高中信息技術(shù)課程中的計(jì)算思維課件

高中信息技術(shù)課程中的計(jì)算思維高中信息技術(shù)課程中的計(jì)算思維1高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)

高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)2確定問(wèn)題—搜索信息—處理信息—解決問(wèn)題—?dú)w納思想

1.知識(shí)與技能了解概念—應(yīng)用工具2.過(guò)程與方法

3.情感態(tài)度與價(jià)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(xué)生的信息素養(yǎng)作為課程總目標(biāo)信息技術(shù)課程的要求確定問(wèn)題—搜索信息—處理信息—解決問(wèn)題—?dú)w納思想1.知識(shí)3高中信息技術(shù)課程中的計(jì)算思維課件4信息加工與表達(dá)信息的獲取信息資源管理信息技術(shù)與社會(huì)信息技術(shù)基礎(chǔ)信息處理與交流信息加工與表達(dá)信息的信息資源管理信息技術(shù)與社會(huì)信息技術(shù)基礎(chǔ)信5算法與程序設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題的基本過(guò)程面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言初步算法例舉算法與程序設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)解決問(wèn)題面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言初步算法例舉6多媒體技術(shù)應(yīng)用多媒體技術(shù)與社會(huì)生活多媒體信息采集與加工多媒體信息表達(dá)多媒體技術(shù)應(yīng)用多媒體技術(shù)多媒體信息多媒體信息表達(dá)7網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用因特網(wǎng)應(yīng)用網(wǎng)站設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用因特網(wǎng)網(wǎng)站設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)8數(shù)據(jù)管理技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)建立使用與維護(hù)數(shù)據(jù)管理基本知識(shí)數(shù)據(jù)管理技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)建立數(shù)據(jù)管理基本知識(shí)9人工智能初步知識(shí)及其表達(dá)推理與專家系統(tǒng)人工智能語(yǔ)言與問(wèn)題求解人工智能初步知識(shí)及其推理與專家系統(tǒng)人工智能語(yǔ)言與問(wèn)題求解10一、《標(biāo)準(zhǔn)》不清晰的地方能力目標(biāo)強(qiáng)調(diào)：學(xué)生利用信息技術(shù)解決問(wèn)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(biāo)中的利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的過(guò)程，可以看出該過(guò)程不僅能夠在信息技術(shù)課程中得以實(shí)施，同樣也可以在其它課程中得以發(fā)展。Eg：“義務(wù)教育語(yǔ)文課程標(biāo)準(zhǔn)”就明確提出“為解決學(xué)習(xí)與生活中的相關(guān)問(wèn)題。學(xué)生要能夠利用圖書(shū)館、網(wǎng)絡(luò)等信息渠道獲取資料，初步了解查找資料和運(yùn)用資料的方法”的學(xué)習(xí)要求在信息技術(shù)課程中，缺少了信息技術(shù)解決問(wèn)題的獨(dú)特方法，也就失去了其內(nèi)在的特有價(jià)值。一、《標(biāo)準(zhǔn)》不清晰的地方能力目標(biāo)強(qiáng)調(diào)：學(xué)生利用信息技術(shù)解決問(wèn)11其二，信息技術(shù)的思想方法不清晰。盡管《課程標(biāo)準(zhǔn)》中多次提到“信息技術(shù)基本思想與方法”的學(xué)習(xí)要求。Eg：“了解使用數(shù)據(jù)庫(kù)管理信息的基本思想與方法”“掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)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(shí)施建議和評(píng)價(jià)建議中都沒(méi)有作進(jìn)一步的解釋和說(shuō)明，缺少了對(duì)核心術(shù)語(yǔ)的清晰解釋和表現(xiàn)性說(shuō)明，所謂的技術(shù)思想方法的學(xué)習(xí)目標(biāo)也就只能停留于課程標(biāo)準(zhǔn)的文本之中。其二，信息技術(shù)的思想方法不清晰。但是這些思想方法的12二、信息、技術(shù)課程內(nèi)在價(jià)值的教學(xué)內(nèi)容“簡(jiǎn)單化”分析《課程標(biāo)準(zhǔn)》的整體目標(biāo)，信息技術(shù)課程的內(nèi)在價(jià)值主要還是反映在培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問(wèn)題的能力和信息技術(shù)思想方法上。從教學(xué)內(nèi)容來(lái)看，無(wú)論是解決問(wèn)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(kāi)具體實(shí)踐活動(dòng)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》所建議的“教科書(shū)內(nèi)容密切聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合學(xué)生的現(xiàn)實(shí)生活與學(xué)習(xí)實(shí)踐以及當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)發(fā)展，適度設(shè)置真實(shí)性的學(xué)習(xí)任務(wù)、典型案例或研究性課題”?，F(xiàn)狀調(diào)研表明，反映信息技術(shù)內(nèi)在價(jià)值的教學(xué)內(nèi)容卻還存在著“步驟化”和“程序化”的不足。

二、信息、技術(shù)課程內(nèi)在價(jià)值的教學(xué)內(nèi)容“簡(jiǎn)單化”分析《課程標(biāo)13具體表現(xiàn)為：其一，“能力培養(yǎng)”簡(jiǎn)化為“步驟學(xué)習(xí)”將信息技術(shù)解決問(wèn)題的過(guò)程固化為幾項(xiàng)基本活動(dòng)步驟，利用信息技術(shù)解決問(wèn)題能力也就簡(jiǎn)化成了活動(dòng)步驟的學(xué)習(xí)。事實(shí)上，現(xiàn)實(shí)生活中的信息問(wèn)題不僅包括結(jié)構(gòu)性問(wèn)題，也包括非結(jié)構(gòu)性問(wèn)題和半結(jié)構(gòu)性問(wèn)題。固化的活動(dòng)步驟不僅不利于學(xué)生對(duì)非結(jié)構(gòu)和半結(jié)構(gòu)問(wèn)題的理解，反而會(huì)封閉學(xué)生信息技術(shù)的創(chuàng)新意識(shí)。其二，“思想方法”簡(jiǎn)化為“程序設(shè)計(jì)”由于《課程標(biāo)準(zhǔn)》并沒(méi)有對(duì)信息技術(shù)思想方法進(jìn)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(xué)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(jì)的教科書(shū)過(guò)于強(qiáng)調(diào)變量、函數(shù)、語(yǔ)句結(jié)構(gòu)等編程語(yǔ)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(biāo)準(zhǔn)中所要求的“學(xué)生進(jìn)一步體驗(yàn)算法思想，了解算法在解決問(wèn)題過(guò)程中的地位和作用”也就很難得以實(shí)現(xiàn)。具體表現(xiàn)為：14三、信息技術(shù)課程內(nèi)在價(jià)值實(shí)施方法的“形式化”信息技術(shù)課程的內(nèi)在價(jià)值主要是通過(guò)學(xué)校的日常教學(xué)得以實(shí)現(xiàn)的，教學(xué)方法的設(shè)計(jì)與實(shí)施直接影響著課程內(nèi)在價(jià)值的落實(shí)?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》在教學(xué)實(shí)施建議中也提出“信息技術(shù)課堂教學(xué)中，要通過(guò)問(wèn)題解決的活動(dòng)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，發(fā)展學(xué)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(xué)生練”依然是教學(xué)組織的主導(dǎo)方式，“技術(shù)操練式”的教學(xué)方法依然為教師所倚重

