計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育[陳國良-董榮勝-毛睿20110613]

1、計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育,2011年6月,陳國良 董榮勝 毛睿,摘要：本報告首先講述了《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程的重要性，分析了教學(xué)中存在的問題，指出了“狹義工具論”的危害。然后從推動人類文明進(jìn)步、科技發(fā)展三大科學(xué)思維之一的計(jì)算思維入手，闡述了計(jì)算思維對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性。最后按計(jì)算思維主要內(nèi)容，即問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人類行為理解，探討了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程設(shè)置，強(qiáng)調(diào)了課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，給出了一種以“計(jì)算思維”為核心的大學(xué)計(jì)

2、算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的最小集，為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育提供了一種以提高學(xué)生計(jì)算思維能力為目標(biāo)的新模式。,2,目錄大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要性大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問題計(jì)算思維在美國產(chǎn)生的背景科學(xué)與科學(xué)思維計(jì)算思維計(jì)算思維在我國計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的總體框架計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃結(jié)論感謝,3,一、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要性,大學(xué)通識教育是大學(xué)人才培養(yǎng)的重要任務(wù)大學(xué)教育不能局限于基本知識傳授，要培養(yǎng)

3、學(xué)生的理性思維能力學(xué)生對科學(xué)精神的追求學(xué)生的高尚人格通識教育三大特征（復(fù)旦楊玉良校長）通識教育要同時傳遞科學(xué)精神和人文精神通識教育要展現(xiàn)不同文化、不同學(xué)科的思維方式通識教育要充分展現(xiàn)學(xué)術(shù)的魅力計(jì)算思維能力培養(yǎng)是大學(xué)通識教育的重要組成部分國家明確定位計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是和數(shù)學(xué)、物理等同地位的基礎(chǔ)課程。計(jì)算機(jī)不僅為不同專業(yè)提供了解決專業(yè)問題的有效方法和手段，而且提供了一種獨(dú)特的處理問題的思維方式。熟悉使用計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)，為

4、人們終生學(xué)習(xí)提供了廣闊的空間以及良好的學(xué)習(xí)工具與環(huán)境。,4,二、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問題(1),我國的情況“狹義工具論”的課程：“狹義工具論”認(rèn)為教計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)就是教些計(jì)算機(jī)工具及其使用方法?！皾饪s版”的教材：教材基本上是有關(guān)領(lǐng)域的濃縮版，學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后，對第一門計(jì)算機(jī)課程興趣不大，逃課率相當(dāng)高。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)學(xué)時被壓縮，教學(xué)資源配置不充分，課程面臨被裁減的危機(jī)美國的情況(1) 學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)課程情況：2003年11

5、月，美國Naval Postgraduate School的Peter Denning教授在CACM上發(fā)表《Great Principles of Computing》一文介紹了這種情況：在大學(xué)第一門計(jì)算機(jī)課程（主要指“程序設(shè)計(jì)語言”作為第一門計(jì)算機(jī)課程）的學(xué)習(xí)過程中，有35-50%的學(xué)生中途放棄。另外，不少的學(xué)生還通過抄襲或者是作弊的方式來完成課程。,5,二、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問題(2),美國的情況(2)畢業(yè)生的工資情況

6、：2005年11月，美國《Computing Research News》刊登的一篇名為《科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)生的工資》的報告：2003年，在美國科學(xué)領(lǐng)域各學(xué)科中，計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)專業(yè)畢業(yè)生的平均年工資最高，學(xué)士人均年工資為45，000美元，碩士人均60，000美元。學(xué)生主修計(jì)算機(jī)專業(yè)情況：加州大學(xué)洛杉磯分校發(fā)現(xiàn)學(xué)生對計(jì)算專業(yè)的興趣波動很大，2001后普遍下降。具體數(shù)據(jù)如圖所示：,6,三、計(jì)算思維在美國產(chǎn)生的背景(1),2005年

7、6月美國的PITAC報告2005年6月，美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會（PITAC）給美國總統(tǒng)提交了報告《計(jì)算科學(xué)：確保美國競爭力》（Computational Science: Ensuring America’s Competitiveness）。(1) 報告寫道：雖然計(jì)算本身也是一門學(xué)科，但是其具有促進(jìn)其他學(xué)科發(fā)展的作用。 二十一世紀(jì)科學(xué)上最重要的、經(jīng)濟(jì)上最有前途的研究前沿都有可能通過熟練的掌握先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)和運(yùn)用計(jì)算科學(xué)

