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1、计算思维与大学计算机基础教育,2011年6月,陈国良 董荣胜 毛睿,摘要：本报告首先讲述了大学计算机基础课程的重要性，分析了教学中存在的问题，指出了“狭义工具论”的危害。然后从推动人类文明进步、科技发展三大科学思维之一的计算思维入手，阐述了计算思维对学生创新能力培养的重要性。最后按计算思维主要内容，即问题求解、系统设计和人类行为理解，探讨了大学计算机基础课程设置，强调了课程结构设计的重要性，给出了一种以“计算思维”为核心的大学计算机基础课程教学的最小集，为大学计算机基础教育提供了一种以提高学生计算思维能力为目标的新模式。,2,目录大学计算机基础课程的重要性大学计算机基础课程教学存在的问题计算思
2、维在美国产生的背景科学与科学思维计算思维计算思维在我国计算机科学导论：计算思维课程的总体框架计算机科学导论：计算思维课程的内容规划结论感谢,3,一、大学计算机基础课程的重要性,大学通识教育是大学人才培养的重要任务大学教育不能局限于基本知识传授，要培养学生的理性思维能力学生对科学精神的追求学生的高尚人格通识教育三大特征（复旦杨玉良校长）通识教育要同时传递科学精神和人文精神通识教育要展现不同文化、不同学科的思维方式通识教育要充分展现学术的魅力计算思维能力培养是大学通识教育的重要组成部分国家明确定位计算机基础课程是和数学、物理等同地位的基础课程。计算机不仅为不同专业提供了解决专业问题的有效方法和手段
3、，而且提供了一种独特的处理问题的思维方式。熟悉使用计算机及互联网，为人们终生学习提供了广阔的空间以及良好的学习工具与环境。,4,二、大学计算机基础课程教学存在的问题(1),我国的情况“狭义工具论”的课程：“狭义工具论”认为教计算机基础就是教些计算机工具及其使用方法。“浓缩版”的教材：教材基本上是有关领域的浓缩版，学生进入大学后，对第一门计算机课程兴趣不大，逃课率相当高。计算机基础课教学学时被压缩，教学资源配置不充分，课程面临被裁减的危机美国的情况(1)学生学习计算机课程情况：2003年11月，美国Naval Postgraduate School的Peter Denning教授在CACM上发表
4、Great Principles of Computing一文介绍了这种情况：在大学第一门计算机课程（主要指“程序设计语言”作为第一门计算机课程）的学习过程中，有35-50%的学生中途放弃。另外，不少的学生还通过抄袭或者是作弊的方式来完成课程。,5,二、大学计算机基础课程教学存在的问题(2),美国的情况(2)毕业生的工资情况：2005年11月，美国Computing Research News刊登的一篇名为科学与工程专业毕业生的工资的报告：2003年，在美国科学领域各学科中，计算机与信息科学专业毕业生的平均年工资最高，学士人均年工资为45，000美元，硕士人均60，000美元。学生主修计算机专
5、业情况：加州大学洛杉矶分校发现学生对计算专业的兴趣波动很大，2001后普遍下降。具体数据如图所示：,6,三、计算思维在美国产生的背景(1),2005年6月美国的PITAC报告2005年6月，美国总统信息技术咨询委员会（PITAC）给美国总统提交了报告计算科学：确保美国竞争力（Computational Science:Ensuring Americas Competitiveness）。(1)报告写道：虽然计算本身也是一门学科，但是其具有促进其他学科发展的作用。二十一世纪科学上最重要的、经济上最有前途的研究前沿都有可能通过熟练的掌握先进的计算技术和运用计算科学而得到解决。(2)报告认为：如今美
6、国又一次面临了挑战，这一次的挑战比以往来得更加广泛、复杂，也更具长期性。美国还没有认识到计算科学在社会科学、生物医学、工程研究、国家安全，以及工业改革中的中心位置。这种认识不足将危及美国的科学领导地位、经济竞争力以及国家的安全。(3)报告建议：将计算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位。,7,三、计算思维在美国产生的背景(2),2005年底至2006年初美国四大区的报告及建议(1)针对“计算学科与日俱增的重要性与学生对计算学科兴趣的下降”，美国NSF组织了计算教育与科学领域，以及其他相关领域的专家分四个大区（东北、中西、东南、西北）进行研讨，形成四份重要报告：Report of NSF
7、 Workshop on Integrative Computing Education and Research(ICER)Northeast WorkshopReport of NSF Midwest Region Workshop on ICER:Preparing IT Graduates for 2010 and BeyondReport from the Southeast Region Workshop on ICER:Preparing IT Graduates for 2010 and BeyondICER Final Report of the Northwest Regi
