從心理學視角考察計算思維

從心理學視角考察計算思維從心理學視角考察計算思維，可以將其定義為“像計算機科學家那樣解決以計算為主要成分的問題”，即

吸取計算機科學家在設計算法和編寫程序中的思想方式，將其推廣到對其他領(lǐng)域問題甚至日常生活問題的

思考。計算思維的特征可以從工作內(nèi)容、思維媒介和工作方式角度進行分析。計算思維的主要成分是編制

程序（包括計算機與非計算機的程序），要求思考者將算法的可運行性放在首位，注重細節(jié)；就思維媒介

而言，計算思維是一種更高級的抽象思維；就工作方式而言，編程帶來了新的表達方式和工作風格。培養(yǎng)

計算思維的最終目的，是使人習得嚴謹、精密的程序性思維能力。關(guān)鍵詞計算，計算機，計算思維，思維方式，程序性思維從心理學視角考察計算思維的本質(zhì)“計算思維”是計算機科學家提出的一種思維形式，對此概念已經(jīng)有了較多的討論，但是這些討論基本

上都來自計算機科學的角度。而從本質(zhì)上講，思維是人類的認知活動，必須從心理學角度闡述其本質(zhì)與特

征。但是，心理學家對于這一概念似乎無動于衷，國內(nèi)外心理學界鮮有討論。究其原因，計算機科學界過

多考慮計算機和及其軟件應用，這直接阻礙了計算思維被其他領(lǐng)域?qū)W者乃至公眾廣泛接受。本文作者作為

思維心理學的研究者，又有長期編寫計算機程序的經(jīng)驗，試圖將兩者結(jié)合起來，重點從心理學角度闡述計

算思維的本質(zhì)、特征及其對提升人類思維能力的意義。計算機科學視角下“計算思維”定義的困境"計算思維"（computationalthinking）這一概念是美國卡內(nèi)基?梅隆大學計算機系主任周以真（Jeannette

M.Wing,2006）在美國計算機權(quán)威雜志CommunicationoftheACM上提出的。她對計算思維的定義是，

運用計算機科學的基本概念來求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為。她認為，計算思維不僅僅屬于計算機

科學家，它應該成為每個人的基本技能，和同等重要的閱讀、寫作和算術(shù)（3R——Reading,wRiting,

aRithmetic）—起，構(gòu)成人的分析能力。從上述定義來看，計算思維與其他思維形式的本質(zhì)差異在于“運用計算機科學的基本概念”。但是，這個定義還沒有說明哪些是計算機科學的基本概念，也沒有說明這些概念要掌握到什么程度，更沒有給出計算思維能力何以能與讀寫算能力相提并論的充分依據(jù)。相反，作者接下來列出大量平常人不易理解的概念（例如約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真、遞歸、并行處理、代碼-數(shù)據(jù)互譯、SOC方法、預防、保護、冗余等等），以及計算思維的幾個基本特征（概念化，而非程序化；根本技能，而非機械技能；人的思維方式，而非計算機的思維方式；數(shù)學思維與工程思維的互補和融合；思想，而非人造物；面向所有人和所有地方）。這些描述僅僅從計算機科學的概念出發(fā)，使用的是計算機專業(yè)的術(shù)語，恐怕也只能得到計算機相關(guān)專業(yè)的同行的共鳴和認可，例如牟琴和譚良（2011）在提到周以真的定義時，認為其全面解釋了計算思維。推廣計算思維教育，參與的人固然不少。在美國，最積極的有美國計算機協(xié)會（ACM）、美國國家計算機科學技術(shù)教師協(xié)會（CSTA）、美國數(shù)學研究所；在中國，有9所大學聞風而動，于2010年7月在西安交通大學成立C9高校聯(lián)盟（包括北京大學、清華大學、浙江大學、復旦大學、上海交通大學、南京大學、中國科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、西安交通大學），還發(fā)表了《九校聯(lián)盟（C9）計算機基礎教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，提出要把計算思維能力的培養(yǎng)作為計算機基礎教學的核心任務。計算機科學工作者對于提升人類思維能力的熱情確實值得稱許，但是無論是從他們對于計算思維這一概念的闡述，還是從他們之后出版的關(guān)于計算思維的教學內(nèi)容和教學方法的論文和教材來看，似乎都是將計算機科學的概念和方法擴張到其他應用領(lǐng)域，希望更多的人學會使用計算機軟件，甚至編寫軟件。例如，朱亞宗（2009）提出，計算思維是與理論思維和實驗思維并列的第三種科學思維形式，但是他

