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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,何钦铭 浙江大学计算机学院 2012年11月23日,提 纲,引言 计算机基础教学改革的需求 围绕计算思维教学改革的实施模式 案例1（模式3）：新生研讨课面向问题求解的思维训练 案例2（模式2）：大学计算机基础教学内容重组 案例3（模式1）：程序设计基础案例教学及资源建设,计算思维研究 宏观层面，揭示计算的泛在特征 自然、社会和工程系统都禀赋着计算属性 计算是人工科学、自然科学 微观层面，挖掘计算的内涵特征： 疏理学科本质特征和核心方法 核心方法、原理的归类、分析 具体内涵有不同看法,引言,Karp的观点,Richard M. Karp UC Berk
2、eley教授，Turing奖（1985）,自然和社会系统自身的内部禀赋着丰富的属于计算的演化规律,计算不仅是一门关于人工现象的科学，还是一门关于自然现象的科学,P.J.Denning观点 ACM前主席,Communications of ACM, Vol.49, No.3,7类原理：计算机理的功能角度 Computation： meaning and limits of computation Communication：reliable data transmission Coordination：cooperation among networked entities Recollecti
3、on：storage and retrieval of information Automation：meaning and limits of automation Evaluation：performance prediction and capacity planning Design：building reliable software systems,4类核心实践 Programming Systems and systems thinking Modeling, validating, testing, and measuring Innovating,Criteria: Univ
4、ersal Recurrent Broadly Influential,Great Principles of Computing,CC 1991 计算机学科重复出现的12个基本概念：,概念和形式化模型(Conceptual and Format Models) 演化(Evolution) 抽象层次(Levels of Abstraction) 绑定(Binding) 按空间排序(Ordering in Space) 按时间排序(Ordering in Time) 重用(Reuse) 折中和结论(Tradeoffs and Consequences) 大问题的复杂性(Complexity of
5、 Large Problems) 一致性和完备性(Consistency and Completeness) 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-抽象级、指令/语言级、系统级,对象构造： 编解码 建模 陈述 过程构造： 约简、嵌入、转化和仿真 递归、并行 抽象和分解 启发式推理 平衡与折中 验证构造： 预防、保护、冗余、容错、纠错 多维度考良（时间、空间、简洁、社会、成本）,对象构造： 概念和形式化模型 演化 抽象层次 过程构造： 绑定 按空间排序 按时间排序 重用 折中和结论 验证构造： 大问题的复杂性 一致性和完备性 效率 安全性
6、,数学思维,逻辑思维,工程思维,计算思维,抽象级问题求解,指令/语言级问题求解,系统级问题求解,计算思维与传统思维,计算机基础教学的改革需求,计算机基础教学在大学教育中的作用 对知识结构的贡献：X+info的复合型知识结构 对思维方式的贡献：计算机学科独特的思维方式 对能力培养的贡献：研究/探索的工具、实践创新能力,地位 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,以物理学科为代表 以推理和演绎为特征的推理思维,以数学学科为代表 以设计和构造为特征的计算思维,以计算机学科为代表 -李廉教授,形势背景： 对计算机基础教学的更高要求 对计算机基础教学的多样化要求
7、计算机技术内容更新快 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,挑战1：对计算机基础教学认识的片面认识 “计算机会用即可”、“计算机就是程序设计”、。 危害： 学时被压缩、资源得不到充分配置 大学计算机基础课程可有可无、学生认识误区 挑战2：对计算机基础教学内容和教学方法改革的挑战 知识构成庞杂、内容更新快 与计算机基础教学相对有限学时和有限目标的矛盾 浓缩论,计算机基础教学的改革需求,解决途径： 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 需要更加突出思维方法的训练 满足 有限的课时应对教学改革的压力和不断更新的技术 摆脱以“操作技能”培养学生
8、计算机能力造成的“危机” 更好地诠释课程建设的目标，更好地体现基础特征,2010年7月，九校联盟(C9)西安会议提出： 计算机基础教学的核心任务是计算思维能力的培养 核心知识（内涵特征） 核心方法（内涵特征） 独特思维（泛在特征，普适）,基本认识 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： 内容的再组织与优化，突出核心内容和方法 教学方法的改革，加强思维方法训练 计算思维培养需要分类分层次逐步推进 对计算思维的认识 广大教师的理解 学生培养的定位,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,四个领域,认识与理解 计算环境,流程设计与 程序实现,开发方法
