Transcript 基于计算思维的课程教学改革与创新

深圳大学 王志强
2013.12.15
口
海
汇报提纲
计算思维
教学改革
1
计算思维概念的引入
2
大学计算机教学内容
3
大学计算机必修模块
4
总结与反思
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计算思维
教学改革
计算思维概念的引入
计算机文化基础
计算机基础知识
Windows
Office
多媒体
网络
大学计算机基础
计算机基础知识
程序设计
数据库
多媒体
网络与网络安全
教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会
“1＋X”课程设置方案
教育部高等学校文科计算机基础教学指导委员会
大公共课程＋小公共课程＋计算机应用课程
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计算思维
教学改革
计算思维概念的引入
计算机基础课程：不断改革，与时俱进
众多教师写教材：计算机文化基础
计算机应用基础
大学计算机基础
计算机科学导论，等等
结局：教务处普遍减学时
70→42→20→0
计算思维
计算科学
计算机应用
计算机技能
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计算思维
教学改革
计算思维概念的引入

周以真定义：计算思维(Computational Thinking，CT)是运用计
算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为的涵
盖计算机科学之广度的一系列思维活动。

计算思维的核心概念和方法
– 约简、嵌入、转化、仿真
– 递归、并行
– 抽象、分解
– 建模
– 预防、保护、冗余、容错、纠错、恢复
– 启发式推理、规划、学习、调度
– 海量数据、计算、折中
质疑：
充分的？
唯一的？
……
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计算思维
教学改革
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计算思维概念的引入
Denning认为：计算原理可以总结为7类。
计算---Computation
通信---Communication
协作---Coordination
记忆---Recollection
自动化-Automation
评估---Evaluation
设计---Design
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计算思维
教学改革
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计算思维概念的引入
2006-2010年教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会
主任：陈国良院士
2010.05：合肥会议讨论将计算思维融入计算机基础课程中。
2010.07：西安会议发表了《九校联盟(C9)计算机基础教学发
展战略联合声明》，确定以计算思维为核心的课程改革。
2010.09：太原会议决定了以“计算思维：确保学生创新能力”
为主题向教育部领导谏言和申请立项研究。
2010.11：济南会议
2011.06：北京会议
2011.08：深圳会议
2011.11：杭州会议
……
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计算思维
教学改革
计算思维概念的引入

教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会
发布“计算思维教学改革白皮书(征求意见稿)”
2013.7 哈尔滨
第二届计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会

白皮书的主要内容：
一、科学思维以及逻辑思维、实证思维与计算思维的关系
二、计算思维的表达体系
三、大学计算机课程知识体系与核心概念的关系

表1 计算思维表达体系框架
表2 理工类大学计算机课程知识体系与计算思维核心概念
的对应关系
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计算思维
教学改革
计算思维概念的引入
表1 计算思维表达体系框架
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计算思维
教学改革
计算思维概念的引入
表2 理工类大学计算机课程知识体系
与计算思维核心概念的对应关系
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计算思维
教学改革
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计算思维概念的引入
教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会
副主任：蒋宗礼教授“计算思维与人才培养”
教育部高等学校文科计算机基础教学指导分委员会
主任：杜小勇教授“计算思维是大学计算机作为基础课、
通识课的理论基础”
全国高等院校计算机基础教育研究会
副会长：吴功宜教授“新版蓝皮书----指导思想”
以计算思维为理论基础，推进大学计算机课程教学内容改革；
以应用能力培养为导向，完善复合型人才实践教学体系建设；
以服务专业教学为目标，在交叉融合中寻求更大的发展空间。
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计算思维
教学改革
计算思维概念的引入

已出版的相关教材

陈国良、王志强、毛睿、张艳等
计算思维导论，高等教育出版社，2012.10

唐培和、徐奕奕、王日凤
计算思维导论，广西师范大学出版社，2012.10

战德臣、聂兰顺等
大学计算机-计算思维导论，电子工业出版社，2013.7

李波、赵英良、程向前、乔亚男等
大学计算机-信息、计算与智能，高等教育出版社，2013.8

…… 等等
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汇报提纲
计算思维
教学改革
1
计算思维概念的引入
2
大学计算机教学内容
3
大学计算机必修模块
4
总结与反思
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计算思维导论教学内容
计算思维
教学改革

