述问题解决的系统结构、方法步骤，形成以符号化为特征的形式化表达；在实施阶段，实现计算作品各组件的物理连接或程序编写，完成计算作品的构造；在运行阶段，运行计算作品，体验自动化，评估系统功能与性能，提出改进方案。

采用项目式学习方式，让学生经历计算作品制作过程的计算思维培养教学实施流程如下图所示。

启示

由上述分析可知，科学是对未知世界的发现、理解和认识，技术是人们改造世界的各种可能的方法、技巧和工具。科学活动是反映客观存在，技术活动是探寻变革存在的具体方法，而工程活动是创造存在和超越存在。科学原理为技术和工程提供了必要的理论基础、实施原则和方法，使得技术发明和工程实现更为有效，同时，技术和工程的发展也促进了科学的发展。

科学、技术、工程三类活动都是人类认识世界改造世界的社会活动，各有独特的社会功能，不存在某项活动一定比其他活动更重要或更高级。计算思维的培养，是应该侧重计算机科学理论，还是侧重计算机工程实践，需要作具体考虑。计算机学科有着“高要求准入，低门槛应用”的特征，即深入学科、理解其学科原理有着较高的学科基础与认知要求，而其应用技术相对比较容易被大众所掌握。因此，针对中小学生，倡导“轻理论、重实践”，不盲目追求计算机科学理论的学习，研究如何发挥他们已具备的数学基础及其他学科理论基础，如何运用他们容易掌握的计算机技术，如何经历他们能够理解与实施的计算机工程制造实践，都是计算思维培养实践中需要不断探索的具体问题。基于个体经历计算作品工程化制作全过程的计算思维培养路径，可以推论计算作品的重要性。计算作品，如编制的应用程序，其教育作用不能只局限于对设计阶段的验证，而应是个体对自动化的体验、理解并升华为思维能力的重要介质。只有产生了计算作品，个体才完成了从构思到运行的CDIO教学模式全过程，也经历了从抽象到自动化的计算思维方法运用的路径。CDIO教学模式不只是局限于“构思-设计-实施-运行”四环节，MIT团队提出的CDIO课程大纲主要目标是建构一套能够被业界和学界普遍认可的未来工程师必备的知识、经验和价值观体系，包括工程师必备的技术知识与推理、个人职业技能、人际交往能力以及系统建构能力。CDIO教学模式除了对中小学计算思维培养的课程体系建设有启示作用，还会对中小学有效开展工程教育发挥作用。

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