从计算思维到大学计算机基础教学核心课程建设.ppt

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1、从计算思维到大学计算机基础教学核心课程建设 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望提提 纲纲n引言引言n计算机基础教学改革的需求计算机基础教学改革的需求n围绕计算思维教学改革的实施模式围绕计算思维教学改革的实施模式n案例案例1（模式（模式3）：新生研讨课）：新生研讨课面向问题求解的思维训练面向问题求解的思维训练n案例案例2（模式（模式2）：）：大学计算机基础大学计算机基础教学内容重组教学内容重组n案例案例3（模式（模式1）：）：程序设计基础程序设计基础案例

2、教学及资源建设案例教学及资源建设计算思维研究计算思维研究n宏观层面，宏观层面，揭示计算的泛在特征泛在特征q自然、社会和工程系统都禀赋着计算属性q计算是人工科学、自然科学n微观层面，微观层面，挖掘计算的内涵特征：内涵特征：q疏理学科本质特征和核心方法q核心方法、原理的归类、分析n具体内涵有不同看法 引言Karp的观点RichardM.RichardM.KarpKarpUCBerkeley教授，Turing奖（1985）自然和社会系统自身的内部禀赋禀赋着丰富的属于计计算的演化规律算的演化规律计算不仅是一门关于人工现象的科学人工现象的科学，还是一门关于自然现象的科学自然现象的科学nCMU周以真（Je

3、annetteM.Wing）教授认为：计算思维：用计算的基础概念去求解问题、设计系统、理解人类行为q本质：抽象和自动化约简约简、嵌入嵌入、转化转化、仿真仿真递归递归、并行处理并行处理抽象抽象、分解分解、建模建模预防预防、保护、容错保护、容错、纠错纠错启发式推理、折衷启发式推理、折衷多维度考良多维度考良*Communications of ACM,Vol.49,No.3,March 2006P.J.Denning观点ACM前主席Communications of ACM,Vol.49,No.37类原理：类原理：计算机理的功能角度计算机理的功能角度Computation：meaningandlim

4、itsofcomputationCommunication：reliabledatatransmissionCoordination：cooperationamongnetworkedentitiesRecollection：storageandretrievalofinformationAutomation：meaningandlimitsofautomationEvaluation：performancepredictionandcapacityplanningDesign：buildingreliablesoftwaresystems4类核心实践类核心实践ProgrammingSyste

5、msandsystemsthinkingModeling,validating,testing,andmeasuringInnovatingCriteria:UniversalRecurrentBroadlyInfluentialGreatPrinciplesofComputingCC1991计算机学科重复出现的12个基本概念：概念和形式化模型(ConceptualandFormatModels)演化(Evolution)抽象层次(LevelsofAbstraction)绑定(Binding)按空间排序(OrderinginSpace)按时间排序(OrderinginTime)重用(Reuse

6、)折中和结论(TradeoffsandConsequences)大问题的复杂性(ComplexityofLargeProblems)一致性和完备性(ConsistencyandCompleteness)效率(Efficiency)安全性(Security)不同层次计算环境的问题求解与构造方法不同层次计算环境的问题求解与构造方法-抽象级、指令抽象级、指令/语言级、系统级语言级、系统级n对象构造对象构造：q编解码q建模q陈述n过程构造过程构造：q约简、嵌入、转化和仿真q递归、并行q抽象和分解q启发式推理q平衡与折中n验证构造验证构造：q预防、保护、冗余、容错、纠错q多维度考良（时间、空间、简洁、社

