計算機課程教學和計算科學思想史
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摘要：本文分析了計算學科課程教學計劃CCC2002的特點，并從計算機科學與技術方法論的角度探討了基于知識背景開展計算學科課程教育的基本思想，另外還研究了計算科學思想史研究與基于知識背景計算學科課程教學的關系，同時在課程內容設置、教學組織實施、學生學科素養與能力培養等方面闡述了基于知識背景課程教學對計算機課程教學改革產生的重要影響。
關鍵詞：CCC2002；課程教學；計算科學；科學史
1引言
隨著計算機的誕生和計算機科學技術的發展，計算技術作為現代技術的標志，已成為世界各國許多經濟增長的主要動力，計算領域也已成為一個極其活躍的領域。計算學科正以令人驚異的速度發展，并大大延伸到傳統的計算機科學的邊界之外，成為一門范圍極為寬廣的學科，人們對計算學科的認識，已從知識層面上升到了方法論的高度[1]。
1989年1月，美國計算機學會(簡稱ACM)和美國電氣和電子工程師學會計算機分會(簡稱IEEE-CS)聯合攻關組在《ACM通訊》雜志上刊登了他們歷經4年的研究成果——“作為學科的計算科學”的報告[2]。該報告圍繞計算機的主要現象，從學科的三個基本形態，即理論、抽象和設計入手，結合科學與工程科學兩大學科門類的基本特征，完成了計算學科的“存在性”證明，首次給出了計算學科的定義，為“計算”作為學科及其以后的發展奠定了基礎。如今，計算已不再是一個一般意義上的概念，它已成為“各門科學研究的一種基本視角、觀念和方法，并上升為一種具有世界觀和方法論特征的哲學范疇”[3]。在長期的社會生產實踐中，計算科學的內涵與外延從學科的角度得到進一步詮釋，ACM和IEEE-CS以及計算機界關于計算學科認知問題的研究不斷取得重要成果，其中，CC1991(“計算學科教程1991計劃”的簡稱)和CC2001(“計算學科教程2001計劃”的簡稱)報告為計算學科建立了現代課程體系。隨著計算科學的不斷發展，其課程體系也在不斷完善，2004年11月，ACM、AIS和IEEE-CS又聯合公布了新的計算學科教程CC2004，文[4]對該課程體系做了分析與思考。
隨著信息技術行業人才需求的與日俱增，世界上絕大多數高等院校均設立了計算科學或與之相關的專業，國內的高等院校也不例外。為了有效地推行國內的計算機科學與技術教育，同時又能與國際接軌，中國計算機科學與技術學科教程研究組于2002年提出了“中國計算機科學與技術學科教程2002”(ChinaComputingCurricula2002，簡稱CCC2002)[5]，該教程從計算機學科教學計劃的發展、計算機學科的定義、計算機學科本科生能力培養、計算機學科知識體系演變、計算機學科課程體系結構、計算機學科課程的教學計劃與組織方法等方面全面闡述了計算機科學與技術學科知識與課程體系的外延與內涵，進一步明確了新形勢下計算機科學與技術學科本科生能力與素質培養的基本要求，為國內高校計算機科學與技術學科制定培養方案和形成具有自身特色的課程體系提供了指南，對中國高校計算機科學與技術學科教育的改革和發展具有重要的參考價值和積極的推動作用。CCC2002給出了中國計算學科課程體系的描述，但如何圍繞這一課程體系概括的知識領域和知識點來組織知識內容仍然具有隨機性，特別是在幅員遼闊、經濟和文化發展水平存在地區差異的中國，這種隨機性尤為突出。因此，我們必須深入分析CCC2002的特點，理解其精神實質，根據地區的特點和各高校自身發展的水平與特色合理選擇或組織各類課程的教學內容，積極開展教學改革，不斷強化課程建設，只有這樣，才能為課程目標的實現建立良好基礎。
2CCC2002的基本特點
