導語： 先秦著名思想家孔子最早提出了學思結合的觀點“學而不思則罔，思而不學則殆”。歡迎閱讀原文！
一般意義上講，教育一直主張“學思結合”，追求兩極之間的平衡。然而，在實踐中，學習與思考又存在張力，存在各種各樣的矛盾、沖突和糾葛。創(chuàng)新是大學教育的宗旨，也是大學發(fā)展的靈魂，創(chuàng)新和實踐是社會發(fā)展的原動力，創(chuàng)新才有發(fā)展，實踐才能出真知。創(chuàng)新教育需要科學思維方式的指導，復合型的知識結構、科學的思維方式以及勇于探索的精神是高素質創(chuàng)新人才的基本素質。
從古代的算盤到近代的計算機，甚至目前的互聯網和云計算，計算思維無處不在。2010年的首屆“九校聯盟計算機基礎課程研討會”將培養(yǎng)學生的“計算思維”能力作為計算機基礎教學中的關鍵內容[1]�！队嬎銠C科學的變革》中提出了計算思維是計算機科學中具有基礎性和長期性的思想[2]。2011年，陳國良院士分析了教學中存在的問題，指出了“狹義工具論”的危害[3]�！墩撚嬎闼季S》一文指出學科交叉創(chuàng)新的一條根本路徑是計算思維創(chuàng)新[4]。因此，大學生的計算思維素養(yǎng)有利于培養(yǎng)其發(fā)明和創(chuàng)新能力及其思維方法、表達形式和行為習慣，同時大學生學會用計算思維去思考問題和解決問題，對提升計算機教育水平、提高科研能力和培養(yǎng)卓越人才具有重要的意義。
根據高德納（Knuth）在《The Art of Computer Programming》文中的觀點，算法和計算機程序概念的產生為我們提供了一塊試金石，用以考察對每一門學科理解的深度。算法思想就是指按照一定的步驟，一步一步去解決某個問題的程序化思想。然而，過分強調算法思想導致了“簡單、機械工具論”的錯誤觀點，許多人認為教授計算機基礎知識的主要動機是提高人們使用計算機設備的技能，甚至有些人質疑計算機科學是否能夠稱之為真正的科學，計算機教育及就業(yè)面臨前所未有的危機。面對質疑，教育工作者有必要重新思考教學模式的改革，進而引發(fā)了以下問題的探索：計算機教育的核心價值是什么？如何培養(yǎng)科學的思維能力？如何運用科學思維分析和解決問題？
一、計算思維的本質
1936年圖靈（Alan Turing）的經典文章《On Comput- able Numbers，with an application to the EntschEidungspro-
blem》界定了可計算函數。圖靈的分析為理解古代計算技術提供了一種獨到而深刻的見解，計算的概念遠不止于算數和代數計算，其更多的是可以指一種處理事物的規(guī)則。計算機的出現催生了智能化的思維方式，借助判斷和推理反映客觀現實的理性認識過程的邏輯思維、具備抽象化和自動化特征的計算思維和以觀察和歸納自然規(guī)律為特征的實證思維一起構成了人類的三大科學思維方式。目前，計算思維是什么？它有什么作用？對大學教育有多大的影響？研究者對這些問題的看法存在分歧，有些問題還需要進一步商榷。
（一） 計算思維概念的內涵
計算思維是一種新穎的思維方式，有助于培養(yǎng)人們的抽象思維和邏輯思維以及解決問題的能力。Jeannette Wing認為計算思維貫穿于所有學科并被廣泛應用，并且在計算機權威雜志《Communication of the ACM》上發(fā)表文章定義了計算思維（Computational Thinking）[5]。李廉教授認為計算思維具有形式化、程序化和機械化特征，有限性、確定性和機械性標志使計算思維區(qū)別于實證思維和邏輯思維[6]。理查德·卡普（Richard M. Karp）教授提出的“計算透鏡”（Computational Lens）理念，將計算作為一種通用的思維方式，通過這種廣義的計算來描述各類自然過程和社會過程，從而解決各個學科的問題。
計算思維的概念在細節(jié)方面還存在著不同的見解，許多研究者對計算思維進行深入分析，得出大量新的認識。丹寧（Denning）指出計算思維不是一個新事物，它一直蘊涵在許多學科中。但是，我們可以從全新的角度審視計算思維的概念。計算思維糾正了計算機科學等同于計算機編程，但是，我們不能狹義地認為計算思維等于計算機科學。許多人特別關注計算思維驅動下能否深層次地解決問題，特別在數學基礎不強的領域。
（二）計算思維的特征
1.概念化而不是程序化。面對大的、難以解決的問題，應用計算思維簡化、分解的方法將其變成小的、容易的問題去解決。它意味著計算機編程不代表全部的計算機科學，需要分層次、多角度思考。