7、会、成本）n对象构造：对象构造：q概念和形式化模型q演化q抽象层次n过程构造：过程构造：q绑定q按空间排序q按时间排序q重用q折中和结论n验证构造：验证构造：q大问题的复杂性q一致性和完备性q效率q安全性数学思维数学思维逻辑思维逻辑思维工程思维工程思维计算思维计算思维抽象级问题抽象级问题求解求解指令指令/语言级问语言级问题求解题求解系统级问题系统级问题求解求解计算思维与传统思维计算机基础教学的改革需求计算机基础教学的改革需求 n计算机基础教学在大学教育中的作用计算机基础教学在大学教育中的作用q对知识结构的贡献对知识结构的贡献：X+info的复合型知识结构q对思维方式的贡献对思维方式的贡献：计算

8、机学科独特的思维方式q对能力培养的贡献对能力培养的贡献：研究/探索的工具、实践创新能力地位地位n等同于数学课程、物理课程一样重要的课程等同于数学课程、物理课程一样重要的课程以观察和总结自然规律为特征的实证思维实证思维,以物理学科为代表以推理和演绎为特征的推理思维推理思维,以数学学科为代表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-李廉教授n形势背景形势背景：q对计算机基础教学的更高要求q对计算机基础教学的多样化要求q计算机技术内容更新快q信息技术在中小学的普及计算机基础教学的改革需求计算机基础教学的改革需求 计算机基础教学的改革需求计算机基础教学的改革需求 挑战挑战1：对计算机基

9、础教学认识的片面认识：对计算机基础教学认识的片面认识q“计算机会用即可”、“计算机就是程序设计”、。n危害：危害：q学时被压缩、资源得不到充分配置q大学计算机基础课程可有可无、学生认识误区挑战挑战2：对计算机基础教学内容和教学方法改革的挑战：对计算机基础教学内容和教学方法改革的挑战q知识构成庞杂、内容更新快q与计算机基础教学相对有限学时和有限目标的矛盾n浓缩论计算机基础教学的改革需求计算机基础教学的改革需求 n解决途径解决途径：q需要构建相对稳定、能够体现计算机学科思想和方法的核心内容q需要更加突出思维方法的训练n满足满足q有限的课时应对教学改革的压力和不断更新的技术q摆脱以“操作技能”培养学

10、生计算机能力造成的“危机”q更好地诠释课程建设的目标，更好地体现基础特征n2010年7月，九校联盟(C9)西安会议提出：q计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养n核心知识（内涵特征）核心知识（内涵特征）n核心方法（内涵特征）核心方法（内涵特征）n独特思维独特思维（泛在特征，普适）（泛在特征，普适）基本认识基本认识n计算思维养成以计算能力的培养为基础的计算思维养成以计算能力的培养为基础的不是颠覆原有的课程内容，而是：n内容内容的再组织与优化，突出核心内容和方法突出核心内容和方法n教学方法方法的改革，加强思维方法训练加强思维方法训练n计算思维培养计

11、算思维培养需要分类分层次逐步推进需要分类分层次逐步推进n对计算思维的认识n广大教师的理解n学生培养的定位围绕计算思维教学改革的实施模式围绕计算思维教学改革的实施模式内容方面：基础教学知识体系内容方面：基础教学知识体系四个领域四个领域系统平台与系统平台与计算环境计算环境系统开发与系统开发与行业应用行业应用算法基础与算法基础与程序设计程序设计数据管理与数据管理与信息处理信息处理认识与理解认识与理解计算环境计算环境流程设计与流程设计与程序实现程序实现开发方法及典型开发方法及典型行业应用系统行业应用系统面向专业应用的面向专业应用的信息处理技术信息处理技术核心课程中的主要原理核心课程核心课程主要相关内容

12、主要相关内容PrinciplePractice系系统统平平台台与与计算环境计算环境大学计算机基础Computation,Coordination,Recollection,Communication网络技术及应用Communication,Coordination,DesignSystemsandsystemsthinking微机原理与接口技术Recollection,Communication,CoordinationProgramming算算法法基基础础与与程序设计程序设计程序设计基础Design,Recollection,EvaluationProgramming数数据据管管理理与与信息