總結(jié)的計算思維的三大基本原理（可計算性原理、形理算一體原理、計算機設計原理）主要還是計算機得

以產(chǎn)生“思維”原理，看不出計算思維作為一種人類思維形式的特質(zhì)。2011年，國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）和計算機科學教師協(xié)會（CSTA）給出了計算思維的操作性的定義：計算思維是一個問題解決的過程，該過程包括：（1）設定問題，使其能夠利用計算機和其他工具來幫助解決；②有邏輯地組織和分析數(shù)據(jù)；③通過抽象（如模型、仿真等）方式再現(xiàn)數(shù)據(jù)；④通過算法（一系列有序的步驟）支持自動化的解決方案；⑤識別、分析和實施可能的解決方案，并加以整合；⑥將該問題的求解過程推廣到其他應用中。該定義還是圍繞著計算機編程，突出計算機對于問題求解的工具作用。陳國良和董榮勝（2011）提出要構(gòu)建以計算思維為核心的課程內(nèi)容，包括：（1）計算思維基礎知識；

（2）計算理論；（3）算法基礎；（4）程序設計語言；（5）Python編程基礎；（6）計算機硬件基礎；

（7）計算機基礎軟件。夏耘和黃小瑜（2012）主編、電子工業(yè)出版社出版的教材《計算思維基礎》，主

要內(nèi)容包括信息技術(shù)基礎、問題求解、數(shù)據(jù)的組織與管理、算法設計、算法分析與問題優(yōu)化等內(nèi)容。這些

內(nèi)容與“計算機基礎”大致無異，難以體現(xiàn)出計算思維是一種全新的、值得全民習得的思維方式。倒是美國巴特勒大學教授Henderson（2009）列舉的一些項目似乎更貼近日常生活中的思維活動，例如撰寫指導語、用圖形處理軟件設計舞蹈動作、按照菜單做菜、根據(jù)說明書制作桌椅或使用電子設備等。但是，這些項目為何能夠體現(xiàn)出計算思維，文章也沒有給出令人信服的解釋?？傊绻麅H僅從計算機科學這一視角闡述計算思維，很難說明這種思維形式作為人類思維的本質(zhì)，

更難以讓人相信它與讀寫算同等重要，其最終結(jié)果頂多是敦促各級各類學校開設更多的計算機課程，而計

算思維這種思維形式不僅無法將推廣到中小學生，就連大多數(shù)非計算機專業(yè)的本科生都會望而生畏。從心理學角度審視計算思維的定義1.2.1對于計算思維的多種可能理解的考察

對于計算思維的認識很大程度上將決定其對于人類的意義（決定著它能不能真正成為與閱讀、寫作、

算術(shù)并列的必備能力）。但是，即使是在計算機學界內(nèi)部，對計算思維的本質(zhì)及其特點的認識也不像對一

般的科學概念那樣嚴格、明確，更不要說未來公眾會產(chǎn)生哪些想法。試想一個人如果僅憑“計算思維”這四個字，會產(chǎn)生怎樣的理解？容易想到的大概是以下兩種：（一）需要計算的思維——凡是需要進行計算的思維，就是計算思維。這種理解無法體現(xiàn)計算思維的特點，理由有二。第一，數(shù)學、邏輯學、運籌學等等研究運算方法的學科都可以聲稱它們進行的就是計算思維，無法體現(xiàn)周以真關(guān)于計算思維“運用計算機科學的基本概念來求解問題”這一基本原則。第二，在心理學中，雖然可以根據(jù)思維所用的表征直接稱為“xx思維”（例如，以動作或操作作為表征的思維稱為“動作思維”，以形象作為表征的稱為“形象思維”，以抽象的語言符號作為表征的稱為“抽象思維”），但是這樣的命名方式也不適合計算思維，因為“計算”本身就已經(jīng)是一種用抽象符號進行的思維，再加上“思維”二字，純屬多余。（二）計算機輔助思維——凡是在思考問題的主要環(huán)節(jié)得益于計算機的輔助的，都是計算思維。

