计算科学教学计划与课程体系市公开课一等奖百校联赛特等奖课件

第六章计算科学教学计划与课程体系李陶深

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第6章计算科学教学计

划与课程体系6.1西方国家产业结构调整给我们启示第2页西方国家产业结构调整给我们启示最近十几年,各国都在进行产业结构调整。十年前,美国和欧洲经济在调整中发展迟缓,比较萧条。而日本即使在主动进行产业结构调整,但因泡沫经济作用,一度很繁荣。从1996年初开始,美国产业结构调整开始出现好兆头,道-琼斯股票指数一路攀升,一些高科技股票指数人气很旺。与此同时,欧洲各主要工业化国家股票也不停升值。不过,日本去年却碰到了金融危机,并造成经济发展指标严重下滑。第3页西方国家产业结构调整给我们启示对西方发达国家经济发展起决定性作用原因是什么?经济学家比较一致看法是,伴随产业结构调整,以计算机、通信、生物、自动化领域等先进技术为龙头高科技产业发展引发了经济蓬勃发展局面。然而,为何经济发展奇迹没有在日本或其它一些国家出现?初步结论是：这与美国和欧洲各国长久重视基础理论和应用技术研究相关。第4页西方国家产业结构调整给我们启示美国是世界上既重视基础理论研究,又重视应用技术研究国家,欧洲各国也从来含有重视基础理论研究传统。从70年代末、80年代初开始,欧洲一些国家有感于经济发展比较迟缓,在继续重视基础理论研究同时,也开始重视和勉励各种实用技术研究,其中一个主要标志就是在英国、法国、德国等欧洲国家中,由政府、大企业和民间机构设置了一些勉励应用研究计划、项目和奖项。第5页西方国家产业结构调整给我们启示日本从来比较重视技术开发而不重视基础理论研究,所带来弊端已使其处于不利竞争地位。即使在1990以后开始加大对基础研究投入,派遣了大批学生到欧美留学,不过,与欧洲将一部分人工作转移到应用研究上相比,要想将一部分人从应用研究转移到基础研究却不是一件轻易事,其中困难要大得多。能够说，造成日本当前经济不景气关键是日本缺乏能给投资带来巨额财富和高回报高精尖技术产业。第6页西方国家产业结构调整给我们启示著名中国科学技术史教授李约瑟博士早就指出,曾经创造了灿烂古代文化中国人，之所以在近代科学发展中落后了，除了政治上原因之外，一个很主要原因就是在科学技术研究中，过于重视实用，功利倾向显著。第7页西方国家产业结构调整给我们启示上述事例告诉我们：二十一世纪我国需要计算机人才应该是具有坚实数学基础和计算机科学理论基础,具有良好科学素养和文化修养,受过良好计算机科学基本实验技术与技能等训练,是能够在高科技发展中取得创新成果专门人才,而不是跟在外国企业后面,靠引进、分析、消化、仿制、改良求得生存和发展专门人才。第8页

