信息科技教育与培养创新型人才

1、1,信息科技教育与培养创新型人才 从我的教学实践浅谈创新能力的培养 清华大学 吴文虎,2,演讲主题 怎样学习 人类通用智力工具 理念,视野,能力,素养 学生在学校打什么基础 中国人行,还是不行? 过去不行,为什么? 今后要行,靠什么? 敢问路在何方，路在脚下,3,科学技术离不开数学,“任何事物都是量和质的统一体，都有自身的量的方面的规律，不掌握量的规律，就不可能对事物的质获得明晰的认识。数学是研究量的科学，数学不断地在总结和积累各种量的规律性，因而必然成为人们认识世界的有力工具。” 马克思说：“一门科学只有当它达到了能够成功地运用数学时，才算真正发展了。”,4,数学与电脑,电子计算机是人脑的延

2、伸。是为计算而发明和发展的。 电脑是人类通用智力工具，可以大大增强人的思维能力和认识能力。 计算机仿真实验正在部分地取代实际实验，起到发现规律，验证理论，预测新现象的作用。,5,教育观念的更新,1）教育必须培养人的自我决定能力，而不是 培养人们去适应传统世界； 2）教育重要的是要唤醒学生的力量，培养其自我性、主动性、抽象的归纳力和理解力。 联合国教科文组织已将教育的定义从： “有组织有目的的知识传授活动” 改变为： “能够导致学习的交流活动”,6,教育观 对教育的目的和价值的总体看法,可持续发展教育观 核心是在知识和能力的基础上强调素质。进一步要求受教育者要关心他人，学会合作、协调，将能力培养

3、与素质教育摆到重要位置上。,7,知识、能力、素质 融会贯通于教育的全过程,1.建立知识是载体的概念 1）具有较强能力和良好素质的人，必须掌握丰富的知识； 2）能力培养与素质教育要部分地通过知识的传授来实施； 3）能力与素质在许多场合下是通过知识表现出来的。,8,如何学习知识？ 推崇探索为本的教育和学习，鼓励将知识型教学改进为研究型教学。构造不同级别的探索空间，引导学生在这样的空间学习实践，取得经验，提高能力。,9,2.技能化知识的综合体现能力 培养能力，要把知识运用的综合性、灵活性与探索性作为重要内容。 能力须以丰富的知识作支撑。 实践是能力赖以生长的土壤。,10,3.素质是知识和能力的升华

4、素质教育是以尊重学生的主体作用、主动精神，注重开发人的潜能，形成人的健全人格为根本特征的教育。 素质教育要求学生在学校里学会： 怎样做人，怎样做事 怎样求知，怎样健体,11,信息道德：维护信息资源的真实性与 信息处理的社会责任感，是科学精神与 人文精神的结合。 信息道德水平体现着人格水平。 信息教育过程也是提高思想道德情操 塑造健康人格的过程。,12,能力作为个性的个别心理特点，不是天赋的，而是在后天的教育与实践中形成和发展起来的。 能力是各种社会实践的产物，只能在实践活动中得到提高。 创造性思维活动的基础是理论指导下的实践，有目的的实践。在实践当中积累丰富的经验，取得真知灼见。 在这一过程中

5、需要丰富的想象力和敏锐的洞察力。,13,创造性思维离不开工具。 工具影响思维。 “ 我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将影响着我们的思维能力。”（Edsger Dijkstra 1972年图灵奖得主） 计算思维是人类借助通用智力工具求解问题的一条途径。涉及理解和运用计算机科学的基本概念、递归思想、抽象化、形式化、枚举、搜索、启发推理等。,14,多元智能理论,逻辑数理智力 言语语言智力 音乐节奏智力 视觉空间智力 身体动觉智力 自知自省智力 交往交流智力,15,我的感悟: 谁也不比谁差 每个人都有自己的长处和潜力 我们老师的责任 是把学生的潜能发掘出来 人人都应 自信,自立,

