计算思维：-大学计算教育的振兴-科学工程研究的创新图文新版PPT课件

.,1,计算思维：大学计算教育的振兴科学工程研究的创新,陈国良,南京邮电大学,.,2,摘要：本报告首先简单介绍一下科学与思维的概念、两者的关系以及科学思维是一切科学与技术创新的灵魂；然后详细讲解计算思维的定义、实例、特征以及对其他学科的影响；最后阐述计算思维是振兴大学计算教育的途径以及计算思维促使科学与工程领域产生革命性的创新成果。,.,3,目录科学与思维科学与思维的含义人类文明进步和科学发现的三大科学科学思维计算思维计算思维的定义计算思维的例子计算思维的特征计算思维对其他学科的影响计算思维是大学计算教育振兴的途径大学计算机基础教育的重要性大学计算机基础教学存在的问题计算思维在美国：PITAC报告，BPC、CPATH和CE21计划计算思维在我国：中国高等学校计算机基础课程教指委工作实例研究：大学计算思维课程的总体框架计算思维与科学发现和技术创新美国NSF的EHRi=10;i+)sum1.10total+=i,25,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(14),计算机硬件基础布尔逻辑与门电路布尔逻辑和运算门电路基础数制与运算各种数制的转换数据的存储与表示存储容量单位ASCII码原码、反码和补码计算机组成CPU主存、外存和存储体系I/O设备指令系统及执行,26,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(15),计算机软件基础软件分类操作系统操作系统的定义和功能操作系统的历史、分类和常见操作系统竞争控制数据库系统数据库系统基础关系模型数据挖掘入门办公软件简介WordExcelPowerPointAccess教学环节课堂讲授：自编参考教材课堂练习：不掉电的计算机科学课堂讨论：拓展知识、前沿课程考核：笔试口试小论文,27,四、计算思维与科学发现和技术创新(1),美国NSF的EHR&CISE学部：美国NSF的EHR(Education&HumanResources)局的使命为21世纪培养和造就科学家、技术人员、工程师、数学家和教育工作者等范围广泛的、训练有素的劳动大军，以及具有科学素质的、能够把握科学技术的思想和工具的现代公民。支持所有科学与工程领域中的教育、研究以及基础设施（Infrastructure）的开发。提升全体公民的生活质量，提升国家的健康、繁荣、福祉和安全。美国NSF的CISE(Computer&InformationScience&Engineering)局的使命在计算机与信息科学及工程方面使美国保持世界领先地位。促使理解和利用先进的计算机、通信和信息系统，为全社会提供服务。,28,四、计算思维与科学发现和技术创新(2),对计算思维的进一步理解：计算思维是利用泛指的计算（CS、CE、C、IS、IT等）的基础概念，求解问题、设计系统、理解人类行为的一种方法（Approach），是一类AnalyticalThinking。它合用（Share）了数学思维（求解问题的方法）、工程思维（设计、评价大型复杂系统）和科学思维（理解可计算性、智能、心理和人类行为）。计算时的抽象概念比数学、物理科学中的意义要丰富和复杂；抽象是分层的（为此要定义介面和关系）；抽象最终要在受限的物理世界中实现的；Abstractionsarethementaltoolsofcomputing.Thepowerofthementaltoolsisamplifiedbythepowerofmetaltools。计算是抽象的自动执行；自动化隐含着需要某类计算机（可以是机器或人，或两者的组合）去解释抽象。从操作侧面上，计算涉及到回答“如何寻找一台计算机去求解问题？”隐含地回答此问题就是确定合适的抽象，选择合适的某类计算机去解释执行该抽象，后者的过程就是自动化。