計(jì)算思維 - 中國高校計(jì)算機(jī)課程網(wǎng)

計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)根底教育2021年6月陳國良董榮勝毛睿摘要：本報(bào)告首先講述了?大學(xué)計(jì)算機(jī)根底?課程的重要性，分析了教學(xué)中存在的問題，指出了“狹義工具論〞的危害。然后從推動(dòng)人類文明進(jìn)步、科技開展三大科學(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)根底課程設(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)根底課程教學(xué)的最小集，為大學(xué)計(jì)算機(jī)根底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。2 目錄大學(xué)計(jì)算機(jī)根底課程的重要性大學(xué)計(jì)算機(jī)根底課程教學(xué)存在的問題計(jì)算思維在美國產(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3一、大學(xué)計(jì)算機(jī)根底課程的重要性大學(xué)通識(shí)教育是大學(xué)人才培養(yǎng)的重要任務(wù)大學(xué)教育不能局限于根本知識(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〕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)教育的重要組成局部國家明確定位計(jì)算機(jī)根底課程是和數(shù)學(xué)、物理等同地位的根底課程。計(jì)算機(jī)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(dú)特的處理問題的思維方式。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。4二、大學(xué)計(jì)算機(jī)根底課程教學(xué)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(rèn)為教計(jì)算機(jī)根底就是教些計(jì)算機(jī)工具及其使用方法?！皾饪s版〞的教材：教材根本上是有關(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)根底課教學(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)語言〞作為第一門計(jì)算機(jī)課程〕的學(xué)習(xí)過程中，有35-50%的學(xué)生中途放棄。另外，不少的學(xué)生還通過抄襲或者是作弊的方式來完成課程。5二、大學(xué)計(jì)算機(jī)根底課程教學(xué)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(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)生的工資?的報(bào)告：2003年，在美國科學(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)如下圖：

6三、計(jì)算思維在美國產(chǎn)生的背景(1)2005年6月美國的PITAC報(bào)告 2005年6月，美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)〔PITAC〕給美國總統(tǒng)提交了報(bào)告?計(jì)算科學(xué)：確保美國競(jìng)爭力?〔ComputationalScience:EnsuringAmerica’sCompetitiveness〕。(1)報(bào)告寫道：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)科開展的作用。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(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、國家平安，以及工業(yè)改革中的中心位置。這種認(rèn)識(shí)缺乏將危及美國的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭力以及國家的平安。(3)報(bào)告建議：將計(jì)算科學(xué)長期置于國家科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中心的領(lǐng)導(dǎo)地位。7三、計(jì)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(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:PreparingITGraduatesfor2021andBeyondReportfromtheSoutheastRegionWorkshoponICER:PreparingITGraduatesfor2021andBeyondICERFinalReportoftheNorthwestRegionalMeeting(2)內(nèi)容及建議：以上四個(gè)文件分析了美國計(jì)算教育出現(xiàn)的問題，報(bào)告建議在美國國家科學(xué)基金的資助下全面改革美國的計(jì)算教育。以下兩個(gè)問題和一個(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)建問題；多學(xué)科的融合問題；報(bào)告建議加強(qiáng)美國中小學(xué)學(xué)生抽象思維與寫作能力的訓(xùn)練，目的，使學(xué)生平穩(wěn)過渡到大學(xué)的學(xué)習(xí)。8三、計(jì)算思維在美國產(chǎn)生的背景(3)2007年美國NSF的CPATH方案CPATH〔PathwaystoRevitalizedUndergraduateComputingEducation，大學(xué)計(jì)算教育重生的途徑〕方案認(rèn)為：計(jì)算普遍存在于我們的日常生活之中，培養(yǎng)未來能夠參與全球競(jìng)爭、掌握計(jì)算核心概念的美國企業(yè)家和員工就變得非常重要。CPATH方案認(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、開創(chuàng)性的工作，但目前美國更多的大學(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方案，當(dāng)年投入600萬美元，2021年投入500萬美元，2021年投入1000萬美元，力圖改變這種情況。經(jīng)過2007年和2021年的資助和工程實(shí)踐，CPATH認(rèn)識(shí)到“計(jì)算思維〞在方案中所起的獨(dú)特的重要作用，因此，對(duì)2021年申報(bào)的工程提出了更為具體的以“計(jì)算思維〞為核心的要求。2021年美國NSF的CDI方案CDI〔Cyber-EnabledDiscoveryandInnovation，計(jì)算使能的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新〕是美國國家科學(xué)基金會(huì)的一個(gè)革命性的、富有獨(dú)創(chuàng)精神的五年方案，該方案旨在通過“計(jì)算思維〞領(lǐng)域的創(chuàng)新和進(jìn)步來促進(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方案2021年啟動(dòng)，當(dāng)年批準(zhǔn)了共計(jì)4200萬美元的72個(gè)工程的立項(xiàng)申請(qǐng)，2021年投入2600萬美元，2021年投入3600萬美元。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)步和科技開展。該說法已被科學(xué)文獻(xiàn)廣泛引用，并在美國得到國會(huì)聽證、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。10四、科學(xué)與科學(xué)思維(2)科學(xué)思維：

