信息技術(shù)課程中計算思維

信息技術(shù)課程中計算思維第一頁，共137頁。高中信息技術(shù)課程標準

2003第二頁，共137頁。確定問題—搜索信息—處理信息—解決問題—歸納思想

1.知識與技能了解概念—應(yīng)用工具2.過程與方法

3.情感態(tài)度與價值觀形成信息思想—適應(yīng)數(shù)字化發(fā)展最終形成：提升學生的信息素養(yǎng)作為課程總目標信息技術(shù)課程的要求第三頁，共137頁。第四頁，共137頁。信息加工與表達信息的獲取信息資源管理信息技術(shù)與社會信息技術(shù)基礎(chǔ)信息處理與交流第五頁，共137頁。算法與程序設(shè)計計算機解決問題的基本過程面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言初步算法例舉第六頁，共137頁。多媒體技術(shù)應(yīng)用多媒體技術(shù)與社會生活多媒體信息采集與加工多媒體信息表達第七頁，共137頁。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用因特網(wǎng)應(yīng)用網(wǎng)站設(shè)計與評價網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)第八頁，共137頁。數(shù)據(jù)管理技術(shù)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立使用與維護數(shù)據(jù)管理基本知識第九頁，共137頁。人工智能初步知識及其表達推理與專家系統(tǒng)人工智能語言與問題求解第十頁，共137頁。一、《標準》不清晰的地方能力目標強調(diào)：學生利用信息技術(shù)解決問題的能力和技術(shù)的思想方法，但是能力特征不顯著，思想方法不清晰。其一，信息技術(shù)課程的能力特征不顯著。分析課程目標中的利用信息技術(shù)解決問題的過程，可以看出該過程不僅能夠在信息技術(shù)課程中得以實施，同樣也可以在其它課程中得以發(fā)展。Eg：“義務(wù)教育語文課程標準”就明確提出“為解決學習與生活中的相關(guān)問題。學生要能夠利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)等信息渠道獲取資料，初步了解查找資料和運用資料的方法”的學習要求在信息技術(shù)課程中，缺少了信息技術(shù)解決問題的獨特方法，也就失去了其內(nèi)在的特有價值。第十一頁，共137頁。其二，信息技術(shù)的思想方法不清晰。盡管《課程標準》中多次提到“信息技術(shù)基本思想與方法”的學習要求。Eg：“了解使用數(shù)據(jù)庫管理信息的基本思想與方法”“掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言的基本思想與方法”“解釋多媒體信息采集的基本工作思想”等。

但是這些思想方法的內(nèi)在含意是什么？它們有哪些異同、又有什么樣的表現(xiàn)性特征？在隨后的實施建議和評價建議中都沒有作進一步的解釋和說明，缺少了對核心術(shù)語的清晰解釋和表現(xiàn)性說明，所謂的技術(shù)思想方法的學習目標也就只能停留于課程標準的文本之中。第十二頁，共137頁。二、信息、技術(shù)課程內(nèi)在價值的教學內(nèi)容“簡單化”分析《課程標準》的整體目標，信息技術(shù)課程的內(nèi)在價值主要還是反映在培養(yǎng)學生利用信息技術(shù)解決問題的能力和信息技術(shù)思想方法上。從教學內(nèi)容來看，無論是解決問題能力的培養(yǎng)，還是信息技術(shù)思想方法的養(yǎng)成，都離不開具體實踐活動。《課程標準》所建議的“教科書內(nèi)容密切聯(lián)系實際，結(jié)合學生的現(xiàn)實生活與學習實踐以及當?shù)氐纳鐣l(fā)展，適度設(shè)置真實性的學習任務(wù)、典型案例或研究性課題”。現(xiàn)狀調(diào)研表明，反映信息技術(shù)內(nèi)在價值的教學內(nèi)容卻還存在著“步驟化”和“程序化”的不足。?第十三頁，共137頁。具體表現(xiàn)為：其一，“能力培養(yǎng)”簡化為“步驟學習”將信息技術(shù)解決問題的過程固化為幾項基本活動步驟，利用信息技術(shù)解決問題能力也就簡化成了活動步驟的學習。事實上，現(xiàn)實生活中的信息問題不僅包括結(jié)構(gòu)性問題，也包括非結(jié)構(gòu)性問題和半結(jié)構(gòu)性問題。固化的活動步驟不僅不利于學生對非結(jié)構(gòu)和半結(jié)構(gòu)問題的理解，反而會封閉學生信息技術(shù)的創(chuàng)新意識。其二，“思想方法”簡化為“程序設(shè)計”由于《課程標準》并沒有對信息技術(shù)思想方法進行清晰的表述，這在一定程度上也弱化了技術(shù)思想方法的培養(yǎng)，給教學內(nèi)容的安排設(shè)置了誤區(qū)。其中一些算法與程序設(shè)計的教科書過于強調(diào)變量、函數(shù)、語句結(jié)構(gòu)等編程語言和程序結(jié)構(gòu)的技能，忽視了其內(nèi)在的“算法思想”（例如模型建設(shè)、數(shù)據(jù)抽象等）的滲透。課程標準中所要求的“學生進一步體驗算法思想，了解算法在解決問題過程中的地位和作用”也就很難得以實現(xiàn)。第十四頁，共137頁。三、信息技術(shù)課程內(nèi)在價值實施方法的“形式化”信息技術(shù)課程的內(nèi)在價值主要是通過學校的日常教學得以實現(xiàn)的，教學方法的設(shè)計與實施直接影響著課程內(nèi)在價值的落實。《課程標準》在教學實施建議中也提出“信息技術(shù)課堂教學中，要通過問題解決的活動激發(fā)學生的學習動機，發(fā)展學生的思維能力、想象力以及自我反思與監(jiān)控的能力”。但是課堂觀察卻發(fā)現(xiàn)其一：“教師講，學生練”依然是教學組織的主導(dǎo)方式，“技術(shù)操練式”的教學方法依然為教師所倚重

即使是在探究性活動過程中，教師更多的也是分步驟地將探究問題、解決過程、方法策略，乃至作品案例呈現(xiàn)給學生。當學生作品呈現(xiàn)出“千篇一律”的格式時，發(fā)展學生的思維能力、想象力、自我反思與監(jiān)控能力也就無從說起。第十五頁，共137頁。其二：技術(shù)思想方法的活動還流于形式。盡管一些教師也希望在課堂教學中開展基于真實情境的問題探究活動，引導(dǎo)學生體驗信息技術(shù)的內(nèi)在方法特征，發(fā)展學生信息技術(shù)的思想方法，借以落實信息技術(shù)課程的內(nèi)在價值。但是，由于受課時結(jié)構(gòu)、學校教學資源的限制，大部分探究性學習活動也還停留于膚淺化的表面。教學過程過于注重學習活動的組織形式，忽視學生的學習實效，過于強調(diào)活動過程的外在表象，弱化學生信息技術(shù)實質(zhì)方法的思考，這也就導(dǎo)致了“為探究而探究，為活動而活動”的學習假象。第十六頁，共137頁。信息技術(shù)課程所表現(xiàn)出的內(nèi)在價值的現(xiàn)實問題既受當時社會需求的影響(21世紀初期，信息技術(shù)課程主要還是處于“信息掃盲階段”)，也局限于人們對信息技術(shù)屬性特征認識的不足。

