計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育

1、中國大學(xué)教學(xué) 2011年第1期7陳國良,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、深圳大學(xué)教授,中國科學(xué)院院士,教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)主任委員,第一屆高等學(xué)校教學(xué)名師獎(jiǎng)獲得者;董榮勝,桂林電子科技大學(xué)教授。計(jì)算思維與大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育陳國良 董榮勝摘 要:文章首先介紹了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要性,分析了教學(xué)中存在的問題,指出了“狹義工具論”的危害。然后從推動(dòng)人類文明進(jìn)步、科技發(fā)展三大科學(xué)思維之一的“計(jì)算思維”入手,闡述了計(jì)算思維對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要性。最后按計(jì)算思維主要內(nèi)容,即問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人類行為理解,探討了大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程設(shè)置,強(qiáng)調(diào)了課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性,給出了一種以“計(jì)算思維”為

2、核心的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)的最小集,為大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育提供了一種以提高學(xué)生計(jì)算思維能力為目標(biāo)的新模式。關(guān)鍵詞:計(jì)算思維;大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育;計(jì)算思維導(dǎo)論一、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的重要性對于計(jì)算科學(xué)的重要性,在美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)(PITAC 2005年6月給美國總統(tǒng)提交的報(bào)告計(jì)算科學(xué):確保美國競爭力(Computational Science: Ensuring Americas Competitiveness 有明確的闡述。報(bào)告認(rèn)為,雖然計(jì)算本身也是一門學(xué)科,但是其具有促進(jìn)其他學(xué)科發(fā)展的作用1。報(bào)告認(rèn)為,21世紀(jì)科學(xué)上最重要的、經(jīng)濟(jì)上最有前途的前沿研究都有可能通過先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)和計(jì)算

3、科學(xué)而得到解決。盡管報(bào)告用的是“都有可能”,但是對于我們學(xué)科來說,這個(gè)論述已相當(dāng)?shù)轿?。那?為其他學(xué)科培養(yǎng)掌握先進(jìn)計(jì)算技術(shù)的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程就顯得非常重要。從國家層面,對這門課程的定位就是基礎(chǔ)課程,也就是與數(shù)學(xué)、物理相同地位的基礎(chǔ)課程。既然是基礎(chǔ)課程,課程的教學(xué)方法就應(yīng)該像數(shù)學(xué)與物理一樣,講授學(xué)科的基礎(chǔ)概念。二、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)存在的問題目前,在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)中出現(xiàn)了一些問題,主要是“狹義工具論”的問題。“狹義工具論”就是認(rèn)為計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)就是教學(xué)生怎么將計(jì)算機(jī)作為工具使用。應(yīng)該說這種認(rèn)識(shí)對計(jì)算機(jī)的教育非常有害,這樣會(huì)使學(xué)生對計(jì)算學(xué)科的認(rèn)識(shí)淡化,無助于計(jì)算技術(shù)中最重要的核心思

4、想與方法的掌握。作為“狹義工具論”顯然不好,但在過去一段時(shí)間里,在高校中的確某種程度上存在這種傾向。再來看教程,我們大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的教程,名稱很多,諸如入門、文化等等,都被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課的教材。內(nèi)容基本上是有關(guān)領(lǐng)域的濃縮版,把它壓縮在一起。好像網(wǎng)絡(luò)也講一點(diǎn),人工智能、數(shù)據(jù)庫也講一點(diǎn),都很濃縮。這會(huì)產(chǎn)生怎樣的后果?那就是:學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后,對第一門計(jì)算機(jī)課程興趣不大,逃課率較高。我國出現(xiàn)的這些問題,其實(shí)美國也存在。美國著名計(jì)算機(jī)雜志Communications of The ACM 前主編Peter Denning 教授,2003年11月在Communications of The ACM 上

