计算机系统课程教学模块中的计算思维
1 背 景
教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会在《高等学校计算机基础教学发展战略研究报告暨计算机基础课程教学基本要求》中给出了计算机基础课程教学的4个教学模块，即①系统平台与计算环境，包括信息与社会、计算机系统以及计算机网络；②算法基础与程序设计；③数据管理与信息处理；④系统开发与行业应用[1]。尽管如此，大学计算机基础课程的教学内容到底应该包括哪些模块仍然莫衷一是。然而，无论哪所大学，无论从事计算机基础课程教学的教师秉持何种教学观念，计算机系统和算法基础与程序设计已是计算机基础课程教学中两个最主要的教学模块，这一点已经达成共识。
另一个共识是在大学计算机基础课程教学中要注重探索和培养学生的计算思维。目前，计算机基础教学中对计算思维探索与培养的侧重点基本放在基于问题求解的“算法基础与程序设计”教学模块上，在“计算机系统”教学模块中则体现较少，究其原因是算法、程序设计等软件教学方面的内容，与计算及问题求解的关系更为密切。若要将计算思维作为思维模式进行培养，则应将其贯穿于课程教学的全过程，那么，计算机系统教学模块也概莫能外――这句话可以从两方面进行解释，一是计算机系统教学模块内部要体现计算思维，二是计算机系统教学模块中的计算思维作为完整的计算思维过程链中的一环，甚至是最基础的一环，要为全过程、全方位的计算思维培养提供原理支撑。我们对计算机系统教学模块中的计算思维进行研究。
2 计算机系统教学模块中的计算思维框架模型
?算思维贯穿计算机系统模块教学的始终。计算思维应该是一条线，将计算机系统的核心知识点像串珍珠一样串起来，培养学生从机器本身和计算机科学家这两个思维角度理解计算机系统的底层运作机制；在此基础上，计算机是实现问题求解的手段，计算思维则是人类求解现实问题的一条途径[2]，是一种解决客观世界各种可计算问题的思维方法。
基于以上思路，我们将计算机系统教学的核心知识点概括为计算思维框架模型，如图1所示。结合该框架模型，我们对计算机系统中计算思维的本质和3种重要的计算思维进行归纳。
3 计算机系统教学模块中计算思维的本质
计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为的一系列思维活动的统称[2]，其本质是抽象和自动化，即在不同层面进行抽象并将这些抽象机器化或自动化。
对于客观世界中的某个可计算问题，要映射到计算机世界去求解，通常需要两个步骤：一是将待求解问题抽象为可计算的概念模型；二是对于概念世界中的概念模型，用物理的计算机世界来实现与求解。前者体现计算思维的本质之一――抽象化，后者反映计算思维的本质之二――自动化。
抽象是一种很好的管理复杂性事物的思维方法。好的抽象可以把一个几乎不可能管理的任务划分为两个可管理的部分：第一部分是有关抽象的定义和实现；第二部分是随时用这些抽象解决问题[3]。
“抽象的定义和实现”可以理解为领域内的、深刻反映外部世界的一些通用概念，在计算机系统教学中，就是指学生通过学习各个知识点来理解计算机系统的底层运作机制；“用这些抽象解决问题”意味着学生不能以客观世界的事物为起点开展思维，而应该以计算机系统中的抽象概念为起点分析待求解问题，包括用抽象概念代表待求解对象，用概念间的关系来代表待求解对象之间的关系。到此时，具体而复杂的现实问题被抽象为一个可计算问题，现实世界在抽象的计算机概念世界中得到再现。
“随时用这些抽象解决问题”意味着计算机要将抽象概念机器化、自动化。虽然计算机的计算能力日益强大，应用范围日益广泛，但是从本质上来说，计算机的基本功能很简单，即通过执行程序进行信息处理[4]。信息处理包含两方面的意思：一是构造求解问题的算法和程序；二是程序在机器层面的自动执行，即自动化。
抽象和自动化这两种重要的研究思维模式，对于用计算手段求解现实问题是非常有效的，能为其他的计算思维奠定基础，因此，教师在教学中要注重培养这两种思维模式。本质上来说，现实问题的计算和问题求解是不同层面的抽象以及抽象之后的自动化，这种抽象和自动化通过二进制思维、指令自动执行思维、程序自动运行思维3方面得以体现。
4 3种计算思维
4.1 二进制思维
要将待解决问题表示成可计算的对象，就是要将该问题抽象为可描述的数学模型，并将可计算对象及其特性符号化，符号可以是数字、文本、图形图像、声音、视频等，统称为该对象的数据信息（包含数值性和非数值性）。计算机本质上是二进制（0、1）的世界，即可计算对象的数据信息都要表示成计算机可以处理的符号――0、1。在二进制的世界里，所有的二进制运算都可以用逻辑运算代替，而香农在题为《继电器和开关电路的符号分析》的论文中指出“由继电器、晶体管等电子元件组成的逻辑电路可以实现所有的逻辑运算；然后，再通过集成各种复杂的逻辑电路得到不同功能的硬件――处理器、内存储器、I/O设备，最后，在一定的体系结构下将这些硬件结合在一起，实现计算机的信息处理功能”。由此可见，从客观世界到计算机世界的纽带就是二进制（0、1）。
