知识的内化：计算思维的培养与数据库教学

1、    知识的内化计算思维的培养与数据库教学    摘要：本文从“计算思维”概念提出的背景出发，以数据库课程教学为案例，分析了思维与知识、教育与思维能力之间的关系，阐述了“知识内化”对数据库教学的重要性，提出了基于计算思维能力培养的数据库课程的知识体系和课程思维框架。通过对在数据库教学过程中如何培养计算思维能力问题的思考，结合课程特点，阐述了基于计算思维能力培养的数据库课程的教学思路。关键词：计算思维，数据库教学，课程体系，思维框架 一、当代教育的思考：知识的内化 在中国古代，“知”的概念里既有“知识”、“知道”的意思，同时也有“智”的意思，这两层意思都

2、用一个词“知”来表示。只是随着社会的复杂化的发展以及科学的进步，知识和智慧才分开来表述。在知识爆炸的信息化时代，“知识”其实就是人们获得的“信息”，而“智慧”则是人与客观信息相契合的一种主体能力，是对知识的升华，是知识所导致的人的聪慧境界。人们只有把所学的“知识”，利用科学的思维方法进行内化，转化成对客观事物的认识、辨析、处理和发明的“能力”，才会形成一种适应和征服客观事物的力量。正如华东理工大学钱旭红院士所说：“思维和精神是理解运用知识的基础，知识是精神与思维、能力的载体。”1“思维”是什么？思维是人类特有的一种精神活动，是人们在表象、概念的基础上进行分析、综合、判断、推理等认识活动的过程。

3、因此相对于知识来说，思维是知识在人心中的一种内化，是人们建立在自觉地掌握和运用知识基础上的一种内化于心的基本能力，是一种集逻辑判断、综合分析、直觉感应、理性选择、情感认同或拒斥于一体的内在能力。知识就好比是我们从外界获得的各种各样的“信息”，只有通过内化成为“思维”并通过“思维”作用才能表现出或成为我们的“智慧”。当前大学计算机教学就面临这样的挑战。一方面，学生的知识存储方式和知识获取数量与传统教育发生了根本改变；另一方面，在新科技不断涌现、知识更新速度急速上升等诸多因素的影响下，学校学到的知识不能保证学生走出校门便能够适应社会需求。因此，我们对教育目标要作重新思考和审视，要深入思考“从知识教

4、育到能力教育，从结论教育到方法教育，从被动教育到创新教育”的教学改革问题2，即要实现从传授知识的教育到思维能力的教育的转变。在这样的背景下，计算机课程的教学也应在思维能力教育的高度上来认识，在知识的内化水平上来理解和定位。尤其当我们明白了计算机文化的实质、计算机教学的性质之后，更应该明确，计算机教育就其本质而言，它不是简单的知识教育、工具或技术教育，而更主要地是一种思维教育、能力教育。计算机教育，就是要使学生如何通过计算机原理和操作方法，去处理知识，去运用信息，得到思维的果实。教育若要达到“告诸往而知来者”、“闻一以知十”的目标，只有思维的活跃，才能够在拥有丰富“知识”的同时达到升华，融会贯通

5、、推陈出新。因此，智慧与思维的奥秘就在于这样的“知识内化”。所谓计算机文化以及计算思维的实质，也是作为人类“知识的内化”的计算机方式的表现形式，是人类思维能力和力量的外化与表现，是一种“知识的内化”的积极成果。我们要改变用简单工具和技术的眼光看待计算机文化、信息革命的本质，要着眼于思维这一“内在化”的关键来提高对计算机的认识，从人类“思维”、“能力”的高度来认识计算机的意义。而“计算思维”的提出，正是指明了问题的实质。正如清华大学孙家广院士所说：“最具有基础性和长期性的思想是计算思维。”3如果换个角度说，思维也是力量，是知识内化的一种的力量。二、数据库课程知识体系与思维框架 作为处理数据信息的

