基于計(jì)算思維的課程教學(xué)改革與創(chuàng)新教材

基于計(jì)算思維的課程教學(xué)改革與創(chuàng)新深圳大學(xué)王志強(qiáng)2024.12.15海口1匯報(bào)提綱大學(xué)計(jì)算機(jī)必修模塊3總結(jié)與反思4大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)內(nèi)容2計(jì)算思維概念的引入12計(jì)算思維概念的引入計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)WindowsOffice多媒體網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)程序設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)根底課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)

“1＋X〞課程設(shè)置方案教育部高等學(xué)校文科計(jì)算機(jī)根底教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)

大公共課程＋小公共課程＋計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程3計(jì)算機(jī)根底課程：不斷改革，與時(shí)俱進(jìn)眾多教師寫教材：計(jì)算機(jī)文化根底計(jì)算機(jī)應(yīng)用根底大學(xué)計(jì)算機(jī)根底計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論，等等計(jì)算思維概念的引入結(jié)局：教務(wù)處普遍減學(xué)時(shí)70→42→20→0計(jì)算機(jī)應(yīng)用計(jì)算思維計(jì)算科學(xué)計(jì)算機(jī)技能4周以真定義：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)和理解人類行為的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。計(jì)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(hù)、冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)、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(jì)算、折中計(jì)算思維概念的引入質(zhì)疑：充分的？唯一的？……5Denning認(rèn)為：計(jì)算原理可以總結(jié)為7類。

計(jì)算---Computation

通信---Communication

協(xié)作---Coordination

記憶---Recollection

自動(dòng)化-Automation

評(píng)估---Evaluation

設(shè)計(jì)---Design計(jì)算思維概念的引入6計(jì)算思維概念的引入2024-2024年教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)根底課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任：陳國良院士2024.05：合肥會(huì)議討論將計(jì)算思維融入計(jì)算機(jī)根底課程中。2024.07：西安會(huì)議發(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?，確定以計(jì)算思維為核心的課程改革。2024.09：太原會(huì)議決定了以“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。2024.11：濟(jì)南會(huì)議2024.06：北京會(huì)議2024.08：深圳會(huì)議2024.11：杭州會(huì)議……7教育部高等學(xué)校大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)

發(fā)布“計(jì)算思維教學(xué)改革白皮書(征求意見稿)〞

2024.7哈爾濱

第二屆計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革研討會(huì)白皮書的主要內(nèi)容：

一、科學(xué)思維以及邏輯思維、實(shí)證思維與計(jì)算思維的關(guān)系

二、計(jì)算思維的表達(dá)體系

三、大學(xué)計(jì)算機(jī)課程知識(shí)體系與核心概念的關(guān)系表1計(jì)算思維表達(dá)體系框架

表2理工類大學(xué)計(jì)算機(jī)課程知識(shí)體系與計(jì)算思維核心概念的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算思維概念的引入8計(jì)算思維概念的引入表1計(jì)算思維表達(dá)體系框架9表2理工類大學(xué)計(jì)算機(jī)課程知識(shí)體系與計(jì)算思維核心概念的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算思維概念的引入10教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)

副主任：蔣宗禮教授“計(jì)算思維與人才培養(yǎng)〞教育部高等學(xué)校文科計(jì)算機(jī)根底教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)

主任：杜小勇教授“計(jì)算思維是大學(xué)計(jì)算機(jī)作為根底課、

通識(shí)課的理論根底〞全國高等院校計(jì)算機(jī)根底教育研究會(huì)

副會(huì)長：吳功宜教授“新版藍(lán)皮書----指導(dǎo)思想〞計(jì)算思維概念的引入以計(jì)算思維為理論根底，推進(jìn)大學(xué)計(jì)算機(jī)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(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)；以效勞專業(yè)教學(xué)為目標(biāo)，在交叉融合中尋求更大的開展空間。11已出版的相關(guān)教材陳國良、王志強(qiáng)、毛睿、張艷等