8、onal Meeting(2)内容及建议：以上四个文件分析了美国计算教育出现的问题，报告建议在美国国家科学基金的资助下全面改革美国的计算教育。以下两个问题和一个建议值得我们注意：大学第一年计算机课程的构建问题；多学科的融合问题；报告建议加强美国中小学学生抽象思维与写作能力的训练，目的，使学生平稳过渡到大学的学习。,8,三、计算思维在美国产生的背景(3),2007年美国NSF的CPATH计划CPATH（Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education，大学计算教育重生的途径）计划认为：计算普遍存在于我们的日常生活之中，培养未来能够
9、参与全球竞争、掌握计算核心概念的美国企业家和员工就变得非常重要。CPATH计划认为：尽管有的研究机构和大学对此做出了卓越的、开创性的工作，但目前美国更多的大学计算教育仍然沿袭的是几十年前的教学模式。鉴于此，NSF 2007年启动了CPATH计划，当年投入600万美元，2008年投入500万美元，2009年投入1000万美元，力图改变这种情况。经过2007年和2008年的资助和项目实践，CPATH认识到“计算思维”在计划中所起的独特的重要作用，因此，对2009年申报的项目提出了更为具体的以“计算思维”为核心的要求。2008年美国NSF的CDI计划CDI（Cyber-Enabled Discove
10、ry and Innovation，计算使能的科学发现和技术创新）是美国国家科学基金会的一个革命性的、富有独创精神的五年计划，该计划旨在通过“计算思维”领域的创新和进步来促进自然科学和工程技术领域产生革命性的成果。CDI计划2008年启动，当年批准了共计4200万美元的72个项目的立项申请，2009年投入2600万美元，2010年投入3600万美元。,9,四、科学与科学思维(1),科学与思维达尔文曾给科学下过一个定义：“科学就是整理事实，从中发现规律，作出结论”。科学一般包含：自然科学、社会科学和思维科学。思维是高级的心理活动形式。人脑对信息的处理包括分析、抽象、综合、概括。人类科学发现的三大
11、支柱：理论科学、实验科学和计算科学作为科学发现三大支柱，正推动着人类文明进步和科技发展。该说法已被科学文献广泛引用，并在美国得到国会听证、联邦和私人企业报告的承同。一般而论，三种科学对应着三种思维：理论科学 理论思维：理论思维又叫推理思维，以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。实验科学 实验思维：实验思维又叫实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。计算科学 计算思维：计算思维又叫构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。,10,四、科学与科学思维(2),科学思维：国科发财2008197号文关于创新方法工作的若干意见认为“科学思维不仅是一切科学研究和技术发展的起点，而且始
12、终贯穿于科学研究和技术发展的全过程，是创新的灵魂”。理论思维：理论源于数学，理论思维支撑着所有的学科领域。正如数学一样，定义是理论思维的灵魂，定理和证明是它的精髓。公理化方法是最重要的理论思维方法。实验思维：实验思维的先驱是意大利科学家伽利略，被人们誉为“近代科学之父”。与理论思维不同，实验思维往往需要借助于某些特定的设备，并用它们来获取数据以供以后的分析。计算思维：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。,11,五、计算思维(1),计算思维的定义：计算思维（Computational Thinking，CT）是运用计算
13、机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为。CT的本质是抽象和自动化。它是如同所有人都具备“读、写、算”（简称3R）能力一样，都必须具备的思维能力。计算思维的例子：计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释成如何求解它的思维方法。计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。计算思维是一种采用抽象和分解的方法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法（SoC方法）。计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。,12,五、计算思维
