計(jì)算思維及本課程教學(xué)計(jì)劃

第0章計(jì)算思維與課程教學(xué)計(jì)劃南開大學(xué)非計(jì)算機(jī)專業(yè)理工科面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)課程提要課程內(nèi)容考核方式教學(xué)平臺(tái)——教育在線請(qǐng)同學(xué)們思考的問題課程論文課程討論提示：下一周開始上機(jī)21課程內(nèi)容1、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力基礎(chǔ)11月中旬參加全校上機(jī)統(tǒng)考。自學(xué)，教學(xué)部提供考試練習(xí)環(huán)境，自己課下練習(xí)。2、簡(jiǎn)單介紹計(jì)算思維3、C++高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言提示：下一周開始上機(jī)3考核方式1、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力基礎(chǔ)（機(jī)考）：20分2、平時(shí)成績(jī)：30分課程論文：10分C++上機(jī)測(cè)試：10分交作業(yè)和出勤：10分（課前交假條，否則算缺勤）3、期末考試（機(jī)考）：50分4如何使用教育在線 使用教育在線進(jìn)行學(xué)習(xí)交流活動(dòng)。5大學(xué)如何學(xué)習(xí)——計(jì)算思維簡(jiǎn)介請(qǐng)同學(xué)們思考的問題：1、進(jìn)入大學(xué)后，如何學(xué)習(xí)？學(xué)習(xí)什么？2、對(duì)于計(jì)算機(jī)相關(guān)課程，學(xué)習(xí)什么？

6大學(xué)如何學(xué)習(xí)——計(jì)算思維簡(jiǎn)介培養(yǎng)具有現(xiàn)代科學(xué)思維精神和能力的三大必修課程數(shù)學(xué)理論思維物理實(shí)驗(yàn)思維計(jì)算機(jī)計(jì)算思維公共計(jì)算機(jī)課程的定位：計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和計(jì)算思維的培養(yǎng)

7大學(xué)如何學(xué)習(xí)——計(jì)算思維簡(jiǎn)介一、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，定理和證明則是它的精髓。公理化方法是最重要的理論思維方法，科學(xué)界一般認(rèn)為，公理化方法是世界科學(xué)技術(shù)革命推動(dòng)的源頭。用公理化方法構(gòu)建的理論體系稱為公理系統(tǒng)，如歐氏幾何。公理系統(tǒng)需要滿足以下三個(gè)條件：

8大學(xué)如何學(xué)習(xí)——計(jì)算思維簡(jiǎn)介

1.無矛盾性。這是公理系統(tǒng)的科學(xué)性要求，它不允許在一個(gè)公理系統(tǒng)中出現(xiàn)相互矛盾的命題，否則這個(gè)公理系統(tǒng)就沒有任何實(shí)際的價(jià)值。

2.獨(dú)立性。公理系統(tǒng)所有的公理都必須是獨(dú)立的，即任何一個(gè)公理都不能從其他公理推導(dǎo)出來。

3.完備性。公理系統(tǒng)必須是完備的，即從公理系統(tǒng)出發(fā)，能推出（或判定）該領(lǐng)域所有的命題。

為了保證公理系統(tǒng)的無矛盾性和獨(dú)立性，一般要盡可能使公理系統(tǒng)簡(jiǎn)單化。簡(jiǎn)單化將使無矛盾性和獨(dú)立性的證明成為可能，簡(jiǎn)單化是科學(xué)研究追求的目標(biāo)之一。一般而言，正確的一定是簡(jiǎn)單的（注意，這句話是單向的，反之不一定成立）。

關(guān)于公理系統(tǒng)的完備性要求，自哥德爾發(fā)表關(guān)于形式系統(tǒng)的“不完備性定理”的論文后，數(shù)學(xué)家們對(duì)公理系統(tǒng)的完備性要求大大放寬了。也就是說，能完備更好，即使不完備，同樣也具有重要的價(jià)值。

以理論為基礎(chǔ)的學(xué)科主要是指數(shù)學(xué)，數(shù)學(xué)是所有學(xué)科的基礎(chǔ)。

9大學(xué)如何學(xué)習(xí)——計(jì)算思維簡(jiǎn)介二、實(shí)驗(yàn)思維

實(shí)驗(yàn)思維的先驅(qū)應(yīng)當(dāng)首推意大利著名的物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家伽利略，他開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)具有嚴(yán)密邏輯理論體系的近代科學(xué)，被人們譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。愛因斯坦為之評(píng)論說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)，以及他所用的科學(xué)推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端?！?/p>

