第八章

探討與展望

本章首先對學(xué)科中的若干問題進(jìn)行探討，包括計算本質(zhì)的認(rèn)識歷史、第三次數(shù)學(xué)危機(jī)與希爾伯特綱領(lǐng)、圖靈對計算本質(zhì)的揭示、如何定義一門學(xué)科、計算學(xué)科是“工科”還是“理科”程序設(shè)計在計算學(xué)科中的地位計算學(xué)科目前的核心課程能否培養(yǎng)學(xué)生計算方面的能力理論與實踐的結(jié)合創(chuàng)新與發(fā)明、能力的培養(yǎng)，以及復(fù)雜度、難度與能力等。然后，從“計算機(jī)導(dǎo)論”課程的構(gòu)建、教程的繼續(xù)完善、《計算機(jī)專業(yè)規(guī)范》的實施等問題入手，對計算教育的發(fā)展作簡單展望。8.1引言

在第一章的最后一節(jié)，我們介紹了本書關(guān)于“計算機(jī)導(dǎo)論”課程建立在“計算學(xué)科二維定義矩陣”基礎(chǔ)上的情況，分析了建立在這個關(guān)于學(xué)科概念認(rèn)知模型上的導(dǎo)引，它的優(yōu)點和不足。針對不足，自然有了本書最后一章，即“探討與展望”，從而使本書的內(nèi)容更加完備。8.2若干問題的探討

8.2.1計算本質(zhì)的認(rèn)識歷史

1.古代中國的“算法化”思想 在很早以前，人們就碰到了必須計算的問題。已經(jīng)考證的，遠(yuǎn)在舊石器時代，刻在骨制和石頭上的花紋就是對某種計算的記錄。然而，在20世紀(jì)30年代以前，人們并沒有真正認(rèn)識計算的本質(zhì)。盡管如此，在人類漫長的歲月中，人們一直沒有停止過對計算本質(zhì)的探索。很早以前，我國學(xué)者就認(rèn)為，對于一個數(shù)學(xué)問題，只有當(dāng)確定了其可用算盤解算它的規(guī)則時，這個問題才算可解。這就是古中的“算法化”思想。 2.計算機(jī)器制造的先河 算盤作為主要的計算工具流行了相當(dāng)長的一段時間，直到中世紀(jì)，哲學(xué)家們提出了這樣一個大膽的問題：能否用機(jī)械來實現(xiàn)人腦活動的個別功能？最初的試驗?zāi)康牟⒉皇侵圃煊嬎銠C(jī)，而是試圖從某個前提出發(fā)機(jī)械地得出正確的結(jié)論，即思維機(jī)器的制造。早在1275年，西班牙神學(xué)家雷蒙德·露利（R.Lullus）就發(fā)明了一種思維機(jī)器（“旋轉(zhuǎn)玩具”），從而開創(chuàng)了計算機(jī)器制造的先河。

在“旋轉(zhuǎn)玩具”引起了許多著名學(xué)者的研究興趣，最終導(dǎo)致了能進(jìn)行簡單數(shù)學(xué)運算的計算機(jī)器的產(chǎn)生。 受“旋轉(zhuǎn)玩具”的影響，并伴隨著機(jī)械鐘（用齒輪傳動）的產(chǎn)生和發(fā)展。1641年，法國人帕斯卡（B.Pascal）利用齒輪技術(shù)制造了第一臺加法機(jī)；1673年，德國人萊布尼茨（G.W.V.Leibniz）在帕斯卡的基礎(chǔ)上又制造了能進(jìn)行簡單加、減、乘、除的計算機(jī)器；19世紀(jì)30年代，英國人巴貝奇（C.Babbage）制造了用于計算對數(shù)、三角函數(shù)以及其他算術(shù)函數(shù)的“分析機(jī)”；20世紀(jì)20年代，美國人萬尼瓦爾·布什（V.Bush）研制了能解一般微分方程組的電子模擬計算機(jī)等。 在“旋轉(zhuǎn)玩具”中，數(shù)值可以由圓盤的旋轉(zhuǎn)角度表示，其正、負(fù)，可以由轉(zhuǎn)動的方向確定。至于機(jī)械鐘，可以認(rèn)為是一種用于計時的計算機(jī)器。 歷史上，模擬計算機(jī)采用的運算方法通常不是我們理解的“四則運算”，馮·諾依曼在《計算機(jī)與人腦》（THECOMPUTERANDTHEBRAIN）一書中，介紹了一種經(jīng)典式的模擬計算機(jī)——微分分析機(jī)及其3種基本的運算，即(x±y)/2、積分。而采用差動齒輪可以實現(xiàn)前兩種運算；采用一種稱之為“積分器”的部件，可以把兩個函數(shù)x(t)、y(t)形成一種稱之為“斯蒂杰斯”的積分。就解全微分方程而言，運算(x±y)/2和“斯蒂杰斯”積分比常用的四種基本算術(shù)運算（x+y，x-y，xy，x/y）更為有效。

當(dāng)然，從微分分析機(jī)的3種基本出發(fā)，通過一定的組合，可以產(chǎn)生常用的加法、減法和乘法，若再與一定的“反饋”方法結(jié)合，還可以產(chǎn)生常用的除法。 以上計算的歷史，包含了人們對計算過程的本質(zhì)和它的根本問題進(jìn)行的探索，同時，還為現(xiàn)代計算機(jī)的研制積累了經(jīng)驗。 其實，對計算本質(zhì)的真正認(rèn)識取決于形式化研究的進(jìn)程，而“旋轉(zhuǎn)玩具”就是一種形式化的產(chǎn)物，不僅如此，它還標(biāo)志著形式化思想革命的開始。

8.2.2第三次數(shù)學(xué)危機(jī)與希爾伯特綱領(lǐng) 1.第三次數(shù)學(xué)危機(jī) 形式化方法和理論的研究起源于對數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)研究。數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)研究是指對數(shù)學(xué)的對象、性質(zhì)及其發(fā)生、發(fā)展的一般規(guī)律進(jìn)行的科學(xué)研究。 德國數(shù)學(xué)家康托爾（G.Cantor，1845～1918）從1874年開始，對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)作了新的探討，發(fā)表了一系列集合論方面的著作，從而創(chuàng)立了集合論。康托爾創(chuàng)立的集合論對數(shù)學(xué)概念作了重要的擴(kuò)充，對數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的研究產(chǎn)生了重大影響，并逐步發(fā)展成為數(shù)學(xué)的重要基礎(chǔ)。 然而不久，數(shù)學(xué)家們卻在集合論中發(fā)現(xiàn)了邏輯矛盾，其中最為著名的是1901年羅素（B.Russell）在集合論概括原則的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的“羅素悖論”，從而導(dǎo)致了數(shù)學(xué)發(fā)展史上的第三次危機(jī)。 羅素悖論可以這樣形式化地定義：S={x∣xS}。為了使人們更好地理解集合論悖論，羅素將“羅素悖論”改寫成“理發(fā)師悖論”。其大意是，一個村莊的理發(fā)師宣布了這樣一條規(guī)定：“給且只給村里那些不自己刮胡子的人刮胡子”?，F(xiàn)在要問：理發(fā)師給不給自己刮胡子呢？如果理發(fā)師給自己刮胡子，他就屬于那類“自己刮胡子的人”，按規(guī)定，該理發(fā)師就不能給自己刮胡子；如果理發(fā)師不給自己刮胡子，那么，他就屬于那類“不自己刮胡子的人”，按規(guī)定，他就應(yīng)該給自己刮胡子。由此可以推出兩個相互矛盾的等價命題：理發(fā)師自己給自己刮胡子理發(fā)師自己不給自己刮胡子。

