《計(jì)算思維與實(shí)踐》課程教學(xué)大綱

1、計(jì)算思維與實(shí)踐課程教學(xué)大綱英文：Computational Thinking and Practice一、課程基本信息課程代碼：/課程名稱：計(jì)算思維與實(shí)踐課程類別：通識課理論課學(xué)時(shí)：8學(xué)時(shí)/16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)課學(xué)時(shí)：8學(xué)時(shí)/16學(xué)時(shí)總學(xué)時(shí)：16/32學(xué)分：1/2適用對象: 非計(jì)算機(jī)類各學(xué)科本科學(xué)生考核方式：課程設(shè)計(jì)二、課程簡介中文簡介計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算學(xué)科的基礎(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思維活動，計(jì)算思維是的培養(yǎng)是信息時(shí)代對人的基本要求，因此在大學(xué)本科階段開設(shè)這門課程是十分重要和必要的。計(jì)算思維與實(shí)踐課程是一門計(jì)算機(jī)類通識型課程，也是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)公共課程之一 。該課程從

2、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知能力出發(fā)，讓學(xué)生理解和建立“信息、計(jì)算、智能”這三大核心科學(xué)概念；圍繞計(jì)算思維的精髓培養(yǎng)學(xué)生掌握以“合理抽象、高效實(shí)現(xiàn)”為特征的構(gòu)造性過程的能力；讓學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展，展示計(jì)算之美。初步達(dá)到傳承計(jì)算文化、弘揚(yáng)計(jì)算之美、培養(yǎng)計(jì)算思維的目的。英文簡介This course of computational thinking and practice is about computational disciplines of basic concepts of problem solving, system design, and human behavior understandin

3、g of thinking activity, computational thinking is the training is basic requirements of the information age to, therefore in the undergraduate stage opened this course is very important and necessary. The course is a normal computer course, but also one of the basic public course of Computer Science

4、 in Colleges and Universities. The purpose of the course is for the cultivation of students' cognitive ability and make students understand and establish the core scientific concepts：information, computing, intelligent and so on. The course is around the calculated the essence of thinking to tra

5、in the students to master the reasonable abstraction, efficient implementation feature construction process; It make students understand discipline development, showing computational beauty. The purpose of the course is inheriting the culture of calculating, carrying forward the calculation of the U

6、nited States, and cultivating the computational thinking.三、課程性質(zhì)與教學(xué)目的本課程除了需要介紹計(jì)算思維理論，還需要處理好理論和實(shí)踐之間的關(guān)系。在理論上有一定的深度和難度，如何利用實(shí)踐教學(xué)的環(huán)節(jié)幫助學(xué)生掌握理解基本概念和基本原理是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。只有通過精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)才能使學(xué)生掌握信息、計(jì)算、智能基本概念，以及掌握求解問題的基本思路和能力。本課程的教學(xué)目的是通過作為輕語法程序設(shè)計(jì)典型代表的Python語言為載體，重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生理解并實(shí)踐計(jì)算思維，掌握解決計(jì)算問題的能力。主要培養(yǎng)過程包括如下四個階段：第一階段：計(jì)算機(jī)的組成與工作原理，包括計(jì)

7、算機(jī)的起源、計(jì)算機(jī)的特征、計(jì)算機(jī)的工作過程、計(jì)算機(jī)程序、程序設(shè)計(jì)語言、計(jì)算機(jī)程序中數(shù)的表示等，加深學(xué)生對計(jì)算機(jī)的理解第二階段：計(jì)算思維的思想與方法，包括計(jì)算思維概念理解，基本的程序設(shè)計(jì)方法、Python語言基本語法等，訓(xùn)練學(xué)生通過程序設(shè)計(jì)理解計(jì)算問題求解。這部分涉及的計(jì)算思維概念包括：抽象、自動化、程序、算法等。這些概念講解融入Python語言語法和程序設(shè)計(jì)基本方法中，包括用Python語言實(shí)現(xiàn)分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，函數(shù)調(diào)用以及數(shù)組與字典的實(shí)現(xiàn)方法 。第三階段：問題的抽象與算法設(shè)計(jì)。進(jìn)一步豐富計(jì)算思維的內(nèi)涵和外延。訓(xùn)練學(xué)生從問題求解的高度理解計(jì)算思維。這部分涉及的計(jì)算思維方法包括：窮舉法、遞歸法

