计算思维与大学计算机基础教育(2)

　　根据以上报告的建议，2007年美国科学基金会（NSF）启动了“大学计算教育振兴的途径”（CISEPathwaysto

　　RevitalizedUndergraduateComputingEducation，CPATH）计划，投入巨资进行美国计算教育的改革。

　　经过2007年和2008年的资助和项目实践，“大学计算教育振兴的途径”（CPATH）计划相关工作者认识到计算思维（ComputationalThinking，CT）在计划中所起的重要作用，对在2009年申报的项目提出了更为具体的以计算思维为核心的课程改革[4]。“大学计算教育振兴的途径”（CPATH）计划启动后，不仅引起美国教育界的关注，也引起美国科学界的关注。2008年，美国科学基金会（NSF）还启动了一个涉及所有学科的、以计算思维为核心的重大基础研究计划“计算使能的科学发现与技术创新”（Cyber-EnableDiscoveryandInnovation，CDI），进一步将计算思维的培育扩展到美国的各个研究领域[5]。

　　以上3个事件，可以联系在一起看待。致美国总统的报告（《计算科学：确保美国竞争力》）开篇介绍道，大约在半个世纪前，前苏联成功地发射了世界第一颗人造卫星，它撼动了美国在政治与科技上的领导地位，促使美国在科学、工程和技术领域进行全面的改革。报告认为，如今美国又一次面临着挑战，这一次的挑战比以往来得更加广泛、复杂，也更具长期性。

　　报告认为，美国还没有认识到计算科学在社会科学、生物医学、工程研究、国家安全以及工业改革中的中心位置。报告认为，这种认识不足将危及美国的科学领先地位、经济竞争力以及国家安全。报告建议，应将计算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位。

　　回顾历史，1957年前苏联成功地发射了第一颗人造地球卫星，对美国产生了巨大的冲击。美国人是怎么做的呢？他们将改革美国科技的力量放在教育上，投入巨资对美国课程的教学内容和教学方法进行改革，才有了今天世界科学、工程和技术领域上的领先地位。今天，美国将这次以计算科学为中心的教学改革与半个世纪前的那场科技与教育的变革相提并论，值得我们高度重视。致总统的报告不到半年的时间，美国科学基金会就将美国计算教育与研究领域，甚至是其他有关领域的专家召集在一起，分4个大区召开研讨会，检讨计算教育出现的问题，给出了4份相应的研究报告。“大学计算教育振兴的途径”（CPATH）计划，甚至“计算使能的科学发现与技术创新”（CDI）计划，都可以认为是这些报告的产物，其源头是致美国百分比（%）总统的报告。“计算思维”是报告实施过程中的一个重要成果，也是一个必然的结果，科技的竞争最终是有智慧的人才的竞争。

　　四、科学与科学思维

　　科学指的是反映现实世界各种现象的本质和规律的分科的知识体系。科学思维（简称思维）一般指的是理性认识及其过程，也即经过感性阶段获得的大量材料，通过整理和改造，形成概念、判断和推理，以反映事物的本质和规律。

　　科学思维主要分为理论思维、实验思维和计算思维三大类。一般认为，理论、实验和计算是推动人类文明进步和科技发展的三大支柱。这种认知不仅被科学文献广泛引用，而且还通过了美国国会的听证，以及美国联邦政府和私人企业报告的认同。

　　理论源于数学，理论思维支撑着所有的学科领域。

　　正如数学一样，定义是理论思维的灵魂，定理和证明则是它的精髓。公理化方法是最重要的理论思维方法，科学界一般认为，公理化方法是世界科学技术革命推动的源头。用公理化方法构建的理论体系称为公理系统，如欧氏几何。

　　实验思维的先驱应当首推意大利著名的物理学家、天文学家和数学家伽利略，他开创了以实验为基础具有严密逻辑理论体系的近代科学，被人们誉为“近代科学之父”。爱因斯坦为之评论说：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”

　　一般来说，伽利略的实验思维方法可以分为以下三个步骤：

　　1．先提取从现象中获得的直观认识的主要部分，用最简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；

　　2．再由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系；

　　3．然后通过实验证实这种数量关系。

　　与理论思维不同，实验思维往往需要借助于某些特定的设备（科学工具），并用它们来获取数据以供以后的分析。例如，伽利略就不仅设计和演示了许多实验，而且还亲自研制出不少先进的实验仪器，如温度计、望远镜、显微镜等。

　　以实验为基础的学科有物理、化学、地学、天文学、生物学、医学、农业科学、冶金、机械，以及由此派生的众多学科。

　　以上介绍了理论思维与实验思维的基本概念。下一部分，介绍与本文关系最为密切的计算思维。

　　五、计算思维

　　国际上广泛认同的计算思维定义来自周以真（JeannetteWing）教授。周教授认为，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，以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[7]。

　　计算思维的本质是抽象和自动化。如同所有人都具备“读、写、算”（简称3R）能力一样，计算思维是必须具备的思维能力。为便于理解，在给出计算思维清晰定义的同时，周以真教授还对计算思维进行了更细致的阐述：

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