14、(2),计算思维的例子：计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。计算思维是利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折衷的思维方法。计算思维的特征：概念化，不是程序化计算机科学不是计算机编程。像计算机科学家那样去思维意味着远远不止能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思维。计算机科学不只是关于计算机，就像音乐产业不只是关于麦克风一样。根本的，不是刻板的技能计算思维是一种根本技能，是每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的。刻
15、板的技能意味着简单的机械重复。,13,五、计算思维(3),计算思维的特征：人的，不是计算机的思维计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情。计算机赋予人类强大的计算能力，人类应该好好的利用这种力量去解决各种需要大量计算的问题。是思想，不是人造品不只是将我们生产的软硬件等人造物到处呈现给我们的生活，更重要的是计算的概念，它被人们用来问题求解、日常生活的管理，以及与他人进行交流和互动。数学和工程思维的互补与融合计算机科学在本质上源自数学思维，它的形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维，因为我们
16、建造的是能够与实际世界互动的系统。所以设计思维是数学和工程思维的互补与融合。面向所有的人，所有地方当计算思维真正融入人类活动的整体时，它作为一个问题解决的有效工具，人人都应当掌握，处处都会被使用。,14,五、计算思维(4),计算思维对其他学科的影响：生物：霰弹枪算法（Shotgun algorithm）大大提高了人类基因组测序的速度蛋白质结构可以用绳结来模拟蛋白质动力学可以用计算过程来模拟细胞和电路类似，是一个自动调节系统脑科学：人脑可以看作是一台计算机视觉是一个反馈循环用机器学习方法分析功能核磁共振（fMRI）数据化学：用原子计算探索化学现象用优化和搜索算法寻找优化化学反应条件和提高产量的物
17、质 地质学：“地球是一台模拟计算机”(Boulton,Edinburgh)用抽象边界和复杂性层次模拟地球和大气层,15,五、计算思维(5),计算思维对其他学科的影响：数学：发现 E8 李群（E8 Lie Group）:-18位数学家，4年零77小时超级计算机机时（2千亿个数字）证明四色定理工程(电子、土木、机械、航空航天等)：计算高阶项可以提高精度，进而降低重量、减少浪费并节省制造成本波音777飞机完全是采用计算机模拟测试的，没有经过风洞测试经济学：自动设计机制在电子商务中广泛采用(广告投放、在线拍卖、肾源交换等)很多麻省理工学院的计算机科学博士在华尔街作金融分析师社会科学：社交网络是MySp
18、ace和YouTube等发展壮大的原因之一统计机器学习被用于推荐和声誉排名系统，例如Netflix和联名信用卡等医疗：机器人手术电子病历系统需要隐私保护技术可视化技术使虚拟结肠镜检查成为可能,16,五、计算思维(6),计算思维对其他学科的影响：法学：斯坦福大学的CL方法包含了人工智能、时序逻辑、状态机、进程代数、Petri网等方面的内容欺诈调查方面的POIROT 项目为欧洲的法律系统建立了一个详细的本体论结构关于犯罪现场调查的福尔摩斯项目娱乐：游戏电影-梦工厂用惠普的数据中心进行电影“怪物史莱克”和“马达加斯加”的渲染工作-卢卡斯电影公司用一个包含200个节点的数据中心制作电影“加勒比海盗”艺
19、术：艺术(如喷绘机器人Robotticelli)戏剧音乐摄影,17,五、计算思维(7),计算思维对其他学科的影响：体育：阿姆斯特朗的自行车载计算机追踪人车统计数据Synergy Sports 公司对NBA视频进行分析教育方面的启示：大学应该从新生课程入手-教授“象计算机科学家一样思考”课程，而不是“某程序设计”课程让国家和国际组织参与到教学改革中，特别是K-12、ACM、CSTA、CRA等模拟：核试验模拟利用Exascale计算对能源和环境进行建模和模拟基于高性能计算机用计算科学模拟飓风，使科学家可以看到飓风的内部地震能否被有效模拟和预测？,18,六、计算思维在我国(1),中国2050年信息科