國科發(fā)財(cái)〔2021〕197號(hào)文?關(guān)于創(chuàng)新方法工作的假設(shè)干意見?認(rèn)為“科學(xué)思維不僅是一切科學(xué)研究和技術(shù)開展的起點(diǎn)，而且始終貫穿于科學(xué)研究和技術(shù)開展的全過程，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)的根底概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解的涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。11五、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)的根底概念去求解問題、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、算〞〔簡稱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)算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)困難的問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)別離的方法〔SoC方法〕。計(jì)算思維是一種選擇適宜的方式陳述一個(gè)問題，或?qū)σ粋€(gè)問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法。12五、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唵蔚臋C(jī)械重復(fù)。13五、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，它被人們用來問題求解、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，它的形式化根底建筑于數(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。14五、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)來模擬蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)可以用計(jì)算過程來模擬細(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)視覺是一個(gè)反響循環(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)反響條件和提高產(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15五、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)省制造本錢波音777飛機(jī)完全是采用計(jì)算機(jī)模擬測(cè)試的，沒有經(jīng)過風(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等開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16五、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工程為歐洲的法律系統(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)查的福爾摩斯工程?娛樂：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)戲劇音樂攝影17五、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)〞課程讓國家和國際組織參與到教學(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)？18六、計(jì)算思維在我國(1)中國2050年信息科技開展路線圖由李國杰院士任組長的中國科學(xué)院信息領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組撰寫的?中國至2050年信息科技開展路線圖?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根底。長期以來，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。19六、計(jì)算思維在我國(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

具有根底性和長期性的思想是“計(jì)算思維〞(ComputationalThinking)。國家自然科學(xué)基金委員會(huì)信息科學(xué)部二處處長劉克教授，強(qiáng)調(diào)了在大學(xué)中推進(jìn)“計(jì)算思維〞這一根本理念的必要性。中國科學(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〞引入國內(nèi)，翻譯了周以真教授的“計(jì)算思維〞，撰寫了相關(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，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)。20六、計(jì)算思維在我國(3)中國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)根底課教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的近期工作：2021.5：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)根底〞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？2021.7：在西安會(huì)議上發(fā)表了?九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算機(jī)根底教學(xué)開展戰(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)根底課程教學(xué)改革。2021.9：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。