计算科学教学计划与课程体系.ppt

第六章 计算科学教学计划与课程体系,李陶深 ,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的启示,西方国家产业结构调整给我们的启示,最近十几年,各国都在进行产业结构调整。十年前,美国和欧洲的经济在调整中发展缓慢,比较萧条。而日本虽然在积极进行产业结构调整,但因泡沫经济的作用,一度很繁荣。 从1996年初开始,美国产业结构的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的股票也不断升值。但是 ,日本去年却遇到了金融危机,并导致经济发展指标严重下滑。,西方国家产业结构调整给我们的启示,对西方发达国家的经济发展起决定性作用的因素是什么?经济学家比较一致的看法是,随着产业结构的调整,以计算机、通信、生物、自动化领域等先进技术为龙头的高科技产业的发展引发了经济蓬勃发展的局面。然而,为什么经济发展的奇迹没有在日本或其它一些国家出现? 初步的结论是：这与美国和欧洲各国长期重视基础理论和应用技术研究有关。,西方国家产业结构调整给我们的启示,美国是世界上既重视基础理论研究,又重视应用技术研究的国家,欧洲各国也历来具有重视基础理论研究的传统。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缓慢,在继续重视基础理论研究的同时,也开始重视和鼓励各种实用技术的研究,其中一个重要的标志就是在英国、法国、德国等欧洲国家中,由政府、大公司和民间机构设立了一些鼓励应用研究的计划、项目和奖项。,西方国家产业结构调整给我们的启示,日本历来比较注重技术开发而不重视基础理论研究,所带来的弊端已使其处于不利的竞争地位。虽然在1990以后开始加大对基础研究的投入,派遣了大批学生到欧美留学,但是,与欧洲将一部分人的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容易的事,其中的困难要大得多。可以说，导致日本目前经济不景气的关键是日本缺乏能给投资带来巨额财富和高回报的高精尖技术产业。,西方国家产业结构调整给我们的启示,著名的中国科学技术史专家李约瑟博士早就指出,曾经创造了灿烂的古代文化的中国人，之所以在近代科学的发展中落后了，除了政治上的原因之外，一个很重要的原因就是在科学技术的研究中，过于注重实用，功利倾向明显。,西方国家产业结构调整给我们的启示,上述的事例告诉我们：21世纪我国需要的计算机人才应该是具有坚实的数学基础和计算机科学理论基础,具有良好的科学素养和文化修养,受过良好的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的专门人才,而不是跟在外国公司的后面,靠引进、分析、消化、仿制、改良求得生存和发展的专门人才。,第6章 计算科学教学计 划与课程体系,6.2 计算机与网络专业的人才培养目标与人才培养规格,计算机科学与技术专业培养目标,培养德、智、体全面发展，具有坚实理论基础，系统地掌握计算机科学与技术有关的计算机硬件、软件与应用的基本理论、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、营销等多方面需要的高级技术人才。,计算机科学与技术专业培养规格,(1) 较好的掌握本学科的基本概念、基本理论、基本方法、基本技术等基础理论知识，受到良好的科学思维和科学实验的基本训练。 (2) 初步了解整个学科的知识组织结构、学科形态、典型方法及核心概念，掌握计算机系统的分析和设计的基本方法。 (3) 熟悉某一种或若干种流行的计算机系统（包括硬件、软件工具和环境），具有比较熟练地开展一般性专业技术工作的能力。 (4) 理论联系实际，具有运用所学专业知识分析、解决专业技术问题的能力。 (5)了解与计算机有关的法规；了解计算机科学与技术的发展动态。 (6)掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有获取信息的能力。,计算机科学与技术专业（软件工程）培养目标,培养德、智、体全面发展，在具有数学和计算机科学理论知识的基础上，掌握软件工程的基础理论、专业知识和基本技能，具有较强的工程实践能力，具备运用先进的工程化方法、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的能力，面向国民经济信息化建设和发展的需要，面向企事业单位对软件工程技术人才的需求，培养多层次复合型软件实用人才。