计算思维与计算机基础教学.ppt

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1、计算思维与计算机基础教学西安交通大学西安交通大学冯博琴冯博琴张家界张家界 第第7 7届高校计算机教届高校计算机教改与发展高峰论坛改与发展高峰论坛计算思维报告内容报告内容大学计算机教育C9联合声明计算思维报告内容报告内容大学计算机教育C9联合声明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，大学教育不能局限于基本知识传授，还要培养能力，提高素质还要培养能力，提高素质学生的理性学生的理性思维能力思维能力思维能力思维能力学生对学生对科学精神科学精神科学精神科学精神的追求的追求学生的学生的高尚人格高尚人格高尚人格高尚人格大学计算机基础课程的重要性通识教育

2、三大特征（复旦杨玉良校长）通识教育三大特征（复旦杨玉良校长）通识教育要同时传递通识教育要同时传递科学精神科学精神科学精神科学精神和和人文人文人文人文精神精神精神精神通识教育要展现不同文化、不同学科通识教育要展现不同文化、不同学科的的思维方式思维方式思维方式思维方式通识教育要充分展现通识教育要充分展现学术的魅力学术的魅力学术的魅力学术的魅力培养培养计算思维计算思维成为通识教育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、物国家明确定位计算机基础课程是和数学、物理等同地位的理等同地位的基础课程基础课程基础课程基础课程。计算机不仅为不同专业提供了解决专业问题计算机不仅为不

3、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的有效方法和手段，而且提供了一种独特的处理问题的处理问题的思维方式思维方式思维方式思维方式。使用计算机及互联网，为人们使用计算机及互联网，为人们终生学习终生学习终生学习终生学习提供提供了广阔的空间以及良好的学习工具与环境。了广阔的空间以及良好的学习工具与环境。1717大提出的新型工业化道路大提出的新型工业化道路,需要需要“专专业业+信息信息”人才。人才。计算机基础课程存在的问题现状“狭义工具论狭义工具论”的课程的课程“浓缩版浓缩版”的教材的教材 学生对计算机课程兴趣不大，逃课率相当高学生对计算机课程兴趣不大，逃课率相当高 忧患：教学

4、学时被忧患：教学学时被压缩压缩，课程面临被裁减的课程面临被裁减的危机危机计算机基础第一门课程致命要害是什么计算机基础第一门课程致命要害是什么?教学目标争议大；教学目标争议大；体系不完整体系不完整,缺乏稳定的教学内容缺乏稳定的教学内容;路在何方?计算思维报告内容报告内容大学计算机教育C9联合声明（一）计算思维在美国产生的背景 1.2005年6月美国的PITAC报告 20052005年年6 6月，美国总统信息技术咨询委员会月，美国总统信息技术咨询委员会（PITAC）给美国总统提交了报告）给美国总统提交了报告计算科学：计算科学：确保美国竞争力确保美国竞争力（Computational Science

5、:Ensuring Americas Competitiveness）认为认为:虽然计算本身也是一门学科，但是其具有促进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。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。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。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

6、科学在社会科学、生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，以及工业改革中物医学、工程研究、国家安全，以及工业改革中的中心位置。的中心位置。这种认识不足将危及美国的科学领导地位、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。经济竞争力以及国家的安全。报告建议报告建议，将计算科学长期置于国家科学与，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。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针对“计算学科与日俱增的重要性与学生对计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算学科

7、兴趣的下降”，美国，美国NSFNSF组织了计算教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，个大区（东北、中西、东南、西北）进行研讨，形成四份重要报告。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报告建议大学第一年计算机课程的构建问题；大学第一年计算机课程的构建问题；多学科的融合问题；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力的训练，目的，使学生平稳过渡到大学的学习学的学习。（一）计算思维在美国产生的背景 3.20

8、07年美国NSF的CPATH计划CPATHCPATH（Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education，大学计算教育重生的途径），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，计划认为：计算普遍存在于我们的日常生活之中，培养未来培养未来能够参与全球竞争、掌握计算核心概念能够参与全球竞争、掌握计算核心概念对美国企业家和员工就变得非常重要。对美国企业家和员工就变得非常重要。CPATHCPATH计划认为：尽管有的研究机构和大学对此计划认为：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，但目前美国更多做出了

9、卓越的、开创性的工作，但目前美国更多的的大学计算教育仍然沿袭的是几十年前的教学模大学计算教育仍然沿袭的是几十年前的教学模式。鉴于此，式。鉴于此，NSF 2007NSF 2007年启动了年启动了CPATHCPATH计划计划，当，当年投入年投入600600万美元，万美元，20082008年投入年投入500500万美元，万美元，20092009年投入年投入10001000万美元，力图改变这种情况。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