2021.11：在濟(jì)南會(huì)議上，將在全國更大范圍內(nèi)，深入討論以計(jì)算思維為核心的根底課教學(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，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〞為工程，建議立項(xiàng)研究。2021.06：在北京“以計(jì)算思維為導(dǎo)向的計(jì)算機(jī)根底課程建設(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)根底教學(xué)的第一門課程中表達(dá)計(jì)算思維能力的培養(yǎng)〞進(jìn)行了討論。計(jì)算思維課程在中國高校中正式開始實(shí)踐：上海交大〔2021年秋季〕和南方科大〔2021年春季〕正在試開新型計(jì)算機(jī)根底課程——“計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論：計(jì)算思維〞。21七、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)算思維的根本框架計(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)：根底算法與Python語言實(shí)現(xiàn)根底：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))。。J．G.Brookshear.ComputerScience:AnOverview〔10thEdition〕，AddisonWesley，2021。22七、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，2021.10〕(3)課程實(shí)踐：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含指定的和自選的(4)成績考核：筆試＋口試＋小論文＋實(shí)驗(yàn)大學(xué)計(jì)算機(jī)根底課程群：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/硬件根底〕〔后續(xù)課〕信息處理與應(yīng)用根底23八、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)算思維根底知識(shí)(1)根本概念：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)科開展的歷程〔EE、CE、CS、SE、IT、IS〕。(4)計(jì)算思維什么是計(jì)算思維？例子、主要特征〔它是什么？它不是什么？〕、對(duì)其他學(xué)科的影響〔生物學(xué)、腦科學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)、工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)科學(xué)、醫(yī)學(xué)、法律、娛樂、藝術(shù)、體育、教育…〕。(5)熱身問題20次猜測(cè)、七橋問題、國王的婚姻、漢諾塔、旅行商問題…24八、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(2)計(jì)算理論和計(jì)算模型：(1)人類對(duì)計(jì)算本質(zhì)的認(rèn)識(shí)過程計(jì)算手段應(yīng)該器械化〔算盤、手搖計(jì)算機(jī)、微分機(jī)、模擬機(jī)等〕計(jì)算過程應(yīng)該形式化〔圖靈模型〕計(jì)算執(zhí)行應(yīng)該自動(dòng)化〔馮·諾依曼模型〕(2)計(jì)算理論函數(shù)及其計(jì)算圖靈機(jī)通用BareBones語言不可計(jì)算函數(shù)與停機(jī)問題計(jì)算復(fù)雜性〔多項(xiàng)式與多項(xiàng)式函數(shù)，P類問題，NP類問題，NPC類問題〕(3)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)模型計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)機(jī)器指令與機(jī)器語言匯編語言程序的執(zhí)行舉例虛擬機(jī)25八、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(3)計(jì)算理論和計(jì)算模型〔續(xù)〕：(4)計(jì)算學(xué)科中的數(shù)學(xué)概念集合函數(shù)和關(guān)系代數(shù)系統(tǒng)定義、定理和證明必要和充分條件證明方法遞歸與遞推隨機(jī)性公理化證明26八、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(4)算法根底(1)算法的歷史(2)算法的定義和特征定義特征〔確定性、有窮性、可行性、輸入/輸出量等〕(3)算法舉例(4)根本的表達(dá)自然語言、流程圖、偽代碼、程序語言(5)算法的分析復(fù)雜度度量〔時(shí)間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度等〕復(fù)雜度分析〔最壞情況分析、平均情況分析〕復(fù)雜度函數(shù)〔上界、下界、精確界函數(shù)〕27八、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(5)Python編程入門Python簡介：Python語言是什么Python開展歷程Python的優(yōu)點(diǎn)Python編程環(huán)境Python實(shí)例(2)Python根本要素值與類型變量賦值類型轉(zhuǎn)換28八、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(6)5.Python根本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)字符串定義字符串的索引遍歷字符串字符串的比較(2)列表定義列表的元素列表操作(3)數(shù)組數(shù)組的賦值和操作隨機(jī)數(shù)(4)字典字典的定義和操作字典的應(yīng)用：稀疏矩陣29八、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(7)6.Python程序的控制及其它條件語句布爾表達(dá)式和邏輯運(yùn)算符條件語句及其嵌套(2)循環(huán)語句While循環(huán)表格(3)函數(shù)函數(shù)的定義、參數(shù)、返回值和調(diào)用定義新的函數(shù)(4)遞歸定義用遞歸的方法解決問題30八、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(8)7.Python編程實(shí)例：模擬與優(yōu)化模擬根本概念一個(gè)模擬問題實(shí)例隨機(jī)數(shù)自頂向下設(shè)計(jì)從下往上實(shí)現(xiàn)(2)優(yōu)化根本概念優(yōu)化實(shí)例不同層次的優(yōu)化31八、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(9)8.計(jì)算機(jī)硬件根底布爾邏輯與門電路布爾邏輯和