基于计算思维的课程教学改革与创新,深圳大学 王志强 2013.12.15 海口,1,汇报提纲,2,计算思维概念的引入,教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会 “1X”课程设置方案 教育部高等学校文科计算机基础教学指导委员会 大公共课程小公共课程计算机应用课程,3,计算机基础课程：不断改革，与时俱进 众多教师写教材：计算机文化基础 计算机应用基础 大学计算机基础 计算机科学导论，等等,计算思维概念的引入,结局：教务处普遍减学时7042200,4,周以真定义：计算思维(Computational Thinking，CT)是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。 计算思维的核心概念和方法 约简、嵌入、转化、仿真 递归、并行 抽象、分解 建模 预防、保护、冗余、容错、纠错、恢复 启发式推理、规划、学习、调度 海量数据、计算、折中,计算思维概念的引入,质疑： 充分的？ 唯一的？ ,5,Denning认为：计算原理可以总结为7类。计算-Computation 通信-Communication 协作-Coordination 记忆-Recollection 自动化-Automation 评估-Evaluation设计-Design,计算思维概念的引入,6,计算思维概念的引入,2006-2010年教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会主任：陈国良院士 2010.05：合肥会议讨论将计算思维融入计算机基础课程中。 2010.07：西安会议发表了九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明，确定以计算思维为核心的课程改革。 2010.09：太原会议决定了以“计算思维：确保学生创新能力”为主题向教育部领导谏言和申请立项研究。 2010.11：济南会议 2011.06：北京会议 2011.08：深圳会议 2011.11：杭州会议 ,7,教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会发布“计算思维教学改革白皮书(征求意见稿)”2013.7 哈尔滨第二届计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会 白皮书的主要内容：一、科学思维以及逻辑思维、实证思维与计算思维的关系二、计算思维的表达体系三、大学计算机课程知识体系与核心概念的关系 表1 计算思维表达体系框架表2 理工类大学计算机课程知识体系与计算思维核心概念的对应关系,计算思维概念的引入,8,计算思维概念的引入,表1 计算思维表达体系框架,9,表2 理工类大学计算机课程知识体系 与计算思维核心概念的对应关系,计算思维概念的引入,10,教育部高等学校计算机类专业教学指导委员会副主任：蒋宗礼教授“计算思维与人才培养” 教育部高等学校文科计算机基础教学指导分委员会主任：杜小勇教授“计算思维是大学计算机作为基础课、 通识课的理论基础” 全国高等院校计算机基础教育研究会副会长：吴功宜教授“新版蓝皮书-指导思想”,计算思维概念的引入,以计算思维为理论基础，推进大学计算机课程教学内容改革； 以应用能力培养为导向，完善复合型人才实践教学体系建设； 以服务专业教学为目标，在交叉融合中寻求更大的发展空间。,11,已出版的相关教材 陈国良、王志强、毛睿、张艳等计算思维导论，高等教育出版社，2012.10 唐培和、徐奕奕、王日凤计算思维导论，广西师范大学出版社，2012.10 战德臣、聂兰顺等大学计算机-计算思维导论，电子工业出版社，2013.7 李波、赵英良、程向前、乔亚男等大学计算机-信息、计算与智能，高等教育出版社，2013.8 等等,计算思维概念的引入,12,汇报提纲,13,计算思维导论教学内容,总体结构(深圳大学 陈国良院士) 计算理论：可计算性与计算复杂性 算法和通用描述性程序设计语言 实现基础：计算机硬件和软件最小知识集,教材内容 计算思维基础知识 计算理论与计算模型 算法基础 程序设计语言 计算机硬件基础 计算机软件基础 计算文化与计算机职业道德教育,14,教材序言提到 我们要提倡计算思维在教育和科研中的作用，要将计算思维引入到大学计算机课程中，通过它来改变大学计算机教育沿袭了几十年的传统教学模式，从而振兴大学的计算教育。 