基于計算思維的課程教學(xué)改革與創(chuàng)新課件

1、基于計算思維的課程教學(xué)改革與創(chuàng)新匯報提綱大學(xué)計算機必修模塊3總結(jié)與反思4大學(xué)計算機教學(xué)內(nèi)容2計算思維概念的引入12計算思維概念的引入計算機文化基礎(chǔ)大學(xué)計算機基礎(chǔ)計算機基礎(chǔ)知識WindowsOffice多媒體網(wǎng)絡(luò)計算機基礎(chǔ)知識程序設(shè)計數(shù)據(jù)庫多媒體網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全教育部高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會 “1X”課程設(shè)置方案教育部高等學(xué)校文科計算機基礎(chǔ)教學(xué)指導(dǎo)委員會 大公共課程小公共課程計算機應(yīng)用課程3 計算機基礎(chǔ)課程：不斷改革，與時俱進 眾多教師寫教材：計算機文化基礎(chǔ) 計算機應(yīng)用基礎(chǔ) 大學(xué)計算機基礎(chǔ) 計算機科學(xué)導(dǎo)論，等等計算思維概念的引入結(jié)局：教務(wù)處普遍減學(xué)時7042200計算機應(yīng)用計算思維計算

2、科學(xué)計算機技能4周以真定義：計算思維(Computational Thinking，CT)是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計算思維的核心概念和方法約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化、仿真遞歸、并行抽象、分解建模預(yù)防、保護、冗余、容錯、糾錯、恢復(fù)啟發(fā)式推理、規(guī)劃、學(xué)習(xí)、調(diào)度海量數(shù)據(jù)、計算、折中計算思維概念的引入質(zhì)疑：充分的？唯一的？5Denning認為：計算原理可以總結(jié)為7類。計算-Computation 通信-Communication 協(xié)作-Coordination 記憶-Recollection 自動化-Automation 評估-Eval

3、uation設(shè)計-Design計算思維概念的引入6計算思維概念的引入2006-2010年教育部高等學(xué)校計算機基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會主任：陳國良院士 2010.05：合肥會議討論將計算思維融入計算機基礎(chǔ)課程中。2010.07：西安會議發(fā)表了九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明，確定以計算思維為核心的課程改革。2010.09：太原會議決定了以“計算思維：確保學(xué)生創(chuàng)新能力”為主題向教育部領(lǐng)導(dǎo)諫言和申請立項研究。2010.11：濟南會議2011.06：北京會議2011.08：深圳會議2011.11：杭州會議7教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機課程教學(xué)指導(dǎo)委員會發(fā)布“計算思維教學(xué)改革白皮書(征求意見稿)

4、”2013.7 哈爾濱第二屆計算思維與大學(xué)計算機課程教學(xué)改革研討會白皮書的主要內(nèi)容：一、科學(xué)思維以及邏輯思維、實證思維與計算思維的關(guān)系二、計算思維的表達體系三、大學(xué)計算機課程知識體系與核心概念的關(guān)系表1 計算思維表達體系框架表2 理工類大學(xué)計算機課程知識體系與計算思維核心概念的對應(yīng)關(guān)系計算思維概念的引入8計算思維概念的引入表1 計算思維表達體系框架9表2 理工類大學(xué)計算機課程知識體系與計算思維核心概念的對應(yīng)關(guān)系計算思維概念的引入10教育部高等學(xué)校計算機類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會副主任：蔣宗禮教授“計算思維與人才培養(yǎng)”教育部高等學(xué)校文科計算機基礎(chǔ)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主任：杜小勇教授“計算思維是大學(xué)計算機作

5、為基礎(chǔ)課、 通識課的理論基礎(chǔ)”全國高等院校計算機基礎(chǔ)教育研究會副會長：吳功宜教授“新版藍皮書-指導(dǎo)思想”計算思維概念的引入以計算思維為理論基礎(chǔ)，推進大學(xué)計算機課程教學(xué)內(nèi)容改革；以應(yīng)用能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，完善復(fù)合型人才實踐教學(xué)體系建設(shè)；以服務(wù)專業(yè)教學(xué)為目標，在交叉融合中尋求更大的發(fā)展空間。11已出版的相關(guān)教材陳國良、王志強、毛睿、張艷等計算思維導(dǎo)論，高等教育出版社，2012.10唐培和、徐奕奕、王日鳳計算思維導(dǎo)論，廣西師范大學(xué)出版社，2012.10戰(zhàn)德臣、聶蘭順等大學(xué)計算機-計算思維導(dǎo)論，電子工業(yè)出版社，2013.7李波、趙英良、程向前、喬亞男等大學(xué)計算機-信息、計算與智能，高等教育出版社，2013