5、發(fā)表了偉大的計(jì)算原理(Great Principles of Computing 一文2,在文中介紹過這個(gè)問題。當(dāng)然,他講的是“程序設(shè)計(jì)語言”作為大學(xué)的第一門計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的問題。他介紹道,面對程序設(shè)計(jì)語言中繁雜的語法規(guī)則,在課程的學(xué)習(xí)過程中,有35%50%的學(xué)生輟學(xué);另外,不少學(xué)生還通過抄襲或者是作弊的方式來完成課程。許多非計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生從來都沒有體驗(yàn)過計(jì)算的愉悅計(jì)算原理的相互影響以及問題有效解決的思維方式。2005年11月,美國Computing Research News 刊登了一篇名為科學(xué)與工程專業(yè)畢業(yè)生的工資的報(bào)告。報(bào)告介紹了2003年10月在美國科學(xué)與工程領(lǐng)域各學(xué)科中,計(jì)算機(jī)與信

6、息科學(xué)專業(yè)畢業(yè)生的平均工資最高。盡管如此,2001年以來,主修計(jì)算相關(guān)專業(yè)的學(xué)生卻在不斷下降。加州大學(xué)洛杉磯分校的高等教育研究會(huì)一直都在追蹤學(xué)生主修專業(yè)的情況。他們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對計(jì)算專業(yè)的興趣波動(dòng)很大。具體數(shù)據(jù)如下圖所示3。圖美國主修計(jì)算專業(yè)學(xué)生人數(shù)的變化三、計(jì)算思維在美國產(chǎn)生的背景計(jì)算科學(xué)的至關(guān)重要性與學(xué)生興趣的下降形成鮮明對比。2005年6月,美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)(PITAC向美國總統(tǒng)提交報(bào)告后,美國科學(xué)基金會(huì)(NSF很快組織計(jì)算教育與研究領(lǐng)域的專家,召開系列會(huì)議,于2005年末至2006年初形成4份應(yīng)對危機(jī)的報(bào)告。(1Report of NSF Workshop on Integrat

7、ive Computing Education and Research(ICER Northeast Workshop;(2Report of NSF Midwest Region Workshop on ICER: Preparing IT Graduates for 2010 and Beyond;(3Report from the Southeast Region Workshop on ICER: Preparing IT Graduates for 2010 and Beyond;(4ICER Final Report of the Northwest Regional Meeti

8、ng。根據(jù)以上報(bào)告的建議,2007年美國科學(xué)基金會(huì)(NSF啟動(dòng)了“大學(xué)計(jì)算教育振興的途徑”(CISE Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education,CPA TH計(jì)劃,投入巨資進(jìn)行美國計(jì)算教育的改革。經(jīng)過2007年和2008年的資助和項(xiàng)目實(shí)踐,“大學(xué)計(jì)算教育振興的途徑”(CPATH計(jì)劃相關(guān)工作者認(rèn)識(shí)到計(jì)算思維(Computational Thinking,CT在計(jì)劃中所起的重要作用,對在2009年申報(bào)的項(xiàng)目提出了更為具體的以計(jì)算思維為核心的課程改革4?！按髮W(xué)計(jì)算教育振興的途徑”(CPATH計(jì)劃啟動(dòng)后,不僅引起美國教育界的關(guān)注,

9、也引起美國科學(xué)界的關(guān)注。2008年,美國科學(xué)基金會(huì)(NSF還啟動(dòng)了一個(gè)涉及所有學(xué)科的、以計(jì)算思維為核心的重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃“計(jì)算使能的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新”(Cyber-Enable Discovery and Innovation,CDI,進(jìn)一步將計(jì)算思維的培育擴(kuò)展到美國的各個(gè)研究領(lǐng)域5。以上3個(gè)事件,可以聯(lián)系在一起看待。致美國總統(tǒng)的報(bào)告(計(jì)算科學(xué):確保美國競爭力開篇介紹道,大約在半個(gè)世紀(jì)前,前蘇聯(lián)成功地發(fā)射了世界第一顆人造衛(wèi)星,它撼動(dòng)了美國在政治與科技上的領(lǐng)導(dǎo)地位,促使美國在科學(xué)、工程和技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行全面的改革。報(bào)告認(rèn)為,如今美國又一次面臨著挑戰(zhàn),這一次的挑戰(zhàn)比以往來得更加廣泛、復(fù)雜,也更具長期

