信息技术课程中计算思维

信息技术课程中计算思维第一页，共137页。高中信息技术课程标准

2003第二页，共137页。确定问题—搜索信息—处理信息—解决问题—归纳思想

1.知识与技能了解概念—应用工具2.过程与方法

3.情感态度与价值观形成信息思想—适应数字化发展最终形成：提升学生的信息素养作为课程总目标信息技术课程的要求第三页，共137页。第四页，共137页。信息加工与表达信息的获取信息资源管理信息技术与社会信息技术基础信息处理与交流第五页，共137页。算法与程序设计计算机解决问题的基本过程面向对象程序设计语言初步算法例举第六页，共137页。多媒体技术应用多媒体技术与社会生活多媒体信息采集与加工多媒体信息表达第七页，共137页。网络技术应用因特网应用网站设计与评价网络技术基础第八页，共137页。数据管理技术数据库应用系统数据库建立使用与维护数据管理基本知识第九页，共137页。人工智能初步知识及其表达推理与专家系统人工智能语言与问题求解第十页，共137页。一、《标准》不清晰的地方能力目标强调：学生利用信息技术解决问题的能力和技术的思想方法，但是能力特征不显著，思想方法不清晰。其一，信息技术课程的能力特征不显著。分析课程目标中的利用信息技术解决问题的过程，可以看出该过程不仅能够在信息技术课程中得以实施，同样也可以在其它课程中得以发展。Eg：“义务教育语文课程标准”就明确提出“为解决学习与生活中的相关问题。学生要能够利用图书馆、网络等信息渠道获取资料，初步了解查找资料和运用资料的方法”的学习要求在信息技术课程中，缺少了信息技术解决问题的独特方法，也就失去了其内在的特有价值。第十一页，共137页。其二，信息技术的思想方法不清晰。尽管《课程标准》中多次提到“信息技术基本思想与方法”的学习要求。Eg：“了解使用数据库管理信息的基本思想与方法”“掌握面向对象程序设计语言的基本思想与方法”“解释多媒体信息采集的基本工作思想”等。

但是这些思想方法的内在含意是什么？它们有哪些异同、又有什么样的表现性特征？在随后的实施建议和评价建议中都没有作进一步的解释和说明，缺少了对核心术语的清晰解释和表现性说明，所谓的技术思想方法的学习目标也就只能停留于课程标准的文本之中。第十二页，共137页。二、信息、技术课程内在价值的教学内容“简单化”分析《课程标准》的整体目标，信息技术课程的内在价值主要还是反映在培养学生利用信息技术解决问题的能力和信息技术思想方法上。从教学内容来看，无论是解决问题能力的培养，还是信息技术思想方法的养成，都离不开具体实践活动。《课程标准》所建议的“教科书内容密切联系实际，结合学生的现实生活与学习实践以及当地的社会发展，适度设置真实性的学习任务、典型案例或研究性课题”。现状调研表明，反映信息技术内在价值的教学内容却还存在着“步骤化”和“程序化”的不足。 第十三页，共137页。具体表现为：其一，“能力培养”简化为“步骤学习”将信息技术解决问题的过程固化为几项基本活动步骤，利用信息技术解决问题能力也就简化成了活动步骤的学习。事实上，现实生活中的信息问题不仅包括结构性问题，也包括非结构性问题和半结构性问题。固化的活动步骤不仅不利于学生对非结构和半结构问题的理解，反而会封闭学生信息技术的创新意识。其二，“思想方法”简化为“程序设计”由于《课程标准》并没有对信息技术思想方法进行清晰的表述，这在一定程度上也弱化了技术思想方法的培养，给教学内容的安排设置了误区。其中一些算法与程序设计的教科书过于强调变量、函数、语句结构等编程语言和程序结构的技能，忽视了其内在的“算法思想”（例如模型建设、数据抽象等）的渗透。课程标准中所要求的“学生进一步体验算法思想，了解算法在解决问题过程中的地位和作用”也就很难得以实现。第十四页，共137页。三、信息技术课程内在价值实施方法的“形式化”信息技术课程的内在价值主要是通过学校的日常教学得以实现的，教学方法的设计与实施直接影响着课程内在价值的落实。《课程标准》在教学实施建议中也提出“信息技术课堂教学中，要通过问题解决的活动激发学生的学习动机，发展学生的思维能力、想象力以及自我反思与监控的能力”。但是课堂观察却发现其一：“教师讲，学生练”依然是教学组织的主导方式，“技术操练式”的教学方法依然为教师所倚重

即使是在探究性活动过程中，教师更多的也是分步骤地将探究问题、解决过程、方法策略，乃至作品案例呈现给学生。当学生作品呈现出“千篇一律”的格式时，发展学生的思维能力、想象力、自我反思与监控能力也就无从说起。第十五页，共137页。其二：技术思想方法的活动还流于形式。尽管一些教师也希望在课堂教学中开展基于真实情境的问题探究活动，引导学生体验信息技术的内在方法特征，发展学生信息技术的思想方法，借以落实信息技术课程的内在价值。但是，由于受课时结构、学校教学资源的限制，大部分探究性学习活动也还停留于肤浅化的表面。教学过程过于注重学习活动的组织形式，忽视学生的学习实效，过于强调活动过程的外在表象，弱化学生信息技术实质方法的思考，这也就导致了“为探究而探究，为活动而活动”的学习假象。第十六页，共137页。信息技术课程所表现出的内在价值的现实问题既受当时社会需求的影响(21世纪初期，信息技术课程主要还是处于“信息扫盲阶段”)，也局限于人们对信息技术属性特征认识的不足。