即使是在探究性活動(dòng)過(guò)程中，教師更多的也是分步驟地將探究問(wèn)題、解決過(guò)程、方法策略，乃至作品案例呈現(xiàn)給學(xué)生。當(dāng)學(xué)生作品呈現(xiàn)出“千篇一律”的格式時(shí)，發(fā)展學(xué)生的思維能力、想象力、自我反思與監(jiān)控能力也就無(wú)從說(shuō)起。三、信息技術(shù)課程內(nèi)在價(jià)值實(shí)施方法的“形式化”信息15其二：技術(shù)思想方法的活動(dòng)還流于形式。盡管一些教師也希望在課堂教學(xué)中開(kāi)展基于真實(shí)情境的問(wèn)題探究活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)信息技術(shù)的內(nèi)在方法特征，發(fā)展學(xué)生信息技術(shù)的思想方法，借以落實(shí)信息技術(shù)課程的內(nèi)在價(jià)值。但是，由于受課時(shí)結(jié)構(gòu)、學(xué)校教學(xué)資源的限制，大部分探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)也還停留于膚淺化的表面。教學(xué)過(guò)程過(guò)于注重學(xué)習(xí)活動(dòng)的組織形式，忽視學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)效，過(guò)于強(qiáng)調(diào)活動(dòng)過(guò)程的外在表象，弱化學(xué)生信息技術(shù)實(shí)質(zhì)方法的思考，這也就導(dǎo)致了“為探究而探究，為活動(dòng)而活動(dòng)”的學(xué)習(xí)假象。其二：技術(shù)思想方法的活動(dòng)還流于形式。16信息技術(shù)課程所表現(xiàn)出的內(nèi)在價(jià)值的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題既受當(dāng)時(shí)社會(huì)需求的影響(21世紀(jì)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(duì)信息技術(shù)屬性特征認(rèn)識(shí)的不足。

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)應(yīng)用普及和課程研究的深入，越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)信息技術(shù)課程內(nèi)在價(jià)值的具體性和教學(xué)的可操作性進(jìn)行了深入的探討。信息技術(shù)課程所表現(xiàn)出的內(nèi)在價(jià)值的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題既受當(dāng)時(shí)社會(huì)17如何體現(xiàn)信息技術(shù)課程的價(jià)值呢？西蒙·派珀特如何體現(xiàn)信息技術(shù)課程的價(jià)值呢？西蒙·派珀特18西蒙的最著名的成就之一是于1968年發(fā)明的LOGO編程語(yǔ)言（LOGOprogramminglanguage）。1970年與其同事合著了人工智能著作《認(rèn)知器演算法》(Perceptrons)。自20世紀(jì)70年代開(kāi)始，他一直致力于通過(guò)LOGO語(yǔ)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(fēng)暴：兒童、計(jì)算機(jī)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(lái)，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(jī)會(huì)讓學(xué)習(xí)者去構(gòu)建自己的知識(shí)體系。西蒙·派珀特把計(jì)算機(jī)作為幫助學(xué)習(xí)者形成算法、解決問(wèn)題并在此過(guò)程中學(xué)習(xí)和鍛煉智力的強(qiáng)有力的工具。當(dāng)我們還在討論要不要將電腦進(jìn)入課堂，要不要上網(wǎng)的時(shí)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：?jiǎn)栴}不是要不要，而是要如何實(shí)現(xiàn)“人手一本”，也即“一個(gè)孩子一臺(tái)筆記本電腦”。西蒙的最著名的成就之一是于1968年發(fā)明的LOGO編程語(yǔ)言（19高中信息技術(shù)課程中的計(jì)算思維課件201981年，前蘇聯(lián)計(jì)算機(jī)教育學(xué)家葉爾肖夫就曾預(yù)言“人類必將會(huì)生活在一種程序設(shè)計(jì)的世界里。在這個(gè)世界里，人類文化與程序設(shè)計(jì)不僅并行存在，而且會(huì)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1981年，前蘇聯(lián)計(jì)算機(jī)教育學(xué)家葉爾肖夫就曾預(yù)言王吉慶——《21數(shù)字程序計(jì)算數(shù)字程序計(jì)算22人們生活與學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)抽象和自動(dòng)化處理計(jì)算科學(xué)人們生活與學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)抽象和自動(dòng)化處理計(jì)算科學(xué)23計(jì)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(xué)教授、ACMFellow，IEEEFellow，兼任美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)主管計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)與工程學(xué)部的副主任計(jì)算思維的提出2425/45計(jì)算思維(ComputationalThinking，CT)

周以真認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。25/45計(jì)算思維(ComputationalThinki26/45針對(duì)上述定義解釋如下：

①求解問(wèn)題中的計(jì)算思維利用計(jì)算手段求解問(wèn)題的過(guò)程是：首先要把實(shí)際的應(yīng)用問(wèn)題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)問(wèn)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(jì)算法和編程實(shí)現(xiàn)，最后在實(shí)際的計(jì)算機(jī)中運(yùn)行并求解。前兩步是計(jì)算思維中的抽象，后兩步是計(jì)算思維中的自動(dòng)化。26/45針對(duì)上述定義解釋如下：27/45②設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的計(jì)算思維

R.Karp認(rèn)為：任何自然系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)都可視為一個(gè)動(dòng)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(hào)變換，使之能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離散的符號(hào)處理。

當(dāng)動(dòng)態(tài)演化系統(tǒng)抽象為離散符號(hào)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(jì)算法和開(kāi)發(fā)軟件來(lái)揭示演化的規(guī)律，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的演化并自動(dòng)執(zhí)行。

27/45②設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的計(jì)算思維28/45③理解人類行為中的計(jì)算思維

王飛躍認(rèn)為(中科院)：計(jì)算思維是基于可計(jì)算的手段，以定量化的方式進(jìn)行的思維過(guò)程。計(jì)算思維就是應(yīng)對(duì)信息時(shí)代新的社會(huì)動(dòng)力學(xué)和人類動(dòng)力學(xué)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(gè)世界中，計(jì)算思維是建設(shè)人工世界需要的主要思維方式。利用計(jì)算手段來(lái)研究人類的行為，可視為社會(huì)計(jì)算，即通過(guò)各種信息技術(shù)手段，設(shè)計(jì)、實(shí)施和評(píng)估人與環(huán)境之間的交互。波爾普的三個(gè)世界觀點(diǎn)28/45③理解人類行為中的計(jì)算思維波爾普的三個(gè)世界觀點(diǎn)29/45計(jì)算思維的本質(zhì)抽象(Abstract)、自動(dòng)化(Automation)。它反映了計(jì)算的根本問(wèn)題，即什么能被有效的自動(dòng)進(jìn)行。

計(jì)算是抽象的自動(dòng)執(zhí)行，自動(dòng)化需要某種計(jì)算機(jī)去解釋抽象。從操作層面上講，計(jì)算就是如何尋找一臺(tái)計(jì)算機(jī)去求解問(wèn)題，隱含地說(shuō)就是要確定合適的抽象，選擇合適的計(jì)算機(jī)去解釋執(zhí)行該抽象，后者就是自動(dòng)化。

29/45計(jì)算思維的本質(zhì)計(jì)算是抽象的自動(dòng)執(zhí)行，自動(dòng)化30/45計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)的關(guān)系計(jì)算思維雖然具有計(jì)算機(jī)的許多特征，但是計(jì)算思維本身并不是計(jì)算機(jī)的專屬。實(shí)際上，即使沒(méi)有計(jì)算機(jī)，計(jì)算思維也會(huì)逐步發(fā)展，甚至有些內(nèi)容與計(jì)算機(jī)沒(méi)有關(guān)系。但是，正是由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給計(jì)算思維的發(fā)展帶來(lái)了根本性的變化。