這種理解也容易造成概念上的混亂。第一，對一個概念的命名，需要考慮到其他已有的概念和術(shù)語。在計

算機科學中，類似于“計算機輔助xx”的概念很多，例如計算機輔助教學、計算機輔助設計、計算機輔助翻

譯、計算機輔助制造，甚至還有計算機輔助寫作。如果都簡化成計算XX”，那就成了計算教學、計算設計、

計算翻譯……不是意義改變，就是不知所云。第二，運用計算機作為輔助工具進行工作，很多情況下也用

不著“運用計算機科學的基本概念”。例如，心理學家常常用SPSS軟件幫助進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，他們只

要按照一定的格式輸入數(shù)據(jù)，再從菜單中點選相應的分析方法，就可以得到結(jié)果。他們需要的不是計算機

科學的基本概念，而是要懂得統(tǒng)計學的基本原理，知道自己搜集的數(shù)據(jù)特點，了解軟件中有哪些方法。況

且，編制，計算機輔助xx”軟件的目的，很多情況下正是為了讓那些不善于,運用計算機科學的基本概念”的人

們分享計算機帶來的便利。1.2.2以思維風格定義計算思維

認知心理學認為，不同的人具有不同的思維風格（也稱為認知風格）。心理學家對思維風格做出了各

種分類，包括場獨立性-場依存性、分析-綜合等。如果引入思維風格，可以產(chǎn)生對計算思維的第三種理解：

像計算機科學家那樣完成以計算為主要成分的思維，即吸取計算機科學家在設計算法和編寫程序中的思維

方式，將其推廣到對其他領(lǐng)域的計算問題求解，甚至擴展到對日常生活中計算問題的思考。這也比較符合

周以真定義中“運用計算機科學的基本概念”這一關(guān)鍵成分。在計算機科學領(lǐng)域，真正進行思維的是計算機科學家，由于其主要工作內(nèi)容是編程，使得他們有著一

套與其他學科科學家不同的思維風格，更重要的是，這種思維風格值得其他領(lǐng)域的科學家乃至常人借鑒、

模仿和習得。因此，上述解釋似乎更容易為人接受。在這個理解中，既強調(diào)了問題求解過程需要進行“計算”

這一主要成分，又強調(diào)了不是傳統(tǒng)意義上的計算，而是一種可以幫助更有效地解答問題的思維風格。而且

本著這樣一種理解，我們就能進一步闡述計算思維的特征。計算思維的特征

分析計算思維的特征，可以從三個方面考慮——工作內(nèi)容、思維媒介和工作方式。2.1工作內(nèi)容造成的特征計算機科學家從事的工作是什么？是問題求解嗎？任何一個領(lǐng)域的科學家都在進行問題求解，如果以此描述計算機科學家的工作，不能凸顯其特殊性。

計算機科學家的工作內(nèi)容主要有兩個，一是研制計算機硬件，不過，除了某些特殊用途，大多數(shù)硬件的研

制與各個應用領(lǐng)域關(guān)系不大；二是編制計算機軟件，而軟件的編制用于解決社會生活各方面的問題（其求

解過程的主要成分是計算），故計算機科學家在軟件研制上的思維風格更可以為其他領(lǐng)域的計算思維者提

供借鑒。以作者長期編程的經(jīng)驗，軟件編制大致可以劃分為三個階段：（1）篩選方案（算法）；（2）實現(xiàn)方

案（編程）；（3）調(diào)試程序。其中大量的時間花在編程，即考慮實現(xiàn)方案的各個細節(jié)上。編程這一工作可

以比作教一個小孩如何做各種各樣的事情。這個小孩能懂得的語言（命令）不多，可以做的動作（函數(shù)）

也有限，軟件編制者卻要運用小孩能懂的語言，將其可以執(zhí)行的動作組合起來，形成各種復雜的功能，完

成大大小小的任務。這就需要編程者在編程前了解小孩的基礎情況，而且編程中任何一個細節(jié)也不能馬虎。

這樣，工作內(nèi)容就造成了計算思維的如下特征：（一）將算法或程序的可運行性放在首位。就計算機科學家而言，編程需要了解程序運行的各類限制

（命令集、資源、環(huán)境），根據(jù)須完成的功能，將一系列命令編排起來，反復調(diào)試以考察其可行性。作為

其他領(lǐng)域的計算思維者，也要了解事物運行的各種限制（包括方案執(zhí)行者的能力條件），也要根據(jù)須完成

的功能，將工作步驟編排起來成為一個解決方案，也要反復檢查方案的可行性。（二）計算機科學家在編程過程中，任何一個細節(jié)都不能馬虎，否則就會造成程序無法運行或出現(xiàn)錯