,计算机科学与技术专业（软件工程）培养规格,(1) 较好的掌握本学科的基本概念、基本理论、基本方法、基本技术等基础理论知识，受到良好的科学思维和科学实验的基本训练。 (2) 掌握软件系统分析、设计和说明的基本方法，具备软件研究与技术开发能力。 (3) 熟悉一种或若干种流行的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、软件测试与评估以及软件工程管理和系统运行管理的基本能力。 (4) 具有良好的科学素养，系统地、较好地掌握计算机软件工程及相关学科的技术。 (5) 理论联系实际，具有运用所学专业知识分析、解决专业技术问题的能力。 (6) 了解信息系统安全与知识产权保护的有关技术方法和法规；了解本学科的发展动态。 (7) 掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有获取信息的能力。,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，德智体全面发展，具有良好的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的基本理论、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的规划、设计，网络系统的安全管理与维护，以及计算机网络应用系统的设计、开发、集成及项目管理的“强能力、高素质、富创新、有个性”的高级工程技术人才。,网络工程专业培养规格,(1) 较好的掌握本学科的基本概念、基本理论、基本方法、基本技术等基础理论知识，受到良好的科学思维和科学实验的基本训练。 (2) 初步了解整个学科的知识组织结构、学科形态、典型方法及核心概念，掌握计算机系统的分析和设计的基本方法；。 (3) 熟悉计算机网络系统的设计、开发、应用、集成和管理方法，具有熟练地开展专业技术工作的能力。 (4) 理论联系实际，具有运用所学专业知识分析、解决专业技术问题的能力。 (5) 了解与计算机网络有关的法规，以及本学科发展动态。 (6) 掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有获取信息的能力。,信息安全专业培养目标,顺应社会信息化的需求，培养德智体美全面发展、具有良好的科学人文素质和创新精神、具有坚实的计算机与信息安全学科专业基础理论知识和较强的计算机应用系统、计算机密码系统、网络信息安全系统设计与开发能力的高级专业技术人才。,信息安全专业培养规格,(1) 较好地掌握计算机与信息安全学科的基本概念、基本理论、基本方法和基本技术，接受良好的科学思维和科学实验的训练。 (2) 初步了解计算机与信息安全学科的知识组织结构、学科形态、典型方法及核心概念，掌握分析、设计计算机与信息安全系统的基本方法。 (3) 熟悉计算机应用系统、计算机密码与网络信息安全系统的设计、开发、应用、集成和管理方法，具有熟练地开展专业技术工作的能力。 (4) 理论联系实际，具有运用所学专业知识分析、解决专业技术问题的能力。 (5) 了解计算机与信息安全方面的法律法规，了解计算机与信息安全学科发展的动态。 (6) 掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有获取信息的能力。,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6章 计算科学教学计 划与课程体系,6.4 如何学好计算科学,关键要解决的问题,根据多年的教学实践经验，学生最关心的也是最重要的问题有以下四个： 如何实现思维方式的数学化？ 计算科学专业各学期重点课程有哪些？ 实验课程在计算科学教学计划中的作用和地位是什么？ 如何提高专业能力和应用、创新能力？,如何实现思维方式的数学化？,一个理想的计算机工程师,应该是一个长着数学脑袋、并有一双能工巧匠之手的人。因此学好数学对计算机专业学生尤为重要： 这是由学科发展的内在规律决定的。 教育的基本功能在于提高人的素质。接受数学教育是培养严谨的逻辑思维能力. 众多大学生工作后专业知识和其它知识在不断更新，数学知识基本上没有加深。 数学基础扎实的人能够解决科研中的难题。,如何实现思维方式的数学化？,温家宝总理：一个大学没有一流的文科，就不会有一流的理科；没有一流的理科，就不会有一流的工科。 一位著名计算机科学家：一个人没有扎实数学理论基础，就不可能成为一名杰出的计算机专家。,如何实现思维方式的数学化？