8、、分治法、回溯法和貪心法等。第四階段：復(fù)雜計(jì)算問題的求解過程和算法比較。通過幾個類型實(shí)例運(yùn)用計(jì)算思維，結(jié)合算法分析和比較等訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維求解復(fù)雜計(jì)算問題。四、教學(xué)內(nèi)容及要求第一章 計(jì)算機(jī)的組成與工作原理(一) 目的與要求1. 認(rèn)知目標(biāo)：使學(xué)生認(rèn)識、了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成及簡單工作原理。2. 技能目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和尋求求解方法的能力。3. 能力目標(biāo)：培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣，促進(jìn)其個性發(fā)展。(二) 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 計(jì)算機(jī)的起源1. 主要內(nèi)容(1) 第一代電子管計(jì)算機(jī)(2) 第二代晶體管計(jì)算機(jī)(3) 第三代集成電路計(jì)算機(jī)(4) 第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(5) 第五代超大規(guī)模集成

9、電路計(jì)算機(jī)(6) 下一代計(jì)算機(jī)2. 基本概念和知識點(diǎn)電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路。3. 問題與應(yīng)用問題：生活中，計(jì)算機(jī)無處不在，可什么計(jì)算機(jī)能做這么多事情？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，對計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程有個初步的了解。第二節(jié) 計(jì)算機(jī)的特征1. 主要內(nèi)容(1) 計(jì)算機(jī)工作原理 (2) 計(jì)算機(jī)組成(3) 計(jì)算機(jī)的工作過程2. 基本概念和知識點(diǎn)運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入輸出設(shè)備、存儲程序、執(zhí)行指令、數(shù)據(jù)總線。3. 問題與應(yīng)用問題：計(jì)算機(jī)各組件主要的功能分別是什么？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，對計(jì)算機(jī)組成和特征有個粗略的了解。第三節(jié) 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)1. 主要內(nèi)容(1) 什么是計(jì)算機(jī)程序

10、(2) 程序設(shè)計(jì)語言(3) 各種程序設(shè)計(jì)語言的對比(4) Python語言的特點(diǎn)和優(yōu)勢(5) 計(jì)算機(jī)程序中數(shù)的表示(6) Python的簡單語法和基本結(jié)構(gòu)2. 基本概念和知識點(diǎn)程序設(shè)計(jì)語言的語法和語義、程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)、兩類高級語言的差異、設(shè)計(jì)程序的過程、腳本語言、Python語言初識。3. 問題與應(yīng)用問題：為什么要學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，對程序和程序設(shè)計(jì)語言有個初步的認(rèn)識并熟悉其操作界面。(三) 思考與實(shí)踐讓學(xué)生課后通過瀏覽一些網(wǎng)頁來了解計(jì)算思維的基礎(chǔ)知識；并通過實(shí)踐掌握簡單使用Python語言設(shè)計(jì)程序來解決問題的方法。(四) 教學(xué)方法與手段本章教學(xué)主要借助多媒體課件采用課堂

11、講授的方式進(jìn)行。第二章 計(jì)算機(jī)思維的思想與方法(一) 目的與要求1. 掌握問題抽象的方法。2. 理解計(jì)算機(jī)算法以及復(fù)雜度的分析。3. 熟練掌握利用Python語言實(shí)現(xiàn)分支與選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、函數(shù)調(diào)用以及數(shù)組與字典的創(chuàng)建和應(yīng)用。4. 初步利用Python語言求解簡單計(jì)算問題的方法。(二) 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 什么是計(jì)算思維1. 主要內(nèi)容(1) 計(jì)算思維的操作模式(2) 計(jì)算思維的作用(3) 運(yùn)用計(jì)算機(jī)求解問題的基本過程和優(yōu)勢(4) 計(jì)算思維的經(jīng)典案例(5) 生活中的計(jì)算思維(6) 計(jì)算思維與各學(xué)科的關(guān)系2. 基本概念和知識點(diǎn)自動化、預(yù)取與緩存、符號、問題抽象與建模、近似解，隨機(jī)化過程、啟發(fā)式方法、

