基于计算思维的地理学研究生创新能力评价框架

黄小兰， 叶长盛， 刘剑宇， 黄景碧， 昌 娜

(1.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013；2.江西师范大学 地理与环境学院，江西 南昌 330022；3.江西师范大学 新闻与传播学院， 江西 南昌 330022)

1 研究背景与意义

我国地理学研究生教育已有数十年的发展历程，2005年，教育部提出了加强研究生创新能力培养的若干意见[1]，对如何紧扣当前时代背景，构建地理学研究生创新能力评价框架，具有重要的现实指导意义。学界认为，人类生产力的发展大体经历了采集狩猎时代、农业时代、工业时代以及当前的计算时代[2，3]。计算时代也常称为信息计算时代、信息时代、数字化时代、网络时代、大数据时代、物联网时代、人工智能时代。那么，拓展到地理学科，计算思维无疑就是当前计算时代非常需求的地理思维之一。为此，本研究基于计算思维的视角，拟研究构建地理学研究生的创新能力评价框架。这与国内外日益重视计算思维的学科融合[4，5]、各种学科的计算教育学研究日渐增多[6-8]相一致。

2 研究现状分析

2.1 计算思维研究现状分析

2006年，Wing Jeannette M正式提出了“计算思维”，2008年，他进一步界定了“计算思维”的“自动化”“抽象”“迭代”三个本质特征，提出了“计算思维的6个判定基础”：(1)是人的思维，而非计算机的思维(或者说，是人思维与计算机思维的互相隐喻)；(2)是概念化，而非程序化；(3)是人的技能，而非机械的技能；(4)是数学思维与工程思维等思维的融合，而非纯数学思维；(5)是思想，而非人造物；(6)是面向所有领域的思维，而非只是面向计算机领域的思维[9]。

“计算思维”正式提出之后，概念、理论不断被深化研究[10，11]。目前，较为统一的、标准化发展的、政策性的计算思维定义，是计算机科学教师协会CSTA 2011年提出的定义“计算思维是一种解决问题的方法论，它将计算机科学与所有学科交织在一起，计算方式的分析并解决人类的各种问题”[12]。

上述计算思维的观点，体现了学术界的一个思考：迅猛发展的计算机科学技术，不应该只局限于计算机CPU自动化计算，而应该映射、延伸到人类人脑思辨计算，进而发展成为通用于各种学科领域的方法论的计算思维体系。如果发展于地理学科领域，可将为图1所示地理计算思维层次迭代细化。

图1 地理学科计算思维的层次

图1所示地理计算思维三个层次中：“计算机自动化层次的计算思维”这一层次的研究发展迅猛[13]；“人类人脑思辨层次的计算思维”这一层次的研究日渐增多；“应用于地理学科的地理计算思维”这一层次的研究较少(这可能是由于本层次的跨学科性、模糊性、非直接经济效益性等原因所致)。本研究主要探究这一层次，即研究地理学科领域的地理计算思维，及其在地理学研究生创新能力评价的应用。

2.2 地理学研究生创新能力评价研究现状分析

创新一般定义为一种“新思想、新装置或新方法，即一种更好的解决方案，以满足新的有意义的需求”。若从宏观与微观的视角探究，本文认为：一方面，创新可以从微观向宏观迭代抽象出规律(此规律从而可以用来指导众多的具体应用)，也即理论创新，或上述的思想创新、方法创新；另一方面，创新也可以是从宏观向微观迭代出具体应用(此应用可以更有效地满足实践需求)，也即实践创新，或上述的装置创新、解决方案创新。若进一步从创新与继承的视角探究：(1)创新必须是在继承前人现有成果的基础之上，也即必须全面了解研究现状，在研究现状之上有意义地标新立异；(2)在前人现有成果的基础之上，又必须形成更好的解决方案，也即必须或多或少地产生研究结果，研究结果必须经得起与研究现状的比较，而且比研究现状更加优化。

创新能力一般理解为创新的潜能，如果将人类的各种能力分级的话，那么创新能力是各种能力中的高级别能力。国内外学者从各自不同的视角对创新能力的特点及所包含的要素等内容进行了深入、系统的研究。张武升指出，创新能力受智力因素和非智力因素的双重影响，不能仅将其作为智力品质，还要涵盖性格特征和精神状态等多个方面[14]22-26。陈若松认为，一个人的创新能力由思维能力、人格化能力及智力化能力构成。其中，“智力化能力”是基础，“思维能力”是开展创新活动的关键，“人格化能力”则是创新的动力和方向[15]。谢光前认为，创新能力是驾驭知识生产过程的能力[16]。基于这些研究观点可发现，创新能力虽然是面向创新的潜能，但因为创新能力是各种能力中的高级别能力，所以本质上还是从基础能力抽象而来的，从基础能力入手探究创新能力是可取的。本研究将聚焦上述观点中的“思维能力是开展创新活动的关键”，基于当前计算时代的计算思维能力，探究创新能力。