一般來說，伽利略的實(shí)驗(yàn)思維方法可以分為以下三個(gè)步驟：

10大學(xué)如何學(xué)習(xí)——計(jì)算思維簡(jiǎn)介

1.先提取出從現(xiàn)象中獲得的直觀認(rèn)識(shí)的主要部分，用最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)形式表示出來，以建立量的概念；

2.再由此式用數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出另一易于實(shí)驗(yàn)證實(shí)的數(shù)量關(guān)系；

3.然后通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種數(shù)量關(guān)系。

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（科學(xué)工具），并用它們來獲取數(shù)據(jù)以供以后的分析。例如，伽利略就不僅設(shè)計(jì)和演示了許多實(shí)驗(yàn)，而且還親自研制出不少技術(shù)精湛的實(shí)驗(yàn)儀器，如溫度計(jì)、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等。

以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科有物理、化學(xué)、地學(xué)、天文學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、冶金、機(jī)械，以及由此派生的眾多學(xué)科。11計(jì)算思維簡(jiǎn)介三、計(jì)算思維

美國(guó)亞裔女科學(xué)家（原美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任，現(xiàn)任美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)與工程學(xué)部負(fù)責(zé)人，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與通訊部門主席）周以真（JeannetteM.Wing）教授首先提出并定義了“計(jì)算思維”（ComputationalThinking，CT）這一概念[1-2]：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)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。2011年，圖靈獎(jiǎng)獲得者RichardM.Karp提出了“計(jì)算透鏡”（ComputationalLens）理念[3],其核心是將計(jì)算作為一種通用的思維方式，通過這種廣義的計(jì)算（涉及信息、執(zhí)行算法、關(guān)注復(fù)雜度）來描述各類自然過程和社會(huì)過程，從而解決各個(gè)學(xué)科的問題。12計(jì)算思維簡(jiǎn)介在美國(guó)，“計(jì)算思維”的提出得到了美國(guó)教育界和科學(xué)界的廣泛支持。在美國(guó)科學(xué)基金會(huì)啟動(dòng)的“大學(xué)計(jì)算教育振興的途徑”中投入巨資進(jìn)行美國(guó)計(jì)算教育的改革并對(duì)“計(jì)算思維”所發(fā)揮的作用取得了共識(shí)[4]。美國(guó)科學(xué)基金會(huì)還啟動(dòng)了以計(jì)算思維為核心的重大基礎(chǔ)研究，進(jìn)一步將計(jì)算思維的培育擴(kuò)展到美國(guó)的各個(gè)研究領(lǐng)域[5]。13計(jì)算思維簡(jiǎn)介在我國(guó)，計(jì)算思維的重要性也已引起了科學(xué)家和教育界的高度重視[6]。教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任委員陳國(guó)良院士等積極地倡導(dǎo)把培養(yǎng)學(xué)生的“計(jì)算思維”能力作為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)，并由此建設(shè)更加完備的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程體系和教學(xué)內(nèi)容[7]。陳國(guó)良等[6]認(rèn)為大學(xué)第一門計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是計(jì)算思維培養(yǎng)的一個(gè)關(guān)鍵,初步構(gòu)建了以計(jì)算思維為核心的“計(jì)算思維導(dǎo)論”課程，并給出了該課程任務(wù)、基本要求，教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法。14計(jì)算思維簡(jiǎn)介 針對(duì)不少人認(rèn)為計(jì)算機(jī)科學(xué)等同于計(jì)算機(jī)編程等方面的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。周教授指出，當(dāng)我們用行動(dòng)來改變這種狹隘的社會(huì)認(rèn)識(shí)時(shí)，計(jì)算思維就是一個(gè)引領(lǐng)計(jì)算機(jī)教育家、研究者和實(shí)踐者的宏大愿景。周教授呼吁：計(jì)算機(jī)科學(xué)家應(yīng)該傳授計(jì)算機(jī)科學(xué)的快樂、崇高和力量，并致力于使計(jì)算思維成為人們處理問題的常識(shí)。

