基于计算思维的课程教学改革与创新

➢表1 计算思维表达体系框架 表2 理工类大学计算机课程知识体系与计算思维核心概念 的对应关系
计算思维概念的引入
表1 计算思维表达体系框架
计算思维概念的引入
表2 理工类大学计算机课程知识体系 与计算思维核心概念的对应关系
计算思维概念的引入
➢教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会 副主任：蒋宗礼教授“计算思维与人才培养” ➢教育部高等学校文科计算机基础教学指导分委员会 主任：杜小勇教授“计算思维是大学计算机作为基础课、
通识课的理论基础” ➢全国高等院校计算机基础教育研究会 副会长：吴功宜教授“新版蓝皮书----指导思想”
以计算思维为理论基础，推进大学计算机课程教学内容改革； 以应用能力培养为导向，完善复合型人才实践教学体系建设； 以服务专业教学为目标，在交叉融合中寻求更大的发展空间。
计算思维概念的引入
➢已出版的相关教材 ➢陈国良、王志强、毛睿、张艳等 计算思维导论，高等教育出版社，2012.10 ➢唐培和、徐奕奕、王日凤 计算思维导论，广西师范大学出版社，2012.10 ➢战德臣、聂兰顺等 大学计算机-计算思维导论，电子工业出版社，2013.7 ➢李波、赵英良、程向前、乔亚男等 大学计算机-信息、计算与智能，高等教育出版社，2013.8 ➢…… 等等
➢ 为什么要学习算法？ – 算法是计算机的灵魂 – 算法是数学机械化的一部分，能够解决复杂的计算问题 – 算法作为一种思想，能锻炼人们的思维，使思维变得更 清晰、更有逻辑
模块2 网络科学/网络思维
➢网络技术→网络科学→网络思维 ➢网络技术：网络的一般概念和体系结构、搜索引擎、电 子邮件、电子商务、即时通讯、信息安全、云计算等； 其他专题：社交网络、舆情分析、人肉搜索、网络营销、 网络文学、网络数据分析、社会安全事件、群体智慧等。 ➢网络科学：研究网络结构或动态行为并将网络应用到许 多子领域的理论基础，这里的子领域包括社会网络、协作 网络、人造的涌现系统（电力网、互联网）和生命科学系 统（传染病、遗传学）等。
计算思维导论教学内容
第二章 计算理论与计算模型
计数、逻辑、算法→计算及计算过程
计算理论
可计算性(定义、特性、内容、意义) 停机问题(案例：理发师悖论) 计算复杂性(算法复杂性、计算复杂性
时间复杂度、空间复杂度) P=NP?问题(千禧年数学难题)
计算模型
图灵机、冯·诺依曼机 量子计算模型、生物计算模型
教育部高等学校文科计算机基础教学指导委员会 大公共课程＋小公共课程＋计算机应用课程
计算思维概念的引入
计算机基础课程：不断改革，与时俱进 众多教师写教材：计算机文化基础
计算机应用基础 大学计算机基础 计算机科学导论，等等
结局：教务处普遍减学时
70→42→20→0
计算思维 计算科学
计算机应用
计算机技能
➢大数据的特征：大容量、多样性、高价值、快速 度
➢大数据的技术架构：
C云S计2算01系3 统：
领Ia域aS知基识础：设14施→即18服务
计算思维概念的引入
➢2006-2010年教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员 会主任：陈国良院士 ➢2010.05：合肥会议讨论将计算思维融入计算机基础课程中 。 ➢2010.07：西安会议发表了《九校联盟(C9)计算机基础教学 发展战略联合声明》，确定以计算思维为核心的课程改革。 ➢2010.09：太原会议决定了以“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：济南会议 ➢2011.06：北京会议 ➢2011.08：深圳会议 ➢2011.11：杭州会议 ➢……
基于计算思维的课程教学改 革与创新
汇报提纲
1
计算思维概念的引入
2
大学计算机教学内容
3
大学计算机必修模块
4
总结与反思
计算思维概念的引入
计算机文化基础 计算机基础知识
Windows Office 多媒体 网络
大学计算机基础 计算机基础知识
程序设计 数据库 多媒体
网络与网络安全
教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会 “1＋X”课程设置方案
– 我们要致力于使计算思维成为公众的常识和人们普遍的思考 方式，将计算思维真正融入到人类的一切活动之中。
➢课程总体要求
– 传承计算文化、弘扬计算科学、培养计算思维 – 体验计算愉悦、感受计算之美
计算思维导论教学内容
第一章 计算思维基础知识
➢科学→计算科学，思维→计算思维 ➢计算思维的定义、特征和本质 ➢计算思维与计算机的关系 ➢计算思维的应用领域 生物学、脑科学、化学、地质学、天文学、数学、工程( 电气、土木、机械、航天航空等)、经济学、社会科学、 医学、法律、娱乐、艺术、体育、教育学等 ➢周以真讲义：计算机科学中的深层次问题 主要内容：P=NP？什么是可计算的？复杂性是什么？ ➢计算科学的典型问题 排序问题、国王的婚姻、汉诺塔问题、旅行商问题TSP