6、.8 等等計算思維概念的引入12匯報提綱大學(xué)計算機必修模塊3總結(jié)與反思4大學(xué)計算機教學(xué)內(nèi)容2計算思維概念的引入113計算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容總體結(jié)構(gòu)(深圳大學(xué) 陳國良院士)計算理論：可計算性與計算復(fù)雜性算法和通用描述性程序設(shè)計語言實現(xiàn)基礎(chǔ)：計算機硬件和軟件最小知識集教材內(nèi)容計算思維基礎(chǔ)知識計算理論與計算模型算法基礎(chǔ)程序設(shè)計語言計算機硬件基礎(chǔ)計算機軟件基礎(chǔ)計算文化與計算機職業(yè)道德教育14教材序言提到我們要提倡計算思維在教育和科研中的作用，要將計算思維引入到大學(xué)計算機課程中，通過它來改變大學(xué)計算機教育沿襲了幾十年的傳統(tǒng)教學(xué)模式，從而振興大學(xué)的計算教育。我們要改變過去計算機基礎(chǔ)課程只講工具對學(xué)生所造成的

7、枯燥、乏味之感，要激發(fā)學(xué)生對計算機科學(xué)的興趣和熱愛，要傳承計算文化和體現(xiàn)計算之美以及展示學(xué)科魅力。我們要致力于使計算思維成為公眾的常識和人們普遍的思考方式，將計算思維真正融入到人類的一切活動之中。計算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容課程總體要求傳承計算文化、弘揚計算科學(xué)、培養(yǎng)計算思維體驗計算愉悅、感受計算之美15科學(xué)計算科學(xué)，思維計算思維計算思維的定義、特征和本質(zhì)計算思維與計算機的關(guān)系計算思維的應(yīng)用領(lǐng)域生物學(xué)、腦科學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、數(shù)學(xué)、工程(電氣、土木、機械、航天航空等)、經(jīng)濟學(xué)、社會科學(xué)、醫(yī)學(xué)、法律、娛樂、藝術(shù)、體育、教育學(xué)等周以真講義：計算機科學(xué)中的深層次問題主要內(nèi)容：P=NP？什么是可計算的？

8、復(fù)雜性是什么？計算科學(xué)的典型問題排序問題、國王的婚姻、漢諾塔問題、旅行商問題TSP計算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容第一章 計算思維基礎(chǔ)知識16第二章 計算理論與計算模型計數(shù)、邏輯、算法計算及計算過程可計算性(定義、特性、內(nèi)容、意義)停機問題(案例：理發(fā)師悖論)計算復(fù)雜性(算法復(fù)雜性、計算復(fù)雜性 時間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度)P=NP?問題(千禧年數(shù)學(xué)難題)圖靈機、馮諾依曼機量子計算模型、生物計算模型離散數(shù)學(xué)：數(shù)理邏輯、集合論 代數(shù)系統(tǒng)、圖論計算科學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)計算理論計算模型計算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容17第三章 算法基礎(chǔ)算法的概念：算法的起源、定義、特征算法的描述：自然語言、流程圖、偽代碼、程序語言窮舉法(案例：四色定

9、理、百錢買百雞)回溯法(案例：網(wǎng)絡(luò)爬蟲、八皇后問題)遞歸法(案例：德羅斯特視覺效應(yīng)、Fibonacci數(shù)列)貪心法(案例：田忌賽馬、最小生成樹)分治法(案例：二分查找，谷歌的MapReduce技術(shù))動態(tài)規(guī)劃(案例：GPS尋找最優(yōu)路徑，F(xiàn)ibonacci數(shù)列)算法的設(shè)計：算法的評價和分析：算法正確性、復(fù)雜度分析(時間/空間)算法中的數(shù)學(xué)工具：求和公式、遞歸方程求解等計算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容18第七章 計算文化與計算機職業(yè)道德教育計算文化：計算文化與專業(yè)素質(zhì)、計算文化教育和素質(zhì)、信息素養(yǎng)人類對計算本質(zhì)認識：計算手段器械化、計算過程形式化 計算執(zhí)行自動化計算文化歷史：其人其事、歷屆圖靈獎獲得者計算機的發(fā)