13、处理信息处理数据库技术及应用Recollection,EvaluationSystemsandsystemsthinking多媒体技术及应用Communication,Recollection系系统统开开发发与与行业应用行业应用软件工程（软件开发技术）、DesignSystemsandsystemsthinking领域应用课程Systemsandsystemsthinking,Modeling,validating,etcn使学生了解相关内容的核心问题和核心解决方法：q问题的引入q寻求解决问题的思路q引出问题的解决方法或实现方法q进一步的拓展和思考n案例的选取是关键教学教学方法方面方法方面：激

14、发兴趣、引发思考实施模式n模式模式1：方法推动式方法推动式q内容基本不变，改进教学方法n模式模式2：内容重组式内容重组式q内容小范围调整：突出重点、适当增删n模式模式3：全面更新式全面更新式q内容提升，大幅度更新以不同模式推动不同层次、不同类别的课程教学改革案例案例1（模式（模式3）：新生研讨课n信息表示与编码信息表示与编码（Communication）q猜姓游戏、图像编码、图像校验n资源竞争与调度资源竞争与调度（Coordination、Evaluation）q服务窗口排队问题、装箱问题、书籍缓存问题n社会关系与网络社会关系与网络（Automation）q朋友圈形成、团体发现n问题分解与递归

15、问题分解与递归（Design）q二分查找猜数、最大和子序列、海盗分赃例1：猜数。请默默选中一个数，告诉我哪些卡片上有这个数类似游戏：猜姓引出的知识：引出的知识：1、二进制和十进制2、信息编码的基本概念0：赵孙周郑冯褚蒋韩朱尤何施孔严金陶戚邹柏窦云潘奚彭鲁昌苗花俞袁酆史1：钱孙吴郑陈褚沈韩秦尤吕施曹严魏陶谢邹水窦苏潘范彭韦昌凤花任袁鲍史2：李周吴郑卫蒋沈韩许何吕施华金魏陶喻柏水窦葛奚范彭马苗凤花柳酆鲍史3：王冯陈褚卫蒋沈韩张孔曹严华金魏陶章云苏潘葛奚范彭方俞任袁柳酆鲍史4：杨朱秦龙许何吕施张孔曾严华金魏陶郎鲁韦昌马苗凤花方俞任袁柳酆鲍史5：姜戚谢邹喻柏水窦章云苏潘葛奚范彭郎鲁韦昌马苗凤花方俞任袁

16、柳酆鲍史拓展思考：拓展思考：1、对应三进制的表怎么构造2、是否可以构造不等大小的表3、是否可以构造一个同时猜姓和属相的游戏例2：图像编码与校验n编码校验1111111111111111111111111111编码：001100000011000000111111110110000101010111101010101100010111101010000100011110011如何识别图像被篡改？如何在网络传输中保证准确性？编码校验：奇偶校验图书编码中的校验：ISBN：9787040226058(1)9*1+7*3+8*1+7*3+0*1+4*3+0*1+2*3+2*1+6*3+0*1+5*3=1

17、12(2)10-2=8图书校验位有什么用？还有什么地方有校验码？n信息加密信息加密q问题：问题：某人想快递传递一个极度隐私的包裹给女朋友。假定：包裹可以随便加锁；加锁的包裹是绝对安全的；任何方式传递钥匙都是不安全的；多花点钱和时间没关系，安全第一。问：怎么办？n信息隐藏、隐私保护信息隐藏、隐私保护q问题：问题：想调查n个人的平均工资，但每个人又不想自己的工资让别人知道。现n个人聚在一起，提供每人纸和笔，任何一个人都可以当面收集别人提供的数据并计算。请设计一种方法到达目标（计算出平均工资，但又不暴露个人工资）。例二：服务窗口排队（1）问题：）问题：只有一个服务窗口，有三个服务顾客，分别需要服务时

