計算思維與高等教育的融合

　　摘要：計算思維的培養(yǎng)不是計算機單一專業(yè)的要求，而是整個大學(xué)通識教育的重要組成部分。為了讓學(xué)生尤其是非計算機專業(yè)的學(xué)生更好地理解和掌握計算機的原理和本質(zhì)，更好地應(yīng)用計算機技術(shù)解決本專業(yè)實際問題，教師在計算機課程教學(xué)中應(yīng)以計算機的核心概念、重要原理和先進技術(shù)為依托，以計算思維的解決思路為主線，以多學(xué)科融合的典型案例為延伸，打破各專業(yè)之間的壁壘，實現(xiàn)思維的遷移。
　　關(guān)鍵詞：計算思維；融合
　　doi：10.16083/j.cnki.1671-1580.2017.04.030
　　中圖分類號：G642
　　文獻標(biāo)識碼：A
　　文章編號：1671-1580（2017）04-0104-03
　　一、介紹
　　計算思維是人類在思維過程中參與制訂問題及其解決辦法的一種思維模式，通過這種方式能快速、有效地進行信息處理，提出問題的解決方案。計算思維幾十年來在學(xué)術(shù)界有著不同的名稱和定義。1962年由Alan Perlis最早提出，同時闡述了卡內(nèi)基理工學(xué)院（現(xiàn)在是卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)）的編程入門課程�；�于他的研究Seymour Papert在1980年使用編程語言進行數(shù)學(xué)概念的教學(xué)，正如所望，程序性的思維（即“像計算機一樣思考”）被認(rèn)為是構(gòu)成整體思維技能的一部分。直到2006年，JeanetteWing在ACM美國計算機學(xué)會通訊發(fā)表了“計算思維”這篇文章，從此，計算思維得到了新的定義。Wing提出計算思維不只對計算機這門學(xué)科的專家有用的一種技能，而是任何人在解決問題和發(fā)現(xiàn)計算解決方案時都能使用的心理過程。在這個更廣泛的意義上，計算思維可視為一項與所有學(xué)科有關(guān)的技能，不僅僅是計算機科學(xué)。
　　Denning提出了計算思維本身是否是科學(xué)探究的一個方面、問題或延伸，事實上可能被納入更廣泛的科學(xué)原理的架構(gòu)問題。計算科學(xué)出現(xiàn)在其他科學(xué)中，不是作為一個流動的概念，而是一個來自科學(xué)本身的概念。計算思維被看作是這種科學(xué)的一個特點。而不是計算機科學(xué)的一個顯著特征。
　　二、計算思維與各學(xué)科的融合
　　計算思維與各學(xué)科專業(yè)有著千絲萬縷的聯(lián)系，要分析“計算”與各學(xué)科之間的融合關(guān)系，依據(jù)專業(yè)需求和學(xué)生特點來設(shè)置相應(yīng)的課程內(nèi)容和教學(xué)方法。在教學(xué)和學(xué)習(xí)方法的創(chuàng)新中，非計算機專業(yè)的計算思維的培養(yǎng)取決于跨學(xué)科的興趣和延伸。Rob.errs等人設(shè)計了計算思維與自然和社會科學(xué)方面進行交叉的訓(xùn)練方法并進行了拓展。Curzon等人提出“最美的計算是工程、科學(xué)、藝術(shù)；它沒有明確的邊界，并涉及到每個學(xué)科。這種跨學(xué)科的方法給了我們機會來提高學(xué)生除計算機以外的興趣”。通過計算機與非計算機學(xué)科之間的交叉培養(yǎng)來提高學(xué)生的計算思維，將計算這種思想與各專業(yè)相結(jié)合，以促進專業(yè)的學(xué)習(xí)。
　�。ㄒ唬┯嬎闼季S與STEM領(lǐng)域的融合
