二十一世纪_人们应该具有计算思维能力

第3期计算机教育
2011年2月10日Computer Education No.3 Feb.10,2011 30
二十一世纪，人们应该具有计算思维能力
全国高等学校计算机教育研究会理事长袁开榜/文
自1939年电子计算机问世以来，信息时代的发展突飞猛进，互联网技术已经把人们的各类信息编织成一个庞大的系统，现代人生活领域的各个方面已经离不开电子计算机了。

本人从事过我国第一代电子管计算机的研制工作，经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路、微米技术、纳米技术的演变，见证了一个几十吨重的庞然大物(电子管计算机)变成今天不到1千克的智能型触摸式平板电脑，计算速度更是由每秒几十次变为今天的近五千万亿次。

依个人之见，计算机依据用途可以分为三大类：第一类为高端技术应用，是科技工作者和大学计算机专业研究人员，通过不懈的研究创新，推出更新的科技成果产品；第二类是普通应用，人们把它作为一种高效率的工具，在工作和生活的各种应用环境中大量使用；第三类是玩具，在当今这个信息社会中，更为壮观的是全球的人都把计算机当做一个高级的智能玩具，用来娱乐、游戏。

研究高端科学技术的人们，不仅要懂得电子计算机是如何工作的，而且还要知道它是如何制造出来的，要了解它从一个几十吨重的庞然大物变成今天的笔记本电脑的演变过程；把它当工具使用的人，则只要了解电子计算机的基础知识，学会编制程序的方法，就能得心应手地开展自已应用领域的工作，没有必要去过问它是怎样造出来的；把电脑当作玩具者，则只要知道计算机的操作
命令就行了。

当然兴趣不一样，
玩的方法也就各有特色。

科技
产品、工具、玩具只是人们在
各自使用范围内对计算机的不
同理解，但它显现出来的本质
仍然是一台不折不扣的电子计
算机。

鉴于电子计算机与人们是
如此亲密无间，电子计算机也就必然从高端科技演变成为人们的基础知识。

2006年3月，曾任美国卡内基·梅隆大学(CMU)计算机科学系主任，现任美国基金会(MSP)计算机和信息科学与工程部(CISE)主任的周以真(Jeannette M.Wing)教授，在美国计算机权威刊物《Communicatons of the ACM》上，首次提出了计算思维的观念
[1]。

计算思维这一观念提出后，立即得到美国教育界的广泛支持，并引起了欧洲的极大关注。

2007年9月19日，欧洲科学界、工业界和政府的一些领导者还在布鲁塞尔皇家科学院召开了一次名为“思维科学——欧洲的下一个政策挑战”的会议。

在国内，为了紧跟国际学术动态，推动教学理念的更新，全国高等学校计算机教育研究会早在2003年10月31日，就在桂林电子工业学院主办了全国“计
作者简介：袁开榜，男，重庆大学计算机学院教授，全国高等学校计算机教育研究会理事长，主要从事计算机教育研究。

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算机科学与技术方法论”专题学术研讨会，在热烈的讨论中，也萌发了计算思维的理念。

本次会议有来自全国百余所高校的150余位代表参会，还吸引了哲学界、物理学界的学者参加，讨论中不仅有相同的观点共识，也有对立的论点交锋，会议开得热烈、成功。

大会收到论文100余篇，其中64篇由核心刊物《计算机科学》杂志专辑发表。

5年之后的2008年10月31日，全国高等学校计算机教育研究会又在桂林电子科技大学召开了“计算思维与计算机导论”专题研讨会，探讨了科学思维与科学方法在计算机学科教学创新中的作用。

来自全国80多所高校，包括70多位计算机学院院长、主管教学的副院长在内的近百名专家出席了会议。

在本次会议上，桂林电子科技大学董荣胜教授、武汉大学费定舟教授、国防科大李婷婷博士、著名计算机教育家苏运霖教授、中国人民大学赵总宽教授等分别就有关计算思维与计算机导论、计算思维与计算机方法论、哲学思维、计算思维及科技创新、历史上重大科学发现与技术创新中蕴含的计算思维、中国古代科学中蕴含的计算思维——算法化思想、计算思维在各学科领域的应用、计算思维在计算机学科各门课程中讲授的经验和体会等内容作了大会报告，探讨了在教学过程中如何以课程为载体讲授面向学科的思维方法，以及这种讲授对国家科学与教育事业发展的作用等。