18、间为：C1:12；C2:5；C3:3（2）引发思考：）引发思考：q如何评价不同方案q不同情况服务顺序如何决定？n到达时间不同、有不同的服务优先级、服务允许被中断（3）“讨论讨论”出服务排队的核心方法：出服务排队的核心方法：q先来先服务（FCFS)q短任务优先（SJF)q最短剩余时间优先（SRTF)q优先级调度（HPF)q时间片轮转（RR)案例案例2（模式（模式2）：）：大学计算机基础大学计算机基础的内容重组的内容重组现有教学内容问题：现有教学内容问题：过于描述计算环境，对计算环境核心设计思想分析不够以对计算环境的操作代替对计算环境的理解问题求解方法深入不够课程内容成了：概念的堆砌或操作技能培训

19、n已有高校改革中比较有共性的方法已有高校改革中比较有共性的方法q分类教学分类教学：针对校内不同学科类别，开设不同内容课程q课程内容改革：课程内容改革：再组织与优化n计算理论基础：增增n算法与程序：加强加强n计算机系统基础：突出重点突出重点q计算机组成计算机组成q网络网络q操作系统操作系统q数据库q软件工程q。典型案例设计、符合思维习惯的内容重组典型案例设计、符合思维习惯的内容重组内容设计：例子q计算的历史与影响q计算模型q处理器模型q信息的编码与存储q算法和程序q操作系统q计算机网络q数据库系统n概论n计算机组成及工作原理n数据表示与存储n问题求解与程序设计n操作系统基础n数据库基础n计算机网

20、络基础与应用n计算机与信息安全q计算思维的基础q计算理论基础q算法基础q程序设计语言qPython编程基础q硬件基础：组成、网络q基础软件：操作系统、数据库、软件工程、人工智能q引论q计算原理q操作系统基础q问题求解框架q算法描述与程序设计基础q互联网计算基础q数据库系统基础q科技文章/文稿电子化制作、编排与发布q计算机安全与信息安全n教学方法教学方法：针对计算思维能力培养q讨论式讨论式n布置专题、组织研讨q问题引导、典型案例问题引导、典型案例n核心问题和解决思路n体现计算思维的典型案例q反思与自我建构反思与自我建构n对所学知识进行重构、贯通n采用易于理解的手段采用易于理解的手段n算法流程：R

21、aptornPythonRaptor:n可视化的算法表达平台n流程设计与执行Principles of Computation-CMU（2009）UNITTOPIC1ABriefHistoryofComputing2ExpressingComputations:Algorithms&Flowcharts3DataOrganization4Compilers&ProgrammingLanguages5Recursion&OtherAlgorithmicTechniques6ComputationalGoals:Correctness&Efficiency7TheLimitsofComputati

22、on8Concurrency9Applications:Cryptography,ArtificialIntelligence10TheFutureofComputingPrinciples of Computing-CMU（2012）Unit01:HistoryofComputingPre-ElectronicComputingElectronicComputing-Unit02:IntroductiontoRubyBasics,ClassExamplesForLoops,ClassExamples-Unit03:AlgorithmicThinkingAlgorithms,GCDArrays

23、,SieveofEratosthenes-Unit04:IterationLinearSearchInsertionSortIntroductiontoBigOUnit05:RecursionRecursiveThinkingBinarySearchMergeSortUnit06:OrganizingDataList-BasedDataStructuresHashTablesNon-LinearDataStructuresUnit07:DataRepresentationInteger,FloatingPoint,TextCompressionImagesandSoundUnit08:Comp

24、uterOrganizationLogic,Circuits,AbstractionMachineLanguage-Unit09:RandomnessRandomNumberGeneratorsGameswithRandomNumbersMoreFractalsandCellularAutomata*Unit10:ConcurrencySortingNetworksPipeliningMultitasking/DeadlockUnit11:TheInternetFundamentalsLayersandAbstractionEncryption*Unit12:SimulationFundame