8、而得到解決。(2) 報告認(rèn)為：如今美國又一次面臨了挑戰(zhàn)，這一次的挑戰(zhàn)比以往來得更加廣泛、復(fù)雜，也更具長期性。美國還沒有認(rèn)識到計(jì)算科學(xué)在社會科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工程研究、國家安全，以及工業(yè)改革中的中心位置。這種認(rèn)識不足將危及美國的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位、經(jīng)濟(jì)競爭力以及國家的安全。(3) 報告建議：將計(jì)算科學(xué)長期置于國家科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中心的領(lǐng)導(dǎo)地位。,7,三、計(jì)算思維在美國產(chǎn)生的背景(2),2005年底至2006年初美國四大區(qū)的報告及建議(1

9、) 針對“計(jì)算學(xué)科與日俱增的重要性與學(xué)生對計(jì)算學(xué)科興趣的下降”，美國NSF組織了計(jì)算教育與科學(xué)領(lǐng)域，以及其他相關(guān)領(lǐng)域的專家分四個大區(qū)（東北、中西、東南、西北）進(jìn)行研討，形成四份重要報告：Report of NSF Workshop on Integrative Computing Education and Research(ICER) Northeast WorkshopReport of NSF Midwest Region W

10、orkshop 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 Regional Meeting (2) 內(nèi)容及建議：以上

11、四個文件分析了美國計(jì)算教育出現(xiàn)的問題，報告建議在美國國家科學(xué)基金的資助下全面改革美國的計(jì)算教育。以下兩個問題和一個建議值得我們注意：大學(xué)第一年計(jì)算機(jī)課程的構(gòu)建問題；多學(xué)科的融合問題；報告建議加強(qiáng)美國中小學(xué)學(xué)生抽象思維與寫作能力的訓(xùn)練，目的，使學(xué)生平穩(wěn)過渡到大學(xué)的學(xué)習(xí)。,8,三、計(jì)算思維在美國產(chǎn)生的背景(3),2007年美國NSF的CPATH計(jì)劃CPATH（Pathways to Revitalized Undergraduate

12、 Computing Education，大學(xué)計(jì)算教育重生的途徑）計(jì)劃認(rèn)為：計(jì)算普遍存在于我們的日常生活之中，培養(yǎng)未來能夠參與全球競爭、掌握計(jì)算核心概念的美國企業(yè)家和員工就變得非常重要。CPATH計(jì)劃認(rèn)為：盡管有的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)對此做出了卓越的、開創(chuàng)性的工作，但目前美國更多的大學(xué)計(jì)算教育仍然沿襲的是幾十年前的教學(xué)模式。鑒于此，NSF 2007年啟動了CPATH計(jì)劃，當(dāng)年投入600萬美元，2008年投入500萬美元，2009年投入100

13、0萬美元，力圖改變這種情況。經(jīng)過2007年和2008年的資助和項(xiàng)目實(shí)踐，CPATH認(rèn)識到“計(jì)算思維”在計(jì)劃中所起的獨(dú)特的重要作用，因此，對2009年申報的項(xiàng)目提出了更為具體的以“計(jì)算思維”為核心的要求。2008年美國NSF的CDI計(jì)劃CDI（Cyber-Enabled Discovery and Innovation，計(jì)算使能的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新）是美國國家科學(xué)基金會的一個革命性的、富有獨(dú)創(chuàng)精神的五年計(jì)劃，該計(jì)劃旨在通過“計(jì)算思維

14、”領(lǐng)域的創(chuàng)新和進(jìn)步來促進(jìn)自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的成果。CDI計(jì)劃2008年啟動，當(dāng)年批準(zhǔn)了共計(jì)4200萬美元的72個項(xiàng)目的立項(xiàng)申請，2009年投入2600萬美元，2010年投入3600萬美元。,9,四、科學(xué)與科學(xué)思維(1),科學(xué)與思維達(dá)爾文曾給科學(xué)下過一個定義：“科學(xué)就是整理事實(shí)，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，作出結(jié)論”?？茖W(xué)一般包含：自然科學(xué)、社會科學(xué)和思維科學(xué)。思維是高級的心理活動形式。人腦對信息的處理包括分析、抽象、綜合、概括。