10、性。報(bào)告認(rèn)為,美國還沒有認(rèn)識(shí)到計(jì)算科學(xué)在社會(huì)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工程研究、國家安全以及工業(yè)改革中的中心位置。報(bào)告認(rèn)為,這種認(rèn)識(shí)不足將危及美國的科學(xué)領(lǐng)先地位、經(jīng)濟(jì)競爭力以及國家安全。報(bào)告建議,應(yīng)將計(jì)算科學(xué)長期置于國家科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中心的領(lǐng)導(dǎo)地位。回顧歷史,1957前蘇聯(lián)成功地發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星,對美國產(chǎn)生了巨大的沖擊。美國人是怎么做的呢?他們將改革美國科技的力量放在教育上,投入巨資對美國課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改革,才有了今天世界科學(xué)、工程和技術(shù)領(lǐng)域上的領(lǐng)先地位。今天,美國將這次以計(jì)算科學(xué)為中心的教學(xué)改革與半個(gè)世紀(jì)前的那場科技與教育的變革相提并論,值得我們高度重視。致總統(tǒng)的報(bào)告不到半年的時(shí)

11、間,美國科學(xué)基金會(huì)就將美國計(jì)算教育與研究領(lǐng)域,甚至是其他有關(guān)領(lǐng)域的專家召集在一起,分4個(gè)大區(qū)召開研討會(huì),檢討計(jì)算教育出現(xiàn)的問題,給出了4份相應(yīng)的研究報(bào)告?！按髮W(xué)計(jì)算教育振興的途徑”(CPATH計(jì)劃,甚至“計(jì)算使能的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新”(CDI計(jì)劃,都可以認(rèn)為是這些報(bào)告的產(chǎn)物,其源頭是致美國百分比(%女生8 總統(tǒng)的報(bào)告?！坝?jì)算思維”是報(bào)告實(shí)施過程中的一個(gè)重要成果,也是一個(gè)必然的結(jié)果,科技的競爭最終是有智慧的人才的競爭。四、科學(xué)與科學(xué)思維科學(xué)指的是反映現(xiàn)實(shí)世界各種現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律的分科的知識(shí)體系。科學(xué)思維(簡稱思維一般指的是理性認(rèn)識(shí)及其過程,也即經(jīng)過感性階段獲得的大量材料,通過整理和改造,形成概念

12、、判斷和推理,以反映事物的本質(zhì)和規(guī)律?？茖W(xué)思維主要分為理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維三大類。一般認(rèn)為,理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算是推動(dòng)人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展的三大支柱。這種認(rèn)知不僅被科學(xué)文獻(xiàn)廣泛引用,而且還通過了美國國會(huì)的聽證,以及美國聯(lián)邦政府和私人企業(yè)報(bào)告的認(rèn)同。理論源于數(shù)學(xué),理論思維支撐著所有的學(xué)科領(lǐng)域。正如數(shù)學(xué)一樣,定義是理論思維的靈魂,定理和證明則是它的精髓。公理化方法是最重要的理論思維方法,科學(xué)界一般認(rèn)為,公理化方法是世界科學(xué)技術(shù)革命推動(dòng)的源頭。用公理化方法構(gòu)建的理論體系稱為公理系統(tǒng),如歐氏幾何。實(shí)驗(yàn)思維的先驅(qū)應(yīng)當(dāng)首推意大利著名的物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家伽利略,他開創(chuàng)了以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)具有嚴(yán)密邏輯

13、理論體系的近代科學(xué),被人們譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。愛因斯坦為之評論說:“伽利略的發(fā)現(xiàn),以及他所用的科學(xué)推理方法,是人類思想史上最偉大的成就之一,而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端?！?一般來說,伽利略的實(shí)驗(yàn)思維方法可以分為以下三個(gè)步驟:1.先提取從現(xiàn)象中獲得的直觀認(rèn)識(shí)的主要部分,用最簡單的數(shù)學(xué)形式表示出來,以建立量的概念;2.再由此式用數(shù)學(xué)方法導(dǎo)出另一易于實(shí)驗(yàn)證實(shí)的數(shù)量關(guān)系;3.然后通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)這種數(shù)量關(guān)系。與理論思維不同,實(shí)驗(yàn)思維往往需要借助于某些特定的設(shè)備(科學(xué)工具,并用它們來獲取數(shù)據(jù)以供以后的分析。例如,伽利略就不僅設(shè)計(jì)和演示了許多實(shí)驗(yàn),而且還親自研制出不少先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器,如溫度計(jì)、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡

14、等。以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科有物理、化學(xué)、地學(xué)、天文學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、冶金、機(jī)械,以及由此派生的眾多學(xué)科。以上介紹了理論思維與實(shí)驗(yàn)思維的基本概念。下一部分,介紹與本文關(guān)系最為密切的計(jì)算思維。五、計(jì)算思維國際上廣泛認(rèn)同的計(jì)算思維定義來自周以真(Jeannette Wing教授。周教授認(rèn)為,計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì),以及人類行為理解的涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)7。計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。如同所有人都具備“讀、寫、算”(簡稱3R能力一樣,計(jì)算思維是必須具備的思維能力。為便于理解,在給出計(jì)算思維清晰定義的同時(shí),周以真教授還對計(jì)算思維進(jìn)行了更細(xì)致的闡述

15、:計(jì)算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法,把一個(gè)困難的問題闡釋為如何求解它的思維方法。計(jì)算思維是一種遞歸思維,是一種并行處理,是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼,是一種多維分析推廣的類型檢查方法。計(jì)算思維是一種采用抽象和分解的方法來控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨型復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì),是基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法(SoC方法。計(jì)算思維是一種選擇合適的方式陳述一個(gè)問題,或?qū)σ粋€(gè)問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法。計(jì)算思維是按照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式,并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法。計(jì)算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答,即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法。計(jì)算思維是利用海量

16、數(shù)據(jù)來加快計(jì)算,在時(shí)間和空間之間、在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折中的思維方法。在理解計(jì)算思維時(shí),要特別注意以下幾個(gè)問題:像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維意味著遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止能為計(jì)算機(jī)編程,還要求能夠在抽象的多個(gè)層次上思維。計(jì)算機(jī)科學(xué)不只是關(guān)于計(jì)算機(jī),就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)于麥克風(fēng)一樣。計(jì)算思維是一種根本技能,是每一個(gè)人為了在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮職能所必須掌握的。計(jì)算思維是人類求解問題的一條途徑,但決非要使人類像計(jì)算機(jī)那樣地思考。計(jì)算機(jī)枯燥且沉悶,人類聰穎且富有想象力。是人類賦予計(jì)算機(jī)激情,反過來,是計(jì)算機(jī)給了人類強(qiáng)大的計(jì)算能力,人類應(yīng)該好好利用這種力量去解決各種需要大量計(jì)算的問題。計(jì)算思維是思想,不是人造品。計(jì)算機(jī)

17、科學(xué)不只是將軟硬件等人造物呈現(xiàn)給我們的生活,更重要的是計(jì)算的概念,它被人們用來求解問題、管理日常生活以及與他人進(jìn)行交流和互動(dòng)。計(jì)算機(jī)科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維,它的形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學(xué)之上。計(jì)算機(jī)科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維,因?yàn)槲覀兘ㄔ斓氖悄軌蚺c現(xiàn)實(shí)世界互動(dòng)的系統(tǒng)。所9以計(jì)算思維是數(shù)學(xué)與工程思維的互補(bǔ)與融合。計(jì)算思維無處不在,當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動(dòng)的整體時(shí),它作為一個(gè)問題解決的有效工具,人人都應(yīng)掌握,處處都會(huì)被使用。自然,它應(yīng)當(dāng)有效地融入我們每一堂課之中。六、計(jì)算思維在我國計(jì)算思維不是今天才有的,它早就存在于中國的古代數(shù)學(xué)之中,只不過周以真教授使之清晰化和系統(tǒng)化了。中國古代學(xué)者認(rèn)為,當(dāng)一個(gè)問