第6章计算科学教学计

划与课程体系6.2计算机与网络专业人才培养目标与人才培养规格第9页计算机科学与技术专业培养目标培养德、智、体全方面发展，含有坚实理论基础，系统地掌握计算机科学与技术相关计算机硬件、软件与应用基本理论、基本知识和基本技能与方法，适应计算机系统分析、系统设计、系统集成、运行管理、营销等多方面需要高级技术人才。第10页计算机科学与技术专业培养规格(1)很好掌握本学科基本概念、基本理论、基本方法、基本技术等基础理论知识，受到良好科学思维和科学试验基本训练。(2)初步了解整个学科知识组织结构、学科形态、经典方法及关键概念，掌握计算机系统分析和设计基本方法。(3)熟悉某一个或若干种流行计算机系统（包含硬件、软件工具和环境），含有比较熟练地开展普通性专业技术工作能力。(4)理论联络实际，含有利用所学专业知识分析、处理专业技术问题能力。(5)了解与计算机相关法规；了解计算机科学与技术发展动态。(6)掌握文件检索、资料查询基本方法，含有获取信息能力。第11页计算机科学与技术专业（软件工程）培养目标培养德、智、体全方面发展，在含有数学和计算机科学理论知识基础上，掌握软件工程基础理论、专业知识和基本技能，含有较强工程实践能力，具备利用先进工程化方法、技术和工具进行软件开发、设计、测试、维护及项目管理等工作能力，面向国民经济信息化建设和发展需要，面向企事业单位对软件工程技术人才需求，培养多层次复合型软件实用人才。第12页计算机科学与技术专业（软件工程）培养规格(1)很好掌握本学科基本概念、基本理论、基本方法、基本技术等基础理论知识，受到良好科学思维和科学试验基本训练。(2)掌握软件系统分析、设计和说明基本方法，具备软件研究与技术开发能力。(3)熟悉一个或若干种流行计算机软硬件开发环境及工具，具备进行软件系统规划、设计、咨询、软件测试与评定以及软件工程管理和系统运行管理基本能力。(4)含有良好科学素养，系统地、很好地掌握计算机软件工程及相关学科技术。(5)理论联络实际，含有利用所学专业知识分析、处理专业技术问题能力。(6)了解信息系统安全与知识产权保护相关技术方法和法规；了解本学科发展动态。(7)掌握文件检索、资料查询基本方法，含有获取信息能力。第13页网络工程专业培养目标培养适应二十一世纪知识经济、信息社会、网络时代需要，德智体全方面发展，含有良好科学素质和创新精神，系统地掌握计算机科学与技术、网络工程及网络安全等相关基本理论、基本知识和基本技能与方法，能独立从事并组织科学研究、技术开发、专业教学等工作，能在各类企、事业单位从事计算机网络系统规划、设计，网络系统安全管理与维护，以及计算机网络应用系统设计、开发、集成及项目管理“强能力、高素质、富创新、有个性”高级工程技术人才。第14页网络工程专业培养规格(1)很好掌握本学科基本概念、基本理论、基本方法、基本技术等基础理论知识，受到良好科学思维和科学试验基本训练。(2)初步了解整个学科知识组织结构、学科形态、经典方法及关键概念，掌握计算机系统分析和设计基本方法；。(3)熟悉计算机网络系统设计、开发、应用、集成和管理方法，含有熟练地开展专业技术工作能力。(4)理论联络实际，含有利用所学专业知识分析、处理专业技术问题能力。(5)了解与计算机网络相关法规，以及本学科发展动态。(6)掌握文件检索、资料查询基本方法，含有获取信息能力。第15页信息安全专业培养目标顺应社会信息化需求，培养德智体美全方面发展、含有良好科学人文素质和创新精神、含有坚实计算机与信息安全学科专业基础理论知识和较强计算机应用系统、计算机密码系统、网络信息安全系统设计与开发能力高级专业技术人才。第16页信息安全专业培养规格(1)很好地掌握计算机与信息安全学科基本概念、基本理论、基本方法和基本技术，接收良好科学思维和科学试验训练。(2)初步了解计算机与信息安全学科知识组织结构、学科形态、经典方法及关键概念，掌握分析、设计计算机与信息安全系统基本方法。(3)熟悉计算机应用系统、计算机密码与网络信息安全系统设计、开发、应用、集成和管理方法，含有熟练地开展专业技术工作能力。(4)理论联络实际，含有利用所学专业知识分析、处理专业技术问题能力。(5)了解计算机与信息安全方面法律法规，了解计算机与信息安全学科发展动态。(6)掌握文件检索、资料查询基本方法，含有获取信息能力。第17页

第6章计算科学教学计

划与课程体系6.3计算机与网络工程类本科专业教学计划第18页

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划与课程体系6.4怎样学好计算科学第19页关键要处理问题依据多年教学实践经验，学生最关心也是最主要问题有以下四个：