15、人類科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三大支柱： 理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)和計(jì)算科學(xué)作為科學(xué)發(fā)現(xiàn)三大支柱，正推動著人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展。該說法已被科學(xué)文獻(xiàn)廣泛引用，并在美國得到國會聽證、聯(lián)邦和私人企業(yè)報告的承同。一般而論，三種科學(xué)對應(yīng)著三種思維： 理論科學(xué) ←→ 理論思維： 理論思維又叫推理思維，以推理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表。 實(shí)驗(yàn)科學(xué) ←→ 實(shí)驗(yàn)思維： 實(shí)驗(yàn)思維又叫實(shí)證思維，以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)科為代表。 計(jì)算科學(xué) ←→

16、計(jì)算思維： 計(jì)算思維又叫構(gòu)造思維，以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表。,10,四、科學(xué)與科學(xué)思維(2),科學(xué)思維： 國科發(fā)財(cái)〔2008〕197號文《關(guān)于創(chuàng)新方法工作的若干意見》認(rèn)為“科學(xué)思維不僅是一切科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的起點(diǎn)，而且始終貫穿于科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的全過程，是創(chuàng)新的靈魂”。① 理論思維：理論源于數(shù)學(xué)，理論思維支撐著所有的學(xué)科領(lǐng)域。正如數(shù)學(xué)一樣，定義是理論思維的靈魂，定理和證明是它的精髓。公理化方法是最重要的理論

17、思維方法。② 實(shí)驗(yàn)思維：實(shí)驗(yàn)思維的先驅(qū)是意大利科學(xué)家伽利略，被人們譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。與理論思維不同，實(shí)驗(yàn)思維往往需要借助于某些特定的設(shè)備，并用它們來獲取數(shù)據(jù)以供以后的分析。③ 計(jì)算思維：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解的涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。,11,五、計(jì)算思維(1),計(jì)算思維的定義：計(jì)算思維（Computational Thinking，CT）是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基

18、礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為。CT的本質(zhì)是抽象和自動化。它是如同所有人都具備“讀、寫、算”（簡稱3R）能力一樣，都必須具備的思維能力。計(jì)算思維的例子：計(jì)算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個困難的問題闡釋成如何求解它的思維方法。計(jì)算思維是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法。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)

19、的設(shè)計(jì)，是基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法（SoC方法）。計(jì)算思維是一種選擇合適的方式陳述一個問題，或?qū)σ粋€問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法。,12,五、計(jì)算思維(2),計(jì)算思維的例子：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。計(jì)算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答，即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法。計(jì)算思維是利用海量數(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

20、進(jìn)行折衷的思維方法。計(jì)算思維的特征：① 概念化，不是程序化計(jì)算機(jī)科學(xué)不是計(jì)算機(jī)編程。像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維意味著遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止能為計(jì)算機(jī)編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思維。計(jì)算機(jī)科學(xué)不只是關(guān)于計(jì)算機(jī)，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)于麥克風(fēng)一樣。② 根本的，不是刻板的技能計(jì)算思維是一種根本技能，是每一個人為了在現(xiàn)代社會中發(fā)揮職能所必須掌握的?？贪宓募寄芤馕吨唵蔚臋C(jī)械重復(fù)。,13,五、計(jì)算思維(3),計(jì)算思維的特征：人的，不是計(jì)算機(jī)的思

21、維計(jì)算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計(jì)算機(jī)那樣地思考。計(jì)算機(jī)枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力。是人類賦予計(jì)算機(jī)激情。計(jì)算機(jī)賦予人類強(qiáng)大的計(jì)算能力，人類應(yīng)該好好的利用這種力量去解決各種需要大量計(jì)算的問題。④ 是思想，不是人造品不只是將我們生產(chǎn)的軟硬件等人造物到處呈現(xiàn)給我們的生活，更重要的是計(jì)算的概念，它被人們用來問題求解、日常生活的管理，以及與他人進(jìn)行交流和互動。⑤ 數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合計(jì)算機(jī)科學(xué)在本質(zhì)上源

