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如何将计算思维培养融入基础教育

——《无处不在的算法》译者序

发布时间:2018-12-05 作者:陈道蓄 来源:ca88亚洲城手机版

我问一些刚刚进入大学的新生为什么选择计算机类专业,几乎每个人都提到对“人工智能”感兴趣,但似乎其中多数人对人工智能并没有多少了解。

本书第41章讨论“模拟退火”算法,用来作为例子的是一个几何拼图类的组合游戏,大多数人会将其视为一种“智力游戏”。当实验证明计算机可以得到比绝大多数人更高的分数,这是否就体现了计算机的“智能”呢?

一个有好奇心的中学生不难理解第41章的内容。其实机器并不“知道”自己在做什么,它只是执行几个一点都不复杂的动作。告诉机器以什么样的顺序去执行某些(其实很基本的)动作,这就是我们通常说的“算法”。

当今我们的日常生活已经高度依赖信息技术,似乎计算机什么都能干,但稍稍了解计算机内部结构的人都知道“那个机器”本身其实只能做为数不多的基本动作。能够让计算机系统(不仅仅是你能看见的硬件设备)似乎无所不能的关键是各种各样的算法。

人用“智慧”设计算法,能够让机器表现出“智能”。但是我们还不知道如何在可以预见的时间段内让机器具有智慧(尽管我们相信科学技术会以超出我们所有人的想象更迅速地发展)。

前些年开始流行一个词:计算思维。究竟什么是计算思维,计算机工作者至今并没有能给出一个明确的定义。至少我们可以将计算思维理解成人的一种思维方式,它应该能使得计算机更好地(包括通过表现出“智能“的方式)服务于人类。

从当前计算机应用水平来看,算法是计算思维的一种具体体现。人们已经设计出许多非常“聪明“的算法,极大地提高了我们解决问题的能力,但应用中复杂的问题仍然期待我们给出更有效的算法。这是计算机科学家工作的一个重要方面。

任何学科的发展都依赖于一代一代优秀的年轻人的加入,其他学科的经验表明,科学技术普及是引导青少年走向探索未知、创造未来的科学技术道路的重要举措。

坦率地说,计算机科学普及工作与一些传统学科相比差距巨大。一方面是因为计算机科学历史较短。更深层的一个原因应该是认识层面的。信息技术发展迅速,渗透面极广,但社会公众更多的是从技术与实用的角度,而不是从思维方式的角度看待它。现在有非常多的中小学生,甚至幼儿园小朋友在学“编程”。这是很好的事,但只是学会某种语言(不管是C++、Java还是Python)编程只是“技术”,充其量说是“智能”,却绝不是“智慧”。

我曾经听一位钢琴教师说起一位“琴童”的家长问她:“我的孩子通过钢琴十级了,下面该做什么呢”。这位教师的评论多少反映了她对当前社会公众对待学习急功近利态度的不认同。思维能力的培养是一个过程,目的是培养能应对不可预知的问题的基础能力。而应对“题型”,使用“工具”尽管也是学习中不可忽缺的部分,但却不能替代思维能力的培养。

思维方式不是可以用某种“模式”描述的,如何将计算思维培养融入基础教育中是当前一个重要的问题。本书是在一系列给中学生普及计算思维的讲座的基础上整理编写的。选择了计算机科学中一些有重要应用价值的典型问题,但讲述方式充分体现了趣味性。当我第一次看到此书时就被它吸引。

计算机专业是中国工程类专业中规模最为庞大的。时时听到有教师埋怨现在的学生“不好学”。中国传统的教育相对忽视学生的兴趣,强调学习是“责任”,“学习就应该刻苦”。其实兴趣是最好的学习动力,激发学生的兴趣本身也是教师的责任。

本书提供了一个如何提高学生兴趣的很好例子。讨论的每个话题都能体现作者“深入浅出”的用心。每个话题都用日常有趣的问题引入,介绍算法时注意引导读者考虑算法背后的基本思想。但作者又不局限于简单的“问题–答案”描述。尽管是普及读物,作者仍然会在可以理解的范围内引导读者考虑算法的正确性以及复杂性等可以更深入探讨的方面。在若干章节中,作者还通过实验数据来分析结果,注意到体现计算机算法工程性的一面。这甚至做到了当前我们大多数算法课程都没有做到的事。但我特别要强调一点,这都是在不牺牲普及读物的基本可理解性的要求下做到的。尽管本书是多位作者讲稿的合集,但显然出版前还是注意到风格的统一,避免给读者带来阅读上的不适。

广大青少年读者,特别是那些学习过一点编程的中小学生,一定会通过阅读本书在计算思维素养上得到提升。

但绝不仅限于此。本书同样适合已经进入大学计算机类专业学习的学生阅读。他们能够从中欣赏计算机科学有趣的一面,也能对“我们如何解题”有更深入的理解。

我多年来一直从事计算机算法方面的教学,对本书中涉及的内容都很熟悉。但是整个翻译过程仍然让我觉得受益匪浅。我感到尽管本书是针对中学生的普及读物。但是对于从事计算机教学的广大教师也是很值得阅读的。我甚至将其中部分内容用于中国计算机学会每年举办的“计算机教学改革导教班”。我希望计算机专业教师(特别是基础课教师)更关注这样的普及读物,并能从中得到启发。

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《无处不在的算法》

[德]贝特霍尔德•弗金(Berthold Vöcking)、赫尔穆特•阿尔特(Helmut Alt)、马丁•迪茨费尔宾格(Martin Dietzfelbinger)、吕迪格•赖舒科(Rüdiger Reischuk)、克里斯蒂安•沙伊德勒(Christian Scheideler)、黑里贝特•沃尔默(Heribert Vollmer)、多萝西娅•瓦格纳(Dorothea Wagner) 编著 

陈道蓄 译

机械工业出版社2018年10月出版

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