18、題能夠在算盤上解算的時(shí)候,這個(gè)問題就是可解的,這就是中國的“算法化”思想。吳文俊院士正是在這一基礎(chǔ)上圍繞幾何定理的證明展開了研究,開拓了一個(gè)在國際上被稱為“吳方法”的新領(lǐng)域數(shù)學(xué)的機(jī)械化領(lǐng)域,吳文俊為此于2000年獲得國家首屆最高科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。隨著以計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,計(jì)算思維的作用日益凸顯。正像天文學(xué)有了望遠(yuǎn)鏡,生物學(xué)有了顯微鏡,音樂產(chǎn)業(yè)有了麥克風(fēng)一樣,計(jì)算思維的力量正在隨著計(jì)算機(jī)速度的快速增長而被加速地放大。計(jì)算思維的重要作用引起了中國學(xué)者與美國學(xué)者的共同注意。由李國杰院士任組長的中國科學(xué)院信息領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組撰寫的中國至2050年信息科技發(fā)展路線圖指出:長期以來,計(jì)算機(jī)科學(xué)與

19、技術(shù)這門學(xué)科被構(gòu)造成一門專業(yè)性很強(qiáng)的工具學(xué)科。“工具”意味著它是一種輔助性學(xué)科,并不是主業(yè),這種狹隘的認(rèn)知對信息科技的全民普及極其有害。針對這個(gè)問題,報(bào)告認(rèn)為計(jì)算思維的培育是克服“狹義工具論”的有效途徑,是解決其他信息科技難題的基礎(chǔ)8。孫家廣院士在計(jì)算機(jī)科學(xué)的變革一文中明確指出:(計(jì)算機(jī)科學(xué)界最具有基礎(chǔ)性和長期性的思想是計(jì)算思維9。國家自然科學(xué)基金委員會(huì)信息科學(xué)部二處處長劉克教授,特別強(qiáng)調(diào)大學(xué)推進(jìn)計(jì)算思維這一基本理念的必要性10。中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員徐志偉總工認(rèn)為:計(jì)算思維是一種本質(zhì)的、所有人都必須具備的思維方式,就像識(shí)字、做算術(shù)一樣;在2050年以前,讓地球上每一個(gè)公民都應(yīng)具備計(jì)算

20、思維的能力11。中科院自動(dòng)化所王飛躍教授率先將國際同行倡導(dǎo)的“計(jì)算思維”引入國內(nèi),王教授翻譯了周以真教授的計(jì)算思維一文,撰寫了相關(guān)的論文計(jì)算思維與計(jì)算文化。他認(rèn)為:在中文里,計(jì)算思維不是一個(gè)新的名詞。在中國,從小學(xué)到大學(xué)教育,計(jì)算思維經(jīng)常被朦朦朧朧地使用,卻一直沒有提高到周以真教授所描述的高度和廣度,以及那樣地新穎、明確和系統(tǒng)。他希望我們能借“計(jì)算思維”之東風(fēng),盡快把中國世故人情的“算計(jì)文化”反正成為科學(xué)理性的“計(jì)算文化”,以提高我們民族的整體素質(zhì)12。教育部高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)對計(jì)算思維的培育非常重視。2010年7月,在西安會(huì)議上,發(fā)布了九校聯(lián)盟(C9計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)

21、合聲明,確定了以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革13。七、計(jì)算思維導(dǎo)論課程的構(gòu)建大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程群一般由“大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)”、“算法與程序設(shè)計(jì)”、“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)類課程(軟/硬件基礎(chǔ)”,以及“信息處理與應(yīng)用基礎(chǔ)”等若干課程組成。其中,大學(xué)第一門計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程是計(jì)算思維培養(yǎng)的一個(gè)關(guān)鍵。對于第一門課程,我們初步構(gòu)建了以計(jì)算思維為核心的課程內(nèi)容,并命名為“計(jì)算思維導(dǎo)論”。下面,從該課程的地位、性質(zhì)、任務(wù)等方面介紹該課程的大致內(nèi)容。1.課程的地位、性質(zhì)、任務(wù)本課程是大學(xué)一年級新生入學(xué)后的第一門計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程。課程從推動(dòng)人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展的三大支柱出發(fā),介紹計(jì)算思維的定義、本質(zhì)、特征,以及計(jì)算思