2.希爾伯特綱領(lǐng) 為了消除悖論，奠定更加牢固的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，20世紀(jì)初，逐步形成了關(guān)于數(shù)學(xué)基礎(chǔ)研究的邏輯主義、直覺主義和形式主義三大流派。其中，形式主義流派的代表人物是大數(shù)學(xué)家希爾伯特（D.Hilbert）。他在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的研究中提出了一個設(shè)想，其大意是：將每一門數(shù)學(xué)的分支形式化，構(gòu)成形式系統(tǒng)或形式理論，并在以此為對象的元理論即元數(shù)學(xué)中，證明每一個形式系統(tǒng)的相容性，從而導(dǎo)出全部數(shù)學(xué)的相容性。希爾伯特的這一設(shè)想，就是所謂的“希爾伯特綱領(lǐng)”。

“希爾伯特綱領(lǐng)”的研究基礎(chǔ)是邏輯和代數(shù)，主要源于19世紀(jì)，英國數(shù)學(xué)家喬治·布爾（G.Boole）所創(chuàng)立的邏輯代數(shù)體系（即布爾代數(shù)）。它的目標(biāo)，其實質(zhì)就是要尋找通用的形式邏輯系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)是完備的，即在該系統(tǒng)中，可以機(jī)械地判定任何給定命題的真?zhèn)巍?/p>

希爾伯特對實現(xiàn)自己的綱領(lǐng)充滿信心。然而，1931年，奧地利25歲的數(shù)理邏輯學(xué)家哥德爾（K.G?del）提出的關(guān)于形式系統(tǒng)的“不完備性定理”中指出，這種形式系統(tǒng)是不存在的，從而宣告了著名的“希爾伯特綱領(lǐng)”的失敗。希爾伯特綱領(lǐng)的失敗同時也暴露了形式系統(tǒng)的局限性，它表明形式系統(tǒng)不能窮盡全部數(shù)學(xué)命題，任何形式系統(tǒng)中都存在著該系統(tǒng)所不能判定其真?zhèn)蔚拿}。

“希爾伯特綱領(lǐng)”雖然失敗了，但它仍然不失為人類抽象思維的一個偉大成果，它的歷史意義是多方面的。對計算學(xué)科而言，最具意義的是，希爾伯特綱領(lǐng)的失敗啟發(fā)人們應(yīng)避免花費大量的精力去證明那些不能判定的問題，而應(yīng)把精力集中于解決具有“能行性”的問題。8.2.3圖靈對計算本質(zhì)的揭示 在哥德爾等人研究成果的影響下，20世紀(jì)30年代后期，圖靈從計算一個數(shù)的一般過程入手對計算的本質(zhì)進(jìn)行了研究，從而實現(xiàn)了對計算本質(zhì)的真正認(rèn)識。 根據(jù)圖靈的研究，直觀地說，所謂計算就是計算者（人或機(jī)器）對一條兩端可無限延長的紙帶上的一串0和1執(zhí)行指令，一步一步地改變紙帶上的0或1，經(jīng)過有限步驟，最后得到一個滿足預(yù)先規(guī)定的符號串的變換過程。圖靈用形式化方法成功地表述了計算這一過程的本質(zhì)。圖靈的研究成果是哥德爾研究成果的進(jìn)一步深化，該成果不僅再次表明了某些數(shù)學(xué)問題是不能用任何機(jī)械過程來解決的思想，而且還深刻地揭示了計算所具有的“能行過程”的本質(zhì)特征。 圖靈的描述是關(guān)于數(shù)值計算的，不過，我們知道英文字母表的字母以及漢字均可以用數(shù)來表示，因此，圖靈機(jī)同樣可以處理非數(shù)值計算。不僅如此，更為重要的是，由數(shù)值和非數(shù)值（英文字母、漢字等）組成的字符串，既可以解釋成數(shù)據(jù)，又可以解釋成程序，從而計算的每一過程都可以用字符串的形式進(jìn)行編碼，并存放在存儲器中，以后使用時譯碼，并由處理器執(zhí)行，機(jī)器碼（結(jié)果）可以從高級符號形式（即程序設(shè)計語言）機(jī)械地推導(dǎo)出來。 圖靈的研究成果是：可計算性=圖靈可計算性。在進(jìn)行可計算性問題的討論時，不可避免地要提到一個與計算具有同等地位和意義的基本概念，那就是算法。算法也稱為能行方法或能行過程，是對解題（計算）過程的精確描述，它由一組定義明確且能機(jī)械執(zhí)行的規(guī)則（語句、指令等）組成。根據(jù)圖靈的論點，可以得到這樣的結(jié)論：任一過程是能行的（能夠具體表現(xiàn)在一個算法中），當(dāng)且僅當(dāng)它能夠被一臺圖靈機(jī)實現(xiàn)。

圖靈機(jī)與當(dāng)時哥德爾、丘奇（A.Church）、波斯特（E.L.Post）等人提出的用于解決可計算問題的遞歸函數(shù)、λ演算和POST規(guī)范系統(tǒng)等計算模型在計算能力上是等價的。在這一事實的基礎(chǔ)上，形成了著名的丘奇—圖靈論題。 圖靈機(jī)等計算模型均是用來解決“能行計算”問題的，理論上的能行性隱含著計算模型的正確性，而實際實現(xiàn)中的能行性還包含時間與空間的有效性。 伴隨著電子學(xué)理論和技術(shù)的發(fā)展，在圖靈機(jī)這個思想模型提出不到10年的時間里，世界上第一臺電子計算機(jī)誕生了。 其實，圖靈機(jī)反映的是一種具有能行性的用數(shù)學(xué)方法精確定義的計算模型，而現(xiàn)代計算機(jī)正是這種模型的具體實現(xiàn)。 計算運用了科學(xué)和工程兩者的方法學(xué)，理論工作已大大地促進(jìn)了這門藝術(shù)的發(fā)展。同時，計算并沒有把新的科學(xué)知識的發(fā)現(xiàn)與利用這些知識解決實際的問題分割開來。理論和實踐的緊密聯(lián)系給該學(xué)科帶來了力量和生機(jī)。 正是由于計算學(xué)科理論與實踐的緊密聯(lián)系，并伴隨著計算技術(shù)的飛速發(fā)展，計算學(xué)科已成為一個極為寬廣的學(xué)科。8.2.4如何定義一門學(xué)科

“計算作為一門學(xué)科”報告從定義一個學(xué)科的要求、學(xué)科的簡短定義，以及支撐一個學(xué)科所需要的足夠的抽象、理論和設(shè)計的內(nèi)容等方面，詳細(xì)地闡述了計算作為一門學(xué)科的事實。 前面的章節(jié)中，我們已介紹了計算學(xué)科的定義及其各主領(lǐng)域3個形態(tài)的核心內(nèi)容。下面，給出定義一門學(xué)科的5個要求： （1）定義應(yīng)該能為本領(lǐng)域以外的人所理解； （2）定義應(yīng)該以本領(lǐng)域以內(nèi)的人為著力點； （3）定義必須是明確的； （4）必須闡明本學(xué)科的數(shù)學(xué)、邏輯和工程的歷史淵源； （5）必須指明本學(xué)科的根本問題和已有的重要成果； 從“計算作為一門學(xué)科”報告中來看，專家們的確就是根據(jù)這5點要求，給出了計算學(xué)科的定義。8.2.5計算學(xué)科是“工科”還是“理科”