我们要改变过去计算机基础课程只讲工具对学生所造成的枯燥、乏味之感，要激发学生对计算机科学的兴趣和热爱，要传承计算文化和体现计算之美以及展示学科魅力。 我们要致力于使计算思维成为公众的常识和人们普遍的思考方式，将计算思维真正融入到人类的一切活动之中。,计算思维导论教学内容,课程总体要求 传承计算文化、弘扬计算科学、培养计算思维 体验计算愉悦、感受计算之美,15,科学计算科学，思维计算思维 计算思维的定义、特征和本质 计算思维与计算机的关系 计算思维的应用领域生物学、脑科学、化学、地质学、天文学、数学、工程(电气、土木、机械、航天航空等)、经济学、社会科学、医学、法律、娱乐、艺术、体育、教育学等 周以真讲义：计算机科学中的深层次问题主要内容：P=NP？什么是可计算的？复杂性是什么？ 计算科学的典型问题排序问题、国王的婚姻、汉诺塔问题、旅行商问题TSP,计算思维导论教学内容,第一章 计算思维基础知识,16,第二章 计算理论与计算模型,计数、逻辑、算法计算及计算过程,可计算性(定义、特性、内容、意义) 停机问题(案例：理发师悖论) 计算复杂性(算法复杂性、计算复杂性 时间复杂度、空间复杂度) P=NP?问题(千禧年数学难题),图灵机、冯诺依曼机 量子计算模型、生物计算模型,离散数学：数理逻辑、集合论 代数系统、图论,计算科学的数学基础,计算理论,计算模型,计算思维导论教学内容,17,第三章 算法基础,算法的概念：算法的起源、定义、特征 算法的描述：自然语言、流程图、伪代码、程序语言,算法的评价和分析：算法正确性、复杂度分析(时间/空间) 算法中的数学工具：求和公式、递归方程求解等,计算思维导论教学内容,18,第七章 计算文化与计算机职业道德教育,计算思维导论教学内容,19,教材内容（广西科技大学 唐培和） 计算思维概论 计算思维之计算(理论)基础 计算思维之逻辑基础 计算思维之方法学 计算思维之算法基础 程序设计中的特定思维 其他学科中的计算思维,计算思维导论教学内容,20,计算思维：广义计算思维、狭义计算思维。 广义计算思维，在吸收计算学科丰硕成果的基础上，更侧重于哲学的角度，从辩证法、认识论、逻辑学的角度去理解，在更广泛的领域去应用，从而在体系、内容和研究方法等方面更具实践性、科学性和时代性。 狭义计算思维，从计算学科的方法论出发，讨论借助于计算机这一特定的工具如何求解客观世界的实际问题。这里涉及特定的思想、方法、理论和技术。 本书以狭义计算思维为主，广义计算思维为辅。毕竟学习计算思维导论的首要目的是利用计算及计算机技术更好地解决将来所面临的各种实际专业问题。,计算思维导论教学内容,教材内容（广西科技大学 唐培和）,21,教材内容（哈尔滨工业大学 战德臣） 引论(计算、计算科学) 计算系统的基本思维 问题求解框架 算法与复杂性 数据抽象、设计与挖掘 计算机网络、信息网络与网络化社会,计算思维导论教学内容,22,教材内容（西安交通大学 李波） 符号模型的数学描述 什么是信息 什么是计算 什么是智能 问题求解 算法及数据结构 计算思维,大学计算机教学内容,23,2008年周以真教授在Communication of ACM上发表Five deep questions in computing，提出计算机学科的五个基本问题：Does P equal NP? What is computable? What is intelligence? What is information? (How) can we build complex systems simply? 