近年來，隨著信息技術(shù)應(yīng)用普及和課程研究的深入，越來越多的學者對信息技術(shù)課程內(nèi)在價值的具體性和教學的可操作性進行了深入的探討。第十七頁，共137頁。如何體現(xiàn)信息技術(shù)課程的價值呢？西蒙·派珀特第十八頁，共137頁。西蒙的最著名的成就之一是于1968年發(fā)明的LOGO編程語言（LOGOprogramminglanguage）。1970年與其同事合著了人工智能著作《認知器演算法》(Perceptrons)。自20世紀70年代開始，他一直致力于通過LOGO語言幫助兒童成為他們自己“智力建設(shè)”的建設(shè)者。在其1980年出版的著作《頭腦風暴：兒童、計算機及充滿活力的創(chuàng)意中，他系統(tǒng)闡述了自己的建構(gòu)主義觀Learningbymaking，在他看來，好的教育不是如何讓老師教得更好，而是如何提供充分的空間和機會讓學習者去構(gòu)建自己的知識體系。西蒙·派珀特把計算機作為幫助學習者形成算法、解決問題并在此過程中學習和鍛煉智力的強有力的工具。當我們還在討論要不要將電腦進入課堂，要不要上網(wǎng)的時候，西蒙與其麻省理工的同仁已經(jīng)將觸角伸向了更深的更高的層次：問題不是要不要，而是要如何實現(xiàn)“人手一本”，也即“一個孩子一臺筆記本電腦”。第十九頁，共137頁。第二十頁，共137頁。1981年，前蘇聯(lián)計算機教育學家葉爾肖夫就曾預(yù)言“人類必將會生活在一種程序設(shè)計的世界里。在這個世界里，人類文化與程序設(shè)計不僅并行存在，而且會相互聯(lián)系，融合為一種全新的人類思想”。王吉慶——《信息素養(yǎng)論》記載第二十一頁，共137頁。第二十二頁，共137頁。人們生活與學習數(shù)據(jù)抽象和自動化處理計算科學第二十三頁，共137頁。計算思維的提出JeannetteM.Wing,

ComputationalThinking,CommunicationsofACM,Vol.49,No.3,2006,pp.33-35.卡內(nèi)基梅隆大學教授、ACMFellow，IEEEFellow，兼任美國國家科學基金會主管計算機與信息科學與工程學部的副主任第二十四頁，共137頁。計算思維(ComputationalThinking，CT)

周以真認為：計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的涵蓋了計算機科學之廣度的一系列思維活動。25第二十五頁，共137頁。針對上述定義解釋如下：

①求解問題中的計算思維利用計算手段求解問題的過程是：首先要把實際的應(yīng)用問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學問題，可能是一組偏微分方程，其次將PDE離散為一組代數(shù)方程組，然后建立模型、設(shè)計算法和編程實現(xiàn)，最后在實際的計算機中運行并求解。前兩步是計算思維中的抽象，后兩步是計算思維中的自動化。26第二十六頁，共137頁。②設(shè)計系統(tǒng)中的計算思維

R.Karp認為：任何自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)都可視為一個動態(tài)演化系統(tǒng)，演化伴隨著物質(zhì)、能量和信息的交換，這種交換可以映射為符號變換，使之能用計算機進行離散的符號處理。當動態(tài)演化系統(tǒng)抽象為離散符號系統(tǒng)后，就可以采用形式化的規(guī)范描述，建立模型、設(shè)計算法和開發(fā)軟件來揭示演化的規(guī)律，實時控制系統(tǒng)的演化并自動執(zhí)行。

27第二十七頁，共137頁。③理解人類行為中的計算思維

王飛躍認為(中科院)：計算思維是基于可計算的手段，以定量化的方式進行的思維過程。計算思維就是應(yīng)對信息時代新的社會動力學和人類動力學所要求的思維。在人類的物理世界、精神世界和人工世界等三個世界中，計算思維是建設(shè)人工世界需要的主要思維方式。利用計算手段來研究人類的行為，可視為社會計算，即通過各種信息技術(shù)手段，設(shè)計、實施和評估人與環(huán)境之間的交互。波爾普的三個世界觀點28第二十八頁，共137頁。計算思維的本質(zhì)抽象(Abstract)、自動化(Automation)。它反映了計算的根本問題，即什么能被有效的自動進行。

計算是抽象的自動執(zhí)行，自動化需要某種計算機去解釋抽象。從操作層面上講，計算就是如何尋找一臺計算機去求解問題，隱含地說就是要確定合適的抽象，選擇合適的計算機去解釋執(zhí)行該抽象，后者就是自動化。

29第二十九頁，共137頁。計算思維與計算機的關(guān)系計算思維雖然具有計算機的許多特征，但是計算思維本身并不是計算機的專屬。實際上，即使沒有計算機，計算思維也會逐步發(fā)展，甚至有些內(nèi)容與計算機沒有關(guān)系。但是，正是由于計算機的出現(xiàn)，給計算思維的發(fā)展帶來了根本性的變化。

30第三十頁，共137頁。把計算機科學提升到科學思維層面進行研究被認為是近十年來產(chǎn)生的最具有基礎(chǔ)性、長期性的學術(shù)思想，將成為21世紀計算機科學研究的熱點第三十一頁，共137頁。為什么計算思維的提出得到如此高的評價呢？第三十二頁，共137頁。計算思維在美國產(chǎn)生的背景(1)2005年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《計算科學：確保美國競爭力》（ComputationalScience:EnsuringAmerica’sCompetitiveness）。(1)報告寫道：雖然計算本身也是一門學科，但是其具有促進其他學科發(fā)展的作用。二十一世紀科學上最重要的、經(jīng)濟上最有前途的研究前沿都有可能通過熟練的掌握先進的計算技術(shù)和運用計算科學而得到解決。(2)報告認為：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。美國還沒有認識到計算科學在社會科學、生物醫(yī)學、工程研究、國家安全，以及工業(yè)改革中的中心位置。這種認識不足將危及美國的科學領(lǐng)導(dǎo)地位、經(jīng)濟競爭力以及國家的安全。(3)報告建議：將計算科學長期置于國家科學與技術(shù)領(lǐng)域中心的領(lǐng)導(dǎo)地位。33第三十三頁，共137頁。計算思維在美國產(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)針對“計算學科與日俱增的重要性與學生對計算學科興趣的下降”，美國NSF組織了計算教育與科學領(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）進行研討，形成四份重要報告：ReportofNSFWorkshoponIntegrativeComputingEducationandResearch(ICER)NortheastWorkshopReportofNSFMidwestRegionWorkshoponICER:PreparingITGraduatesfor2010andBeyondReportfromtheSoutheastRegionWorkshoponICER:PreparingITGraduatesfor2010andBeyondICERFinalReportoftheNorthwestRegionalMeeting(2)內(nèi)容及建議：以上四個文件分析了美國計算教育出現(xiàn)的問題，報告建議在美國國家科學基金的資助下全面改革美國的計算教育。以下兩個問題和一個建議值得我們注意：大學第一年計算機課程的構(gòu)建問題；多學科的融合問題；報告建議加強美國中小學學生抽象思維與寫作能力的訓練，目的，使學生平穩(wěn)過渡到大學的學習。34第三十四頁，共137頁。計算思維在美國產(chǎn)生的背景(3)2007年美國NSF的CPATH計劃CPATH（PathwaystoRevitalizedUndergraduateComputingEducation，大學計算教育重生的途徑）計劃認為：計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、掌握計算核心概念的美國企業(yè)家和員工就變得非常重要。CPATH計劃認為：盡管有的研究機構(gòu)和大學對此做出了卓越的、開創(chuàng)性的工作，但目前美國更多的大學計算教育仍然沿襲的是幾十年前的教學模式。鑒于此，NSF2007年啟動了CPATH計劃，當年投入600萬美元，2008年投入500萬美元，2009年投入1000萬美元，力圖改變這種情況。經(jīng)過2007年和2008年的資助和項目實踐，CPATH認識到“計算思維”在計劃中所起的獨特的重要作用，因此，對2009年申報的項目提出了更為具體的以“計算思維”為核心的要求。2008年美國NSF的CDI計劃CDI（Cyber-EnabledDiscoveryandInnovation，計算使能的科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新）是美國國家科學基金會的一個革命性的、富有獨創(chuàng)精神的五年計劃，該計劃旨在通過“計算思維”領(lǐng)域的創(chuàng)新和進步來促進自然科學和工程技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的成果。CDI計劃2008年啟動，當年批準了共計4200萬美元的72個項目的立項申請，2009年投入2600萬美元，2010年投入3600萬美元。35第三十五頁，共137頁。目前國內(nèi)外“計算思維”在信息技術(shù)課程中的培養(yǎng)問題處于什么狀態(tài)？