計算學(xué)科是“工科”還是“理科”的問題是一個長期以來一直困擾計算機(jī)界的問題。這個問題在“計算作為一門學(xué)科”報告中得到闡明。報告給出了一個計算學(xué)科的二維定義矩陣，使得學(xué)科各主領(lǐng)域中有關(guān)抽象、理論和設(shè)計3個形態(tài)的核心內(nèi)容完整地呈現(xiàn)出來，該二維定義矩陣是對學(xué)科的一個高度概括和總結(jié)。3個學(xué)科形態(tài)的內(nèi)容以及學(xué)科的根本問題都清楚地表明：計算機(jī)科學(xué)和計算機(jī)工程在本質(zhì)上沒有區(qū)別，學(xué)科中的抽象、理論和設(shè)計要解決的都是計算中的“能行性”和“有效性”的問題。相對而言，計算機(jī)科學(xué)注重理論和抽象，計算機(jī)工程注重抽象和設(shè)計，計算機(jī)科學(xué)和工程則居中。因此，不能簡單地將計算學(xué)科歸屬于“理科”還是“工科”，在統(tǒng)一認(rèn)識之后，ACM和IEEE/CS任務(wù)組將計算機(jī)科學(xué)、計算機(jī)工程、計算機(jī)科學(xué)和工程、計算機(jī)信息學(xué)以及其他類似名稱的專業(yè)及其研究范疇統(tǒng)稱為計算學(xué)科。8.2.6程序設(shè)計在計算學(xué)科中的地位 計算學(xué)科所包括的范圍要遠(yuǎn)比程序設(shè)計大得多。例如硬件設(shè)計、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計以及模型的驗證等內(nèi)容覆蓋了計算學(xué)科的整個范圍，但是這些內(nèi)容并不是程序設(shè)計。 計算機(jī)界長期以來一直認(rèn)為程序設(shè)計語言是進(jìn)入計算學(xué)科其他領(lǐng)域的優(yōu)秀工具，甚至還有人認(rèn)為計算科學(xué)的導(dǎo)論課程就是程序設(shè)計，計算科學(xué)等于程序設(shè)計等等。這些認(rèn)識過分地強(qiáng)調(diào)了程序設(shè)計的重要性，從而阻礙了我們對計算學(xué)科的深入認(rèn)識，削弱了我們宣傳和展現(xiàn)計算學(xué)科的深度和廣度的力量，并使喜歡迎接挑戰(zhàn)的最優(yōu)秀的學(xué)生離這個學(xué)科而去。這類觀點還否定了計算科學(xué)是理論與實踐密切的、有機(jī)的、協(xié)調(diào)一致的產(chǎn)物，并將使我們誤入歧途。 作為計算學(xué)科的學(xué)生，應(yīng)該知道，程序設(shè)計只是計算學(xué)科課程中固定練習(xí)的一部分，是每一個計算學(xué)科專業(yè)的學(xué)生應(yīng)具備的能力。同時，程序設(shè)計語言還是獲得計算機(jī)重要特性的一個有力工具。8.2.7計算學(xué)科目前的核心課程能否培養(yǎng)學(xué)生計算方面的能力

就培養(yǎng)能力而言，目前，一些大學(xué)的核心計算課程的設(shè)置是不合適的。主要存在以下幾方面的問題： （1）面向計算學(xué)科方法論的思維能力是培養(yǎng)學(xué)生能力的重要內(nèi)容，而目前多數(shù)高校計算課程中尚未將此作為其有機(jī)的組成部分。 （2）計算領(lǐng)域的歷史內(nèi)容常常不被強(qiáng)調(diào)，以致許多畢業(yè)生忽視計算學(xué)科的歷史，重復(fù)原來的錯誤。 （3）許多計算專業(yè)的學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域，而他們學(xué)習(xí)的課程并沒有注重培養(yǎng)這方面的能力。這種能力究竟應(yīng)該由計算機(jī)系來培養(yǎng)，還是由商業(yè)系來培養(yǎng)是一個長期爭論的老問題。 （4）計算領(lǐng)域典型的實踐活動包括設(shè)置和實驗，為大型協(xié)作課題做貢獻(xiàn)，以及和其他學(xué)科的交流等等，以便讓他們能有效地運用計算學(xué)科的抽象和理論知識。但是，目前，大多數(shù)課程忽視了對實驗室操作、集體項目和交叉學(xué)科的研究。8.2.8在計算課程中如何做到理論與實踐相結(jié)合

這個問題實際上就是如何做到將課堂上講授的原理與實驗室培養(yǎng)的技能緊密結(jié)合的問題。ACM和IEEE/CS的專家們非常重視這個問題，他們從實驗室工作的3個目的出發(fā)，介紹了解決這個問題的一般方法： （1）提供具體經(jīng)驗。實驗室必須提供將課堂上講授的原理運用于實際軟件和硬件的設(shè)計、實現(xiàn)和測試的具體經(jīng)驗，以培養(yǎng)學(xué)生關(guān)于實際計算的感性認(rèn)識，幫助學(xué)生理解抽象概念。 （2）強(qiáng)調(diào)程序設(shè)計。必須強(qiáng)調(diào)學(xué)生對實驗室技術(shù)、硬件能力、軟件工具的正確理解和運用。實驗室主機(jī)上要求備有許多的軟件工具以及實驗和方案的適當(dāng)文檔，并教會學(xué)生如何正確地使用這些工具及文檔。 （3）介紹試驗方法。包括對試驗的使用和設(shè)計、軟件和硬件監(jiān)控器、結(jié)果的統(tǒng)計分析，以及研究結(jié)果的適當(dāng)陳述，使學(xué)生們懂得如何將粗心的觀察和細(xì)心的試驗區(qū)別開來。 實驗課題應(yīng)與課堂講授的材料相協(xié)調(diào)。個人實驗課題一般探討硬件與軟件的結(jié)合。根據(jù)不同的情況，實驗作業(yè)可以強(qiáng)調(diào)簡化軟件開發(fā)過程的技術(shù)與工具，或強(qiáng)調(diào)分析和測量已有軟件或比較已知的算法，還有的則可以強(qiáng)調(diào)基于課堂上所學(xué)原理的程序開發(fā)。8.2.9發(fā)明與創(chuàng)新

創(chuàng)新和創(chuàng)造，以及發(fā)明和發(fā)現(xiàn)是人們經(jīng)常提到的幾個概念，這幾個概念也容易被人們所混淆。為便于理解，我們先介紹發(fā)現(xiàn)與發(fā)明；然后，介紹創(chuàng)造與創(chuàng)新，以及發(fā)明與創(chuàng)新的關(guān)系；最后，介紹創(chuàng)新的兩個重要特征：新穎性和價值性。 1.發(fā)現(xiàn)與發(fā)明 發(fā)現(xiàn)是對客觀規(guī)律、事物的首先正確認(rèn)知。發(fā)現(xiàn)的結(jié)果原來是客觀存在的，只是后來才被人們正確認(rèn)識。比如物質(zhì)的本質(zhì)、現(xiàn)象、運動規(guī)律等，不管你是否發(fā)現(xiàn)，它本來就是客觀存在的。后來你首先認(rèn)識到了，就是發(fā)現(xiàn)。 發(fā)明屬于科技成果在某領(lǐng)域中的新創(chuàng)造。通常指人們做出的前所未有的成果。這種成果包括有形的物品和無形的方法等，其特征是這些物品或方法在發(fā)明前客觀上是不存在的。技術(shù)研究前的重要成果多屬發(fā)明。發(fā)明注重首創(chuàng)性，可以申請發(fā)明專利。 發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的區(qū)別是：發(fā)現(xiàn)是認(rèn)識世界，發(fā)明是改造世界。發(fā)現(xiàn)要回答“是什么”、“為什么”、“能不能”問題，主要屬于非物質(zhì)形態(tài)財富；發(fā)明要回答“做什么”、“怎么做”、“做出來有什么用”等問題，主要是知識的物化，體現(xiàn)在能直接創(chuàng)造物質(zhì)財富。