这两次会议的核心宗旨是期望促使我国计算机教育界的同行们要更新思维，尽快适应计算机科学领域发生的根本性变革。

2008年6月29日至7月14日，中国国家科学基金委员会组织了计算机科学代表团，访问了美国的10所大学和美国国家科学基金会。

访问成员对“计算思维”有了更强烈的感受[2]：中国工程院院士、国家自然科学基金委员会副主任、清华大学孙家广教授说：“最具有基础性和长期性的思想是‘计算思维’。

这也给中国计算机科学技术的学科建设工作提供了很好的参考”。

中国计算机学会理事、国家自然科学基金委员会信息科学部二处(计算机学科)处长刘克教授说：“在大学中推进‘计算思维’这一基本理念的教育与传播工作也非常必要”。

中国计算机学会高级会员、2007年中国计算机学会王选奖获得者、中国科学院计算技术研究所研究员徐志伟总工程师说：“‘计算思维’就本人了解而言，这可能是近十年来最具有基础性、长期性的学术思想。

这个思想由美国国家科学基金会主管计算机与信息科学与工程学部的副主任珍妮特·文(Jeannette Wing)博士提出。

简言之：计算思维是一种本质的、所有人都必须具备的思维方式，就像识字、做算术一样；任务是在2050年以前，让地球上每一个公民都具备‘计算思维’能力。

换句话说，以前要‘扫盲’，是扫‘文盲’，在21世纪，要扫‘计算机盲’。

当然，要做到这点，必须说清楚什么是计算思维。

”他又说：“计算思维这一思想也部分地给出了初步理论，可用于解释为什么美国正在发生各种学科、教育、科研活动和机构变革的实践。

这也给中国计算机科学技术的学科建设工作提供了一个很好的参考。

这个思想还应该更正面地理解，即计算思维的普及可以从科学界、研究界开始，给予科技人员一种新的视角和思维方式。

”徐志伟总工程师最后总结说：“计算使人们能够发现与创新CDI(Cyber Enabled Discovery and Innovation)，是实现计算思维的第一个美国国家科学基金会的重大计划。

它的目的是，通过计算思维的创新和进步(包括概念、方法、模型、算法、工具和系统等)，对科学与工程领域产生新理解、新模式，创造革命性的研究成果。

”
从以上这些论述来看，在2050年以前，要让地球上每一个公民都具备“计算思维”能力，要扫“计算机盲”。

因此，应把计算思维看成是一种本质的、所有人都必须具备的思维方式。

国际上已经在大声疾呼了，我们中国的计算机教育工作者岂能坐视不理，我们应该结合国情，奋起直追！
2010年7月19日至20日，北京大学、清华大学、浙江大学、复旦大学、上海交通大学、南京大学、中国科枝大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学九所知名高校在西安交通大学举办了“C9高校联盟计算机基础课程研讨会”。

教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会主任陈国良院士亲临大会，作了“计算思维能力培养研究”的报告，并主持了该专题的讨论，各有关高等学校计算机基础课程教学负责人
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及骨干教师出席了大会。

经大会研究讨论后就增强大学生计算思维能力的培养发表了“C9高校联盟计算机基础教学发展战略联合声明”。

这是个好兆头，作为全国高等学校计算机教育研究会，我们在表示积极支持的前提下，还要力争在促进建立“计算思维”的观念上作出贡献。

那么，什么是计算思维？
周以真教授指出[1]：“计算思维代表着一种普遍的认识和一类普适的技能，每一个人，而不仅仅是计算机科学家，都应热心于它的学习和应用。

”他又说：“计算思维是每个人的基本技能，不仅仅是计算机科学家。

我们应当使每个孩子在培养解析能力时不仅掌握阅读、写作和算术(Reading Writing and Arithmetic ——3R)，还要学会计算思维。

”
中国科学院计算所李国杰院士说[3]：“计算思维运用计算机科学的基础概念求解问题、设计系统和理解人类行为，它选择合适的方式陈述一个问题、对一个问题的相关方面建模，并用最有效的办法实现问题求解。