6、自尊,自强,16,在信息时代 怎样做才能占有先机？,17,起跑线很重要 李学武老师语重心长地说“不能让我们的孩子输在起跑线上”。我赞赏李老师的远见卓识，更愿意加上一句话，“我们有责任让那些有理想有抱负有灵气又肯吃苦的中国孩子在起跑时就能占有先机。”,18,当代大学生为什么要学编程,人类通用智力工具 大学生的看家本领 “在不远的将来，程序设计和数学建模与微积分、高等代数、大学物理一样，成为所有大学的核心基础课程。”（李未） 工具影响思维 会用工具的人肯定越来越聪明,19,计算思维方式,在用智力工具时应该用什么思维方式 人要让计算机帮助自己做事就要学习计算机能够“懂”的语言 计算机是解决数学问题的

7、机器，无论多简单或多复杂的问题都要形式化为数学式子或相应的操作步骤 怎样想和怎样做才能将计算机的潜能发挥到极致，需要知道计算机的原理和算法,20,计算思维是人类借助通用智力工具求解问题的一条途径。 涉及理解和运用计算机科学的基本概念、递归思想、抽象化、形式化、枚举、搜索、启发推理等。,21,提升能力靠练，练才能成“正果”,“程序设计不是听会的，也不是看会的，而是自己上机练会的。” 主动权掌握在自己手里。 化难为易的金钥匙-动手。 动手才能找到感觉，动手才能找到自信，动手才能有成就感。 实践出真知，实践长能力，实践来兴趣。,22,练中学思路方法,动手动脑掌握规律 抽象思维与形式化 解题方法与策略

8、 积累经验 交流，讨论，共享 向能人请教 练中添自信,23,教学的思路,问题驱动,理出思路,建立模型,构思算法,程序实现,24,最近我看了一篇文章题目是“中国的孩子需要什么样的生长维生素 ”，主题是比较中国和美国对体育的重视程度和体育教育理念，很受启发。美国人把自主，自立自强，竞争，奋斗，意志品质摆在极其重要的位置。西方提倡学科比赛和体育比赛一样，强调三种精神： 1 蓬勃向上的竞争精神； 2 一往无前的奋斗精神； 3 开放进取的创新精神。,25,每次遇到记者，他们都会问我:为什么你们这种学科竞赛要冠以“奥林匹克”字样。我说：您知道李宁、李小双吗？对方点点头。我说：对于普通人，我们只会做劳卫操用

9、来健身，而体育奥赛中，体操运动员在鞍马上要做托马斯全旋。有几个人能做呢？这是要经过特殊训练的。智力的竞赛，同样要经过特殊的训练，同样要求“更高、更快、更强”。,26,著名的计算机科学家、图灵奖的获得者、美国斯坦福大学教授G伏赛斯曾预言：计算机科学将是继自然语言、数学之后，成为第三位对人的一生都有重大用途的“通用智力工具”。二十世纪末，以计算机为龙头的信息技术风起云涌般的发展势头，将世界带入了一个快速发展的新时代。竞争中的领跑者们意识到要不失时机地将有关信息科学知识与应用能力，尽快地纳入到青少年的知识结构中。信息科技应该成为跨世纪人才迈向信息时代的入场券。,27,就是在这样的背景下，1987年，

10、保加利亚的Sendov教授在联合国教科文组织(UNESCO)第24届全体会议上，倡议举办国际信息学奥林匹克竞赛(International Olympiad in Informatics，简称IOI)。首届竞赛于1989年5月在保加利亚的布拉维茨举行，当年有13个国家的46名选手参赛。此后每年举办一届，到2007年已举办了19届，有70多个国家和地区派队参加，参赛选手近300人,28,IOI竞赛属于智力与应用计算机解题能力的比赛。题目有相当的难度，而且有趋势越来越难。解好这类题目，需要有相当强的数理化文史地的基础，具备很强的全面素质与综合能力。,29,首先是读题能力，英语和语文好的当然占先；之