30/45計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)的關(guān)系計(jì)算思維雖然具有計(jì)算把計(jì)算機(jī)科學(xué)提升到科學(xué)思維層面進(jìn)行研究被認(rèn)為是近十年來(lái)產(chǎn)生的最具有基礎(chǔ)性、長(zhǎng)期性的學(xué)術(shù)思想，將成為21世紀(jì)計(jì)算機(jī)科學(xué)研究的熱點(diǎn)把計(jì)算機(jī)科學(xué)提升到科學(xué)思維層面進(jìn)行研究被認(rèn)為是近十年來(lái)產(chǎn)生的31為什么計(jì)算思維的提出得到如此高的評(píng)價(jià)呢？為什么計(jì)算思維的提出得到如此高的評(píng)價(jià)呢？32計(jì)算思維在美國(guó)產(chǎn)生的背景(1)2005年6月美國(guó)的PITAC報(bào)告 2005年6月，美國(guó)總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)（PITAC）給美國(guó)總統(tǒng)提交了報(bào)告《計(jì)算科學(xué)：確保美國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力》（ComputationalScience:EnsuringAmerica’sCompetitiveness）。(1)報(bào)告寫(xiě)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(guò)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)而得到解決。(2)報(bào)告認(rèn)為：如今美國(guó)又一次面臨了挑戰(zhàn)，這一次的挑戰(zhàn)比以往來(lái)得更加廣泛、復(fù)雜，也更具長(zhǎng)期性。美國(guó)還沒(méi)有認(rèn)識(shí)到計(jì)算科學(xué)在社會(huì)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工程研究、國(guó)家安全，以及工業(yè)改革中的中心位置。這種認(rèn)識(shí)不足將危及美國(guó)的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力以及國(guó)家的安全。(3)報(bào)告建議：將計(jì)算科學(xué)長(zhǎng)期置于國(guó)家科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中心的領(lǐng)導(dǎo)地位。33計(jì)算思維在美國(guó)產(chǎn)生的背景(1)2005年6月美國(guó)的PITAC計(jì)算思維在美國(guó)產(chǎn)生的背景(2)2005年底至2006年初美國(guó)四大區(qū)的報(bào)告及建議(1)針對(duì)“計(jì)算學(xué)科與日俱增的重要性與學(xué)生對(duì)計(jì)算學(xué)科興趣的下降”，美國(guó)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(gè)大區(qū)（東北、中西、東南、西北）進(jìn)行研討，形成四份重要報(bào)告：ReportofNSFWorkshoponIntegrativeComputingEducationandResearch(ICER)NortheastWorkshopReportofNSFMidwestRegionWorkshoponICER:PreparingITGraduatesfor2010andBeyondReportfromtheSoutheastRegionWorkshoponICER:PreparingITGraduatesfor2010andBeyondICERFinalReportoftheNorthwestRegionalMeeting(2)內(nèi)容及建議：以上四個(gè)文件分析了美國(guó)計(jì)算教育出現(xiàn)的問(wèn)題，報(bào)告建議在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金的資助下全面改革美國(guó)的計(jì)算教育。以下兩個(gè)問(wèn)題和一個(gè)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(wèn)題；多學(xué)科的融合問(wèn)題；報(bào)告建議加強(qiáng)美國(guó)中小學(xué)學(xué)生抽象思維與寫(xiě)作能力的訓(xùn)練，目的，使學(xué)生平穩(wěn)過(guò)渡到大學(xué)的學(xué)習(xí)。34計(jì)算思維在美國(guó)產(chǎn)生的背景(2)2005年底至2006年初美國(guó)計(jì)算思維在美國(guó)產(chǎn)生的背景(3)2007年美國(guó)NSF的CPATH計(jì)劃CPATH（PathwaystoRevitalizedUndergraduateComputingEducation，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(lái)能夠參與全球競(jìng)爭(zhēng)、掌握計(jì)算核心概念的美國(guó)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(duì)此做出了卓越的、開(kāi)創(chuàng)性的工作，但目前美國(guó)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，NSF2007年啟動(dòng)了CPATH計(jì)劃，當(dāng)年投入600萬(wàn)美元，2008年投入500萬(wàn)美元，2009年投入1000萬(wàn)美元，力圖改變這種情況。經(jīng)過(guò)2007年和2008年的資助和項(xiàng)目實(shí)踐，CPATH認(rèn)識(shí)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(duì)2009年申報(bào)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(guó)NSF的CDI計(jì)劃CDI（Cyber-EnabledDiscoveryandInnovation，計(jì)算使能的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新）是美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的一個(gè)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(guò)“計(jì)算思維”領(lǐng)域的創(chuàng)新和進(jìn)步來(lái)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(dòng)，當(dāng)年批準(zhǔn)了共計(jì)4200萬(wàn)美元的72個(gè)項(xiàng)目的立項(xiàng)申請(qǐng)，2009年投入2600萬(wàn)美元，2010年投入3600萬(wàn)美元。35計(jì)算思維在美國(guó)產(chǎn)生的背景(3)2007年美國(guó)NSF的CPAT目前國(guó)內(nèi)外“計(jì)算思維”在信息技術(shù)課程中的培養(yǎng)問(wèn)題處于什么狀態(tài)？

計(jì)算思維的研究及其進(jìn)展；

計(jì)算思維的思維屬性和計(jì)算特征對(duì)計(jì)算學(xué)科知識(shí)建構(gòu)的影響研究；

目前國(guó)內(nèi)外“計(jì)算思維”在信息技術(shù)課程中的培養(yǎng)問(wèn)題處于什么狀態(tài)36計(jì)算思維在我國(guó)(1)中國(guó)2050年信息科技發(fā)展路線圖由李國(guó)杰院士任組長(zhǎng)的中國(guó)科學(xué)院信息領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組撰寫(xiě)的《中國(guó)至2050年信息科技發(fā)展路線圖》中對(duì)“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(zhǎng)期以來(lái)，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(duì)信息科技的全民普及極其有害。37計(jì)算思維在我國(guó)(1)中國(guó)2050年信息科技發(fā)展路線圖37計(jì)算思維在我國(guó)(2)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(zhǎng)期性的思想是“計(jì)算思維”(ComputationalThinking)。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)信息科學(xué)部二處處長(zhǎng)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(guó)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(shí)字、做算術(shù)一樣；在2050年以前，讓地球上每一個(gè)公民都應(yīng)具備“計(jì)算思維”的能力。中科院自動(dòng)化所王飛躍教授率先將“計(jì)算思維”引入國(guó)內(nèi)，翻譯了周以真教授的“計(jì)算思維”，撰寫(xiě)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(gè)新的名詞。在中國(guó)，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(méi)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(guó)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素質(zhì)。38計(jì)算思維在我國(guó)(2)計(jì)算機(jī)科學(xué)的變革： 38計(jì)算思維在我國(guó)(3)中國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的近期工作：2010.5：在合肥會(huì)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(huì)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(huì)議上決定了將合肥會(huì)議和西安會(huì)議中有關(guān)計(jì)算思維的討論形成書(shū)面材料，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(qǐng)立項(xiàng)研究。2010.11：在濟(jì)南會(huì)議上，將在全國(guó)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(huì)議的初步材料加以討論和修改后正式上報(bào)教育部袁貴仁部長(zhǎng)，并“以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心推進(jìn)大學(xué)通識(shí)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(huì)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。39計(jì)算思維在我國(guó)(3)中國(guó)高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的計(jì)算思維的思維屬性和計(jì)算特征對(duì)計(jì)算學(xué)科知識(shí)建構(gòu)的影響研究計(jì)算思維的思維屬性和計(jì)算特征40計(jì)算思維課程在中國(guó)高校中正式開(kāi)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(kāi)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”。自此，我們國(guó)家對(duì)計(jì)算思維的研究算是進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代——眾多教育學(xué)者開(kāi)始探討并深入研究計(jì)算機(jī)科學(xué)中的計(jì)算思維。計(jì)算思維課程在中國(guó)高校中正式開(kāi)始實(shí)踐：上海交大（2010年秋41計(jì)算思維在國(guó)外（美）2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基?梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系主任周以真（JeannetteM.Wing）教授在美國(guó)計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志ACM《CommunicationoftheACM》上發(fā)表并定義了計(jì)算思維（ComputationalThinking）；JeannetteWing教授于2007年成立了卡內(nèi)基梅隆計(jì)算思維中心，并在國(guó)家科學(xué)基金內(nèi)部設(shè)立了資助項(xiàng)目以推進(jìn)計(jì)算思維的進(jìn)步