誤結(jié)果（這些錯誤結(jié)果很多情況下還不易發(fā)現(xiàn)）。其他領(lǐng)域的計算思維者，也必需進行嚴謹和精密的思考。

從這個意義上說，計算思維自古有之，最典型的計算思維大師就是《三國演義》中的諸葛亮。隆中對是諸

葛亮對于天下大勢的戰(zhàn)略計算，緊隨其后的是無數(shù)次絲絲入扣的成功的戰(zhàn)術(shù)計算，可惜關(guān)鍵的幾次失敗了

（用關(guān)羽失荊州、用馬謖失街亭）。思維媒介造成的特征計算思維需要篩選算法，但它是一種比尋找算法更高級的抽象思維，它可以得到普適性操作程序。思維以其采用的媒介分為動作思維、形象思維和抽象思維。顧名思義，所謂動作思維，就是以對實物

進行實際的動作或操作來解答問題；形象思維就是以頭腦中的表象為媒介解答問題；而抽象思維則是用符

號和語詞（抽取了形象）為媒介解答問題。例如，有一個約瑟夫斯問題：有16個人站成一個圓圈。首先從一個人開始，按一個方向順序編號。然后從第一個人開始數(shù)起，每數(shù)到4時，就把這個人從圓圈上拉出來。再從下一個人數(shù)起，再數(shù)到4時，也把這個人從圓圈上拉出來。如此繼續(xù)，直到人從圓圈拉完。請按從圓圈上拉出的順序列出他們的編號。如果是動作思維，那就找16個人（或畫16張卡片），編上號，按順序排成一個圓圈，然后真的按照

題目的要求數(shù)數(shù)-拉人（或卡片）-記錄編號，再數(shù)數(shù)-拉人-記錄……直至把16個人全部拉完后，將編號按

記錄先后排列，方得出正確的結(jié)果（4,8,12,16,5,10,15,6,13,3,14,9,7,11,2,1）。如果是形象思維，那就要用在頭腦中想象上述過程。在人數(shù)多達16的情況下，由于記憶容量的限制，

這個過程對大多數(shù)人會很困難。如果是抽象思維，可以在紙上寫上1?16的編號，然后從第一個數(shù)起，每數(shù)到4時，將這個編號記下并劃掉，如果數(shù)到最后一個編號后則從頭數(shù)起，如果下面一個是已經(jīng)劃掉的編號就跳過，這樣一直進行下去，直到所有的編號都被劃掉（即記滿16個編號）為止。這時，記錄下來的編號順序就是正確的結(jié)果。如果是編寫一個計算機程序，可以模擬上述抽象思維的做法。開設一個含有16個元素的數(shù)組，以數(shù)組的下標為編號，以給元素賦某個值（例如“1”）作為“被劃掉”的約定。從元素1到元素16循環(huán)讀取，如果元素的值對應于“被劃掉”，就跳過去讀下一個元素，每讀到4次“未劃掉”的元素，就記下第4個元素的下標，同時將該元素賦值為“1”。如此重復下去，直到元素全部被“劃掉”（即記滿16個編號）為止?？梢钥吹剑糜嬎銠C求解約瑟夫斯問題，至少有三個階段：第一，尋找問題的解決方案——算法；第

