《[教育学]陈国良 院士报告-计算思维与大学计算机基础教育》由会员分享，可在线阅读，更多相关《[教育学]陈国良 院士报告-计算思维与大学计算机基础教育（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算思维与大学计算机基础教育,2011年6月,陈国良 董荣胜 毛睿,摘要： 本报告首先讲述了大学计算机基础课程的重要性，分析了教学中存在的问题，指出了“狭义工具论”的危害。然后从推动人类文明进步、科技发展三大科学思维之一的计算思维入手，阐述了计算思维对学生创新能力培养的重要性。最后按计算思维主要内容，即问题求解、系统设计和人类行为理解，探讨了大学计算机基础课程设置，强调了课程结构设计的重要性，给出了一种以“计算思维”为核心的大学计算机基础课程教学的最小集，为大学计算机基础教育提供了一种以提高学生计算思维能力为目标的新模式。,2,目录 大学计算机基础课程的重要性 大学计算机基础课程教学存在的问题
2、 计算思维在美国产生的背景 科学与科学思维 计算思维 计算思维在我国 计算机科学导论：计算思维课程的总体框架 计算机科学导论：计算思维课程的内容规划 结论 感谢,3,一、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，要培养 学生的理性思维能力 学生对科学精神的追求 学生的高尚人格 通识教育三大特征（复旦杨玉良校长） 通识教育要同时传递科学精神和人文精神 通识教育要展现不同文化、不同学科的思维方式 通识教育要充分展现学术的魅力 计算思维能力培养是大学通识教育的重要组成部分 国家明确定位计算机基础课程是和数学、物理等同地位的基础课程。 计算机不仅
3、为不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处理问题的思维方式。 熟悉使用计算机及互联网，为人们终生学习提供了广阔的空间以及良好的学习工具与环境。,4,二、大学计算机基础课程教学存在的问题(1),我国的情况 “狭义工具论”的课程：“狭义工具论”认为教计算机基础就是教些计算机工具及其使用方法。 “浓缩版”的教材：教材基本上是有关领域的浓缩版，学生进入大学后，对第一门计算机课程兴趣不大，逃课率相当高。 计算机基础课教学学时被压缩，教学资源配置不充分，课程面临被裁减的危机 美国的情况(1) 学生学习计算机课程情况： 2003年11月，美国Naval Postgraduate S
4、chool的Peter Denning教授在CACM上发表Great Principles of Computing一文介绍了这种情况： 在大学第一门计算机课程（主要指“程序设计语言”作为第一门计算机课程）的学习过程中，有35-50%的学生中途放弃。另外，不少的学生还通过抄袭或者是作弊的方式来完成课程。,5,二、大学计算机基础课程教学存在的问题(2),美国的情况(2) 毕业生的工资情况： 2005年11月，美国Computing Research News刊登的一篇名为科学与工程专业毕业生的工资的报告： 2003年，在美国科学领域各学科中，计算机与信息科学专业毕业生的平均年工资最高，学士人均年
5、工资为45，000美元，硕士人均60，000美元。 学生主修计算机专业情况： 加州大学洛杉矶分校发现学生对计算专业的兴趣波动很大，2001后普遍下降。具体数据如图所示：,6,三、计算思维在美国产生的背景(1),2005年6月美国的PITAC报告 2005年6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计算科学：确保美国竞争力（Computational Science: Ensuring Americas Competitiveness）。 (1) 报告写道： 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。 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
6、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。 (2) 报告认为： 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。 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，以及工业改革中的中心位置。 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。 (3) 报告建议：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。,7,三、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 (1) 针对“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”，美国NSF组织了计算教育与科学领域，以及其他相关
7、领域的专家分四个大区（东北、中西、东南、西北）进行研讨，形成四份重要报告： Report of NSF Workshop on Integrative Computing Education and Research(ICER) Northeast Workshop Report of NSF Midwest Region Workshop on ICER: Preparing IT Graduates for 2010 and Beyond Report from the Southeast Region Workshop on ICER: Preparing IT Graduates fo
8、r 2010 and Beyond ICER Final Report of the Northwest Regional Meeting (2) 内容及建议： 以上四个文件分析了美国计算教育出现的问题，报告建议在美国国家科学基金的资助下全面改革美国的计算教育。以下两个问题和一个建议值得我们注意： 大学第一年计算机课程的构建问题； 多学科的融合问题； 报告建议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学的学习。,8,三、计算思维在美国产生的背景(3),2007年美国NSF的CPATH计划 CPATH（Pathways to Revitalized Undergradu
