计算思维通识课程的建设与思考

吴亚馨 陈章进

上海大学计算中心 上海 200444

计算思维通识课程的建设与思考

吴亚馨 陈章进

上海大学计算中心 上海 200444

“计算思维”是当前高校各个专业学生应具备的思维方式。基于上海大学本科通识课程“计算思维”自2012年以来多学期的建设和实践情况，对课程的理念、教学体系、课程内容以及教学方法进行了介绍与分析。在此基础上对课程设计思路、计算思维能力的培养和计算机基础教育改革等方面进行了思考与总结。

计算思维；通识课程；信息素养；课程设计

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。［1］计算手段已发展为与理论手段和实验手段并存的科学研究的第三种手段，计算思维已成为当前高校各个专业学生应掌握的重要思维方式。自2012年秋季学期开始，我们在上海大学开设了本科生计算思维通识课程，在多个学期的教学实践过程中，通过对课程体系、教学内容、教学方法的不断实践与探索，积累了经验，并在此基础上，对如何进行计算思维的训练和培养、如何推动计算机基础教育改革等方面进行了深入思考。

1 课程设计

“通识教育是对任何专业的学生的长远考虑，而不是急功近利，追求立竿见影”。［2］课程设计的宗旨是着眼于一种思维模式的养成和训练。这里的思维模式是指“用计算机解决问题”的思维模式。计算思维实际上是一个思维的过程，能够将一个问题清晰、抽象地描述出来，并将问题的解决方案表示为一个信息处理的流程，是一种解决问题切入的角度。

美国麻省理工学院媒体实验室的Mitch Resnick教授指出：计算机是有史以来最伟大的创造性材料，人们可以用它创造几乎任何东西，可惜的是，绝大部分人在使用计算机时只是把它当成查询和处理信息的工具。［3］信息时代的“技术素养”不仅要懂得如何使用技术工具，而且要懂得利用这些技术创造点什么。长期以来，学生们对计算机的认识局限于只是应用工具的狭义工具论，本课程致力于改变学生的固有认识，强调计算思维是人类求解问题的一条途径，点滴培养学生信息时代的“技术素养”。

1.1 课程体系设计

通过多学期“计算思维”通识课的教学实践，并结合在学期中与学期结束进行的问卷调查反馈结果，课程组对课程体系逐步进行优化。在课程体系上采用了教学专题的方式，每个专题内容相对独立；课程内容则选取能体现计算机科学的思维方式和解决问题的技巧、方法以及对后人有启迪作用的材料、案例；学生成绩评定包括课内讨论、课外学习、期末报告等多个部分。课程体系中的教学专题设置如下。

教学专题（一）：人类文明古老而又最时新的成就之一；教学专题（二）：独树一帜的中国计算文化；教学专题（三）：不插电的计算机科学；研讨专题（一）：主题研讨——浅谈计算思维与中国计算文化；教学专题（四）：世界因你而精彩——计算机网络如何改变世界；教学专题（五）：从幻想到现实——人工智能；教学专题（六）：突破传统模型；研讨专题（二）：观点宣讲：我看计算思维。

在每个教学专题下设置2～3个分专题，分专题根据每学期选课学生的不同来源而调整。在课程结束后通过调查表反馈的信息显示学生对课程设计模式比较认同。

1.2 课程内容设计

纵观计算机信息技术的发展史，很大一部分是“用计算机解决问题”的历史。计算机从解决弹道轨迹计算问题起步，到现在处理文本、多媒体以及网络互联，逐步扩大应用空间。每一次使用方向上的突破都是思维的创新，方法手段的创新，多元化思路和技术的创新，是人类智慧的结晶。课程组试图从这些突破点入手，培养学生计算机是“创造性材料”的意识，强调事情的来龙去脉而不仅仅是结果，通过选取其中有代表性的适合通识讲解的内容展现给学生。当那些看起来难以解决的问题以及那些在计算时代之前不敢尝试的问题，被研究人员以“简单”“巧妙”“独创”的方法解决时，学生能在惊讶、赞叹的同时产生浓厚的兴趣，学会运用计算思维，学会应用计算机“创造性材料”创造点东西，由此培养信息时代的技术素养，而不仅仅把计算机当成工具。