計算思維的研究及其進展；

計算思維的思維屬性和計算特征對計算學科知識建構(gòu)的影響研究；

第三十六頁，共137頁。計算思維在我國(1)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“計算思維”給予了足夠的重視，認為，計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，計算機科學與技術(shù)這門學科也被構(gòu)造成一門專業(yè)性很強的工具學科，“工具”意味著它是一種輔助性學科，并不是主業(yè)。這種狹隘的認知對信息科技的全民普及極其有害。37第三十七頁，共137頁。計算思維在我國(2)計算機科學的變革：

孫家廣院士在“計算機科學的變革”一文中指出：(計算機科學界)最

具有基礎(chǔ)性和長期性的思想是“計算思維”(ComputationalThinking)。國家自然科學基金委員會信息科學部二處處長劉克教授，強調(diào)了在大學中推進“計算思維”這一基本理念的必要性。中國科學院計算技術(shù)研究所研究員徐志偉總工認為：計算思維是一種本質(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)具備“計算思維”的能力。中科院自動化所王飛躍教授率先將“計算思維”引入國內(nèi)，翻譯了周以真教授的“計算思維”，撰寫了相關(guān)的“計算思維與計算文化”。他認為：在中文里，計算思維不是一個新的名詞。在中國，從小學到大學教育，計算思維經(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“計算思維”之東風，盡快把中國世故人情的“算計文化”反正成為科學理性的“計算文化”，以提高我們民族的整體素質(zhì)。38第三十八頁，共137頁。計算思維在我國(3)中國高等學校計算機基礎(chǔ)課教學指導(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，“計算機基礎(chǔ)”這門課程應(yīng)該包含哪些內(nèi)容，如何將計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)計算機基礎(chǔ)教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，確定了以計算思維為核心的計算機基礎(chǔ)課程教學改革。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)計算思維的討論形成書面材料，以“計算思維：確保學生創(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：在濟南會議上，將在全國更大范圍內(nèi)，深入討論以計算思維為核心的基礎(chǔ)課教學改革，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“以計算思維能力培養(yǎng)為核心推進大學通識教育改革的研究與實踐”為項目，建議立項研究。2011.06：在北京“以計算思維為導(dǎo)向的計算機基礎(chǔ)課程建設(shè)”研討會上，組織有關(guān)高校圍繞“計算思維的實質(zhì)”和“如何在計算機基礎(chǔ)教學的第一門課程中體現(xiàn)計算思維能力的培養(yǎng)”進行了討論。39第三十九頁，共137頁。計算思維的思維屬性和計算特征對計算學科知識建構(gòu)的影響研究第四十頁，共137頁。計算思維課程在中國高校中正式開始實踐：上海交大（2010年秋季）和南方科大（2011年春季）正在試開新型計算機基礎(chǔ)課程——“計算機科學導(dǎo)論：計算思維”。自此，我們國家對計算思維的研究算是進入了一個新的時代——眾多教育學者開始探討并深入研究計算機科學中的計算思維。第四十一頁，共137頁。計算思維在國外（美）2006年3月，美國卡內(nèi)基?梅隆大學計算機系主任周以真（JeannetteM.Wing）教授在美國計算機權(quán)威雜志ACM《CommunicationoftheACM》上發(fā)表并定義了計算思維（ComputationalThinking）；JeannetteWing教授于2007年成立了卡內(nèi)基梅隆計算思維中心，并在國家科學基金內(nèi)部設(shè)立了資助項目以推進計算思維的進步

2010年，她從新定義計算思維是與形式化問題及其解決方案相關(guān)的一個思維過程，其解決問題的表示形式應(yīng)該能有效地被信息處理代理執(zhí)行。

2012年11月21日，微軟宣布正式聘請JeannetteWing博士擔任微軟國際研究部門副總裁，并于2013年1月就任，這標志她將從學術(shù)界轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)界，這也標志，計算思維這一引起熱議的“概念”將不在局限于學術(shù)研討。

第四十二頁，共137頁。計算思維在國外（美）2007年，美國“21世紀技能合作組織”(Partnershipfor21stCenturySkills，P21)整合21世紀學習者應(yīng)具備的基本技能，制定了“21世紀技能框架”(Frameworkfor21stCenturyLearning)，闡明培養(yǎng)學生數(shù)字素養(yǎng)在現(xiàn)代社會的重要性。2008年，美國計算機協(xié)會（ACM）在網(wǎng)上公布對CC2001（CS2001）進行的中期審查報告（CS2001InterimReview）（草案）中，就明確將“計算思維”與“計算機導(dǎo)論”課程綁定在一起，并明確要求該課程講授計算思維的本質(zhì)。2011年，美國國際教育技術(shù)協(xié)會(InternationalSocietyforTechnologyinEducation，ISTE)聯(lián)合計算機科學教師協(xié)會(ComputerScienceTeachersAssociation，CSTA)基于計算思維的表現(xiàn)性特征，給出了一個操作性定義：“計算思維是一種解決問題的過程，該過程包括明確問題、分析數(shù)據(jù)、抽象、設(shè)計算法、評估最優(yōu)方案、遷移解決方法六個要素”。

第四十三頁，共137頁。計算思維在國外（美）2011年，CSTA發(fā)布《美國中小學計算機科學標準》(K-12ComputerScienceStandards)，提出一個完整的計算機教育框架，該框架將計算思維、計算實踐和編程納入學科基本主線，幫助學生拓寬計算視野，理解計算機科學的基本原理和方法。此標準為中小學計算思維教育的開展提供了結(jié)構(gòu)框架和內(nèi)容指導(dǎo)。

第四十四頁，共137頁?！坝嬎闼季S是解決問題的一種過程，它包括如：如下特征(但不限于這些特征)：(1)確認所需解決的問題，并通過計算機和其它工具來解決問題；(2)符合邏輯地組織和分析數(shù)據(jù)；(3)通過抽象(例如模型、防真)的方法來表示數(shù)據(jù)；(4)通過算法(一系列有序的步驟)支持自動化的解決方案；(5)識別、分析和實施各種可行的解決方案，并整合這些最有效的方案和資源；(6)將該問題的求解過程進行推廣，遷移到更廣泛的問題解決與應(yīng)用中”。第四十五頁，共137頁。美國國家科學基金會（NSF）、國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）、美國國家科學研究委員會(NationalResearchCouncil，NRC)、CSTA計算思維工作小組(CSTAComputationalThinkingTaskForce)等多個研究機構(gòu)對計算思維展開探索研究，為計算思維教育及推廣提供資源和工具支持。第四十六頁，共137頁。2012年，南加州大學PaulS.Rosenbloom教授做了一場特別的計算研討會——“計算，第四大科學領(lǐng)域”，引起了較大的反響。第四十七頁，共137頁。