”李国杰院士还认为，计算机科学本质上源自数学思维和工程思维。

然而，计算思维远远不只是为计算机编程，它是抽象的多个层次上的思维，与“读写能力”一样，是人类的基本思维方式。

他强调，“计算思维是每个人的基本技能，不仅仅属于计算机科学家。

”他建议，在培养孩子们的解析能力时，不仅要求其学会阅读、写作和算术，还要学会计算思维。

因此，我们可以这样来认识计算思维：计算思维是运用计算机科学的基础概念来进行问题的求解、系统的设计以及人类行为的理解等，它包括了涵盖计算机科学广度的一系列思维活动。

计算思维是一种本质的、所有人都必须具备的思维方式，就像阅读、写字、做算术一样，成为人们最基础、最普遍、最适用和不可缺少的基础思维方式。

计算思维的普及可以从科学界、研究界开始做起，它能给科技人员一种新的视觉和思维方式。

在大学里推进计算思维这一基本理念的教育和传播工作是十分必要的，建议面向所有专业的大学新生开一门“怎么像计算机科学家一样思维”的课程。

还应当让没有进入大学之前的学生接触计算的方法和模型。

要培养具有“计算思维”能力的中国计算机本科大学生，就需要制定出具有“计算思维”能力特色的教学计划。

因此，对我国现行教学计划的创新改革已经到了刻不容缓的时候了。

我国计算机教育界同行已经在审时度势地审定和修改现行的教学计划，发掘新特色，寻找新亮点。

在全民中有计划、有步骤地进行计算思维观念的宣传和普及工作，也应当提上议事日程。

美国人已经提出，在2050年以前，要让地球上每一个公民都具备“计算思维”能力，要扫“计算机盲”。

因此，应该把计算思维看成是一种本质的、所有人都必须具备的思维方式，激发人们对计算机领域科学探索的兴趣，使计算思维成为一种常识。

周以真教授说[1]，“我特别需要抓住尚未进入大学之前的听众，包括教师、父母和学生，向他们传送下面两个信息：智力上的挑战和引人入胜的科学问题依旧亟待理解和解决。

这些问题的解答仅仅受限于我们自己的好奇心和创造力。

”
结论应当是：当计算思维面向所有的人，所有的地方，真正融入人类活动的整体，不再表现为一种显式哲学的时候，计算思维就将成为一种现实。

综上所述，不妨把计算思维看成是“基础的回归”，把学习计算机科学看成像学习数学或英语一样的基础知识。

主修数学或英语的人，可以从事各种各样的职业。

主修计算机科学的人，当然也可以从事各种各样的职业，比如，一个人在主修计算机科学以后，可以直接从事医学、法律、商业、政治以及任何类型的科学和工程职业，甚至艺术工作。

也就是说，在原来的数、理、化、天、生、物六大基础学科的基础上，加上计算机科学而成为七大基础学科。

这里还要阐明几个概念：
计算思维是概念化，而不是程序化。

因为计算机科学不只是为计算机编制程序，而是要像计算机科学家那样去思维，进而要求在抽象的多个层次上思维。

计算思维是人的思维，是人类求解问题的一条途径。

计算机的思维方式也决不是要人类像计算机那样去思考。

计算机的工作非常机械、枯燥、沉闷，人类则聪颖并富有想象力，是人类创造了计算机，给计算
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机赋以智能和激情。