,数学教育对计算科学专业人才的培养有两个目的： 一是通过教学使学生掌握进一步学习这一学科所需要的数学基础知识；这是由学科发展的内在规律决定的。 二是通过严格的数学训练，使学生实现思维方式或思维过程的数学化。 如何来实现思维方式的数学化呢？这是许多学生普遍有疑问而且又感兴趣的问题。,：,如何实现思维方式的数学化？,所谓思维方式的数学化是指从普通人的思维方式转向数学家工作的思维方式。数学家的思维方式与其它学科的学者很不相同。他们对客观事物的观察和分析一般是通过对事物的抽象，运用特殊的符号或语言系统，研究事物在空间中的数量关系、位置关系、结构关系和变换规律，研究具有共同抽象概念、性质的一类事物的某些内在规律，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的主要工具，而数理逻辑则是从数学的角度为数学研究乃至科学研究提供了科学推理的逻辑基础。 大多数数学家是经过严格的数学训练实现思维方式数学化的，但要将这种思维方式上升为系统的理性思维方式，则主要取决于人们的数理逻辑或形式逻辑的修养。,如何实现思维方式的数学化？,例子：给定一个字符串长度不超过m的集合，请将集合中的每一个字符串反转一下（或称调个个儿）。例如，对字符串abc，就是求cba。注意，除最终的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的解法，可能还有更好的解法。显然，由于解题过程思想方法的不同，数学表述也不同。,：,如何实现思维方式的数学化？,计算机执行运算操作时的“机械、死板、严格、精密”的特性是数学与计算科学建立天然联系的主要内在原因。计算理论业已表明，理论上，凡是可以由计算机处理的问题，包括问题描述和处理过程，均可以数学化或形式化，即用数学符号系统来描述；反之，凡是可以用以离散数学为代表的构造性数学描述的问题及其处理过程，只要论域是有穷的，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的计算时间和空间。 由此可以看出学习数学，特别是学习以离散数学为代表的构造性数学对计算科学专业工作者的重要性。,：,如何实现思维方式的数学化？,今天，虽然许多人能够完成大量计算机应用的任务而并不需要很多的数学训练，但这不等于说计算科学不需要高深的数学，原因是仅凭直觉和经验就能顺利处理的那些问题，不仅说明了这些问题是足够简单的，而且还由于科学家和工程师们所做的大量前期工作使得其中一些原来困难的问题在前人工作的基础上已变得较为容易。,：,如何实现思维方式的数学化？,对非计算科学专业从事计算机具体应用的人员来说，数学也许并不重要，他们只需要懂得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、有关的硬件接口、各种软件工具和应用软件程序包的使用就可以了。 对计算科学专业人员，没有坚实的数学基础，就不可能从事较高起点的，而且是其它学科专业人员不能胜任的计算科学专业技术工作，特别是那些需要专业人员自己寻找解决问题的途径、理论、方法和技术的问题。由此可见思维过程的数学化对计算科学专业人员的重要性。,如何实现思维方式的数学化？,实现思维方式数学化的步骤必须分两个阶段来完成。 第一阶段，通过对空间解析几何、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的学习，使学生熟悉和习惯于使用数学语言和符号系统对研究的数学对象进行严格的分析、表述、计算和推演，为学习后续课程打下坚实的数学基础，初步实现思维方式的数学化，初步达到数学上的某种成熟性。,如何实现思维方式的数学化？,第二阶段，数学学习转向以计算科学为背景的离散数学和理论计算机科学的学习，特别是通过对数理逻辑的系统学习，使学生将思维方式由感性逐步上升为系统的理性思维方式，进一步实现思维方式的数学化，最终使学生达到良好的数学上的某种成熟性。 在第二阶段的数学教育中，数学的教学内容是以计算科学为背景的离散数学和理论计算机科学，目标是进一步实现思维方式的数学化，最终使学生达到良好的数学上的某种成熟性,同时，在计算科学基础理论方面初步打下良好的基础。,如何实现思维方式的数学化？,通过数学教学途径来实现学生思维方式的数学化是最便捷、可靠的途径。 计算科学创新研究与开发能力的高低主要取决于研究开发者的数学基础，特别是数学上的某种成熟性和思维方式的数学化。数学上的成熟性和思维方式的数学化不是一般工科数学教学所能实现的。 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的背景相联系，与发生在身边的事情相联系。