因此，在进行课程内容设计时注重选择能提炼出思路（有思维）、方法（用计算机解决问题）的内容，以期达到“窥一斑而见全豹”的效果。主要教学专题的内容具体表现为以下几方面。

1.2.1 教学专题（一）：人类文明古老而又最时新的成就之一

本专题为计算思维概述，先通过计算机专家开发订票系统软件的故事，让学生体会计算思维的概念。接着从广义计算思维观点和狭义计算思维观点两个角度讨论计算思维。追根溯源，计算机解决问题的思维在中国历史上就是“以算为主，使用算器”的思维，古人使用算筹，继而使用算盘，帮助解决计算问题，这和1946年为计算武器的弹道轨迹研制第一台电子计算机解决计算问题，从思维的角度是一脉相承的。重点选取其中“运用计算机科学的基础概念进行问题求解的一系列思维活动”展开分析。

1.2.2 教学专题（二）：独树一帜的中国计算文化

算法构造与演绎推理是两种不同的数学思维形式，中国古代数学的思维形式属于前者。在中国古代最著名的传世数学著作《九章算术》中，主要教学理论都是以算法（术）的形式表述出来的，算法化倾向十分明显。中国数学家吴文俊在研究了中国古代数学后认为“中国古代数学是符合现在计算机时代的数学”，他开创了国际数学界的全新的研究方向——数学机械化。基于中国古代数学的思想精髓诞生的数学机械化思想，对于中国数学在世界数学中的地位，具有特别重大的意义，我们选用此案例，一方面是“用计算机解决问题”的思维方式，另一方面这是一个将“创造性材料”成功运用到自己所从事的专业中的信息时代的技术素养的案例，同时也是创新的案例，还可以起到对学生励志的作用。

1.2.3 教学专题（三）：不插电的计算机科学

本专题结合“不插电的计算机科学”［4］中的部分内容，围绕原理性的知识展开，并将之拓宽以适应大学生的理解能力和通识课的内容。例如彩色图形的编码就使用了计算机图形学学中的三原色原理（颜色科学中的基本原理）。

1.2.4 教学专题（四）：世界因你而精彩 ——计算机网络如何改变世界

本专题从因特网的第一个消息谈起，讲述分组交换（网络工作原理之一），网际协议IP（网络工作原理之二），传输控制协议TCP（网络工作原理之三）以及路由器工作原理，并介绍信息的概念、信息的度量等。

1.2.5 教学专题（五）：从幻想到现实——人工智能

本专题围绕人工智能的概念与应用展开。人类自古就幻想制造出代替人类工作的机器，从中国古代的记载到古希腊的传说，以及由英语“Robot”衍生而来成了机器人的代名词的故事都充满了文化色彩，这些文化色彩使本专题颇具吸引力。图灵测试、中文屋子问题、N皇后问题、反向图灵测试、有限状态自动机是本专题的子专题。

1.2.6 教学专题（六）：突破传统模型

本专题通过算法的比较展示算法的力量；通过计算机仿真核试验展示虚拟仿真技术；通过《阿凡达》中的图形学和高性能计算的成功，描述图形学及高性能计算领域所具有的极大的发展前景；通过讲述“苹果”计算机到“苹果”手机的演变，展示创新思维的魅力。

在本专题里还包括“新技术”子专题，将计算机及信息领域的最新的科技成果和最新应用及时在课堂展示（如DNA存储、谷歌眼镜、3D打印、增强现实、大数据等）。信息技术应用的日新月异有力地支持了“创造性材料”的断言。由于对这些新名词耳濡目染，时有所闻学生感觉很亲切也很欢迎。

1.3 教学方法设计

通识课面对的是全校非计算机专业的学生，要让所有听课的同学听懂受益，并对教学内容感兴趣，必须精心设计教学方法。

1.3.1 枯燥概念的形象化

为了使问题“一目了然”，课程利用动画、视屏等轻松愉快的多媒体教学手段教学，揭示日常生活常见的计算机信息技术的基本原理、基本概念，学习计算机科学家处理问题的思维方式。

使用图像的方式引入专题可以吸引学生的注意力，看图是形象思维，一些用语言难以描述的内容，利用图像的直观性却很容易解读。借助多媒体软件可以将一些难于理解的概念以动画形式表现出来，借助动画使用语言描述难于理解的工作原理清晰直观易于理解。图1所示是用Photoshop软件在课堂上画圆并1 000%显示，图2是使用CorelDraw画圆并1 000%显示，先请学生自己描述两幅图的差别，再给出“位图”和“矢量图”概念以及指出两者区别就很容易理解了。

图1 Photoshop画圆并1000%比例显示

图2 CorelDraw画圆并1000%显示

1.3.2 营造人文的课堂环境

在计算机的发展史上充满了创新的故事和趣闻，将这些故事和趣闻穿插于课堂讲课中，甚至以这些故事引出一个教学专题，使得课堂教学具有人文色彩，同时这些故事和趣闻又可以启迪学生，培养开阔的视野、敢于创新的思维。如关于苹果LOGO的传说版本很多，课堂上请学生发言就可以举出几种不同的版本，由苹果LOGO引出图灵、人工智能、图灵测试，反向图灵测试，环环相扣，顺理成章。又如霍夫曼的轶事则展示了科学家处理问题的思维和方式。

1.3.3 案例取之生活用之课堂

在教学中，精心选择大学生在学习和生活中熟悉的案例，让学生看到新技术离自己很近，多学科知识的汇集、融合、互动的创新结果并不遥远。如基于智能手机的移动增强现实使增强现实技术借助移动互联网络应用到智能终端上，成为移动互联领域的创新模式。案例选取结合学生熟悉的手机软件，从常用的二维码开始，到丰富的移动增强应用，如微信上流行的奇幻咔咔“3D小熊”应用以及学生们经常使用的手机实景翻译功能等（如图3所示）。这些来源于日常生活的案例，使学生进一步认识到创新技术与真实世界的密切关系，调动他们参与创新的积极性。

图3 3D小熊应用与实景翻译功能

1.3.4 用新的视角诠释问题

目前，许多新概念、新产品都与原理有关，讲解时结合这些将能使原理“活”起来而不再枯燥。如图4是冯·诺依曼计算机结构框图。目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式是触摸屏，触摸屏是一种可感应式液晶显示装置，正在取代液晶显示器，从Windows8系统已开始支持触摸屏操作，而触摸屏同学们在用智能手机时已经很熟悉。触摸屏还将输入输出设备统一在一起。也就是说触摸屏不仅改变了传统的输入方式，还使得输入输出融为一体，是对冯·诺依曼计算机结构模型中输入输出方式的创新。

图4 冯诺依曼计算机结构图

同样近年发展迅速的云计算是对冯·诺依曼计算机结构中存储的创新，传统的存储在本地，云计算机存储搬到了“云”上，而存储的介质也有了新的DNA存储。又如，Word软件是大家很熟悉的软件，Office软件使用了动态选项卡，动态选项卡可以减少固定的菜单项，使软件界面更友好，这小小的改变也是一种创新，并且是同学们看得见的创新，因此创新是计算思维活的灵魂。

2 总结与思考

计算思维是互联网与信息时代每个人都应具备的一种思维方式，这在教育界已经取得共识。当前的问题是如何将这个理念“落地”？即给学生讲什么、怎么讲？我国在计算机基础教育领域当前在培养计算思维的经验方面还不足，计算思维似乎也难以“捉摸”，思维的培养比技能、能力的培养困难得多。本课程为此做出了一些探索和实践，经过多个学期的教学实践，取得了理想的教学效果和反馈。在课程建设的过程中，有如下总结和思考。