CCC2002的特點在于，它既有對國外研究成果的借鑒，又融合了國內計算機科學與技術學科教育研究成果；由體系到課程，自頂向下進行課程體系設置，按基礎課程(包含部分核心知識單元)、主干課程(包含大部分核心知識單元)、特色課程(發揮各校特長，培養學生個性，體現地區特色)，提出了課程分級實施策略；指出在知識領域、知識單元、知識點的描述及核心課程的設計方面，應充分體現“課程體系設計組織與學生能力培養和素質提高密切相關”的理念。CCC2002強調教學過程中實踐的重要性，同時又要注重創新精神和能力的培養。值得一提的是，該教程提倡研究型教學，進一步明確了教學向教育轉變的重要思想。
在CC2002教程的引導下，國內從事計算機科學與技術學科教育的廣大學者對計算機科學與技術學科教育的諸多問題，如培養計劃、課程設置、教學類型、教學計劃、教學實施、實踐設計、教學評價等進行了廣泛而有益的探討[6,7,8,9]，并根據學科體系要求，編寫出版了一大批教材，豐富了計算學科課程體系教材建設的內容，推動了計算學科課程教學改革的進程。然而，一個不容忽視的現象是，雖然我們一直都在強調課程與教學的目的是提高學生的綜合素質，但是究竟什么是當代學生經過學科課程教育應當具有的綜合素質，仍然是一個值得探討和研究的問題。就目前國內較為普遍存在的教育理念而言，近代課程與教學理論凱洛夫(N.A.Kaiipob)的“捷徑主義”思想仍舊占據著主導地位，受這一思想的影響，教材內容通常比較“經典”，教學過程各個環節圍繞這些經過驗證的、可靠的和基本成型的知識而進行，至于這些知識的形成與發展卻少有問津。所謂“捷徑主義”認為“學生學習的是科學上可靠的知識而不負有發現真理的任務，走的是教師引導的捷徑而避免前人在歷史上曾走過的彎路”[10]。雖然這一思想“發揚了傳統教學論的優點，糾正了適用主義教育忽視系統知識偏向”，在目前高校教育的某些方面仍然具有積極作用，但就總體而言，它與CCC2002倡導的研究型教學、教學向教育轉變理念有不相協調的方面。因此，高校計算學科課程教學內容的改革理當受到人們的關注。
3基于知識與知識背景的課程教學
隨著教育理念的不斷更新，教育教改研究與實踐的不斷發展，人們已越來越清楚地認識到學生實踐與創新能力培養的重要性，越來越注重學生在知識點掌握基礎上知識結構的形成，越來越感受到學生關于學科綜合素養的內涵，在理工學科課程體系中引入越來越多的與學科有關的人文科學的內容，可以說是適應時代要求和發展的一種進步，是教學向教育轉變的一種必然。然而，要真正做到教學向教育轉變，仍然有許多值得研究和探索的工作要去完成。其中，如何根據計算學科教程描述的學科知識領域、知識單元和知識點，在教材或教學過程的知識內容安排與講授過程中，打破傳統方式，在現有基礎上推陳出新，就是一項非常有意義的工作。我們是否可以做這樣一種嘗試，在課程知識的組織與傳授過程中，把知識的來源即知識產生的背景有機地融入其中，使之成為教材內容的一部分或補充，讓學生在學習課程知識的同時，了解知識的背景和來源，更多地知曉與學科知識有關的人和事，更深地理解知識的內涵，更好地把握知識的運用與發展趨勢，使學生在學習、理解和掌握知識的同時，學科意識和學科素養得到培養與發展。這樣的做法無疑是有益的但卻并非易事，有大量值得研究和探索的課題和實踐活動，其中以教學內容改革為先導的課程教學改革將成為學科教育改革的主要內容，它涉及教育理念的更新、教學方式與方法的運用，教學組織形式的變化、教學評價體系的構建等等，同時對教師隊伍的知識結構也將產生新的要求。它不僅要求人們具備學科知識，而且還要有學科思想史和學科方法論的知識。因此在學科教育中應該有更多的教育工作者關注科學和學科思想史研究。就計算學科而言，計算學科思想史研究是基于背景知識計算學科課程教學改革的基礎。
3.1計算科學思想史研究