所以计算思维的本质是抽象与自动化（2A）。计算的三种驱动力是科学、技术和社会，三者互相作用影响：科学的发现催生技术发明促进社会应用；反之，技术发明产生新的社会应用促进新的科学发现。,29,四、计算思维与科学发现和技术创新(3),问题求解、系统设计和行为理解中的计算思维求解问题中的计算思维利用计算的手段求解问题的过程首先要把实际应用问题转换为数学问题（可能是一组PDE）其次将PDE方程离散化为一组代数方程组然后建立模型、设计算法、编程实现最后在具体的计算机上运行求解计算求解问题过程中的计算思维中的前两步可谓是计算思维中的抽象(Abstract)中的后两步可谓是计算思维中的自动(Atomation)设计系统中的计算思维Karp的观点：任何自然系统和社会系统都可视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量和信息的交换，这种交换可映射（也就是抽象）为符号变换，使之能利用计算机进行离散的符号处理。当动态演化系统抽象为离散符号系统之后，就可采用形式化的规范描述，建立模型、设计算法、开发软件，来揭示演化的规律，并实时控制系统的演化，自动执行，这就是计算思维中的自动化。,30,四、计算思维与科学发现和技术创新(4),理解人类行为中的计算思维（利用计算基础概念-计算机网络科学去理解人在网络环境下的行为）人类所处的环境变迁与人类行为表现封建社会自给自足的封闭式环境资本主义社会的开放环境近代社会的网络环境利用计算的手段来研究人类的行为，可视为社会计算(Cyber-SocietyComputing)，即通过各种信息技术手段，设计、实施和评估人与环境之间的交互。社会计算涉及到人们的交互方式、社会群体的形态及其演化规律等问题。研究生命的起源与繁衍，理解人类的认识能力，了解人类与环境的交互，研究传染病毒的结构与传播以及国家的福利与安全等等都属社会计算的范畴，这些都与（计算）思维科学密切相关。使用计算思维的观点对当前社会计算中的一些关键问题进行分析与建模，尝试从计算思维的角度重新认识社会计算，找出新问题、新观点和新方法等。,31,四、计算思维与科学发现和技术创新(5),美国CISE局启动的CDI(Cyber-EnabledDiscoveryandInnovation)计划目的、项目与财年2008年NSF启动了“通过网络实现的科学发现与技术创新”(CDI)的5年研究计划，是实现计算思维的第一个美国NSF重大计划。目的：通过计算思维的创新和进步（包括概念、方法、模型、算法、工具和系统等），对科学与工程领域产生新理解、新模式，创造革命性的研究成果。项目与财年：2008年批准了共72个项目，经费为4200万美元；2009年投入了3300万美元；2010年预算为5000万美元，后增加了1637万美元。2010年度的CDI计划“网络物理系统”（CPS）：CPS包括自动汽车、智能的高效能建筑物、嵌入式医疗设备、辅助老年人的技术、提高生活质量的机器人等。数据密集型计算探索新的基础数学和计算抽象科学以表征和管理数据。支持科学与工程应用中的数据挖掘、数据整合和数据提取等跨学科项目。开展数据可视化和数据发布工具的基础科学研究。新兴的数据密集型计算模式云计算的研究。,32,四、计算思维与科学发现和技术创新(6),CDI计划支持的三大主题从数据到知识（FromDatatoKnowledge）：增进人类的认识和从丰富的异构数字化的数据中产生新的知识。理解自然、人工和社会系统的复杂性（UnderstandingComplexityinNatural,Built,andSocialSystems）：对此三大系统产生根本性的认识。虚拟组织（VirtualOrganizations,VO）：将不同结构、不同地域和不同文化的人群和资源联系在一起，进行科学发现和创新。,33,四、计算思维与科学发现和技术创新(7),研究示例网络科学（NetworkScience）：网络科学系从经济理论、多尺度分析、网络信息理论等衍生出来的。