英國計算機學會(BCS,BritishComputerSociety)也組織了歐洲的專家學者對計算思維進行研討，提出了歐洲的行動綱領(lǐng)。英國的UniversityofSussex也基于計算思維方法探討了一系列關(guān)于計算機科學的問題，匹茲堡——2011年度計算機研究協(xié)會（CRA）杰出服務(wù)獎將頒發(fā)給卡內(nèi)基梅隆大學的JeannetteWing教授，以表彰其幫助定義了計算機科學的現(xiàn)狀和可能的發(fā)展。

計算思維在國外（英）計算思維不僅影響著美國，也影響著英國，在英國的愛丁堡大學，人們在一連串的研討會上探索與計算思維有關(guān)的主題。研討會上所涉及的學科已延伸到哲學、物理、生物、醫(yī)學、建筑、教育等各個不同的領(lǐng)域。第四十八頁，共137頁。

2012年1月11日，英國教育部長MichaelGove在教育培訓與技術(shù)展會(BritishEducationalTrainingandTechnologyShow，BETT)上宣布將對英國中小學計算機教育展開全面改革。2012年3月，英國學校計算課程工作小組(ComputingatSchoolWorkingGroup，CAS)提出將計算思維作為“學校計算機和信息技術(shù)課程”的一項關(guān)鍵內(nèi)容，并在研究報告中闡述：計算思維是識別計算，應(yīng)用計算工具和技術(shù)理解人工信息系統(tǒng)和自然信息系統(tǒng)的過程，是邏輯能力、算法能力、遞歸能力和抽象能力的綜合體現(xiàn)。

計算思維在國外（英）第四十九頁，共137頁。

2013年，南安普頓大學JohnWoollard研究員在“計算機科學教育創(chuàng)新與技術(shù)”(ITiCSE)會議報告中提出計算思維“是一項活動，通常以產(chǎn)品為導(dǎo)向，與問題解決相關(guān)(但不限于問題解決)。它是一個認知或思維過程，能夠反映人們的抽象能力、分解能力、算法能力、評估能力和概括能力，其基本特征包括思維過程，抽象和分解”。2013年9月11日英國教育部正式頒布《國家課程：計算課程學習計劃》(NationalCurriculuminEngland:ComputingProgrammesofStudy)。該計劃重新定義ICT，明確界定了計算機科學、信息技術(shù)與數(shù)字素養(yǎng)的領(lǐng)域范圍，強調(diào)計算機科學的重要性，并闡述計算課程的課程目標是引導(dǎo)學生理解和應(yīng)用計算機科學的基本原理和概念；使用計算術(shù)語分析問題，具備編寫計算機程序求解問題的實踐經(jīng)驗；評價和使用信息技術(shù)；成為有責任、有能力、有自信、有創(chuàng)造力的ICT使用者。

計算思維在國外（英）第五十頁，共137頁。2014年6月，CAS深入分析計算思維的定義、核心概念、教學方法和評估框架，研制出計算思維培養(yǎng)框架，為中小學計算思維教育的開展提供指導(dǎo)作用?！坝嬎闼季S是人們在人造(Artificial)信息系統(tǒng)和自然(Natural)信息系統(tǒng)的交互思考過程，它是人們邏輯能力、算法能力、遞歸(Recursive)能力、抽象能力的綜合體現(xiàn)。良好的計算思維不僅有利于人們在信息化社會中的良好交流，也有利于人們批判性思維的發(fā)展，負責任地使用信息技術(shù)”第五十一頁，共137頁。2009年，新西蘭教育部公布“技術(shù)背景知識和技能”(TechnologicalContextKnowledgeandSkills)計劃，提出包括“編程與計算機科學”在內(nèi)的五項數(shù)字技術(shù)核心培養(yǎng)內(nèi)容，該計劃于2011年開始在中學課程中實施。

2012年，澳大利亞課程、評估與報告管理局(AustralianCurriculum,AssessmentandReportingAuthority,ACARA)發(fā)布“中小學技術(shù)學科課程框架”(TheShapeoftheAustralianCurriculum:Technologies)，將數(shù)字素養(yǎng)納入學生基本能力要求，框架明確指出數(shù)字技術(shù)課程的核心內(nèi)容是應(yīng)用數(shù)字系統(tǒng)、信息和計算思維創(chuàng)造特定需求的解決方案。2014年4月，新加坡政府推動Code@SG運動，旨在發(fā)展全民計算思維。計算思維在國外（其他）第五十二頁，共137頁。我國信息技術(shù)課程如何提體現(xiàn)計算思維第五十三頁，共137頁?，F(xiàn)狀分析——中小學計算思維教育開展的軟硬件情況中小學信息技術(shù)教育實施論證報告[R].北京：基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會信息技術(shù)學科組,2013.2000年以來，我國已經(jīng)初步形成了以信息技術(shù)課程為主干的中小學信息技術(shù)教育體系。目前，100%的高中、95%的初中和50%的小學開設(shè)了信息技術(shù)課程。通過“校校通”工程、“農(nóng)村中小學現(xiàn)代遠程教育工程”等工程項目的實施，中小學信息化基礎(chǔ)設(shè)施得到持續(xù)改善，整體上基本能滿足信息技術(shù)教育的需要。在師資上，中小學信息技術(shù)課師資總量持續(xù)增長，生師比逐年下降，城鄉(xiāng)差異逐漸縮小。截至2010年底，全國共有小學信息技術(shù)專任教師10.8萬人，初中信息技術(shù)專任教師8.8萬人，高中信息技術(shù)專任教師3.8萬人。2012年教育部高中信息技術(shù)課程標準實施情況調(diào)研結(jié)果顯示，高中信息技術(shù)教師中具有本科以上學歷，計算機、教育技術(shù)和數(shù)學相關(guān)專業(yè)教育背景的比例已達到90.9%。第五十四頁，共137頁。學生方面，大多數(shù)高中生在小學和初中就學習過信息技術(shù)課程，其中高達44.3%的學生認為《信息技術(shù)基礎(chǔ)》與初中所學內(nèi)容的重復(fù)比例在20%-50%之間。非零起點的高中生占據(jù)了較大比例，但是他們對信息技術(shù)課程的認識仍多停留在操作層面。肖廣德,郭芳,樊磊,黃榮懷《普通高中信息技術(shù)課程標準》實施情況調(diào)研結(jié)果與啟示[J].課程·教材·教法,2014現(xiàn)狀分析——中小學計算思維教育開展的軟硬件情況第五十五頁，共137頁。計算思維是一種運用計算概念和工具解決實際問題的過程第五十六頁，共137頁。它是一種需要系統(tǒng)培養(yǎng)、鍛煉的科學思維方式，分析其特征和我國信息技術(shù)教育現(xiàn)狀，可以將計算思維從方法習得、工具應(yīng)用、思維遷移三個層面與中小學信息技術(shù)課程融合并落實第五十七頁，共137頁。其一，方法習得。