12、遞歸思維、并行處理、回推過程；3. 問題與應(yīng)用問題：舉例說明生活中存在哪些計(jì)算思維？例如，紅綠燈設(shè)計(jì)、超市付賬時(shí)收銀臺的選擇。要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，掌握簡單計(jì)算問題抽象與建模的過程，熟悉用計(jì)算思維方式解決簡單計(jì)算問題，并尋求計(jì)算思維與學(xué)生自身專業(yè)的關(guān)系。第二節(jié) 問題求解與計(jì)算機(jī)算法1. 主要內(nèi)容(1) 什么是計(jì)算機(jī)算法(2) 算法的偽代碼藐視(3) 程序設(shè)計(jì)過程(4) 利用Python語言驗(yàn)證計(jì)算思維(5) Python語言的基本語法和語義(6) Python語言的數(shù)據(jù)類型和表達(dá)式(7) Python程序基本調(diào)試過程(8) 程序舉例(9) 良好的編程風(fēng)格(10) 程序流程圖2. 基本概念和知

13、識點(diǎn)數(shù)學(xué)思維與計(jì)算思維、排序、查找、計(jì)算速度、偽代碼、需求分析、算法設(shè)計(jì)、代碼實(shí)現(xiàn)、編譯調(diào)試、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、運(yùn)算符和表達(dá)式、賦值語句、輸入輸出、流程控制結(jié)構(gòu)、函數(shù)、數(shù)組、關(guān)鍵字、變量和常量、注釋、流程圖。3. 問題與應(yīng)用問題：程序調(diào)試的方法有哪些？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，熟練掌握Python的語法和語義，能利用Python實(shí)現(xiàn)簡單計(jì)算問題的求解過程。第三節(jié) 分支與選擇結(jié)構(gòu)1. 主要內(nèi)容(1) 單分支的實(shí)現(xiàn)(2) 雙分支的實(shí)現(xiàn)(3) 多分支的實(shí)現(xiàn)2. 基本概念和知識點(diǎn)Python語言中if語句、分支條件、分支程序的復(fù)雜度分析；3. 問題與應(yīng)用問題：如何利用分支與選擇結(jié)構(gòu)？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，熟練

14、掌握分支與選擇結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。第四節(jié) 循環(huán)結(jié)構(gòu)1. 主要內(nèi)容（1） 循環(huán)結(jié)構(gòu)程序的編寫方法（2） for循環(huán)機(jī)制2. 基本概念和知識點(diǎn)計(jì)數(shù)器、循環(huán)次數(shù)、循環(huán)控制條件、浮點(diǎn)數(shù)、循環(huán)結(jié)構(gòu)對算法復(fù)雜度的影響3. 問題與應(yīng)用問題：如何利用普通表格歸整表單？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，熟練掌握網(wǎng)頁基本元素（包括多媒體對象、表格及表單等）的插入及設(shè)置。第五節(jié) 函數(shù)1.主要內(nèi)容（1） 程序模塊化（2） 什么是函數(shù)（3） 函數(shù)調(diào)用（4） 關(guān)于函數(shù)參數(shù)（5） 函數(shù)應(yīng)用（6） 函數(shù)的遞歸調(diào)用2.基本概念和知識點(diǎn)程序模塊、模塊化、參數(shù)、值傳遞、遞歸3.問題與應(yīng)用問題：如何利用函數(shù)運(yùn)行的結(jié)果？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，熟練掌握

15、自定義函數(shù)的方法和函數(shù)調(diào)用的過程。第六節(jié) 數(shù)組和字典1.主要內(nèi)容（1） 一維數(shù)組（2） 字符串?dāng)?shù)組（3） 二維數(shù)組（4） 字段（5） 數(shù)組應(yīng)用2.基本概念和知識點(diǎn)一維數(shù)組、數(shù)組元素、數(shù)組下標(biāo)、字符串、二維數(shù)組、字典3.問題與應(yīng)用問題：如何利用數(shù)組和字典處理批量數(shù)據(jù)？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，熟練掌握數(shù)組應(yīng)用方法。第三章 問題的抽象與算法設(shè)計(jì)(一) 目的與要求1. 了解算法復(fù)雜度的含義及分析方法；2. 掌握經(jīng)典的集中算法設(shè)計(jì)方法；(二) 教學(xué)內(nèi)容第一節(jié) 算法復(fù)雜度1. 主要內(nèi)容(1) 算法的評價(jià)(2) 時(shí)間復(fù)雜度(3) 空間復(fù)雜度2. 基本概念和知識點(diǎn)算法評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)資源、容錯能力、問題規(guī)模、

