淺談計算思維和計算過程的大學(xué)計算機課程認(rèn)知體系論文
淺談計算思維和計算過程的大學(xué)計算機課程認(rèn)知體系論文
如何構(gòu)建以計算思維為核心的大學(xué)計算機課程認(rèn)知體系,以適應(yīng)不同層次學(xué)校和不同專業(yè)學(xué)生的需求,已成為新一輪大學(xué)計算機課程改革的關(guān)鍵。以下是學(xué)習(xí)啦小編為大家精心準(zhǔn)備的：淺談計算思維和計算過程的大學(xué)計算機課程認(rèn)知體系相關(guān)論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
淺談計算思維和計算過程的大學(xué)計算機課程認(rèn)知體系全文如下：
近年來，以計算思維為核心的大學(xué)計算機課程教學(xué)改革正在許多高校進(jìn)行，課程應(yīng)該“講什么、如何講”是改革的關(guān)鍵，也是一線教師最為關(guān)切的問題。不同層次的高校和不同的專業(yè)對大學(xué)計算機課程的培養(yǎng)目標(biāo)和專業(yè)需求不盡相同，因此，如果能夠構(gòu)建一個大學(xué)計算機課程認(rèn)知體系的最小集，在此基礎(chǔ)上讓一線教師在培養(yǎng)目標(biāo)框架內(nèi)按照一定的思路進(jìn)行擴展，不僅能解決“講什么”的問題，還能解決“如何講”的問題。
文中提到的大學(xué)計算機課程是指通識教育中的大學(xué)計算機基礎(chǔ)，最小集是指不同層次、不同專業(yè)學(xué)生所需掌握的知識、能力和思維的最低要求，這樣寫的目的是試圖構(gòu)建起大學(xué)計算機基礎(chǔ)教學(xué)穩(wěn)定的、核心的認(rèn)知體系，讓大學(xué)計算機基礎(chǔ)的課程教學(xué)像大學(xué)數(shù)學(xué)、大學(xué)物理一樣，成為傳授知識、培養(yǎng)應(yīng)用能力、訓(xùn)練計算思維的大學(xué)通識教育課程。
1 對計算思維的再認(rèn)識
關(guān)于計算思維，許多文章都引用美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機科學(xué)系主任周以真教授在2006 年給出的定義：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解的思維活動。很顯然，運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念很容易使人認(rèn)為計算思維是建立在計算機科學(xué)基礎(chǔ)上的只有計算機學(xué)科才有的一種新的思維形式。事實上，計算思維和其他的思維形式一樣，是伴隨人的思維活動而存在和發(fā)展的，如中國古代《易經(jīng)》中的八卦將自然現(xiàn)象中的陰陽用符號表達(dá)(形式化表示)，然后按一定的規(guī)則(或算法)推算(計算)出其他的自然現(xiàn)象，這是一個典型的古人運用計算思維解決問題的例子，充分說明計算思維是古已有之的一種思維形式。另外，該定義還容易使人認(rèn)為計算過程只能由計算機執(zhí)行。事實上，《易經(jīng)》中的“運算”是由人執(zhí)行的;圖靈的計算模型出現(xiàn)在計算機之前，計算過程自然由人執(zhí)行。
因此，周教授在2010 年又重新給出定義：計算思維是與形式化問題及其解決方案相關(guān)的一個思維過程，其解決問題的表示形式應(yīng)該能有效地被信息處理代理執(zhí)行。該定義清晰明了、簡單易懂，同時使計算思維的培養(yǎng)具有了一定的可操作性。
周以真教授重新定義的計算思維，有4 個遞進(jìn)式要點：①形式化問題;②形式化問題的解決方案;③解決方案的形式化表示;④解決方案的形式化表示能夠被有效執(zhí)行。這4 個遞進(jìn)式要點是對一個問題解決的過程性描述，指明了用計算思維解決問題的方法、步驟和要求。