22、維對其他學(xué)科的重要影響。然后,從學(xué)科的根本問題,即“能行性”入手,介紹計(jì)算理論的有關(guān)內(nèi)容,包括計(jì)算復(fù)雜性、圖靈機(jī)、量子計(jì)算等內(nèi)容。最后,介紹計(jì)算機(jī)的算法基礎(chǔ)、程序設(shè)計(jì)語言、Python編程、計(jì)算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)等內(nèi)容。2.課程的基本要求課程要求學(xué)生了解計(jì)算思維的基本內(nèi)容,了解人與計(jì)算機(jī)器能力的局限性,了解計(jì)算思維解決問題的一般步驟,理解計(jì)算在問題解決過程中所發(fā)揮的作用,初步掌握Python編程語言,能進(jìn)行簡單的程序設(shè)計(jì)。3.教學(xué)內(nèi)容(1計(jì)算思維基礎(chǔ)知識(shí):科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三大支柱,計(jì)算學(xué)科的興起,計(jì)算學(xué)科的作用,名人名言;什么是計(jì)算科學(xué);什么是計(jì)算機(jī)科學(xué);什么是計(jì)算思維;主要研究內(nèi)容,主要特征(它是什么,

23、它不是什么,計(jì)算思維對其他學(xué)科的影響。(2計(jì)算理論:可計(jì)算問題、停機(jī)問題、計(jì)算復(fù)雜性等;圖靈機(jī),馮·諾依曼計(jì)算機(jī)模型,存儲(chǔ)程序計(jì)算10機(jī),基本組成原理等;非傳統(tǒng)計(jì)算模型(量子計(jì)算、分子計(jì)算、光計(jì)算等。(3算法基礎(chǔ):算法的基本概念(定義、分類、表達(dá),算法的設(shè)計(jì)方法(迭代法、遞歸法、隨機(jī)法、啟發(fā)式法等,算法的分析(最壞情況分析、平均情況分析,基本算法介紹(求和、求積、最大/最小、排序、查找、基本的圖算法等。(4程序設(shè)計(jì)語言:程序設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)問題(程序的三種基本結(jié)構(gòu)、GOTO語句的問題等;語言的語法和語義;低級程序設(shè)計(jì)語言(機(jī)器二進(jìn)制指令代碼、符號(hào)匯編語言等,高級程序設(shè)計(jì)語言(C、Fortr

24、an、C+、Java、Python等。(5Python編程基礎(chǔ):Python語言簡介,Graphic VisualVPython簡介,科學(xué)計(jì)算包Numpy,Matlab 功能的Matplotlib(庫,安裝包NetworkX,生物信息軟件平臺(tái)Cytoscape等?；疽?編程過程,注釋,操作符,變量和函數(shù),數(shù)據(jù)類型及轉(zhuǎn)換,字符串,列表和數(shù)組,字典,判定結(jié)構(gòu),循環(huán)語句,比較符,參數(shù),遞歸,迭代,隨機(jī)數(shù)等。Python編程實(shí)例:基本輸入/輸出,定義函數(shù),創(chuàng)建文件,直線式編程,for循環(huán),調(diào)用文件,數(shù)組計(jì)算等。基于Python的實(shí)驗(yàn):蒙特卡羅算法計(jì)算圓周率,控制和創(chuàng)建一個(gè)聲音文件,仿真一個(gè)小型物理

25、系統(tǒng)等。(6計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ):數(shù)制與運(yùn)算,布爾邏輯與門電路,計(jì)算機(jī)組成(CPU、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、系統(tǒng)互聯(lián),指令系統(tǒng)及執(zhí)行,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),組網(wǎng)與因特網(wǎng)(網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)、因特網(wǎng)協(xié)議。(7計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)軟件:操作系統(tǒng)(操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)機(jī)器的活動(dòng),軟件工程(軟件生命周期、模塊化、人機(jī)界面,數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)(數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)、關(guān)系模型,人工智能(智能與機(jī)器。4.教學(xué)方法的原則建議以計(jì)算學(xué)科基本問題為導(dǎo)向,以經(jīng)典案例為基礎(chǔ),通過實(shí)驗(yàn)了解和應(yīng)用編程的基本原理,通過習(xí)題課強(qiáng)化學(xué)科基礎(chǔ)概念的理解,著力提高學(xué)生的計(jì)算思維能力。5.教材與參考書目(1Allen Downey, Jeff Elkner and Chris Me

