知識的內(nèi)化：計(jì)算思維的培養(yǎng)與數(shù)據(jù)庫教學(xué)

1、    知識的內(nèi)化計(jì)算思維的培養(yǎng)與數(shù)據(jù)庫教學(xué)    摘要：本文從“計(jì)算思維”概念提出的背景出發(fā)，以數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)為案例，分析了思維與知識、教育與思維能力之間的關(guān)系，闡述了“知識內(nèi)化”對數(shù)據(jù)庫教學(xué)的重要性，提出了基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的數(shù)據(jù)庫課程的知識體系和課程思維框架。通過對在數(shù)據(jù)庫教學(xué)過程中如何培養(yǎng)計(jì)算思維能力問題的思考，結(jié)合課程特點(diǎn)，闡述了基于計(jì)算思維能力培養(yǎng)的數(shù)據(jù)庫課程的教學(xué)思路。關(guān)鍵詞：計(jì)算思維，數(shù)據(jù)庫教學(xué)，課程體系，思維框架 一、當(dāng)代教育的思考：知識的內(nèi)化 在中國古代，“知”的概念里既有“知識”、“知道”的意思，同時也有“智”的意思，這兩層意思都

2、用一個詞“知”來表示。只是隨著社會的復(fù)雜化的發(fā)展以及科學(xué)的進(jìn)步，知識和智慧才分開來表述。在知識爆炸的信息化時代，“知識”其實(shí)就是人們獲得的“信息”，而“智慧”則是人與客觀信息相契合的一種主體能力，是對知識的升華，是知識所導(dǎo)致的人的聰慧境界。人們只有把所學(xué)的“知識”，利用科學(xué)的思維方法進(jìn)行內(nèi)化，轉(zhuǎn)化成對客觀事物的認(rèn)識、辨析、處理和發(fā)明的“能力”，才會形成一種適應(yīng)和征服客觀事物的力量。正如華東理工大學(xué)錢旭紅院士所說：“思維和精神是理解運(yùn)用知識的基礎(chǔ)，知識是精神與思維、能力的載體。”1“思維”是什么？思維是人類特有的一種精神活動，是人們在表象、概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析、綜合、判斷、推理等認(rèn)識活動的過程。

3、因此相對于知識來說，思維是知識在人心中的一種內(nèi)化，是人們建立在自覺地掌握和運(yùn)用知識基礎(chǔ)上的一種內(nèi)化于心的基本能力，是一種集邏輯判斷、綜合分析、直覺感應(yīng)、理性選擇、情感認(rèn)同或拒斥于一體的內(nèi)在能力。知識就好比是我們從外界獲得的各種各樣的“信息”，只有通過內(nèi)化成為“思維”并通過“思維”作用才能表現(xiàn)出或成為我們的“智慧”。當(dāng)前大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)就面臨這樣的挑戰(zhàn)。一方面，學(xué)生的知識存儲方式和知識獲取數(shù)量與傳統(tǒng)教育發(fā)生了根本改變；另一方面，在新科技不斷涌現(xiàn)、知識更新速度急速上升等諸多因素的影響下，學(xué)校學(xué)到的知識不能保證學(xué)生走出校門便能夠適應(yīng)社會需求。因此，我們對教育目標(biāo)要作重新思考和審視，要深入思考“從知識教

4、育到能力教育，從結(jié)論教育到方法教育，從被動教育到創(chuàng)新教育”的教學(xué)改革問題2，即要實(shí)現(xiàn)從傳授知識的教育到思維能力的教育的轉(zhuǎn)變。在這樣的背景下，計(jì)算機(jī)課程的教學(xué)也應(yīng)在思維能力教育的高度上來認(rèn)識，在知識的內(nèi)化水平上來理解和定位。尤其當(dāng)我們明白了計(jì)算機(jī)文化的實(shí)質(zhì)、計(jì)算機(jī)教學(xué)的性質(zhì)之后，更應(yīng)該明確，計(jì)算機(jī)教育就其本質(zhì)而言，它不是簡單的知識教育、工具或技術(shù)教育，而更主要地是一種思維教育、能力教育。計(jì)算機(jī)教育，就是要使學(xué)生如何通過計(jì)算機(jī)原理和操作方法，去處理知識，去運(yùn)用信息，得到思維的果實(shí)。教育若要達(dá)到“告諸往而知來者”、“聞一以知十”的目標(biāo)，只有思維的活躍，才能夠在擁有豐富“知識”的同時達(dá)到升華，融會貫通