11、后是观察和分析问题的能力，一下就能切入主题抓住本质者占先；再就是将实际问题进行抽象并转化为数学模型的能力，这就要求数学功底要强，最好超强；接着是灵活运用各种算法的能力，有时还得自己针对题目设计新的算法；想好算法之后，要在某种语言环境下，熟练地编写程序，并将其快速无误地调试通过的能力；最后一条是根据题目的要求和对边界条件的估计，自己设计测试数据，检查自己的算法及其实现是否正确，是否完备的能力。,30,编程解题竞赛的核心是算法设计。在题目范围没有界定的情况下，可以说选手的赛前准备要“以不变应万变”。不变的东西是基础，是素养。基础好、素养高的人取胜的概率就大。 到 IOI 或 ACM 这个国际大舞台

12、上去比，说到底是比基础，比素养。,31,我在清华50多年的感悟： 摘掉光环，从零开始 德智体美全面发展 学习 怎样做人 怎样做事 怎样求知 怎样健体,32,做人，诚信是第一位的，有理想，有抱负，有道德，有责任感是成材，成大材的源动力。 做事要敬业, 追求完美。 求真务实是清华的传家宝。 在学习的过程中学会如何学习， 理论联系实际的优良学风最重要。 健体：“为祖国健康地工作50年” 身体和心理都要健康。,33,从我的教学实践浅谈 创新能力的培养,34,基本情况 1 信息学奥林匹克竞赛 NOI, IOI 2 大学生挑战杯 SRT 3 ACM 世界大学生程序设计大赛 4 “程序设计基础”精品课程建设

13、,35,全国信息学奥林匹克竞赛NOI 19842007 国际信息学奥林匹克竞赛 IOI 19892007 获金牌46块 银牌17块 铜牌11块 全国大学生挑战杯 获一等奖 ACM世界大学生程序设计大赛 19972009 连续13年获总决赛权,多次获金牌或银牌,36,何谓ACM/ICPC,Association for Computing Machinery ACM/ICPC 是国际计算机协会出面组织的 国际大学生程序设计竞赛的简称 International Collegiate Programming Contest,37,赛题特点,有实际背景，趣味性和实用性较强 考查的知识范围较全面（基础

14、的与深层次的） 层次性较好，有不同水平的题 灵活、新颖。绝大部分没有定解，留有广阔的思维空间，有益于培养创造性,38,受欢迎才有发展,这项每年一届的全球性高校之间的赛事始于1976年，属于大学生使用计算机解题能力的竞赛，是目前世界公认的最具影响力和规模最大的国际顶级赛事。 赛场是大学生展示水平与才华的大舞台，是著名的高等学府计算机教育成果的直接体现， 也是IT企业与世界顶尖计算机人才对话的最佳机会。 因而吸引了越来越多的高校参赛，使得参赛队伍的水平上升很快，赛题的难度也在不断提高。,39,规模最大的学科世界赛事,本届ACM/ICPC世界大赛，规模空前，共有 来自88个国家和地区的1838所大学

15、的7109支队伍参加了预赛， 从中选出 100支队伍参加了在瑞典的总决赛。 平均71个队中选一个队出线，参加总决赛。,40,赛题难度大，具挑战性,因为题目的难度很大，涉及数学、物理、电子学、计算机科学等多种学科，特别是要用到数理逻辑、图论集合论、组合数学、概率论、计算几何等知识和高效算法，现场的审题建模、构思算法、编码调试、自我测试、快速纠错的全面能力对每一个参赛队都是巨大的挑战。尽管已是能够打入决赛圈的队，11道赛题有的队也只能解对两至三道。,41,获奖学校：（共13个）,金牌:4枚 名次 学校 解题数 用时 1 St. Petersburg State University of IT,

