博文

面向计算社会的计算素质培养：计算思维与计算文化精选

已有 17736 次阅读 2016-12-29 09:43 |个人分类:行业观察|系统分类:论文交流

面向计算社会的计算素质培养：计算思维与计算文化

王飞跃

0 引言

思维是人类认识世界的方式和手段。狭义地讲，就是人们思考问题、表述问题、讨论问题的“框架（Framework）”。在不同的历史阶段，人们对思维“框架”的认识也不同，古希腊的柏拉图有“蜡板”之说，工业革命前夕的法国哲学家笛卡儿有“天赋观念”之论，英国哲学家洛克还有“白板”理论，等等^[1][2]，正如后来德国哲学家恩格斯所言：“每一个时代的理论思维，包括我们这个时代的理论思维，都是一种历史的产物，它在不同的时代具有完全不同的形式，同时具有完全不同的内容”^[3]。

我们处于什么时代？我们又需要什么样的思维方式？这是一个重要的问题。如果我们处于一个成熟且稳定的时代，如何思维或许不是一个主要的问题。然而，十分明显，我们正处于一个科学与技术急剧动荡的变革时代，各种“破坏（Disruptive）”性概念与技术不断涌现，使问题越来越复杂，影响也越来越深远。在这种情况之下，我们的思维方式是否应该改变，思维手段是否应当更新？一句话，什么是当前和即将来到的下一个时代的思维方式？变还是不变？

更进一步，每个时代的思维方式必须影响甚至催生时代的文化形态。如果我们的时代思维方式要变革，相应的文化形态又应如何变革？笔者认为，随着信息科学与技术的不断提高和普及，特别是互联网和Cyberspace应用的不断深化，计算思维将成为我们时代思维的主要方式和手段。而且，当计算思维能像“读、写、算（3R）”一样深入社会，使“3R”成为“3RC”之后，我们的文化形态也必将呈现一种新的“计算文化”形态。本文希望就此进行一些简要的初步探讨，以图抛砖引玉，引起更多学者的关注与深入研究。

１什么是计算思维？

计算思维作为一个特别的领域兴起，主要归功于美国学者周以真2006年所发表的“计算思维”一文。目前美国学者认识较为统一的计算思维定义为“Computational Thinking is the thought processes involved in formulatingproblems and their solutions so that the solutions are represented in a form thatcan be effectively carried out by an information-processing agent.”即“计算思维是一种能够把问题及其解决方案表述成为可以有效地进行信息处理的形式之思维过程。”一般认为，计算思维的主要特征体现在以下方面。

（1）计算思维是一种利用计算机科学的基本概念与方法来理解人的行为，设计系统，解决问题的方法；

（2）计算思维意味着为了更加有效地理解和解决问题，必须通过创造和利用不同层面的解析抽象化；

（3）计算思维意味着按算法的格式去思考，并能够应用数学概念和方法去形成更加有效、公平和安全可靠的解决方案；

（4）计算思维意味着对规模之效果的全面、正确的理解，不但是为了效率上的考量，而且为了经济和社会性的考虑。

简言之，计算思维就是一种以抽象、算法和规模为特征的解决问题之思维方式。要说明的是，数据是计算思维之抽象的基础，有时应被看作计算思维的另一个重要而独立的特征。此外，面向自动化也应是计算思维的一个重要特征。

自2007年起，美、欧等许多大学、研究机构及相关企业都开展了计算思维方面的教育、研究和新产品与系统的开发工作。特别是微软公司，不但在研究计算思维的重镇卡内基梅隆（CMU）大学资助成立计算思维研究推广中心，最近还邀请周以真教授作为其负责研发的副总裁。在国内，以陈国良院士为首的学者也在教学和科研中开展了计算思维的深入研究与应用。

在中文里，计算思维不是一个新的名词。在中国，从小学到大学教育中，计算思维经常被朦朦胧胧地使用，却一直没有被提高到周以真一文所描述的高度和广度，那样的新颖、明确、系统。实际上，中国学者远在2006年之前就提出了“计算思维”的科学性概念与名词，但从一开始就把“计算思维”局限于人工智能的研究。1992年黄崇福就在其博士论文中明确定义了计算思维：“计算思维就是思维过程或功能的计算模拟方法论，其研究的目的是提供适当的方法，使人们能借助现代和将来的计算机，逐步达到人工智能的较高目标。”

笔者认为，广义而言，计算思维就是基于可计算的手段，以定量化的方式进行的思维过程；狭义而言，计算思维就是数据驱动的思维过程（Data-Driven Thinking）。当然，这里的“定量”与“数据”都应广义地去理解。

2 计算思维的哲学背景与时代意义

为什么要研究计算思维？

正如恩格斯所言，这是时代的要求，计算思维就是信息时代和知识经济所需要的思维！

这一认识，其实有着许多深刻的哲学和历史原因。

近代科学哲学家波尔普认为，整个世界由三部分组成：物理世界、精神世界和人工世界。从人类发展的历史来看，农业社会及之前主要开发了物理世界，更确切地讲是地表资源的开发；而工业社会是物理和精神世界的充分开发，特别是地下资源的大开发；当前我们进入了信息社会，主要的任务应当是人工世界的开发，其特征是数据将会成为如土地和矿藏一样的资源，我们必须以一种新的时代思维来对待这些数据的信息资源，所以必须拥有计算思维。一句话，计算思维就是开发数据资源时代所要求的思维。