2．創(chuàng)造與創(chuàng)新 創(chuàng)造就是人們?yōu)榱藢崿F(xiàn)開發(fā)前所未有的獨創(chuàng)性成果目標(biāo)，借助有靈感激發(fā)的高智能勞動，產(chǎn)生新社會價值成果的活動。這個成果是指新概念、新設(shè)想、新理論，也可以指新技術(shù)、新工藝、新產(chǎn)品，要求新穎、獨特、有社會價值。 創(chuàng)新，是由美籍奧地利經(jīng)濟(jì)學(xué)家約瑟夫·熊彼特（J.A.Sheumpeter）于1912年首先提出來的。他認(rèn)為，創(chuàng)新是指一種生產(chǎn)函數(shù)的轉(zhuǎn)移，或是一種生產(chǎn)要素與生產(chǎn)條件的重要組合，其目的在于獲取潛在的超額利潤。他還認(rèn)為，創(chuàng)新是發(fā)明的第一次商業(yè)化應(yīng)用，并將創(chuàng)新概括為以下五種形式： （1）生產(chǎn)新的產(chǎn)品； （2）引進(jìn)新的生產(chǎn)方式； （3）開辟新的市場； （4）開拓并利用新的材料或半成品的供給來源； （5）采用新的組織方法。

由此可見，熊彼特的創(chuàng)新概念實質(zhì)上是一個經(jīng)濟(jì)學(xué)意義上的概念。創(chuàng)新的概念還有多種解釋，目前，較為一致的看法是：創(chuàng)新是新設(shè)想（或新概念）發(fā)展到實際和成功應(yīng)用的階段。因此，可以認(rèn)為，創(chuàng)造強(qiáng)調(diào)的是新穎性和獨特性，而創(chuàng)新強(qiáng)調(diào)的是創(chuàng)造的某種社會實現(xiàn)?，F(xiàn)在常講的創(chuàng)新，從廣義上援引了這個概念，比如知識創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、理論創(chuàng)新、管理創(chuàng)新、制度創(chuàng)新等等。 創(chuàng)造著重指“首創(chuàng)”，是一個具體結(jié)果。創(chuàng)新是創(chuàng)造的過程和目的性結(jié)果，側(cè)重宏觀影響的結(jié)果。如蒸汽機(jī)的出現(xiàn)是發(fā)明，而將它應(yīng)用于其它工業(yè)，則是創(chuàng)新。創(chuàng)新更重經(jīng)濟(jì)性、社會性和價值性。

3．發(fā)明與創(chuàng)新的關(guān)系 在創(chuàng)新的過程中，需要發(fā)明，但發(fā)明不可預(yù)測，也不能計劃，而創(chuàng)新可以預(yù)測，可以有計劃地去做?，F(xiàn)在有人把發(fā)明看得很重，而輕視創(chuàng)新。應(yīng)該說，發(fā)明很重要，但發(fā)明只是第一步，真正要有用，就得創(chuàng)新。據(jù)有關(guān)資料介紹，全球申請的發(fā)明專利真正推廣應(yīng)用的不到15%。

4．創(chuàng)新的兩個重要特征 我國《高等教育法》明確規(guī)定：高等教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才。 創(chuàng)新，就是創(chuàng)造性地提出問題和創(chuàng)造性地解決問題。具體地說，它是指個體根據(jù)一定的目的和任務(wù)，利用已知的一切條件，產(chǎn)生出新穎、有價值的成果的認(rèn)知和行為活動。它有兩個重要特征：新穎性、價值性。 根據(jù)新穎性在時間和地域范圍上的層次性可將創(chuàng)新劃分為三個層次： （1）低級層次：只對創(chuàng)造者個人來說是前所未有的。如人們在日常生活、工作中提出的一些新問題及新建議等等。 （2）中間層次：具有地區(qū)、行業(yè)的新穎性，具有一般的社會價值，能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。如一個新的旅游項目的開發(fā)、新醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)等等。 （3）最高層次：具有原創(chuàng)性，具有巨大的歷史價值，甚至可以改變整個社會的理念、改變科學(xué)和技術(shù)的面貌。如創(chuàng)建一個科學(xué)理論體系、提出一種新的劃時代的思想等。 德國國家信息技術(shù)研究中心（GMD）主席DennisTsichritzis認(rèn)為，創(chuàng)新至少具有以下四個過程： （1）提出新思想。極具生命力的新思想可以改變一個理論，然后改變實踐這一新理論的活動。出版科學(xué)論文的目的就是通過同行的審查來證實其新穎性和原創(chuàng)性。 （2）產(chǎn)生新實踐。 （3）產(chǎn)生新產(chǎn)品。 （4）開拓新業(yè)務(wù)。 前3個過程是研究中心的主旨，計算學(xué)科與大多數(shù)學(xué)科一樣，將第一個過程置于最有價值的地位。8.2.10關(guān)于能力的培養(yǎng)

教育的目的就是要培養(yǎng)學(xué)生從事某一領(lǐng)域的工作能力。工作能力，也就是有效的活動能力，它是評價一個人在本領(lǐng)域從事獨立的實踐活動水平的標(biāo)準(zhǔn)，這個評價標(biāo)準(zhǔn)是基于本領(lǐng)域的歷史的。 培養(yǎng)能力的教育過程有5個步驟： （1）引起學(xué)習(xí)該領(lǐng)域的動機(jī)； （2）充分展示該領(lǐng)域能做什么； （3）揭示該領(lǐng)域的特色； （4）追溯這些特色的歷史根源； （5）實踐這些特色。 計算領(lǐng)域的工作者應(yīng)該具備什么能力？大致有以下兩類能力： （1）面向計算學(xué)科的思維能力：發(fā)現(xiàn)本領(lǐng)域新的特性的能力。這些特性將導(dǎo)致新的活動方式和新的工具的產(chǎn)生。面向計算學(xué)科的思維能力應(yīng)包含兩層意思：其一是面向計算學(xué)科方法論的思維能力；其二是面向計算學(xué)科的數(shù)學(xué)思維能力。

在面向計算學(xué)科的思維方式這類問題上，戴克斯特拉教授告誡我們，在計算機(jī)科學(xué)的教學(xué)過程中不要用擬人化的術(shù)語，而要用數(shù)學(xué)的形式化方法。他認(rèn)為，教給無所懷疑的年輕人有效地使用形式化的方法，是人生的一件快事，因為回報豐厚，學(xué)生不久將激動地發(fā)現(xiàn)，一旦掌握了形式化這種簡單的思想工具，不僅將給他帶來一種完全超過自己原有的、粗放的、夢想的能力，而且，還將給他帶來認(rèn)識客觀世界的新途徑，以及建立在此基礎(chǔ)上的，全新的、可觀的自信心。 （2）使用工具的能力：使用本領(lǐng)域的工具有效地進(jìn)行其他領(lǐng)域?qū)嵺`活動的能力。 在以上兩種能力中，面向計算學(xué)科的思維能力是大學(xué)計算專業(yè)課程設(shè)計的主要目的。當(dāng)然，計算專業(yè)的工作者也應(yīng)當(dāng)熟悉工具，以便與其他學(xué)科的人們有效地合作，進(jìn)行那些學(xué)科的設(shè)計活動。8.2.11難度、復(fù)雜度與能力

在教學(xué)過程中，相當(dāng)多的教師采用增加難度而非提高復(fù)雜程度（復(fù)雜度）的方法來培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。這源于對復(fù)雜度和難度兩個概念的混淆，這種混淆限制了教育學(xué)中著名的Bloom分類法對提高學(xué)生思維能力的作用。 1.難度與復(fù)雜度之間的差異 美國人蘇珊（DavidA.Sousa）在其著作《腦與學(xué)習(xí)》（HowtheBrainLearns）一書中指出：復(fù)雜度和難度針對的是兩種完全不同的心理操作過程，復(fù)雜度針對的是大腦處理信息時所運用的思維過程；而難度針對的是一個人在同一復(fù)雜程度內(nèi)完成學(xué)習(xí)目標(biāo)所需要付出努力的量。 Bloom分類法是20世紀(jì)50年代提出的一種思維模型，它將人類思維的復(fù)雜程度劃分為六個水平（圖8.1），從簡單到最復(fù)雜，依次為知識、理解、應(yīng)用、分析、綜合和評估。雖然有六個不同的水平，但其難度等級區(qū)分并不那么嚴(yán)格，個體在不斷的學(xué)習(xí)過程中很容易從一種水平發(fā)展到另一種水平。圖8.1難度與復(fù)雜度分類水平圖例8.1請回答下面兩個問題，并分析它們的復(fù)雜程度：第一個問題：中國的首都在哪里？第二個問題：用自己的話解釋首都的含義。答：北京是中國的首都。首都是國家最高政權(quán)機(jī)關(guān)的所在地，是國家的政治中心。第一個問題屬于知識水平層（最下層）的問題，第二個問題屬于理解水平層（倒數(shù)第二層）的問題。顯然，第二個問題比第一個問題的復(fù)雜程度要高一層。