2010年，她從新定義計(jì)算思維是與形式化問(wèn)題及其解決方案相關(guān)的一個(gè)思維過(guò)程，其解決問(wèn)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(qǐng)JeannetteWing博士擔(dān)任微軟國(guó)際研究部門副總裁，并于2013年1月就任，這標(biāo)志她將從學(xué)術(shù)界轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)界，這也標(biāo)志，計(jì)算思維這一引起熱議的“概念”將不在局限于學(xué)術(shù)研討。

計(jì)算思維在國(guó)外（美）2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基?42計(jì)算思維在國(guó)外（美）2007年，美國(guó)“21世紀(jì)技能合作組織”(Partnershipfor21stCenturySkills，P21)整合21世紀(jì)學(xué)習(xí)者應(yīng)具備的基本技能，制定了“21世紀(jì)技能框架”(Frameworkfor21stCenturyLearning)，闡明培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)在現(xiàn)代社會(huì)的重要性。2008年，美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)（ACM）在網(wǎng)上公布對(duì)CC2001（CS2001）進(jìn)行的中期審查報(bào)告（CS2001InterimReview）（草案）中，就明確將“計(jì)算思維”與“計(jì)算機(jī)導(dǎo)論”課程綁定在一起，并明確要求該課程講授計(jì)算思維的本質(zhì)。2011年，美國(guó)國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)(InternationalSocietyforTechnologyinEducation，ISTE)聯(lián)合計(jì)算機(jī)科學(xué)教師協(xié)會(huì)(ComputerScienceTeachersAssociation，CSTA)基于計(jì)算思維的表現(xiàn)性特征，給出了一個(gè)操作性定義：“計(jì)算思維是一種解決問(wèn)題的過(guò)程，該過(guò)程包括明確問(wèn)題、分析數(shù)據(jù)、抽象、設(shè)計(jì)算法、評(píng)估最優(yōu)方案、遷移解決方法六個(gè)要素”。

計(jì)算思維在國(guó)外（美）2007年，美國(guó)“21世紀(jì)技43計(jì)算思維在國(guó)外（美）2011年，CSTA發(fā)布《美國(guó)中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》(K-12ComputerScienceStandards)，提出一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)教育框架，該框架將計(jì)算思維、計(jì)算實(shí)踐和編程納入學(xué)科基本主線，幫助學(xué)生拓寬計(jì)算視野，理解計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本原理和方法。此標(biāo)準(zhǔn)為中小學(xué)計(jì)算思維教育的開(kāi)展提供了結(jié)構(gòu)框架和內(nèi)容指導(dǎo)。

計(jì)算思維在國(guó)外（美）2011年，CSTA發(fā)布《美44“計(jì)算思維是解決問(wèn)題的一種過(guò)程，它包括如：如下特征(但不限于這些特征)：(1)確認(rèn)所需解決的問(wèn)題，并通過(guò)計(jì)算機(jī)和其它工具來(lái)解決問(wèn)題；(2)符合邏輯地組織和分析數(shù)據(jù)；(3)通過(guò)抽象(例如模型、防真)的方法來(lái)表示數(shù)據(jù)；(4)通過(guò)算法(一系列有序的步驟)支持自動(dòng)化的解決方案；(5)識(shí)別、分析和實(shí)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(wèn)題的求解過(guò)程進(jìn)行推廣，遷移到更廣泛的問(wèn)題解決與應(yīng)用中”?！坝?jì)算思維是解決問(wèn)題的一種過(guò)程，它包括如：45美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）、美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)(NationalResearchCouncil，NRC)、CSTA計(jì)算思維工作小組(CSTAComputationalThinkingTaskForce)等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)對(duì)計(jì)算思維展開(kāi)探索研究，為計(jì)算思維教育及推廣提供資源和工具支持。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）、國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（ISTE）、462012年，南加州大學(xué)PaulS.Rosenbloom教授做了一場(chǎng)特別的計(jì)算研討會(huì)——“計(jì)算，第四大科學(xué)領(lǐng)域”，引起了較大的反響。2012年，南加州大學(xué)PaulS.Rosenbloom47

英國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(BCS,BritishComputerSociety)也組織了歐洲的專家學(xué)者對(duì)計(jì)算思維進(jìn)行研討，提出了歐洲的行動(dòng)綱領(lǐng)。英國(guó)的UniversityofSussex也基于計(jì)算思維方法探討了一系列關(guān)于計(jì)算機(jī)科學(xué)的問(wèn)題，匹茲堡——2011年度計(jì)算機(jī)研究協(xié)會(huì)（CRA）杰出服務(wù)獎(jiǎng)將頒發(fā)給卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的JeannetteWing教授，以表彰其幫助定義了計(jì)算機(jī)科學(xué)的現(xiàn)狀和可能的發(fā)展。

計(jì)算思維在國(guó)外（英）計(jì)算思維不僅影響著美國(guó)，也影響著英國(guó)，在英國(guó)的愛(ài)丁堡大學(xué)，人們?cè)谝贿B串的研討會(huì)上探索與計(jì)算思維有關(guān)的主題。研討會(huì)上所涉及的學(xué)科已延伸到哲學(xué)、物理、生物、醫(yī)學(xué)、建筑、教育等各個(gè)不同的領(lǐng)域。英國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)(BCS,BritishComp48

2012年1月11日，英國(guó)教育部長(zhǎng)MichaelGove在教育培訓(xùn)與技術(shù)展會(huì)(BritishEducationalTrainingandTechnologyShow，BETT)上宣布將對(duì)英國(guó)中小學(xué)計(jì)算機(jī)教育展開(kāi)全面改革。2012年3月，英國(guó)學(xué)校計(jì)算課程工作小組(ComputingatSchoolWorkingGroup，CAS)提出將計(jì)算思維作為“學(xué)校計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)課程”的一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容，并在研究報(bào)告中闡述：計(jì)算思維是識(shí)別計(jì)算，應(yīng)用計(jì)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(guò)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(jì)算思維在國(guó)外（英）2012年1月11日，英國(guó)教育部長(zhǎng)Michael49

2013年，南安普頓大學(xué)JohnWoollard研究員在“計(jì)算機(jī)科學(xué)教育創(chuàng)新與技術(shù)”(ITiCSE)會(huì)議報(bào)告中提出計(jì)算思維“是一項(xiàng)活動(dòng)，通常以產(chǎn)品為導(dǎo)向，與問(wèn)題解決相關(guān)(但不限于問(wèn)題解決)。它是一個(gè)認(rèn)知或思維過(guò)程，能夠反映人們的抽象能力、分解能力、算法能力、評(píng)估能力和概括能力，其基本特征包括思維過(guò)程，抽象和分解”。2013年9月11日英國(guó)教育部正式頒布《國(guó)家課程：計(jì)算課程學(xué)習(xí)計(jì)劃》(NationalCurriculuminEngland:ComputingProgrammesofStudy)。該計(jì)劃重新定義ICT，明確界定了計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息技術(shù)與數(shù)字素養(yǎng)的領(lǐng)域范圍，強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要性，并闡述計(jì)算課程的課程目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生理解和應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本原理和概念；使用計(jì)算術(shù)語(yǔ)分析問(wèn)題，具備編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序求解問(wèn)題的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；評(píng)價(jià)和使用信息技術(shù)；成為有責(zé)任、有能力、有自信、有創(chuàng)造力的ICT使用者。