本书选择了什么是信息、什么是计算、什么是智能这三个问题作为核心内容进行阐述和讨论，希望对计算机学科的基本问题和理论基础有初步的了解和正确的认识。,大学计算机教学内容,教材内容（西安交通大学 李波）,24,汇报提纲,25,模块1 算法思维/算法学,算法思维通常被认为是解决问题的过程性思维方法 科学计算问题的一般过程,许多科学领域的问题求解，如计算物理学、计算力学、计算化学、计算经济学和计算社会学等都可以归结为数值计算算法设计与分析等问题。,普适性、基础性,26,模块1 算法思维/算法学,算法学分类 数值算法 （课程：数值计算方法）求解线性方程组、数值积分等，有特定的计算步骤 非数值算法（课程：算法设计与分析）求解判定问题、最优化问题等，掌握算法设计技术 软计算方法（课程：计算智能）遗传算法、粒子群算法、蚁群算法、人工神经网络,为什么要学习算法？ 算法是计算机的灵魂 算法是数学机械化的一部分，能够解决复杂的计算问题 算法作为一种思想，能锻炼人们的思维，使思维变得更清晰、更有逻辑,27,模块2 网络科学/网络思维,网络技术网络科学网络思维 网络技术：网络的一般概念和体系结构、搜索引擎、电子邮件、电子商务、即时通讯、信息安全、云计算等；其他专题：社交网络、舆情分析、人肉搜索、网络营销、网络文学、网络数据分析、社会安全事件、群体智慧等。 网络科学：研究网络结构或动态行为并将网络应用到许多子领域的理论基础，这里的子领域包括社会网络、协作网络、人造的涌现系统（电力网、互联网）和生命科学系统（传染病、遗传学）等。,28,网络思维：将一个看来困难的问题转换为图论中的经典问题，从而获得解决问题的方法。它是通过某种联系将个体组成一个系统。其特征：开放性、协同性和系统性 网络思维是认识网络世界的世界观与方法论，是群体思维和社会思维。 网络科学之美：围绕复杂网络的共性拓扑特征所体现和阐述的网络科学与艺术存在的统一之美。 以网络拓扑建模为例阐述了网络科学的简洁之美，以网络应用为例阐述了网络科学的协作之美，以社会学习为例阐述了网络科学的包容之美，以网络控制为例阐述了网络科学的可控之美。,模块2 网络科学/网络思维,29,模块3 数据思维/数据科学,大数据时代-生活、工作与思维的大变革 麦肯锡咨询公司给出的大数据定义是：大数据是指所涉及的数据集规模已经超过了传统数据库软件获取、存储、管理和分析的能力 大数据的特征：大容量、多样性、高价值、快速度 大数据的技术架构：,CS 2013 领域知识：1418 Systems Fundamentals 计算机系统基础 系统能力 系统思维,构建认知,云计算系统： IaaS 基础设施即服务 PaaS 平台即服务 SaaS 软件即服务 AaaS 分析即服务,30,数据科学：简单地理解为预测分析和数据挖掘，是统计分析和机器学习技术的结合。 数据分析师数据科学家：负责分析和解释数据集，帮助企业快速而有效地获得对大数据的洞察力。 大数据研究的科学意义： 数据是与自然资源、人力资源一样重要的战略资源，隐含巨大的经济价值，推动大数据研究的动力主要是企业经济效益。 数据研究能成为一门科学的前提是：在一个领域发现的数据相互关系和规律具有推广到其他领域的普适性。,模块3 数据思维/数据科学,还原论与整体性,31,汇报提纲,32,美国能源部报告认为：高端计算目前已经与理论研究、实验手段一起，成为获得科学发现的三大支柱。因此，理论科学、实验科学和计算科学是推动人类文明进步和科技发展的重要途径。 三种科学对应三类思维理论科学理论思维(逻辑思维)实验科学实验思维(实证思维)计算科学计算思维(构造思维) 计算思维包括：算法思维、网络思维、数据思维、 系统思维、,总结与反思,周以真定义：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。,33,计算思维的教育方式 众所周知，让学生潜移默化地掌握计算思维，无疑是最佳选择，这与环境塑造人的道理是一样的。 潜移默化是需要环境、需要时间、需要过程的。非计算机专业的计算机基础