例8.2分析下面問題的復(fù)雜程度和難度： 第一個問題：說出中國的首都名稱。 第二個問題：說出中國各省及省會城市的名稱； 第三個問題：按由北到南、由西到東的順序說出中國各省及其省會的名稱。 答：第一個問題屬于知識水平層的問題，只需簡單的記憶；第二個問題仍屬于知識水平層的問題，但其難度確較第一個問題困難，需要更多的記憶；第三個問題較前兩個問題都難，需要收集更多信息并按照方位進(jìn)行排列，而其所處的層次仍是知識水平層。這就是說，在復(fù)雜度沒有增加的情況下，難度增加了。 例子說明，在學(xué)習(xí)過程中，可能付出了很多努力，作了大量的知識積累，但思維水平卻依然停留在較低層次上。在教學(xué)過程中，為了迎接所謂的更大挑戰(zhàn)，人們往往會有意（或無意）地增加難度，而忽視復(fù)雜度的提高，使教學(xué)陷入一種不易察覺的誤區(qū)。 2.與人本身固有能力關(guān)系最大的是難度還是復(fù)雜度

前面講到了難度與復(fù)雜度之間的差異。現(xiàn)在要問：復(fù)雜度和難度哪一個與人的本身固有能力更密切相關(guān)呢？通常人們選擇復(fù)雜度，因為他們認(rèn)為只有那些本身能力較強(qiáng)的人，才能達(dá)到分析、綜合以及評估的層次。其實，錯了，真正地錯了！ 在Bloom目標(biāo)分類系統(tǒng)中，真正與人的本身固有能力關(guān)系最大的是難度，而不是復(fù)雜度。對復(fù)雜度與能力之間關(guān)系的誤解，往往基于實際存在的一種無意而又會自然實現(xiàn)的預(yù)言的結(jié)果。 假設(shè)在一個班級中，我們對學(xué)生進(jìn)行劃分。將學(xué)生分為學(xué)得快、平均水平和學(xué)得慢的三類學(xué)生。在教學(xué)中，根據(jù)一般水平學(xué)生所需要的學(xué)習(xí)時間來安排課時。這樣就會出現(xiàn)下面的三種情況： （1）學(xué)得快的學(xué)生：在規(guī)定時間里，提前完成學(xué)習(xí)任務(wù)，用剩下的時間進(jìn)行分類； （2）平均水平的學(xué)生：用于學(xué)習(xí)的時間剛好； （3）學(xué)得慢的學(xué)生：只滿足了學(xué)習(xí)部分內(nèi)容的時間，還需用額外的學(xué)習(xí)時間。 學(xué)習(xí)快的學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)提前學(xué)完，在余下的時間里，可以根據(jù)對概念的深入理解而對概念進(jìn)行分類（如對重要概念和次要概念進(jìn)行劃分）。這就是為什么學(xué)得快的學(xué)生常常提升的也快。學(xué)得慢的學(xué)生則需要花更多的時間學(xué)習(xí)概念，沒有足夠時間對概念進(jìn)行深入學(xué)習(xí)和整理分類。當(dāng)教師試圖達(dá)到更高的學(xué)習(xí)目標(biāo)時，學(xué)得快的學(xué)生能夠在工作記憶中加工概念的重要屬性，以便在更高級的思維水平上進(jìn)行運用。而學(xué)得慢的學(xué)生由于沒有時間分類，在工作記憶中會受到其他各種重要或不重要的信息干擾，不能識別出更復(fù)雜的加工所需要的部分。就如同一個人在長途跋涉中，背著5個大包袱，不堪重負(fù)。基于這樣的結(jié)果，長期以往，人們就會認(rèn)為學(xué)得快的學(xué)生才具有高級思維。 在Bloom的研究中，他讓學(xué)得慢的學(xué)生不必去學(xué)習(xí)那些無關(guān)的材料，從一開始就將重點集中于關(guān)鍵的內(nèi)容和重要的信息上。當(dāng)教師逐步提高分類中的思維水平時，這些學(xué)生在某些方面要好于對照組的學(xué)生。在教師區(qū)分了復(fù)雜程度和難度時，就會對Bloom的分類法產(chǎn)生新的認(rèn)識，這樣可以使更多學(xué)生取得更大的成功。換言之，削減與個人本身固有能力密切相關(guān)的學(xué)習(xí)難度，把更多時間集中用于提升學(xué)習(xí)的復(fù)雜程度，是提高一個人的學(xué)習(xí)能力、達(dá)到更高層次目標(biāo)的關(guān)鍵。 Bloom的研究帶給我們一個非常重要的啟示：那就是，我們可以依據(jù)分類法進(jìn)行大學(xué)專業(yè)課程的改革。 為了讓出更更多的時間讓學(xué)生進(jìn)行高水平的思維。一種有效的方法就是：對一個課程中所有的概念進(jìn)行合理均衡的設(shè)置，刪除底層最不重要的20%至25%的概念。在這種分類和削減后，將獲得的增加的時間，用于促進(jìn)學(xué)生向分類系統(tǒng)中高級思維水平發(fā)展。最后，將這些概念與過去所學(xué)的內(nèi)容結(jié)合在一起，使之與其他課程領(lǐng)域中適當(dāng)?shù)母拍盥?lián)系起來。 由此可見，若教師不再受實現(xiàn)自我預(yù)言的影響，他們就能使那些學(xué)得慢的學(xué)生成功地進(jìn)行高級思維，最終成為國家的杰出人才。8.2.10科學(xué)素養(yǎng)

眾所周知，提高公眾的科學(xué)素養(yǎng)（ScienceLiteracy），對于一個國家、一個民族的發(fā)展后勁，以及前途都至關(guān)重要。鑒于此，不少國家已將理工科專業(yè)課程教學(xué)改革的首要目標(biāo)確定為提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。 科學(xué)素養(yǎng)的基本要素是科學(xué)知識，科學(xué)素養(yǎng)的核心要素是科學(xué)的思維方式，科學(xué)素養(yǎng)的靈魂是科學(xué)的精神，它體現(xiàn)的是對科學(xué)的關(guān)心和熱愛，是人們從事科學(xué)事業(yè)的基礎(chǔ)。下面，介紹科學(xué)素養(yǎng)的定義，科學(xué)的性質(zhì)，學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及計算學(xué)科學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)等內(nèi)容。