,计算机科学与技术专业的重点课程,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。,：,计算机科学与技术专业（软件工程）的重点课程,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。,：,网络工程专业的重点课程,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， 现代通信技术,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。,：,信息安全专业的重点课程,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、信息对抗技术、网络互连技术、网络协议分析、高性能计算技术。,：,实验课程在计算科学教学计划中的作用和地位,实验教学是学科教学过程中的重要环节。但应该认识到实验教学与基础（理论）教学相比是相对次要的工作。 大学教育重在基础。实验内容主要是从学科知识组织结构出发，选择最能反映本学科基本实验技术的实验内容组织教学。作为一个训练有素的科学人才，计算科学实验工作应该在理论指导下进行，而不是在盲目地摸索中获取知识，应倡导理论与实践相结合的工作作风。 学校强调的是学生在校期间应在本学科的基本实验技术和实验方法方面打下良好的基础，其良好的重要标志应该是学生实验动手能力的提高，而不是单纯完成实验的速度。,：,实验课程在计算科学教学计划中的作用和地位,实验教学要达到以下几个目的： 学生应该通过实验教学理解课堂上讲授的原理、方法和技术怎样通过实验反映，即怎样在软件和硬件的设计、实现和调试中反映出来； 学生应该通过实验教学了解哪些是计算科学最基本的实验技术并掌握这些技术，如何进一步掌握其它一些实验技术，即学会掌握实验室技术的一般方法； 学生应该通过实验教学认识到实验方法的重要性。可以从实验目标与技术要求，构思设计试验，实际操作实现步骤，实验数据的统计分析，研究结果的正确陈述，与其它实验的比较，以及思考如何总结和改进实验、构思新实验中获得体会； 学生应该通过实验教学养成良好的实验习惯，重视理论联系实际，正确设计实验，完成基本操作，通过实验和实验报告反映正确的思想方法和实验能力。,：,实验课程在计算科学教学计划中的作用和地位,实验能力的培养。实践和上机都是非常重要，希望重视下列课程的实验： 物理实验和电子实验。 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 安全技术攻防实验,：,专业能力和应用、创新能力的培养,计算科学专业能力主要通过以下几方面的具体能力体现出来。 借助专业科技文献资料，迅速掌握新知识的能力； 分析现有的软硬件产品，进行仿制开发、二次开发和维修的能力； 根据新思想，设计软硬件系统进行试验开发的能力； 对实际计算问题，运用科学的方法，立足现有设备进行计算处理的能力； 在前人工作的基础上，进行新概念、新思想、新方法新技术创新研究的能力。,：,专业能力和应用、创新能力的培养,从技术能力的角度观察，计算科学专业能力主要集中在以下几个方面： 阅读、理解科学技术文献上的新知识，特别是用数学形式表述的科学论文、技术报告的内容，能够较快地掌握新知识； 计算机实际操作，工具的使用，以及软硬件实验应用操作的能力； 硬件设计、数字逻辑系统设计及其实现、维修的能力； 软件设计、算法设计、程序设计、程序证明的能力； 在前人工作的基础上，提出新思想、新概念、新方法、新技术、新理论，并加以数学论证，或通过设计与实验验证的能力。,：,科技工作和技术应用能力,科技工作和技术应用能力的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的各种实践训练； 争取参加一个大的项目（具体项目）； 培养团队精神（协同、合作精神）； 有意识地为自己设置一些独立研究课题 ，已培养自己的独立工作能力。,：,科技工作和技术应用能力,科技工作和技术应用能力的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的各种实践训练； 争取参加一个大的项目（具体项目）； 培养团队精神（协同、合作精神）； 有意识地为自己设置一些独立研究课题 ，已培养自己的独立工作能力。,：,一个优秀的程序员应该具备的专业素质（几点建议）,1. 扎实的基础 数据结构、离散数学、编译原理，这些是所有计算机科学的基础，如果不掌握他们，很难写出高水平的程序。 