22、自數(shù)學(xué)思維，它的形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學(xué)之上。計(jì)算機(jī)科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維，因?yàn)槲覀兘ㄔ斓氖悄軌蚺c實(shí)際世界互動的系統(tǒng)。所以設(shè)計(jì)思維是數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合。 ⑥ 面向所有的人，所有地方當(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)當(dāng)掌握，處處都會被使用。,14,五、計(jì)算思維(4),計(jì)算思維對其他學(xué)科的影響：①生物：霰彈槍算法（Shotgun algorithm）大大提高了人類基因組測序的速度蛋白

23、質(zhì)結(jié)構(gòu)可以用繩結(jié)來模擬蛋白質(zhì)動力學(xué)可以用計(jì)算過程來模擬細(xì)胞和電路類似，是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)②腦科學(xué)：人腦可以看作是一臺計(jì)算機(jī)視覺是一個反饋循環(huán)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法分析功能核磁共振（ fMRI）數(shù)據(jù)③化學(xué)：用原子計(jì)算探索化學(xué)現(xiàn)象用優(yōu)化和搜索算法尋找優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)條件和提高產(chǎn)量的物質(zhì) ④地質(zhì)學(xué)：“地球是一臺模擬計(jì)算機(jī)” (Boulton, Edinburgh)用抽象邊界和復(fù)雜性層次模擬地球和大氣層,15,五、計(jì)算思維(5),計(jì)

24、算思維對其他學(xué)科的影響：⑤數(shù)學(xué)：發(fā)現(xiàn) E8 李群 （E8 Lie Group）: --18位數(shù)學(xué)家，4年零77小時超級計(jì)算機(jī)機(jī)時（2千億個數(shù)字）證明四色定理⑥工程 (電子、土木、機(jī)械、航空航天等)：計(jì)算高階項(xiàng)可以提高精度，進(jìn)而降低重量、減少浪費(fèi)并節(jié)省制造成本波音777飛機(jī)完全是采用計(jì)算機(jī)模擬測試的，沒有經(jīng)過風(fēng)洞測試⑦經(jīng)濟(jì)學(xué)：自動設(shè)計(jì)機(jī)制在電子商務(wù)中廣泛采用(廣告投放、在線拍賣、腎源交換等)很多麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)

25、博士在華爾街作金融分析師⑧社會科學(xué)：社交網(wǎng)絡(luò)是MySpace和YouTube等發(fā)展壯大的原因之一統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)被用于推薦和聲譽(yù)排名系統(tǒng)，例如Netflix和聯(lián)名信用卡等⑨醫(yī)療：機(jī)器人手術(shù)電子病歷系統(tǒng)需要隱私保護(hù)技術(shù)可視化技術(shù)使虛擬結(jié)腸鏡檢查成為可能,16,五、計(jì)算思維(6),計(jì)算思維對其他學(xué)科的影響：⑩法學(xué)：斯坦福大學(xué)的CL方法包含了人工智能、時序邏輯、狀態(tài)機(jī)、進(jìn)程代數(shù)、Petri網(wǎng)等方面的內(nèi)容欺詐調(diào)查方面的POIRO

26、T 項(xiàng)目為歐洲的法律系統(tǒng)建立了一個詳細(xì)的本體論結(jié)構(gòu)關(guān)于犯罪現(xiàn)場調(diào)查的福爾摩斯項(xiàng)目?娛樂：游戲電影--夢工廠用惠普的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行電影“怪物史萊克”和“馬達(dá)加斯加”的渲染工作--盧卡斯電影公司用一個包含200個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)中心制作電影“加勒比海盜”?藝術(shù)：藝術(shù)(如噴繪機(jī)器人Robotticelli)戲劇音樂攝影,17,五、計(jì)算思維(7),計(jì)算思維對其他學(xué)科的影響：?體育：阿姆斯特朗的自行車載計(jì)算機(jī)追蹤人車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)S