更通俗地说，计算思维就是21世纪所要求的基本技巧，必须像“读、写、算”一样普及，成为素质教育的一部分。

可以设想，随着数字政府和数字社会进程的不断深入，在未来社会中，每一个人自落世之时，除了其物理本体之外，可能还会有一个与之一一对应的“数字”映像，分别存在于现实社会和“虚拟”社会之中，相互动态对应。在这样的一种社会中，没有计算思维的基本素质，就像不会“读、写、算”一样，无法有效地生存。

在物理世界，人类只是行动的主体；在精神世界，人类可谓认识的主人；但只有在人工世界，人类才算真正的主宰。所以，全面深刻地了解和掌握计算思维，将是人类在大数据为表征的新时代创新的保障。因此，如果创新是一个民族的灵魂，计算思维就是一个民族能够在新时代创新发展的保证。

3 对基于计算思维的素质教学的初步认识

除了言传身教和书本之外，农业时代，人类主要从大自然的实践中直接获取知识；工业时代，人类已经能够有效地从实验室的探索中获取知识；20世纪四五十年代起，“工程科学”兴起，利用抽象表示和数学推理获取科学知识渐渐成了理工科教育的主要途径；时至今日，网上搜索和动漫游戏已经成为获取知识的重要手段。

形象地说，农业社会之前，知识的主体隐藏在大自然之中，人们必须在广袤的田野之中身体力行才能发现和掌握知识；工业社会，实验室替代了大自然，成为研究和学习知识的主要手段，小小的空间里，几乎可以揭开宇宙的全部秘密，不必非“行万里路，读万卷书”不可；信息社会的前夕，知识的主体已经“浓缩”成纸上的几行符号和方程，并逐渐嵌入到网上“无限小”的点击和随之显得“无限大”的互动式动漫游戏之中，足不出户，就能随时“挖掘”出各类知识。

在知识获取的这一进化过程中，对人的努力之要求不断减少，作为一种反馈和补偿，更为了维持物理世界、精神世界、人工世界之间的和谐一致，计算思维必须成为“读、写、算”之外的另一种素质要求。

然而，计算思维作为素质教育将比“读、写、算”的培养更加困难，因为不计发展阶段的因素，计算思维更具有“无用之用，众用之基”的特色。目前看来，只能“从大到小”，先在大学里进行，再普及到高中、初中、小学、幼儿园。一定阶段之后，当计算思维的素质达到一定程度时，才能“从小到大”，像“读、写、算”教育一样随着人的自然成长过程而进行。这是一个需要充分发展的阶段，否则，我们就会连从事计算思维的合格师资队伍都没有。如何设计实施计算思维教育，关系到一个民族在新的时代的素质水平和竞争能力。

首先，应当形成这样一种观点：计算机就好比工业时代的蒸汽机和电动机,很快也会像蒸汽机和电动机一样从“高科技”的神坛上退下来，成为普通甚至过时的产物。但正如著名的计算机科学家、1972年图灵奖得主Edsger Dijkstra所言：“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响我们的思维能力”，计算思维就是在利用计算机作为认识和改造世界之工具的过程中发展起来的一种思维方式。

其次，应当树立这样一种理念：开发数据资源这一新时代就是开发所谓人工世界的时代，更是开发Cyberspace的时代，计算思维就是建设人工世界和Cyberspace所要求的主要思维方式。

再次，应当达到这样一种认识：农业社会以感性思维为主，工业社会以形式思维为主，在人工世界里，必须以理性为主，而计算思维正是从感性到理性的主要手段和必由之途。

在中国社会中，形式思维先天不足，似乎还是一个以感性思维为主的社会，因此，中国似乎比其他国家更需要计算思维，尤其是计算思维在全社会的普及与实施。中国要真正现代化，民众必须有计算思维，因此，计算思维的素质教育更加迫切和重要。

具体而言，大学中的计算思维素质教育，应尽快在属于“软”科学类的社会、心理、政治、法律、新闻等学科中展开，使“软”学科“硬”起来，做到拿数据说话，用计算比较。对于理工科，其计算思维已经十分坚实，有时以致过“硬”，近50年来，我们已目睹了各种各样的“计算××”如雨后春笋般出现：计算数学、计算力学、计算物理、计算化学、计算设计、计算结构、计算制造、计算工程CAD/CAE/CIM等。我们应在其中加入经济、文化、社会等各种因素，使“硬”学科“软”下来，最终达到“软硬”适度，确保物理、精神、人工三个世界和谐发展。

实际上，近几年新兴的物理网络系统（Cyber Physical Social Systems，CPSS）、文化建模、计算社会学、社会计算等新领域，还有物联网云计算、万维学、Web N.0等新技术，充分说明这一“软硬”结合的趋势已经开始了。因此，在大学里开展计算思维教学的时机已经成熟，势在必行。