⑴怎样实现思维方式数学化？⑵计算科学专业各学期重点课程有哪些？⑶试验课程在计算科学教学计划中作用和地位是什么？⑷怎样提升专业能力和应用、创新能力？第20页怎样实现思维方式数学化？一个理想计算机工程师,应该是一个长着数学脑袋、并有一双能工巧匠之手人。所以学好数学对计算机专业学生尤为主要：这是由学科发展内在规律决定。教育基本功效在于提升人素质。接收数学教育是培养严谨逻辑思维能力.众多大学生工作后专业知识和其它知识在不停更新，数学知识基本上没有加深。数学基础扎实人能够处理科研中难题。第21页怎样实现思维方式数学化？温家宝总理：一个大学没有一流文科，就不会有一流理科；没有一流理科，就不会有一流工科。一位著名计算机科学家：一个人没有扎实数学理论基础，就不可能成为一名出色计算机教授。第22页怎样实现思维方式数学化？数学教育对计算科学专业人才培养有两个目标：一是经过教学使学生掌握深入学习这一学科所需要数学基础知识；这是由学科发展内在规律决定。二是经过严格数学训练，使学生实现思维方式或思维过程数学化。怎样来实现思维方式数学化呢？这是许多学生普遍有疑问而且又感兴趣问题。

：第23页怎样实现思维方式数学化？所谓思维方式数学化是指从普通人思维方式转向数学家工作思维方式。数学家思维方式与其它学科学者很不相同。他们对客观事物观察和分析普通是经过对事物抽象，利用特殊符号或语言系统，研究事物在空间中数量关系、位置关系、结构关系和变换规律，研究含有共同抽象概念、性质一类事物一些内在规律，以此指导人们从一个侧面去认识事物。逻辑是严格数学论证和科学论证主要工具，而数理逻辑则是从数学角度为数学研究乃至科学研究提供了科学推理逻辑基础。大多数数学家是经过严格数学训练实现思维方式数学化，但要将这种思维方式上升为系统理性思维方式，则主要取决于人们数理逻辑或形式逻辑涵养。第24页怎样实现思维方式数学化？例子：给定一个字符串长度不超出m集合，请将集合中每一个字符串反转一下（或称调个个儿）。比如，对字符串abc，就是求cba。注意，除最终输出外不允许使用输入/输出操作。教科书提供了两种描述与计算问题解法，可能还有更加好解法。显然，因为解题过程思想方法不一样，数学表述也不一样。

：第25页怎样实现思维方式数学化？计算机执行运算操作时“机械、死板、严格、精密”特征是数学与计算科学建立天然联络主要内在原因。计算理论业已表明，理论上，凡是能够由计算机处理问题，包含问题描述和处理过程，均能够数学化或形式化，即用数学符号系统来描述；反之，凡是能够用以离散数学为代表结构性数学描述问题及其处理过程，只要论域是有穷，或虽论域为无穷但存在有穷表示，也一定能够用计算机来处理。至于现实是否能行则取决于计算复杂性和实际需要计算时间和空间。由此能够看出学习数学，尤其是学习以离散数学为代表结构性数学对计算科学专业工作者主要性。

：第26页怎样实现思维方式数学化？今天，即使许多人能够完成大量计算机应用任务而并不需要很多数学训练，但这不等于说计算科学不需要高深数学，原因是仅凭直觉和经验就能顺利处理那些问题，不但说明了这些问题是足够简单，而且还因为科学家和工程师们所做大量前期工作使得其中一些原来困难问题在前人工作基础上已变得较为轻易。

：第27页怎样实现思维方式数学化？对非计算科学专业从事计算机详细应用人员来说，数学可能并不主要，他们只需要知道怎样使用各种计算机软硬件资源，如编译程序、操作系统、数据库管理系统、相关硬件接口、各种软件工具和应用软件程序包使用就能够了。对计算科学专业人员，没有坚实数学基础，就不可能从事较高起点，而且是其它学科专业人员不能胜任计算科学专业技术工作，尤其是那些需要专业人员自己寻找处理问题路径、理论、方法和技术问题。由此可见思维过程数学化对计算科学专业人员主要性。第28页怎样实现思维方式数学化？实现思维方式数学化步骤必须分两个阶段来完成。