計(jì)算思維導(dǎo)論，高等教育出版社，2024.10唐培和、徐奕奕、王日鳳

計(jì)算思維導(dǎo)論，廣西師范大學(xué)出版社，2024.10戰(zhàn)德臣、聶蘭順等

大學(xué)計(jì)算機(jī)-計(jì)算思維導(dǎo)論，電子工業(yè)出版社，2024.7李波、趙英良、程向前、喬亞男等

大學(xué)計(jì)算機(jī)-信息、計(jì)算與智能，高等教育出版社，2024.8……等等計(jì)算思維概念的引入12匯報(bào)提綱大學(xué)計(jì)算機(jī)必修模塊3總結(jié)與反思4大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)內(nèi)容2計(jì)算思維概念的引入113計(jì)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(jì)算理論：可計(jì)算性與計(jì)算復(fù)雜性算法和通用描述性程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)根底：計(jì)算機(jī)硬件和軟件最小知識(shí)集教材內(nèi)容計(jì)算思維根底知識(shí)計(jì)算理論與計(jì)算模型算法根底程序設(shè)計(jì)語言計(jì)算機(jī)硬件根底計(jì)算機(jī)軟件根底計(jì)算文化與計(jì)算機(jī)職業(yè)道德教育14教材序言提到我們要提倡計(jì)算思維在教育和科研中的作用，要將計(jì)算思維引入到大學(xué)計(jì)算機(jī)課程中，通過它來改變大學(xué)計(jì)算機(jī)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(jì)算教育。我們要改變過去計(jì)算機(jī)根底課程只講工具對(duì)學(xué)生所造成的枯燥、乏味之感，要激發(fā)學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)的興趣和熱愛，要傳承計(jì)算文化和表達(dá)計(jì)算之美以及展示學(xué)科魅力。我們要致力于使計(jì)算思維成為公眾的常識(shí)和人們普遍的思考方式，將計(jì)算思維真正融入到人類的一切活動(dòng)之中。計(jì)算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容課程總體要求傳承計(jì)算文化、弘揚(yáng)計(jì)算科學(xué)、培養(yǎng)計(jì)算思維體驗(yàn)計(jì)算愉悅、感受計(jì)算之美15科學(xué)→計(jì)算科學(xué)，思維→計(jì)算思維計(jì)算思維的定義、特征和本質(zhì)計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)的關(guān)系計(jì)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(jī)械、航天航空等)、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、教育學(xué)等周以真講義：計(jì)算機(jī)科學(xué)中的深層次問題

主要內(nèi)容：P=NP？什么是可計(jì)算的？復(fù)雜性是什么？計(jì)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(jì)算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容第一章計(jì)算思維根底知識(shí)16第二章計(jì)算理論與計(jì)算模型計(jì)數(shù)、邏輯、算法→計(jì)算及計(jì)算過程可計(jì)算性(定義、特性、內(nèi)容、意義)停機(jī)問題(案例：理發(fā)師悖論)計(jì)算復(fù)雜性(算法復(fù)雜性、計(jì)算復(fù)雜性

時(shí)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(jī)、馮·諾依曼機(jī)量子計(jì)算模型、生物計(jì)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(jì)算科學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)計(jì)算理論計(jì)算模型計(jì)算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容17第三章算法根底算法的概念：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(dòng)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(jì)：算法的評(píng)價(jià)和分析：算法正確性、復(fù)雜度分析(時(shí)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(jì)算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容18第七章計(jì)算文化與計(jì)算機(jī)職業(yè)道德教育計(jì)算文化：計(jì)算文化與專業(yè)素質(zhì)、計(jì)算文化教育和素質(zhì)、信息素養(yǎng)人類對(duì)計(jì)算本質(zhì)認(rèn)識(shí)：計(jì)算手段器械化、計(jì)算過程形式化

計(jì)算執(zhí)行自動(dòng)化計(jì)算文化歷史：其人其事、歷屆圖靈獎(jiǎng)獲得者計(jì)算機(jī)的發(fā)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(fèi)：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(huì)計(jì)算與平行系統(tǒng)計(jì)算機(jī)職業(yè)道德教育：道德和職業(yè)道德、計(jì)算機(jī)職業(yè)道德、計(jì)算機(jī)專業(yè)職位計(jì)算機(jī)倫理、網(wǎng)絡(luò)倫理、計(jì)算機(jī)知識(shí)產(chǎn)權(quán)網(wǎng)絡(luò)隱私與自由、計(jì)算機(jī)犯罪計(jì)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(jì)算思維概論計(jì)算思維之計(jì)算(理論)根底計(jì)算思維之邏輯根底計(jì)算思維之方法學(xué)計(jì)算思維之算法根底程序設(shè)計(jì)中的特定思維其他學(xué)科中的計(jì)算思維計(jì)算思維導(dǎo)論教學(xué)內(nèi)容20計(jì)算思維：廣義計(jì)算思維、狹義計(jì)算思維。廣義計(jì)算思維，在吸收計(jì)算學(xué)科豐碩成果的根底上，更側(cè)重于哲學(xué)的角度，從辯證法、認(rèn)識(shí)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(shí)踐性、科學(xué)性和時(shí)代性。狹義計(jì)算思維，從計(jì)算學(xué)科的方法論出發(fā)，討論借助于計(jì)算機(jī)這一特定的工具如何求解客觀世界的實(shí)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(jì)算思維為主，廣義計(jì)算思維為輔。畢竟學(xué)習(xí)計(jì)算思維導(dǎo)論的首要目的是利用計(jì)算及計(jì)算機(jī)技術(shù)更好地解決將來所面臨的各種實(shí)際專業(yè)問題。計(jì)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(jì)算、計(jì)算科學(xué))計(jì)算系統(tǒng)的根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(jì)與挖掘計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)化社會(huì)計(jì)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(hào)模型的數(shù)學(xué)描述什么是信息什么是計(jì)算什么是智能問題求解算法及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算思維大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)內(nèi)容232024年周以真教授在CommunicationofACM上發(fā)表Fivedeepquestionsincomputing，提出計(jì)算機(jī)學(xué)科的五個(gè)根本問題：DoesPequalNP?