20、技发展路线图由李国杰院士任组长的中国科学院信息领域战略研究组撰写的中国至2050年信息科技发展路线图中对“计算思维”给予了足够的重视，认为，计算思维的培育是克服“狭义工具论”的有效途径，是解决其他信息科技难题的基础。长期以来，计算机科学与技术这门学科也被构造成一门专业性很强的工具学科，“工具”意味着它是一种辅助性学科，并不是主业。这种狭隘的认知对信息科技的全民普及极其有害。,19,六、计算思维在我国(2),计算机科学的变革：孙家广院士在“计算机科学的变革”一文中指出：(计算机科学界)最具有基础性和长期性的思想是“计算思维”(Computational Thinking)。国家自然科学基金委员会
21、信息科学部二处处长刘克教授，强调了在大学中推进“计算思维”这一基本理念的必要性。中国科学院计算技术研究所研究员徐志伟总工认为：计算思维是一种本质的、所有人都必须具备的思维方式，就像识字、做算术一样；在2050年以前，让地球上每一个公民都应具备“计算思维”的能力。中科院自动化所王飞跃教授率先将“计算思维”引入国内，翻译了周以真教授的“计算思维”，撰写了相关的“计算思维与计算文化”。他认为：在中文里，计算思维不是一个新的名词。在中国，从小学到大学教育，计算思维经常被朦朦胧胧地使用，却一直没有提高到周以真教授所描述的高度和广度，以及那样的新颖、明确和系统。他希望我们能借“计算思维”之东风，尽快把中国
22、世故人情的“算计文化”反正成为科学理性的“计算文化”，以提高我们民族的整体素质。,20,六、计算思维在我国(3),中国高等学校计算机基础课教学指导委员会的近期工作：2010.5：在合肥会议上讨论了培养高素质的研究性人才，“计算机基础”这门课程应该包含哪些内容，如何将计算思维融入到这门课程中？2010.7：在西安会议上发表了九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明，确定了以计算思维为核心的计算机基础课程教学改革。2010.9：在太原会议上决定了将合肥会议和西安会议中有关计算思维的讨论形成书面材料，以“计算思维：确保学生创新能力”为主题向教育部领导谏言和申请立项研究。2010.11：在济南会
23、议上，将在全国更大范围内，深入讨论以计算思维为核心的基础课教学改革，并将太原会议的初步材料加以讨论和修改后正式上报教育部袁贵仁部长，并“以计算思维能力培养为核心推进大学通识教育改革的研究与实践”为项目，建议立项研究。2011.06：在北京“以计算思维为导向的计算机基础课程建设”研讨会上，组织有关高校围绕“计算思维的实质”和“如何在计算机基础教学的第一门课程中体现计算思维能力的培养”进行了讨论。计算思维课程在中国高校中正式开始实践：上海交大（2010年秋季）和南方科大（2011年春季）正在试开新型计算机基础课程“计算机科学导论：计算思维”。,21,七、计算机科学导论：计算思维课程的总体框架(1)
24、,计算机科学导论：计算思维的基本框架 计算理论：可计算性与计算复杂性 算法和程序设计：基础算法与Python语言 实现基础：计算机硬件与软件最小知识集课程教学环节(1)课堂讲授：内容规划见本报告第八节。使用的参考教材与讲义：Allen Downey et al.How to Think Like a Computer Scientist:Learning with Python(Green Tea Press 2002)。John Zelle.Python Programming:An Introduction to Computer Science(Franklin,Beedle&Assoc
25、iates 2004)。Jeannette M.Wing(周以真).Computational Thinking.(ACM,2006,49(3)。JG.Brookshear.Computer Science:An Overview（10th Edition），Addison Wesley，2009。,22,七、计算机科学导论：计算思维课程的总体框架(2),课程教学环节(2)课堂练习：主要参考材料：不插电的计算机科学（桂林电子科技大学，董荣胜主持翻译，2008.10）(3)课程实践：实验内容包含指定的和自选的(4)成绩考核：笔试口试小论文实验大学计算机基础课程群：计算思维（第一门课）算法与程序设
26、计 计算机系统类课程（软/硬件基础）（后续课）信息处理与应用基础,23,八、计算机科学导论：计算思维课程的内容规划(1),计算思维基础知识(1)基本概念：什么是科学、思维、学科？科学与思维，理论思维，实验思维，计算思维。(2)科学发现的第三支柱：科学发现的三大支柱（理论科学、实验科学、计算科学），计算科学的作用（PITAC 2005报告），名人名言（H.Davy,化学家)。(3)计算科学与计算机科学以及计算机学科什么是计算科学？什么是计算机科学？什么是计算机学科？计算机学科发展的历程（EE、CE、CS、SE、IT、IS）。(4)计算思维什么是计算思维？例子、主要特征（它是什么？它不是什么？）、