5、、推陳出新。因此，智慧與思維的奧秘就在于這樣的“知識內(nèi)化”。所謂計(jì)算機(jī)文化以及計(jì)算思維的實(shí)質(zhì)，也是作為人類“知識的內(nèi)化”的計(jì)算機(jī)方式的表現(xiàn)形式，是人類思維能力和力量的外化與表現(xiàn)，是一種“知識的內(nèi)化”的積極成果。我們要改變用簡單工具和技術(shù)的眼光看待計(jì)算機(jī)文化、信息革命的本質(zhì)，要著眼于思維這一“內(nèi)在化”的關(guān)鍵來提高對計(jì)算機(jī)的認(rèn)識，從人類“思維”、“能力”的高度來認(rèn)識計(jì)算機(jī)的意義。而“計(jì)算思維”的提出，正是指明了問題的實(shí)質(zhì)。正如清華大學(xué)孫家廣院士所說：“最具有基礎(chǔ)性和長期性的思想是計(jì)算思維?！?如果換個角度說，思維也是力量，是知識內(nèi)化的一種的力量。二、數(shù)據(jù)庫課程知識體系與思維框架 作為處理數(shù)據(jù)信息的

6、技術(shù)，數(shù)據(jù)庫課程所帶來的文化變革不僅僅在于提供了處理信息和知識的工具和技術(shù)，而在于提供了一種智慧工具、智慧途徑、智慧文明，它是“知識的內(nèi)化”的結(jié)果，更是“知識內(nèi)化”的具體表現(xiàn)。如果說它是一門知識，那就其本質(zhì)而言，它更主要的是關(guān)于“計(jì)算思維”的知識。隨著計(jì)算機(jī)教學(xué)的改革，逐步加強(qiáng)對于計(jì)算思維的培養(yǎng)，對于高校計(jì)算機(jī)課程的定位將演變?yōu)椋翰皇菫檎莆沼?jì)算機(jī)技術(shù)而學(xué)計(jì)算機(jī)課程，而是為掌握計(jì)算思維的基本方法而學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)課程4。數(shù)據(jù)庫課程是計(jì)算機(jī)教學(xué)的重要部分，數(shù)據(jù)庫理論的技術(shù)涉及的數(shù)據(jù)庫模型抽象、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)查詢及系統(tǒng)控制等方法，在本質(zhì)上是一種思維方式與能力水平的體現(xiàn)。因此，數(shù)據(jù)庫教學(xué)應(yīng)該是把“

7、知識內(nèi)化”作為培養(yǎng)目標(biāo)，將“能力”和“智慧”作為更高追求。正如陳國良院士所說：“計(jì)算思維無處不在，當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動的整體時，它作為一個問題解決的有效工具，人人都應(yīng)掌握，處處都會被使用。自然，它應(yīng)有效地融入我們每一堂課之中?！?5基于這樣的理念，我們對數(shù)據(jù)庫課程的知識體系進(jìn)行了重構(gòu)，課程內(nèi)容由4個知識單元構(gòu)成，其每個單元包含的知識如圖1所示。另外根據(jù)課程的知識體系，找出知識體系對應(yīng)的計(jì)算思維特征點(diǎn)，并構(gòu)建了如圖2所示的課程思維框架。  三、數(shù)據(jù)庫教學(xué)中的思維訓(xùn)練 思維習(xí)慣并非是天生的，而是在受教育的過程中和社會因素影響下慢慢形成的。思維模式通過積極培訓(xùn)也是能夠得到改

8、變的。如果我們今天的教育，還是按照經(jīng)典方式進(jìn)行，只就知識論知識，只是為傳授和積累知識，就不能 適應(yīng)當(dāng)今的社會發(fā)展。把計(jì)算機(jī)教育的重點(diǎn)放在計(jì)算思維上，放在加強(qiáng)學(xué)生思維訓(xùn)練上，倡導(dǎo)用計(jì)算思維考察客觀現(xiàn)實(shí)并有效解決問題上，乃是當(dāng)務(wù)之急。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，計(jì)算思維是隱藏在能力培養(yǎng)內(nèi)容中的，要靠學(xué)生悟出來，現(xiàn)在要把這些明白地講出來，讓學(xué)生自覺地去學(xué)習(xí)，提高培養(yǎng)質(zhì)量，縮短培養(yǎng)時間4。這里僅從幾個方面談一談數(shù)據(jù)庫課程中所蘊(yùn)含的“計(jì)算思維”。1.數(shù)據(jù)庫建模。美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授提出：“計(jì)算思維是一種采用抽象和分解的方法來控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨型復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法（soc方