計(jì)算思維在國(guó)外（英）2013年，南安普頓大學(xué)JohnWooll502014年6月，CAS深入分析計(jì)算思維的定義、核心概念、教學(xué)方法和評(píng)估框架，研制出計(jì)算思維培養(yǎng)框架，為中小學(xué)計(jì)算思維教育的開(kāi)展提供指導(dǎo)作用?！坝?jì)算思維是人們?cè)谌嗽?Artificial)信息系統(tǒng)和自然(Natural)信息系統(tǒng)的交互思考過(guò)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(jì)算思維不僅有利于人們?cè)谛畔⒒鐣?huì)中的良好交流，也有利于人們批判性思維的發(fā)展，負(fù)責(zé)任地使用信息技術(shù)”2014年6月，CAS深入分析計(jì)算思維的定義、核心概念、教學(xué)512009年，新西蘭教育部公布“技術(shù)背景知識(shí)和技能”(TechnologicalContextKnowledgeandSkills)計(jì)劃，提出包括“編程與計(jì)算機(jī)科學(xué)”在內(nèi)的五項(xiàng)數(shù)字技術(shù)核心培養(yǎng)內(nèi)容，該計(jì)劃于2011年開(kāi)始在中學(xué)課程中實(shí)施。

2012年，澳大利亞課程、評(píng)估與報(bào)告管理局(AustralianCurriculum,AssessmentandReportingAuthority,ACARA)發(fā)布“中小學(xué)技術(shù)學(xué)科課程框架”(TheShapeoftheAustralianCurriculum:Technologies)，將數(shù)字素養(yǎng)納入學(xué)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(jì)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(dòng)Code@SG運(yùn)動(dòng)，旨在發(fā)展全民計(jì)算思維。/v/4c3aa1計(jì)算思維在國(guó)外（其他）2009年，新西蘭教育部公布“技術(shù)背景知識(shí)和技能52我國(guó)信息技術(shù)課程如何提體現(xiàn)計(jì)算思維我國(guó)信息技術(shù)課程如何提體現(xiàn)計(jì)算思維53現(xiàn)狀分析——中小學(xué)計(jì)算思維教育開(kāi)展的軟硬件情況中小學(xué)信息技術(shù)教育實(shí)施論證報(bào)告[R].北京：基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì)信息技術(shù)學(xué)科組,2013.2000年以來(lái)，我國(guó)已經(jīng)初步形成了以信息技術(shù)課程為主干的中小學(xué)信息技術(shù)教育體系。目前，100%的高中、95%的初中和50%的小學(xué)開(kāi)設(shè)了信息技術(shù)課程。通過(guò)“校校通”工程、“農(nóng)村中小學(xué)現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育工程”等工程項(xiàng)目的實(shí)施，中小學(xué)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(xué)信息技術(shù)課師資總量持續(xù)增長(zhǎng)，生師比逐年下降，城鄉(xiāng)差異逐漸縮小。截至2010年底，全國(guó)共有小學(xué)信息技術(shù)專任教師10.8萬(wàn)人，初中信息技術(shù)專任教師8.8萬(wàn)人，高中信息技術(shù)專任教師3.8萬(wàn)人。2012年教育部高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)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(xué)歷，計(jì)算機(jī)、教育技術(shù)和數(shù)學(xué)相關(guān)專業(yè)教育背景的比例已達(dá)到90.9%?，F(xiàn)狀分析——中小學(xué)計(jì)算思維教育開(kāi)展的軟硬件情況中小學(xué)信息技術(shù)54學(xué)生方面，大多數(shù)高中生在小學(xué)和初中就學(xué)習(xí)過(guò)信息技術(shù)課程，其中高達(dá)44.3%的學(xué)生認(rèn)為《信息技術(shù)基礎(chǔ)》與初中所學(xué)內(nèi)容的重復(fù)比例在20%-50%之間。非零起點(diǎn)的高中生占據(jù)了較大比例，但是他們對(duì)信息技術(shù)課程的認(rèn)識(shí)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(biāo)準(zhǔn)》實(shí)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(xué)計(jì)算思維教育開(kāi)展的軟硬件情況學(xué)生方面，大多數(shù)高中生在小學(xué)和初中就學(xué)習(xí)過(guò)信息技術(shù)課程，其中55計(jì)算思維是一種運(yùn)用計(jì)算概念和工具解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程計(jì)算思維是一種運(yùn)用計(jì)算概念和工具解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程56它是一種需要系統(tǒng)培養(yǎng)、鍛煉的科學(xué)思維方式，分析其特征和我國(guó)信息技術(shù)教育現(xiàn)狀，可以將計(jì)算思維從方法習(xí)得、工具應(yīng)用、思維遷移三個(gè)層面與中小學(xué)信息技術(shù)課程融合并落實(shí)它是一種需要系統(tǒng)培養(yǎng)、鍛煉的科學(xué)思維方式，分析其特征和我國(guó)信57其一，方法習(xí)得。

信息時(shí)代，計(jì)算方法滲透到了社會(huì)生產(chǎn)和生活的方方面面，為了幫助學(xué)生更好地理解和適應(yīng)數(shù)字社會(huì)環(huán)境，信息技術(shù)課程的開(kāi)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(xué)生理解計(jì)算思維涵蓋的一系列計(jì)算概念和方法，如遞歸、抽象、形式化等；引導(dǎo)學(xué)生識(shí)別隱藏在生活中的“計(jì)算”問(wèn)題；培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用算法思想高效解決問(wèn)題的能力；鍛煉學(xué)生使用流程圖等工具清晰地表達(dá)個(gè)人思想等。其一，方法習(xí)得。58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(wèn)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(jì)算思維是一種獨(dú)特的能力組合，它的強(qiáng)大正是在于運(yùn)用了多種推理方式，盡而可以完成很多事情的研究和開(kāi)發(fā)。如分析問(wèn)題的過(guò)程運(yùn)用到了設(shè)計(jì)思維，從發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題到原型迭代，幫助我們更加明確問(wèn)題需求；解決問(wèn)題的過(guò)程則主要運(yùn)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(dāng)注重培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多種思維工具解決問(wèn)題的能力，例如，讓學(xué)生參與簡(jiǎn)單的產(chǎn)品研發(fā)實(shí)踐，體驗(yàn)程序設(shè)計(jì)的實(shí)施過(guò)程，直觀地感受計(jì)算思維。其二，工具應(yīng)用。59其三，思維遷移。