信息時代，計算方法滲透到了社會生產(chǎn)和生活的方方面面，為了幫助學生更好地理解和適應(yīng)數(shù)字社會環(huán)境，信息技術(shù)課程的開設(shè)就不能只停留在膚淺的信息技能操練上，還需要幫助學生理解計算思維涵蓋的一系列計算概念和方法，如遞歸、抽象、形式化等；引導(dǎo)學生識別隱藏在生活中的“計算”問題；培養(yǎng)學生運用算法思想高效解決問題的能力；鍛煉學生使用流程圖等工具清晰地表達個人思想等。第五十八頁，共137頁。其二，工具應(yīng)用。這里的工具是指能夠有效幫助人們理解和解決問題的思維工具，而不是用于處理信息的軟硬件應(yīng)用程序。計算思維是一種獨特的能力組合，它的強大正是在于運用了多種推理方式，盡而可以完成很多事情的研究和開發(fā)。如分析問題的過程運用到了設(shè)計思維，從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題到原型迭代，幫助我們更加明確問題需求；解決問題的過程則主要運用了算法思維和批判思維，從而能夠形成更加有效、高效的解決方案。信息技術(shù)課程應(yīng)當注重培養(yǎng)學生綜合運用多種思維工具解決問題的能力，例如，讓學生參與簡單的產(chǎn)品研發(fā)實踐，體驗程序設(shè)計的實施過程，直觀地感受計算思維。第五十九頁，共137頁。其三，思維遷移。

在信息技術(shù)課程中，不僅需要普及計算機科學概念，更需要引導(dǎo)學生將計算思維合理地應(yīng)用至日常生活與學習之中，形成一種思維習慣。計算思維反映了計算機科學領(lǐng)域解決問題的思維過程，遷移到應(yīng)用信息技術(shù)解決實際問題的情境中，主要表現(xiàn)為問題分析、工具選擇、自動化解決方案、選擇最優(yōu)方案和通用解決方案可以通過運用這五大要素舉例分析日常生活中真實的問題情境，讓學生體驗使用計算思維求解問題的一般過程和方法，最終達到能夠在實際問題中靈活地遷移和應(yīng)用計算思維的目標。第六十頁，共137頁。計算思維在信息技術(shù)教學中的有效落實，就需要明確計算思維的表現(xiàn)性特征，合理組織教學內(nèi)容，研究可行的教學方法。第六十一頁，共137頁。1.建立計算思維的表現(xiàn)性標準在計算思維教學中，為了能明確學習結(jié)果，知道學習結(jié)束后應(yīng)知和能做的內(nèi)容，就有必要建立與之相對應(yīng)的表現(xiàn)性標準。Eg1：美國計算機教師協(xié)會(CSTA)制定的“學校計算機課程標準”就建議6年級學生要能夠“將計算Computing)理解為他們生活學習中的一部分”。與其對應(yīng)的表現(xiàn)性標準為：理解利用算法解決問題的基本步驟(例如，問題陳述和探究、樣本檢測、設(shè)計、實施和測試)；通過“非計算機練習”(Computer-Free?Exercise，不使用計算機)的方式來理解算法的基本概念；描述怎樣用模擬方式去解決一個問題；當討論一個大問題時，能夠?qū)⑵浼毣癁橐幌盗行栴}等等Eg2：標準建議9年級學生要能夠?qū)ⅰ坝嬎闼季S落實于具體的工具應(yīng)用中，在創(chuàng)造數(shù)字作品過程中，學會使用程序概念和方法”。第六十二頁，共137頁。2.設(shè)計與標準一致性的教學內(nèi)容教學內(nèi)容與課程標準一致性是教學內(nèi)容組織的一項基本原則，主要反映在“認識程度的一致性和知識要點的一致性”兩個層面。從學生認知能力發(fā)展來看，不同年齡的學生對知識組織方式的接受程度存在著差異。eg：低年級學生比較容易接受圖形、實物等組成的形象性學習內(nèi)容，高年級學生則對程序設(shè)計語言、基本算法等抽象性學習內(nèi)容具有較強的理解能力。因此，計算思維教學內(nèi)容的組織上應(yīng)與學生的認識水平相符合。第六十三頁，共137頁。教育心理學專家西蒙·派珀特(Seymour?Papert)從學習心理認知過程探討學生的思維發(fā)展，提出了“計算機可以將學生形式思維具體化”的觀點，并針對小學階段學生形象思維的心理特征設(shè)計出“發(fā)現(xiàn)謎宮之路(烏龜圖形、機器人技術(shù))按字母順序安排一系列的詞”等LOGO語言的學習內(nèi)容，引導(dǎo)小學生在圖形制作過程中感受“問題確定、模型分析、命令實施、修改完善”的計算方法。從知識的難易度來看，教學內(nèi)容中的知識要點應(yīng)與課程標準相符合，反映出課程標準的基本要求。第六十四頁，共137頁。3.組織實踐探究性的教學活動在信息技術(shù)課程中，培育學生計算思維的最終目的是期望學生將這種思維方式合理地遷移至日常生活與學習之中，全面提升學生的信息素養(yǎng)。第六十五頁，共137頁。美國《中小學計算機科學標準》分段設(shè)計了計算思維的教學實施方案，建議在K-6年級，將學習內(nèi)容設(shè)計成創(chuàng)造性和探究性活動，嵌入到社會科學、語言藝術(shù)、數(shù)學和科學課程中，7-9年級學校根據(jù)情況開設(shè)獨立的計算機課程，也可以整合學科內(nèi)容到其他課程中，10-12年級以必修課的方式達成學習目標。第六十六頁，共137頁。2014年9月，英國教育部使用新的教學大綱，將課程劃分為四個階段：K-2年級，理解算法概念，能夠創(chuàng)建和調(diào)試簡單的程序等，3-6年級，編程解決實際問題，了解計算機網(wǎng)絡(luò)，有效使用搜索技術(shù)等，7-9年級，理解幾個反映計算思維的關(guān)鍵算法，掌握1-2門程序設(shè)計語言解決計算問題，熟悉計算機組成等，10-11年級，培養(yǎng)計算機科學、數(shù)字媒體和信息技術(shù)的知識、能力和創(chuàng)造力，發(fā)展問題分析、解決、設(shè)計和計算能力等。第六十七頁，共137頁?；谟嬎闼季S的探究教學模式研究第六十八頁，共137頁。第六十九頁，共137頁。第七十頁，共137頁。模塊二思維與科學思維第七十一頁，共137頁。一、思維的概念思維是精神地球上最美麗的花朵。1.2思維與科學思維

2.思維的組成思維原料(自然界)、思維主體(人腦)思維工具(認識的反映形式)

1.思維的定義

思維是人腦對客觀事物的一種概括的、間接的反映，它反映客觀事物的本質(zhì)和規(guī)律。72第七十二頁，共137頁。

3.思維的特征

特征解釋或說明概括性思維是在人的感性基礎(chǔ)上，將一類事物的共同本質(zhì)的特征和規(guī)律抽取出來，加以概括。如人們感知(日出東方、日落西山)，通過思維概括揭示是地球自轉(zhuǎn)的結(jié)果。間接性指非直接的，以其它事物做媒介來反映客觀事物。如根據(jù)醫(yī)學知識和臨床經(jīng)驗，醫(yī)生詢問病史和輔助檢查，判斷病情，作出治療。能動性不僅能認識和反映世界，而且還能對客觀世界進行改造。如人們不僅能認知宇宙速度，還能制造宇宙飛船飛向太空。1.2思維與科學思維73第七十三頁，共137頁。

4.思維的類型不同分類方式類別按照思維的進程方向橫向思維、縱向思維發(fā)散思維、收斂思維按照思維的抽象程度直觀行動思維具體形象思維抽象邏輯思維按照思維的形成和應(yīng)用領(lǐng)域科學思維日常思維1.2思維與科學思維74第七十四頁，共137頁。二、科學思維