总体结构(深圳大学 陈国良院士)
–
–
–

计算理论：可计算性与计算复杂性
算法和通用描述性程序设计语言
实现基础：计算机硬件和软件最小知识集
教材内容
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–
–
–
–
–
–
计算思维基础知识
计算理论与计算模型
算法基础
程序设计语言
计算机硬件基础
计算机软件基础
计算文化与计算机职业道德教育
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计算思维导论教学内容
计算思维
教学改革
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
教材序言提到
–
我们要提倡计算思维在教育和科研中的作用，要将计算思维
引入到大学计算机课程中，通过它来改变大学计算机教育沿
袭了几十年的传统教学模式，从而振兴大学的计算教育。
–
我们要改变过去计算机基础课程只讲工具对学生所造成的枯
燥、乏味之感，要激发学生对计算机科学的兴趣和热爱，要
传承计算文化和体现计算之美以及展示学科魅力。
–
我们要致力于使计算思维成为公众的常识和人们普遍的思考
方式，将计算思维真正融入到人类的一切活动之中。
课程总体要求
–
–
传承计算文化、弘扬计算科学、培养计算思维
体验计算愉悦、感受计算之美
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计算思维
教学改革
计算思维导论教学内容
第一章 计算思维基础知识

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

科学→计算科学，思维→计算思维
计算思维的定义、特征和本质
计算思维与计算机的关系
计算思维的应用领域
生物学、脑科学、化学、地质学、天文学、数学、工程
(电气、土木、机械、航天航空等)、经济学、社会科学、
医学、法律、娱乐、艺术、体育、教育学等
周以真讲义：计算机科学中的深层次问题
主要内容：P=NP？什么是可计算的？复杂性是什么？
计算科学的典型问题
排序问题、国王的婚姻、汉诺塔问题、旅行商问题TSP
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计算思维
教学改革
计算思维导论教学内容
第二章 计算理论与计算模型
计数、逻辑、算法→计算及计算过程
计算理论
可计算性(定义、特性、内容、意义)
停机问题(案例：理发师悖论)
计算复杂性(算法复杂性、计算复杂性
时间复杂度、空间复杂度)
P=NP?问题(千禧年数学难题)
计算模型
图灵机、冯·诺依曼机
量子计算模型、生物计算模型
计算科学的数学基础
离散数学：数理逻辑、集合论
代数系统、图论
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计算思维
教学改革
计算思维导论教学内容
第三章 算法基础
算法的概念：算法的起源、定义、特征
算法的描述：自然语言、流程图、伪代码、程序语言
算法的设计： 穷举法(案例：四色定理、百钱买百鸡)
回溯法(案例：网络爬虫、八皇后问题)
递归法(案例：德罗斯特视觉效应、Fibonacci数列)
贪心法(案例：田忌赛马、最小生成树)
分治法(案例：二分查找，谷歌的MapReduce技术)
动态规划(案例：GPS寻找最优路径，Fibonacci数列)
算法的评价和分析：算法正确性、复杂度分析(时间/空间)
算法中的数学工具：求和公式、递归方程求解等
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计算思维
教学改革
计算思维导论教学内容
第七章 计算文化与计算机职业道德教育
计算文化： 计算文化与专业素质、计算文化教育和素质、信息素养
人类对计算本质认识：计算手段器械化、计算过程形式化
计算执行自动化
计算文化历史：其人其事、历届图灵奖获得者
计算机的发展历史与发展启示
网络文化： 网络文化的内涵、特征、功能，以及产业化
网络文化消费：网络游戏、网络音乐或电影、网络文学
人肉搜索与自组织理论、网络舆情分析与引导
社会计算与平行系统
计算机职业道德教育：
道德和职业道德、计算机职业道德、计算机专业职位
计算机伦理、网络伦理、计算机知识产权
网络隐私与自由、计算机犯罪
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计算思维导论教学内容
计算思维
教学改革
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教材内容（广西科技大学 唐培和）
–
计算思维概论
–
计算思维之计算(理论)基础
–
计算思维之逻辑基础
–
计算思维之方法学
–
计算思维之算法基础
–
程序设计中的特定思维
–
其他学科中的计算思维
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计算思维
教学改革
计算思维导论教学内容
教材内容（广西科技大学 唐培和）