9、法）。”6這一語道破數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的精髓。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是根據(jù)用戶需求和選擇的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對某一具體應(yīng)用系統(tǒng)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的過程。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫組織結(jié)構(gòu)就是將現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)特征抽象為概念數(shù)據(jù)模型表示，構(gòu)造出最優(yōu)的邏輯數(shù)據(jù)模式，最終提供使之既能正確反映現(xiàn)實(shí)世界的信息及其聯(lián)系，又能滿足用戶各種應(yīng)用需求（信息要求和處理要求）的物理數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)建模過程。在現(xiàn)實(shí)世界中，信息結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，應(yīng)用領(lǐng)域千差萬別，而設(shè)計(jì)者的思維也各不相同，所以數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的方法和路徑也多種多樣。但是在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的生命周期中，基于“抽象思維”，采用約簡、聚類、分解等方法就能夠?qū)⒁粋€復(fù)雜的客觀現(xiàn)實(shí)形式化地描述出來。在概念數(shù)據(jù)模型設(shè)

10、計(jì)時，我們通常采用“自上而下”的方法，從客觀現(xiàn)實(shí)的整體出發(fā)，用系統(tǒng)的眼光從結(jié)構(gòu)和功能來把握系統(tǒng)。由于系統(tǒng)是由相互作用、相互聯(lián)系的若干組成部分構(gòu)成，我們可基于系統(tǒng)功能和用戶需求，采用聚類和概括的方法抽象實(shí)體模型，通過各類實(shí)體間的聯(lián)系描述完整的系統(tǒng)。這就體現(xiàn)了約簡、聚類的思想方法。在邏輯數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)時，采用“自下而上”的方法，先從關(guān)系的內(nèi)部聯(lián)系出發(fā)，考慮數(shù)據(jù)完整性，數(shù)據(jù)的冗余度，然后再通過關(guān)系間的關(guān)聯(lián)將客觀現(xiàn)實(shí)做出整體描述。在概念數(shù)據(jù)模型向邏輯數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換過程中，采用“分解、折中”方法，消除不應(yīng)有的函數(shù)依賴并保證系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，這就體現(xiàn)了分解、折中的思想方法。無論約簡、聚類還是分解、折中，這些思想方法，

11、我們?nèi)粘Ｉ詈蜕鐣顒又幸彩菚r常見到的。如：精兵簡政是約簡的思維，超市貨物的擺放是聚類的思維，vcd就是計(jì)算機(jī)光驅(qū)與解碼部分的分離是分解的思維，退而求其次是折中的思維。約簡、聚類、分解和折中的數(shù)據(jù)庫的建模思想就是計(jì)算思維。2.數(shù)據(jù)操縱。一旦人們談到“計(jì)算思維”，就會格外關(guān)注“計(jì)算”這個詞，那么既然是“計(jì)算”，就離不開“算法”。計(jì)算思維是用計(jì)算來模擬人腦思維，主體是計(jì)算，核心是計(jì)算法則7。數(shù)據(jù)庫技術(shù)中的數(shù)據(jù)操縱所依據(jù)的無論是傳統(tǒng)的集合運(yùn)算（并、交、差、笛卡爾積），還是專門的關(guān)系代數(shù)（投影、選擇、連接、除），都是計(jì)算思維很好的體現(xiàn)。比如，“并”是將兩個相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行并運(yùn)算，其結(jié)果獲得一個更大的

12、新的數(shù)據(jù)集，在社會實(shí)踐中可用來解釋兩種以上事物的有機(jī)組合，會產(chǎn)生1+1>2的效果。同樣地“連接”運(yùn)算也可達(dá)到這樣的效果，但又有所區(qū)別。從“關(guān)系計(jì)算”的角度理解，“并”的結(jié)果可擴(kuò)大元組的個數(shù)，而“連接”增加的是“屬性”的個數(shù)；從其1+1>2的效果看，對于“并”而言是“縱向”的延伸，往“長里長”，而連接卻是“橫向”的擴(kuò)展，往“寬里擴(kuò)”。這是“加法思維”。其帶來的創(chuàng)造：電動自行車就是自行車+電動機(jī)、鈣奶是鈣+牛奶、多媒體數(shù)據(jù)庫是多媒體技術(shù)+數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。又如，“差”是將已知的數(shù)據(jù)集中減去指定的數(shù)據(jù)集，組織新數(shù)據(jù)集?！皽p法思維”為我們提供了觀察事物的另一個視角。有的時候我們把標(biāo)準(zhǔn)降低一點(diǎn)，