科學思維：指理性認識及其過程，即經(jīng)過感性階段獲得的大量材料，通過整理和改造，形成概念、判斷和推理，以便反映事物本質(zhì)和規(guī)律。簡而言之，科學思維是人腦對科學信息的加工活動。

科學思維的主要表現(xiàn)：①科學的理性思維②科學的邏輯思維③科學的系統(tǒng)思維④科學的創(chuàng)造性思維

1.2思維與科學思維75第七十五頁，共137頁。三、科學思維的分類1.2思維與科學思維類別解釋或說明理論思維理論源于數(shù)學，理論思維支撐著所有的學科領(lǐng)域。正如數(shù)學一樣，定義是理論思維的靈魂，定理和證明是其精髓，公理化方法是最重要的理論思維方法實驗思維實驗思維的先驅(qū)是意大利科學家伽利略，被人們譽為“近代科學之父”。與理論思維不同，實驗思維往往需要借助于某些特定的設(shè)備，使用它們來獲取數(shù)據(jù)以便進行分析。計算思維計算思維是思維過程或功能的計算模擬方法論，其研究目的是提供適當?shù)姆椒?，使人們能借助計算機逐步達到人工智能的較高目標。76第七十六頁，共137頁。

三種科學對應(yīng)著三種思維：

理論科學←→理論思維

理論思維又稱邏輯思維，它以推理和演繹為特征，以數(shù)學學科為代表。

實驗科學←→實驗思維

實驗思維又稱實證思維，它以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學科為代表。

計算科學←→計算思維

計算思維又稱構(gòu)造思維，它以設(shè)計和構(gòu)造為特征，以計算機學科為代表。1.2思維與科學思維77第七十七頁，共137頁。模塊四計算思維的應(yīng)用領(lǐng)域第七十八頁，共137頁。一、生物學計算機科學許多領(lǐng)域滲透到生物信息學中的應(yīng)用研究，包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、算法、圖形學、軟件工程、并行計算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都被用于生物計算的研究。

1.4計算思維的應(yīng)用領(lǐng)域從各種生物的DNA數(shù)據(jù)中挖掘DNA序列自身規(guī)律和DNA序列進化規(guī)律，可以幫助人們從分子層次上認識生命的本質(zhì)及其進化規(guī)律DNA序列實際上是一種用四種字母表達的“語言”。79第七十九頁，共137頁。二、腦科學腦科學是研究人腦結(jié)構(gòu)與功能的綜合性學科它以揭示人腦高級意識功能為宗旨，與心理學、人工智能、認知科學和創(chuàng)造學等有著交叉滲透。1.4計算思維的應(yīng)用領(lǐng)域美國神經(jīng)生理學家羅杰·斯佩里進行了裂腦實驗，提出大腦兩半球功能分工理論。他認為：大腦左右半球完全可以以不同的方式進行思維活動，左腦側(cè)重于抽象思維，如邏輯抽象、演繹推理和語言表達等；右腦側(cè)重于形象思維，如直覺情感、想象創(chuàng)新等。80第八十頁，共137頁。三、化學計算機科學在化學中的應(yīng)用包括：化學中的數(shù)值計算、化學模擬、化學中的模式識別、化學數(shù)據(jù)庫及檢索、化學專家系統(tǒng)等。1.4計算思維的應(yīng)用領(lǐng)域基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和分區(qū)并行算法，為求解多組分化學反應(yīng)流動守恒方程組開發(fā)了單程序多數(shù)據(jù)流形式的并行程序，對己有的預(yù)混可燃氣體中高速飛行的彈丸的爆轟現(xiàn)象進行了有效的數(shù)值模擬。81第八十一頁，共137頁。四、經(jīng)濟學計算博弈論正在改變?nèi)藗兊乃季S方式。

囚徒困境是博弈論專家設(shè)計的典型示例，但是囚徒困境博弈模型可以用來描述兩家企業(yè)的價格大戰(zhàn)等許多經(jīng)濟現(xiàn)象。1.4計算思維的應(yīng)用領(lǐng)域百事可樂可口可樂高價低價低價高價106060103030505082第八十二頁，共137頁。五、藝術(shù)計算機藝術(shù)是科學與藝術(shù)相結(jié)合的一門新興的交叉學科，它包括繪畫、音樂、舞蹈、影視、廣告、書法模擬、服裝設(shè)計、圖案設(shè)計、產(chǎn)品和建筑造型設(shè)計以及電子出版物等眾多領(lǐng)域。

1.4計算思維的應(yīng)用領(lǐng)域83第八十三頁，共137頁。六、其他領(lǐng)域1.4計算思維的應(yīng)用領(lǐng)域工程學(電子、土木、機械、航空航天等)：計算高階項可以提高精度,進而降低重量、減少浪費并節(jié)省制造成本；波音777飛機完全是采用計算機模擬測試的，沒有經(jīng)過風洞測試。社會科學：社交網(wǎng)絡(luò)是MySpace和YouTube等發(fā)展壯大的原因之一；統(tǒng)計機器學習被用于推薦和聲譽服務(wù)系統(tǒng),例如Netflix和聯(lián)名信用卡等。地質(zhì)學、天文學、數(shù)學、醫(yī)學、法律、娛樂、體育等84第八十四頁，共137頁。模塊五計算學科的典型問題第八十五頁，共137頁。1.5計算學科的典型問題一、排序問題排序是把給定數(shù)據(jù)集合中的元素按照一定的標準來安排先后次序的過程。

選擇排序算法：對給定的一個數(shù)據(jù)表，算法從第一個元素開始掃描整個列表，找到最小或最大的元素，并將其與第一個位置的元素交換。然后算法從第二個位置的元素開始掃描剩下的列表，找到次小或次大的元素，并將其與第二個位置的元素交換。如此循環(huán)，直到所有的元素都被排好序為止。選擇排序算法是由一個雙層循環(huán)控制，算法時間復(fù)雜度是O(n2)86第八十六頁，共137頁。部分排序算法的時間效率比較(單位：毫秒)1.5計算學科的典型問題每一種排序算法對時間的效率和空間的要求不盡相同，沒有哪一種是絕對最優(yōu)的，在實用時需要根據(jù)不同情況適當選用，也可多種方法結(jié)合使用。排序算法101001K10K100K1M插入排序0.0002580.0086190.764565145515621冒泡排序0.0002760.0056430.545618174549432選擇排序0.0002370.0064380.488474717478694快速排序0.0002910.0030510.0300.3113.63439歸并排序0.0007230.0062250.0660.5615.4870基數(shù)排序0.0051810.0210.1651.6511.428117哈希排序0.0005220.0033720.0360.5184.1526187第八十七頁，共137頁。二、漢諾塔問題1.5計算學科的典型問題印度古老傳說：在世界中心貝拿勒斯的圣廟里，一塊黃銅板上插著三根寶石針A、B和C。印度教的主神梵天在創(chuàng)造世界時，在其中一根針上從下到上地穿好了由大到小的64片金片，這就是所謂的漢諾塔問題。不論白天黑夜，總有一個僧侶在按下面的法則移動這些金片：一次只移動一片，不管在哪根針上，小片必須在大片上面。僧侶們預(yù)言，當所有金片移到另外一根針上時，世界將在一聲霹靂中消滅，而梵塔、廟宇和眾生也都將同歸于盡。