現代計算科學在理論和應用方面取得的偉大成績，是人類長期從事社會生產實踐的結果，是無數致力于計算科學研究與實踐的工作者們共同智慧的結晶。計算科學是整個科學體系的一個重要組成部分，是研究計算知識、計算理論及其應用的科學，是關于計算學科知識體系和與之相關領域知識及其相互間關系的總和。而計算科學思想史則是研究計算科學的形成與發展過程的科學，其研究的目的在于通過對計算科學發展過程中各個事實、各種現象和思想的分析，總結計算科學的歷史經驗，揭示計算科學的發展規律，促進計算科學的發展。計算科學思想史的研究對象并非計算科學本身，它是以哲學、歷史學的觀點和方法來分析計算科學的發展歷史。
作為一門科學，計算科學思想史研究有其自身的理論體系，這一理論體系涉及計算科學、工程學、哲學、歷史學、心理學、社會科學等諸多學科領域的知識。計算科學思想史是以計算科學理論與實踐的形成與發展為基礎，以辯證唯物主義和歷史唯物主義為指導，以科學思想史研究的基本原理為依據，分析人類歷史上計算科學重要成果和重要學術理論的誕生過程，其思想與方法的形成過程以及它們的科學與哲學意義。計算科學思想史研究將隨著計算科學的發展和人類進一步的發明與發現而不斷變化并日趨完善，是一門極富發展性的科學。文[11]中，作者對計算科學思想史研究的特點、內容、方法等問題進行了探討。
3.2基于知識背景的課程教學
所謂基于知識的課程教學就是把學科知識與知識背景有機結合，使之成為課程教學內容的統一體進行施教與學習的過程。其教學目的是讓學生在了解和掌握學科知識的同時，了解知識產生的背景，感知知識背后隱藏的思想與方法，為學生提供更為廣闊的想象與思維空間，培養學生的學科意識，提高學生學科文化水平。
知識背景的內容可以是對知識產生過程的敘述，也可以是對學科知識未來發展前景的展望；可以是直接的背景知識，如與學科知識有關的知識進程、事件、理論、思想方法和人物等，也可以是與學科密切關聯的相關學科的知識；可以是正史中真實的故事，也可以是傳說和軼事；可以是知識成功應用的經典，也可以是正在實踐中的探索。
知識背景組織形式可以采用課程設置的方法整體闡述學科的形成與發展以及思想與方法，如計算機科學與技術導論、計算機科學與技術方法論等；也可以是針對具體課程的知識背景敘述，如關于課程的導論、緒論、前言等；還可以是關于課程單元知識背景的描述，如每個章節的前序、引導等；甚至可以是涉及知識點的知識背景，如有關概念的形成，概念與概念之間的關聯等等。
把知識背景作為課程教材的內容，或在教學過程中適當地介紹與課程知識相關的知識背景，在目前高校的計算學科課程建設和課程教學中或多或少地受到人們的關注并加以應用，但這并非真正意義上的基于背景知識的課程教學。從基于課程知識的教學到基于知識與知識背景有機統一的課程教學，并非一門計算學科導論所能解決的問題，它涉及整個計算學科課程內容的組織，課程教學計劃安排，課程教學模式設計，課程教學方法運用，課程教學評價機制建立等一系列與課程建設和課程改革有關問題的研究、探索與實踐，是一項需要廣大的計算學科以及相關學科的教育工作者共同參與和共同努力才能夠有效實施并不斷取得進展的系統工程項目。
如果說基于知識的計算學科課程教學是圍繞計算科學的知識體系及其發展過程中不斷取得的最新成果而進行的知識與技能傳授，那么基于背景知識的課程教學則是在此基礎上的學科意識培養和學科素養教育，至少有以下幾個方面的作用。
(1)將有利于學生對課程知識學習興趣的提高
教育心理學認為，學習興趣是指人們探究事物的心理傾向和獲得知識的原動力。古今中外的教育學家們對在教學過程中培養和激發學生的學習興趣都是極為重視。中國古代教育大師孔子說：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”德國近代教育家第斯多惠(F.A.W.Diesterweg)在其倡導的“全人教育”理念中就闡述了教育的任務主要是發展學習者自身的能動性思想，認為：“我們的教育藝術不在于傳授本領，而在于激勵、喚醒、鼓舞。”瑞士現代著名心理學家皮亞杰(J.Piaget)更加強調個體在認知生長過程中的積極作用，并明確指出：“所有智力方面的工作都依賴于興趣。”由此可見，學習興趣是學生學習的情感意向和動力，是學習積極性和自覺性的核心，在全面推行以培養創新精神和實踐能力為重點的素質教育的今天，培養學生學習興趣尤為重要。