在信息技術(shù)課程中，不僅需要普及計(jì)算機(jī)科學(xué)概念，更需要引導(dǎo)學(xué)生將計(jì)算思維合理地應(yīng)用至日常生活與學(xué)習(xí)之中，形成一種思維習(xí)慣。計(jì)算思維反映了計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域解決問(wèn)題的思維過(guò)程，遷移到應(yīng)用信息技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題的情境中，主要表現(xiàn)為問(wèn)題分析、工具選擇、自動(dòng)化解決方案、選擇最優(yōu)方案和通用解決方案可以通過(guò)運(yùn)用這五大要素舉例分析日常生活中真實(shí)的問(wèn)題情境，讓學(xué)生體驗(yàn)使用計(jì)算思維求解問(wèn)題的一般過(guò)程和方法，最終達(dá)到能夠在實(shí)際問(wèn)題中靈活地遷移和應(yīng)用計(jì)算思維的目標(biāo)。其三，思維遷移。60計(jì)算思維在信息技術(shù)教學(xué)中的有效落實(shí)，就需要明確計(jì)算思維的表現(xiàn)性特征，合理組織教學(xué)內(nèi)容，研究可行的教學(xué)方法。計(jì)算思維在信息技術(shù)教學(xué)中的有效落實(shí)，就需要明確計(jì)算思維的表現(xiàn)611.建立計(jì)算思維的表現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算思維教學(xué)中，為了能明確學(xué)習(xí)結(jié)果，知道學(xué)習(xí)結(jié)束后應(yīng)知和能做的內(nèi)容，就有必要建立與之相對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)。Eg1：美國(guó)計(jì)算機(jī)教師協(xié)會(huì)(CSTA)制定的“學(xué)校計(jì)算機(jī)課程標(biāo)準(zhǔn)”就建議6年級(jí)學(xué)生要能夠“將計(jì)算Computing)理解為他們生活學(xué)習(xí)中的一部分”。與其對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)為：理解利用算法解決問(wèn)題的基本步驟(例如，問(wèn)題陳述和探究、樣本檢測(cè)、設(shè)計(jì)、實(shí)施和測(cè)試)；通過(guò)“非計(jì)算機(jī)練習(xí)”(Computer-Free?Exercise，不使用計(jì)算機(jī))的方式來(lái)理解算法的基本概念；描述怎樣用模擬方式去解決一個(gè)問(wèn)題；當(dāng)討論一個(gè)大問(wèn)題時(shí)，能夠?qū)⑵浼?xì)化為一系列小問(wèn)題等等Eg2：標(biāo)準(zhǔn)建議9年級(jí)學(xué)生要能夠?qū)ⅰ坝?jì)算思維落實(shí)于具體的工具應(yīng)用中，在創(chuàng)造數(shù)字作品過(guò)程中，學(xué)會(huì)使用程序概念和方法”。1.建立計(jì)算思維的表現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算思維教學(xué)中，為了622.設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)一致性的教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容與課程標(biāo)準(zhǔn)一致性是教學(xué)內(nèi)容組織的一項(xiàng)基本原則，主要反映在“認(rèn)識(shí)程度的一致性和知識(shí)要點(diǎn)的一致性”兩個(gè)層面。從學(xué)生認(rèn)知能力發(fā)展來(lái)看，不同年齡的學(xué)生對(duì)知識(shí)組織方式的接受程度存在著差異。eg：低年級(jí)學(xué)生比較容易接受圖形、實(shí)物等組成的形象性學(xué)習(xí)內(nèi)容，高年級(jí)學(xué)生則對(duì)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、基本算法等抽象性學(xué)習(xí)內(nèi)容具有較強(qiáng)的理解能力。因此，計(jì)算思維教學(xué)內(nèi)容的組織上應(yīng)與學(xué)生的認(rèn)識(shí)水平相符合。2.設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)一致性的教學(xué)內(nèi)容教學(xué)內(nèi)容與課程標(biāo)準(zhǔn)一致性是教學(xué)63教育心理學(xué)專家西蒙·派珀特(Seymour?Papert)從學(xué)習(xí)心理認(rèn)知過(guò)程探討學(xué)生的思維發(fā)展，提出了“計(jì)算機(jī)可以將學(xué)生形式思維具體化”的觀點(diǎn)，并針對(duì)小學(xué)階段學(xué)生形象思維的心理特征設(shè)計(jì)出“發(fā)現(xiàn)謎宮之路(烏龜圖形、機(jī)器人技術(shù))按字母順序安排一系列的詞”等LOGO語(yǔ)言的學(xué)習(xí)內(nèi)容，引導(dǎo)小學(xué)生在圖形制作過(guò)程中感受“問(wèn)題確定、模型分析、命令實(shí)施、修改完善”的計(jì)算方法。從知識(shí)的難易度來(lái)看，教學(xué)內(nèi)容中的知識(shí)要點(diǎn)應(yīng)與課程標(biāo)準(zhǔn)相符合，反映出課程標(biāo)準(zhǔn)的基本要求。教育心理學(xué)專家西蒙·派珀特(Seymour?Papert)從643.組織實(shí)踐探究性的教學(xué)活動(dòng)在信息技術(shù)課程中，培育學(xué)生計(jì)算思維的最終目的是期望學(xué)生將這種思維方式合理地遷移至日常生活與學(xué)習(xí)之中，全面提升學(xué)生的信息素養(yǎng)。3.組織實(shí)踐探究性的教學(xué)活動(dòng)65美國(guó)《中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》分段設(shè)計(jì)了計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)施方案，建議在K-6年級(jí)，將學(xué)習(xí)內(nèi)容設(shè)計(jì)成創(chuàng)造性和探究性活動(dòng)，嵌入到社會(huì)科學(xué)、語(yǔ)言藝術(shù)、數(shù)學(xué)和科學(xué)課程中，7-9年級(jí)學(xué)校根據(jù)情況開(kāi)設(shè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)課程，也可以整合學(xué)科內(nèi)容到其他課程中，10-12年級(jí)以必修課的方式達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。美國(guó)《中小學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》分段設(shè)計(jì)了計(jì)算思維的教學(xué)實(shí)施方662014年9月，英國(guó)教育部使用新的教學(xué)大綱，將課程劃分為四個(gè)階段：K-2年級(jí)，理解算法概念，能夠創(chuàng)建和調(diào)試簡(jiǎn)單的程序等，3-6年級(jí)，編程解決實(shí)際問(wèn)題，了解計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，有效使用搜索技術(shù)等，7-9年級(jí)，理解幾個(gè)反映計(jì)算思維的關(guān)鍵算法，掌握1-2門程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言解決計(jì)算問(wèn)題，熟悉計(jì)算機(jī)組成等，10-11年級(jí)，培養(yǎng)計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)字媒體和信息技術(shù)的知識(shí)、能力和創(chuàng)造力，發(fā)展問(wèn)題分析、解決、設(shè)計(jì)和計(jì)算能力等。2014年9月，英國(guó)教育部使用新的教學(xué)大綱，將課程劃分為四67基于計(jì)算思維的探究教學(xué)模式研究基于計(jì)算思維的探究教學(xué)模式研究68高中信息技術(shù)課程中的計(jì)算思維課件69高中信息技術(shù)課程中的計(jì)算思維課件70模塊二思維與科學(xué)思維模塊二7172/45一、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(xué)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(rèn)識(shí)的反映形式)

1.思維的定義

思維是人腦對(duì)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。72/45一、思維的概念1.2思維與科學(xué)思維2.思73/45

3.思維的特征

特征解釋或說(shuō)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(lái)，加以概括。如人們感知(日出東方、日落西山)，通過(guò)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(lái)反映客觀事物。如根據(jù)醫(yī)學(xué)知識(shí)和臨床經(jīng)驗(yàn)，醫(yī)生詢問(wèn)病史和輔助檢查，判斷病情，作出治療。能動(dòng)性不僅能認(rèn)識(shí)和反映世界，而且還能對(duì)客觀世界進(jìn)行改造。如人們不僅能認(rèn)知宇宙速度，還能制造宇宙飛船飛向太空。1.2思維與科學(xué)思維73/453.思維的特征特征解釋或說(shuō)明概括性思74/45

4.思維的類型不同分類方式類別按照思維的進(jìn)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(dòng)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(xué)思維日常思維1.2思維與科學(xué)思維74/454.思維的類型不同分類方式類別按照思維的進(jìn)75/45二、科學(xué)思維

科學(xué)思維：指理性認(rèn)識(shí)及其過(guò)程，即經(jīng)過(guò)感性階段獲得的大量材料，通過(guò)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(jiǎn)而言之，科學(xué)思維是人腦對(duì)科學(xué)信息的加工活動(dòng)。