88第八十八頁，共137頁。不管這個傳說的可信度有多大，如果僅考慮把64片金片，由一根針上移到另一根針上，并且始終保持上小下大的順序。這需要多少次移動呢？這里需要使用遞歸算法。假設(shè)有n片，移動次數(shù)是f(n)顯然f(1)=1，f(2)=3，f(3)=7，且f(k+1)=2*f(k)+1不難證明f(n)=2^n-1當n=64時，次如果每秒鐘移動一次，共需多長時間呢？一年有31536000秒，則億年1.5計算學科的典型問題89第八十九頁，共137頁。三、國王的婚姻1.5計算學科的典型問題國王：艾述(喜愛數(shù)學)宰相：孔喚石(數(shù)學家)公主：秋碧貞楠(鄰國)公主：求出48770428644836899的一個真因子國王：2,3,4,┅,30000多數(shù)據(jù)(一天)公主：驗證一下，223092871宰相：將全國百姓按自然數(shù)的順序編號，百姓用自己的編號去除公主的數(shù)，誰除盡來領(lǐng)賞。童話說明：①國王本人計算(串行算法，時間復(fù)雜性)②全國百姓計算(并行算法，空間復(fù)雜性)90第九十頁，共137頁。四、旅行商問題

旅行商問題(TSP)的描述：一位商人去n個城市推銷貨物，所有城市走一遍后，再回到起點，問如何事先確定好一條最短的路線，使其旅行的費用最少。

1.5計算學科的典型問題路徑ABCDA的總距離是：4+2+4+2=12路徑ABDCA的總距離是：4+6+4+6=20路徑ACBDA的總距離是：6+2+6+2=16路徑ACDBA的總距離是：6+4+6+4=20路徑ADCBA的總距離是：2+4+2+4=12路徑ADBCA的總距離是：2+6+2+6=1691第九十一頁，共137頁。城市數(shù)目為4時，組合路徑數(shù)為6

城市數(shù)目為n時，組合路徑數(shù)為(n-1)!當城市數(shù)目不多時要找到最短距離的路線并不難，但隨著城市數(shù)目的不斷增大，組合路線數(shù)將呈指數(shù)級數(shù)規(guī)律急劇增長，以至到達無法計算的地步，這就是所謂的組合爆炸問題。1.5計算學科的典型問題假如城市的數(shù)目增為20個，組合路徑數(shù)則為(20-1)！≈1.216×1017若計算機以每秒檢索1000萬條路線的速度計算，也需要花上386年的時間。92第九十二頁，共137頁。模塊六計算思維與大學計算機基礎(chǔ)教育陳國良董榮勝毛睿2011年6月第九十三頁，共137頁。摘要：本報告首先講述了《大學計算機基礎(chǔ)》課程的重要性，分析了教學中存在的問題，指出了“狹義工具論”的危害。然后從推動人類文明進步、科技發(fā)展三大科學思維之一的計算思維入手，闡述了計算思維對學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要性。最后按計算思維主要內(nèi)容，即問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和人類行為理解，探討了大學計算機基礎(chǔ)課程設(shè)置，強調(diào)了課程結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性，給出了一種以“計算思維”為核心的大學計算機基礎(chǔ)課程教學的最小集，為大學計算機基礎(chǔ)教育提供了一種以提高學生計算思維能力為目標的新模式。94第九十四頁，共137頁。

目錄大學計算機基礎(chǔ)課程的重要性大學計算機基礎(chǔ)課程教學存在的問題計算思維在美國產(chǎn)生的背景科學與科學思維計算思維計算思維在我國計算機科學導(dǎo)論：計算思維課程的總體框架計算機科學導(dǎo)論：計算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃結(jié)論感謝95第九十五頁，共137頁。一、大學計算機基礎(chǔ)課程的重要性大學通識教育是大學人才培養(yǎng)的重要任務(wù)大學教育不能局限于基本知識傳授，要培養(yǎng)學生的理性思維能力學生對科學精神的追求學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精神和人文精神通識教育要展現(xiàn)不同文化、不同學科的思維方式通識教育要充分展現(xiàn)學術(shù)的魅力計算思維能力培養(yǎng)是大學通識教育的重要組成部分國家明確定位計算機基礎(chǔ)課程是和數(shù)學、物理等同地位的基礎(chǔ)課程。計算機不僅為不同專業(yè)提供了解決專業(yè)問題的有效方法和手段，而且提供了一種獨特的處理問題的思維方式。熟悉使用計算機及互聯(lián)網(wǎng)，為人們終生學習提供了廣闊的空間以及良好的學習工具與環(huán)境。96第九十六頁，共137頁。二、大學計算機基礎(chǔ)課程教學存在的問題(1)我國的情況“狹義工具論”的課程：“狹義工具論”認為教計算機基礎(chǔ)就是教些計算機工具及其使用方法?！皾饪s版”的教材：教材基本上是有關(guān)領(lǐng)域的濃縮版，學生進入大學后，對第一門計算機課程興趣不大，逃課率相當高。計算機基礎(chǔ)課教學學時被壓縮，教學資源配置不充分，課程面臨被裁減的危機美國的情況(1)

學生學習計算機課程情況：2003年11月，美國NavalPostgraduateSchool的PeterDenning教授在CACM上發(fā)表《GreatPrinciplesofComputing》一文介紹了這種情況：在大學第一門計算機課程（主要指“程序設(shè)計語言”作為第一門計算機課程）的學習過程中，有35-50%的學生中途放棄。另外，不少的學生還通過抄襲或者是作弊的方式來完成課程。97第九十七頁，共137頁。二、大學計算機基礎(chǔ)課程教學存在的問題(2)美國的情況(2)畢業(yè)生的工資情況：2005年11月，美國《ComputingResearchNews》刊登的一篇名為《科學與工程專業(yè)畢業(yè)生的工資》的報告：2003年，在美國科學領(lǐng)域各學科中，計算機與信息科學專業(yè)畢業(yè)生的平均年工資最高，學士人均年工資為45，000美元，碩士人均60，000美元。學生主修計算機專業(yè)情況：加州大學洛杉磯分校發(fā)現(xiàn)學生對計算專業(yè)的興趣波動很大，2001后普遍下降。具體數(shù)據(jù)如圖所示：

98第九十八頁，共137頁。四、科學與科學思維(1)科學與思維達爾文曾給科學下過一個定義：“科學就是整理事實，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，作出結(jié)論”。科學一般包含：自然科學、社會科學和思維科學。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。人類科學發(fā)現(xiàn)的三大支柱：

理論科學、實驗科學和計算科學作為科學發(fā)現(xiàn)三大支柱，正推動著人類文明進步和科技發(fā)展。該說法已被科學文獻廣泛引用，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，三種科學對應(yīng)著三種思維：