26、yers. How to Think Like a Computer Scientist. Green Tea Press, 2002.(2John Zelle. Python Programming: An Introduction to Computer Science. Franklin, Beedle & Associates, 2004.(3J. Glenn Brookshear. Computer Science: An Overview(10th Edition. Addison Wesley, 2009.(4David Harel, Yishai Feldman. Al

27、gorithmics- TheSpirit of Computing(3rd edition. Addison-Wesley, 2004.(5Jeannette M. Wing. Computational Thinking. Communications of the ACM, 2006, 49(3.本屆教指委在上屆教指委工作的基礎(chǔ)上,總結(jié)了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的發(fā)展規(guī)律,做了三件大事:即計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的能力培養(yǎng)目標(biāo)、知識(shí)體系和實(shí)驗(yàn)體系、核心課程的基本要求。教指委的這些工作,創(chuàng)造性地建立了計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)科學(xué)化和規(guī)范化的教學(xué)研究方法,形成了比較科學(xué)的基礎(chǔ)課程教學(xué)體系,這些都為以計(jì)算思維能力培養(yǎng)為核心

28、的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革奠定了良好的基礎(chǔ)。本屆教指委為新一輪的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程改革作了大量的前期準(zhǔn)備工作。在2010年5月的合肥會(huì)議上,探討了計(jì)算思維融入計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的問題,2010年7月召開的西安會(huì)議,2010年9月召開的太原會(huì)議,均把計(jì)算思維列為會(huì)議的主要議題,特別是在九校聯(lián)盟(C9計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明中,確定了以計(jì)算思維為核心的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革14,15。2010年11月的濟(jì)南會(huì)議在更大范圍內(nèi),討論以計(jì)算思維為核心的課程教學(xué)改革。我們正在積極向教育部領(lǐng)導(dǎo)建言和申請立項(xiàng),開展“計(jì)算思維:確保學(xué)生的創(chuàng)新能力”的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革的研究。我們現(xiàn)在不僅僅是在談?wù)?而且

29、是在具體做了,包括上海交通大學(xué)2010年秋季開設(shè)的實(shí)際上就是計(jì)算思維的課程,以及南方科技大學(xué)即將開設(shè)全新的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程計(jì)算思維導(dǎo)論。參考文獻(xiàn):2 Peter J. Denning. Great principles of computingJ. Communications of the ACM, 2003, 46(11.3 David Patterson. Restoring the popularity of computer scienceJ. Communications of the ACM, 2005, 48(9.6 愛因斯坦. 相對論M. 周學(xué)政等譯. 北京:北京出版社,

30、2007.7 Jeannette M. Wing. Computational ThinkingJ. Communications of the ACM. 2006, 49(3. (下轉(zhuǎn)第32頁11特別能奉獻(xiàn)、適應(yīng)能力特別強(qiáng)的應(yīng)用型高級工程技術(shù) 和管理人才。 “不作孔雀東南飛，不戀城市戀礦山” ， 到西部和基層建功立業(yè)，是我校畢業(yè)生就業(yè)的新理念。 在這種理念引導(dǎo)下，學(xué)校畢業(yè)生一次就業(yè)率連年保持 在 90%以上，其中 65%的畢業(yè)生選擇到西部和基層就 業(yè)，采礦、安全、地質(zhì)、土木、機(jī)械等專業(yè)的畢業(yè)生 則選擇到急需人才的煤炭企業(yè)就業(yè)。在雙向選擇中， 學(xué)校畢業(yè)生以“基礎(chǔ)扎實(shí)、適應(yīng)性強(qiáng)、作風(fēng)樸實(shí)、勇 于創(chuàng)新”的特點(diǎn)備受用人單位的青睞。這也為學(xué)校進(jìn) 一步優(yōu)化專業(yè)結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人