27、对其他学科的影响（生物学、脑科学、化学、地质学、数学、工程技术、经济学、社会科学、医学、法律、娱乐、艺术、体育、教育）。(5)热身问题20次猜测、七桥问题、国王的婚姻、汉诺塔、旅行商问题,24,八、计算机科学导论：计算思维课程的内容规划(2),计算理论和计算模型：(1)人类对计算本质的认识过程计算手段应该器械化（算盘、手摇计算机、微分机、模拟机等）计算过程应该形式化（图灵模型）计算执行应该自动化（冯诺依曼模型）(2)计算理论函数及其计算图灵机通用Bare Bones语言不可计算函数与停机问题计算复杂性（多项式与多项式函数，P类问题，NP类问题，NPC类问题）(3)冯诺依曼计算机模型计算机体系结
28、构机器指令与机器语言汇编语言程序的执行举例虚拟机,25,八、计算机科学导论：计算思维课程的内容规划(3),计算理论和计算模型（续）：(4)计算学科中的数学概念集合函数和关系代数系统定义、定理和证明必要和充分条件证明方法递归与递推随机性公理化证明,26,八、计算机科学导论：计算思维课程的内容规划(4),算法基础(1)算法的历史(2)算法的定义和特征定义特征（确定性、有穷性、可行性、输入/输出量等）(3)算法举例(4)基本的表达自然语言、流程图、伪代码、程序语言(5)算法的分析复杂度度量（时间复杂度、空间复杂度等）复杂度分析（最坏情况分析、平均情况分析）复杂度函数（上界、下界、精确界函数）,27,
29、八、计算机科学导论：计算思维课程的内容规划(5),Python编程入门Python简介：Python语言是什么Python发展历程Python的优点Python编程环境Python实例(2)Python基本要素值与类型变量赋值类型转换,28,八、计算机科学导论：计算思维课程的内容规划(6),5.Python基本数据结构字符串定义字符串的索引遍历字符串字符串的比较(2)列表定义列表的元素列表操作(3)数组数组的赋值和操作随机数(4)字典字典的定义和操作字典的应用：稀疏矩阵,29,八、计算机科学导论：计算思维课程的内容规划(7),6.Python程序的控制及其它条件语句布尔表达式和逻辑运算符条件语
30、句及其嵌套(2)循环语句While 循环表格(3)函数函数的定义、参数、返回值和调用定义新的函数(4)递归定义用递归的方法解决问题,30,八、计算机科学导论：计算思维课程的内容规划(8),7.Python编程实例：模拟与优化模拟基本概念一个模拟问题实例随机数自顶向下设计从下往上实现(2)优化基本概念优化实例不同层次的优化,31,八、计算机科学导论：计算思维课程的内容规划(9),8.计算机硬件基础布尔逻辑与门电路布尔逻辑和运算门电路基础数制与运算各种数制的转换数据的存储与表示存储容量单位ASCII码原码、反码和补码计算机组成CPU主存、外存和存储体系I/O设备指令系统及执行,32,八、计算机科学
31、导论：计算思维课程的内容规划(10),9.计算机基础软件软件分类操作系统操作系统的定义和功能操作系统的历史、分类和常见操作系统竞争控制数据库系统数据库系统基础关系模型数据挖掘入门办公软件简介WordExcelPowerPointAccess,33,八、计算机科学导论：计算思维课程的内容规划(11),10.进一步的内容组网与因特网网络基础知识The InternetHtml入门软件工程软件生命周期软件工程方法人工智能人工智能基本概念人工神经网络机器人计算机图形学计算机图形学的研究内容动画,34,九、结论,教指委过去的工作奠定了大学计算机基础改革的基础本届教指委在上届教指委的基础上，总结了计算机基
32、础教学发展发展规律，做了三件大事：即计算机基础教学的能力培养目标、知识体系和实验体系、核心课程的基本要求。教指委的这些工作，创造性地建立了计算机基础教学科学化和规范化的教学研究方法，形成了比较科学的基础课教学体系，这些都为以计算思维能力培养为核心的计算机基础课教学改革奠定了良好的基础。教指委为新一轮的大学计算机基础课改革作了前期准备工作在2010年5月的合肥会议、2010年7月的西安会议和2010年9月的太原会议上，均把计算思维列为会议主要议题，特别是在九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明中，确定了以计算思维为核心的计算机基础课程教学改革。本次（2010年11月的济南会议）会议将在全国更大范围内，深入讨论以计算思维为核心的基础课教学改革，我们正在积极向教育部领导谏言和申请立项，开展“计算思维：确保学生的创新能力”的大学计算机基础课程教学改革的研究。我们现在不仅仅是在谈论，而且是在具体做了：包括上海交通大学今年秋季开设的实际上就是计算思维的课，以及南方科技大学本月就即将开设全新的大学计算机基础课：计算机科学导论计算思维。,35,关心支持本工作的教育部领导和积极参与本工作的老师们！本届教指委全体成员对本工作的大力积极支持！美国周以真教授在北京的面谈！恳请批评指正！谢谢。,36,十、感谢：,
