基于计算思维的课程教学改革与创新

基于计算思维的课程教学改革与创新深圳大学王志强海口1汇报提纲大学计算机必修模块3总结与反思4大学计算机教学内容2计算思维概念的引入12计算思维概念的引入计算机文化基础大学计算机基础计算机基础知识WindowsOffice多媒体网络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3

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，等等计算思维概念的引入结局：教务处普遍减学时70→42→20→0计算机应用计算思维计算科学计算机技能4周以真定义：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、折中计算思维概念的引入质疑：充分的？唯一的？……5Denning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计算思维概念的引入6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……7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计算思维概念的引入8计算思维概念的引入表1计算思维表达体系框架9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计算思维概念的引入10教育部高高等学校校计算机机类专业业教学指指导委员员会副副主任：：蒋宗礼教授“计计算思维维与人才才培养””教育部高高等学校校文科计计算机基基础教学学指导分分委员会会

主任任：杜小勇教授“计计算思维维是大学学计算机机作为基基础课、、通通识识课的理理论基础础”全国高等等院校计计算机基基础教育育研究会会

副会会长：吴功宜教授“新新版蓝皮皮书----指导思想想”计算思维维概念的的引入以计算思维为理论基础础，推进大大学计算机机课程教学内容改改革；以应用能力培养为导向向，完善复复合型人才才实践教学学体系建设设；以服务专业教教学为目标，在在交叉融合合中寻求更更大的发展展空间。11已出版的相相关教材陈国良、王王志强、毛毛睿、张艳艳等

计算算思维导论论，高等教教育出版社社，2012.10唐培和、徐徐奕奕、王王日凤计计算思维导导论，广西西师范大学学出版社，，2012.10战德臣、聂聂兰顺等大大学计算算机-计算思维导导论，电子子工业出版版社，2013.7李波、赵英英良、程向向前、乔亚亚男等大大学计算机机-信息、计算算与智能，，高等教育育出版社，，2013.8……等等计算思维概概念的引入入12汇报提纲大学计算机必修模块3总结与反思4大学计算机教学内容2计算思维概念的引入113计算思维导导论教学内内容总体结构(深圳大学陈陈国良院院士)计算理论：：可计算性性与计算复复杂性算法和通用用描述性程程序设计语语言实现基础：：计算机硬硬件和软件件最小知识识集教材内容容计算思维维基础知知识计算理论论与计算算模型算法基础础程序设计计语言计算机硬硬件基础础计算机软软件基础础计算文化化与计算算机职业业道德教教育14教材序言言提到我们要提提倡计算思维维在教育育和科研研中的作作用，要要将计算算思维引引入到大大学计算算机课程程中，通通过它来来改变大大学计算算机教育育沿袭了了几十年年的传统统教学模模式，从从而振兴兴大学的的计算教教育。我们要改改变过去计算算机基础础课程只只讲工具具对学生生所造成成的枯燥燥、乏味味之感，，要激发发学生对对计算机机科学的的兴趣和和热爱，，要传承承计算文文化和体体现计算算之美以以及展示示学科魅魅力。我们要致致力于使计算思思维成为为公众的的常识和和人们普普遍的思思考方式式，将计计算思维维真正融融入到人人类的一一切活动动之中。。计算思维维导论教教学内容容课程总体体要求传承计算算文化、、弘扬计计算科学学、培养养计算思思维体验计算算愉悦、、感受计计算之美美15科学→计计算科学学，思维维→计算算思维计算思维维的定义义、特征征和本质质计算思维维与计算算机的关关系计算思维维的应用用领域生生物学学、脑科科学、化化学、地地质学、、天文学学、数学学、工程程(电气、土土木、机机械、航航天航空空等)、经济学学、社会会科学、、医学、、法律、、娱乐、、艺术、、体育、、教育学学等周以真讲讲义：计算机机科学中中的深层层次问题题

主要要内容：：P=NP？什么是是可计算算的？复复杂性是是什么？？计算科学学的典型型问题排排序问问题、国国王的婚婚姻、汉汉诺塔问问题、旅旅行商问问题TSP计算算思思维维导导论论教教学学内内容容第一一章章计计算算思思维维基基础础知知识识16第二二章章计计算算理理论论与与计计算算模模型型计数数、、逻逻辑辑、、算算法法→→计计算算及及计计算算过过程程可计算性(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)图灵机、冯·诺依曼机量子计算模型、生物计算模型离散数学：数理逻辑、集合论代数系统、图论计算科学的数学基础计算理论计算模型计算算思思维维导导论论教教学学内内容容17第三三章章算算法法基基础础算法法的的概概念念：：算算法法的的起起源源、、定定义义、、特特征征算法法的的描描述述：：自自然然语语言言、、流流程程图图、、伪伪代代码码、、程程序序语语言言穷举法(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)算法的设计：算法法的的评评价价和和分分析析：：算算法法正正确确性性、、复复杂杂度度分分析析(时间间/空间间)算法法中中的的数数学学工工具具：：求求和和公公式式、、递递归归方方程程求求解解等等计算算思思维维导导论论教教学学内内容容18第七七章章计计算算文文化化与与计计算算机机职职业业道道德德教教育育计算文化：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、计算机犯罪计算算思思维维导导论论教教学学内内容容19教材材内内容容（（广广西西科科技技大大学学唐唐培培和和））计算算思思维维概概论论计算思思维之之计算算(理论)基础计算思思维之之逻辑辑基础础计算思思维之之方法法学计算思思维之之算法法基础础程序设设计中中的特特定思思维其他学学科中中的计计算思思维计算思维导导论教学内内容20计算思维：广义计算思思维、狭义计算思思维。广义计算思思维，在吸收计计算学科丰丰硕成果的的基础上，，更侧重于于哲学的角角度，从辩证法、认识论、逻辑学的角度去理理解，在更更广泛的领领域去应用用，从而在在体系、内内容和研究究方法等方方面更具实践性、科学性和时代性。狭义计算思思维，从计算学学科的方法法论出发，，讨论借助助于计算机机这一特定定的工具如如何求解客客观世界的的实际问题题。这里涉涉及特定的的思想、方法、理论和技术。本书以狭义义计算思维维为主，广广义计算思思维为辅。毕竟学习习计算思维维导论的首首要目的是是利用计算算及计算机机技术更好好地解决将将来所面临临的各种实实际专业问问题。计算思维导导论教学内内容教材内容（（广西科技技大学唐唐培和）21教材内容（（哈尔滨工工业大学战战德臣））引论(计算、计算算科学)计算系统的的基本思维维问题求解框框架算法与复杂杂性数据抽象、、设计与挖挖掘计算机网络络、信息网网络与网络络化社会计算思维导导论教学内内容22教材内容（（西安交通通大学李李波）符号模型的的数学描述述什么是信息息什么是计算算什么是智能能问题求解算法及数据据结构计算思维大学计算机机教学内容容232008年周以真教授在CommunicationofACM上发表Fivedeepquestionsincomputing，提出出计算算机学学科的的五个个基本本问题题：DoesPequalNP?Whatiscomputable?Whatisintelligence?Whatisinformation?(How)canwebuildcomplexsystemssimply?本书选择了了什么么是信息、什么么是计算、什么么是智能这三个个问题题作为为核心心内容容进行行阐述述和讨讨论，，希望望对计计算机机学科科的基基本问问题和和理论论基础础有初初步的的了解解和正正确的的认识识。大学计计算机机教学学内容容教材内内容（（西安安交通通大学学李李波））24汇报提提纲大学计算机必修模块3总结与反思4大学计算机教学内容2计算思维概念的引入125模块1算法思思维/算法学学算法思思维通通常被被认为为是解解决问问题的的过程程性思思维方方法科学计计算问问题的的一般般过程程实际问题数学模型数值计算/算法设计程序设计计算结果许多科科学领领域的的问题题求解解，如如计算物物理学学、计算力力学、计算化化学、计算经经济学学和计算社社会学学等都可可以归归结为为数值值计算算／算算法设设计与与分析析等问问题。。