1.科學(xué)素養(yǎng)的定義 1996年初出版的美國《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（TheNationalScienceEducationStandards）對科學(xué)素養(yǎng)作了如下定義： 科學(xué)素養(yǎng)就是對個人決策、參與公共和文化事務(wù)以及經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)所需要的科學(xué)概念和過程的知識和理解。具有科學(xué)素養(yǎng)的人能夠提出、發(fā)現(xiàn)和解答與日常體驗有關(guān)的問題。他們能夠描述、解釋和預(yù)言自然現(xiàn)象。 科學(xué)素養(yǎng)有不同的程度和形式，人的一生中科學(xué)素養(yǎng)都在不斷發(fā)展和深化，而不僅僅局限于在校期間。這一標(biāo)準(zhǔn)概括了每一個公民一生科學(xué)素養(yǎng)的不斷提高所必要的廣泛的知識和技能基礎(chǔ)，同時也為那些有志于科學(xué)事業(yè)的人們奠定了基礎(chǔ)。 2.科學(xué)的性質(zhì) 對科學(xué)素質(zhì)的定義首先來自對科學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識。下面，介紹美國面向21世紀(jì)人才培養(yǎng)的“2061計劃”在《面向全體美國人的科學(xué)》（ScienceForAllAmericans）一書中有關(guān)“科學(xué)的性質(zhì)”的內(nèi)容，包括科學(xué)性質(zhì)的三個主題：科學(xué)世界觀、科學(xué)的探索方法和科學(xué)事業(yè)的本質(zhì)。 （1）科學(xué)世界觀 科學(xué)世界觀是科學(xué)家對自己所從事的工作的一些基本信念和態(tài)度。下面，介紹科學(xué)世界觀的具體內(nèi)容。 a.世界是可被認(rèn)知的。宇宙是一個巨大的單一系統(tǒng)。科學(xué)家們相信，宇宙間的眾多事物都以恒定的規(guī)律發(fā)生和發(fā)展，人們通過認(rèn)真的、系統(tǒng)的研究都是可以認(rèn)知的。 b.科學(xué)理念是會變化的。在科學(xué)界，不管理論新舊，總是在不斷地對其進(jìn)行驗證、修改，有時還會拋棄?？茖W(xué)家認(rèn)為，即使無法獲得絕對正確的真理，得到日益精確的近似真理還是可以做到的。新的觀察發(fā)現(xiàn)可以對流行的理論提出挑戰(zhàn)。無論一種理論對一組現(xiàn)象的解釋多么完美，但可能還有其他理論也同樣適用。 c.科學(xué)知識的持久性。雖然科學(xué)家反對能獲得絕對真理的概念，但絕大部分知識都具有持久性。例如，愛因斯坦創(chuàng)立相對論時，不是完全否定牛頓的物體運動定律，而是指出在一個更廣泛的概念中，牛頓定律是一條只能有限度運用的近似的定律。連續(xù)性和穩(wěn)定性如同變化一樣都是科學(xué)的特征。 d.科學(xué)不能為所有問題提供完整答案。世間有許多事物不能用科學(xué)方法檢驗。例如，信仰就其本性是不能證明或否定的(例如，超自然力和事物的存在，以及生活的真正目的)。在另外一些場合，一些有效的科學(xué)方法還可能遭致某些相信奇跡、算命、占星術(shù)和迷信的人的反對。 （2）科學(xué)的探索方法 從根本上來說，科學(xué)的各學(xué)科在依靠證據(jù)、利用假設(shè)和理論、運用邏輯推理等許多方面是相同的。然而科學(xué)家在調(diào)查現(xiàn)象，開展工作，使用的基本原理、定性或定量的分析方法不盡相同。不過，科學(xué)家之間在技術(shù)、信息和概念方面的交流不斷進(jìn)行著，他們對什么構(gòu)成科學(xué)上有效的調(diào)查研究有著共同的認(rèn)識。 盡管科學(xué)的某些特性是職業(yè)科學(xué)家工作所特有的，但是，每個人在科學(xué)地思考日常生活中的有趣事物時，都可以運用它們。下面，介紹科學(xué)探索方法的具體內(nèi)容。

a.科學(xué)需要證據(jù)?？茖W(xué)主張的正確性要通過對現(xiàn)象的觀察來判定。在某些場合，科學(xué)家們可以自由地控制條件，準(zhǔn)確地獲得證據(jù)。但是，有些控制條件無法實現(xiàn)，必須在足夠廣闊的范圍和與自然界相似的環(huán)境下進(jìn)行觀察，才能推斷出各種因素產(chǎn)生的影響。由于科學(xué)需要證據(jù)，所以，開發(fā)新的、更好的觀察儀器和觀察技術(shù)就有重大的價值。 b.科學(xué)是邏輯和想象的融合。對科學(xué)發(fā)展來說，運用邏輯推理和嚴(yán)密地核查證據(jù)是必需的。但是，科學(xué)概念不會僅從數(shù)據(jù)中、從一定量的分析中自動地形成。提出假設(shè)，構(gòu)建理論來想象這個世界是怎樣運轉(zhuǎn)的，然后再解決假設(shè)和理論如何能夠接受現(xiàn)實的檢驗問題。有些科學(xué)發(fā)現(xiàn)完全是意外中偶然獲得的。但是，通常要具有知識和創(chuàng)造性的洞察力才能認(rèn)識到這種意外事物的意義。

c.科學(xué)解釋和預(yù)見?？茖W(xué)的本質(zhì)是通過觀察驗證。但是，科學(xué)理論只適用已經(jīng)觀察到的現(xiàn)象是不夠的，也就是說，科學(xué)理論還應(yīng)具有預(yù)見性。證明某種理論的預(yù)見性并非必然要求預(yù)測未來的事件，預(yù)測也可以是以仍未被發(fā)現(xiàn)或研究過的證據(jù)。例如，人類起源的理論已由新發(fā)現(xiàn)的猿人化石證實。 d.科學(xué)家要避免偏見。當(dāng)科學(xué)家面對一個聲稱正確的事物時，就會反問“如何證實”。由于對數(shù)據(jù)的解釋不同，記錄或報告方式不同，以及選取什么樣的數(shù)據(jù)，科學(xué)驗證可能會被歪曲?？茖W(xué)家的國籍、性別、民族、年齡、政治信仰等等都可能影響他們偏向?qū)で蠡驈?qiáng)調(diào)這種或那種數(shù)據(jù)或解釋。在一個研究領(lǐng)域，防范難于察覺的偏見，其措施就是讓許多不同的研究人員或研究小組參與這項工作。

e.科學(xué)不仰仗權(quán)威。從長遠(yuǎn)的觀點來看，沒有一個科學(xué)家可以代表絕對真理。在科學(xué)史上，著名的科學(xué)權(quán)威也曾多次出現(xiàn)過錯誤。從近期角度來看，與主導(dǎo)思想大相徑庭的新概念可能遭到強(qiáng)烈的批評，從事這項研究的科學(xué)家也很難得到支持。在創(chuàng)立正確的學(xué)說時，向新概念挑戰(zhàn)是正常的。這樣就很可能使最有聲望的科學(xué)家拒絕接受新的理論，盡管已有足夠的證據(jù)使很多一般科學(xué)家信服。然而，從長遠(yuǎn)的觀點來看，理論是由結(jié)果來判斷的。當(dāng)一些人提出一個新的，或者經(jīng)過改進(jìn)的理論后，若新理論比舊理論能解釋更多的現(xiàn)象，或者回答更重要的問題，新理論就會漸漸地取代舊理論。