2.根本的、能夠靈活運用的技能。計算思維不是刻板的或簡單的機械重復，它允許問題可以通過計算機來解決。計算思維是每個知識領域的學生必須掌握的基本技能。
3.人的思維而不是計算機的思維。通過計算思維解決問題包含規(guī)則的方法描述問題，以便于計算機處理。因此，計算思維不是問題的簡單約簡，也不是簡單地模擬計算機處理進程。計算思維有助于問題的求解，同時不需要人類像計算機一樣去思考。
4.數學和工程思維的互補與融合。計算科學貫穿于自然科學、工程學和數學的發(fā)展歷程，計算機啟發(fā)式軟件及模型的設計和開發(fā)明顯屬于工程學范疇，同時基于數學的符號化表示是算法復雜度和數字分析的基礎。
5.人類的思想而不是人造物。計算思維不是開發(fā)軟件和生產硬件的途徑，它是日常生活中解決問題的基礎性概念。
6.面向所有的人和物。計算思維是普遍存在的，能夠被任何人在任何場合使用。
二、大學生計算思維能力的培養(yǎng)策略
計算思維的培養(yǎng)是培養(yǎng)學生面向學科的思維能力，使學生領會學科的力量和從事本學科的價值所在，能夠以類似于數學的嚴謹方式將學生引入計算科學各個富有挑戰(zhàn)性的領域之中。計算思維意識、方法和能力三個方面構成其基本內容。計算思維的培養(yǎng)是潛意識思維到有意識思維的轉換過程。
（一）計算思維意識的形成
計算思維意識是內在的，而不是外在的，是每個人都具備的基本技能，不僅僅屬于計算機科學家。計算思維的正確使用能夠潛移默化地促進無意識的計算思維向有意識的計算思維發(fā)展，逐漸培養(yǎng)出計算思維的能力，并能夠主動應用到具體問題中。計算思維意識是思維過程的計算模擬，其核心是讓計算具有思維特征。計算思維意識的形成是通過對人腦思維規(guī)律的認識和分析，建立與人腦思維模式相近的計算方法。計算方法在實踐中的應用促進我們對思維規(guī)律的重新認識。對人腦思維規(guī)律認識得越深刻，計算方法也越有效。如我們能夠清楚地識別自己的家人和朋友的過程是潛意識完成的，我們很難解釋是如何做到的，沒有意識到我們所具備的這種技能。但是，研究表明通過提取某個人臉部圖像的多個采樣，計算機程序可以計算出一些個人特有的模式，這些特征方便了圖像的識別和區(qū)分。無論人還是計算機完成這項工作都經歷計算的過程，只不過人們沒有認識到而已。
（二）計算思維方法的訓練
由于計算機的發(fā)展極大地促進了構造思維的研究和應用，所以在計算機科學的研究和工程應用中計算思維近似等同于構造思維。構造性思維體現了數學中發(fā)現、類比、化歸的思想，構造法滲透著猜想、試驗、概括等數學方法，是富有創(chuàng)造性的一種方法。根據Jeannette Wing等人的定義，計算思維通常采用化歸思想，即當我們面對一個新問題時，通過分析、不斷地轉化和轉換，得到本質相同且抽象的、簡單的一個問題，將初始復雜的問題化歸為理想化的簡單模型予以解決。
計算思維方法符合奧卡姆剃刀（Occam’s Razor）定律“如無必要，勿增實體”，奧卡姆剃刀以結果為導向，始終追尋高效簡潔的方法。許多科學家都表示自然規(guī)律是簡單的，科學尋找的就是對自然界的經濟和吝嗇的表示。牛頓提出的一個原則：如果某一原因既真又足以解釋自然事物的特性，則我們不應當接受比這更多的原因。愛因斯坦的一句著名的格言：萬事萬物應該都應盡可能簡潔，但不能過于簡單。這些理論啟示我們在處理事情時，要把握事情的本質，解決最根本的問題。尤其要順應自然，不要把事情人為地復雜化，這樣才能把事情處理好。如果將這些理念與中國儒家的《中庸》思想結合起來，那么會使我們的行為更趨于完美。
（三）計算思維能力的提升
計算思維能力是邏輯分析能力、抽象思維能力和形式化描述能力，其核心是如何讓思維具有計算特征。計算機基礎教學應該培養(yǎng)學生三種基于計算思維的能力：認知能力、學習能力和決策能力。認知能力是對計算環(huán)境的感知能力。認知是一組活動，包括感覺、知覺、記憶、思維、判斷、學習、決策、行動等等。認知是以感知為基礎對外部環(huán)境和自身狀態(tài)進行記憶、推理、學習的一個反饋過程。計算機的認知能力是具有判斷和選擇計算工具與方法的能力。大學計算機基礎、計算機導論等基礎課程應該從培養(yǎng)學生科學認知能力出發(fā)，強調思維的訓練而不是具體實現。
學習能力指熟練掌握與運用計算機理論，有效地獲取、分析、評價和吸收知識的能力。計算機教學培養(yǎng)目標的實現不能僅僅依靠課堂上的學習，而是需要不斷開展教學方法和手段的改革，鼓勵自主學習、探索式學習和強化團隊合作、實踐教學。
決策能力是在有意識的科學思維指導下，合理、正確地求解問題的能力�；谟嬎闼季S決策能力體現在以下方面：給定一個問題，能夠理解其哪些方面是可以計算的；能夠對需要解決的問題選擇合適的表述方式，或者是建立合適的數學模型，使問題變得易于處理；能夠對計算工具或技術與需要解決的問題之間的匹配程度進行評估，能夠理解解決這個問題有多么困難，怎樣才是最佳的解決方法，能夠在任何領域應用諸如分而治之等計算策略。
三、大學計算機基礎課程結構改革的路徑
大學計算機基礎課程是根據教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會提出的“1+X”課程設置方案開設的第一門計算機基礎課程。由于缺乏先進的思維理念的指導，許多學校的第一門計算機基礎課程的設計和教學出現了問題：
（1）大量教材的內容是計算機專業(yè)課
程的簡介內容，缺乏計算機基礎知識闡述的系統性和連貫性，違背了培養(yǎng)學生科學認知能力的基本規(guī)律。
�。�2）傳統的教學模式，對課程中的很多概念、命令、人機交互的內容，在課堂上教師很難講解，講授知識局限在講、寫，表達形式單一，學生感到抽象、枯燥無味，得不到感性的認識，不能有效地調動學生的積極性，嚴重影響教學質量。
�。�3）過分地強調在實踐中創(chuàng)新，致使學生參加課外科技活動的人數呈逐年上升趨勢，但是活動多是以各類競賽為中心，片面追求成績。多數學生創(chuàng)新的產品是在短期內突擊完成的，研究浮于表面，無法深入開展，對項目研究和能力的培養(yǎng)都是不利的。
本文探討的基于計算思維的大學計算機基礎教學，大學計算機基礎課程內容可分為科學思維、計算理論和計算機基礎理論三個部分。
（一） 科學思維
計算思維是一種科學思維，與邏輯思維和實證思維一起構成了人類的三大思維方式。理論分析可以形式化待解決的問題，實驗驗證具體解決了問題，問題解決過程中一直伴隨著計算。計算機模擬起到了理論與實驗相結合的紐帶作用。計算思維既不是純
粹數學式的抽象思維，也不是計算機式的機械思維，計算思維是可實現的思維，思維的每一環(huán)節(jié)需要理論思維的指導，基礎理論貫穿于整個思維過程，而且思維結果是可以實驗驗證的。本部分的核心思想是從培養(yǎng)學生的科學認知能力出發(fā)，讓學生了解學科發(fā)展，讓學生理解計算科學和計算機科學的內涵；認知計算思維的主要研究內容、主要特征對其他學科的影響。
（二）計算理論
計算理論的內容主要包括兩個方面：第一個方面是研究可計算性（computability）理論，即研究哪些問題是可以計算的，哪些問題是不可以計算的；另一方面是研究計算復雜性（computational complexity），計算復雜性理論的學習有利于學生正確認識計算機本身固有的計算能力和計算范圍的局限性，有助于培養(yǎng)學生對科學的認知態(tài)度，消除一些錯誤的觀念。本部分對馮·諾依曼結構和圖靈機模型進行簡明扼要地闡述，展示計算之美。讓學生了解以“合理抽象、高效實現”為特征的構造過程。
（三）計算機基礎理論
本部分采用問題驅動式的教學方法，從計算思維的角度來講解計算機基礎概念和原理知識，從而培養(yǎng)計算思維意識，鍛煉計算思維能力。例如：網絡編程類問題作為問題求解的實例，如圖1所示。初學者不需要融會貫通地理解深奧的原理和記憶復雜的符號。他們僅需要學會如何分析問題求解的邏輯關系、準確清晰地描述問題。具體的實現由后續(xù)課程來完成。
四、展望
信息時代中，計算思維普遍存在于人們的職業(yè)生涯和日常生活中。計算思維是指導計算機技術發(fā)展的科學思維，但是，合理地將其引入大學計算機基礎課程中是挑戰(zhàn)性問題。對于計算機專業(yè)的學生，主要問題不在于思考如何計算，而是通曉課程的本質，如何形式化描述這些計算，這樣的描述如何在馮·諾伊曼結構機器上執(zhí)行。對非計算機專業(yè)的學生，計算思維的培養(yǎng)有利于他們充分了解計算機的用途和局限性。本文從計算思維的本質、培養(yǎng)兩個方面進行了闡述，并且結合大學計算機基礎教學的現狀提出了新的課程建設方案。將“計算思維”引入計算機基礎教學中，是教學改革的新挑戰(zhàn)，更是新機遇。我們應當加強計算思維意識的培養(yǎng)，增強運用計算思維的能力，使計算思維成為當代大學生的基本技能。
計算思維的研究方興未艾，還有許多方面值得進一步探討：
�。�1）多學科交叉的研究中，如何提煉共性問題，使用計算思維思想加以解決；
�。�2）分析創(chuàng)新思維和計算思維的辯證關系，探討如何利用計算思維加速科學技術的創(chuàng)新；
�。�3）計算思維不能僅限于理論概念的闡述，而是真正應用到實踐中，衍生出新技術和新方法。