16、Mechanics and Optics 9 1381 2 Tsinghua University 9 1800 3 St. Petersburg State University 8 1176 4 Saratov State University 8 1305,42,银牌:4枚 名次 学校 解题数 用时 5 University of Oxford 7 998 6 Zhejiang University 7 1117 7 Massachusetts Institute of Technology 7 1143 8 Altai State Technical University 7 1254

17、,43,铜牌:5枚 名次 学校 解题数 用时 9 University of Warsaw 7 1413 10 University of Waterloo 6 787 11 I. Javakhishvili Tbilisi State University 6 933 12 Carnegie Mellon University 6 1045 13 South China University of Technology 6 1058,44,共13枚奖牌 中国拿了3枚 参赛国家和地区有88个 中国行，但还须努力,45,课程改革 “ 程序设计基础 ” 20012008 已上三个台阶 2002 被

18、清华大学评为校级精品课 2003 被北京市评为市级精品课 2004 被教育部评为国家级首批精品课 2006 获北京市高等教育教学名师奖 2008 第一届清华大学“我最喜爱的教师” 榜首（全校10名）,46,拿金牌不是我们的终极目标 中国的崛起需要培养创新人才 怎样培养创造能力的问题, 是我们多年来不断思考和探索的问题.,47,“变，是唯一的不变” “能够生存下来的物种，不是那些最强的，也不是那些最聪明的，而是那些对外界的变化最具有适应能力的（物种）”（达尔文的进化论） 科学发展观要求：在变革中求发展，与时俱进，教育理念、教育方式、教学方法都要适应时代的发展，都要变,48,奥林匹克活动重点培养创

19、造能力,49,奥林匹克学科竞赛活动是一种特殊的训练，特殊在学习理念和模式上。这种活动属于智力活动。 智力活动的核心是思维，思维能力在所谓观察力、注意力、想象力、记忆力、分析力中居于核心地位，控制和制约着其他能力的发展，是拓展其他能力的基础。 思维的广阔性、敏锐性、灵活性、深刻性和创造性的程度是衡量一个人能力发展水平的重要标志。训练思维能力旨在开发智力。,50,心理学的研究和中国队训练的实践表明，这种智力训练纸上谈兵不行，一定要造成一种氛围，营造良好的实践环境，引导选手利用计算机这样一个智力工具，自己寻找问题、分析问题，并动手解决问题，既动脑又动手，养成脚踏实地理论联系实际的优良学风。,51,培

20、养创造意识要在学习中倡导发现法，使学习活动尽可能带有探索性，让学习者始终处于探索、追求、刻意求新、力求完美的精神状态之下。 这种探索性学习的内在动力是强烈的兴趣。恰恰信息学竞赛活动能以其难和新，激发兴趣。 竞赛试题是从现实生活中抽象出来的，很多题目尚无固定解法，极具挑战性, 其中许多题目适于让学生自主进行研究。,52,对孩子们来说, 创新思维需要鼓励与提倡. 我们是通过任务驱动的方式, 让选手在解难题的过程中, 去构思时间和空间复杂度都能满足要求的完美算法. 强调独立思考, 鼓励标新立异. 每年的冬令营我们都会组织国家队的集训队员将自己解题过程中的思路和体会写成论文, 并作一个报告, 与大家交

21、流.,53,强调创新是民族的灵魂, 创新是个性化精神的表现, 创新的突出标志是与众不同的独特思维, 创新须有丰富的想象力和敏锐的洞察力 创新的思想基础是科学的世界观和方法论, 要从思想方法上摆脱传统偏见, 思维定势往往会妨碍无偏见的观察和思考问题. 创造性思维活动的基础是理论指导下的实践. 强调创新精神的心理基础是”自立, 自信, 自尊, 自强” .,54,在解题过程中，选手们要去钻研很多可能在大学阶段才能学到的知识，比如数据结构、组合数学、人工智能搜索算法、图论与集合论等等。这个学习任务不是老师强加给选手的，而是研究性学习当中他们自己必然会遇到的，兴趣使然，再难他们也愿意去学。这种自主学习的