影響學生學習興趣的因素很多，如教學方法、教學手段、教學風格、教學態度、教學評價等等，其中教學內容的組織安排也不失為一重要因素。教學實踐結果表明，學生對“知識背景”感興趣的程度要比對“知識”本身更高。因此，如果能夠在課程教學內容編排中將與課程知識有關的人物、事件以及相關的理論與方法實例有機的融入其中，就能夠在教學的實施過程中不斷地“激勵”和“喚醒”學生的學習興趣，并通過興趣的延伸，使學生在不知不覺中獲取并掌握知識。
(2)將有利于學生對課程學習知識內容的理解
學生對知識的認識、理解和掌握過程，應遵循人們認識客觀世界的一般規律，即是一個從感性認識到理性認識的過程。感性認識是人們通過感官與認知事物接觸而形成的關于事物生動和直接的映像，包括事物的具體特性、表面現象、各個片面及其外部的聯系等；理性認識是人們在感性認識的基礎上，進行抽象和概括而形成的對認知事物的本質和內部聯系的認識，通常有概念、判斷和推理三種基本形式。在課程學習過程中，我們往往會強調對概念的理解，對知識點的掌握等，這樣的認知應屬理性認識范疇。基于知識的課程教學內容組織通常是按照概念的引入、概念到概念、例題分析、實際應用舉例，習題練習等步驟順序進行，而課程內容的選擇通常是經過實踐檢驗或嚴格論證的知識的精華部分，是已經上升為理性認識的產物。讓學生在對認識的事物尚不具備“自然經驗”和“社會經驗”的基礎上，去“理性”地把握事物的本質，只能是“填壓式”的知識灌輸，于是在我們的課程教學中就有了許多“先記憶再慢慢理解”的東西。基于背景知識的課程教學將經過提煉的前人對事物認識的自然經驗和社會經驗呈現在學生面前，在一定程度上可以彌補學生在對事物感性認識方面的不足，幫助學生更好地理解和掌握課程的學習內容。
(3)將有利于學生對課程知識體系的把握
在高等教育中，學科領域的知識體系通常是以課程體系來描述的，而課程的知識體系是由課程涵蓋的知識主題及其相互間的關系來刻畫的。基于知識的課程教學往往只注重課程知識主題或知識點的教學而忽略課程之間、主題之間、知識點之間內在聯系的闡述，使得學生在學習過程產生難以知識聯想，對知識的認識是“只見樹木，不見森林”。例如，很少有學生能夠將平面中的“點”、集合論中的“集合”、命題邏輯中的“命題”等概念統一進行思考的，也很少有學生能夠準確地回答在線性代數課程中學習向量空間和向量運算真正目的等等。基于知識背景課程教學的目的之一，就是通過知識背景的闡述，將課程知識的初始本質及其相互間的關系呈現出來，為學生營造知識聯想與知識探究的學習情境，更加全面地把握課程的知識體系。
(4)將有利于學生創新能力培養與提高
指出：“創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力。”而“教育是知識創新、傳播和應用的主要基地。也是培養創新精神和創新人才的搖籃。”因此，在實施素質教育過程中，著力培養學生的創新精神與創新能力應成為我國教育改革和發展的當務之急。CCC2002竭力倡導的研究型教學以及教學向教育轉變的根本目的之一，就是要在學科課程教育過程中，不斷強化學生創新素質的培養。創新的過程是知識綜合運用與發展的過程，對知識體系的全面掌握是創新的基礎。創新能力培養受到教學內容和教學方法的影響。基于課程知識的教學通常以傳授知識為主，教學方法也以課堂講授為主，這種教學往往使學生思維固化，知識活力得不到發揮，很大程度上影響了學生創新能力的發展。而基于知識背景的課程教學不僅能夠大力開發學生的想象力和直覺思維，拓寬學生的學科視野，同時還能夠有效地運用案例教學、活動教學、討論教學、探索性學習等各種方法，促進學生個性發展，使學生獨立思考、批判思維、嚴密分析、從不同視角看問題等多方面能力得到培養和提高。