27、ynergy Sports 公司對NBA視頻進(jìn)行分析?教育方面的啟示：大學(xué)應(yīng)該從新生課程入手--教授“象計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考”課程，而不是“某程序設(shè)計(jì)”課程讓國家和國際組織參與到教學(xué)改革中，特別是K-12、ACM、 CSTA、 CRA等?模擬：核試驗(yàn)?zāi)M利用Exascale計(jì)算對能源和環(huán)境進(jìn)行建模和模擬基于高性能計(jì)算機(jī)用計(jì)算科學(xué)模擬颶風(fēng)，使科學(xué)家可以看到颶風(fēng)的內(nèi)部?地震能否被有效模擬和預(yù)測？,18,六、計(jì)算思維在我國(1

28、),中國2050年信息科技發(fā)展路線圖由李國杰院士任組長的中國科學(xué)院信息領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組撰寫的《中國至2050年信息科技發(fā)展路線圖》中對“計(jì)算思維”給予了足夠的重視，認(rèn)為，計(jì)算思維的培育是克服“狹義工具論”的有效途徑，是解決其他信息科技難題的基礎(chǔ)。長期以來，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)這門學(xué)科也被構(gòu)造成一門專業(yè)性很強(qiáng)的工具學(xué)科，“工具”意味著它是一種輔助性學(xué)科，并不是主業(yè)。這種狹隘的認(rèn)知對信息科技的全民普及極其有害。,19,六、計(jì)算思維在我國(2)

29、,計(jì)算機(jī)科學(xué)的變革：孫家廣院士在“計(jì)算機(jī)科學(xué)的變革”一文中指出：(計(jì)算機(jī)科學(xué)界)最具有基礎(chǔ)性和長期性的思想是“計(jì)算思維”(Computational Thinking)。國家自然科學(xué)基金委員會信息科學(xué)部二處處長劉克教授，強(qiáng)調(diào)了在大學(xué)中推進(jìn)“計(jì)算思維”這一基本理念的必要性。中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員徐志偉總工認(rèn)為：計(jì)算思維是一種本質(zhì)的、所有人都必須具備的思維方式，就像識字、做算術(shù)一樣；在2050年以前，讓地球上每一個公民都應(yīng)

30、具備“計(jì)算思維”的能力。中科院自動化所王飛躍教授率先將“計(jì)算思維”引入國內(nèi)，翻譯了周以真教授的“計(jì)算思維” ，撰寫了相關(guān)的“計(jì)算思維與計(jì)算文化”。他認(rèn)為：在中文里，計(jì)算思維不是一個新的名詞。在中國，從小學(xué)到大學(xué)教育，計(jì)算思維經(jīng)常被朦朦朧朧地使用，卻一直沒有提高到周以真教授所描述的高度和廣度，以及那樣的新穎、明確和系統(tǒng)。他希望我們能借“計(jì)算思維”之東風(fēng)，盡快把中國世故人情的“算計(jì)文化”反正成為科學(xué)理性的“計(jì)算文化”，以提高我們民族的整體

31、素質(zhì)。,20,六、計(jì)算思維在我國(3),中國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)指導(dǎo)委員會的近期工作：2010.5：在合肥會議上討論了培養(yǎng)高素質(zhì)的研究性人才，“計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”這門課程應(yīng)該包含哪些內(nèi)容，如何將計(jì)算思維融入到這門課程中？2010.7：在西安會議上發(fā)表了《九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，確定了以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革。2010.9：在太原會議上決定了將合肥會議和西安會議中有關(guān)計(jì)算思維的討論形成書面材料

32、，以“計(jì)算思維：確保學(xué)生創(chuàng)新能力”為主題向教育部領(lǐng)導(dǎo)諫言和申請立項(xiàng)研究。2010.11：在濟(jì)南會議上，將在全國更大范圍內(nèi)，深入討論以計(jì)算思維為核心的基礎(chǔ)課教學(xué)改革，并將太原會議的初步材料加以討論和修改后正式上報教育部袁貴仁部長，并“以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心推進(jìn)大學(xué)通識教育改革的研究與實(shí)踐”為項(xiàng)目，建議立項(xiàng)研究。2011.06：在北京“以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程建設(shè)”研討會上，組織有關(guān)高校圍繞“計(jì)算思維的實(shí)質(zhì)”和“如何在計(jì)算機(jī)基