計(jì)算思維不是今天才有的，它早就存在于中國(guó)的古代數(shù)學(xué)之中，只不過周以真教授使之清晰化和系統(tǒng)化了。

中國(guó)古代學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)一個(gè)問題能夠在算盤上解算的時(shí)候，這個(gè)問題就是可解的，這就是中國(guó)的“算法化”思想。吳文俊院士正是在這一基礎(chǔ)上圍繞幾何定理的證明展開了研究，開拓了一個(gè)在國(guó)際上被稱為“吳方法”的新領(lǐng)域——數(shù)學(xué)的機(jī)械化領(lǐng)域，吳文俊為此于2000年獲得國(guó)家首屆最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。15計(jì)算思維簡(jiǎn)介 隨著以計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算思維的作用被大大的釋放了。正像天文學(xué)有了望遠(yuǎn)鏡，生物學(xué)有了顯微鏡，音樂產(chǎn)業(yè)有了麥克風(fēng)一樣，“計(jì)算思維”的力量正在隨著計(jì)算機(jī)速度的快速增長(zhǎng)而被加速地放大。盡管這種力量往往需要借助于計(jì)算機(jī)，但是計(jì)算機(jī)科學(xué)卻不能說成是專注于計(jì)算機(jī)的學(xué)問，就像天文學(xué)依靠望遠(yuǎn)鏡展開研究，但不能說成是關(guān)于望遠(yuǎn)鏡的學(xué)科一樣。

計(jì)算思維本身的研究需要細(xì)致，深入，以及相應(yīng)的豐富而又扎實(shí)的學(xué)科理論基礎(chǔ)。而就其一般的應(yīng)用而言就簡(jiǎn)單了，以至計(jì)算思維的倡導(dǎo)者周以真教授認(rèn)為，與通常的“讀、寫、算”（Reading，writingandarithmetic，簡(jiǎn)稱3R）一樣，計(jì)算思維應(yīng)是21世紀(jì)每一個(gè)人都必須具備的常識(shí)。

16計(jì)算思維簡(jiǎn)介 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展促使人類的認(rèn)識(shí)發(fā)展到了一個(gè)新的水平，相應(yīng)地，推進(jìn)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革以適應(yīng)人類認(rèn)識(shí)水平的發(fā)展勢(shì)在必行。然而，在我國(guó)，以“計(jì)算思維”為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革還處于起步階段，對(duì)于“計(jì)算思維”的內(nèi)涵還需進(jìn)行進(jìn)一步地抽象和研究；需要統(tǒng)一計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課教師和各專業(yè)學(xué)生對(duì)“計(jì)算思維”能力培養(yǎng)的重要性的認(rèn)識(shí)；需要明確當(dāng)前計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課承載的任務(wù)，明確計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課在計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力培養(yǎng)和計(jì)算思維能力培養(yǎng)的關(guān)系；需要在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課的教學(xué)實(shí)踐中探索實(shí)現(xiàn)大學(xué)生“計(jì)算思維”能力培養(yǎng)的教學(xué)內(nèi)容和方法。17計(jì)算思維簡(jiǎn)介參考文獻(xiàn)：[1]JeannetteM.Wing.ComputationalThinking[J].CommunicationsoftheACM.2006,49(3):33-35.[2]周以真著.王飛躍,徐韻文譯.計(jì)算思維.中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊.2007,3(11):83-85.[3].RichardM.Karp.Understandingsciencethroughthecomputationallens.JournalofComputerScienceandTechnology2011.26(4):569-577.[4]美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金CPATH計(jì)劃2009年項(xiàng)目申報(bào)說明[EB/OL]./cise/funding/cpath_faq.jsp#1.[5]美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金CDI計(jì)劃官方網(wǎng)站[EB/OL].http:///crssprgm/cdi/.[6]陳國(guó)良,董榮勝.計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育.中國(guó)大學(xué)教學(xué).2011年第1期:7-11,32.[7]何欽銘,陸漢權(quán),馮博琴.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng).中國(guó)大學(xué)教學(xué).2010年第9期:5-9.[8]董榮勝.計(jì)算思維、理論思維、實(shí)驗(yàn)思維：科技創(chuàng)新的三大支柱http:///jsjkxdl/zhizhu.asp