据我的观察，学计算机专业的人比学其他专业的人更能写出高质量的软件。程序人人都会写，但当你发现写到一定程度很难再提高的时候，就应该想想是不是要回过头来学学这些最基本的理论。 不要一开始就去学OOP，即使你再精通OOP，遇到一些基本算法的时候可能也会束手无策。,：,一个优秀的程序员应该具备的专业素质（几点建议）,2. 丰富的想象力 不要拘泥于固定的思维方式，遇到问题的时候要多想几种解决问题的方案，试试别人从没想过的方法。 丰富的想象力是建立在丰富的知识的基础上，除计算机以外，多涉猎其他的学科，比如天文、物理、数学等等。另外，多看科幻电影也是一个很好的途径。,：,一个优秀的程序员应该具备的专业素质（几点建议）,3. 最简单的是最好的 这也许是所有科学都遵循的一条准则，如此复杂的质能互换原理在爱因斯坦眼里不过是一个简单得不能再简单的公式：E=mc2。 简单的方法更容易被人理解，更容易实现，也更容易维护。 遇到问题时要优先考虑最简单的方案，只有简单方案不能满足要求时再考虑复杂的方案。,：,一个优秀的程序员应该具备的专业素质（几点建议）,4. 不钻牛角尖 当你遇到障碍的时候，不妨暂时远离电脑，看看窗外的风景，听听轻音乐，和朋友聊聊天。当负责听音乐、聊天的那部分大脑细胞极度亢奋的时候，负责编程的那部分大脑细胞就得到了充分的休息。当重新开始工作的时候，我会发现那些难题现在竟然可以迎刃而解。,：,一个优秀的程序员应该具备的专业素质（几点建议）,5. 对答案的渴求 人类自然科学的发展史就是一个渴求得到答案的过程，即使只能知道答案的一小部分也值得我们去付出。 只要你坚定信念，一定要找到问题的答案，你才会付出精力去探索，即使最后没有得到答案，在过程中你也会学到很多东西。,：,一个优秀的程序员应该具备的专业素质（几点建议）,6. 多与别人交流 三人行必有我师，也许在一次和别人不经意的谈话中，就可以迸出灵感的火花。 多上上网，看看别人对同一问题的看法，会给你很大的启发。,：,一个优秀的程序员应该具备的专业素质（几点建议）,7. 良好的编程风格 注意养成良好的习惯，代码的缩进编排，变量的命名规则要始终保持一致。大家都知道如何排除代码中错误，却往往忽视了对注释的排错。 注释是程序的一个重要组成部分，它可以使你的代码更容易理解，而如果代码已经清楚地表达了你的思想，就不必再加注释了，如果注释和代码不一致，那就更加糟糕。,：,一个优秀的程序员应该具备的专业素质（几点建议）,8. 韧性和毅力 这也许是“高手”和一般程序员最大的区别。 A good programming is 99 sweat and 1 genius。高手们并不是天才，他们是在无数个日日夜夜中磨练出来的。 成功能给我们带来无比的喜悦，但过程却是无比的枯燥乏味。你不妨做个测试，找个10000以内的素数表，把它们全都抄下来，然后再检查三遍，如果能够不间断地完成这一工作，你就可以满足这一条。,：,第6章 计算科学教学计 划与课程体系,6.5 理解科学与科学素养,理解科学,所谓理解科学是指一个人对多种科学知识的综合结构的了解。其中包括最基本的科学原理，科学思想之间的关系，形成这些关系的原因，如何利用这些科学知识解释和预测自然现象和各种人工实验现象，以及认识和理解发生在我们身边的事情。理解科学同时还包括分辨科学和伪科学的能力，在前人工作的基础上探索未知世界和未知领域的能力。,：,理解科学,理解科学，必然将要求教学从过去单纯以传授知识和记忆知识为主转向以学生通过学习知识，提高理解科学的能力为主。这就要求学生要有较为宽广的、公共的科学基础知识，具有了解自己所从事的专业以外领域的基本知识的愿望。要注意，对大学生具有较为宽广的、公共的科学基础知识应主要体现在大一级学科和与本学科相关的基础学科知识上，而不是面面俱到。,：,理解科学,理解科学，必然将要求教学从过去单纯以学生被动接受知识的过程为主转向以教师引导学生主动获取知识的积极学习过程为主。积极的学习过程主要是指学习者身体和头脑的一种状态。在这种状态下，学生已不能满足课堂上学到的知识而常常对发生在自己身边的事物产生兴趣，并积极探索，学生也已不能满足动手活动和简单的实验，而愿意理论联系实际，系统地、科学地进行思考、阐述。,：,理解科学,理解科学，必然要求教学从大量要求学生死记硬背知识的教学方式中解脱出来，而突出最重要的知识，贯彻少而精，加强科学技术能力方面的培养，具有科学哲学的思想基础，正确的思想方法。 理解科学，实际上是素质教育的必然要求。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贯彻基础厚实，理论联系实际，激发、探索新