近年来，随着信息技术应用普及和课程研究的深入，越来越多的学者对信息技术课程内在价值的具体性和教学的可操作性进行了深入的探讨。第十七页，共137页。如何体现信息技术课程的价值呢？西蒙·派珀特第十八页，共137页。西蒙的最著名的成就之一是于1968年发明的LOGO编程语言（LOGOprogramminglanguage）。1970年与其同事合著了人工智能著作《认知器演算法》(Perceptrons)。自20世纪70年代开始，他一直致力于通过LOGO语言帮助儿童成为他们自己“智力建设”的建设者。在其1980年出版的著作《头脑风暴：儿童、计算机及充满活力的创意中，他系统阐述了自己的建构主义观Learningbymaking，在他看来，好的教育不是如何让老师教得更好，而是如何提供充分的空间和机会让学习者去构建自己的知识体系。西蒙·派珀特把计算机作为帮助学习者形成算法、解决问题并在此过程中学习和锻炼智力的强有力的工具。当我们还在讨论要不要将电脑进入课堂，要不要上网的时候，西蒙与其麻省理工的同仁已经将触角伸向了更深的更高的层次：问题不是要不要，而是要如何实现“人手一本”，也即“一个孩子一台笔记本电脑”。第十九页，共137页。第二十页，共137页。1981年，前苏联计算机教育学家叶尔肖夫就曾预言“人类必将会生活在一种程序设计的世界里。在这个世界里，人类文化与程序设计不仅并行存在，而且会相互联系，融合为一种全新的人类思想”。王吉庆——《信息素养论》记载第二十一页，共137页。第二十二页，共137页。人们生活与学习数据抽象和自动化处理计算科学第二十三页，共137页。计算思维的提出JeannetteM.Wing,

ComputationalThinking,CommunicationsofACM,Vol.49,No.3,2006,pp.33-35.卡内基梅隆大学教授、ACMFellow，IEEEFellow，兼任美国国家科学基金会主管计算机与信息科学与工程学部的副主任第二十四页，共137页。计算思维(ComputationalThinking，CT)

周以真认为：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了计算机科学之广度的一系列思维活动。25第二十五页，共137页。针对上述定义解释如下：

①求解问题中的计算思维利用计算手段求解问题的过程是：首先要把实际的应用问题转换为数学问题，可能是一组偏微分方程，其次将PDE离散为一组代数方程组，然后建立模型、设计算法和编程实现，最后在实际的计算机中运行并求解。前两步是计算思维中的抽象，后两步是计算思维中的自动化。26第二十六页，共137页。②设计系统中的计算思维

R.Karp认为：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，这种交换可以映射为符号变换，使之能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后，就可以采用形式化的规范描述，建立模型、设计算法和开发软件来揭示演化的规律，实时控制系统的演化并自动执行。

27第二十七页，共137页。③理解人类行为中的计算思维

王飞跃认为(中科院)：计算思维是基于可计算的手段，以定量化的方式进行的思维过程。计算思维就是应对信息时代新的社会动力学和人类动力学所要求的思维。在人类的物理世界、精神世界和人工世界等三个世界中，计算思维是建设人工世界需要的主要思维方式。利用计算手段来研究人类的行为，可视为社会计算，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。波尔普的三个世界观点28第二十八页，共137页。计算思维的本质抽象(Abstract)、自动化(Automation)。它反映了计算的根本问题，即什么能被有效的自动进行。

计算是抽象的自动执行，自动化需要某种计算机去解释抽象。从操作层面上讲，计算就是如何寻找一台计算机去求解问题，隐含地说就是要确定合适的抽象，选择合适的计算机去解释执行该抽象，后者就是自动化。

29第二十九页，共137页。计算思维与计算机的关系计算思维虽然具有计算机的许多特征，但是计算思维本身并不是计算机的专属。实际上，即使没有计算机，计算思维也会逐步发展，甚至有些内容与计算机没有关系。但是，正是由于计算机的出现，给计算思维的发展带来了根本性的变化。

30第三十页，共137页。把计算机科学提升到科学思维层面进行研究被认为是近十年来产生的最具有基础性、长期性的学术思想，将成为21世纪计算机科学研究的热点第三十一页，共137页。为什么计算思维的提出得到如此高的评价呢？第三十二页，共137页。计算思维在美国产生的背景(1)2005年6月美国的PITAC报告 2005年6月，美国总统信息技术咨询委员会（PITAC）给美国总统提交了报告《计算科学：确保美国竞争力》（ComputationalScience:EnsuringAmerica’sCompetitiveness）。(1)报告写道：虽然计算本身也是一门学科，但是其具有促进其他学科发展的作用。二十一世纪科学上最重要的、经济上最有前途的研究前沿都有可能通过熟练的掌握先进的计算技术和运用计算科学而得到解决。(2)报告认为：如今美国又一次面临了挑战，这一次的挑战比以往来得更加广泛、复杂，也更具长期性。美国还没有认识到计算科学在社会科学、生物医学、工程研究、国家安全，以及工业改革中的中心位置。这种认识不足将危及美国的科学领导地位、经济竞争力以及国家的安全。(3)报告建议：将计算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位。33第三十三页，共137页。计算思维在美国产生的背景(2)2005年底至2006年初美国四大区的报告及建议(1)针对“计算学科与日俱增的重要性与学生对计算学科兴趣的下降”，美国NSF组织了计算教育与科学领域，以及其他相关领域的专家分四个大区（东北、中西、东南、西北）进行研讨，形成四份重要报告：ReportofNSFWorkshoponIntegrativeComputingEducationandResearch(ICER)NortheastWorkshopReportofNSFMidwestRegionWorkshoponICER:PreparingITGraduatesfor2010andBeyondReportfromtheSoutheastRegionWorkshoponICER:PreparingITGraduatesfor2010andBeyondICERFinalReportoftheNorthwestRegionalMeeting(2)内容及建议：以上四个文件分析了美国计算教育出现的问题，报告建议在美国国家科学基金的资助下全面改革美国的计算教育。以下两个问题和一个建议值得我们注意：大学第一年计算机课程的构建问题；多学科的融合问题；报告建议加强美国中小学学生抽象思维与写作能力的训练，目的，使学生平稳过渡到大学的学习。34第三十四页，共137页。计算思维在美国产生的背景(3)2007年美国NSF的CPATH计划CPATH（PathwaystoRevitalizedUndergraduateComputingEducation，大学计算教育重生的途径）计划认为：计算普遍存在于我们的日常生活之中，培养未来能够参与全球竞争、掌握计算核心概念的美国企业家和员工就变得非常重要。CPATH计划认为：尽管有的研究机构和大学对此做出了卓越的、开创性的工作，但目前美国更多的大学计算教育仍然沿袭的是几十年前的教学模式。鉴于此，NSF2007年启动了CPATH计划，当年投入600万美元，2008年投入500万美元，2009年投入1000万美元，力图改变这种情况。经过2007年和2008年的资助和项目实践，CPATH认识到“计算思维”在计划中所起的独特的重要作用，因此，对2009年申报的项目提出了更为具体的以“计算思维”为核心的要求。2008年美国NSF的CDI计划CDI（Cyber-EnabledDiscoveryandInnovation，计算使能的科学发现和技术创新）是美国国家科学基金会的一个革命性的、富有独创精神的五年计划，该计划旨在通过“计算思维”领域的创新和进步来促进自然科学和工程技术领域产生革命性的成果。CDI计划2008年启动，当年批准了共计4200万美元的72个项目的立项申请，2009年投入2600万美元，2010年投入3600万美元。35第三十五页，共137页。目前国内外“计算思维”在信息技术课程中的培养问题处于什么状态？

计算思维的研究及其进展；

计算思维的思维属性和计算特征对计算学科知识建构的影响研究；

第三十六页，共137页。计算思维在我国(1)中国2050年信息科技发展路线图由李国杰院士任组长的中国科学院信息领域战略研究组撰写的《中国至2050年信息科技发展路线图》中对“计算思维”给予了足够的重视，认为，计算思维的培育是克服“狭义工具论”的有效途径，是解决其他信息科技难题的基础。长期以来，计算机科学与技术这门学科也被构造成一门专业性很强的工具学科，“工具”意味着它是一种辅助性学科，并不是主业。这种狭隘的认知对信息科技的全民普及极其有害。37第三十七页，共137页。计算思维在我国(2)计算机科学的变革：

孙家广院士在“计算机科学的变革”一文中指出：(计算机科学界)最

具有基础性和长期性的思想是“计算思维”(ComputationalThinking)。国家自然科学基金委员会信息科学部二处处长刘克教授，强调了在大学中推进“计算思维”这一基本理念的必要性。中国科学院计算技术研究所研究员徐志伟总工认为：计算思维是一种本质的、所有人都必须具备的思维方式，就像识字、做算术一样；在2050年以前，让地球上每一个公民都应具备“计算思维”的能力。中科院自动化所王飞跃教授率先将“计算思维”引入国内，翻译了周以真教授的“计算思维”，撰写了相关的“计算思维与计算文化”。他认为：在中文里，计算思维不是一个新的名词。在中国，从小学到大学教育，计算思维经常被朦朦胧胧地使用，却一直没有提高到周以真教授所描述的高度和广度，以及那样的新颖、明确和系统。他希望我们能借“计算思维”之东风，尽快把中国世故人情的“算计文化”反正成为科学理性的“计算文化”，以提高我们民族的整体素质。38第三十八页，共137页。计算思维在我国(3)中国高等学校计算机基础课教学指导委员会的近期工作：2010.5：在合肥会议上讨论了培养高素质的研究性人才，“计算机基础”这门课程应该包含哪些内容，如何将计算思维融入到这门课程中？2010.7：在西安会议上发表了《九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明》，确定了以计算思维为核心的计算机基础课程教学改革。2010.9：在太原会议上决定了将合肥会议和西安会议中有关计算思维的讨论形成书面材料，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：在济南会议上，将在全国更大范围内，深入讨论以计算思维为核心的基础课教学改革，并将太原会议的初步材料加以讨论和修改后正式上报教育部袁贵仁部长，并“以计算思维能力培养为核心推进大学通识教育改革的研究与实践”为项目，建议立项研究。2011.06：在北京“以计算思维为导向的计算机基础课程建设”研讨会上，组织有关高校围绕“计算思维的实质”和“如何在计算机基础教学的第一门课程中体现计算思维能力的培养”进行了讨论。39第三十九页，共137页。计算思维的思维属性和计算特征对计算学科知识建构的影响研究第四十页，共137页。计算思维课程在中国高校中正式开始实践：上海交大（2010年秋季）和南方科大（2011年春季）正在试开新型计算机基础课程——“计算机科学导论：计算思维”。自此，我们国家对计算思维的研究算是进入了一个新的时代——众多教育学者开始探讨并深入研究计算机科学中的计算思维。第四十一页，共137页。计算思维在国外（美）2006年3月，美国卡内基•梅隆大学计算机系主任周以真（JeannetteM.Wing）教授在美国计算机权威杂志ACM《CommunicationoftheACM》上发表并定义了计算思维（ComputationalThinking）；JeannetteWing教授于2007年成立了卡内基梅隆计算思维中心，并在国家科学基金内部设立了资助项目以推进计算思维的进步

2010年，她从新定义计算思维是与形式化问题及其解决方案相关的一个思维过程，其解决问题的表示形式应该能有效地被信息处理代理执行。

2012年11月21日，微软宣布正式聘请JeannetteWing博士担任微软国际研究部门副总裁，并于2013年1月就任，这标志她将从学术界转向产业界，这也标志，计算思维这一引起热议的“概念”将不在局限于学术研讨。

第四十二页，共137页。计算思维在国外（美）2007年，美国“21世纪技能合作组织”(Partnershipfor21stCenturySkills，P21)整合21世纪学习者应具备的基本技能，制定了“21世纪技能框架”(Frameworkfor21stCenturyLearning)，阐明培养学生数字素养在现代社会的重要性。2008年，美国计算机协会（ACM）在网上公布对CC2001（CS2001）进行的中期审查报告（CS2001InterimReview）（草案）中，就明确将“计算思维”与“计算机导论”课程绑定在一起，并明确要求该课程讲授计算思维的本质。2011年，美国国际教育技术协会(InternationalSocietyforTechnologyinEducation，ISTE)联合计算机科学教师协会(ComputerScienceTeachersAssociation，CSTA)基于计算思维的表现性特征，给出了一个操作性定义：“计算思维是一种解决问题的过程，该过程包括明确问题、分析数据、抽象、设计算法、评估最优方案、迁移解决方法六个要素”。

第四十三页，共137页。计算思维在国外（美）2011年，CSTA发布《美国中小学计算机科学标准》(K-12ComputerScienceStandards)，提出一个完整的计算机教育框架，该框架将计算思维、计算实践和编程纳入学科基本主线，帮助学生拓宽计算视野，理解计算机科学的基本原理和方法。此标准为中小学计算思维教育的开展提供了结构框架和内容指导。

第四十四页，共137页。“计算思维是解决问题的一种过程，它包括如：如下特征(但不限于这些特征)：(1)确认所需解决的问题，并通过计算机和其它工具来解决问题；(2)符合逻辑地组织和分析数据；(3)通过抽象(例如模型、防真)的方法来表示数据；(4)通过算法(一系列有序的步骤)支持自动化的解决方案；(5)识别、分析和实施各种可行的解决方案，并整合这些最有效的方案和资源；(6)将该问题的求解过程进行推广，迁移到更广泛的问题解决与应用中”。第四十五页，共137页。美国国家科学基金会（NSF）、国际教育技术协会（ISTE）、美国国家科学研究委员会(NationalResearchCouncil，NRC)、CSTA计算思维工作小组(CSTAComputationalThinkingTaskForce)等多个研究机构对计算思维展开探索研究，为计算思维教育及推广提供资源和工具支持。第四十六页，共137页。2012年，南加州大学PaulS.Rosenbloom教授做了一场特别的计算研讨会——“计算，第四大科学领域”，引起了较大的反响。第四十七页，共137页。

英国计算机学会(BCS,BritishComputerSociety)也组织了欧洲的专家学者对计算思维进行研讨，提出了欧洲的行动纲领。英国的UniversityofSussex也基于计算思维方法探讨了一系列关于计算机科学的问题，匹兹堡——2011年度计算机研究协会（CRA）杰出服务奖将颁发给卡内基梅隆大学的JeannetteWing教授，以表彰其帮助定义了计算机科学的现状和可能的发展。

计算思维在国外（英）计算思维不仅影响着美国，也影响着英国，在英国的爱丁堡大学，人们在一连串的研讨会上探索与计算思维有关的主题。研讨会上所涉及的学科已延伸到哲学、物理、生物、医学、建筑、教育等各个不同的领域。第四十八页，共137页。

2012年1月11日，英国教育部长MichaelGove在教育培训与技术展会(BritishEducationalTrainingandTechnologyShow，BETT)上宣布将对英国中小学计算机教育展开全面改革。2012年3月，英国学校计算课程工作小组(ComputingatSchoolWorkingGroup，CAS)提出将计算思维作为“学校计算机和信息技术课程”的一项关键内容，并在研究报告中阐述：计算思维是识别计算，应用计算工具和技术理解人工信息系统和自然信息系统的过程，是逻辑能力、算法能力、递归能力和抽象能力的综合体现。

计算思维在国外（英）第四十九页，共137页。

2013年，南安普顿大学JohnWoollard研究员在“计算机科学教育创新与技术”(ITiCSE)会议报告中提出计算思维“是一项活动，通常以产品为导向，与问题解决相关(但不限于问题解决)。它是一个认知或思维过程，能够反映人们的抽象能力、分解能力、算法能力、评估能力和概括能力，其基本特征包括思维过程，抽象和分解”。2013年9月11日英国教育部正式颁布《国家课程：计算课程学习计划》(NationalCurriculuminEngland:ComputingProgrammesofStudy)。该计划重新定义ICT，明确界定了计算机科学、信息技术与数字素养的领域范围，强调计算机科学的重要性，并阐述计算课程的课程目标是引导学生理解和应用计算机科学的基本原理和概念；使用计算术语分析问题，具备编写计算机程序求解问题的实践经验；评价和使用信息技术；成为有责任、有能力、有自信、有创造力的ICT使用者。

计算思维在国外（英）第五十页，共137页。2014年6月，CAS深入分析计算思维的定义、核心概念、教学方法和评估框架，研制出计算思维培养框架，为中小学计算思维教育的开展提供指导作用。“计算思维是人们在人造(Artificial)信息系统和自然(Natural)信息系统的交互思考过程，它是人们逻辑能力、算法能力、递归(Recursive)能力、抽象能力的综合体现。良好的计算思维不仅有利于人们在信息化社会中的良好交流，也有利于人们批判性思维的发展，负责任地使用信息技术”第五十一页，共137页。2009年，新西兰教育部公布“技术背景知识和技能”(TechnologicalContextKnowledgeandSkills)计划，提出包括“编程与计算机科学”在内的五项数字技术核心培养内容，该计划于2011年开始在中学课程中实施。

2012年，澳大利亚课程、评估与报告管理局(AustralianCurriculum,AssessmentandReportingAuthority,ACARA)发布“中小学技术学科课程框架”(TheShapeoftheAustralianCurriculum:Technologies)，将数字素养纳入学生基本能力要求，框架明确指出数字技术课程的核心内容是应用数字系统、信息和计算思维创造特定需求的解决方案。2014年4月，新加坡政府推动Code@SG运动，旨在发展全民计算思维。计算思维在国外（其他）第五十二页，共137页。我国信息技术课程如何提体现计算思维第五十三页，共137页。现状分析——中小学计算思维教育开展的软硬件情况中小学信息技术教育实施论证报告[R].北京：基础教育课程教材专家工作委员会信息技术学科组,2013.2000年以来，我国已经初步形成了以信息技术课程为主干的中小学信息技术教育体系。目前，100%的高中、95%的初中和50%的小学开设了信息技术课程。通过“校校通”工程、“农村中小学现代远程教育工程”等工程项目的实施，中小学信息化基础设施得到持续改善，整体上基本能满足信息技术教育的需要。在师资上，中小学信息技术课师资总量持续增长，生师比逐年下降，城乡差异逐渐缩小。截至2010年底，全国共有小学信息技术专任教师10.8万人，初中信息技术专任教师8.8万人，高中信息技术专任教师3.8万人。2012年教育部高中信息技术课程标准实施情况调研结果显示，高中信息技术教师中具有本科以上学历，计算机、教育技术和数学相关专业教育背景的比例已达到90.9%。第五十四页，共137页。学生方面，大多数高中生在小学和初中就学习过信息技术课程，其中高达44.3%的学生认为《信息技术基础》与初中所学内容的重复比例在20%-50%之间。非零起点的高中生占据了较大比例，但是他们对信息技术课程的认识仍多停留在操作层面。肖广德,郭芳,樊磊,黄荣怀《普通高中信息技术课程标准》实施情况调研结果与启示[J].课程·教材·教法,2014现状分析——中小学计算思维教育开展的软硬件情况第五十五页，共137页。计算思维是一种运用计算概念和工具解决实际问题的过程第五十六页，共137页。它是一种需要系统培养、锻炼的科学思维方式，分析其特征和我国信息技术教育现状，可以将计算思维从方法习得、工具应用、思维迁移三个层面与中小学信息技术课程融合并落实第五十七页，共137页。其一，方法习得。

信息时代，计算方法渗透到了社会生产和生活的方方面面，为了帮助学生更好地理解和适应数字社会环境，信息技术课程的开设就不能只停留在肤浅的信息技能操练上，还需要帮助学生理解计算思维涵盖的一系列计算概念和方法，如递归、抽象、形式化等；引导学生识别隐藏在生活中的“计算”问题；培养学生运用算法思想高效解决问题的能力；锻炼学生使用流程图等工具清晰地表达个人思想等。第五十八页，共137页。其二，工具应用。这里的工具是指能够有效帮助人们理解和解决问题的思维工具，而不是用于处理信息的软硬件应用程序。计算思维是一种独特的能力组合，它的强大正是在于运用了多种推理方式，尽而可以完成很多事情的研究和开发。如分析问题的过程运用到了设计思维，从发现问题、分析问题到原型迭代，帮助我们更加明确问题需求；解决问题的过程则主要运用了算法思维和批判思维，从而能够形成更加有效、高效的解决方案。信息技术课程应当注重培养学生综合运用多种思维工具解决问题的能力，例如，让学生参与简单的产品研发实践，体验程序设计的实施过程，直观地感受计算思维。第五十九页，共137页。其三，思维迁移。

在信息技术课程中，不仅需要普及计算机科学概念，更需要引导学生将计算思维合理地应用至日常生活与学习之中，形成一种思维习惯。计算思维反映了计算机科学领域解决问题的思维过程，迁移到应用信息技术解决实际问题的情境中，主要表现为问题分析、工具选择、自动化解决方案、选择最优方案和通用解决方案可以通过运用这五大要素举例分析日常生活中真实的问题情境，让学生体验使用计算思维求解问题的一般过程和方法，最终达到能够在实际问题中灵活地迁移和应用计算思维的目标。第六十页，共137页。计算思维在信息技术教学中的有效落实，就需要明确计算思维的表现性特征，合理组织教学内容，研究可行的教学方法。第六十一页，共137页。1.建立计算思维的表现性标准在计算思维教学中，为了能明确学习结果，知道学习结束后应知和能做的内容，就有必要建立与之相对应的表现性标准。Eg1：美国计算机教师协会(CSTA)制定的“学校计算机课程标准”就建议6年级学生要能够“将计算Computing)理解为他们生活学习中的一部分”。与其对应的表现性标准为：理解利用算法解决问题的基本步骤(例如，问题陈述和探究、样本检测、设计、实施和测试)；通过“非计算机练习”(Computer-Free Exercise，不使用计算机)的方式来理解算法的基本概念；描述怎样用模拟方式去解决一个问题；当讨论一个大问题时，能够将其细化为一系列小问题等等Eg2：标准建议9年级学生要能够将“计算思维落实于具体的工具应用中，在创造数字作品过程中，学会使用程序概念和方法”。第六十二页，共137页。2.设计与标准一致性的教学内容教学内容与课程标准一致性是教学内容组织的一项基本原则，主要反映在“认识程度的一致性和知识要点的一致性”两个层面。从学生认知能力发展来看，不同年龄的学生对知识组织方式的接受程度存在着差异。eg：低年级学生比较容易接受图形、实物等组成的形象性学习内容，高年级学生则对程序设计语言、基本算法等抽象性学习内容具有较强的理解能力。因此，计算思维教学内容的组织上应与学生的认识水平相符合。第六十三页，共137页。教育心理学专家西蒙·派珀特(Seymour Papert)从学习心理认知过程探讨学生的思维发展，提出了“计算机可以将学生形式思维具体化”的观点，并针对小学阶段学生形象思维的心理特征设计出“发现谜宫之路(乌龟图形、机器人技术)按字母顺序安排一系列的词”等LOGO语言的学习内容，引导小学生在图形制作过程中感受“问题确定、模型分析、命令实施、修改完善”的计算方法。从知识的难易度来看，教学内容中的知识要点应与课程标准相符合，反映出课程标准的基本要求。第六十四页，共137页。3.组织实践探究性的教学活动在信息技术课程中，培育学生计算思维的最终目的是期望学生将这种思维方式合理地迁移至日常生活与学习之中，全面提升学生的信息素养。第六十五页，共137页。美国《中小学计算机科学标准》分段设计了计算思维的教学实施方案，建议在K-6年级，将学习内容设计成创造性和探究性活动，嵌入到社会科学、语言艺术、数学和科学课程中，7-9年级学校根据情况开设独立的计算机课程，也可以整合学科内容到其他课程中，10-12年级以必修课的方式达成学习目标。第六十六页，共137页。2014年9月，英国教育部使用新的教学大纲，将课程划分为四个阶段：K-2年级，理解算法概念，能够创建和调试简单的程序等，3-6年级，编程解决实际问题，了解计算机网络，有效使用搜索技术等，7-9年级，理解几个反映计算思维的关键算法，掌握1-2门程序设计语言解决计算问题，熟悉计算机组成等，10-11年级，培养计算机科学、数字媒体和信息技术的知识、能力和创造力，发展问题分析、解决、设计和计算能力等。第六十七页，共137页。基于计算思维的探究教学模式研究第六十八页，共137页。第六十九页，共137页。第七十页，共137页。模块二思维与科学思维第七十一页，共137页。一、思维的概念思维是精神地球上最美丽的花朵。1.2思维与科学思维

2.思维的组成思维原料(自然界)、思维主体(人脑)思维工具(认识的反映形式)

1.思维的定义

思维是人脑对客观事物的一种概括的、间接的反映，它反映客观事物的本质和规律。72第七十二页，共137页。

3.思维的特征

特征解释或说明概括性思维是在人的感性基础上，将一类事物的共同本质的特征和规律抽取出来，加以概括。如人们感知(日出东方、日落西山)，通过思维概括揭示是地球自转的结果。间接性指非直接的，以其它事物做媒介来反映客观事物。如根据医学知识和临床经验，医生询问病史和辅助检查，判断病情，作出治疗。能动性不仅能认识和反映世界，而且还能对客观世界进行改造。如人们不仅能认知宇宙速度，还能制造宇宙飞船飞向太空。1.2思维与科学思维73第七十三页，共137页。

4.思维的类型不同分类方式类别按照思维的进程方向横向思维、纵向思维发散思维、收敛思维按照思维的抽象程度直观行动思维具体形象思维抽象逻辑思维按照思维的形成和应用领域科学思维日常思维1.2思维与科学思维74第七十四页，共137页。二、科学思维

科学思维：指理性认识及其过程，即经过感性阶段获得的大量材料，通过整理和改造，形成概念、判断和推理，以便反映事物本质和规律。简而言之，科学思维是人脑对科学信息的加工活动。

科学思维的主要表现：①科学的理性思维②科学的逻辑思维③科学的系统思维④科学的创造性思维

1.2思维与科学思维75第七十五页，共137页。三、科学思维的分类1.2思维与科学思维类别解释或说明理论思维理论源于数学，理论思维支撑着所有的学科领域。正如数学一样，定义是理论思维的灵魂，定理和证明是其精髓，公理化方法是最重要的理论思维方法实验思维实验思维的先驱是意大利科学家伽利略，被人们誉为“近代科学之父”。与理论思维不同，实验思维往往需要借助于某些特定的设备，使用它们来获取数据以便进行分析。计算思维计算思维是思维过程或功能的计算模拟方法论，其研究目的是提供适当的方法，使人们能借助计算机逐步达到人工智能的较高目标。76第七十六页，共137页。

三种科学对应着三种思维：

理论科学←→理论思维

理论思维又称逻辑思维，它以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。

实验科学←→实验思维

实验思维又称实证思维，它以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。

计算科学←→计算思维

计算思维又称构造思维，它以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。1.2思维与科学思维77第七十七页，共137页。模块四计算思维的应用领域第七十八页，共137页。一、生物学计算机科学许多领域渗透到生物信息学中的应用研究，包括数据库、数据挖掘、人工智能、算法、图形学、软件工程、并行计算和网络技术等都被用于生物计算的研究。

1.4计算思维的应用领域从各种生物的DNA数据中挖掘DNA序列自身规律和DNA序列进化规律，可以帮助人们从分子层次上认识生命的本质及其进化规律DNA序列实际上是一种用四种字母表达的“语言”。79第七十九页，共137页。二、脑科学脑科学是研究人脑结构与功能的综合性学科它以揭示人脑高级意识功能为宗旨，与心理学、人工智能、认知科学和创造学等有着交叉渗透。1.4计算思维的应用领域美国神经生理学家罗杰·斯佩里进行了裂脑实验，提出大脑两半球功能分工理论。他认为：大脑左右半球完全可以以不同的方式进行思维活动，左脑侧重于抽象思维，如逻辑抽象、演绎推理和语言表达等；右脑侧重于形象思维，如直觉情感、想象创新等。80第八十页，共137页。三、化学计算机科学在化学中的应用包括：化学中的数值计算、化学模拟、化学中的模式识别、化学数据库及检索、化学专家系统等。1.4计算思维的应用领域基于非结构网格和分区并行算法，为求解多组分化学反应流动守恒方程组开发了单程序多数据流形式的并行程序，对己有的预混可燃气体中高速飞行的弹丸的爆轰现象进行了有效的数值模拟。81第八十一页，共137页。四、经济学计算博弈论正在改变人们的思维方式。

囚徒困境是博弈论专家设计的典型示例，但是囚徒困境博弈模型可以用来描述两家企业的价格大战等许多经济现象。1.4计算思维的应用领域百事可乐可口可乐高价低价低价高价106060103030505082第八十二页，共137页。五、艺术计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新兴的交叉学科，它包括绘画、音乐、舞蹈、影视、广告、书法模拟、服装设计、图案设计、产品和建筑造型设计以及电子出版物等众多领域。

1.4计算思维的应用领域83第八十三页，共137页。六、其他领域1.4计算思维的应用领域工程学(电子、土木、机械、航空航天等)：计算高阶项可以提高精度,进而降低重量、减少浪费并节省制造成本；波音777飞机完全是采用计算机模拟测试的，没有经过风洞测试。社会科学：社交网络是MySpace和YouTube等发展壮大的原因之一；统计机器学习被用于推荐和声誉服务系统,例如Netflix和联名信用卡等。地质学、天文学、数学、医学、法律、娱乐、体育等84第八十四页，共137页。模块五计算学科的典型问题第八十五页，共137页。1.5计算学科的典型问题一、排序问题排序是把给定数据集合中的元素按照一定的标准来安排先后次序的过程。

选择排序算法：对给定的一个数据表，算法从第一个元素开始扫描整个列表，找到最小或最大的元素，并将其与第一个位置的元素交换。然后算法从第二个位置的元素开始扫描剩下的列表，找到次小或次大的元素，并将其与第二个位置的元素交换。如此循环，直到所有的元素都被排好序为止。选择排序算法是由一个双层循环控制，算法时间复杂度是O(n2)86第八十六页，共137页。部分排序算法的时间效率比较(单位：毫秒)1.5计算学科的典型问题每一种排序算法对时间的效率和空间的要求不尽相同，没有哪一种是绝对最优的，在实用时需要根据不同情况适当选用，也可多种方法结合使用。排序算法101001K10K100K1M插入排序0.0002580.0086190.764565145515621冒泡排序0.0002760.0056430.545618174549432选择排序0.0002370.0064380.488474717478694快速排序0.0002910.0030510.0300.3113.63439归并排序0.0007230.0062250.0660.5615.4870基数排序0.0051810.0210.1651.6511.428117哈希排序0.0005220.0033720.0360.5184.1526187第八十七页，共137页。二、汉诺塔问题1.5计算学科的典型问题印度古老传说：在世界中心贝拿勒斯的圣庙里，一块黄铜板上插着三根宝石针A、B和C。印度教的主神梵天在创造世界时，在其中一根针上从下到上地穿好了由大到小的64片金片，这就是所谓的汉诺塔问题。不论白天黑夜，总有一个僧侣在按下面的法则移动这些金片：一次只移动一片，不管在哪根针上，小片必须在大片上面。僧侣们预言，当所有金片移到另外一根针上时，世界将在一声霹雳中消灭，而梵塔、庙宇和众生也都将同归于尽。

88第八十八页，共137页。不管这个传说的可信度有多大，如果仅考虑把64片金片，由一根针上移到另一根针上，并且始终保持上小下大的顺序。这需要多少次移动呢？这里需要使用递归算法。假设有n片，移动次数是f(n)显然f(1)=1，f(2)=3，f(3)=7，且f(k+1)=2*f(k)+1不难证明f(n)=2^n-1当n=64时，次如果每秒钟移动一次，共需多长时间呢？一年有31536000秒，则亿年1.5计算学科的典型问题89第八十九页，共137页。三、国王的婚姻1.5计算学科的典型问题国王：艾述(喜爱数学)宰相：孔唤石(数学家)公主：秋碧贞楠(邻国)公主：求出48770428644836899的一个真因子国王：2,3,4,┅,30000多数据(一天)公主：验证一下，223092871宰相：将全国百姓按自然数的顺序编号，百姓用自己的编号去除公主的数，谁除尽来领赏。童话说明：①国王本人计算(串行算法，时间复杂性)②全国百姓计算(并行算法，空间复杂性)90第九十页，共137页。四、旅行商问题