13、把負(fù)擔(dān)減少一點(diǎn)，也許會有想不到的結(jié)果。如2011年9月，由幾位斯坦福大學(xué)本科生開發(fā)的snapchat正式上線，并迅速走紅。該款短暫性數(shù)據(jù)分享應(yīng)用，其中文譯名“閱后即焚”，顯然更加深入人心。這個基于數(shù)據(jù)刪除的理念軟件后來引發(fā)許多知名網(wǎng)站效仿。3.數(shù)據(jù)的存儲和查詢。計(jì)算思維利用海量數(shù)據(jù)來加快計(jì)算，在時間和空間之間，在處理能力和存儲容量之間進(jìn)行權(quán)衡6。這一思想方法很好地詮釋了數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)查詢過程中的計(jì)算思維。在進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢時，我們通常要使用提高數(shù)據(jù)查詢速度的索引技術(shù)，由于索引要占用物理存儲空間，且需要維護(hù)，我們就要權(quán)衡時間和空間之間的取舍問題。在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫表創(chuàng)建的過程中，一些相關(guān)的信息在一個表存

14、儲，還是為了消除數(shù)據(jù)冗余和操作異常，按照關(guān)系進(jìn)行規(guī)范化原則，將其分成多個數(shù)據(jù)表，消除了不應(yīng)有的函數(shù)依賴，這樣數(shù)據(jù)冗余小了，占用的存儲空間少了，但數(shù)據(jù)的查詢時間卻要增加。這就需要權(quán)衡存儲空間和查詢速率間的關(guān)系。生活中無處不存在這種需求折中局面，很多事物都有好壞兩個方面。生活中，人們不時地要面對選擇，權(quán)衡極為重要?！笆ヒ粋€機(jī)會，也許會有十個機(jī)會；得到一個機(jī)會，也許會失去十個機(jī)會”，這就走到了思維的哲學(xué)層面。4.dbms系統(tǒng)控制。計(jì)算思維是按照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法。dbms系統(tǒng)控制功能（安全性、完整性、恢復(fù)技術(shù)和并發(fā)控制）是計(jì)算思維的最好體

15、現(xiàn)之一。如關(guān)系的完整性約束，保證了數(shù)據(jù)處理過程中數(shù)據(jù)的完整性和一致性，如同法律也是對人們的社會行為的約束，保證社會安定。再如并發(fā)調(diào)度的可串行性思想，在我們的生活中比比皆是，如飛機(jī)航班調(diào)度、智能交通的紅綠控制問題，都是用并發(fā)調(diào)度的思想來解決的。還有數(shù)據(jù)施加封鎖時，封鎖的粒度越小，并發(fā)性越高，事務(wù)的處理速度越快，但系統(tǒng)代價越高；而封鎖的粒度越大，系統(tǒng)處理代價越小，但事務(wù)之間的并發(fā)程度降低，事務(wù)的等待時間延長，這些問題解決都是要用到辯證的思想進(jìn)行處理。如今，一個大規(guī)模生產(chǎn)、分享和應(yīng)用數(shù)據(jù)的時代已經(jīng)開啟。人類存儲信息量的增長比世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的增長速度快4倍，而計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的增長比世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的增長速度快9倍8。數(shù)據(jù)庫課程教學(xué)只有與人文教育高度的結(jié)合，才能夠跟上時代的步伐，我們的教育目標(biāo)就是在傳授知識同時，讓學(xué)生接受學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓學(xué)生掌握知識內(nèi)化本領(lǐng)，讓學(xué)生培養(yǎng)出計(jì)算思維、智慧與能力。參考文獻(xiàn)：1 錢旭紅.改變思維 m. 上海：上海文藝出版社，2012.2 袁振國.當(dāng)代教育學(xué) m. 北京：教育科學(xué)出版社，2004.3 孫家廣.計(jì)算機(jī)科學(xué)的變革 j. 中國計(jì)算機(jī)學(xué)會通訊，2009，5（2）.4 李廉.計(jì)算思維概