(5)將有利于學生學科文化素養的提高
科學技術的發展導致學科和專業的發展，使得分科教育成為目前我國高校人才培養體制的主流。分科教育很顯然是為了造就專門人才，但狹窄的專門訓練往往不利于培養學生的創新意識和創造力。在經歷了長期的教育實踐之后，人們已認識到分科教育在某些方面的嚴重不足，提出了新形勢下“通才教育”觀念，并以某些高校作為試點開展“大類培養”教學模式的實踐與探索。如今的社會是信息社會，對IT本科生的知識結構提出了新的要求，除了要求他們掌握專業知識外，還要求他們具有數學、物理及相關領域知識，更有人文社會科學知識的要求，既能夠適應專業的變化和拓展，又要有敏銳的專業拓展意識。總而言之，現代人才培養過程更加強調的是學科素養，它涵蓋了對學科知識的掌握，對學科過程與方法論的認識和對學科的理解與情感。正如專家指出的那樣，在人才教育與培養過程中，“大多數人真正需要的是領會科學的精神、掌握學科的方法、樹立恰如其分的科學形象，以便在這個科學時智地對待科學、對待社會、對待生活。”[12]如果我們將這樣的理念帶入學科教育過程就不難發現，僅僅靠基于知識的課程教學是無法實現這一要求的，而基于知識背景的課程教學至少可以從兩個方面彌補其不足：首先，基于知識背景的課程教學以發展和進化的觀點反映學科知識進程，能夠有效地避免課本知識的“神圣化”與“教條化”，將批判與繼承的有機統一貫穿學生知識獲取過程；其次，基于知識背景的課程教學以學科與相關學科分支領域知識相互聯系的思想展現學科知識內容，能夠有效地克服對學科知識掌握的“孤立性”和“片面性”，是學生的學科意識與學科素養得到進一步培養與提高。
4結束語
計算學科不只是簡單的一些課程匯總，而是一個龐大的知識體系，它對人類社會的發展與進步有著重要而深刻的影響。目前，全國幾乎所有高校都開設了計算機專業，有些計算的概念和知識還下放到了中小學課程之中。在此情形之下，如何構建我國計算科學的教育體系，培養什么樣的信息技術人才，如何讓全社會更深刻地認識計算科學的內涵，更全面了解計算科學的發展規律無疑是一件十分有意義的工作。基于背景知識的課程教學是一種理念、思想和方法，也是一種實踐，雖然它不是一個什么新的提法，已或多或少地被人們認識并加以應用，但總體上仍然未形成一種趨勢。基于知識背景的課程教學應有它的理論體系、方法體系和實施體系，這些都是需要研究、探討和實踐的，可能還需要一個較長的過程。然而，當我們面對計算學科教育改革中出現的種種問題和在計算學科人才培養中面臨的種種困惑時，首先應該想到的是作為計算科學的教育工作者應當作些什么。
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AbstractItisanalysedinthispaperthecharacteristicoftheChineseComputingCurricula2002,anddiscussedfromtheviewpointofthemethodologyofthecomputersciencethebasicthoughtofthecomputingcurriculateachingbasedontheknowledgebackground.Meanwhile,itisalsoexpositedtheimportanteffectofthecomputingsciencehistoryresearchtothecomputercoursesteachingbasedontheknowledgebackground.
KeyWordsCC2002,Courseteaching,Computingscience,Sciencehistory