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

1.2思維與科學(xué)思維75/45二、科學(xué)思維簡(jiǎn)而言之，科學(xué)思維是人腦對(duì)科學(xué)信息的加76/45三、科學(xué)思維的分類1.2思維與科學(xué)思維類別解釋或說(shuō)明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，定理和證明是其精髓，公理化方法是最重要的理論思維方法實(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，使用它們來(lái)獲取數(shù)據(jù)以便進(jìn)行分析。計(jì)算思維計(jì)算思維是思維過(guò)程或功能的計(jì)算模擬方法論，其研究目的是提供適當(dāng)?shù)姆椒?，使人們能借助?jì)算機(jī)逐步達(dá)到人工智能的較高目標(biāo)。76/45三、科學(xué)思維的分類1.2思維與科學(xué)思維類別解釋或77/45

三種科學(xué)對(duì)應(yīng)著三種思維：

理論科學(xué)←→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(xué)學(xué)科為代表。

實(shí)驗(yàn)科學(xué)←→實(shí)驗(yàn)思維

實(shí)驗(yàn)思維又稱實(shí)證思維，它以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)科為代表。

計(jì)算科學(xué)←→計(jì)算思維

計(jì)算思維又稱構(gòu)造思維，它以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表。1.2思維與科學(xué)思維77/45三種科學(xué)對(duì)應(yīng)著三種思維：1.2思維與科學(xué)模塊四計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域模塊四7879/45一、生物學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)許多領(lǐng)域滲透到生物信息學(xué)中的應(yīng)用研究，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、算法、圖形學(xué)、軟件工程、并行計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都被用于生物計(jì)算的研究。

1.4計(jì)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(jìn)化規(guī)律，可以幫助人們從分子層次上認(rèn)識(shí)生命的本質(zhì)及其進(jìn)化規(guī)律DNA序列實(shí)際上是一種用四種字母表達(dá)的“語(yǔ)言”。79/45一、生物學(xué)1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域從各種生80/45二、腦科學(xué)腦科學(xué)是研究人腦結(jié)構(gòu)與功能的綜合性學(xué)科它以揭示人腦高級(jí)意識(shí)功能為宗旨，與心理學(xué)、人工智能、認(rèn)知科學(xué)和創(chuàng)造學(xué)等有著交叉滲透。1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域美國(guó)神經(jīng)生理學(xué)家羅杰·斯佩里進(jìn)行了裂腦實(shí)驗(yàn)，提出大腦兩半球功能分工理論。他認(rèn)為：大腦左右半球完全可以以不同的方式進(jìn)行思維活動(dòng)，左腦側(cè)重于抽象思維，如邏輯抽象、演繹推理和語(yǔ)言表達(dá)等；右腦側(cè)重于形象思維，如直覺(jué)情感、想象創(chuàng)新等。80/45二、腦科學(xué)1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域美國(guó)神經(jīng)生理學(xué)81/45三、化學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)在化學(xué)中的應(yīng)用包括：化學(xué)中的數(shù)值計(jì)算、化學(xué)模擬、化學(xué)中的模式識(shí)別、化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)及檢索、化學(xué)專家系統(tǒng)等。1.4計(jì)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(xué)反應(yīng)流動(dòng)守恒方程組開(kāi)發(fā)了單程序多數(shù)據(jù)流形式的并行程序，對(duì)己有的預(yù)混可燃?xì)怏w中高速飛行的彈丸的爆轟現(xiàn)象進(jìn)行了有效的數(shù)值模擬。81/45三、化學(xué)1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和82/45四、經(jīng)濟(jì)學(xué)計(jì)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(jì)的典型示例，但是囚徒困境博弈模型可以用來(lái)描述兩家企業(yè)的價(jià)格大戰(zhàn)等許多經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象。1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域百事可樂(lè)可口可樂(lè)高價(jià)低價(jià)低價(jià)高價(jià)106060103030505082/45四、經(jīng)濟(jì)學(xué)1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域百事可樂(lè)可口可83/45五、藝術(shù)計(jì)算機(jī)藝術(shù)是科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的一門新興的交叉學(xué)科，它包括繪畫(huà)、音樂(lè)、舞蹈、影視、廣告、書(shū)法模擬、服裝設(shè)計(jì)、圖案設(shè)計(jì)、產(chǎn)品和建筑造型設(shè)計(jì)以及電子出版物等眾多領(lǐng)域。

1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域83/45五、藝術(shù)1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域84/45六、其他領(lǐng)域1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域工程學(xué)(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(cè)試的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)風(fēng)洞測(cè)試。社會(huì)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)服務(wù)系統(tǒng),例如Netflix和聯(lián)名信用卡等。地質(zhì)學(xué)、天文學(xué)、數(shù)學(xué)、醫(yī)學(xué)、法律、娛樂(lè)、體育等84/45六、其他領(lǐng)域1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域工程學(xué)(電子模塊五計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)題模塊五8586/451.5計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)題一、排序問(wèn)題排序是把給定數(shù)據(jù)集合中的元素按照一定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)安排先后次序的過(guò)程。

選擇排序算法：對(duì)給定的一個(gè)數(shù)據(jù)表，算法從第一個(gè)元素開(kāi)始掃描整個(gè)列表，找到最小或最大的元素，并將其與第一個(gè)位置的元素交換。然后算法從第二個(gè)位置的元素開(kāi)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(gè)位置的元素交換。如此循環(huán)，直到所有的元素都被排好序?yàn)橹?。選擇排序算法是由一個(gè)雙層循環(huán)控制，算法時(shí)間復(fù)雜度是O(n2)86/451.5計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)題一、排序問(wèn)題選擇87/45部分排序算法的時(shí)間效率比較(單位：毫秒)1.5計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)題每一種排序算法對(duì)時(shí)間的效率和空間的要求不盡相同，沒(méi)有哪一種是絕對(duì)最優(yōu)的，在實(shí)用時(shí)需要根據(jù)不同情況適當(dāng)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0.0005220.0033720.0360.5184.1526187/45部分排序算法的時(shí)間效率比88/45二、漢諾塔問(wèn)題1.5計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)題印度古老傳說(shuō)：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(shí)，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(wèn)題。不論白天黑夜，總有一個(gè)僧侶在按下面的法則移動(dòng)這些金片：一次只移動(dòng)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(dāng)所有金片移到另外一根針上時(shí)，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。

88/45二、漢諾塔問(wèn)題1.5計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)題印度古老傳89/45不管這個(gè)傳說(shuō)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(dòng)呢？這里需要使用遞歸算法。假設(shè)有n片，移動(dòng)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(dāng)n=64時(shí)，f(64)=2^64-1=18446744073709551615次如果每秒鐘移動(dòng)一次，共需多長(zhǎng)時(shí)間呢？一年有31536000秒，則18446744073709551615/31536000=5849億年1.5計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)題89/45不管這個(gè)傳說(shuō)的可信度有多大，如果僅考慮把690/45三、國(guó)王的婚姻1.5計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)題國(guó)王：艾述(喜愛(ài)數(shù)學(xué))宰相：孔喚石(數(shù)學(xué)家)公主：秋碧貞楠(鄰國(guó))公主：求出48770428644836899的一個(gè)真因子國(guó)王：2,3,4,┅,30000多數(shù)據(jù)(一天)公主：驗(yàn)證一下，223092871宰相：將全國(guó)百姓按自然數(shù)的順序編號(hào)，百姓用自己的編號(hào)去除公主的數(shù)，誰(shuí)除盡來(lái)領(lǐng)賞。童話說(shuō)明：①國(guó)王本人計(jì)算(串行算法，時(shí)間復(fù)雜性)②全國(guó)百姓計(jì)算(并行算法，空間復(fù)雜性)90/45三、國(guó)王的婚姻1.5計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)題國(guó)王：艾述91/45四、旅行商問(wèn)題

