计算思维系统化特征探析

1、计算思维系统化特征探析计算思维系统化特征探析摘要：计算思维作为思维科学的一个重要分支，具有其基本 内涵和外延。本文以培养跨学科人才计算思维能力为目标，从思维科 学的角度出发剖析计算思维的系统化基本特征以及其内在规律。采用 归纳和演绎推理的方法辨析计算思维和思维科学活动之间的纵向和 横向联系。此工作有助于人们对计算思维在大学计算机基础教育方法 论上的认识提高，对于以计算思维为核心的课程体系的建设具有指导 意义。关键词:计算思维系统化思维科学计算学科 中图分类号：g642文献标识码：a文章编号:1673-9795 (2014) 04(b) -0099-021什么是计算思维美国卡内基梅隆大学周以真教

2、授指出lh计算思维是运用计算机科学的基本概念去求解 问题、设计系统和理解人类的行为等涵盖计算机科学之广度的一系列 思维活动。计算思维首先是计算学科所特有的一种思维方式，其次计算思维已经成为各个学科共同的思维方式，已经成为与理论思 维和实验思维并列的第三种科学思维方式，最后也是最重要的一点是, 计算思维正在成为当今社会中一种重耍的一般思维方式，正在成为人 们生活智慧的重要组成。2计算思维研究现状严格说来，最早提出“计算思维”概念的是麻省理工学院(mit)的seymour papert 教授2,他在这篇并非以“计算思维”为核心的著述中却无意中首 次给出了 “计算思维”的一些基本概念，为后来者的研究

3、奠定了一个“计算思维”雏形。国内学者如张晓如等3在20世纪90年代末也 提出了 “计算机思维”的概念，其内涵和随后周教授等提出的思想在 主要方面基本一致，并可形成互补，他指出随着计算机科学的发展，“计算机”已不再是一个单纯的计算工具的代名词，而是信息时代高 新技术的象征。但是国内外比较公认的最早系统提出“计算思维”的 还是周以真教授1,她认为计算思维不仅仅属于计算机科学家，它 应当是每个人的基本技能。在培养孩子们的解析能力时，我们不仅耍 求他们掌握基本的阅读、写作和算术(reading, writing, andarithmetic，简称3r),并且还应该要求他们学会基木的计算思维。 随后桂林

4、电子科技大学董荣腔教授在2008年全国“计算思维与计算 机导论”专题学术研讨会上4所作的主题报告分别介绍了以“计算 思维”和“学科思想与方法”为基础的两类“计算机导论”课程，给 出了两类“计算机导论”课程的讲授提纲，指出了它们的不同点以及 课程讲授本质上的一致性。朱亚宗教授5站在人文历史的基础z上, 把计算思维归类为三大科学思维(实验思维、理论思维、计算思维) 之一。电了科技大学的陈文宇等6指出了计算思维能力是形式化描 述和抽象思维能力以及逻辑思维方法，在计算科学和思维两方面说明 了这样的一种思维能力，思维能力是主体，核心是如何让思维具有计 算特征。可以说计算思维成为当前国际上被计算机科学界和

5、教育界广泛关注的一个重要课题。美国计算机协会(acm) 2008年在网 上公布对cc2001 (cs2001)进行的中期审查报告(cs2001 interim review)(草案)中，就明确将“计算思维”与“计算机导论”课程 绑定在一起，并明确要求该课程讲授计算思维的本质。计算思维还直 接促成美国国家科学基金会(nsf)重大基金资助计划cdi(cyber-enabled discovery and innovation, cyber 能够实现的科 学发现与技术创新)的产生，cdi计划旨在使用计算思维(特别是在 该领域产个的新思想、新方法)促进美国自然科学和工程技术领域产 生革命性的成果。3计

6、算思维作为一般思维方式的特征著名的认知心理学家newell和simon (1972)把思维看作是个体在问 题空间中进行搜索的过程。这是信息加工心理学背景下的思维定义, 有明显的“系列加工”印记。在newell和simon看來，问题解决者 会在问题情境中对问题进行心理表征，而这一心理表征会构建起一幅 问题状态及其转换的心理图景，这一图景既是符号性的，乂具有一定 的空间延展性，然后，问题解决者就会在心里对这一图景进行路径搜 索，直到将问题起始状态与目标状态联结起来，问题即得以解决。系 统论是研究系统的般模式、结构和规律的学问，它研究各种系统的 共同特征，用数学方法定量地描述其功能，寻求并确立适用于

7、一切系 统的原理、原则和数学模型。gerald m. weinberg在系统化思维导 论中表述系统化思维：“这种思维先于专门的学科知识的存在而存在一一有吋绕过专门的学科知识，有吋乂把专门的学科知识综合起來。 我们把这种思维和教育方法称为一般系统论的方法。”系统论的基本思想方法，就是把所研究和处理的对象，当作一个系统，分析 系统的结构和功能，研究系统、要素、环境三者的相互关系和变动的 规律性。要素重要，要素之间的关联（系统结构）更重要；系统重要， 系统与环境的关系也重要。可以说，系统论首先是一种世界观，世界 是成系统的，整体性、动态性；其次是一种方法论，其具有结构性、 综合性。计算思维所涉及到的

8、所有主体可以说都是一个复杂系统，所有从主体到客体的活动过程实质上就是一个复杂系统的运动过 程。所以说，计算思维首先是一种系统思维，具有系统思维的系统化 特征。例如，在计算机文本分类领域，一个典型的计算思维过程如下 所示。 例句1:请将军用毛毯盖在受伤的士兵身上。由于汉语没有分词标记，词与词之间的界限不清，儿个词语不同，词长不 等，意义不同的句法结构可以共用字面统一而词面不统一的文字形式, 例句1根据不同的切词结构可以得到：a.请/将军/用毛毯盖在受伤的士兵身上。b.请/将/军用毛毯/盖在受伤的士兵身上。我们容易发现语义上的混乱，实际上这是计算机进行词法分析的结果。 起初，我们认为这种分类只涉及

9、到了词法问题，但实际情况更为复杂。 我们不知道自己的大脑中是如何在不同的解释中进行选择的，甚至有 吋候我们发现了某些含混的解释，却不知道还有更多种可能的歧义深 藏其中。计算机在对上面的句子进行词法分析的时候揭示了隐藏的假 设，要想选择文法通顺的句了，首先必须懂得怎样认识句子，要让计 算机明口无误的理解这些选择。因此，我们会把对一个句了的理解堆 积起来：语义规则堆在语法规则z上，语法规则乂堆积在词法规则上， 我们必须强迫自己采用系统化的方法去理解一个简单的句了。因此，计算思维具有系统化特征。 4结语 思无定法。计算 思维教育问题已经引起广大计算机教育者的关注，国内外不少学者对 其都进行了深入研究

10、和探讨，并且找到了行之有效的方法。本文的目 的是培养大学计算机基础教学中计算思维的形成、升华以及实用化。 笔者在后续的研究中将结合大学计算机基础课程的教学改革，深入探 讨当代大学生创新精神和创新能力的培养，以计算思维的培养为核心构建课程模型和体系。参考文献1 wing jm. computational thinkingej communications of the acm, 2006, 49 (3) .2 seymour paper!.an exploration in the space ofmathematics educat ionsjinternational journal of computers for mathematical learning, 1996, 1 (1 )： 95-123.3张晓如，张再跃，陈凌谈谈计算机思维j计算机科学，2000, 27 (增 刊1 )： 107-