计算思维与计算机基础教学.ppt

计算思维与计算机基础教学,西安交通大学 冯博琴 张家界 .2011.7.19,第7届高校计算机教改与发展高峰论坛,报告内容,报告内容,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，还要培养能力，提高素质 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,大学计算机基础课程的重要性,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 培养计算思维成为通识教育,大学计算机基础课程的重要性,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。 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。 17大提出的新型工业化道路,需要“专业+信息”人才。,计算机基础课程存在的问题,现状 “狭义工具论”的课程 “浓缩版”的教材 学生对计算机课程兴趣不大，逃课率相当高 忧患：教学学时被压缩， 课程面临被裁减的危机 计算机基础第一门课程致命要害是什么? 教学目标争议大； 体系不完整, 缺乏稳定的教学内容; 路在何方 ?,报告内容,（一）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（Computational Science: Ensuring Americas Competitiveness） 认为: 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。,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。 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。,（一）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 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。,（一）计算思维在美国产生的背景,报告建议 大学第一年计算机课程的构建问题； 多学科的融合问题； 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。,（一）计算思维在美国产生的背景,3. 2007年美国NSF的CPATH计划 CPATH（Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education，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、掌握计算核心概念对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，NSF 2007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。,（一）计算思维在美国产生的背景,4. 2008年美国NSF的CDI计划 CDI（Cyber-Enabled Discovery and Innovation，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。,（一）计算思维在美国产生的背景,（二）科学与科学思维,1. 人类科学的三大支柱： 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。,2. 人类认识世界和改造世界的 三种科学思维： 以观察和总结（归纳的方式，不是数学归纳）自然规律（包括人类社会活动）为特征的实证思维， 以物理学科为代表 思维结论要符合三点： 可以解释以往的实验现象 逻辑上自洽 是能够预见新的现象,（二）科学与科学思维,2. 人类认识世界和改造世界的 三种科学思维： 以推理和演绎为特征的逻辑思维， 以数学学科为代表 思维结论要符合以下原则： 有作为推理基础的公理集合 有一个可靠和协调的推演系统（推演规则） 结论只能从公理集合出发，经过推演系统的合法推理达到结论,（二）科学与科学思维,2. 人类认识世界和改造世界的 三种科学思维： 以设计和构造为特征的计算思维， 以计算机学科为代表 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 涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动,（二）科学与科学思维,（三）计算思维的概念,1. 认识计算思维： 计算思维方式特征 ： 能行性、构造性、模拟性 计算思维的标志： 有限性、确定性和机械性。 因此计算思维的结论应该是构造性的（也称 构造思维）、可操作的或者能行的 计算思维基本概念： 结构化、层次化、程序化 以抽象和自动化为手段， 着眼于问题求解和系统实现 是人类改造世界的最基本的思维模式,（三）计算思维的概念,1. 认识计算思维： 计算机出现强化了计算思维的意义和作用： 理论可以实现的过程变成了实际可以实现的过程 实现了从想法到产品整个过程的自动化、精确化和可控化 实现了自然现象与人类社会行为模拟 实现了海量信息处理分析，复杂装置与系统设计，大型工程组织等 大大拓展了人类认知世界和解决问题的能力和范围,（三）计算思维的概念,2. 它区别于逻辑思维和 实证思维的关键点：,（三）计算思维的概念,2. 它区别于逻辑思维和 实证思维的关键点： 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 。 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。,（三）计算思维的概念,2. 它区别于逻辑思维和 实证思维的关键点： 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,（三）计算思维的概念,3. 再论计算思维的特征： 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,意味着远远不只能为计算机编程，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。 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。,（三）计算思维的概念,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。所以计算思维是数学和工程思维的互补与融合 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。,（四）学习计算思维,对现有教育观念和方式的挑战 计算思维教育着眼于一种思维模式的养成和训练 因此有着与结构主义教学方法不同的要求和目标 计算思维的学习如何下手？ 信息的表示 算法 计算理论：可计算性与复杂性,报告内容,（五）中国计算机思维研究,九校联盟(C9) 计算机基础教学发展战略联合声明,陈国良院士讲话,西安交通大学教务处长致词,会议内容,会议研讨了国内外计算机基础教学的现状和发展趋势 并就以九校联盟(C9)为代表的我国高水平研究型大学 如何在新形势下提高计算机基础教学的质量、增强大学生计算思维能力的培养 进行了充分的交流和认真的讨论，形成以下共识,会议四点共识,一、计算机基础教学是培养大学生综合素质和创新能力不可或缺的重要环节，是培养复合型创新人才的重要组成部分,会议四点共识,我国高校的计算机基础教学成绩显著，然而在新形势下，计算机基础教学内涵在快速提升和不断丰富 进一步推进计算机基础教学改革，适应计算机科学技术发展的新趋势，是国家创新工程战略对计算机教学提出的重大要求 我们应该彻底改变长期以来存在的“计算机只是工具”、“计算机就是程序设计”和“计算机基础课程主要是讲解软件工具的应用”等片面认识,会议四点共识,计算科学已经与理论科学、实验科学并列，共同成为推动社会文明进步和促进科技发展的三大手段 不难发现，现在几乎所有领域的重大成就无不得益于计算科学的支持 计算机基础教学应致力于使大学生掌握计算科学的基本理论和方法，为培养复合型创新人才服务,会议四点共识,九校联盟(C9)担负着为国家建设和发展培养具有国际视野、多学科综合素质人才的重任 应以此为目标，经过若干年的探索，在计算机基础教学过程中完美地体现出以人为本、传授知识、培养能力、提高素质、协调发展的现代教育理念，大力培养学生的计算思维能力。,会议四点共识,二、旗帜鲜明地把 “计算思维能力的培养” 作为计算机基础教育的核心任务,会议四点共识,培养复合型创新人才的一个重要内容就是要潜移默化地使他们养成一种新的思维方式 运用计算机科学的基础概念 对问题进行求解、系统设计和行为理解 即建立计算思维。,会议四点共识,无论哪个学科，具有突出的计算思维能力都将成为新时期拔尖创新人才不可或缺的素质 国外一些著名高校开始尝试基于计算思维的课程改革，就是为了使其继续保持在计算科学研究与科学技术发展中的优势,会议四点共识,九校联盟(C9)应该毫不犹豫、旗帜鲜明地把培养具有国际竞争力的高级人才的计算思维能力，作为计算机基础教学的一项重要的、长期的和复杂的核心任务 为国内高校的人才培养引领方向、为计算机教育树立标杆。,会议四点共识,三、 进一步确立 计算机基础教学的基础地位， 加强队伍和机制建设,会议四点共识,当前我国正处在努力建设人才资源强国的关键时期，高等学校更需具备战略性眼光，从造就强国之才的长远观点出发 牢固确立计算机基础教学的基础性地位，使之与数学、物理等课程一样，作为大学通识教育的一个基本组成部分，并贯穿于整个大学教育过程中,会议四点共识,以计算思维能力培养为新目标、新任务的计算机基础教学，需要国家教育主管部门重视和支持 需要学校在教学时数、教学条件方面给予保障 更需要有一支高素质的、稳定的教师队伍的支撑,会议四点共识,四、加强以计算思维能力培养为核心的计算机基础教学课程体系和教学内容的研究,会议四点共识,我们建议由九校联盟(C9)牵头，加强以计算思维能力培养为核心的计算机基础教学课程体系和教学内容的研究 加快组建相关的协作机构，组织在计算机科研工作和各专业应用领域中有成就的教师参加此项工作研讨