33、礎(chǔ)教學(xué)的第一門課程中體現(xiàn)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)”進(jìn)行了討論。計(jì)算思維課程在中國高校中正式開始實(shí)踐：上海交大（2010年秋季）和南方科大（2011年春季）正在試開新型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程——“計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維”。,21,七、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的總體框架(1),計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維的基本框架 計(jì)算理論：可計(jì)算性與計(jì)算復(fù)雜性 算法和程序設(shè)計(jì)：基礎(chǔ)算法與Python語言 實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)：計(jì)算機(jī)硬件與軟件最小知識集課程教學(xué)環(huán)

34、節(jié)(1)課堂講授：內(nèi)容規(guī)劃見本報告第八節(jié)。使用的參考教材與講義：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, Be

35、edle & Associates 2004)。Jeannette M. Wing (周以真). Computational Thinking. (ACM, 2006, 49(3))。Tim Bell et al. Computer Science Unplugged. http://csunplugged.org。J．G. Brookshear. Computer Science: An Overview （10th E

36、dition），Addison Wesley，2009。,22,七、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的總體框架(2),課程教學(xué)環(huán)節(jié)(2) 課堂練習(xí)：主要參考材料：《不插電的計(jì)算機(jī)科學(xué)》（桂林電子科技大學(xué)，董榮勝主持翻譯，2008.10）(3) 課程實(shí)踐：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含指定的和自選的(4) 成績考核：筆試＋口試＋小論文＋實(shí)驗(yàn)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程群： 計(jì)算思維 （第一門課） 算法

37、與程序設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類課程（軟/硬件基礎(chǔ)） （后續(xù)課） 信息處理與應(yīng)用基礎(chǔ),23,,八、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(1),計(jì)算思維基礎(chǔ)知識(1)基本概念：什么是科學(xué)、思維、學(xué)科？科學(xué)與思維，理論思維，實(shí)驗(yàn)思維，計(jì)算思維。(2)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的第三支柱：科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三大支柱（理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)、計(jì)算科學(xué)），計(jì)算科學(xué)的作用（PITAC 2005報告），名人名言（H. Davy, 化學(xué)家)。(3)計(jì)算科學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)

38、以及計(jì)算機(jī)學(xué)科什么是計(jì)算科學(xué)？什么是計(jì)算機(jī)科學(xué)？什么是計(jì)算機(jī)學(xué)科？計(jì)算機(jī)學(xué)科發(fā)展的歷程（EE、CE、CS、SE、IT、IS）。(4)計(jì)算思維什么是計(jì)算思維？例子、主要特征（它是什么？它不是什么？）、對其他學(xué)科的影響（生物學(xué)、腦科學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)、工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會科學(xué)、醫(yī)學(xué)、法律、娛樂、藝術(shù)、體育、教育…）。(5)熱身問題20次猜測、七橋問題、國王的婚姻、漢諾塔、旅行商問題…,24,八、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課

39、程的內(nèi)容規(guī)劃(2),計(jì)算理論和計(jì)算模型：(1)人類對計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識過程計(jì)算手段應(yīng)該器械化（算盤、手搖計(jì)算機(jī)、微分機(jī)、模擬機(jī)等）計(jì)算過程應(yīng)該形式化（圖靈模型）計(jì)算執(zhí)行應(yīng)該自動化（馮·諾依曼模型）(2)計(jì)算理論函數(shù)及其計(jì)算圖靈機(jī)通用Bare Bones語言不可計(jì)算函數(shù)與停機(jī)問題計(jì)算復(fù)雜性（多項(xiàng)式與多項(xiàng)式函數(shù)，P類問題，NP類問題，NPC類問題）(3)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)模型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)機(jī)器指令與機(jī)

40、器語言匯編語言程序的執(zhí)行舉例虛擬機(jī),25,八、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(3),計(jì)算理論和計(jì)算模型（續(xù)）：(4) 計(jì)算學(xué)科中的數(shù)學(xué)概念集合函數(shù)和關(guān)系代數(shù)系統(tǒng)定義、定理和證明必要和充分條件證明方法遞歸與遞推隨機(jī)性公理化證明,26,八、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(4),算法基礎(chǔ)(1)算法的歷史(2)算法的定義和特征定義特征（確定性、有窮性、可行性、輸入/輸出量等）(3)算法舉