10、，计算使能的科学发现和技术创新）新）是美国国家科学基金会的一个革命性的、富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，有独创精神的五年计划，该计划旨在通过该计划旨在通过“计算思维计算思维”领域的创新和领域的创新和 进步进步 来促进自然科学和工程技术领域产生革命性来促进自然科学和工程技术领域产生革命性 的成果。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：理论科学理论科学、实验科学实验科学和和计算科学计算科学作为作为科学发现三大支柱，正推动着人类文科学发现三大支柱，正推动着人类文明进步和科技发展。明进步和科技发展。该说法已被科学文献广泛引用，

11、并在该说法已被科学文献广泛引用，并在美国得到国会听证、联邦和私人企业美国得到国会听证、联邦和私人企业报告的承同。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（归纳的方式以观察和总结（归纳的方式，不是数学归纳）自然不是数学归纳）自然规律（包括人类社会活动）为特征的规律（包括人类社会活动）为特征的实证思维实证思维，以物理学科为代表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可以解释以往的实验现象逻辑上自洽逻辑上自洽是能够预见新的现象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以推理和演绎为特征的逻辑思

12、维逻辑思维，以数学以数学学学科为代表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）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以设计和构造为特征的计算思维计算思维，以计算机学科为代表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进行问题求解系统设计系统设计以及人类行为理解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

13、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：计算思维方式特征计算思维方式特征：能行性、构造性、模拟性能行性、构造性、模拟性计算思维的标计算思维的标志：有限性、确定性和机械性。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（也称因此计算思维的结论应该是构造性的（也称 构造思维）、可操构造思维）、可操作的或者能行的作的或者能行的计算思维基本概念：计算思维基本概念：结构化、层次化、程序化结构化、层次化、程序化以抽象和自动化为手段，以抽象和自动化为手段，着眼于问题求解和系统实现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是人类改造世界的最基本的思维模式（三）计

14、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，大型工程组织等等大大拓展了人类认知世界和解决问题的能力和范围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

15、和 实证思维的关键点：1 1 1约简、转化、递归、并行、抽象、分解、折衷2 2 2保护、冗余、容错、纠错、系统恢复3 3 3嵌入、仿真、规划、学习、启发式、调度、多维分析、类型等（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：计算思维是通过计算思维是通过约简、嵌入、转化约简、嵌入、转化和和仿真仿真等方法，把等方法，把一个困难的问题阐释成如何求解它的思维方法。一个困难的问题阐释成如何求解它的思维方法。计算思维是一种计算思维是一种递归思维递归思维，是一种，是一种并行处理并行处理，是一种，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维

16、分析推广的类型检查方法。析推广的类型检查方法。计算思维是一种采用计算思维是一种采用抽象和分解抽象和分解的方法来控制庞杂的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的方法 。计算思维是一种选择合适的方式计算思维是一种选择合适的方式陈述陈述一个问题，或对一个问题，或对一个问题的相关方面一个问题的相关方面建模建模使其易于处理的思维方法。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：计算思维是按照计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、预防、保护及通过冗余、容错、纠错纠错的方式，并从最

17、坏情况进行的方式，并从最坏情况进行系统恢复系统恢复的一种的一种思维方法。思维方法。计算思维是利用计算思维是利用启发式推理启发式推理寻求解答，即在不确寻求解答，即在不确定情况下的定情况下的规划、学习和调度规划、学习和调度的思维方法。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空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折衷折衷的思维方法的思维方法（三）计算思维的概念 3.再论计算思维的特征：概念化，不是程序化概念化，不是程序化 计算机科学不是计算机编程计算机科学不是计算机编程。像计算机科。像计算机科学家那样去思维

18、学家那样去思维,意味着远远不只能为计算机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。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。业不只是关于麦克风一样。根本的，不是刻板的技能根本的，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。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数学和工程思维的互补与融合 计算

19、机科学在本质上源自数学思维计算机科学在本质上源自数学思维，它的形式，它的形式化基础建筑于数学之上。计算机科学化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上又从本质上源自工程思维源自工程思维，因为我们建造的是能够与实际世，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的互补与融合面向所有的人，所有地方面向所有的人，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，为一个问题解决的有效工具，人人都应当掌握，处处都会被使用处处都会被使用。（四）学

20、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？信息的表示信息的表示算法算法计算理论：可计算性与复杂性计算理论：可计算性与复杂性计算思维报告内容报告内容大学计算机教育C9联合声明（五）中国计算机思维研究九校联盟九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明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会议研讨了国内外计算机基础教学的现状和发展趋势和发展趋势并就以九校联盟并就以九校联盟(C9)(C9)为代表的我国高水