25、ntals,RobotsN-BodySimulation-Unit13:ArtificialIntelligenceNaturalLanguageProcessingGamesandSearchStrategies-Unit14:TheLimitsofComputingIntractabilityPandNPNon-computabilityEpilogue:TheFutureofComputingDNA&QuantumComputing大学计算机基础课程建设基本内容基本内容q计算的历史与影响计算的历史与影响：从历史和现实的角度认识计算机技术的影响和作用q计算模型计算模型：抽象级计算环境上理解

26、计算的基本原理(Computation)q处理器模型处理器模型：指令级计算环境的基本构成及工作原理（Recollection、Coordination）q信息的编码与存储信息的编码与存储（Communication）q算法和程序算法和程序：语言级计算环境中计算的基本过程和方法(Design)q操作系统操作系统：计算资源竞争问题（系统级，Coordination）q计算机网络计算机网络：信息交换问题（系统级，Communication）q数据库系统：数据库系统：数据组织问题（系统级，Recollection）教学方法与实践内容：教学方法与实践内容：q通过案例引入相关单元的核心问题和基本思路通过案

27、例引入相关单元的核心问题和基本思路q讲解核心内容讲解核心内容q自学拓展知识内容自学拓展知识内容q配套实践教材，掌握计算环境的基本操作技能配套实践教材，掌握计算环境的基本操作技能q了解并掌握基本的程序流程设计方法了解并掌握基本的程序流程设计方法案例案例3（模式（模式1）：）：程序设计基础案例教学及资源建设n突出问题求解思路培养:案例教学、分层次实践n结合大基典型案例及程序实现q装箱问题模拟：用尽可能少的箱子装下若干物体n#includenmain()nninti,j,Cur,N,Max=0;nstaticintS1001;nscanf(%d,&N);nfor(i=1;i=N;i+)nscanf(

28、%d,&Cur);nfor(j=1;j=N;j+)nif(Sj+CurMax)Max=j;nprintf(%d%dn,Cur,j);nnprintf(%dn,Max);n*34基本资源建设：基于教学主题（1）思路）思路：q解析教学（学习）策略q突出教学重点难点q精选教学案例q示范优质教学资源（2）目标）目标q围绕12个教学主题（一级主题）,分别建设相关教学资源，包括:教学要求、重点难点、教学策略、课件PPT、语音课件、教学视频、典型案例、演示动画、作业练习、课程实验、测验试题等程序设计基础程序设计基础资源共享课建设资源共享课建设12个主题：*351认识程序2分支结构程序设计3循环结构程序设计4

29、基本函数程序设计5数组及应用6指针的基本应用7结构的基本应用8递归函数程序设计9链表应用10文件及应用11算法初步12大型趣味程序设计n课程级资源课程级资源q课程简介q课程大纲q教学日历q知识结构导图q参考资料（教材、网站）*36n主题级资源主题级资源：引导性资源、过程性资源、巩固性资源q教学目标与要求q教学（学习）策略q重点难点指导q典型教学案例：问题描述、问题分析、程序实现q课件：PPTq演示动画q语音课件q教学视频：！q作业练习与试题q实验案例与题目q常见问题解答*37*38（1）思路）思路：n设计经典题型提高实践效率n分层次题型满足不同基础学生的个性化学习需求n自动评测解决足够量训练要求下的批改工作量（2）目标：）目标：n建设200题以上分层次的经典程序设计题库n实现在线自动评测、提供经典实验案例拓展资源建设：基于自动评测系统程序设计基础程序设计基础资源共享课建设资源共享课建设*39*40*41建设重点n围绕教学主题的视频n学习策略、重点/难点：课程实施方案课程实施方案q重点、难点：循环、函数、递归、指针、文件n案例：经典实验案例集经典实验案例集实验案例实验案例实验案例实验案例1 实验名称2 实验目的3 实验任务4 实验分析/实验要点分析5 参考答案 项目题不需要6 思考问题 可选