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计算机设计大赛与思维能力培养

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1计算机科学中的计算思维

计算机科学中的计算思维概念于2006年3月由JeannetteWing提出,JeannetteWing认为“计算思维是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”,并将计算思维的应用引申到非计算机专业的计算机教育及智力养成和科学的计算思维化两个领域。计算思维是知识思维的一个实例,这个知识思维的实例有一定的特殊性,原因是作为计算思维内容的计算机科学知识本身是系统思维科学化、工程化的结果。计算思维是自然思维、系统思维之上的知识思维,计算思维的内容是计算机科学的知识系统,计算思维的形式是计算思维的核心。因为知识思维有内容和形式两个属性,内容是知识,形式是思维。这一点同作为系统思维组成的相容逻辑有相同之处,逻辑的内容是知识,逻辑的形式是逻辑。

JeannetteWing指出,计算思维能力是人们在阅读、写作、算数基本思维能力以外的一种思维能力。阅读、写作、算数其实就是系统思维的组成:语言、数学和逻辑。系统思维是通过感知、注意、记忆、分析、解决问题等自然思维能力学习语言、数学、逻辑形成的系统思维能力。在系统思维的三个组成部分之上,通过知识思维中的计算思维内容的学习形成了以计算思维形式为本质的系统思维层面的计算思维。JeannetteWing认为科学正在积极应用计算方法、计算手段、计算思维推进科学具体学科的发展,特别是在生物学领域。计算机和计算机科学与科学结合不仅仅是使用计算方法、计算手段、计算思维促进科学的发展,而是正在给科学带来一场深刻的进化。

计算认知正在成为传统思维语言认知、数学认知、逻辑认知之后的第四个认知成分;计算机正在成为传统思维语言认知、数学认知、逻辑认知的大脑认知器官之后的第四个认知器官。感觉器官的感觉能力自400年前的科学革命以来,已经有了来自科学、技术方面的许多延伸。认知器官的认知能力自20世纪40年代产生的计算机和20世纪60年代产生的计算机科学以来,也已经有了质量和数量的延伸。在21世纪,计算机和计算机科学带来的认知能力的延伸正在给相容逻辑维度上的认识论的知识系统和信息系统带来科学的变化。计算机和计算机科学延伸了感知、注意、记忆、分析、解决问题的自然思维,以计算机和计算机科学为内容的计算认知和计算思维增加了语言、数学、逻辑的系统思维维度。自然思维的延伸和系统思维维度的增加正在引起科学知识系统的深刻变化。新型科学不断形成,人们习惯和熟悉的科学正在成为同计算科学结合形成的新型科学的子集。

2教育学中的计算思维与计算思维的教育

2012年9月11日至12日,在英国曼彻斯特举行的英国学习技术协会(AssociationforLearningTechnology,ALT)的年会上,AaronSloman作了“什么是计算思维?谁需要计算思维?为什么需要计算思维?计算思维可以学习吗?计算思维可以教吗?”的演讲。JeannetteWing提出计算机科学的计算思维概念之后不到十年的时间,爱尔兰的国立爱尔兰大学(NationalUniversityofIreland)梅努斯分校的计算机科学系便设立了计算思维的本科教育,有完整的大纲和课程设置。这个本科教育大纲和课程设置直接回答了AaronSloman演讲中5个问题的后两个问题:计算思维可以学习,计算思维可以教授。国立爱尔兰大学计算机科学系这个专业的目标是集成和统一计算机科学、数学和哲学,课程是从现有的计算机科学课程、数学课程和哲学课程中挑选、重新组合形成的一个课程集合。从知识系统的角度看,没有一门新的课程属于计算思维课程。

计算思维是一个横跨思维和知识的涉及多个学科的组合概念,从事计算机相关工作的专家和学者率先感觉到了计算思维的存在,并从自己熟悉的眼前的第一步开始进入计算思维这个领域。对计算思维在不同学科的不同认识和描述并不影响人们对计算思维的感知和在教育中对计算思维的培养。对计算思维本质的认识已经超出了计算机科学的范围,但这并不影响在计算机科学领域对计算思维规律的认识和在教育学领域对计算思维的培养。关键是要在计算机科学领域认识计算思维,要在教育学领域应用计算思维进行计算思维的培养,对计算思维的观察必须从科学哲学和哲学的角度出发。计算思维的教育主要在计算机科学计算思维和计算机应用计算机思维领域,通过计算机科学知识系统和计算机应用知识系统的教学和学习进行。计算机科学从20世纪60年代成为独立学科以来已经有完整的知识系统和相应的教育体制。计算机科学的知识体系也在发展变化中,有关计算思维的课程也在甄别和抽象形式化的过程中。人们都知道认识论中有认识主体、认识客体、知识系统三个基本组成部分。对于计算思维来说,认识的主体是人的大脑中认识计算思维所需要的智力和思维能力,认识的客体是客观存在的计算思维,认识结果的知识系统是计算思维知识系统。同一般清晰可见的认识对象的认识主体、认识客体、知识系统分别是三个独立的系统不同,计算思维的认识主体、认识客体、知识系统三个系统之间相互交织、关系重叠。原因是计算思维既是认识的主体,又是认识的客体,同时还是认识结果的知识系统。