第一阶段，经过对空间解析几何、数学分析、高等代数、常微分方程、概率统计、计算方法等数学课程学习，使学生熟悉和习惯于使用数学语言和符号系统对研究数学对象进行严格分析、表述、计算和推演，为学习后续课程打下坚实数学基础，初步实现思维方式数学化，初步到达数学上某种成熟性。第29页怎样实现思维方式数学化？第二阶段，数学学习转向以计算科学为背景离散数学和理论计算机科学学习，尤其是经过对数理逻辑系统学习，使学生将思维方式由感性逐步上升为系统理性思维方式，深入实现思维方式数学化，最终使学生到达良好数学上某种成熟性。在第二阶段数学教育中，数学教学内容是以计算科学为背景离散数学和理论计算机科学，目标是深入实现思维方式数学化，最终使学生到达良好数学上某种成熟性,同时，在计算科学基础理论方面初步打下良好基础。第30页怎样实现思维方式数学化？经过数学教学路径来实现学生思维方式数学化是最便捷、可靠路径。计算科学创新研究与开发能力高低主要取决于研究开发者数学基础，尤其是数学上某种成熟性和思维方式数学化。数学上成熟性和思维方式数学化不是普通工科数学教学所能实现。应下大力气把离散数学学好。学习中还应注意其内容与计算科学背景相联络，与发生在身边事情相联络。第31页计算机科学与技术专业重点课程公共基础课程：大学英语、高等数学、大学物理、线性代数、数字系统与逻辑设计、程序设计基础、专业英语；专业基础与专业课程：离散数学、计算机组成原理、计算机网络、数据结构、操作系统、数据库原理、编译原理与技术、面向对象程序设计、汇编语言、计算机图形学、算法分析与设计、微机接口技术、计算机系统结构、软件工程。

：第32页计算机科学与技术专业（软件工程）重点课程公共基础课程：大学英语、高等数学、大学物理、线性代数、数字系统与逻辑设计、程序设计基础、专业英语；专业基础与专业课程：离散数学、计算机组成原理、计算机网络、数据结构、操作系统、数据库原理、编译原理与技术、面向对象程序设计、汇编语言、算法分析与设计、软件工程、软件设计与体系结构、软件项目管理、软件测试技术。

：第33页网络工程专业重点课程公共基础课程：大学英语、高等数学、大学物理、线性代数、数字系统与逻辑设计、程序设计基础、专业英语；专业基础与专业课程：数据结构、操作系统，计算机网络原理，网络互连技术，当代通信技术,网络安全技术概论，网络通信编程技术网络设备与应用，网络管理与维护，网络操作系统分析，高性能计算技术，无线网络技术，计算机密码学，网络系统规划与设计，网站建设，多媒体网络通信技术，移动编程技术，网络数据库技术。

：第34页信息安全专业重点课程公共基础课程：大学英语、高等数学、大学物理、线性代数、数字系统与逻辑设计、程序设计基础、专业英语；专业基础与专业课程：离散数学、数据结构、计算机网络、操作系统、数据库系统、信息安全理论、计算机密码学、网络安全技术、信息安全管理、信息安全工程、入侵检测与防御、信息内容安全、容错与可信系统、信息反抗技术、网络互连技术、网络协议分析、高性能计算技术。

：第35页试验课程在计算科学教学计划中作用和地位试验教学是学科教学过程中主要步骤。但应该认识到试验教学与基础（理论）教学相比是相对次要工作。大学教育重在基础。试验内容主要是从学科知识组织结构出发，选择最能反应本学科基本试验技术试验内容组织教学。作为一个训练有素科学人才，计算科学试验工作应该在理论指导下进行，而不是在盲目地探索中获取知识，应提倡理论与实践相结合工作作风。学校强调是学生在校期间应在本学科基本试验技术和试验方法方面打下良好基础，其良好主要标志应该是学生试验动手能力提升，而不是单纯完成试验速度。