（3）科學(xué)事業(yè) 科學(xué)作為一項事業(yè)，具有個人、社會和團(tuán)體三個層面。科學(xué)活動是當(dāng)今世界的主要特征之一，與其他特征相比，科學(xué)或許更能把我們這個時代同以前的各個時代區(qū)別開來。下面，介紹科學(xué)事業(yè)的具體內(nèi)容。

a.科學(xué)是一項復(fù)雜的社會活動。科學(xué)工作涉及許多個體去從事許多不同的工作，科學(xué)在一定程度上在世界各國范圍內(nèi)進(jìn)行。作為一項社會活動，科學(xué)不可避免地要反映社會價值和社會觀點。例如，20世紀(jì)以前，婦女和黑人由于受到教育和就業(yè)機(jī)會的限制，基本上被排斥在大部分科學(xué)研究之外，即使極少數(shù)人能夠克服這種障礙，他們的研究工作也會受到科學(xué)機(jī)構(gòu)的輕視。進(jìn)入20世紀(jì)以后，這種狀況才有所好轉(zhuǎn)。 b.科學(xué)由學(xué)科內(nèi)容組成，由不同機(jī)構(gòu)研究。組織形式上，科學(xué)是所有不同科學(xué)領(lǐng)域或不同學(xué)科的有機(jī)結(jié)合。

c.科學(xué)研究中有著普遍接受的道德規(guī)范。大部分科學(xué)家的自身行為都能符合科學(xué)研究的道德規(guī)范。恪守準(zhǔn)確記錄、研究公開、反復(fù)驗證的傳統(tǒng)，研究工作受到同行的嚴(yán)格核查等等，這些傳統(tǒng)使絕大多數(shù)科學(xué)家都具有良好的職業(yè)道德規(guī)范。然而，有時由于受到當(dāng)最先公布一種理論或一項觀察結(jié)果所帶來聲譽(yù)的壓力，一些科學(xué)家不愿公開這些資料，甚至篡改他們的發(fā)現(xiàn)。這種對科學(xué)本性的褻瀆阻礙了科學(xué)的發(fā)展，一旦發(fā)現(xiàn)這種情況，就會受到科學(xué)界和研究資助機(jī)構(gòu)的強(qiáng)烈譴責(zé)。 d.科學(xué)家在參與公共事務(wù)時，既是科學(xué)家又是公民?？茖W(xué)家可以通過提供信息、見解和分析技巧，影響為公眾所關(guān)心的事物，他們往往能夠幫助公眾以及公眾的代理人了解事件產(chǎn)生的原因（如自然災(zāi)害和技術(shù)災(zāi)害），估計規(guī)劃政策的潛在后果（如各種耕種方法對生態(tài)的影響）。當(dāng)科學(xué)家發(fā)揮顧問的作用時，科學(xué)家試圖區(qū)別事實和解釋，研究結(jié)果和猜測意見時，人們總是期望他們極其小心謹(jǐn)慎。這就是說人們希望他們能充分地利用科學(xué)探索的各項原則。 在工作中，雖然科學(xué)家們盡最大努力避免自己和他人的偏見，但是，當(dāng)公共利益以及他們個人的利益、合作伙伴的利益、本單位的利益和本社區(qū)的利益受到威脅時，他們也會同別人一樣產(chǎn)生偏見。例如，由于對科學(xué)的偏愛，許多科學(xué)家在比較科學(xué)研究和其他社會需求的資金分配時，可能就不太客觀。

3.學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 《面向全體美國人的科學(xué)》是數(shù)百名科學(xué)家、數(shù)學(xué)家、工程師、醫(yī)師、哲學(xué)家、歷史學(xué)家和教育家三年全作的結(jié)晶，這是一本關(guān)于人的科學(xué)素養(yǎng)的書。他們認(rèn)為：教育的最高目標(biāo)是為了使人們能夠過一個實現(xiàn)自我和負(fù)責(zé)任的生活做準(zhǔn)備。他們還認(rèn)為：如果廣大公眾不了解科學(xué)、數(shù)學(xué)和技術(shù)，以及沒有科學(xué)的思維習(xí)慣，科學(xué)技術(shù)提高生活的潛力就不能發(fā)揮。沒有科學(xué)素養(yǎng)的民眾，美好世界的前景是沒有指望的。 美國《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中的標(biāo)準(zhǔn)共分八個類別：統(tǒng)一概念和過程；作為探究的科學(xué)；物質(zhì)科學(xué)；生命科學(xué)；地球和空間科學(xué)；科學(xué)與技術(shù)；個人和社會視角中的科學(xué)；科學(xué)的歷史和本質(zhì)。美國《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》不僅將所有科學(xué)類課程的最終目標(biāo)確定為提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，而且還以標(biāo)準(zhǔn)的形式規(guī)定了學(xué)生從幼兒園到高中需要學(xué)習(xí)的知識和技能。

4.計算學(xué)科學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng) 對計算學(xué)科而言，可以按照IEEE/CS和ACM的要求，將學(xué)科中富有智慧的思想與方法（這是更具體的、易于使用的面向?qū)W科的科學(xué)思維方式）放在最重要的地位，將學(xué)科知識鎖定在有限的核心知識單元（或核心概念）上，繼續(xù)強(qiáng)調(diào)社會和職業(yè)問題對學(xué)科發(fā)展的影響。對于計算學(xué)科所有的專業(yè)課程，將其教學(xué)改革的目標(biāo)，確定為盡可能的提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，或更為具體的專業(yè)素養(yǎng)，在專業(yè)課程的教學(xué)過程中，不斷地、有意識的側(cè)重于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。與之配套，將專業(yè)評估的目標(biāo)（盡可能具體）也鎖定在科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)上。若能如此，計算學(xué)科的人才培養(yǎng)必定更為明確和良性。8.3計算教育未來的展望

計算學(xué)科的迅猛發(fā)展，對計算教育的內(nèi)容、思想方法和手段均產(chǎn)生了深刻的影響。下面，我們以CC200X系列報告為基礎(chǔ)，從計算技術(shù)的變化和文化的改變兩方面，對計算教育當(dāng)前面對的一些問題作出回答，并給出制定新的教學(xué)計劃的原則，同時，還對未來計算教育的發(fā)展趨勢作一些簡要的分析和展望。 8.3.1技術(shù)的變化 從計算學(xué)科3個形態(tài)的內(nèi)容來看，影響計算領(lǐng)域變化的不是來自其抽象和理論兩個形態(tài)的東西，而主要是來自其設(shè)計形態(tài)的內(nèi)容，即來自于技術(shù)的進(jìn)步，這就是我們只討論計算技術(shù)的改變對計算學(xué)科教育影響的原因。

1965年，Intel公司的創(chuàng)始人摩爾（GordonMoore）提出了著名的摩爾定律，他預(yù)測微處理器處理速度每18個月要增加一倍，該定律至今仍然適用。結(jié)果，我們已經(jīng)看到，可以獲得的計算能力呈指數(shù)增長，這使得在短短的幾年前尚不能解決的問題有可能得到解決。該學(xué)科的其他變化，比如萬維網(wǎng)出現(xiàn)后網(wǎng)絡(luò)的迅猛增長更富戲劇性，這表明該變化也是革命性的。漸進(jìn)的和革命性的變化都使計算領(lǐng)域所要求的知識體系和教育過程受到影響。過去十多年的技術(shù)進(jìn)步使許多課程的主題內(nèi)容變得更加重要，比如下列各項： （1）WWW及其應(yīng)用； （2）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，尤其是基于TCP/IP的技術(shù)； （3）圖形學(xué)和多媒體； （4）嵌入式系統(tǒng)； （5）關(guān)系數(shù)據(jù)庫； （6）面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計； （7）先進(jìn)的應(yīng)用程序接口（API）的應(yīng)用；

（8）人機(jī)交互； （9）軟件安全； （10）安全與加密。 鑒于以上主題重要性的日益突出，把它們收入大學(xué)本科的課程之中是理所應(yīng)當(dāng)?shù)摹５?dāng)前的現(xiàn)狀是，大多數(shù)學(xué)校的教學(xué)計劃，在不減少如匯編語言程序設(shè)計、形式語義學(xué)和數(shù)值分析等傳統(tǒng)課程學(xué)時的情況下，很難增加新的主題。 8.3.2文化的改變 計算教育也受到文化變更和變更賴以發(fā)生的社會背景的影響。例如，以下變化都對教育過程的性質(zhì)產(chǎn)生了影響。 （1）新技術(shù)帶來了教育方法的改變 推動計算學(xué)科最新發(fā)展的技術(shù)變革與教育文化都有直接的聯(lián)系。例如，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使分布在大范圍內(nèi)的機(jī)構(gòu)和學(xué)校可以共享課程資料，從而使遠(yuǎn)程教育得以實現(xiàn)和發(fā)展。同時，新技術(shù)也影響了教育學(xué)的性質(zhì)，計算學(xué)科的講授方式較過去有了很大變化。計算教程的設(shè)計必須把這些引起變化的技術(shù)考慮在內(nèi)。