22、最大特点是有的放矢，理论结合实际，学和用统一在解决自己所遇到的难题上，因此就学得深，学得活。,55,智力因素和非智力因素 健康的心理状态和良好的精神境界是成材的重要条件。 成功教育和挫折教育 自省能力和适时“清零” 责任感，动力，远大目标 自强不息, 厚德载物,56,信息学竞赛中的许多高手进入大学后, 绝大多数表现突出, 具有极强的学习能力和研究能力. 多年来每到学生毕业时, 系里都会评出10名左右的优秀毕业生, 其中就会有好几位曾是奥赛的选手. 在1990到1995年, 我曾组织过一些进了清华的选手参加课外科技活动, 多次获得全国大学生挑战杯一等奖.,57,举例 例1.北京二中的吴昭同学,

23、1990年全国比赛单项冠军, 比赛的题目是给一块印刷电路板和一些元器件, 让选手用电烙铁焊接出一台微电脑, 再使用汇编语言写一个控制程序, 让连在微电脑上的一串节日灯转起来, 这是一个既动硬件又编软件的赛题, 难度很大. 规定完成时间是4个小时,而吴昭同学只用了一个半小时就完成了任务. 表现出极强的动手动脑能力.,58,后来吴昭(中学生)参加到我接的一项电子部”七五”攻关任务, 由大一新生和中学生来协同完成. 这个任务完成的很好, 通过了国家鉴定, 受到了专家的好评. 做得最突出的是这位吴昭同学, 他敢于向外国权威软件挑战, 自己编写了一个磁盘操作系统, 比外国同类软件存取速度快10倍.,59

24、,吴昭免试进入清华大学, 被列为校级因材施教生, 作为导师我指导他的学习和课外研究, 强化自主学习, 任务驱动, “真刀真枪”,在实践的过程中,学习理论和技术,在解决实际问题的动手动脑的实践中激发创造意识,提高创新能力. 在他上大一的时候, 就独立完成了一个科研任务: 设计并实现了一个用于语音识别的16通道滤波器. 这是一块装有电子元器件的印刷电路板, 可以插入主机中使用. 从学习数字电路,运算放大器,滤波器的原理到电路板的设计,从采购电子元器件到联系焊接加工, 以及最后的调试和检测, 都由他一个人独立完成.,60,吴昭同学只用了4年时间学完了大学5年的课程. 更难能可贵的是,就在最后一年,

25、他和廖恒同学( 1996年NOI 第2名 )合作, 用业余时间,研究设计并实现了一台中文激光打印机. 比当时市面能买到的同类产品的速度快5 倍. 通过了国家鉴定. 获学校科技活动特等奖. 大学全国挑战杯一等奖.,61,毕业前吴昭说 我得益于青少年课外科技活动 学习就应该既动手又动脑 不要迷信书本, 不要迷信权威 要有合作伙伴, 相互支撑, 协力攻关,62,例2.1997年3年级学生刘江川进行实时英语语音识别的研究，该成果已用于国内第一张声控交互式视频英语教学光盘大嘴英语中，也是在英语学习方面第一次成功地运用“非特定人语言识别技术”。大嘴英语获得“第六届莫必斯多媒体光盘国际大奖赛中国推荐委员会推

26、荐奖”，国家信息中心发布1993-1997年优秀多媒体光盘评测“最受用户欢迎奖”及“最佳技术奖”。,63,例3、1998年，大一年级的学生张欣研为洪恩公司的随心所欲说英语CAI软件添加语音识别功能，荣获首都高校多媒体软件竞赛优秀奖。随心所欲说英语II获电脑报99年编辑选择奖；2001获电脑报国产外语学习软件“市场占有率第一品牌”奖、“读者首选品牌”奖。,64,例4.语音的线谱对参数LSP ，对于语音合成，可以收到很好的效果。我们出于科研的需要，设想能否利用这种参数提高语音识别系统的性能。这是一个国内外文献中都不曾有人探讨过的课题。我们曾经让一个刚刚毕业的助教做这项工作，但经过半年的努力没有取得