21、平为代表的我国高水平研究型大学研究型大学如何在新形势下提高计算机基础教学的质如何在新形势下提高计算机基础教学的质如何在新形势下提高计算机基础教学的质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量、增强大学生计算思维能力的培养量、增强大学生计算思维能力的培养量、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，形成以进行了充分的交流和认真的讨论，形成以下共识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，然而在新形我国高校的计算机基础教学成绩显著

22、，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，是技术发展的新趋势，是国家创新工程战略国家创新工程战略对计算机对计算机教学提出的重大要求教学提出的重大要求我们应该彻底改变长期以来存在的我们应该彻底改变长期以来存在的“计算机只是工计算机只是工具具”、“计算机就是程序设计计算机就是程序设计”和和“计算机基础课计算机基础课程主要是讲解软件工具的应用程主要是讲解软件工具的应用”等片面认识等片面认识会议四点共识计算科学已经与理论科学、实验科学并列计

23、算科学已经与理论科学、实验科学并列，共同成，共同成为推动社会文明进步和促进科技发展的三大手段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不难发现，现在几乎所有领域的重大成就无不得益无不得益于计算科学的支持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，为基本理论和方法，为培养复合型创新人才培养复合型创新人才服务服务会议四点共识九校联盟九校联盟(C9)(C9)担负着为国家担负着为国家建设和发展培养具有国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际视野、多学科综合素质人才的重任应以此

24、为目标，经过若干年的探索，在计算机基础应以此为目标，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教学过程中完美地体现出以人为本、传授知识、培以人为本、传授知识、培养能力、提高素质、协调发展养能力、提高素质、协调发展的现代教育理念，大的现代教育理念，大力培养学生的计算思维能力。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培养复合型创新人才的一个重要内容就是要潜潜移默化移默化地使他们养成一种地使他们养成一种新的思维方式新的思维方式运用计算机科学的基础概念运用计算机科学的基础概念

25、运用计算机科学的基础概念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对问题进行求解、系统设计和行为理解对问题进行求解、系统设计和行为理解对问题进行求解、系统设计和行为理解 即建立计算思维。即建立计算思维。即建立计算思维。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，就是为了使其继续改革，就是为了使其继续保持在计算科学研究与保持在计算科学研究与科学技术发展中的

26、优势科学技术发展中的优势会议四点共识九校联盟九校联盟(C9)(C9)应该应该毫不犹豫、旗帜鲜明毫不犹豫、旗帜鲜明地把培地把培养具有国际竞争力的高级人才的计算思维能力，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、为计算机教为国内高校的人才培养引领方向、为计算机教育树立标杆。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，当前我国正处在努力建设人才资源强国的关键时期，高

27、等学校更需具备战略性眼光，从造就强国之才的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，使之牢固确立计算机基础教学的基础性地位，使之与数与数学、物理等课程一样学、物理等课程一样，作为大学通识教育的一个基，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、新任务的计算以计算思维能力培养为新目标、新任务的计算机基础教学机基础教学，需要国家教育主管部门重视和支，需要国家教育主管部门重视和支持持需要学校在教学时数、教学条件方面给予保障需要学校在教学时数、教

28、学条件方面给予保障更需要有一支高素质的、稳定的更需要有一支高素质的、稳定的教师队伍的支教师队伍的支撑撑会议四点共识 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我们建议由九校联盟(C9)(C9)牵头，加强牵头，加强以计以计算思维能力培养为核心的计算机基础教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机科研工作和各专业应用领域中有成就有成就的教师的教师参加此项工作研讨参加此项工作研讨会议四点共识发动从

29、事发动从事哲学和教育学哲学和教育学等领域研究工作的教师等领域研究工作的教师积极参与，形成计算机基础教学改革和课程建积极参与，形成计算机基础教学改革和课程建设的合力，加速推进相关的研究。设的合力，加速推进相关的研究。积极争取国家相关部门和学术团体的大力支持，积极争取国家相关部门和学术团体的大力支持，尽快专门立项，组织国内外调研，开展试点工尽快专门立项，组织国内外调研，开展试点工作，及时总结经验作，及时总结经验建立起与建立起与C9C9高校联盟人才培养目标相适应的计高校联盟人才培养目标相适应的计算机基础教学体系。算机基础教学体系。总结与展望九校联盟九校联盟(C9)(C9)将力争在将力争在几年时间几年时间内，在以计内，在以计算思维能力培养为核心的计算机基础教学课算思维能力培养为核心的计算机基础教学课程改革方面取得突破程改革方面取得突破进而辐射到国内更多的研究型、教学研究型进而辐射到国内更多的研究型、教学研究型大学，为培养拔尖创新人才做出应有的贡献大学，为培养拔尖创新人才做出应有的贡献谢谢大家谢谢大家欢迎指正欢迎指正 !