二进制思维是一种将客观事物符号化、符号二进制化、二进制电子化和电子集成化的思维过程，是一种非常重要的计算思维。教师在教学中要培养学生多从机器的思维（客观事物二进制化的抽象思维）和计算机科学家的思维（怎么实现二进制化，即二进制电子化和电子集成化的自动化思维）这两个角度学习及思考，这种代入感对于学生掌握计算机系统运行原理和培养学生的计算思维都有事半功倍的效果。 在教学实践中，为了培养学生的二进制抽象思维，可以采用事物编码的方法。第一步，利用二进制方式对事物进行编码，若用0001表示计算机类，则可用000101表示微型计算机类；第二步，利用编码方式表达事物之间的静态联系，如整体与部分的关系，若用0001010001表示一台微型计算机，则可用000101000110表示该计算机的第二颗CPU，由此，学生可利用二进制编码逐渐建立出一个符号化的静态世界；第三步，利用二进制编码方式表达事物之间的动态关系，如前述的“微型计算机第二颗CPU开始运行”这个概念，可以使用 01 000101000110表达，前面两位数“01”表示“开始运行”的操作码，后面12位数“000101000110”是操作数，由此，学生可以利用二进制符号化、抽象化地表达世间万物及其之间的关系，同时也能为后续计算机指令的表达方式作铺垫。这些步骤可以让学生深入理解机器是如何理解和表现世界的，从而切实了解机器思维。在将现实世界抽象为符号世界的基础上，我们继续探讨了计算机科学家们是如何从抽象的符号世界走向物理的电子世界的。
4.2 指令自动执行思维
将待求解问题表示成可计算对象后，怎么基于计算手段来求解呢？问题的求解方案可以抽象为基本动作以及基本动作的各种组合所构成的动作序列，因此，我们将基于计算手段的求解方案的实现转换为对抽象的定义和抽象定义的自动化实现：①定义这些基本动作；②实现控制这些基本动作并按次序执行的机构。对这些基本动作的控制就是指令，为求解问题而将指令按一定次序进行组合就构成程序。程序（指令序列）经输入设备输入并存储在内存储器中，处理器从存储器中一条接一条地顺序读取并执行这些指令，以实现信息处理的功能。由此可见，计算机系统是根据程序来自动控制这些基本动作的执行，从而完成问题求解。人的任务是编制程序――将待求解问题转换为程序，通过程序运行达到解决问题的目的。
指令自动执行思维体现的是指令如何被表示、如何被存储以及如何被CPU（控制器和运算器）执行的基本思维。
教学实践中，通过二进制思维的培养，学生掌握了指令二进制表达方式的基础。在此基础上，一方面，教师可以通过图示、动作分解、寄存器状态再现、I/O分时动作等方法，重点分析指令表达及其存储、指令的自动执行等知识点，增强对学生指令自动执行思维的培养；另一方面，教师可以让学生利用DEBUG命令实验验证计算机指令的存储、执行以及结果，让学生切身体会指令自动执行的过程和效果。
4.3 程序自动运行思维
指令自动执行思维是从微观角度思考指令与硬件的交互，再通过拓宽思维，从宏观角度思考程序借助操作系统与硬件的交互和自动运行。
操作系统是程序和硬件之间的接口，负责向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂而原理各异的底层硬件设备[5]。这个简单一致的机制就是“抽象”，也是计算机管理硬件的关键。这些抽象主要包括文件、地址空间和进程，其中，文件是对I/O设备的抽象表示，它为程序创造了一个抽象的永久存储设备；地址空间是对内存和I/O设备的抽象表示，该概念为程序创造了一个抽象的独立的内存；进程则是对处理器、内存和I/O设备的抽象表示，进程概念创造了一个抽象的独占的处理器以运行程序。在此基础上，程序和硬件之间的交互以及自动运行主要是利用操作系统提供的、比实际硬件更方便使用的抽象来实现，包括程序及其数据被合并成一个文件并保存在I/O设备上，程序运行时，处理器将这个文件加载到“独立的”地址空间，然后该进程被“独立的”处理器执行。
程序自动运行思维体现的是在操作系统的协助下程序被硬件自动运行的思维。在教学实践中，我们一方面补充讲解计算机操作系统的必要内容，如文件系统管理、内存管理、进程管理等相关知识；另一方面?t结合生活中的实际问题进行实验，如批处理文件的编写、文件I/O操作与NTFS文件系统的关系等。通过这些与日常学习生活非常贴近的知识和实验，学生不仅对操作系统和计算机硬件系统之间的协作有了更深入的理解，同时也培养了他们的程序自动执行思维。
指令自动执行和程序自动运行思维是一种构造性的问题求解思维，即一个问题的求解可以通过构造其算法和程序来解决，因此这两种思维对于培养学生利用算法和程序手段求解客观现实问题具有重要的意义。
5 结 语
计算机系统教学模块中计算思维的本质以及二进制思维、指令自动执行思维、程序自动运行思维3种计算思维可以让学生逐步理解计算机系统，并且让学生能够进行这些知识背后的思维训练，为学生形成抽象和应用自动化手段求解问题的思维模式提供重要支撑。我们所在的计算机系统教学组已经将这些计算思维应用到实际教学中，并编写了支撑计算思维教学的教材，即将由清华大学出版社出版。
计算思维作为一种解决客观世界各种可计算问题的思维方法，在计算学科中还有很多应用。教师要挖掘并传授这些思维，学生则要掌握这些思维并将这些思维与自己的专业研究对象结合起来，从而形成一种应用计算手段求解问题的创新性思维，这种思维的培养也必将对专业人才在未来进行创造性研究产生深远影响。
