計算思維及本課程教學計劃

第0章計算思維與課程教學計劃南開大學非計算機專業(yè)理工科面向?qū)ο蟪绦蛟O計課程提要課程內(nèi)容考核方式教學平臺——教育在線請同學們思考的問題課程論文課程討論提示：下一周開始上機21課程內(nèi)容1、計算機應用能力基礎11月中旬參加全校上機統(tǒng)考。自學，教學部提供考試練習環(huán)境，自己課下練習。2、簡單介紹計算思維3、C++高級程序設計語言提示：下一周開始上機3考核方式1、計算機應用能力基礎（機考）：20分2、平時成績：30分課程論文：10分C++上機測試：10分交作業(yè)和出勤：10分（課前交假條，否則算缺勤）3、期末考試（機考）：50分4如何使用教育在線 使用教育在線進行學習交流活動。5大學如何學習——計算思維簡介請同學們思考的問題：1、進入大學后，如何學習？學習什么？2、對于計算機相關課程，學習什么？

6大學如何學習——計算思維簡介培養(yǎng)具有現(xiàn)代科學思維精神和能力的三大必修課程數(shù)學理論思維物理實驗思維計算機計算思維公共計算機課程的定位：計算機應用能力和計算思維的培養(yǎng)

7大學如何學習——計算思維簡介一、理論思維

理論源于數(shù)學，理論思維支撐著所有的學科領域。正如數(shù)學一樣，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，科學界一般認為，公理化方法是世界科學技術革命推動的源頭。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。公理系統(tǒng)需要滿足以下三個條件：

8大學如何學習——計算思維簡介

1.無矛盾性。這是公理系統(tǒng)的科學性要求，它不允許在一個公理系統(tǒng)中出現(xiàn)相互矛盾的命題，否則這個公理系統(tǒng)就沒有任何實際的價值。

2.獨立性。公理系統(tǒng)所有的公理都必須是獨立的，即任何一個公理都不能從其他公理推導出來。

3.完備性。公理系統(tǒng)必須是完備的，即從公理系統(tǒng)出發(fā)，能推出（或判定）該領域所有的命題。

為了保證公理系統(tǒng)的無矛盾性和獨立性，一般要盡可能使公理系統(tǒng)簡單化。簡單化將使無矛盾性和獨立性的證明成為可能，簡單化是科學研究追求的目標之一。一般而言，正確的一定是簡單的（注意，這句話是單向的，反之不一定成立）。

關于公理系統(tǒng)的完備性要求，自哥德爾發(fā)表關于形式系統(tǒng)的“不完備性定理”的論文后，數(shù)學家們對公理系統(tǒng)的完備性要求大大放寬了。也就是說，能完備更好，即使不完備，同樣也具有重要的價值。

以理論為基礎的學科主要是指數(shù)學，數(shù)學是所有學科的基礎。

9大學如何學習——計算思維簡介二、實驗思維

實驗思維的先驅(qū)應當首推意大利著名的物理學家、天文學家和數(shù)學家伽利略，他開創(chuàng)了以實驗為基礎具有嚴密邏輯理論體系的近代科學，被人們譽為“近代科學之父”。愛因斯坦為之評論說：“伽利略的發(fā)現(xiàn)，以及他所用的科學推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端?！?/p>

一般來說，伽利略的實驗思維方法可以分為以下三個步驟：

10大學如何學習——計算思維簡介

1.先提取出從現(xiàn)象中獲得的直觀認識的主要部分，用最簡單的數(shù)學形式表示出來，以建立量的概念；

2.再由此式用數(shù)學方法導出另一易于實驗證實的數(shù)量關系；

3.然后通過實驗證實這種數(shù)量關系。

與理論思維不同，實驗思維往往需要借助于某些特定的設備（科學工具），并用它們來獲取數(shù)據(jù)以供以后的分析。例如，伽利略就不僅設計和演示了許多實驗，而且還親自研制出不少技術精湛的實驗儀器，如溫度計、望遠鏡、顯微鏡等。

以實驗為基礎的學科有物理、化學、地學、天文學、生物學、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)科學、冶金、機械，以及由此派生的眾多學科。11計算思維簡介三、計算思維