旅行商问题(TSP)的描述：一位商人去n个城市推销货物，所有城市走一遍后，再回到起点，问如何事先确定好一条最短的路线，使其旅行的费用最少。

1.5计算学科的典型问题路径ABCDA的总距离是：4+2+4+2=12路径ABDCA的总距离是：4+6+4+6=20路径ACBDA的总距离是：6+2+6+2=16路径ACDBA的总距离是：6+4+6+4=20路径ADCBA的总距离是：2+4+2+4=12路径ADBCA的总距离是：2+6+2+6=1691第九十一页，共137页。城市数目为4时，组合路径数为6

城市数目为n时，组合路径数为(n-1)!当城市数目不多时要找到最短距离的路线并不难，但随着城市数目的不断增大，组合路线数将呈指数级数规律急剧增长，以至到达无法计算的地步，这就是所谓的组合爆炸问题。1.5计算学科的典型问题假如城市的数目增为20个，组合路径数则为(20-1)！≈1.216×1017若计算机以每秒检索1000万条路线的速度计算，也需要花上386年的时间。92第九十二页，共137页。模块六计算思维与大学计算机基础教育陈国良董荣胜毛睿2011年6月第九十三页，共137页。摘要：本报告首先讲述了《大学计算机基础》课程的重要性，分析了教学中存在的问题，指出了“狭义工具论”的危害。然后从推动人类文明进步、科技发展三大科学思维之一的计算思维入手，阐述了计算思维对学生创新能力培养的重要性。最后按计算思维主要内容，即问题求解、系统设计和人类行为理解，探讨了大学计算机基础课程设置，强调了课程结构设计的重要性，给出了一种以“计算思维”为核心的大学计算机基础课程教学的最小集，为大学计算机基础教育提供了一种以提高学生计算思维能力为目标的新模式。94第九十四页，共137页。

目录大学计算机基础课程的重要性大学计算机基础课程教学存在的问题计算思维在美国产生的背景科学与科学思维计算思维计算思维在我国计算机科学导论：计算思维课程的总体框架计算机科学导论：计算思维课程的内容规划结论感谢95第九十五页，共137页。一、大学计算机基础课程的重要性大学通识教育是大学人才培养的重要任务大学教育不能局限于基本知识传授，要培养学生的理性思维能力学生对科学精神的追求学生的高尚人格通识教育三大特征（复旦杨玉良校长）通识教育要同时传递科学精神和人文精神通识教育要展现不同文化、不同学科的思维方式通识教育要充分展现学术的魅力计算思维能力培养是大学通识教育的重要组成部分国家明确定位计算机基础课程是和数学、物理等同地位的基础课程。计算机不仅为不同专业提供了解决专业问题的有效方法和手段，而且提供了一种独特的处理问题的思维方式。熟悉使用计算机及互联网，为人们终生学习提供了广阔的空间以及良好的学习工具与环境。96第九十六页，共137页。二、大学计算机基础课程教学存在的问题(1)我国的情况“狭义工具论”的课程：“狭义工具论”认为教计算机基础就是教些计算机工具及其使用方法。“浓缩版”的教材：教材基本上是有关领域的浓缩版，学生进入大学后，对第一门计算机课程兴趣不大，逃课率相当高。计算机基础课教学学时被压缩，教学资源配置不充分，课程面临被裁减的危机美国的情况(1)

学生学习计算机课程情况：2003年11月，美国NavalPostgraduateSchool的PeterDenning教授在CACM上发表《GreatPrinciplesofComputing》一文介绍了这种情况：在大学第一门计算机课程（主要指“程序设计语言”作为第一门计算机课程）的学习过程中，有35-50%的学生中途放弃。另外，不少的学生还通过抄袭或者是作弊的方式来完成课程。97第九十七页，共137页。二、大学计算机基础课程教学存在的问题(2)美国的情况(2)毕业生的工资情况：2005年11月，美国《ComputingResearchNews》刊登的一篇名为《科学与工程专业毕业生的工资》的报告：2003年，在美国科学领域各学科中，计算机与信息科学专业毕业生的平均年工资最高，学士人均年工资为45，000美元，硕士人均60，000美元。学生主修计算机专业情况：加州大学洛杉矶分校发现学生对计算专业的兴趣波动很大，2001后普遍下降。具体数据如图所示：

98第九十八页，共137页。四、科学与科学思维(1)科学与思维达尔文曾给科学下过一个定义：“科学就是整理事实，从中发现规律，作出结论”。科学一般包含：自然科学、社会科学和思维科学。思维是高级的心理活动形式。人脑对信息的处理包括分析、抽象、综合、概括。人类科学发现的三大支柱：

理论科学、实验科学和计算科学作为科学发现三大支柱，正推动着人类文明进步和科技发展。该说法已被科学文献广泛引用，并在美国得到国会听证、联邦和私人企业报告的承同。一般而论，三种科学对应着三种思维：

理论科学←→理论思维：

理论思维又叫推理思维，以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。

实验科学←→实验思维：

实验思维又叫实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。

计算科学←→计算思维：

计算思维又叫构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。99第九十九页，共137页。四、科学与科学思维(2)科学思维：