创新能力评价方面，国内外学者已有相关研究成果[17-19]。孙彩云提出了研究生个体的创新能力评价指标：创新素质、团队合作、风险控制、成果形成4个一级(19个二级)指标，选用主客观综合赋权法(组合赋权法)对各个评价要素赋予权重，然后通过实验研究检验反馈调整，确定评价体系[20]，定性、定量、软件系统开发紧密结合，系统地进行了创新能力评价体系的研究，对创新能力评价具有实践方法论意义。本研究将秉承定性、定量、软件系统开发紧密结合的思路，同时更加强调系统观，基于当前计算时代的计算思维系统，推演创新能力框架及其评价框架。

地理学科研究生创新能力评价方面，刘波、程朋根等从社会对地理信息科学专业GIS人才能力的需求出发，从GIS学生数据采集处理能力、空间数据建模与分析能力、自主学习能力及科研创新能力等方面构建了指标体系[21，22]。李加林等学者指出，地理学研究生培养存在培养体系不健全、地理学思维和能力培养不到位等问题，需要坚持学科交叉的理念，与其他院系和研究院所合作办学，同时与社会学、经济学、统计学等专业学科联合设置专业选修课程，从而促进地理学学科融合[23]。许俐俐强调当今知识更新快速且丰富多样，地理学研究生需掌握计算机语言等多学科知识，在《自然地理学》的学习中培养学生的综合思维能力、空间思维能力[24]。因此，本研究在上述研究成果的基础上，基于计算思维能力探究创新能力，推演创新能力框架及其评价框架，进而扩展为地理学研究生创新能力及其评价框架。

3 研究结果与讨论

3.1 地理学科计算思维的迭代起点

地理学科计算思维，必须以地理学习者、地理学主角为本、从宏观到微观、从简单到复杂地构建。当前计算时代，“地理计算”默认为“地理计算互动系统”，在此抽象出地理学习者、地理学之间的计算互动，作为地理计算思维要素及其架构的迭代起点，如图2所示(注：除了地理学习者、地理学主角之外，可能还有其他配角的互动，可同样思路地迭代，但不属于本研究的核心范畴，所以在此不深入探讨)。

图2 地理学科计算思维要素及其架构的迭代起点

图2中地理学习者、地理学、计算互动三要素的粒度尚偏抽象，为此计算互动这一要素，将根据计算领域主流的、经受了实践检验的MVC架构进一步迭代，迭代为模型M(内容方法)、视图V/媒体M、控制C/互动I三要素，将细化为图3所示。

图3 地理学科计算思维要素及其架构的迭代粒度之一

图3若进一步迭代细化为图4所示，此时，已较接近实践所需的粒度，又便于整体表述，所以是地理计算思维架构的较理想的迭代粒度，可称为“地理计算思维架构的理想迭代起点”。地理计算思维的架构都建议以此作为相对起点进一步迭代，而无须从图2所示的绝对起点迭代。

图4所示地理计算思维架构变换为语言描述是“地理计算思维是地理学习者与地理学之间，地理模型M(地理内容方法)通过视图V(媒体M)进行互动I(控制C)的迭代。以此为起点，迭代到实践所需的对象及其关系，并运用语言及其算法描述，甚至最终转化为隐喻人脑的计算机CPU的二进制数码序列而自动化计算(同时注重无机与有机、物性与人性、硬件与软件、物质与意识的统一)，从而正确认识与改造地理世界。宏观地说，地理计算思维是一种解决地理学科问题的方法论，它将计算机科学与地理学科交织在一起，计算方式地分析并解决各种地理问题。可见，图4所示地理计算思维架构，吻合前述的CSTA 2011计算思维定义，但又向微观层次进一步迭代细化，形成贯穿宏观与微观的、可用来解决地理问题的思维体系框架。