（2）計算的發(fā)展影響了教育的變革 在過去的十多年里，計算領(lǐng)域已得到了大大的拓展，例如，20世紀(jì)90年代初，即使在像美國這樣發(fā)達(dá)的國家，上因特網(wǎng)的家庭也為數(shù)不多，而如今，上網(wǎng)已經(jīng)是一件很普通的事情了。計算領(lǐng)域的拓寬明顯地影響著教育的變革，這其中包括計算學(xué)科的學(xué)生對計算的了解程度及其應(yīng)用能力的提高，以及接觸與不接觸計算的人們之間技術(shù)水平的差距。（3）經(jīng)濟(jì)影響 人們對高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的極度狂熱，極大地影響了高等教育。對計算專家的巨大需求和能夠得到豐碩經(jīng)濟(jì)回報的前景吸引了許多學(xué)生涉足該領(lǐng)域，其中包括一些對計算專業(yè)幾乎沒有一點內(nèi)在興趣的學(xué)生。而產(chǎn)業(yè)的大量需求，使得高等學(xué)校的吸引力大大降低，造成人才的大量流失，反過來，又極大地影響著計算專業(yè)人才的培養(yǎng)。 （4）計算能否作為一門學(xué)科已不再是問題 在計算發(fā)展的初期，許多機(jī)構(gòu)還在為“計算”的地位而抗?fàn)?。畢竟，那時候它還是一個新的科目，沒有支持其他多數(shù)學(xué)術(shù)領(lǐng)域的歷史基礎(chǔ)。在某種程度上，這個問題貫穿了CC1991創(chuàng)作過程的始末。該報告與“計算作為一門學(xué)科”報告密切相關(guān)，并為“計算”的重要地位而進(jìn)行的抗?fàn)帿@得了勝利?，F(xiàn)在，計算學(xué)科已經(jīng)成為許多大學(xué)最大最活躍的學(xué)科之一，同時再也沒有必要為把計算教育是否列入學(xué)科而進(jìn)行爭論了。現(xiàn)在的問題是找到一種方法來滿足這種需求。 （5）計算學(xué)科的拓展 隨著計算學(xué)科的成長及其合法地位的確定，計算學(xué)科的研究范圍得到了擴(kuò)展。早年，計算主要聚焦在計算機(jī)科學(xué)上，其基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)和電氣工程。而近些年來，計算學(xué)科已發(fā)展成為一個更大更具包容性的領(lǐng)域，開始涉及到越來越多的其他領(lǐng)域，如數(shù)學(xué)、科學(xué)、工程和商業(yè)等。 CC2001任務(wù)組認(rèn)為，理解計算學(xué)科的拓展對計算教育的影響，是我們工作的重要組成部分。為此，CC2001認(rèn)為，與計算相關(guān)的處于主導(dǎo)地位的專業(yè)有：計算機(jī)科學(xué)、信息系統(tǒng)、計算機(jī)工程、軟件工程等。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，CC2004報告，增加了一個新的主導(dǎo)專業(yè)，即信息技術(shù)?，F(xiàn)在，這幾個專業(yè)的知識體和核心課程報告已被提交。我國教育部高等學(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會還制定的相應(yīng)的計算機(jī)科學(xué)、計算機(jī)工程、軟件工程、信息技術(shù)專業(yè)規(guī)范。8.3.3制定教學(xué)計劃的原則 基于對過去課程報告的分析和前面所列學(xué)科的變化，CC2001工作組為制定教學(xué)計劃確定了以下原則： （1）教學(xué)計劃必須對新的分支學(xué)科有一定的敏感度，并且確保計算基礎(chǔ)課程能為更廣大范圍的人們服務(wù)。 （2）教學(xué)計劃仍要強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)課程及實驗工作的重要性，做到理論和實踐有機(jī)地結(jié)合在一起。CC2001明確贊成CC1991所闡述的觀點：掌握這個學(xué)科不僅包括理解基本的主題，而且要理解這些概念在解決現(xiàn)實世界問題時的適用性。 （3）建立一種允許該教程的各組成部分循環(huán)更新的方法，以適應(yīng)計算學(xué)科的快速發(fā)展?？紤]到我們學(xué)科變化的速度，每隔10年更新教程的做法已經(jīng)行不通了，應(yīng)做到隨時對相應(yīng)的課程進(jìn)行檢查、更新。

（4）必須超越知識單元，并能有效地指導(dǎo)單個課程的設(shè)計。盡管CC1991使用的知識單元結(jié)構(gòu)能提供一個有用的知識框架，但大多數(shù)的學(xué)校需要的是更詳細(xì)的指導(dǎo)。明確描述一系列定義完好的模型將更便于各學(xué)校共享教育學(xué)的策略和工具，同時也為提供這些課程教材和其他資料的出版者提供了一個教學(xué)計劃框架。 （5）確定一個相對較小并要求所有計算學(xué)科學(xué)生掌握的核心知識單元的集合，以更大的彈性適應(yīng)計算學(xué)科的變革。CC2001任務(wù)組指出，核心知識單元包括計算機(jī)科學(xué)、計算機(jī)工程和其他類似命名的實質(zhì)性主題的內(nèi)容，這些內(nèi)容將是人們公認(rèn)的對本科生的基本要求。然而，核心本身并不能構(gòu)成完整的大學(xué)本科教程，它必須還要由另外的課程加以補(bǔ)充，可以根據(jù)不同的學(xué)校、不同的研究領(lǐng)域或者不同的學(xué)生而設(shè)置不同的課程。 （6）必須為所要求的核心以外的課程提供指導(dǎo)方針。除了指定該學(xué)科的基本核心以外，教學(xué)計劃還必須為作為更前沿領(lǐng)域技術(shù)選修課的高級課程提供指導(dǎo)方針。 （7）教學(xué)計劃在范圍上必須是國際性的。CC2001的目標(biāo)對象并不局限于美國一個國家，相反，它必須對全世界的計算專業(yè)人員都是有幫助的。

（8）教學(xué)計劃的編寫必須有產(chǎn)業(yè)方面人士的參與。多數(shù)計算學(xué)科本科畢業(yè)生將在產(chǎn)業(yè)界工作，為了使畢業(yè)生對他們即將面臨的工作崗位有一個充分的適應(yīng)和準(zhǔn)備過程，有必要在新教程的設(shè)計、發(fā)展和執(zhí)行中引進(jìn)從業(yè)人員的參與。 （9）教學(xué)計劃有必要在強(qiáng)調(diào)理論的同時，強(qiáng)調(diào)職業(yè)實踐。為了保證畢業(yè)生能夠順利地適應(yīng)新的工作環(huán)境，作為計算教育的一部分，必須使學(xué)生接受實踐的鍛煉。此外，這些實踐應(yīng)包括超出特定計算技能之外的廣闊的活動范圍，如管理、道德規(guī)范和價值觀念，書面和口頭的交流以及作為項目組成員的工作協(xié)調(diào)能力等。 （10）CC2001教學(xué)計劃必須滿足的其他要求： ①要充分概括計算學(xué)科的內(nèi)容，以滿足具有不同的重點和目標(biāo)的計算教學(xué)計劃的需求； ②要有足夠的靈活性，以便適時調(diào)節(jié)以適應(yīng)計算學(xué)科未來的發(fā)展； ③必須得到美國計算科學(xué)鑒定委員會與美國工程和技術(shù)鑒定委員會（TheAccreditationBoardforEngineeringandTechnology）以及其他國家類似組織的認(rèn)可。8