41、例(4)基本的表達(dá)自然語言、流程圖、偽代碼、程序語言(5)算法的分析復(fù)雜度度量（時間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度等）復(fù)雜度分析（最壞情況分析、平均情況分析）復(fù)雜度函數(shù)（上界、下界、精確界函數(shù)）,27,八、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(5),Python編程入門Python簡介：Python語言是什么Python發(fā)展歷程Python的優(yōu)點(diǎn)Python編程環(huán)境Python實(shí)例(2)Python基本要素值與類型

42、變量賦值類型轉(zhuǎn)換,28,八、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(6),5.Python基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)字符串定義字符串的索引遍歷字符串字符串的比較(2)列表定義列表的元素列表操作(3)數(shù)組數(shù)組的賦值和操作隨機(jī)數(shù)(4)字典字典的定義和操作字典的應(yīng)用：稀疏矩陣,29,八、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(7),6.Python程序的控制及其它條件語句布爾表達(dá)式和邏輯運(yùn)算符條件語句及其嵌

43、套(2)循環(huán)語句While 循環(huán)表格(3)函數(shù)函數(shù)的定義、參數(shù)、返回值和調(diào)用定義新的函數(shù)(4)遞歸定義用遞歸的方法解決問題,30,八、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(8),7.Python編程實(shí)例：模擬與優(yōu)化模擬基本概念一個模擬問題實(shí)例隨機(jī)數(shù)自頂向下設(shè)計(jì)從下往上實(shí)現(xiàn)(2)優(yōu)化基本概念優(yōu)化實(shí)例不同層次的優(yōu)化,31,八、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(9),8.計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)布

44、爾邏輯與門電路布爾邏輯和運(yùn)算門電路基礎(chǔ)數(shù)制與運(yùn)算各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存儲與表示存儲容量單位ASCII碼原碼、反碼和補(bǔ)碼計(jì)算機(jī)組成CPU主存、外存和存儲體系I/O設(shè)備指令系統(tǒng)及執(zhí)行,32,八、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(10),9.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)軟件軟件分類操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)的定義和功能操作系統(tǒng)的歷史、分類和常見操作系統(tǒng)競爭控制數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎(chǔ)關(guān)系模型數(shù)據(jù)挖掘入門辦公軟件簡介

45、WordExcelPowerPointAccess,33,八、計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(11),10.進(jìn)一步的內(nèi)容組網(wǎng)與因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)知識The InternetHtml入門軟件工程軟件生命周期軟件工程方法人工智能人工智能基本概念人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人計(jì)算機(jī)圖形學(xué)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的研究內(nèi)容動畫,34,九、結(jié)論,教指委過去的工作奠定了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)改革的基礎(chǔ)本屆教指委在上屆教指委的基礎(chǔ)上，總

46、結(jié)了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展發(fā)展規(guī)律，做了三件大事：即計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的能力培養(yǎng)目標(biāo)、知識體系和實(shí)驗(yàn)體系、核心課程的基本要求。教指委的這些工作，創(chuàng)造性地建立了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)科學(xué)化和規(guī)范化的教學(xué)研究方法，形成了比較科學(xué)的基礎(chǔ)課教學(xué)體系，這些都為以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)改革奠定了良好的基礎(chǔ)。教指委為新一輪的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課改革作了前期準(zhǔn)備工作在2010年5月的合肥會議、2010年7月的西安會議和2010年9月的太原會議上，均

47、把計(jì)算思維列為會議主要議題，特別是在《九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》中，確定了以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革。本次（2010年11月的濟(jì)南會議）會議將在全國更大范圍內(nèi)，深入討論以計(jì)算思維為核心的基礎(chǔ)課教學(xué)改革，我們正在積極向教育部領(lǐng)導(dǎo)諫言和申請立項(xiàng)，開展“計(jì)算思維：確保學(xué)生的創(chuàng)新能力”的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的研究。 我們現(xiàn)在不僅僅是在談?wù)摚沂窃诰唧w做了：包括上海交通大學(xué)今年秋季開設(shè)的實(shí)際上就是計(jì)