Whatiscomputable?

Whatisintelligence?

Whatisinformation?

(How)canwebuildcomplexsystemssimply?本書選擇了什么是信息、什么是計(jì)算、什么是智能這三個(gè)問題作為核心內(nèi)容進(jìn)行闡述和討論，希望對(duì)計(jì)算機(jī)學(xué)科的根本問題和理論根底有初步的了解和正確的認(rèn)識(shí)。大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)內(nèi)容教材內(nèi)容〔西安交通大學(xué)李波〕24匯報(bào)提綱大學(xué)計(jì)算機(jī)必修模塊3總結(jié)與反思4大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)內(nèi)容2計(jì)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(rèn)為是解決問題的過程性思維方法科學(xué)計(jì)算問題的一般過程實(shí)際問題數(shù)學(xué)模型數(shù)值計(jì)算/算法設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果許多科學(xué)領(lǐng)域的問題求解，如計(jì)算物理學(xué)、計(jì)算力學(xué)、計(jì)算化學(xué)、計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)和計(jì)算社會(huì)學(xué)等都可以歸結(jié)為數(shù)值計(jì)算／算法設(shè)計(jì)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)值計(jì)算方法〕

求解線性方程組、數(shù)值積分等，有特定的計(jì)算步驟非數(shù)值算法〔課程：算法設(shè)計(jì)與分析〕

求解判定問題、最優(yōu)化問題等，掌握算法設(shè)計(jì)技術(shù)軟計(jì)算方法〔課程：計(jì)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(jì)算機(jī)的靈魂算法是數(shù)學(xué)機(jī)械化的一局部，能夠解決復(fù)雜的計(jì)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(shí)通訊、信息平安、云計(jì)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(huì)平安事件、群體智慧等。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)：研究網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或動(dòng)態(tài)行為并將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到許多子領(lǐng)域的理論根底，這里的子領(lǐng)域包括社會(huì)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(gè)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(gè)體組成一個(gè)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(rèn)識(shí)網(wǎng)絡(luò)世界的世界觀與方法論，是群體思維和社會(huì)思維。網(wǎng)絡(luò)科學(xué)之美：圍繞復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的共性拓?fù)涮卣魉磉_(dá)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?fù)浣槔U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(huì)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(shí)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(chǔ)、管理和分析的能力大數(shù)據(jù)的特征：大容量、多樣性、高價(jià)值、快速度大數(shù)據(jù)的技術(shù)架構(gòu)：CS2024領(lǐng)域知識(shí)：14→18SystemsFundamentals計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根底系統(tǒng)能力系統(tǒng)思維構(gòu)建→認(rèn)知云計(jì)算系統(tǒng)：IaaS根底設(shè)施即效勞PaaS平臺(tái)即效勞SaaS軟件即效勞AaaS分析即效勞30數(shù)據(jù)科學(xué)：簡單地理解為預(yù)測(cè)分析和數(shù)據(jù)挖掘，是統(tǒng)計(jì)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的結(jié)合。數(shù)據(jù)分析師／數(shù)據(jù)科學(xué)家：負(fù)責(zé)分析和解釋數(shù)據(jù)集，幫助企業(yè)快速而有效地獲得對(duì)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(jì)價(jià)值，推動(dòng)大數(shù)據(jù)研究的動(dòng)力主要是企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)據(jù)研究能成為一門科學(xué)的前提是：在一個(gè)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(bào)提綱大學(xué)計(jì)算機(jī)必修模塊3總結(jié)與反思4大學(xué)計(jì)算機(jī)教學(xué)內(nèi)容2計(jì)算思維概念的引入132美國能源部報(bào)告認(rèn)為：高端計(jì)算目前已經(jīng)與理論研究、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)科學(xué)和計(jì)算科學(xué)是推動(dòng)人類文明進(jìn)步和科技開展的重要途徑。三種科學(xué)對(duì)應(yīng)三類思維

理論科學(xué)←→理論思維(邏輯思維)

實(shí)驗(yàn)科學(xué)←→實(shí)驗(yàn)思維(實(shí)證思維)

計(jì)算科學(xué)←→計(jì)算思維(構(gòu)造思維)計(jì)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(jì)算思維是運(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)和理解人類行為的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