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

1.5計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)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=1691/45四、旅行商問(wèn)題1.5計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)題路徑ABC92/45城市數(shù)目為4時(shí)，組合路徑數(shù)為6

城市數(shù)目為n時(shí)，組合路徑數(shù)為(n-1)!當(dāng)城市數(shù)目不多時(shí)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(jí)數(shù)規(guī)律急劇增長(zhǎng)，以至到達(dá)無(wú)法計(jì)算的地步，這就是所謂的組合爆炸問(wèn)題。1.5計(jì)算學(xué)科的典型問(wèn)題假如城市的數(shù)目增為20個(gè)，組合路徑數(shù)則為(20-1)！≈1.216×1017若計(jì)算機(jī)以每秒檢索1000萬(wàn)條路線的速度計(jì)算，也需要花上386年的時(shí)間。92/45城市數(shù)目為4時(shí)，組合路徑數(shù)為61.5計(jì)算模塊六計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育陳國(guó)良董榮勝毛睿2011年6月模塊六陳國(guó)良董榮勝毛睿93摘要：本報(bào)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(wèn)題，指出了“狹義工具論”的危害。然后從推動(dòng)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(duì)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(wèn)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)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。94摘要：94

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(wèn)題計(jì)算思維在美國(guó)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(guó)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95 目錄95一、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要性大學(xué)通識(shí)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(shí)傳授，要培養(yǎng)學(xué)生的理性思維能力學(xué)生對(duì)科學(xué)精神的追求學(xué)生的高尚人格通識(shí)教育三大特征（復(fù)旦楊玉良校長(zhǎng)）通識(shí)教育要同時(shí)傳遞科學(xué)精神和人文精神通識(shí)教育要展現(xiàn)不同文化、不同學(xué)科的思維方式通識(shí)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(shí)教育的重要組成部分國(guó)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(wèn)題的有效方法和手段，而且提供了一種獨(dú)特的處理問(wèn)題的思維方式。熟悉使用計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)，為人們終生學(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。96一、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要性大學(xué)通識(shí)教育是大學(xué)人才培養(yǎng)的重二、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問(wèn)題(1)我國(guó)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(duì)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(shí)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(guó)的情況(1)

學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)課程情況：2003年11月，美國(guó)NavalPostgraduateSchool的PeterDenning教授在CACM上發(fā)表《GreatPrinciplesofComputing》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(yǔ)言”作為第一門計(jì)算機(jī)課程）的學(xué)習(xí)過(guò)程中，有35-50%的學(xué)生中途放棄。另外，不少的學(xué)生還通過(guò)抄襲或者是作弊的方式來(lái)完成課程。97二、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問(wèn)題(1)我國(guó)的情況97二、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問(wèn)題(2)美國(guó)的情況(2)畢業(yè)生的工資情況：2005年11月，美國(guó)《ComputingResearchNews》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(bào)告：2003年，在美國(guó)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(duì)計(jì)算專業(yè)的興趣波動(dòng)很大，2001后普遍下降。具體數(shù)據(jù)如圖所示：

98二、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問(wèn)題(2)美國(guó)的情況(2)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(guò)一個(gè)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(huì)科學(xué)和思維科學(xué)。思維是高級(jí)的心理活動(dòng)形式。人腦對(duì)信息的處理包括分析、抽象、綜合、概括。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(dòng)著人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展。該說(shuō)法已被科學(xué)文獻(xiàn)廣泛引用，并在美國(guó)得到國(guó)會(huì)聽(tīng)證、聯(lián)邦和私人企業(yè)報(bào)告的承同。一般而論，三種科學(xué)對(duì)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)←→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。99四、科學(xué)與科學(xué)思維(1)科學(xué)與思維99四、科學(xué)與科學(xué)思維(2)科學(xué)思維：

國(guó)科發(fā)財(cái)〔2008〕197號(hào)文《關(guān)于創(chuàng)新方法工作的若干意見(jiàn)》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(guò)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(lái)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(wèn)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(dòng)。100四、科學(xué)與科學(xué)思維(2)科學(xué)思維：

國(guó)科發(fā)財(cái)〔2008五、計(jì)算思維(1)計(jì)算思維的定義：計(jì)算思維（ComputationalThinking，CT）是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)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(dòng)化。它是如同所有人都具備“讀、寫(xiě)、算”（簡(jiǎn)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(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)困難的問(wèn)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(lái)控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨型復(fù)雜系統(tǒng)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(gè)問(wèn)題，或?qū)σ粋€(gè)問(wèn)題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法。101五、計(jì)算思維(1)計(jì)算思維的定義：101五、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(guò)冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)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(lái)加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間、在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(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(gè)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(lè)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(gè)人為了在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮職能所必須掌握的?？贪宓募寄芤馕吨?jiǎn)單的機(jī)械重復(fù)。102五、計(jì)算思維(2)計(jì)算思維的例子：102五、計(jì)算思維(3)計(jì)算思維的特征：人的，不是計(jì)算機(jī)的思維計(jì)算思維是人類求解問(wèn)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(wèn)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(lái)問(wèn)題求解、日常生活的管理，以及與他人進(jìn)行交流和互動(dòng)。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(dòng)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(dòng)的整體時(shí)，它作為一個(gè)問(wèn)題解決的有效工具，人人都應(yīng)當(dāng)掌握，處處都會(huì)被使用。103五、計(jì)算思維(3)計(jì)算思維的特征：103五、計(jì)算思維(4)計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科的影響：①生物：霰彈槍算法（Shotgunalgorithm）大大提高了人類基因組測(cè)序的速度蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以用繩結(jié)來(lái)模擬蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)可以用計(jì)算過(guò)程來(lái)模擬細(xì)胞和電路類似，是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)②腦科學(xué)：人腦可以看作是一臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)是一個(gè)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(tái)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104五、計(jì)算思維(4)計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科的影響：104五、計(jì)算思維(5)計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科的影響：⑤數(shù)學(xué)：發(fā)現(xiàn)E8李群（E8LieGroup）:

--18位數(shù)學(xué)家，4年零77小時(shí)超級(jí)計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)（2千億個(gè)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(cè)試的，沒(méi)有經(jīng)過(guò)風(fēng)洞測(cè)試⑦經(jīng)濟(jì)學(xué)：自動(dòng)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)博士在華爾街作金融分析師⑧社會(huì)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105五、計(jì)算思維(5)計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科的影響：105五、計(jì)算思維(6)計(jì)算思維對(duì)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(shí)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POIROT項(xiàng)目為歐洲的法律系統(tǒng)建立了一個(gè)詳細(xì)的本體論結(jié)構(gòu)關(guān)于犯罪現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的福爾摩斯項(xiàng)目?娛樂(lè)：游戲電影--夢(mèng)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(gè)包含200個(gè)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(lè)攝影106五、計(jì)算思維(6)計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科的影響：106五、計(jì)算思維(7)計(jì)算思維對(duì)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)SynergySports公司對(duì)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(guó)家和國(guó)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(duì)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(cè)？107五、計(jì)算思維(7)計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科的影響：107七、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(yǔ)言

實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)：計(jì)算機(jī)硬件與軟件最小知識(shí)集課程教學(xué)環(huán)節(jié)(1)課堂講授：內(nèi)容規(guī)劃見(jiàn)本報(bào)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))。TimBelletal.ComputerScienceUnplugged.。J．G.Brookshear.ComputerScience:AnOverview（10thEdition），AddisonWesley，2009。108七、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(jī)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)109七、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)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(shí)(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（PITAC2005報(bào)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)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、