16、算法效率。3. 問題與應(yīng)用問題：如何設(shè)計(jì)出最優(yōu)效率的算法？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠?qū)λ惴◤?fù)雜度有了清晰的了解。第二節(jié) 窮舉法1. 主要內(nèi)容(1) 窮舉法的特點(diǎn)(2) 窮舉法的應(yīng)用2. 基本概念和知識點(diǎn)解的空間范圍3. 問題與應(yīng)用問題：如何確定解的空間范圍？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠利用Python語言實(shí)現(xiàn)窮舉算法。第三節(jié) 遞歸法1. 主要內(nèi)容(1) 遞歸法的特點(diǎn)(2) 遞推法的應(yīng)用(3) 公式法的應(yīng)用2. 基本概念和知識點(diǎn)問題規(guī)模分解、直接調(diào)用、間接調(diào)用。3. 問題與應(yīng)用問題：如何確定遞歸的結(jié)束條件？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠利用Python語言實(shí)現(xiàn)遞歸算法。第四節(jié) 分治法1.主要內(nèi)容

17、（1） 分治法的特點(diǎn)（2） 分治法的應(yīng)用2.基本概念和知識點(diǎn)分而治之、二分查找、歸并排序，Python語言中列表、樹狀結(jié)構(gòu)、樹的層數(shù)3.問題與應(yīng)用問題：如何構(gòu)造樹狀的結(jié)構(gòu)？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠利用Python語言實(shí)現(xiàn)分治算法。第五節(jié) 回溯法與貪心法1.主要內(nèi)容（1） 回溯法的特點(diǎn)（2） 回溯法的應(yīng)用（3） 貪心法的特點(diǎn)（4） 貪心法的應(yīng)用2.基本概念和知識點(diǎn)深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索、解的空間結(jié)構(gòu)、沖突、全局最優(yōu)解、局部最優(yōu)解、目標(biāo)函數(shù)、約束條件3.問題與應(yīng)用問題：如何將新問題歸結(jié)于老問題的方法來求解？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠利用Python語言實(shí)現(xiàn)回溯法和貪心法。(三) 思考與實(shí)

18、踐思考題：學(xué)習(xí)經(jīng)典問題的求解方法有何好處？讓學(xué)生能利用Python實(shí)現(xiàn)各種經(jīng)典算法。(四) 教學(xué)方法與手段本章教學(xué)主要借助多媒體課件采用課堂講授和案例分析的方式進(jìn)行。第四章 最優(yōu)化問題(一) 目的與要求1. 了解最優(yōu)化問題求解的復(fù)雜度2. 熟練掌握Python語言實(shí)現(xiàn)幾個經(jīng)典最優(yōu)化問題的算法(二) 教學(xué)內(nèi)容1. 主要內(nèi)容(1) 最短路徑問題(2) 游商問題(3) 裝箱問題(4) 背包問題(5) 生活中出現(xiàn)的最優(yōu)化問題(6) 各種方法求解最優(yōu)化問題的比較2. 基本概念和知識點(diǎn)NP完全問題、動態(tài)規(guī)劃、重疊子問題、Python語言中的記錄字段3. 問題與應(yīng)用問題：簡述利用Python語言的求解計(jì)算問題的過程。要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠?qū)Ρ镜鼐W(wǎng)站建設(shè)流程有個更為清晰的了解。(三) 思考與實(shí)踐思考題：如何判斷算法是否最優(yōu)？讓學(xué)生通過實(shí)踐來掌握Python語言實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化問題的算法。(四) 教學(xué)方法與手段本章教學(xué)主要借助多媒體課件采用課堂講授的方式進(jìn)行。五、各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)分配 教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)時(shí)數(shù)課程內(nèi)容講課習(xí)題課討論課實(shí)驗(yàn)其他教學(xué)環(huán)節(jié)小計(jì)第一章 計(jì)算機(jī)的組成與工作原理224第二章 計(jì)算機(jī)思維的思想與方法448第三章 問題的抽象與算法設(shè)