基于上述認(rèn)識，筆者認(rèn)為對于計算思維的定義應(yīng)該引用周教授2010 年的定義較為合適。此外，我們還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到計算思維在人的思維活動中是一個復(fù)合的思維形式，以“形式化、程序化、機械化”為主要特征。在“形式化問題”得以解決的過程中，必然伴隨其他思維形式，而計算思維起到“統(tǒng)領(lǐng)”的作用，如問題的形式化表示和“解決方案”的設(shè)計必然會涉及抽象思維、邏輯思維等數(shù)學(xué)思維形式，也會涉及構(gòu)造等工程思維形式，因此“計算思維是數(shù)學(xué)和工程思維的互補與融合”;從周以真教授2010 年的定義中不難看出，計算思維以“形式化、程序化(算法)、機械化(機械地執(zhí)行程序)”為主要特征，因此教師在培養(yǎng)學(xué)生計算思維的同時還要完善其他思維形式的培養(yǎng)，這樣才能建立起由計算思維“統(tǒng)領(lǐng)”的綜合思維能力。
2 對計算本質(zhì)的再認(rèn)識
英國數(shù)學(xué)家圖靈認(rèn)為，計算是計算者(人或機器)對一條兩端可無限延長的紙帶上的一串符號(來自有限符號集)執(zhí)行指令，一步一步地改變紙帶上的符號，經(jīng)過有限步驟最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號串的變換過程。簡單地說，計算就是按照一定的規(guī)則進(jìn)行的數(shù)據(jù)(符號串)變換，計算過程是人或機器對規(guī)則的執(zhí)行過程。如果把信息(來自自然界或人類社會)的符號化過程和數(shù)據(jù)的信息化過程也作為計算過程的一部分。
其中，從數(shù)據(jù)到新數(shù)據(jù)的計算是一種狹義的計算，以數(shù)學(xué)計算為代表;從信息到新信息的計算是一種廣義的計算，以計算機信息處理為代表，如數(shù)值計算、符號計算、神經(jīng)計算、自然計算、社會計算、情感計算、云計算等，都只是計算的對象(數(shù)據(jù)或信息)不同而已，計算的本質(zhì)和過程都是一樣的，其中體現(xiàn)的思維形式也是一樣的。與狹義計算和廣義計算相對應(yīng)，計算過程也可分為狹義計算過程和廣義計算過程，本文所說的計算過程是指廣義計算過程。
3 計算過程與計算思維培養(yǎng)
計算機科學(xué)有兩大基本問題：一是自動化計算的實現(xiàn)，二是基于計算機的問題求解。第一個問題的解決過程涉及信息的符號化表示、數(shù)據(jù)編碼、計算機器的構(gòu)造、計算規(guī)則(算法和程序)的制訂和執(zhí)行等一系列計算機科學(xué)最基本的概念、原理和方法;第二個問題的解決過程少了機器的構(gòu)造這一環(huán)節(jié)，是各學(xué)科領(lǐng)域在計算機基礎(chǔ)上的問題求解。顯然，第二個問題以第一個問題為基礎(chǔ)，兩個問題的解決都以“圖靈計算”為指導(dǎo)，以計算過程為思路;而計算思維正是在問題求解的整個計算過程中所體現(xiàn)的思維形式。以計算過程為主線(思路)構(gòu)建大學(xué)計算機課程的認(rèn)知體系，不僅能讓學(xué)生學(xué)到計算機科學(xué)最基本的概念、原理和方法，而且可以讓學(xué)生學(xué)到問題求解的基本思路，體會科學(xué)家的思維過程，從而有效地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。
4 大學(xué)計算機課程認(rèn)知體系的最小集
計算思維的培養(yǎng)需要根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)選擇合適的知識載體，構(gòu)建合適的認(rèn)知體系，選擇恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法。對非計算機專業(yè)的學(xué)生而言，由于大學(xué)計算機課程的“通識性”和“基礎(chǔ)性”以及學(xué)時的局限，很有必要選擇一些“大眾化”的內(nèi)容構(gòu)建一個最小的認(rèn)知體系。