当人类为自己配置了计算机系统，人类就能够用自己的智慧来解决那些在计算时代之前不敢尝试的问题，进而实现“只有想不到，没有做不到”的境界。

计算思维是数学思维和工程思维的互补与融合，和所有学科的形式化基础都是建筑在数学之上一样，计算机科学在本质上也来源于数学思维。

又由于人类建造的计算机系统是一个能够与实际世界互动的系统，计算机科学在本质上又来源于工程思维。

由于基本的计算机系统受到的限制，迫使计算机科学家必须进行计算性思考，不能只是单纯地进行数学思考，而要开拓视野，用构建虚拟世界的自由来使人类能够设计出超物理世界的各种系统。

计算思维是人类的思想活动，不是人造的物品，它不只是以人类生产的软件、硬件等人造物的物理形式到处呈现并时刻融入人们的生活，更重要的是，它是人类用以接近求解问题、管理日常生活、建立与他人交流和互动的计算概念。

因此，不能把计算机科学只等同于为计算机编制程序，也不能把主修计算机科学局限于狭窄的就业范围，更不能认为计算机科学的基础研究已经完成，只剩下工程实现的问题了。

当人们行动起来去改变这个领域的社会形象的时候，计算思维就是一个引导着计算机教育家、研究者和实践者的宏大愿景了。

计算思维不仅是计算机科学家的思维，它已经不局限于计算机领域，计算机科学家对各种学科都产生了兴趣。

例如，他们坚信生物学家能够从计算思维中获益，计算机科学也确实对生物科学作出极大贡献，它不仅具有能够从海量的序列数据中搜索寻找模式规律的本领，最终还能用体现数据结构和算法(指计算抽象和方法)自身的功能方式来表示蛋白质的结构，计算生物学正在改变着生物学家的思考方式。

类似的，计算博弈理论正在改变着经济学家的思考方式；纳米计算正在改变着化学家的思考方式；量子计算正在改变着物理学家的思考方式。

当然，计算思维不仅仅限于科学家，计算思维应该成为每个人的技能组合成分。

可以这样认为：普适计算之于今天就如计算思维之于明天。

普适计算让今天实现了昨天的梦想，而计算思维将是明天的现实。

计算思维是利用启发式的推理寻求解答，它可以在不能确定的情况下进行规划、学习和调度。

实质上就是搜索、搜索、再搜索。

计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行权衡。

我们来看一些日常生活中的事例：当你的孩子早晨去上学时，他把当天所需的东西放进背包，这就是“预置和缓存”；当有人弄丢了自己的物品，你建议他沿着走过的路线去寻找，这就叫“回推”；在什么时候停止长期租用的物品而为自己买一个呢？这就是“在线算法”；在超市付费时，你应当去排哪一个队呢? 这就是“多服务器系统”的性能模型；为什么停电时你的电话仍然可以用呢？这就是“失败的无关性”和“设计的冗余性。

”当计算思维真正渗透到每一个人的生活之中的时候，“预置和缓存”、“回推”、“在线算法”、“多服务器系统”、“失败的无关性”和“设计的冗余性”等专业词汇也就成为人们的日常语言了。

计算思维既然与人们的工作和生活如此密切相关，计算思维理所当然地应当成为人类不可或缺的一种生存能力。

当今的信息社会已经离不开计算机了，未来的社会一定更需要计算机来加速实现美好的愿景。

从事计算机科学技术研究和计算机教育的同行们，我们有责任首先成为具有计算思维能力的先驱者和促进者，大家首先要齐心协力地用计算思维的观念和能力把自己武装起来，再用自己的切身体会去培育更多的人们具有计算思维的观念，再把计算思维的观念提升到计算思维的能力。

我坚信：通过大家的共同努力，一定能把国际上流行的“2050年全世界的每一个公民都应具有计算思维能力”的预言变成现实！
参考文献：
[1] Jeannette M.Wing. Computational Thinking[J]. Communications of the ACM,2006,49(3):33-35.
[2] 袁开榜. 不断创新的中国计算机教育还要科学地向前发展[J]. 计算机教育,2009(16):199-204.
[3] 李国杰. 计算思维不仅仅属于计算机科学家[N]. 大众科技报,2009-8-2(B01).
(编辑：姚彦如
)。