9、及典型行业应用系统,面向专业应用的 信息处理技术,核心课程中的主要原理,使学生了解相关内容的核心问题和核心解决方法： 问题的引入 寻求解决问题的思路 引出问题的解决方法或实现方法 进一步的拓展和思考 案例的选取是关键,教学方法方面：激发兴趣、引发思考,实施模式,模式1：方法推动式 内容基本不变，改进教学方法 模式2：内容重组式 内容小范围调整：突出重点、适当增删 模式3：全面更新式 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1（模式3）：新生研讨课,信息表示与编码（Communication） 猜姓游戏、图像编码、图像校验 资源竞争与调度（Coordinatio
10、n、Evaluation） 服务窗口排队问题、装箱问题、书籍缓存问题 社会关系与网络（Automation） 朋友圈形成、团体发现 问题分解与递归（Design） 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： 1、二进制和十进制 2、信息编码的基本概念,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,编码校验,编码： 00110000 0 01100000 0 11111111 0 11000010 1 01011110 1 010
11、10110 0 01011110 1 01000010 0 01111001 1,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=112 (2) 10-2= 8 图书校验位有什么用？ 还有什么地方有校验码？,信息加密 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？ 信息隐藏、隐私保护 问题：
12、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： 只有一个服务窗口，有三个服务顾客，分别需要服务时间为： C1:12； C2 :5； C3:3 （2）引发思考： 如何评价不同方案 不同情况服务顺序如何决定？ 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”出服务排队的核心方法： 先来先服务（FCFS) 短任务优先（SJF) 最短剩余时间优先（SRTF) 优先级调度（HPF) 时间片轮转（RR)
13、,案例2（模式2）：大学计算机基础的内容重组,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,已有高校改革中比较有共性的方法 分类教学：针对校内不同学科类别，开设不同内容课程 课程内容改革：再组织与优化 计算理论基础：增 算法与程序：加强 计算机系统基础：突出重点 计算机组成 网络 操作系统 数据库 软件工程 。 典型案例设计、符合思维习惯的内容重组,内容设计：例子,计算的历史与影响 计算模型 处理器模型 信息的编码与存储 算法和程序 操作系统 计算机网络 数据库系统
14、,概论 计算机组成及工作原理 数据表示与存储 问题求解与程序设计 操作系统基础 数据库基础 计算机网络基础与应用 计算机与信息安全,计算思维的基础 计算理论基础 算法基础 程序设计语言 Python编程基础 硬件基础：组成、网络 基础软件：操作系统、数据库、软件工程、人工智能,引论 计算原理 操作系统基础 问题求解框架 算法描述与程序设计基础 互联网计算基础 数据库系统基础 科技文章/文稿电子化制作、编排与发布 计算机安全与信息安全,教学方法：针对计算思维能力培养 讨论式 布置专题、组织研讨 问题引导、典型案例 核心问题和解决思路 体现计算思维的典型案例 反思与自我建构 对所学知识进行重构、贯
15、通 采用易于理解的手段 算法流程：Raptor Python,Raptor: 可视化的算法表达平台 流程设计与执行,Principles of Computation-CMU（ 2009）,Principles of Computing-CMU（2012）,大学计算机基础课程建设,基本内容 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 计算模型：抽象级计算环境上理解计算的基本原理(Computation) 处理器模型：指令级计算环境的基本构成及工作原理（Recollection、 Coordination） 信息的编码与存储（Communication） 算法和程序：语言级计
16、算环境中计算的基本过程和方法(Design) 操作系统：计算资源竞争问题（系统级，Coordination） 计算机网络：信息交换问题（系统级，Communication） 数据库系统：数据组织问题（系统级，Recollection）,教学方法与实践内容： 通过案例引入相关单元的核心问题和基本思路 讲解核心内容 自学拓展知识内容 配套实践教材，掌握计算环境的基本操作技能 了解并掌握基本的程序流程设计方法,案例3（模式1）：程序设计基础案例教学及资源建设,突出问题求解思路培养: 案例教学、分层次实践 结合大基典型案例及程序实现 装箱问题模拟：用尽可能少的箱子装下若干物体 #include main() int i, j, Cur, N, Max=0; static int S1001; scanf(%d, ,*,34,基本资源建设：基于教学主题,（1）思路： 解析教学（学习）策略 突出教学重点难点 精选教学案例 示范优质教学资源 （2）目标 围绕12个教学主题（一级主题）,分别建设相关教学资源，包括:
