计算思维及本课程教学计划

第0章计算思维与课程教学计划南开大学非计算机专业理工科面向对象程序设计课程提要课程内容考核方式教学平台——教育在线请同学们思考的问题课程论文课程讨论提示：下一周开始上机21课程内容1、计算机应用能力基础11月中旬参加全校上机统考。自学，教学部提供考试练习环境，自己课下练习。2、简单介绍计算思维3、C++高级程序设计语言提示：下一周开始上机3考核方式1、计算机应用能力基础（机考）：20分2、平时成绩：30分课程论文：10分C++上机测试：10分交作业和出勤：10分（课前交假条，否则算缺勤）3、期末考试（机考）：50分4如何使用教育在线 使用教育在线进行学习交流活动。5大学如何学习——计算思维简介请同学们思考的问题：1、进入大学后，如何学习？学习什么？2、对于计算机相关课程，学习什么？

6大学如何学习——计算思维简介培养具有现代科学思维精神和能力的三大必修课程数学理论思维物理实验思维计算机计算思维公共计算机课程的定位：计算机应用能力和计算思维的培养

7大学如何学习——计算思维简介一、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，定理和证明则是它的精髓。公理化方法是最重要的理论思维方法，科学界一般认为，公理化方法是世界科学技术革命推动的源头。用公理化方法构建的理论体系称为公理系统，如欧氏几何。公理系统需要满足以下三个条件：

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1.无矛盾性。这是公理系统的科学性要求，它不允许在一个公理系统中出现相互矛盾的命题，否则这个公理系统就没有任何实际的价值。

2.独立性。公理系统所有的公理都必须是独立的，即任何一个公理都不能从其他公理推导出来。

3.完备性。公理系统必须是完备的，即从公理系统出发，能推出（或判定）该领域所有的命题。

为了保证公理系统的无矛盾性和独立性，一般要尽可能使公理系统简单化。简单化将使无矛盾性和独立性的证明成为可能，简单化是科学研究追求的目标之一。一般而言，正确的一定是简单的（注意，这句话是单向的，反之不一定成立）。

关于公理系统的完备性要求，自哥德尔发表关于形式系统的“不完备性定理”的论文后，数学家们对公理系统的完备性要求大大放宽了。也就是说，能完备更好，即使不完备，同样也具有重要的价值。

以理论为基础的学科主要是指数学，数学是所有学科的基础。

9大学如何学习——计算思维简介二、实验思维

实验思维的先驱应当首推意大利著名的物理学家、天文学家和数学家伽利略，他开创了以实验为基础具有严密逻辑理论体系的近代科学，被人们誉为“近代科学之父”。爱因斯坦为之评论说：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”

一般来说，伽利略的实验思维方法可以分为以下三个步骤：

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1.先提取出从现象中获得的直观认识的主要部分，用最简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；

2.再由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系；

3.然后通过实验证实这种数量关系。

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（科学工具），并用它们来获取数据以供以后的分析。例如，伽利略就不仅设计和演示了许多实验，而且还亲自研制出不少技术精湛的实验仪器，如温度计、望远镜、显微镜等。