美國亞裔女科學家（原美國卡內(nèi)基·梅隆大學計算機科學系主任，現(xiàn)任美國國家科學基金計算機與信息科學與工程學部負責人，美國國家科學院計算機科學與通訊部門主席）周以真（JeannetteM.Wing）教授首先提出并定義了“計算思維”（ComputationalThinking，CT）這一概念[1-2]：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。2011年，圖靈獎獲得者RichardM.Karp提出了“計算透鏡”（ComputationalLens）理念[3],其核心是將計算作為一種通用的思維方式，通過這種廣義的計算（涉及信息、執(zhí)行算法、關注復雜度）來描述各類自然過程和社會過程，從而解決各個學科的問題。12計算思維簡介在美國，“計算思維”的提出得到了美國教育界和科學界的廣泛支持。在美國科學基金會啟動的“大學計算教育振興的途徑”中投入巨資進行美國計算教育的改革并對“計算思維”所發(fā)揮的作用取得了共識[4]。美國科學基金會還啟動了以計算思維為核心的重大基礎研究，進一步將計算思維的培育擴展到美國的各個研究領域[5]。13計算思維簡介在我國，計算思維的重要性也已引起了科學家和教育界的高度重視[6]。教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會主任委員陳國良院士等積極地倡導把培養(yǎng)學生的“計算思維”能力作為計算機基礎教學的核心任務，并由此建設更加完備的計算機基礎課程體系和教學內(nèi)容[7]。陳國良等[6]認為大學第一門計算機基礎課程是計算思維培養(yǎng)的一個關鍵,初步構(gòu)建了以計算思維為核心的“計算思維導論”課程，并給出了該課程任務、基本要求，教學內(nèi)容和教學方法。14計算思維簡介 針對不少人認為計算機科學等同于計算機編程等方面的錯誤認識。周教授指出，當我們用行動來改變這種狹隘的社會認識時，計算思維就是一個引領計算機教育家、研究者和實踐者的宏大愿景。周教授呼吁：計算機科學家應該傳授計算機科學的快樂、崇高和力量，并致力于使計算思維成為人們處理問題的常識。

計算思維不是今天才有的，它早就存在于中國的古代數(shù)學之中，只不過周以真教授使之清晰化和系統(tǒng)化了。

中國古代學者認為，當一個問題能夠在算盤上解算的時候，這個問題就是可解的，這就是中國的“算法化”思想。吳文俊院士正是在這一基礎上圍繞幾何定理的證明展開了研究，開拓了一個在國際上被稱為“吳方法”的新領域——數(shù)學的機械化領域，吳文俊為此于2000年獲得國家首屆最高科學技術獎。15計算思維簡介 隨著以計算機科學為基礎的信息技術的迅猛發(fā)展，計算思維的作用被大大的釋放了。正像天文學有了望遠鏡，生物學有了顯微鏡，音樂產(chǎn)業(yè)有了麥克風一樣，“計算思維”的力量正在隨著計算機速度的快速增長而被加速地放大。盡管這種力量往往需要借助于計算機，但是計算機科學卻不能說成是專注于計算機的學問，就像天文學依靠望遠鏡展開研究，但不能說成是關于望遠鏡的學科一樣。

計算思維本身的研究需要細致，深入，以及相應的豐富而又扎實的學科理論基礎。而就其一般的應用而言就簡單了，以至計算思維的倡導者周以真教授認為，與通常的“讀、寫、算”（Reading，writingandarithmetic，簡稱3R）一樣，計算思維應是21世紀每一個人都必須具備的常識。

16計算思維簡介 計算機技術的發(fā)展促使人類的認識發(fā)展到了一個新的水平，相應地，推進計算機基礎教學改革以適應人類認識水平的發(fā)展勢在必行。然而，在我國，以“計算思維”為核心的計算機基礎教學的改革還處于起步階段，對于“計算思維”的內(nèi)涵還需進行進一步地抽象和研究；需要統(tǒng)一計算機基礎課教師和各專業(yè)學生對“計算思維”能力培養(yǎng)的重要性的認識；需要明確當前計算機基礎課承載的任務，明確計算機基礎課在計算機應用能力培養(yǎng)和計算思維能力培養(yǎng)的關系；需要在計算機基礎課的教學實踐中探索實現(xiàn)大學生“計算思維”能力培養(yǎng)的教學內(nèi)容和方法。17計算思維簡介參考文獻：[1]JeannetteM.Wing.ComputationalThinking[J].CommunicationsoftheACM.2006,49(3):33-35.[2]周以真著.王飛躍,徐韻文譯.計算思維.中國計算機學會通訊.2007,3(11):83-85.[3].RichardM.Karp.Understandingsciencethroughthecomputationallens.JournalofComputerScienceandTechnology2011.26(4):569-577.[4]美國國家科學基金CPATH計劃2009年項目申報說明[EB/OL]./cise/funding/cpath_faq.jsp#1.[5]美國國家科學基金CDI計劃官方網(wǎng)站[EB/OL].http:///crssprgm/cdi/.[6]陳國良,董榮勝.計算思維與大學計算機基礎教育.中國大學教學.2011年第1期:7-11,32.[7]何欽銘,陸漢權,馮博琴.計算機基礎教學的核心任務是計算思維能力的培養(yǎng).中國大學教學.2010年第9期:5-9.[8]董榮勝.計算思維、理論思維、實驗思維：科技創(chuàng)新的三大支柱http:///jsjkxdl/zhizhu.asp