二，編程，將算法中的各種約定和操作轉(zhuǎn)換成計算機可以執(zhí)行的命令和程序。第三，調(diào)試程序（常與編程

同時進行）?？梢哉f，計算思維就是一種高級的抽象思維，它不僅要用抽象思維，通過探索找到算法，還

要在抽象思維指導下，將算法物化為可見的、可執(zhí)行的一連串命令（程序）。甚至，利用計算機還可以解決更一般的約瑟夫斯問題，即'有n個人、每次數(shù)到m時……”這樣的情況。而這是動作思維和形象思維無法做到的，用抽象思維得出數(shù)學上的解，對于大多數(shù)人也是無法做到的，但是編一個普適性更高的計算機程序，相對來說要簡單得多。編程帶來的工作方式的特點編程首先帶來了表述方式的發(fā)展。計算機編程得到的結(jié)果是一行行代碼。功能復雜的軟件可能有成千上萬甚至幾千萬行代碼寫成。為了便于維護、修改，代碼須有較強的可讀性。于是各種軟件編程所特有的命令表達方式廣為運用，例如運用各種流程結(jié)構(gòu)（順序、分支、循環(huán)），編寫可供多處調(diào)用的模塊或函數(shù)，采用數(shù)據(jù)＋代碼的方式簡化程序等等。編程也帶來了工作風格上的變化。除了將具體問題盡可能一般化、程序盡可能普適化以外，編程者還要不斷進行程序的優(yōu)化以提高效率，反復調(diào)試以盡可能消除程序的漏洞，還要考慮軟件萬一出錯時的補救措施?？傊?，普適意識、優(yōu)化意識、調(diào)試意識、容錯意識等等，都是一個優(yōu)秀編程者不可或缺的特質(zhì)。以上計算機科學家的工作方式，也是任何一個計算思維者應該具備的。一個工作程序能否很好的執(zhí)行，

很大程度上取決于執(zhí)行者能否準確而且高效地理解和記憶程序的細節(jié)，這就需要計算思維者學習計算機編

程的表達方式；計算思維者面臨的一個問題還在于，某些程序情況下是無法進行實際調(diào)試的，必須事先在

想象中反復進行周密的思考，尋找和補救漏洞，想象最壞的情況并預做準備。用計算思維改造人類思維著名的計算機科學家、1972年圖靈獎得主艾茲格?迪杰斯特拉（EdsgerDijkstra）說：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力?！痹橙艘驗楣ぞ叱蔀槟芩季S的人，原始人因為語言成為能抽象思維的現(xiàn)代人，我們相信，今天的現(xiàn)代人因為計算機帶來的計算思維會變成更理性、更嚴謹?shù)娜?。更進一步，也許正如王飛躍（2007）所預言的，計算機網(wǎng)絡技術(shù)將為人類帶來“網(wǎng)絡思維"（netthinking）或“萬維思維"（webthinking）這樣的思維新形式。要想說明計算思維成為與讀寫算并列的重要能力，僅僅說它可以幫助各個領(lǐng)域的學者求解高深的學術(shù)

問題還遠遠不夠，那只能說明大學開設計算機課程的重要性，更重要的是指出它能夠大大提高普通人哪一

方面的基本素質(zhì)。在認知心理學看來，人類的知識可以分為兩大類：陳述性知識和程序性知識。陳述性知識declarative

knowledge）包括書本知識，也包括一切可以用語言表述和傳授的知識。這些知識往往是關(guān)于事實、理論、

事件等的表述，涉及到“是什么"的知識；程序性知識（proceduralknowledge）更多地體現(xiàn)為技能和程序，

是關(guān)于一件事情應該“怎樣做”的知識。讀寫算能力代表了一個人的文化素質(zhì)和學業(yè)能力，主要用來學習和

運用陳述性知識，學校教育的主要成分就是傳授陳述性知識。而程序性知識的生產(chǎn)（制定“怎樣做”的方案），

或根據(jù)實際情況靈活運用程序性知識，則體現(xiàn)出一個人的實踐智力（Sternberg,1985）。實踐智力用于解

決實踐問題，而這種問題的特征是：（1）需要識別或形成問題；（2）問題難以準確定義；（3）需要搜

尋更多信息；（4）有多個可接受的解法；（5）嵌入并需要日常經(jīng)驗；（6）需要動機和個人的投入（Neisser

etal.,1996），這些特征也與計算機科學家面臨的問題情境十分相似。相比陳述性知識，程序性知識的傳授是當前各級教育的主要弱項之一。計算思維脫胎于計算機科學，

計算機科學家在程序性知識的生產(chǎn)和運用方面的成熟的思維方式將有助于提高全體公眾的程序性知識方面

的能力。在日常生活中，人們常常以一種“有限理性”的啟發(fā)式方式應對各類問題。采用這種思維方式的原因，一是為了減輕認知負荷，人的認知加工資源是有限的，其短時記憶的廣度僅為7±2個組塊；二是為了縮短認知加工時間，大多數(shù)情況下都需要快速決策；三是很多人受教育程度低，未掌握相對復雜的計算方法。但是，在進入泛在計算時代的今