质疑： 充分的？ 唯一的？ ……
计算思维概念的引入
➢Denning认为：计算原理可以总结为7类。 计算---Computation 通信---Communication 协作---Coordination 记忆---Recollection 自动化-Automation 评估---Evaluation 设计---Design
➢教材内容（广西科技大学 唐培和） – 计算思维概论 – 计算思维之计算(理论)基础 – 计算思维之逻辑基础 – 计算思维之方法学 – 计算思维之算法基础 – 程序设计中的特定思维 – 其他学科中的计算思维
计算思维导论教学内容
➢教材内容（广西科技大学 唐培和）
–计算思维：广义计算思维、狭义计算思维。 –广义计算思维，在吸收计算学科丰硕成果的基础上， 更侧重于哲学的角度，从辩证法、认识论、逻辑学的 角度去理解，在更广泛的领域去应用，从而在体系、 内容和研究方法等方面更具实践性、科学性和时代性 。 –狭义计算思维，从计算学科的方法论出发，讨论借助 于计算机这一特定的工具如何求解客观世界的实际问 题。这里涉及特定的思想、方法、理论和技术。 –本书以狭义计算思维为主，广义计算思维为辅。毕竟 学习计算思维导论的首要目的是利用计算及计算机技 术更好地解决将来所面临的各种实际专业问题。
➢以网络拓扑建模为例阐述了网络科学的简洁之美，以 网络应用为例阐述了网络科学的协作之美，以社会学习 为例阐述了网络科学的包容之美，以网络控制为例阐述 了网络科学的可控之美。
模块3 数据思维/数据科学
➢大数据时代--生活、工作与思维的大变革
➢麦肯锡咨询公司给出的大数据定义是： 大数据是指所涉及的数据集规模已经超过了传 统数据库软件获取、存储、管理和分析的能力
实际问题 数学模型 数值计算/算法设计 程序设计
许多科学领域的问题求 解，如计算物理学、计 算力学、计算化学、计 算经济学和计算社会学 等都可以归结为数值计 算／算法设计与分析等 问题。
计算结果
模块1 算法思维/算法学
➢ 算法学分类 – 数值算法 （课程：数值计算方法） 求解线性方程组、数值积分等，有特定的计算步骤 – 非数值算法（课程：算法设计与分析） 求解判定问题、最优化问题等，掌握算法设计技术 – 软计算方法（课程：计算智能） 遗传算法、粒子群算法、蚁群算法、人工神经网络
计算思维导论教学内容
➢教材序言提到
– 我们要提倡计算思维在教育和科研中的作用，要将计算思维 引入到大学计算机课程中，通过它来改变大学计算机教育沿 袭了几十年的传统教学模式，从而振兴大学的计算教育。
– 我们要改变过去计算机基础课程只讲工具对学生所造成的枯 燥、乏味之感，要激发学生对计算机科学的兴趣和热爱，要 传承计算文化和体现计算之美以及展示学科魅力。
网络文化： 网络文化的内涵、特征、功能，以及产业化
网络文化消费：网络游戏、网络音乐或电影、网络文学 人肉搜索与自组织理论、网络舆情分析与教育：
道德和职业道德、计算机职业道德、计算机专业职位 计算机伦理、网络伦理、计算机知识产权 网络隐私与自由、计算机犯罪
计算思维导论教学内容
计算思维导论教学内容
➢教材内容（哈尔滨工业大学 战德臣） – 引论(计算、计算科学) – 计算系统的基本思维 – 问题求解框架 – 算法与复杂性 – 数据抽象、设计与挖掘 – 计算机网络、信息网络与网络化社会
大学计算机教学内容
➢教材内容（西安交通大学 李波 ）
– 符号模型的数学描述 – 什么是信息 – 什么是计算 – 什么是智能 – 问题求解 – 算法及数据结构 – 计算思维
模块2 网络科学/网络思维
➢网络思维：将一个看来困难的问题转换为图论中的经 典问题，从而获得解决问题的方法。它是通过某种联系 将个体组成一个系统。其特征：开放性、协同性和系统 性
➢网络思维是认识网络世界的世界观与方法论，是群体 思维和社会思维。
➢网络科学之美：围绕复杂网络的共性拓扑特征所体现 和阐述的网络科学与艺术存在的统一之美。
计算思维概念的引入
➢教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会 发布“计算思维教学改革白皮书(征求意见稿)” 2013.7 哈尔滨 第二届计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会
➢白皮书的主要内容： 一、科学思维以及逻辑思维、实证思维与计算思维的关系 二、计算思维的表达体系 三、大学计算机课程知识体系与核心概念的关系
计算思维概念的引入
➢周以真定义：计算思维(Computational Thinking，CT)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涵 盖计算机科学之广度的一系列思维活动。
➢计算思维的核心概念和方法 – 约简、嵌入、转化、仿真 – 递归、并行 – 抽象、分解 – 建模 – 预防、保护、冗余、容错、纠错、恢复 – 启发式推理、规划、学习、调度 – 海量数据、计算、折中
汇报提纲
1
计算思维概念的引入