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–
–
–
计算思维：广义计算思维、狭义计算思维。
广义计算思维，在吸收计算学科丰硕成果的基础上，更
侧重于哲学的角度，从辩证法、认识论、逻辑学的角度
去理解，在更广泛的领域去应用，从而在体系、内容和
研究方法等方面更具实践性、科学性和时代性。
狭义计算思维，从计算学科的方法论出发，讨论借助于
计算机这一特定的工具如何求解客观世界的实际问题。
这里涉及特定的思想、方法、理论和技术。
本书以狭义计算思维为主，广义计算思维为辅。毕竟学
习计算思维导论的首要目的是利用计算及计算机技术更
好地解决将来所面临的各种实际专业问题。
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计算思维导论教学内容
计算思维
教学改革

教材内容（哈尔滨工业大学 战德臣）
–
引论(计算、计算科学)
–
计算系统的基本思维
–
问题求解框架
–
算法与复杂性
–
数据抽象、设计与挖掘
–
计算机网络、信息网络与网络化社会
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大学计算机教学内容
计算思维
教学改革

教材内容（西安交通大学 李波）
–
符号模型的数学描述
–
什么是信息
–
什么是计算
–
什么是智能
–
问题求解
–
算法及数据结构
–
计算思维
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计算思维
教学改革
大学计算机教学内容
教材内容（西安交通大学 李波）

–
2008年周以真教授在Communication of ACM上发表Five
deep questions in computing，提出计算机学科的五个基
本问题：Does P equal NP?
What is computable?
What is intelligence?
What is information?
(How) can we build complex systems simply?
–
本书选择了什么是信息、什么是计算、什么是智能这三
个问题作为核心内容进行阐述和讨论，希望对计算机学
科的基本问题和理论基础有初步的了解和正确的认识。
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汇报提纲
计算思维
教学改革
1
计算思维概念的引入
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大学计算机教学内容
3
大学计算机必修模块
4
总结与反思
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计算思维
教学改革
模块1 算法思维/算法学
 算法思维通常被认为是解决问题的过程性思维方法
 科学计算问题的一般过程
实际问题
数学模型
数值计算/算法设计
程序设计
许多科学领域的问题求
解，如计算物理学、计
算力学、计算化学、计
算经济学和计算社会学
等都可以归结为数值计
算／算法设计与分析等
问题。
计算结果
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计算思维
教学改革
模块1 算法思维/算法学
 算法学分类
–
–
–
数值算法 （课程：数值计算方法）
求解线性方程组、数值积分等，有特定的计算步骤
非数值算法（课程：算法设计与分析）
求解判定问题、最优化问题等，掌握算法设计技术
软计算方法（课程：计算智能）
遗传算法、粒子群算法、蚁群算法、人工神经网络
 为什么要学习算法？
–
–
–
算法是计算机的灵魂
算法是数学机械化的一部分，能够解决复杂的计算问题
算法作为一种思想，能锻炼人们的思维，使思维变得更
清晰、更有逻辑
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计算思维
教学改革

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
模块2 网络科学/网络思维
网络技术→网络科学→网络思维
网络技术：网络的一般概念和体系结构、搜索引擎、电子
邮件、电子商务、即时通讯、信息安全、云计算等；
其他专题：社交网络、舆情分析、人肉搜索、网络营销、
网络文学、网络数据分析、社会安全事件、群体智慧等。
网络科学：研究网络结构或动态行为并将网络应用到许多
子领域的理论基础，这里的子领域包括社会网络、协作网
络、人造的涌现系统（电力网、互联网）和生命科学系统
（传染病、遗传学）等。
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计算思维
教学改革
模块2 网络科学/网络思维