6、技术，数据库课程所带来的文化变革不仅仅在于提供了处理信息和知识的工具和技术，而在于提供了一种智慧工具、智慧途径、智慧文明，它是“知识的内化”的结果，更是“知识内化”的具体表现。如果说它是一门知识，那就其本质而言，它更主要的是关于“计算思维”的知识。随着计算机教学的改革，逐步加强对于计算思维的培养，对于高校计算机课程的定位将演变为：不是为掌握计算机技术而学计算机课程，而是为掌握计算思维的基本方法而学习计算机课程4。数据库课程是计算机教学的重要部分，数据库理论的技术涉及的数据库模型抽象、数据存储、数据操纵、数据查询及系统控制等方法，在本质上是一种思维方式与能力水平的体现。因此，数据库教学应该是把“

7、知识内化”作为培养目标，将“能力”和“智慧”作为更高追求。正如陈国良院士所说：“计算思维无处不在，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，人人都应掌握，处处都会被使用。自然，它应有效地融入我们每一堂课之中。” 5基于这样的理念，我们对数据库课程的知识体系进行了重构，课程内容由4个知识单元构成，其每个单元包含的知识如图1所示。另外根据课程的知识体系，找出知识体系对应的计算思维特征点，并构建了如图2所示的课程思维框架。  三、数据库教学中的思维训练 思维习惯并非是天生的，而是在受教育的过程中和社会因素影响下慢慢形成的。思维模式通过积极培训也是能够得到改

8、变的。如果我们今天的教育，还是按照经典方式进行，只就知识论知识，只是为传授和积累知识，就不能 适应当今的社会发展。把计算机教育的重点放在计算思维上，放在加强学生思维训练上，倡导用计算思维考察客观现实并有效解决问题上，乃是当务之急。在传统的教学中，计算思维是隐藏在能力培养内容中的，要靠学生悟出来，现在要把这些明白地讲出来，让学生自觉地去学习，提高培养质量，缩短培养时间4。这里仅从几个方面谈一谈数据库课程中所蕴含的“计算思维”。1.数据库建模。美国卡内基·梅隆大学周以真教授提出：“计算思维是一种采用抽象和分解的方法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法（soc方

9、法）。”6这一语道破数据库设计的精髓。数据库设计是根据用户需求和选择的数据库管理系统对某一具体应用系统，设计数据库组织结构和构造的过程。设计数据库组织结构就是将现实世界的数据特征抽象为概念数据模型表示，构造出最优的逻辑数据模式，最终提供使之既能正确反映现实世界的信息及其联系，又能满足用户各种应用需求（信息要求和处理要求）的物理数据模型的数据建模过程。在现实世界中，信息结构十分复杂，应用领域千差万别，而设计者的思维也各不相同，所以数据库设计的方法和路径也多种多样。但是在数据库设计的生命周期中，基于“抽象思维”，采用约简、聚类、分解等方法就能够将一个复杂的客观现实形式化地描述出来。在概念数据模型设

10、计时，我们通常采用“自上而下”的方法，从客观现实的整体出发，用系统的眼光从结构和功能来把握系统。由于系统是由相互作用、相互联系的若干组成部分构成，我们可基于系统功能和用户需求，采用聚类和概括的方法抽象实体模型，通过各类实体间的联系描述完整的系统。这就体现了约简、聚类的思想方法。在逻辑数据模型设计时，采用“自下而上”的方法，先从关系的内部联系出发，考虑数据完整性，数据的冗余度，然后再通过关系间的关联将客观现实做出整体描述。在概念数据模型向逻辑数据模型转换过程中，采用“分解、折中”方法，消除不应有的函数依赖并保证系统关联，这就体现了分解、折中的思想方法。无论约简、聚类还是分解、折中，这些思想方法，