：第36页试验课程在计算科学教学计划中作用和地位试验教学要到达以下几个目标：

⑴学生应该经过试验教学了解课堂上讲授原理、方法和技术怎样经过试验反应，即怎样在软件和硬件设计、实现和调试中反应出来；⑵学生应该经过试验教学了解哪些是计算科学最基本试验技术并掌握这些技术，怎样深入掌握其它一些试验技术，即学会掌握试验室技术普通方法；⑶学生应该经过试验教学认识到试验方法主要性。能够从试验目标与技术要求，构思设计试验，实际操作实现步骤，试验数据统计分析，研究结果正确陈说，与其它试验比较，以及思索怎样总结和改进试验、构思新试验中取得体会；⑷学生应该经过试验教学养成良好试验习惯，重视理论联络实际，正确设计试验，完成基本操作，经过试验和试验汇报反应正确思想方法和试验能力。

：第37页试验课程在计算科学教学计划中作用和地位试验能力培养。实践和上机都是非常主要，希望重视以下课程试验：物理试验和电子试验。高级程序设计语言（C/C++/Java)。计算机组成原理操作系统原理数据库原理和数据库编程(以关系型数据库为样本)Internet原理和组网技术安全技术攻防试验

：第38页专业能力和应用、创新能力培养计算科学专业能力主要经过以下几方面详细能力表达出来。借助专业科技文件资料，快速掌握新知识能力；分析现有软硬件产品，进行仿制开发、二次开发和维修能力；依据新思想，设计软硬件系统进行试验开发能力；对实际计算问题，利用科学方法，立足现有设备进行计算处理能力；在前人工作基础上，进行新概念、新思想、新方法新技术创新研究能力。

：第39页专业能力和应用、创新能力培养从技术能力角度观察，计算科学专业能力主要集中在以下几个方面：⑴阅读、了解科学技术文件上新知识，尤其是用数学形式表述科学论文、技术汇报内容，能够较快地掌握新知识；⑵计算机实际操作，工具使用，以及软硬件试验应用操作能力；⑶硬件设计、数字逻辑系统设计及其实现、维修能力；⑷软件设计、算法设计、程序设计、程序证实能力；⑸在前人工作基础上，提出新思想、新概念、新方法、新技术、新理论，并加以数学论证，或经过设计与试验验证能力。

：第40页科技工作和技术应用能力科技工作和技术应用能力培养应从基本理论训练、实践训练和独立研究等三个方面着手。认真对待和做好教学计划设置各种实践训练；争取参加一个大项目（详细项目）；培养团体精神（协同、合作精神）；有意识地为自己设置一些独立研究课题，已培养自己独立工作能力。

：第41页科技工作和技术应用能力科技工作和技术应用能力培养应从基本理论训练、实践训练和独立研究等三个方面着手。认真对待和做好教学计划设置各种实践训练；争取参加一个大项目（详细项目）；培养团体精神（协同、合作精神）；有意识地为自己设置一些独立研究课题，已培养自己独立工作能力。

：第42页一个优异程序员应该具备专业素质（几点提议）1.扎实基础数据结构、离散数学、编译原理，这些是全部计算机科学基础，假如不掌握他们，极难写出高水平程序。据我观察，学计算机专业人比学其它专业人更能写出高质量软件。程序人人都会写，但当你发觉写到一定程度极难再提升时候，就应该想想是不是要回过头来学学这些最基本理论。不要一开始就去学OOP，即使你再精通OOP，碰到一些基本算法时候可能也会束手无策。

：第43页一个优异程序员应该具备专业素质（几点提议）2.丰富想象力不要拘泥于固定思维方式，碰到问题时候要多想几个处理问题方案，试试他人从没想过方法。丰富想象力是建立在丰富知识基础上，除计算机以外，多涉猎其它学科，比如天文、物理、数学等等。另外，多看科幻电影也是一个很好路径。