图4各要素不断迭代，并运用语言及其算法描述，甚至最终转化为隐喻人脑的计算机CPU的二进制序列而自动化计算。

一是“地理学习者”“地理学”两要素，分别从软件、硬件的思路，迭代为地理软素质、地理硬素质。并可根据实际需求迭代细化，形成地理学习的主角体系。

二是“地理模型M(内容、方法)”这一要素进一步迭代为地理数据采集、地理信息分析、地理规律挖掘、地理情感交流、地理哲思建构五层次。并可根据实际需求迭代细化，形成地理学习的内容方法体系[25，26]。

三是“视图V/媒体M”这一要素，又以人的五种感觉器官为本，迭代为视媒(文本、图像、视频、2D、3D)、听媒(波形音频、MIDI器乐)、嗅媒、触媒、味媒。并可根据实际需求迭代细化，形成地理学习的媒体体系。例如，视媒中的2D迭代细化为地理中的2D地图，3D迭代细化为地理中的3D地图，等等。其中视图V，即媒体M中的视觉媒体。因为计算机媒体技术当前主要长于视觉媒体、听觉媒体；而在触觉媒体、嗅觉媒体、味觉媒体领域尚不太擅长，所以当前计算领域，往往使用视图V这一术语表述媒体M，也常称为计算的可视化。

图4 地理学科计算思维要素及其架构的理想迭代起点

四是“控制C/互动I”这一要素，迭代为一对多近程、一对多远程、一对一近程、一对一远程。并可根据实际需求迭代细化，形成地理学习的互动体系。其中控制C常用于机器领域，强调强制性、少情感性；互动I常用于人类领域，强调互相交流沟通性、多情感性。

3.2 地理学科计算思维与现有地理思维的兼容性分析

图4所示地理学科计算思维要素及其架构，与当前地理分为自然地理、人文地理然后不断迭代细化的框架非常吻合。此外，因为地理信息系统GIS本质上也是计算机科技与地理学的交叉学科领域，所以地理信息系统GIS与自然地理、人文地理迭代细化的框架自然也是吻合的，如图5所示。

3.3 计算思维视角的地理学研究生创新能力评价框架

基于现有研究成果所认同的“思维能力是开展创新活动的关键”这一观点，可以根据图4所示的地理学科计算思维架构的“地理模型M(内容、方法)”这一要素作为主导(其他要素作为辅助)，推导地理研究生创新评价框架的迭代起点如表1所示(注：因为是基本框架，所以在此各要素选用了平均权重作为示例。实际的要素权重是随研究生对象而动态变化的，必须基于具体的研究生对象进行问卷调查，然后统计分析获得具体的权重。并且可以提交主管部门审批，逐步发展为权重标准。此将在后续研究中迭代深入)。

图5 地理学科计算思维与现有地理思维的兼容性

表1 地理学研究生创新能力评价框架的迭代起点(权重平均分配为例)：地理计算思维的视角

基于表1，结合我国研究生培养政策、现有课程体系，进一步迭代为比较理想的粒度如表2所示(权重平均分配作为示例)，并可根据实际需求，迭代至实践所需的粒度。

3.4 地理学研究生创新能力评价框架与现有框架的兼容性分析

表2所示地理学研究生创新能力评价框架，与现有评价体系的兼容性分析如下。

表2 地理学研究生创新能力评价框架的理想迭代起点

(1)表2所示框架，基于现有研究成果“思维能力是开展创新活动的关键”的观点，紧扣当前计算时代的计算思维，从基础开始挖掘创新能力的评价要素，然后不断迭代，有望兼容各种创新能力定义。例如，框架中“规律挖掘层次能力、情感交流层次能力”，不仅与现有“智力能力与非智力能力”相兼容，其与现有“思维能力、人格化能力及智力化能力”中的智力能力、人格化能力也是相兼容的，更重要的是其与当前计算时代的大数据科技、人工智能科技、科技与人文结合的思想相吻合。

(2)表2所示框架，秉承定性、定量紧密结合的思路，但又更加强调系统观，基于当前计算时代的计算思维系统，迭代推演，逻辑主线清晰。而且与当前计算时代的软件技术紧密结合，便于映射为相应的软件系统开发，从而支持相关领域可持续研究。

4 研究小结与展望

当前计算时代急需基于计算思维视角的地理学研究生创新能力评体系，但是相关领域的研究不多。文章构建了地理学科计算思维框架，并将此框架应用于地理学研究生创新能力评价中，文中构建的地理学研究生创新能力评价框架，可与其他学者的评价框架互为补充，提升评价的时代性、有效性。