27、进展。1997年我们让参加SRT的三名本科三年级的同学承担这项任务。这三位同学是李凌，郑丰宙，喻文健，他们以前并没有上过“语音信号处理”等专业课程，难度对他们来说相当大。但他们目标明确，自学了有关的理论，查阅了相关的文献，在深入分析的基础上，提出要将LSP参数应用于语音识别必须解决的三个问题，其中最难的一个问题是，还没有人提出过基于LSP的距离测度公式。,65,他们想到，既然寻找简单的距离公式似如登天，那么，为什么不可以根据LSP自身的特点来设计距离公式呢？发散思维、逆向思维，敢于去探索前人没有走过的路，这就是创新思想的发端。有了这种想法，它们从网络上下载了一些工具软件，在实验的基础上开动脑筋

28、，每人提出一个距离测度公式，经过反复试验调整得到了比较满意的结果。后来综合三人实验成果的论文被1998年在悉尼举行的国际语音处理大会（ICSLP98）录用并宣读。,66,我们应该如何 培养创新能力,67,1 强化实践,实践是创新能力形成的唯一途径 要给学生搭建实践平台 引发兴趣, 动手动脑, 激发斗志,使其具成就感 强化理论联系实际的优良学风, 学风极其重要 实践是创新能力发展的动力,也是检验创新 成果的唯一标准 真本事是在创造性的实践中培养和造就的,68,2 鼓励创新思维,思维是人脑对客观事物的间接的概括的反映 创新思维具有全新性,灵活性,可行性的特点 创新思维是直觉思维和逻辑思维的辨证统一

29、 是发散思维和收敛思维的优化综合 思维模式: 不”唯书”,不”唯上”,只”唯实” 将注重于传统的继承,模仿和再造, 改变为对传统的怀疑,批判和超越 ( 例 吴昭),69,名家名言,“ 我没有特别的才能，只不过喜欢刨根问底罢了。”-爱因斯坦 做学问-又学又问,70,3 注重内化,怎样做人,怎样做事,怎样求知,怎样健体 远大抱负,健康心态,良好习惯,执着追求 科学的世界观和方法论 注重内化: 教育的真谛 内化是生理过程向心理过程的转换过程 从”知道”,到”体道”的过程,就是”内化” 晓得做人做事的道理是”知道” 按照这个道理去身体力行就是”体道”,71,学生从”知道”到”体道”, 教育至关重要.

30、好的作风,好的品质是习得的. “美德和道德只能通过实践获得, 做诚实的事才能成为诚实的人, 做勇敢的事才能成为勇敢的人.”,72,4 教师的责任,行胜于言,通过教学活动将人文精神和科学精神内化为学生的生活方式,生活态度和生活习惯 以人为本,尊重和唤醒学生的主体意识,挖掘学生的创造潜能 “精心育桃李, 切望青胜蓝” 让学生比我们老师做的好，一代更比一代强,73,教书育人是教师的天职 是责任 是专门技术 也是一门艺术,74,怎样做才能成功？ 论拼搏精神与良好心态 - 迎接NOI 2006和 IOI 2006 吴文虎,75,最近,我总在想,学科奥林匹克竞赛的精神内涵究竟是什么?对我们中国青少年的成长能够起到什么作用? “更高,更快,更强” 意味着 “挑战”. 人类五千年的文明史也是挑战史. 人在与天斗与地斗的漫长岁月,用聪明才智和不懈挑战揭示大自然的奥秘, 力图实现和谐发展的美好梦想. 迄今为止, 科学家们呕心沥血的研究成果已经为人类的辉煌梦想铺设了顶天立地的基石. 没有梦想, 没有挑战就不会有人类的进步。,76,我的老师体育界的泰斗马约翰教授曾经说过: “做勇敢的事, 才能成为勇敢的人. ” 挑战是勇者之事. 挑战要取胜, 靠什么? 有勇