以实验为基础的学科有物理、化学、地学、天文学、生物学、医学、农业科学、冶金、机械，以及由此派生的众多学科。11计算思维简介三、计算思维

美国亚裔女科学家（原美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任，现任美国国家科学基金计算机与信息科学与工程学部负责人，美国国家科学院计算机科学与通讯部门主席）周以真（JeannetteM.Wing）教授首先提出并定义了“计算思维”（ComputationalThinking，CT）这一概念[1-2]：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、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。2011年，图灵奖获得者RichardM.Karp提出了“计算透镜”（ComputationalLens）理念[3],其核心是将计算作为一种通用的思维方式，通过这种广义的计算（涉及信息、执行算法、关注复杂度）来描述各类自然过程和社会过程，从而解决各个学科的问题。12计算思维简介在美国，“计算思维”的提出得到了美国教育界和科学界的广泛支持。在美国科学基金会启动的“大学计算教育振兴的途径”中投入巨资进行美国计算教育的改革并对“计算思维”所发挥的作用取得了共识[4]。美国科学基金会还启动了以计算思维为核心的重大基础研究，进一步将计算思维的培育扩展到美国的各个研究领域[5]。13计算思维简介在我国，计算思维的重要性也已引起了科学家和教育界的高度重视[6]。教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会主任委员陈国良院士等积极地倡导把培养学生的“计算思维”能力作为计算机基础教学的核心任务，并由此建设更加完备的计算机基础课程体系和教学内容[7]。陈国良等[6]认为大学第一门计算机基础课程是计算思维培养的一个关键,初步构建了以计算思维为核心的“计算思维导论”课程，并给出了该课程任务、基本要求，教学内容和教学方法。14计算思维简介 针对不少人认为计算机科学等同于计算机编程等方面的错误认识。周教授指出，当我们用行动来改变这种狭隘的社会认识时，计算思维就是一个引领计算机教育家、研究者和实践者的宏大愿景。周教授呼吁：计算机科学家应该传授计算机科学的快乐、崇高和力量，并致力于使计算思维成为人们处理问题的常识。

计算思维不是今天才有的，它早就存在于中国的古代数学之中，只不过周以真教授使之清晰化和系统化了。

中国古代学者认为，当一个问题能够在算盘上解算的时候，这个问题就是可解的，这就是中国的“算法化”思想。吴文俊院士正是在这一基础上围绕几何定理的证明展开了研究，开拓了一个在国际上被称为“吴方法”的新领域——数学的机械化领域，吴文俊为此于2000年获得国家首届最高科学技术奖。15计算思维简介 随着以计算机科学为基础的信息技术的迅猛发展，计算思维的作用被大大的释放了。正像天文学有了望远镜，生物学有了显微镜，音乐产业有了麦克风一样，“计算思维”的力量正在随着计算机速度的快速增长而被加速地放大。尽管这种力量往往需要借助于计算机，但是计算机科学却不能说成是专注于计算机的学问，就像天文学依靠望远镜展开研究，但不能说成是关于望远镜的学科一样。

计算思维本身的研究需要细致，深入，以及相应的丰富而又扎实的学科理论基础。而就其一般的应用而言就简单了，以至计算思维的倡导者周以真教授认为，与通常的“读、写、算”（Reading，writingandarithmetic，简称3R）一样，计算思维应是21世纪每一个人都必须具备的常识。

16计算思维简介 计算机技术的发展促使人类的认识发展到了一个新的水平，相应地，推进计算机基础教学改革以适应人类认识水平的发展势在必行。然而，在我国，以“计算思维”为核心的计算机基础教学的改革还处于起步阶段，对于“计算思维”的内涵还需进行进一步地抽象和研究；需要统一计算机基础课教师和各专业学生对“计算思维”能力培养的重要性的认识；需要明确当前计算机基础课承载的任务，明确计算机基础课在计算机应用能力培养和计算思维能力培养的关系；需要在计算机基础课的教学实践中探索实现大学生“计算思维”能力培养的教学内容和方法。17计算思维简介参考文献：[1]JeannetteM.Wing.ComputationalThinking[J].CommunicationsoftheACM.2006,49(3):33-35.[2]周以真著.王飞跃,徐韵文译.计算思维.中国计算机学会通讯.2007,3(11):83-85.[3].RichardM.Karp.Understandingsciencethroughthecomputationallens.JournalofComputerScienceandTechnology2011.26(4):569-577.[4]美国国家科学基金CPATH计划2009年项目申报说明[EB/OL]./cise/funding/cpath_faq.jsp#1.[5]美国国家科学基金CDI计划官方网站[EB/OL].http:///crssprgm/cdi/.[6]陈国良,董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育.中国大学教学.2011年第1期:7-11,32.[7]何钦铭,陆汉权,冯博琴.计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养.中国大学教学.2010年第9期:5-9.[8]董荣胜.计算思维、理论思维、实验思维：科技创新的三大支柱http:///jsjkxdl/zhizhu.asp