計算思維與大學計算機課程改革的基本思路

張金輝

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1 引言

計算機已經成為人們生活中密不可分的生產工具，隨著計算機技術的不斷進步，信息技術正在不斷改變著人們的生活和生產方式，為順應時代發展潮流，適應社會競爭，積極推動高校的計算機課程改革已成為亟待解決的課題。自20世紀80年代我國各主要高校引進計算機課程后，我國高校的計算機課程改革已經經歷了數次變動，每次教學體系和結構的調整都是為了更好地培養符合社會需求的高技術人才，進入21世紀后，計算思維這一理念受到了各國的高度重視，將計算機課程培養的目標從“認知技能”向“能力開發”做出轉變，西方國家也迅速地將計算思維作為學術研究和教學的重要單元列入計算機課程改革的內容之一，在市場和人才的綜合競爭壓力下，開展我國高校計算機課程改革已經成為教學體系發展的必然選擇，對提升我國人才競爭力和信息技術水平具有重要意義。

2 計算思維的內涵

計算機技術起源于二戰期間，最早的計算機重達數噸，其計算能力相比現在已不可同日而語，但計算機技術發展更多體現在軟硬件上的突破，其計算系統的基本原理并沒有產生大的變化，總體上還是圍繞著二進制等一系列思維體系進行發展。二進制的本質是0和1，通過復雜的邏輯變換和運算差異，形成集成化的思維體系，也是計算機系統構建的基礎。在二進制的模式下升級為各種程序和動作指令，可以理解為將簡單的基本動作進行重做和復雜規劃來實現多元次序的過程，程序也就是指令的集合，是計算機一切復雜功能得以實現的軟件基礎，“程序化”思維正是在計算機技術演變過程中，由機械程序反哺為人體思維的一種體現，是計算思維的核心部分?！斑f歸”是計算機理論下特有的算法，在遞推邏輯法的基礎上演變而來，是通過有限的邏輯達成無限功能的一種思維方法，本身是計算機程序的一種邏輯方式，隨著時代的發展，遞歸程序的思維內核也被人挖掘為計算思維，在元素推理及前端設計中得到廣泛應用[1]。

計算機技術在發展過程中，與多門學科相融合，形成了許多分支的融合性思維，并逐漸形成了具有鮮明特色的分支樹，產生了層次分明的思維網絡，包括計算機網絡、多維互聯網以及未來的智慧網絡層次，也被稱為互聯網思維，這種具備前瞻性的思維方式對人們的生活方式造成了潛移默化的影響，即便在非計算機領域依然具有指導意義。在算法方面，計算機系統的規則為集合的設計和算法融合提供了多種方案。算法在計算機系統內的位置猶如靈魂之于人體，它是計算機軟硬件結合的紐帶和橋梁，算法邏輯上的突破也是計算思維研究的重要內容。除算法外，系統是計算機軟件的載體，是賦予計算機功能展示和結構完整性的基礎，計算思維在系統中的表現是化繁為簡，通過整體性的優化，使軟件的各部分取得聯系，保障結構功能的各種特性。

3 大學課程改革的背景

計算思維的重要性不言而喻，它不斷刷新著人們對計算機科學的認識，同時為非計算機領域提供著運營或設計思維上的幫助，對社會發展具有重要的推動作用。自從人們對計算思維的認識從一種技能轉變為能力后，推行系統化的計算思維教學已經成為各國積極推動的一種共識，在北美，為適應行業發展，培育全方位人才，在高校聯盟和聯邦政府的主導下，多個州的公立大學已經將計算思維列為計算機科學課程的必修單元，同時從技術和思維兩個方面對計算思維的算法和邏輯進行傳授，旨在積極推動產業升級，為未來潛在的行業競爭積累人才。在歐洲，多個國家將計算思維同工業4.0和人工智能等領域列為21世紀影響世界技術革新和產業革命的潛在方向，德國和法國已在2011年后全面開展新時期“計算機課程”改革計劃，編制全新教材用于計算機思維和邏輯的傳授與普及，同時加入了計算機科學發展的方向規劃與原始宗旨的探討，將計算思維總結為一種建立在計算機技術上產生的理性思維，對編程算法和跨行業結構創新具有重要意義。我國高校的計算機課程改革起步較晚，但教育部在多所高校和專家的聯名致信下終于開展了關于以計算思維為核心的新時期高校教學體制改革的可行性研討。在陳院士帶領下，我國在2010年也同步開展了高新技術產業人才培養計劃，在九所985重點大學展開試點教學，其中計算思維作為人才培養計劃的核心，受到了業內的一致重視。

4 高校計算機課程改革的思路

4.1 改革的內容

在21世紀，計算機尚未普及的年代，互聯網、軟件編程、硬件知識等都作為常人難以理解的高級知識而存在，隨著時代的發展和社會的進步，當年這些看似復雜和生僻的原理，現在已經變為簡單的常識，這說明看似高深的專業知識并不具有普及意義，除計算機系的學生外，多數人對所謂的高新知識并沒有掌握的必要，但實際上，計算機技術發展背后蘊含的工作原理和計算思維卻永不過時，他能夠幫助受教育者在技能培養的基礎上提升計算機的應用能力。因此，高校計算機課程改革也要遵循思維優先的原則，在開展改革之前要明確進行大學計算機課程改革的意義。包括：①如何看待計算機技術的發展；②通過算法推演揭示計算思維的優勢和核心理念；③嘗試用計算思維去解決問題；④深化研究潛在的問題，提出具象化的解決方案，并據此推導出計算思維的方法論。改革之前要明確計算思維的具體內涵是什么，并根據其結構特征設計出符合體系要求的，利于學生接受的課程[2]。

4.2 體系的建設與發展

推行改革的步驟分為兩個部分，一是以計算思維為核心的教材的編撰與相關問題的探討；二是圍繞在新時期的高校環境中教學體系的建設。在研究體系建設前，我們可以先借鑒西方國家的先進經驗。例如，美國作為較早開展計算思維普及和教學體系建設的國家，最初在推行教學體系的建設過程中，將計算思維的相關知識列為教學的核心，并以此為基礎開展全方位的理論建設，但通過實際教學成果反饋研究發現，由于計算思維涉及的概念和理論相對冗雜，在短時間內通過課堂教學進行推廣是不現實的，因此，在進行教學體系建設之前，要首先進行哲學層面上對計算思維的內容討論。比如在以計算思維進行一次糾錯和方案分析時，要首先思考該技術如何通過建模來進行表達，即一種合適的方式去計算和解決問題。高校計算機課程改革的思路是以培養學生計算思維為導向開展的內容試點，所以對計算思維的概況不僅要體現在程序和原理上，還要幫助學生理解計算思維的理念和內涵。

5 結論

計算思維的養成實際上是一種能力進步的體現，隨著世界各國愈發重視對計算機人才思維能力的培養，未來的人才競爭將從計算機領域延伸到多元化全方位的技術和能力競爭，因此開展圍繞計算思維展開的高校課程改革要盡快落實。在大數據和高度發達的信息化時代，計算機技術將會在更多領域得到應用，加快教材編寫，推動模式創新，做好理論與實踐的結合，才是應對時代發展和激烈競爭的正確道路。望本文能得到相關院校及教育工作者的關注，積極響應政策號召，使我國高校計算機課程教學接近世界先進水平，為培養綜合型人才發揮更多作用。