11、我们日常生活和社会活动中也是时常见到的。如：精兵简政是约简的思维，超市货物的摆放是聚类的思维，vcd就是计算机光驱与解码部分的分离是分解的思维，退而求其次是折中的思维。约简、聚类、分解和折中的数据库的建模思想就是计算思维。2.数据操纵。一旦人们谈到“计算思维”，就会格外关注“计算”这个词，那么既然是“计算”，就离不开“算法”。计算思维是用计算来模拟人脑思维，主体是计算，核心是计算法则7。数据库技术中的数据操纵所依据的无论是传统的集合运算（并、交、差、笛卡尔积），还是专门的关系代数（投影、选择、连接、除），都是计算思维很好的体现。比如，“并”是将两个相关联的数据集进行并运算，其结果获得一个更大的

12、新的数据集，在社会实践中可用来解释两种以上事物的有机组合，会产生1+1>2的效果。同样地“连接”运算也可达到这样的效果，但又有所区别。从“关系计算”的角度理解，“并”的结果可扩大元组的个数，而“连接”增加的是“属性”的个数；从其1+1>2的效果看，对于“并”而言是“纵向”的延伸，往“长里长”，而连接却是“横向”的扩展，往“宽里扩”。这是“加法思维”。其带来的创造：电动自行车就是自行车+电动机、钙奶是钙+牛奶、多媒体数据库是多媒体技术+数据库技术等。又如，“差”是将已知的数据集中减去指定的数据集，组织新数据集。“减法思维”为我们提供了观察事物的另一个视角。有的时候我们把标准降低一点，

13、把负担减少一点，也许会有想不到的结果。如2011年9月，由几位斯坦福大学本科生开发的snapchat正式上线，并迅速走红。该款短暂性数据分享应用，其中文译名“阅后即焚”，显然更加深入人心。这个基于数据删除的理念软件后来引发许多知名网站效仿。3.数据的存储和查询。计算思维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权衡6。这一思想方法很好地诠释了数据的存储和数据查询过程中的计算思维。在进行数据查询时，我们通常要使用提高数据查询速度的索引技术，由于索引要占用物理存储空间，且需要维护，我们就要权衡时间和空间之间的取舍问题。在进行数据库表创建的过程中，一些相关的信息在一个表存

14、储，还是为了消除数据冗余和操作异常，按照关系进行规范化原则，将其分成多个数据表，消除了不应有的函数依赖，这样数据冗余小了，占用的存储空间少了，但数据的查询时间却要增加。这就需要权衡存储空间和查询速率间的关系。生活中无处不存在这种需求折中局面，很多事物都有好坏两个方面。生活中，人们不时地要面对选择，权衡极为重要。“失去一个机会，也许会有十个机会；得到一个机会，也许会失去十个机会”，这就走到了思维的哲学层面。4.dbms系统控制。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。dbms系统控制功能（安全性、完整性、恢复技术和并发控制）是计算思维的最好体

15、现之一。如关系的完整性约束，保证了数据处理过程中数据的完整性和一致性，如同法律也是对人们的社会行为的约束，保证社会安定。再如并发调度的可串行性思想，在我们的生活中比比皆是，如飞机航班调度、智能交通的红绿控制问题，都是用并发调度的思想来解决的。还有数据施加封锁时，封锁的粒度越小，并发性越高，事务的处理速度越快，但系统代价越高；而封锁的粒度越大，系统处理代价越小，但事务之间的并发程度降低，事务的等待时间延长，这些问题解决都是要用到辩证的思想进行处理。如今，一个大规模生产、分享和应用数据的时代已经开启。人类存储信息量的增长比世界经济发展的增长速度快4倍，而计算机数据处理能力的增长比世界经济发展的增长速度快9倍8。数据库课程教学只有与人文教育高度的结合，才能够跟上时代的步伐，我们的教育目标就是在传授知识同时，让学生接受学习内容，让学生掌握知识内化本领，让学生培养出计算思维、智慧与能力。参考文献：1 钱旭红.改变思维 m. 上海：上海文艺出版社，2012.2 袁振国.当代教育学 m. 北京：教育科学出版社，2004.3 孙家广.计算机科学的变革 j. 中国计算机学会通讯，2009，5（2）.4 李廉.计算思维概