10、展歷史與發(fā)展啟示網(wǎng)絡(luò)文化：網(wǎng)絡(luò)文化的內(nèi)涵、特征、功能，以及產(chǎn)業(yè)化網(wǎng)絡(luò)文化消費：網(wǎng)絡(luò)游戲、網(wǎng)絡(luò)音樂或電影、網(wǎng)絡(luò)文學(xué) 人肉搜索與自組織理論、網(wǎng)絡(luò)輿情分析與引導(dǎo)社會計算與平行系統(tǒng)計算機職業(yè)道德教育：道德和職業(yè)道德、計算機職業(yè)道德、計算機專業(yè)職位計算機倫理、網(wǎng)絡(luò)倫理、計算機知識產(chǎn)權(quán)網(wǎng)絡(luò)隱私與自由、計算機犯罪計算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容19教材內(nèi)容（廣西科技大學(xué) 唐培和）計算思維概論 計算思維之計算(理論)基礎(chǔ)計算思維之邏輯基礎(chǔ) 計算思維之方法學(xué) 計算思維之算法基礎(chǔ) 程序設(shè)計中的特定思維 其他學(xué)科中的計算思維 計算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容20計算思維：廣義計算思維、狹義計算思維。廣義計算思維，在吸收計算學(xué)科豐碩成果的基

11、礎(chǔ)上，更側(cè)重于哲學(xué)的角度，從辯證法、認識論、邏輯學(xué)的角度去理解，在更廣泛的領(lǐng)域去應(yīng)用，從而在體系、內(nèi)容和研究方法等方面更具實踐性、科學(xué)性和時代性。狹義計算思維，從計算學(xué)科的方法論出發(fā)，討論借助于計算機這一特定的工具如何求解客觀世界的實際問題。這里涉及特定的思想、方法、理論和技術(shù)。本書以狹義計算思維為主，廣義計算思維為輔。畢竟學(xué)習(xí)計算思維導(dǎo)論的首要目的是利用計算及計算機技術(shù)更好地解決將來所面臨的各種實際專業(yè)問題。計算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容教材內(nèi)容（廣西科技大學(xué) 唐培和）21教材內(nèi)容（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 戰(zhàn)德臣）引論(計算、計算科學(xué))計算系統(tǒng)的基本思維問題求解框架算法與復(fù)雜性數(shù)據(jù)抽象、設(shè)計與挖掘計算機網(wǎng)絡(luò)、

12、信息網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)化社會計算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容22教材內(nèi)容（西安交通大學(xué) 李波）符號模型的數(shù)學(xué)描述什么是信息什么是計算什么是智能問題求解算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計算思維大學(xué)計算機教學(xué)內(nèi)容232008年周以真教授在Communication of ACM上發(fā)表Five deep questions in computing，提出計算機學(xué)科的五個基本問題：Does P equal NP? What is computable? What is intelligence? What is information? (How) can we build complex systems simply?本書選擇了什么是信

13、息、什么是計算、什么是智能這三個問題作為核心內(nèi)容進行闡述和討論，希望對計算機學(xué)科的基本問題和理論基礎(chǔ)有初步的了解和正確的認識。大學(xué)計算機教學(xué)內(nèi)容教材內(nèi)容（西安交通大學(xué) 李波）24匯報提綱大學(xué)計算機必修模塊3總結(jié)與反思4大學(xué)計算機教學(xué)內(nèi)容2計算思維概念的引入125模塊1 算法思維/算法學(xué)算法思維通常被認為是解決問題的過程性思維方法科學(xué)計算問題的一般過程 實際問題數(shù)學(xué)模型數(shù)值計算/算法設(shè)計程序設(shè)計計算結(jié)果許多科學(xué)領(lǐng)域的問題求解，如計算物理學(xué)、計算力學(xué)、計算化學(xué)、計算經(jīng)濟學(xué)和計算社會學(xué)等都可以歸結(jié)為數(shù)值計算算法設(shè)計與分析等問題。普適性、基礎(chǔ)性26模塊1 算法思維/算法學(xué)算法學(xué)分類數(shù)值算法 （課程：數(shù)

14、值計算方法）求解線性方程組、數(shù)值積分等，有特定的計算步驟非數(shù)值算法（課程：算法設(shè)計與分析）求解判定問題、最優(yōu)化問題等，掌握算法設(shè)計技術(shù)軟計算方法（課程：計算智能）遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為什么要學(xué)習(xí)算法？算法是計算機的靈魂算法是數(shù)學(xué)機械化的一部分，能夠解決復(fù)雜的計算問題算法作為一種思想，能鍛煉人們的思維，使思維變得更清晰、更有邏輯27模塊2 網(wǎng)絡(luò)科學(xué)/網(wǎng)絡(luò)思維網(wǎng)絡(luò)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)網(wǎng)絡(luò)思維網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)的一般概念和體系結(jié)構(gòu)、搜索引擎、電子郵件、電子商務(wù)、即時通訊、信息安全、云計算等；其他專題：社交網(wǎng)絡(luò)、輿情分析、人肉搜索、網(wǎng)絡(luò)營銷、網(wǎng)絡(luò)文學(xué)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析、社會安全事件、群體智慧等