儒家经典中，曾有“大学之道，在明明德，在亲亲民，在止于至善”之要求或期望。今天，“明德”就是明白计算思维之德；“亲民”就是掌握计算思维之民；在追求和贯彻计算思维的实践中，我们必须有“止于至善”的精神。

4 从计算思维到计算文化

在中国社会里，依然残留着许多诸如“望子成龙”、“光宗耀祖”、“衣锦还乡”等与现代信息化社会计算思维格格不入的文化现象。结果是，在我们的文化中，计算思维没有风行，很多时候“算计”思维倒是大行其道。深究其因，这可能是中国社会长期的传统意识和思维，导致对道德和知识的“非分要求”而造成的。这种“非分要求”使能力和目标相差甚远，更使计算思维无法实施，但为了维持表面上的一致，只能“名实分离”，甚至“名实倒挂”，使物理、精神、人工三个世界之间的冲突与不和谐问题越来越严重，最后相互之间不得不靠暗地的“算计”来维持，而并非通过公开、公平、公正的“计算”来进行，这势必扼杀真正的创新，阻碍社会的进步与发展。

波尔普在其名著《开放社会及其敌人》中指出，大一统的“本质主义”和“整体论” 哲学危害的误区在于：它们意味着一种“对知识的非分要求”。这些哲学用一种可以简单运用的一般性知识和简单的解决问题的办法来蛊惑人心。但是事实上，对确实复杂得多的现实世界的表述已经无法用单一观察来把握。一种“批判性的、理性的”行事方式必须总是从一种“方法论上的个人主义”出发。因此，也不可能存在成功的并且是非极权的社会计划方案。进步总是通过解决各单一问题得以实现。不是“乌托邦式的社会工程”指明了一个更好的未来，而是“零星社会工程”。

简言之，“乌托邦工程”知识非分要求不可计算，只有“零星工程”对知识恰当要求并可计算。因此，“本质主义”和“整体论”也与计算思维不符。

波尔普把一个根据这些原则组织起来的社会称为“开放社会”。与此相反，为“本质主义”和“整体论”思想所迷惑的社会不能把各单一的批判理解为系统干扰。自由和多样性在这样一个幻境没有位置。它是一种“封闭社会”。

今天，借助社会媒体，我们不妨把“零星社会工程”视为微博社会工程（TwitterSocial Engineering），利用计算思维，使之成为在人类活动中嵌入“批评性的、理性的”行事方式之最佳的有效途径。在此基础上，形成计算文化，最终破除中国社会超稳定结构的历史符咒。

计算文化（Computational Culture）一词，在国际上已开始有少数的学者提起，但还没有与计算思维相联系，也没有达成共识或形成趋势。中文里目前还没见有人明确提出计算文化的概念，与此相关却不同的计算机文化课却在大学里较为普及。不过，我们传统文化中有根深蒂固、历史悠久的“算计”文化。凡是“精明”的人常常被称作能“算计”，时褒时贬，但一般贬时多于褒时，贬义大于褒义，差不多就是“狡猾”的同义词。希望我们能借“计算思维”之东风，尽快把传统世故人情的“算计文化”反正成为现代科学理性的“计算文化”，以提高民族的整体素质。

社会的和谐与科学发展，应是物理、精神、人工三个世界之和谐与科学的发展。因此，和谐社会就是“三个世界”协调发展之后的和谐社会，不仅考虑物理和精神层面。未来社会的发展之道，就是从计算思维到计算文化，再到计算社会，最终落实物理、精神、人工三个世界的和谐发展，实现公开、公平、公正的开放社会。

５展望

如同蒸汽机、电动机一样，源于计算机的计算思维将使作为工具的计算机以普遍存在的方式“消失”，结果是“读写算3R”变成“读写算计算思维3RC”，就像一般大学没有“印刷系”一样，也没有了“计算机系”。然而，计算思维将成为未来社会之基本的素质要求。随着计算思维的普及，将产生重大的科学和社会的影响和作用，主要表现在以下方面。

（1）计算思维影响的方式。

① 游戏与动漫的科学化。

② 仿真与模拟的常态化。

③ 经验与知识的数字化、动态化和即时化。

（2）计算思维作用的形式。

① 人工影响现实，“虚”的影响“实”的。

② 未来影响历史，“无”的影响“有”的。

③“水晶球”的科学化与仪表化，对未来进行感知，进而对未来进行统计。

从感性思维到形式思维，再到计算思维、计算文化和计算社会，只能是“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”了。借用管子的话：“万世之国，必有万世之宝”，为了民族的复兴，我们必须本着“万世之族，须有万世之宝”的精神，对此进行研究、开发和普及。

【参考文献】

[1] 林振义.科学思维方式：结构和生成[J]. 科学，2013，65（3）：2-5.

[2] J.M.Wing. Computational Thinking [J]. CACM，2006，49（3）：33-35. 徐韵文，王飞跃，译. 计算思维[J].中国计算机学会通讯，2007，3（11）：83-85. http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2374&do=blog&id=8104.