以計算思維的培養(yǎng)為核心、以計算過程為主線構(gòu)建一個大學(xué)計算機認(rèn)知體系的最小集，是指按計算過程所承載的計算機科學(xué)最基本的概念、原理和方法選擇內(nèi)容及內(nèi)容的呈現(xiàn)次序。計算過程包括自動化計算的實現(xiàn)過程、基于計算機的問題求解過程、基于應(yīng)用軟件的問題求解過程以及異地數(shù)據(jù)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)計算過程。該思路不僅體現(xiàn)計算機科學(xué)的兩大基本問題，而且體現(xiàn)人們的認(rèn)知過程和思維過程，具體內(nèi)容如下。
(1)計算與計算機概述：信息與數(shù)據(jù);什么是計算;什么是計算機;前人對計算機的探索歷程和思維過程。
(2)基礎(chǔ)理論：信息符號化(包括進(jìn)位計數(shù)制和信息編碼);邏輯運算;算術(shù)運算與邏輯運算的統(tǒng)一;計算的物理實現(xiàn)。
(3)自動計算的實現(xiàn)：指令和程序;馮·諾依曼計算機;存儲器;中央處理器;指令和程序的執(zhí)行過程。
(4)現(xiàn)代計算機系統(tǒng)：現(xiàn)代計算機硬件系統(tǒng);現(xiàn)代計算機軟件系統(tǒng)。
(5)基于計算機的問題求解：問題求解基礎(chǔ);算法基礎(chǔ);算法設(shè)計;算法實現(xiàn)——程序設(shè)計語言和可視化計算工具raptor。
(6)基于應(yīng)用軟件的問題求解——以辦公自動化應(yīng)用為例：文字處理;文稿演示;數(shù)據(jù)處理。
(7)計算機網(wǎng)絡(luò)：什么是計算機網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ);計算機組網(wǎng)與連接;計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸過程;網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用;信息與網(wǎng)絡(luò)安全。
5 需要說明的問題
上述第1 到第4 部分內(nèi)容主要是“如何實現(xiàn)自動化計算”，該部分以計算過程為主線(參照計算過程示意圖)，圍繞“如何實現(xiàn)自動化計算”這一基本問題展開。第5 部分內(nèi)容主要是基于計算機器(無應(yīng)用軟件)進(jìn)行問題求解，也以計算過程為主線，同時按計算思維定義的4 個要點思考問題，注意該部分主要是算法而不是程序設(shè)計，算法的執(zhí)行可以用raptor 實現(xiàn)。第6 部分內(nèi)容可以看做是基于計算機器(有應(yīng)用軟件)的問題求解，按問題求解的思路展開，側(cè)重問題(案例)的設(shè)計和解決過程中遇到的較為穩(wěn)定和本質(zhì)(不因界面改變而變化)的知識講解，如文字處理中的字符、段落、頁面、目錄、頁眉頁腳和其他對象的屬性及其關(guān)系等;文稿演示中的幻燈片和對象表演方式及其控制等;數(shù)據(jù)處理中的公式、函數(shù)和數(shù)據(jù)分析等。第7 部分內(nèi)容主要是計算環(huán)境變化后異地計算機之間的數(shù)據(jù)交換問題，圍繞“如何連接、如何交換”這一基本問題展開。
6 結(jié)語
一線教師只有充分認(rèn)識計算和計算思維的深刻內(nèi)涵，才能在培養(yǎng)計算思維的教學(xué)中有所作為，才能有效組織和展示教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到最佳的計算思維培養(yǎng)效果。上述研究只是在充分認(rèn)識計算和計算思維的前提下，以計算過程為主線對現(xiàn)有大學(xué)計算機知識體系的一次重構(gòu)，重構(gòu)的知識體系只是相對穩(wěn)定的最小集合。由于學(xué)校層次不同、學(xué)生專業(yè)差異以及技術(shù)發(fā)展日新月異，因此對認(rèn)知體系深度和廣度進(jìn)行擴展也是必要的，至于怎樣擴展、遵循什么原則等還需要進(jìn)一步研究。
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