普适性性、基基础性性26模块1算法思思维/算法学学算法学学分类类数值算算法（（课程程：数值计计算方方法）求解线线性方方程组组、数数值积积分等等，有有特定定的计计算步步骤非数值值算法法（课课程：：算法设设计与与分析析）求解判判定问问题、、最优优化问问题等，掌握握算法法设计计技术术软计算算方法法（课课程：：计算智智能）遗传算算法、、粒子群群算法、、蚁群群算法法、人人工神神经网网络为什么么要学学习算算法？？算法是是计算算机的的灵魂魂算法是是数学学机械械化的的一部部分，，能够够解决决复杂杂的计计算问问题算法作作为一一种思思想，，能锻锻炼人人们的的思维维，使使思维维变得得更清清晰、、更有有逻辑辑27模块2网络科科学/网络思思维网络技技术→→网络络科学学→网网络思思维网络技技术：网络络的一一般概概念和和体系系结构构、搜搜索引引擎、、电子子邮件件、电电子商商务、、即时时通讯讯、信信息安安全、、云计计算等等；其他专专题：社交交网络络、舆舆情分分析、、人肉肉搜索索、网网络营营销、、网网络文文学、、网络络数据据分析析、社社会安安全事事件、、群体体智慧慧等。。网络科科学：研究究网络络结构构或动动态行行为并并将网网络应应用到到许多多子领领域的的理论论基础础，这这里的的子领领域包包括社社会网网络、、协作作网络络、人人造的的涌现现系统统（电电力网网、互互联网网）和和生命命科学学系统统（传传染病病、遗遗传学学）等等。28网络思思维：将一一个看看来困困难的的问题题转换换为图图论中中的经经典问问题，，从而而获得得解决决问题题的方方法。。它是是通过过某种种联系系将个个体组组成一一个系系统。。其特征征：开放放性、、协同同性和和系统统性网络思思维是是认识识网络络世界界的世世界观观与方方法论论，是是群体思思维和社会思思维。网络科科学之之美：围绕绕复杂杂网络络的共共性拓拓扑特特征所所体现现和阐阐述的的网络络科学学与艺艺术存存在的的统一一之美美。以网络络拓扑扑建模模为例例阐述述了网网络科科学的的简洁之之美，以网网络应应用为为例阐阐述了了网络络科学学的协作之之美，以以社社会会学学习习为为例例阐阐述述了了网网络络科科学学的的包容容之之美美，以以网网络络控控制制为为例例阐阐述述了了网网络络科科学学的的可控控之之美美。模块块2网络络科科学学/网络络思思维维29模块块3数据据思思维维/数据据科科学学大数据据时代代--生活、、工作作与思维的大变变革麦肯锡锡咨询询公司司给出出的大大数据据定义义是：大大数据据是指指所涉涉及的的数据据集规规模已已经超超过了了传统统数数据库库软件件获取取、存存储、、管理理和分析的能力力大数据据的特特征：大容量量、多多样性性、高高价值值、快快速度度大数据据的技技术架架构：CS2013领域知知识：：14→→18SystemsFundamentals计算机机系统统基础础系统能能力系统思思维构建→认知云计算算系统统：IaaS基础设设施即即服务务PaaS平台即即服务务SaaS软件即即服务务AaaS分析即即服务务30数据科科学：简单单地理理解为为预测测分析析和数数据挖挖掘，，是统统计分分析和和机器器学习习技术术的结结合。。数据分分析师师／数数据科科学家家：负责责分析析和解解释数数据集集，帮帮助企企业快快速而而有效效地获获得对对大数数据的的洞察察力。。大数据据研究究的科科学意意义：数据是是与自自然资资源、、人力力资源源一样样重要要的战战略资资源，，隐含含巨大大的经经济价价值，，推动动大数数据研研究的的动力力主要要是企企业经经济效效益。。数据研研究能能成为为一门门科学学的前前提是是：在在一个个领域域发现现的数数据相相互关关系和和规律律具有有推广广到其其他领领域的的普适性。模块3数据思维/数据科学还原论与整体体性31汇报提纲大学计算机必修模块3总结与反思4大学计算机教学内容2计算思维概念的引入132美国能源部报报告认为：高高端计算目前前已经与理论论研究、实验验手段一起，，成为获得科科学发现的三三大支柱。因因此，理论科学、实验科学和计算科学是推动人类文文明进步和科科技发展的重重要途径。三种科学对应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：算法思思维、网络思思维、数据思思维、系系统思思维、……总结与反思周以真定义：：计算思维是运用计算机机科学的