：第44页一个优异程序员应该具备专业素质（几点提议）3.最简单是最好这可能是全部科学都遵照一条准则，如此复杂质能交换原理在爱因斯坦眼里不过是一个简单得不能再简单公式：E=mc2。简单方法更轻易被人了解，更轻易实现，也更轻易维护。碰到问题时要优先考虑最简单方案，只有简单方案不能满足要求时再考虑复杂方案。

：第45页一个优异程序员应该具备专业素质（几点提议）4.不钻牛角尖当你碰到障碍时候，不妨暂时远离电脑，看看窗外风景，听听轻音乐，和朋友聊聊天。当负责听音乐、聊天那部分大脑细胞极度亢奋时候，负责编程那部分大脑细胞就得到了充分休息。当重新开始工作时候，我会发觉那些难题现在竟然能够迎刃而解。

：第46页一个优异程序员应该具备专业素质（几点提议）5.对答案渴求人类自然科学发展史就是一个渴求得到答案过程，即使只能知道答案一小部分也值得我们去付出。只要你坚定信念，一定要找到问题答案，你才会付出精力去探索，即使最终没有得到答案，在过程中你也会学到很多东西。

：第47页一个优异程序员应该具备专业素质（几点提议）6.多与他人交流三人行必有我师，可能在一次和他人不经意谈话中，就能够迸出灵感火花。多上上网，看看他人对同一问题看法，会给你很大启发。

：第48页一个优异程序员应该具备专业素质（几点提议）7.良好编程格调注意养成良好习惯，代码缩进编排，变量命名规则要一直保持一致。大家都知道怎样排除代码中错误，却往往忽略了对注释排错。注释是程序一个主要组成部分，它能够使你代码更轻易了解，而假如代码已经清楚地表示了你思想，就无须再加注释了，假如注释和代码不一致，那就愈加糟糕。

：第49页一个优异程序员应该具备专业素质（几点提议）8.韧性和毅力这可能是“高手”和普通程序员最大区分。Agoodprogrammingis99sweatand1genius。高手们并不是天才，他们是在无数个日日夜夜中磨练出来。成功效给我们带来无比喜悦，但过程却是无比枯燥乏味。你不妨做个测试，找个10000以内素数表，把它们全都抄下来，然后再检验三遍，假如能够不间断地完成这一工作，你就能够满足这一条。

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第6章计算科学教学计

划与课程体系6.5了解科学与科学素养第51页了解科学所谓了解科学是指一个人对各种科学知识综合结构了解。其中包含最基本科学原理，科学思想之间关系，形成这些关系原因，怎样利用这些科学知识解释和预测自然现象和各种人工试验现象，以及认识和了解发生在我们身边事情。了解科学同时还包含分辨科学和伪科学能力，在前人工作基础上探索未知世界和未知领域能力。

：第52页了解科学了解科学，必定将要讨教学从过去单纯以传授知识和记忆知识为主转向以学生经过学习知识，提升了解科学能力为主。这就要求学生要有较为宽广、公共科学基础知识，含有了解自己所从事专业以外领域基本知识愿望。要注意，对大学生含有较为宽广、公共科学基础知识应主要表达在大一级学科和与本学科相关基础学科知识上，而不是面面俱到。

：第53页了解科学了解科学，必定将要讨教学从过去单纯以学生被动接收知识过程为主转向以教师引导学生主动获取知识主动学习过程为主。主动学习过程主要是指学习者身体和头脑一个状态。在这种状态下，学生已不能满足课堂上学到知识而经常对发生在自己身边事物产生兴趣，并主动探索，学生也已不能满足动手活动和简单试验，而愿意理论联络实际，系统地、科学地进行思索、阐述。

：第54页了解科学了解科学，必定要讨教学从大量要求学生死记硬背知识教学方式中解脱出来，而突出最主要知识，落实少而精，加强科学技术能力方面培养，含有科学哲学思想基础，正确思想方法。

了解科学，实际上是素质教育必定要求。要从应试教育转向素质教育，计算科学专业就必须在专业教学中落