需要发展基础理论来开发、理解、建模和分析大规模复杂异构网络的工具。这样的网络，包括Internet网（跨地域，跨人工、社会和自然系统）、生物网络（对它的理解还很初级）和复杂耦合网络（包括通信系统、人类大脑和社会网络）等。网络科学覆盖了CDI的三大主题：大量跨越多时空尺度的网络数据集的知识模式。人工的、社会的和自然的网络体现了复杂系统的交互。由网络组成的虚拟组织自身在不同的交互尺度反过来来研究网络。虚拟实验室（VirtualLaboratory）高中的老师和学生可以通过所提供的建模与仿真系统的虚拟实验室来共同探索科学。他们可在虚拟实验室调研有关知识；也可以与远程班级互动。这种对科学教育的创新方法，有赖于安全的虚拟组织的突破和多学科的交叉方法等。,34,四、计算思维与科学发现和技术创新(8),计算思维研究在我国：2012年国家科技计划信息技术领域备选项目推荐指南里的“基础研究类”的先进计算中，我国学者推荐立项开展“新一代软件方法学及其对计算思维的支撑机理”的研究。中国高等学校计算机基础课程教学指导委员会从2010年下半年开始在合肥、济南、北京、深圳和杭州等会议上分别向教育部、基金委、科技部等建议立项开展“计算思维：确保学生创新能力”和“基于计算思维的复杂计算系统的认知构建”的研究。,35,五、结论(1),科学思维是一切科学研究和技术发展的创新灵魂；科学思维一般包括推理思维、实证思维和计算思维；计算思维不仅能振兴大学计算教育，而且会令科学与工程领域创造出革命性的(Transformative)研究成果。计算思维能改变大学计算机教育仍然沿袭几十年的教学模式，是大学计算教育振兴(Revitalized)的途径。可培养造就具有计算思维能力的、训练有素的科技人才、劳动大军和现代公民。通过多学科方法，使用计算思维在计算概念、方法、模型、算法、工具与系统等的创新和进步，或者创新地使用计算概念、方法、模型、算法、工具与系统等，对科学与工程领域产生新理解、新模式，从而可创造出革命性的研究成果。计算思维代表着人们的一种普遍的认识和一类普适的能力，不仅仅是计算机科学家，而是每一个人都应该热心地学习和运用它。计算思维的大学课程，不仅仅是面向计算机科学专业，而是面向所有的专业。一个人可主修英语或数学等，而工作可从事于各行各业；计算机科学也一样，一个人可主修计算机科学，而接着从事任何类型的工作。我们应当激发学生对计算机科学的兴趣、热爱和探索，积极传播计算机科学的快乐、崇高和力量，致力于使计算思维成为公众的常识，真正融入人类的一切活动中。,36,五、结论(2),我们应当积极行动起来，纠正计算机科学等同于计算机编程和认为计算机科学的基础理论已完成剩下的只是工程问题的错误观点，改变我们计算机科学的社会形象。当我们这样做时，计算思维就是引导着计算机教育家、研究者和实践者们的一个宏大愿景！“事在当代，利在千秋”！关于计算思维的研究：计算思维是利用计算的基础概念(FundamentalConcepts)求解问题、设计系统和理解人类行为的一种方法(Approach)。计算思维是人类求解问题的一条途径。尽管对计算思维的理解也有不同的看法，但是我们认为，现在不必过多地讨论、解释计算思维到底是什么，而是要回答计算思维能给计算机科学带来什么新内容和新发展。要从计算思维的角度，审视我们以前的有关研究工作，以期在此基础上提出新的理论和方法，获得一些用以往研究方法难以取得的突破性研究成果。在中文里，计算思维不是一个新名词。在我国，从小学到大学的教育中，计算思维经常被朦朦胧胧地使用，我们的老师在传播科学知识时，也自觉或不自觉地在传承着计算文化，却一直没有像周以真教授那样新颖、明确和系统地进行高度的概括和提升。我们传统的文化中有历史悠久的“算计”文化，褒贬不一。我们希望能借“计算思维”之东风，尽快把传统的世故人情的“算计文化”反正成为现代科学理性的