　　在大學(xué)教育中，關(guān)于計算思維的實踐教學(xué)研究主要在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（sTEM）領(lǐng)域中。目前，計算機科學(xué)與生物學(xué)之間已經(jīng)出現(xiàn)了交叉重疊的概念。Navlakha和Bar-Joseph提出了如何在系統(tǒng)生物學(xué)和計算思維的各種概念交叉點上進行融合。值得注意的是，從計算思維的角度來看，這兩個學(xué)科的交叉點出現(xiàn)在“傳統(tǒng)”（基于圖靈）的概念中，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念。他們主張進一步融合兩個學(xué)科，將提高對生物進化的理解，同時也能改善各種算法的設(shè)計。秦紅設(shè)計的基于計算思維的生物信息學(xué)課程得到了學(xué)生積極的回應(yīng)，但由于各種因素，比如學(xué)生在學(xué)習(xí)更多的計算機技術(shù)的不適應(yīng)，如Linux，以及計算機實驗室設(shè)計中所出現(xiàn)的各種問題表明需要進一步改革教學(xué)環(huán)境與方法。
　　在物理學(xué)方面，Caballero，Kohlmyer and Schatz使用VPython編程環(huán)境引入計算思維概念介紹力學(xué)課程教學(xué)。他們發(fā)現(xiàn)“解決一系列計算作業(yè)中的問題之后，大多數(shù)的學(xué)生都能夠成功塑造出一個新的問題”。在這些情況下，學(xué)生未必能建立一個成功的模型，但通過對質(zhì)量問題分析和調(diào)試技能的額外關(guān)注，性能將會得到提高。
　　Hambrusch等人研究并創(chuàng)建了屬于科學(xué)而非特定領(lǐng)域的計算思維主修課程。此課程能夠滿足一般的計算要求，大學(xué)中應(yīng)用編程和計算思維概念處理物理學(xué)、生物學(xué)和統(tǒng)計學(xué)中的問題。從學(xué)生的進入和退出統(tǒng)計中分析，在計算機科學(xué)和計算機編程中學(xué)生的完成度有所增加。
　　計算思維在STEM領(lǐng)域中的交叉及應(yīng)用使學(xué)生通過計算思維的訓(xùn)練，解決問題的能力有所提高。
　�。ǘ�）“計算”概念在非STEM領(lǐng)域中的不確定性
　　將計算思維方法納入非計算機科學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域之外的學(xué)科是很困難的。一是由于“計算”概念的不確定性，二是因為計算思維是僅限于使用一個封閉的、基于圖靈模型的計算方法來解決問題的觀念。
　　例如，通過計算機的數(shù)據(jù)采集和處理的應(yīng)用使得考古領(lǐng)域取得重大進展。它現(xiàn)在能通過計算構(gòu)造出詳細(xì)的3D可視化考古遺址，包括人工分布以及放射性探測等資料。基于Agent的建模已被用于探索史前環(huán)境與人類互動的假設(shè)。但簡單地將一個計算機科學(xué)家加入到考古發(fā)掘中（或甚至只是對人進行復(fù)雜的硬件或軟件使用方面的培訓(xùn)），并不意味著“計算思維”已經(jīng)成為整個領(lǐng)域的主要內(nèi)容。
　　過于擴大“計算”作為形容詞在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用，計算機作為工具和計算思維也有可能造成混淆�！坝嬎憧脊艑W(xué)”在不同的上下文中可以有截然不同的意義。在考古界的學(xué)術(shù)領(lǐng)域，它描述了應(yīng)用程序的計算機工具、網(wǎng)站分析和集合的工具。在基因?qū)W研究領(lǐng)域，它是一套分析物種之間的基因水平轉(zhuǎn)移的方法。這種缺乏精度的術(shù)語使它更難確定計算思維在高等教育中的實際應(yīng)用。
　　三、交叉學(xué)科的融合障礙
　　計算思維在人文學(xué)科中的應(yīng)用并不廣泛，雖然在個別機構(gòu)對此做出了研究。例如，斯坦福大學(xué)文學(xué)實驗室，將計算思維的各元素應(yīng)用于文學(xué)作品中，從計算思維借鑒來的應(yīng)用圖理論對威廉·莎士比亞、紅樓夢等作品中的人物關(guān)系和相互作用進行網(wǎng)絡(luò)分析。然而，人文學(xué)科的構(gòu)成問題使用“傳統(tǒng)”算法（圖靈型）可能會難以解決。計算思維在文學(xué)研究的應(yīng)用，并非不重要那么簡單，而是因為被分析的數(shù)據(jù)也是含糊不清，而且計算分析文本的困難將隨著語義維度的增加而變得越來越難。

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