15、。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)：研究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或動態(tài)行為并將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到許多子領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，這里的子領(lǐng)域包括社會網(wǎng)絡(luò)、協(xié)作網(wǎng)絡(luò)、人造的涌現(xiàn)系統(tǒng)（電力網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)）和生命科學(xué)系統(tǒng)（傳染病、遺傳學(xué)）等。28網(wǎng)絡(luò)思維：將一個看來困難的問題轉(zhuǎn)換為圖論中的經(jīng)典問題，從而獲得解決問題的方法。它是通過某種聯(lián)系將個體組成一個系統(tǒng)。其特征：開放性、協(xié)同性和系統(tǒng)性網(wǎng)絡(luò)思維是認識網(wǎng)絡(luò)世界的世界觀與方法論，是群體思維和社會思維。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)之美：圍繞復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的共性拓撲特征所體現(xiàn)和闡述的網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與藝術(shù)存在的統(tǒng)一之美。以網(wǎng)絡(luò)拓撲建模為例闡述了網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的簡潔之美，以網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為例闡述了網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的協(xié)作之美，以社會學(xué)習(xí)為例闡述了網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的包容之美，以網(wǎng)絡(luò)控

16、制為例闡述了網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的可控之美。 模塊2 網(wǎng)絡(luò)科學(xué)/網(wǎng)絡(luò)思維29模塊3 數(shù)據(jù)思維/數(shù)據(jù)科學(xué)大數(shù)據(jù)時代-生活、工作與思維的大變革麥肯錫咨詢公司給出的大數(shù)據(jù)定義是：大數(shù)據(jù)是指所涉及的數(shù)據(jù)集規(guī)模已經(jīng)超過了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件獲取、存儲、管理和分析的能力大數(shù)據(jù)的特征：大容量、多樣性、高價值、快速度大數(shù)據(jù)的技術(shù)架構(gòu)：CS 2013領(lǐng)域知識：1418Systems Fundamentals計算機系統(tǒng)基礎(chǔ)系統(tǒng)能力系統(tǒng)思維構(gòu)建認知云計算系統(tǒng)：IaaS 基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)PaaS 平臺即服務(wù)SaaS 軟件即服務(wù)AaaS 分析即服務(wù)30數(shù)據(jù)科學(xué)：簡單地理解為預(yù)測分析和數(shù)據(jù)挖掘，是統(tǒng)計分析和機器學(xué)習(xí)技術(shù)的結(jié)合。數(shù)據(jù)分析師數(shù)據(jù)

17、科學(xué)家：負責分析和解釋數(shù)據(jù)集，幫助企業(yè)快速而有效地獲得對大數(shù)據(jù)的洞察力。大數(shù)據(jù)研究的科學(xué)意義：數(shù)據(jù)是與自然資源、人力資源一樣重要的戰(zhàn)略資源，隱含巨大的經(jīng)濟價值，推動大數(shù)據(jù)研究的動力主要是企業(yè)經(jīng)濟效益。數(shù)據(jù)研究能成為一門科學(xué)的前提是：在一個領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)相互關(guān)系和規(guī)律具有推廣到其他領(lǐng)域的普適性。模塊3 數(shù)據(jù)思維/數(shù)據(jù)科學(xué)還原論與整體性31匯報提綱大學(xué)計算機必修模塊3總結(jié)與反思4大學(xué)計算機教學(xué)內(nèi)容2計算思維概念的引入132美國能源部報告認為：高端計算目前已經(jīng)與理論研究、實驗手段一起，成為獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三大支柱。因此，理論科學(xué)、實驗科學(xué)和計算科學(xué)是推動人類文明進步和科技發(fā)展的重要途徑。三種科學(xué)對應(yīng)三類思維理論科學(xué)理論思維(邏輯思維)實驗科學(xué)實驗思維(實證思維)計算科學(xué)計算思維(構(gòu)造思維)計算思維包括：算法思維、網(wǎng)絡(luò)思維、數(shù)據(jù)思維、 系統(tǒng)思維、總結(jié)與反思周以真定義：計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。33計算思維的教育方式眾所周知，讓學(xué)生潛移默化地掌握計算思維，無疑是最佳選擇，這與環(huán)境塑造人的道理是一樣的。潛移默化是需要環(huán)境、需要時間、需要過程的。非計算機專業(yè)的計算機基礎(chǔ)教育，課程門數(shù)和學(xué)時有限，如何潛移默化？不少專家主張先分學(xué)科大類（理工、農(nóng)林、醫(yī)藥、人文社科、藝術(shù)等），再將