网络思维：将一个看来困难的问题转换为图论中的经典
问题，从而获得解决问题的方法。它是通过某种联系将
个体组成一个系统。其特征：开放性、协同性和系统性

网络思维是认识网络世界的世界观与方法论，是群体思
维和社会思维。

网络科学之美：围绕复杂网络的共性拓扑特征所体现和
阐述的网络科学与艺术存在的统一之美。

以网络拓扑建模为例阐述了网络科学的简洁之美，以网
络应用为例阐述了网络科学的协作之美，以社会学习为
例阐述了网络科学的包容之美，以网络控制为例阐述了
网络科学的可控之美。
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计算思维
教学改革
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
模块3 数据思维/数据科学
大数据时代--生活、工作与思维的大变革
麦肯锡咨询公司给出的大数据定义是：
大数据是指所涉及的数据集规模已经超过了传
统数据库软件获取、存储、管理和分析的能力
大数据的特征：大容量、多样性、高价值、快速度
大数据的技术架构：
CS 2013
云计算系统：
领域知识：14→18
IaaS 基础设施即服务
Systems Fundamentals
PaaS 平台即服务
计算机系统基础
SaaS
软件即服务
系统能力
构建→认知
系统思维
AaaS
分析即服务
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计算思维
教学改革
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
模块3 数据思维/数据科学
数据科学：简单地理解为预测分析和数据挖掘，是统计
分析和机器学习技术的结合。
数据分析师／数据科学家：负责分析和解释数据集，帮
助企业快速而有效地获得对大数据的洞察力。
大数据研究的科学意义：
数据是与自然资源、人力资源一样重要的战略资源，隐
含巨大的经济价值，推动大数据研究的动力主要是企业
经济效益。
数据研究能成为一门科学的前提是：在一个领域发现的
数据相互关系和规律具有推广到其他领域的普适性。
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汇报提纲
计算思维
教学改革
1
计算思维概念的引入
2
大学计算机教学内容
3
大学计算机必修模块
4
总结与反思
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计算思维
教学改革
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
总结与反思
美国能源部报告认为：高端计算目前已经与理论研究、
实验手段一起，成为获得科学发现的三大支柱。因此，
理论科学、实验科学和计算科学是推动人类文明进步和
科技发展的重要途径。
三种科学对应三类思维
理论科学←→理论思维(逻辑思维)
实验科学←→实验思维(实证思维)
计算科学←→计算思维(构造思维)
计算思维包括：算法思维、网络思维、数据思维、
系统思维、……
周以真定义：计算思维是运用计算机科学的基础概念
去求解问题、设计系统和理解人类行为的涵盖计算机
科学之广度的一系列思维活动。
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计算思维
教学改革
总结与反思

计算思维的教育方式

众所周知，让学生潜移默化地掌握计算思维，无疑是最
佳选择，这与环境塑造人的道理是一样的。

潜移默化是需要环境、需要时间、需要过程的。非计算
机专业的计算机基础教育，课程门数和学时有限，如何
潜移默化？

不少专家主张先分学科大类（理工、农林、医药、人文
社科、艺术等），再将计算思维按类分别融入大学计算
机基础课程中。

周以真认为：计算思维是面向所有的人、所有地方（领
域），那么有必要按学科分类实施吗？
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计算思维
教学改革
总结与反思

《办公软件高级应用》章节目录

对比左右两本教材的章节目录不难发现，右边的教材比左
边的教材更侧重于方法传授，而不全是操作技能。这样，
也就体现了计算思维的概念，即计算科学的思想和方法。

韩国人做PPT非常好看，同时与演讲结合起来提高到表达
的艺术，我国有位作者将PPT提高到视觉思维能力等。

我们要改变以前只讲软件工具或操作技能，不讲设计方法
和计算思维等旧的教育观念。

真正做到授人以鱼，不如授之以渔。
----出自中国古代道家学派著作《老子》
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计算思维
教学改革
总结与反思

大学数学→微分学、积分学、线性代数、概率统计等

大学物理学→力学、热学、电磁学、光学、宇宙学等

大学计算机→算法学、网络学、数据学、…………等

计算机科学与技术专业8门核心课程
离散数学、数据结构与算法
操作系统、数据库系统、计算机网络
计算机组成原理、程序设计基础、软件工程

机械工程专业（机械设计制造及其自动化）
机械制图、机械原理、机械设计、工程力学、……等
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