9、ate Computing Education，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，培养未来能够参与全球竞争、掌握计算核心概念的美国企业家和员工就变得非常重要。 CPATH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，但目前美国更多的大学计算教育仍然沿袭的是几十年前的教学模式。鉴于此，NSF 2007年启动了CPATH计划，当年投入600万美元，2008年投入500万美元，2009年投入1000万美元，力图改变这种情况。 经过2007年和2008年的资助和项目实践，CPATH认识到“计算思维”在计划中所起的独特的重要作用，因此，对2009年申报
10、的项目提出了更为具体的以“计算思维”为核心的要求。 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新）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，该计划旨在通过“计算思维”领域的创新和进步来促进自然科学和工程技术领域产生革命性的成果。 CDI计划2008年启动，当年批准了共计4200万美元的72个项目的立项申请，2009年投入2600万美元，2010年投入3600万美元。,9,四、科学与科学思维(1),科学与思维 达尔文曾给科学下过一个定义：“科学就是整理事实，从中发现规律，作出
11、结论”。科学一般包含：自然科学、社会科学和思维科学。 思维是高级的心理活动形式。人脑对信息的处理包括分析、抽象、综合、概括。 人类科学发现的三大支柱： 理论科学、实验科学和计算科学作为科学发现三大支柱，正推动着人类文明进步和科技发展。 该说法已被科学文献广泛引用，并在美国得到国会听证、联邦和私人企业报告的承同。 一般而论，三种科学对应着三种思维： 理论科学 理论思维： 理论思维又叫推理思维，以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。 实验科学 实验思维： 实验思维又叫实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。 计算科学 计算思维： 计算思维又叫构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学
12、科为代表。,10,四、科学与科学思维(2),科学思维： 国科发财2008197号文关于创新方法工作的若干意见认为“科学思维不仅是一切科学研究和技术发展的起点，而且始终贯穿于科学研究和技术发展的全过程，是创新的灵魂”。 理论思维： 理论源于数学，理论思维支撑着所有的学科领域。正如数学一样，定义是理论思维的灵魂，定理和证明是它的精髓。公理化方法是最重要的理论思维方法。 实验思维： 实验思维的先驱是意大利科学家伽利略，被人们誉为“近代科学之父”。与理论思维不同，实验思维往往需要借助于某些特定的设备，并用它们来获取数据以供以后的分析。 计算思维： 计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设
13、计以及人类行为理解的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。,11,五、计算思维(1),计算思维的定义： 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。CT的本质是抽象和自动化。它是如同所有人都具备“读、写、算”（简称3R）能力一样，都必须具备的思维能力。 计算思维的例子： 计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释成如何求解它的思维方法。 计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。 计算思维是一种采用抽象和分解的方法来控制
14、庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法（SoC方法）。 计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。,12,五、计算思维(2),计算思维的例子： 计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。 计算思维是利用启发式推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。 计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折衷的思维方法。 计算思维的特征： 概念化，不是程序化 计算机科学不是计算机编程。像计算机科学家那样去思维意味着远远不止能为计算
15、机编程，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，就像音乐产业不只是关于麦克风一样。 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。,13,五、计算思维(3),计算思维的特征： 人的，不是计算机的思维 计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情。计算机赋予人类强大的计算能力，人类应该好好的利用这种力量去解决各种需要大量计算的问题。 是思想，不是人造品 不只是将我们生产的软硬件等人造物到处呈现给我们的生活，更重
16、要的是计算的概念，它被人们用来问题求解、日常生活的管理，以及与他人进行交流和互动。 数学和工程思维的互补与融合 计算机科学在本质上源自数学思维，它的形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维，因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统。所以设计思维是数学和工程思维的互补与融合。 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。,14,五、计算思维(4),计算思维对其他学科的影响： 生物： 霰弹枪算法（Shotgun algorithm）大大提高了人类基因组测序的速度 蛋白质结构可以用绳结来模拟 蛋白质动力学可以用计算过程来模拟 细胞和电路类似，是一个自动调节系统 脑科学： 人脑可以看作是一台计算机 视觉是一个反馈循环 用机器学习方法分析功能核磁共振（ fMRI）数据 化学： 用原子计算探索化学现象 用优化和搜索算法寻找优化化学反应条件和提高产量的物质 地质学： “地球是一台模拟计算机” (Boulton, Ed
