简计算机教学的计算思维教育理念

摘 要：针对计算学科在跨学科领域的教学问题,分析计算学科的本质、现状及其在跨学科方面的应用,结合参加国内首次跨学科计算思维的学术活动的心得体会,阐述计算学科在跨学科计算思维方面的内容、思路与方法.

关 键 词：计算学科；跨学科；计算思维；创新思维能力；计算机教育

文章编号：1672-5913（2012）01-0014-04

中图分类号：G642

2012年7月22-28日,北京大学李晓明教授主持了面向全国师资的一次传播跨学科计算思维的课程培训活动.跨学科教育是社会发展的需要,是高效率人才培养的需要,计算思维是在课程整合和专业调整之上的一个更前卫的全新理念.跨学科教育、计算思维是继计算学科规范发展、专业内涵建设、突出专业特色办学后又一提升教育质量的突破点.

1计算学科的本质

计算学科诞生于20世纪40年代初,它作为现代技术的标志,已成为世界各国经济增长的主要动力,是现代科学体系的主要基石之一,计算机科学、量子力学、相对论、宇宙大爆炸模型、DNA双螺旋结构、板块构造理论等六大科学一起确立了现代科学体系的基本结构.

计算学科作为一门新兴学科,以数学和电子科学为基础,将理论和实践相结合.学科发展的动力来自于科学理论和工程技术发展的驱动,具有自身发展的深度和广度,尤其是应用需求的牵引推动了学科持续高速的发展,并且具有很强的开放性、包容性和吸纳性,其应用广泛普及且与其他学科相互渗透,呈现多学科的交叉和融合,跨学科、跨方向的创新与应用形成计算学科发展的新形态,同时还具有促进其他学科发展的作用.作为一门独立的学科,计算机技术不但与数理化天地生等平行,而且逐渐演变成一种横向的科学技术,并已经成为如数学一样的典型通用技术,兼具理科和工科的双重特性.而从20世纪80年始,面对集成电路芯片设计的特约和深入研究所遇到的问题,人们开始认识到学科需要走向深化和普适化.

1.1计算学科的问题与要求

目前计算机的教育和应用存在一些严重的问题,如把计算机简单地作为工具使用的“狭义工具论”,或持“计算机就是编程”的错误认识.对计算学科认识的淡化,不利于对计算机科学的核心思想与基础概念的掌握,无法体验计算的愉悦.从工具使用到初步编程、从零碎的知识掌握到系统级内涵式设计、从跟踪模仿到计算思维的养成,这些积累和应用能很好地激发学生的创新能力和独立思考能力.将计算思维转变成一种普适思维,即一切皆可计算,从物理世界模拟到人类社会模拟,再到智能活动,都是计算的某种形式,包括形式化、模型化描述和抽象思维与逻辑思维能力.

计算学科的能力除了交流、获取知识、分析信息等基本能力,还包括程序设计与实现能力,算法设计与分析能力,系统分析、开发与应用能力以及计算思维能力.计算学科不但强调信息的获取、存储、处理等,更强调与人类社会、健康、艺术、生物、能源、材料等领域的联系.计算学科作为一门独立学科的同时,也是一种典型的通用技术,并与各种学科建立广泛的横向关系,形成技术的多样性、开放性和个性化特点.

1.2计算学科的机遇与发展

计算思维是当计算机、信息技术以及网络应用广泛渗入人类社会生产、生活的各个角落时,人类群体、高度互联关系与市场行为带来的效应机制下的一种思维,是一种普适化思维,属于每个人的基本技能.计算机的普及恰恰正向作用于计算思维的传播,正如印刷出版促进了3R（阅读、写作和算术）的传播一样.计算思维是概念化思维,不是程序化思维；是人的思维,不是计算机的思维；是数学和工程应用的思维,不是纯数学性的思维；是面向所有人的而不是仅仅属于计算机专家的思维；是面向强调一切皆可计算,如物理世界、人类社会、智能活动.计算思维体现计算学科的广度,在与其他学科进行交叉和融合时,很好地促进了相关学科的深入发展.

北京大学李晓明教授首次在全国范围传播的跨学科计算思维的课程培训活动,引起了较大的反响.培训内容以李晓明教授近年精心翻译的《网络、群体与市场》一书为主,这本书体现了计算科学与社会科学相互结合,该思想诞生于康奈尔大学,课程内容产生于康奈尔大学专题项目的讨论,已在麻省理工学院、密歇根州立大学、多伦多大学、西北大学、斯坦福大学、马里兰大学、南加州大学、卡尔顿大学、卡内基·梅隆大学等采用与传播.对李晓明教授在国内首倡的跨学科计算思维,大家抱有很高的期待,从年初就不断联系、酝酿和准备,最后来自全国35所高校的38位老师有幸参加了此次培训,地域涵盖东北、华北、华中、华东、西南、华南等地.在此次交流和培训中,学员们通过6天时间系统学习了《网络、群体与市场》这本500多页的书,并进行了广泛的探讨和交流,以期开出相关课程,或者将有关内容引入到计算概论之类的课程中去,或开展专题性讲座.

作为教育部“2012高等学校青年骨干教师高级研修班”的这些首次跨学科计算思维课程的学员,在“教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导委员会”、“中国计算机学会教育专委会”、“全国高等学校计算机教育研究会”三家机构联合发起的“跨学科课程培训班——网络、群体与市场”授权书上签名,如图1所示.来自全国“985”、“211”、“三本”、地方院校、军队院校的“自愿者”及具有计算学科精神的计算思维者领会了李晓明教授的跨学科计算思维的实质.李晓明教授用他的计算学科学识功底和教育的眼界与前瞻性,引领学员进入计算思维的殿堂.我们有责任在各自的工作岗位上普及和传播相关内容和思想,加入计算学科教育改革的行列中,“星星之火”必然燎原.

2跨学科活动介绍

2.1跨学科的培训内容

学员从图论研究的网络结构模型、博弈论关于个体行为的模型开始学习,讨论网络中的市场与策略性互动、信息网络、网络动力学下的社会人群效应和结构效应,以及引导网络和策略行为力量的制度设计并产生全局性结论和机制.通过一些例子、现象和原理,分析网络、行为和群体层次动力学问题,涉及对数学模型的提炼和推理,对模型定性的认识及其内涵的探究,这一深入探究过程借助网络观念建立一种用来研究社会动力学和经济行为学的相互作用、在线信息、设计技术和自然过程的方式,并体现从对象内部结构模式及丰富的反馈效应研究复杂系统的全新视角.培训内容跨度宽且富有内涵,以图论、概率论、网络行为、博弈论为基础,内容包括社会网络的分析、博弈论及网络应用、网络中的市场与策略互动、信息网络分析、网络动力学的总体模型与结构模型、制度与聚合行为,如图2所示.

从一些网络环境下的社会现象、经济现象、人类行为现象等人手,分析其内在本质,并给出数学的量化模型,求解并分析现象背后的实质,用计算的思路分析诸如物以类聚、博弈行为、军备竞赛、网络均衡、拍卖、清仓、排行榜、中间商、六度分隔、随大流、富者更富、、集体行为、打分、长尾营销等现象,从而引导和建立一定的计算思维能力.以李晓明教授系统地讲解为主,穿插部分学员的试讲和交流,围绕若干主题,包括图论、强弱联系、正负关系下的结构平衡、同质与归属、最佳应对、纳什均衡、混合策略、帕累托最优、动态博弈、进化博弈与稳定策略、进化稳定混合策略、布雷斯悖论、拍卖、市场匹配、相似度检测下的市场网络模型、议价、万维网领结结构、网页排名、商业搜索匹配市场、信息级联、网络效应、幂律与“长尾”、小世界现象、流行病学、市场与信息、表决与产权等,真正体验了跨学科计算思维的乐趣和真谛.

2.2跨学科学习的收获

通过学习跨学科计算思维,我们体会到要以计算的视角,运用图论、概率论、博弈论、网络等知识,科学分析各种网络环境下的市场与策略性互动、信息网络、网络动力学下的社会人群效应和结构效应,以及引导网络和策略行为力量的制度设计并产生全局性效果.尤其通过各种现象,如议价、拍卖、流行、表决、、集体行动、链接、清仓、流量等,构建模型分析各种关系和策略,揭示内在的效应机制,获得对问题或现象本质规律的认识.从日常交流和课程博客来看,大家在一周宝贵的学习时间里,对跨学科计算思维有了初步认识,参加此次培训的各位老师都表示启发很大、收获颇丰、不枉此行.

3结语

教育是最难的一件事,将以往“教科书导向的应试教育”转变为能够适应21世纪的知识与创造过程的“问题导向的跨学科教育”,是我们教育工作者应该深入研究的课题.问题导向的跨学科计算思维的教育具有前瞻性、先导性和探索性,它把计算学科从知识教育提升到创新思维能力培养,从计算学科的理论、抽象和设计拓展到真正的通识教育和跨学科教育,用科学的视角分析人类社会、经济行为、市场等,并巩固计算学科在现代教育领域的基础作用,促进了学科的创新型人才培养以及专业应用的拓宽与发展.

（编辑：彭远红）