理論科學←→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)學學科為代表。

實驗科學←→實驗思維：

實驗思維又叫實證思維，以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學科為代表。

計算科學←→計算思維：

計算思維又叫構(gòu)造思維，以設(shè)計和構(gòu)造為特征，以計算機學科為代表。99第九十九頁，共137頁。四、科學與科學思維(2)科學思維：

國科發(fā)財〔2008〕197號文《關(guān)于創(chuàng)新方法工作的若干意見》認為“科學思維不僅是一切科學研究和技術(shù)發(fā)展的起點，而且始終貫穿于科學研究和技術(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，理論思維支撐著所有的學科領(lǐng)域。正如數(shù)學一樣，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思維方法。②實驗思維：實驗思維的先驅(qū)是意大利科學家伽利略，被人們譽為“近代科學之父”。與理論思維不同，實驗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計算思維：計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解的涵蓋了計算機科學之廣度的一系列思維活動。100第一百頁，共137頁。五、計算思維(1)計算思維的定義：計算思維（ComputationalThinking，CT）是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(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。計算思維的例子：計算思維是通過約簡、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)或進行巨型復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計，是基于關(guān)注點分離的方法（SoC方法）。計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。101第一百零一頁，共137頁。五、計算思維(2)計算思維的例子：計算思維是按照預(yù)防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法。計算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答，即在不確定情況下的規(guī)劃、學習和調(diào)度的思維方法。計算思維是利用海量數(shù)據(jù)來加快計算，在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行折衷的思維方法。計算思維的特征：①概念化，不是程序化計算機科學不是計算機編程。像計算機科學家那樣去思維意味著遠遠不止能為計算機編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思維。計算機科學不只是關(guān)于計算機，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)于麥克風一樣。②根本的，不是刻板的技能計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。刻板的技能意味著簡單的機械重復(fù)。102第一百零二頁，共137頁。五、計算思維(3)計算思維的特征：人的，不是計算機的思維計算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計算機那樣地思考。計算機枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力。是人類賦予計算機激情。計算機賦予人類強大的計算能力，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，以及與他人進行交流和互動。⑤數(shù)學和工程思維的互補與融合計算機科學在本質(zhì)上源自數(shù)學思維，它的形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學之上。計算機科學又從本質(zhì)上源自工程思維，因為我們建造的是能夠與實際世界互動的系統(tǒng)。所以設(shè)計思維是數(shù)學和工程思維的互補與融合。⑥面向所有的人，所有地方當計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)當掌握，處處都會被使用。103第一百零三頁，共137頁。五、計算思維(4)計算思維對其他學科的影響：①生物：霰彈槍算法（Shotgunalgorithm）大大提高了人類基因組測序的速度蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以用繩結(jié)來模擬蛋白質(zhì)動力學可以用計算過程來模擬細胞和電路類似，是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)②腦科學：人腦可以看作是一臺計算機視覺是一個反饋循環(huán)用機器學習方法分析功能核磁共振（fMRI）數(shù)據(jù)③化學：用原子計算探索化學現(xiàn)象用優(yōu)化和搜索算法尋找優(yōu)化化學反應(yīng)條件和提高產(chǎn)量的物質(zhì)④地質(zhì)學：“地球是一臺模擬計算機”(Boulton,Edinburgh)用抽象邊界和復(fù)雜性層次模擬地球和大氣層104第一百零四頁，共137頁。五、計算思維(5)計算思維對其他學科的影響：⑤數(shù)學：發(fā)現(xiàn)E8李群（E8LieGroup）:

--18位數(shù)學家，4年零77小時超級計算機機時（2千億個數(shù)字）證明四色定理⑥工程(電子、土木、機械、航空航天等)：計算高階項可以提高精度，進而降低重量、減少浪費并節(jié)省制造成本波音777飛機完全是采用計算機模擬測試的，沒有經(jīng)過風洞測試⑦經(jīng)濟學：自動設(shè)計機制在電子商務(wù)中廣泛采用(廣告投放、在線拍賣、腎源交換等)很多麻省理工學院的計算機科學博士在華爾街作金融分析師⑧社會科學：社交網(wǎng)絡(luò)是MySpace和YouTube等發(fā)展壯大的原因之一統(tǒng)計機器學習被用于推薦和聲譽排名系統(tǒng)，例如Netflix和聯(lián)名信用卡等⑨醫(yī)療：機器人手術(shù)電子病歷系統(tǒng)需要隱私保護技術(shù)可視化技術(shù)使虛擬結(jié)腸鏡檢查成為可能105第一百零五頁，共137頁。五、計算思維(6)計算思維對其他學科的影響：⑩法學：斯坦福大學的CL方法包含了人工智能、時序邏輯、狀態(tài)機、進程代數(shù)、Petri網(wǎng)等方面的內(nèi)容欺詐調(diào)查方面的POIROT項目為歐洲的法律系統(tǒng)建立了一個詳細的本體論結(jié)構(gòu)關(guān)于犯罪現(xiàn)場調(diào)查的福爾摩斯項目?娛樂：游戲電影--夢工廠用惠普的數(shù)據(jù)中心進行電影“怪物史萊克”和“馬達加斯加”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)(如噴繪機器人Robotticelli)戲劇音樂攝影106第一百零六頁，共137頁。五、計算思維(7)計算思維對其他學科的影響：?體育：阿姆斯特朗的自行車載計算機追蹤人車統(tǒng)計數(shù)據(jù)SynergySports公司對NBA視頻進行分析?教育方面的啟示：大學應(yīng)該從新生課程入手--教授“象計算機科學家一樣思考”課程，而不是“某程序設(shè)計”課程讓國家和國際組織參與到教學改革中，特別是K-12、ACM、CSTA、CRA等?模擬：核試驗?zāi)M利用Exascale計算對能源和環(huán)境進行建模和模擬基于高性能計算機用計算科學模擬颶風，使科學家可以看到颶風的內(nèi)部?地震能否被有效模擬和預(yù)測？107第一百零七頁，共137頁。七、計算機科學導(dǎo)論：

計算思維課程的總體框架(1)計算機科學導(dǎo)論：計算思維的基本框架

計算理論：可計算性與計算復(fù)雜性

算法和程序設(shè)計：基礎(chǔ)算法與Python語言

實現(xiàn)基礎(chǔ)：計算機硬件與軟件最小知識集課程教學環(huán)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：AllenDowneyetal.HowtoThinkLikeaComputerScientist:LearningwithPython(GreenTeaPress2002)。JohnZelle.PythonProgramming:AnIntroductiontoComputerScience(Franklin,Beedle&Associates2004)。JeannetteM.Wing

(周以真).ComputationalThinking.(ACM,2006,49(3))。。J．G.Brookshear.ComputerScience:AnOverview（10thEdition），AddisonWesley，2009。108第一百零八頁，共137頁。七、計算機科學導(dǎo)論：

計算思維課程的總體框架(2)課程教學環(huán)節(jié)(2)

課堂練習：主要參考材料：《不插電的計算機科學》（桂林電子科技大學，董榮勝主持翻譯，2008.10）(3)課程實踐：實驗內(nèi)容包含指定的和自選的(4)

成績考核：筆試＋口試＋小論文＋實驗大學計算機基礎(chǔ)課程群：

計算思維（第一門課）

算法與程序設(shè)計

計算機系統(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)109第一百零九頁，共137頁。八、計算機科學導(dǎo)論：

計算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(1)計算思維基礎(chǔ)知識(1)基本概念：什么是科學、思維、學科？科學與思維，理論思維，實驗思維，計算思維。(2)科學發(fā)現(xiàn)的第三支柱：科學發(fā)現(xiàn)的三大支柱（理論科學、實驗科學、計算科學），計算科學的作用（PITAC2005報告），名人名言（H.Davy,化學家)。(3)計算科學與計算機科學以及計算機學科什么是計算科學？什么是計算機科學？什么是計算機學科？計算機學科發(fā)展的歷程（EE、CE、CS、SE、IT、IS）。(4)計算思維什么是計算思維？例子、主要特征（它是什么？它不是什么？）、對其他學科的影響（生物學、腦科學、化學、地質(zhì)學、數(shù)學、工程技術(shù)、經(jīng)濟學、社會科學、醫(yī)學、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…110第一百一十頁，共137頁。八、計算機科學導(dǎo)論：

計算思維課程的內(nèi)容規(guī)劃(2)計算理論和計算模型：(1)人類對計算本質(zhì)的認識過程計算手段應(yīng)該器械化（算盤、手搖計算機、微分機、模擬機等）計算過程應(yīng)該形式化（圖靈