3计算机大赛中的计算思维能力培养

目前,对于如何在大学的计算机课程中培养学生的计算思维能力,国内学者已提出了一些很好的构想。陈国良院士认为大学第一门计算机基础课程是计算思维培养的一个关键。哈尔滨工业大学的战德臣教授认为,大学第一门计算机基础课程必须强化思维性教学改革,强调可实现思维的教授与培养。浙江大学的何铭钦教授等在对九校联盟(C9)联合声明的解读中提出,一方面要突出相应领域问题求解的核心思路和基本方法,另一方面要通过小规模的应用系统设计与实现,使学生领悟应用系统级的问题求解方式。因此计算思维能力的培养不仅仅局限于大学的计算机课程,更应贯穿于计算机课程的课程设计、计算机大赛等综合实践活动中,通过应用系统的设计与实现逐步启发和培养学生的计算思维能力。计算机设计大赛是大学生综合运用计算机知识和计算思维的一个创新实践活动,大赛作品本身就是计算机知识和计算思维应用的表现。学生通过对具体问题进行理论建模和工程实施,不但运用了计算机知识和计算思维,同时拓展了计算机知识,增强了计算思维能力。大赛内容包括软件应用与开发、微课(课件制作)、数字媒体设计、中华优秀传统文化微电影、中华民族文化元素、动漫游戏创意设计、软件服务外包及计算机音乐创作8大类别。从问题求解的角度来看,每一类作品都需要对现实世界的具体应用问题进行抽象和模型化,并通过计算机硬件平台来展现。通过讲解这些实际问题的解决思路,可以培养学生运用计算机知识进行问题求解的计算思维。完成作品的过程涉及从作品策划、构思、设计到开发、发布的各个阶段,大赛作品是由设计者通过计算机模型化出来的虚拟世界,展示了设计者如何利用计算机科学的知识、方法和模型进行问题求解、系统设计和人类行为理解的整个计算思维过程。学生在作品的设计开发过程中,逐步培养了运用计算机科学的知识、方法和模型进行抽象、自动化的计算思维能力。

在指导学生参赛的过程中,教师通过大赛引导学生主动参与知识的学习,在实践活动中有意识地逐步培养学生个人的计算思维。数据库、计算机网络、程序设计的基本概念、原理和方法都体现着计算机科学家的计算思维,在指导教师有意识地引导和系统规划下,学生通过学习和应用数据库、计算机网络和程序设计,能够了解计算的方法和模型,建立起利用计算机求解问题的基本思路,站在计算思维的高度观察和处理问题,从而改变旧的思维方式和工作方式,有意识地培养计算思维。例如,在大赛作品的设计中,关注点分离是控制和解决复杂问题的一种思维方法,该方法先将复杂问题进行合理的分解,再分别研究问题的不同侧面(关注点),最后综合得到整体的解决方案,在计算机科学中的典型表现即“分而治之”。在数据库设计、庞杂的数据管理和数据库应用开发中,经常采用“分而治之”的思想。数据库设计采用软件工程的思想,自顶向下将设计任务划分为多个阶段,每个阶段有各自相对独立的任务,相邻阶段又互相联系、互相承接,共同完成整个设计任务;面对复杂的数据管理和维护任务,也进一步分解为数据恢复、并发控制、数据完整性和安全性的保护、数据库的运行维护等多个子任务,由不同的子系统负责,并相互协作保护数据在运行过程中的正确性和有效性;在进行基于数据库的应用开发中,模块化是最常用的最有代表性的一个分解方法。这些数据库的知识点都充分体现了计算思维的方法。信息化教学为大学生提供了丰富的学习资源:微课、优秀大赛作品和计算思维专题,创设环境,鼓励大学生通过自主学习、探究学习,培养计算思维能力。我们在大赛活动中充分尊重学生的主体性,通过教学方法的改革和对学生主观能动性的开发,创建了以培养计算思维为核心的协作学习、研究性学习模式。指导教师把计算模型、算法、并行计算、云计算这些计算思维的思想融入到计算机大赛活动中,与专业课程的知识点紧密衔接起来,进行深入细致的实例分析,使学生不再觉得计算思维是悬空抽象的概念,而是实实在在的思维方法,从而真正做到了教学与科研的互补与相互促进。

4结语

计算思维的概念在计算机科学中提出,但计算思维本身是一个交叉学科的概念。计算思维直接涉及的学科包括认知科学、计算机科学、教育学,间接涉及的学科有语言学、数学、逻辑学。计算思维刚刚走出计算机科学,在计算机科学哲学的领域通过自然科学哲学来逐渐感知认知科学中计算思维的本质。计算思维的培养在教育理论中的探讨和在教育实践中的实施涉及教学大纲的制定、教材的编写、教学心理、学习心理、学习模式、课堂教学活动、课堂学习活动、实践教学活动、测试教育理论和实践的方方面面。学生是教学情境中的主角,是学习的主体。学习的过程是学习者主动建构知识的过程。学习活动不是由教师单纯向学生传递知识,也不是学生被动地接受信息的过程,而是学生凭借原有的知识和经验,通过与外界的互动,主动生成信息的过程,教育的成效最终取决于受教育者对所受教育的内化过程。学生通过计算机设计大赛活动成为了教学情境中的主角,积极主动地参与到教学过程中,从而使教学成为一个激发学生建构知识的过程,而不是传授、灌输知识的活动。计算思维能力的培养最终要靠学生自己在学习和实践活动过程中逐步掌握和形成。

作者:曹菡 刘永勃 单位:陕西师范大学计算机科学学院

计算机设计大赛与思维能力培养责任编辑:杨雪    阅读:人次
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