国科发财〔2008〕197号文《关于创新方法工作的若干意见》认为“科学思维不仅是一切科学研究和技术发展的起点，而且始终贯穿于科学研究和技术发展的全过程，是创新的灵魂”。①理论思维：理论源于数学，理论思维支撑着所有的学科领域。正如数学一样，定义是理论思维的灵魂，定理和证明是它的精髓。公理化方法是最重要的理论思维方法。②实验思维：实验思维的先驱是意大利科学家伽利略，被人们誉为“近代科学之父”。与理论思维不同，实验思维往往需要借助于某些特定的设备，并用它们来获取数据以供以后的分析。③计算思维：计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。100第一百页，共137页。五、计算思维(1)计算思维的定义：计算思维（ComputationalThinking，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。CT的本质是抽象和自动化。它是如同所有人都具备“读、写、算”（简称3R）能力一样，都必须具备的思维能力。计算思维的例子：计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释成如何求解它的思维方法。计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。计算思维是一种采用抽象和分解的方法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法（SoC方法）。计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。101第一百零一页，共137页。五、计算思维(2)计算思维的例子：计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。计算思维是利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折衷的思维方法。计算思维的特征：①概念化，不是程序化计算机科学不是计算机编程。像计算机科学家那样去思维意味着远远不止能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思维。计算机科学不只是关于计算机，就像音乐产业不只是关于麦克风一样。②根本的，不是刻板的技能计算思维是一种根本技能，是每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的。刻板的技能意味着简单的机械重复。102第一百零二页，共137页。五、计算思维(3)计算思维的特征：人的，不是计算机的思维计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情。计算机赋予人类强大的计算能力，人类应该好好的利用这种力量去解决各种需要大量计算的问题。④是思想，不是人造品不只是将我们生产的软硬件等人造物到处呈现给我们的生活，更重要的是计算的概念，它被人们用来问题求解、日常生活的管理，以及与他人进行交流和互动。⑤数学和工程思维的互补与融合计算机科学在本质上源自数学思维，它的形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维，因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统。所以设计思维是数学和工程思维的互补与融合。⑥面向所有的人，所有地方当计算思维真正融入人类活动的整体时，它作为一个问题解决的有效工具，人人都应当掌握，处处都会被使用。103第一百零三页，共137页。五、计算思维(4)计算思维对其他学科的影响：①生物：霰弹枪算法（Shotgunalgorithm）大大提高了人类基因组测序的速度蛋白质结构可以用绳结来模拟蛋白质动力学可以用计算过程来模拟细胞和电路类似，是一个自动调节系统②脑科学：人脑可以看作是一台计算机视觉是一个反馈循环用机器学习方法分析功能核磁共振（fMRI）数据③化学：用原子计算探索化学现象用优化和搜索算法寻找优化化学反应条件和提高产量的物质④地质学：“地球是一台模拟计算机”(Boulton,Edinburgh)用抽象边界和复杂性层次模拟地球和大气层104第一百零四页，共137页。五、计算思维(5)计算思维对其他学科的影响：⑤数学：发现E8李群（E8LieGroup）:

--18位数学家，4年零77小时超级计算机机时（2千亿个数字）证明四色定理⑥工程(电子、土木、机械、航空航天等)：计算高阶项可以提高精度，进而降低重量、减少浪费并节省制造成本波音777飞机完全是采用计算机模拟测试的，没有经过风洞测试⑦经济学：自动设计机制在电子商务中广泛采用(广告投放、在线拍卖、肾源交换等)很多麻省理工学院的计算机科学博士在华尔街作金融分析师⑧社会科学：社交网络是MySpace和YouTube等发展壮大的原因之一统计机器学习被用于推荐和声誉排名系统，例如Netflix和联名信用卡等⑨医疗：机器人手术电子病历系统需要隐私保护技术可视化技术使虚拟结肠镜检查成为可能105第一百零五页，共137页。五、计算思维(6)计算思维对其他学科的影响：⑩法学：斯坦福大学的CL方法包含了人工智能、时序逻辑、状态机、进程代数、Petri网等方面的内容欺诈调查方面的POIROT项目为欧洲的法律系统建立了一个详细的本体论结构关于犯罪现场调查的福尔摩斯项目⑪娱乐：游戏电影--梦工厂用惠普的数据中心进行电影“怪物史莱克”和“马达加斯加”的渲染工作--卢卡斯电影公司用一个包含200个节点的数据中心制作电影“加勒比海盗”⑫艺术：艺术(如喷绘机器人Robotticelli)戏剧音乐摄影106第一百零六页，共137页。五、计算思维(7)计算思维对其他学科的影响：⑬体育：阿姆斯特朗的自行车载计算机追踪人车统计数据SynergySports公司对NBA视频进行分析⑭教育方面的启示：大学应该从新生课程入手--教授“象计算机科学家一样思考”课程，而不是“某程序设计”课程让国家和国际组织参与到教学改革中，特别是K-12、ACM、CSTA、CRA等⑮模拟：核试验模拟利用Exascale计算对能源和环境进行建模和模拟基于高性能计算机用计算科学模拟飓风，使科学家可以看到飓风的内部⑯地震能否被有效模拟和预测？107第一百零七页，共137页。七、计算机科学导论：

计算思维课程的总体框架(1)计算机科学导论：计算思维的基本框架

计算理论：可计算性与计算复杂性

算法和程序设计：基础算法与Python语言

实现基础：计算机硬件与软件最小知识集课程教学环节(1)课堂讲授：内容规划见本报告第八节。使用的参考教材与讲义：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，2009。108第一百零八页，共137页。七、计算机科学导论：

计算思维课程的总体框架(2)课程教学环节(2)

课堂练习：主要参考材料：《不插电的计算机科学》（桂林电子科技大学，董荣胜主持翻译，2008.10）(3)课程实践：实验内容包含指定的和自选的(4)

成绩考核：笔试＋口试＋小论文＋实验大学计算机基础课程群：

计算思维（第一门课）

算法与程序设计

计算机系统类课程（软/硬件基础）（后续课）

信息处理与应用基础109第一百零九页，共137页。八、计算机科学导论：

计算思维课程的内容规划(1)计算思维基础知识(1)基本概念：什么是科学、思维、学科？科学与思维，理论思维，实验思维，计算思维。(2)科学发现的第三支柱：科学发现的三大支柱（理论科学、实验科学、计算科学），计算科学的作用（PITAC2005报告），名人名言（H.Davy,化学家)。(3)计算科学与计算机科学以及计算机学科什么是计算科学？什么是计算机科学？什么是计算机学科？计算机学科发展的历程（EE、CE、CS、SE、IT、IS）。(4)计算思维什么是计算思维？例子、主要特征（它是什么？它不是什么？）、对其他学科的影响（生物学、脑科学、化学、地质学、数学、工程技术、经济学、社会科学、医学、法律、娱乐、艺术、体育、教育…）。(5)热身问题20次猜测、七桥问题、国王的婚姻、汉诺塔、旅行商问题…110第一百一十页，共137页。八、计算机科学导论：

计算思维课程的内容规划(2)计算理论和计算模型：(1)人类对计算本质的认识过程计算手段应该器械化（算盘、手摇计算机、微分机、模拟机等）计算过程应该形式化（图灵