2.1 基于“思维—视野—能力”课程设计与建设思路

通过多轮次课程的实施与建设，课程逐步形成和完善了“思维（计算思维）—视野（新发展、新技术）—能力（创新能力和方法）”的建设思路。所谓“思维”就是用计算机解决问题的思维，也就是计算思维；所谓视野就是将计算机发展应用的最新成果引入课堂开阔学生的视野，这是一些还没有进入教科书但却是最新的实时成果，这些成果可以让同学们迅速的了解计算机信息技术及其应用的最新发展前沿或方向，了解跨学科跨专业在创新中的重要性；所谓“能力”就是要提高创新能力、动手能力、使用有效的方法实现所想。在这个过程中，思维训练是一个潜移默化的过程，思维培养要以知识和能力培养为载体，而能力的培养也要置于思维培养的引领之下，并随着对思维的理解而提高。

2.2 通过计算思维推动非计算机学科人才的复合性跨学科创新

通过对课程学生的后期跟踪和调查反馈，计算思维课程对他们在二年级之后的专业课学习起到了积极的作用。一些学生谈到，在具体专业学习中，计算思维课程中所训练的思路和方法对学习很有帮助，他们更多的学到了认识和解决问题的方法。在遇到具体问题时，不再拘泥于使用现成的技术手段，而是能够从科学的思维方式角度来寻求解决问题的方案。这也正是课程重要的教学目的。正如2013年诺贝尔化学奖颁发给了“用电脑来揭开复杂的化学过程”的3位美国科学家，而早在2000年首届国家最高科学技术奖就颁发给了“利用计算机解决数学证明问题”（数学机械化）的吴文俊先生。计算思维在对推动非计算机学科人才的复合性跨学科创新和发展中，起到了积极和重要的作用。

2.3 积极开展以计算思维为核心的大学计算机基础教学改革

课程组2012年秋季学期对2012级新生做过一个问卷调查，大部分学生在中学阶段学习过“计算机信息技术”类的课程，内容基本是：计算机系统简介、Windows基本操作、网络应用初步、Office软件，少数学生学习过Flash。对照目前各大学计算机基础教育普遍开设的“1+X”的课程，有许多内容是重叠的。中学计算机信息技术课程的扩展和深入，正在加速推动大学计算机基础课程改革加快步伐。

以计算思维为核心的大学计算机基础教学改革是在新形势下提高计算机基础教学的质量的重要内容。［5］大学计算机基础教育首先应该改变学生对计算机“应用工具论”的狭隘认识，培养利用计算机信息技术来进行创造和创新的“技术素养”。大学计算机基础教育要将计算机作为“创造性工具”，不必停留在介绍计算机学科本身，而从更高的角度发现其基本的学科思想在各个学科中的关键应用。这将在大学生知识、能力和素质的培养过程中起到重要的作用。

3 结束语

思维培养是长期的过程，仅通过一两门课程还是远远不够的。因此，真正意义上的计算思维培养还要需要从教育体系的全方位实施。

［1］ Jeannette M. Wing. Computational Thinking ［J］. Communications of the ACM. 2006， 49（3）： 33-35.

［2］ 夏欣.通识教育与创新精神：全国政协副主席钱伟长谈教育［N］.光明日报，2002-03-12.

［3］ “终身幼儿园”：学习是一个创造的过程［EB/OL］.http：//mooc. guokr.com/post/610571/.

［4］ Tim Bell.不插电的计算机科学［M］.孙俊峰，杨帆译.武汉：华中科技大学出版社，2010.

［5］ 何钦铭.大学计算机基础教学改革的困惑与跃升［J］.中国计算机学会通讯，2012（10）：49-53.

Construction and Refection of Computational Thinking General Course

Wu Yaxin， Chen Zhangjin
Computer Center， Shanghai University， Shanghai， 200444， China

Computational thinking is a thinking mode that should be mastered for all specialties in colleges and universities. Based on the construction and practice of ‘Computational Thinking' general course in Shanghai University since 2012， this paper discusses the concept，teaching system， course content and teaching methods of the course. Furthermore， the reflections on the course design thoughts， ability training of computational thinking and reform of the basic computer education are given.

computational thinking； general course； information literacy； course design

2015-06-08

吴亚馨，本科，副教授。陈章进，博士，教授，中心主任。

上海市教育科学研究项目“基于计算思维和中国计算文化的计算机基础教学资源研究”（编号：B12024）。