從計(jì)算思維到大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)核心課程建設(shè)課件

從計(jì)算思維到

大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)核心課程建設(shè)

何欽銘浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2012年11月23日提綱引言計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)改革的需求

圍繞計(jì)算思維教學(xué)改革的實(shí)施模式案例1（模式3）：新生研討課—面向問題求解的思維訓(xùn)練案例2（模式2）：《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》教學(xué)內(nèi)容重組案例3（模式1）：《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》案例教學(xué)及資源建設(shè)計(jì)算思維研究宏觀層面，揭示計(jì)算的泛在特征自然、社會(huì)和工程系統(tǒng)都稟賦著計(jì)算屬性計(jì)算是人工科學(xué)、自然科學(xué)微觀層面，挖掘計(jì)算的內(nèi)涵特征：疏理學(xué)科本質(zhì)特征和核心方法核心方法、原理的歸類、分析具體內(nèi)涵有不同看法引言Karp的觀點(diǎn)RichardM.

KarpUCBerkeley教授，Turing獎(jiǎng)（1985）自然和社會(huì)系統(tǒng)自身的內(nèi)部稟賦著豐富的屬于計(jì)算的演化規(guī)律

計(jì)算不僅是一門關(guān)于人工現(xiàn)象的科學(xué)，還是一門關(guān)于自然現(xiàn)象的科學(xué)

P.J.Denning觀點(diǎn)ACM前主席CommunicationsofACM,Vol.49,No.37類原理：計(jì)算機(jī)理的功能角度Computation：meaningandlimitsofcomputationCommunication：reliabledatatransmissionCoordination：cooperationamongnetworkedentitiesRecollection：storageandretrievalofinformationAutomation：meaningandlimitsofautomationEvaluation：performancepredictionandcapacityplanningDesign：buildingreliablesoftwaresystems4類核心實(shí)踐ProgrammingSystemsandsystemsthinkingModeling,validating,testing,andmeasuringInnovatingCriteria:UniversalRecurrentBroadlyInfluentialGreatPrinciplesofComputingCC1991計(jì)算機(jī)學(xué)科重復(fù)出現(xiàn)的12個(gè)基本概念：概念和形式化模型(ConceptualandFormatModels)演化(Evolution)抽象層次(LevelsofAbstraction)綁定(Binding)按空間排序(OrderinginSpace)按時(shí)間排序(OrderinginTime)重用(Reuse)折中和結(jié)論(TradeoffsandConsequences)大問題的復(fù)雜性(ComplexityofLargeProblems)一致性和完備性(ConsistencyandCompleteness)效率(Efficiency)安全性(Security)數(shù)學(xué)思維邏輯思維工程思維計(jì)算思維抽象級(jí)問題求解指令/語言級(jí)問題求解系統(tǒng)級(jí)問題求解計(jì)算思維與傳統(tǒng)思維計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革需求

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)在大學(xué)教育中的作用對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)：X+info的復(fù)合型知識(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)思維方式的貢獻(xiàn)：計(jì)算機(jī)學(xué)科獨(dú)特的思維方式對(duì)能力培養(yǎng)的貢獻(xiàn)：研究/探索的工具、實(shí)踐創(chuàng)新能力地位等同于數(shù)學(xué)課程、物理課程一樣重要的課程以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征的實(shí)證思維,以物理學(xué)科為代表以推理和演繹為特征的推理思維,以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征的計(jì)算思維,以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表

---李廉教授形勢(shì)背景：對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的更高要求對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的多樣化要求計(jì)算機(jī)技術(shù)內(nèi)容更新快信息技術(shù)在中小學(xué)的普及計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革需求

計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革需求

挑戰(zhàn)1：對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)認(rèn)識(shí)的片面認(rèn)識(shí)“計(jì)算機(jī)會(huì)用即可”、“計(jì)算機(jī)就是程序設(shè)計(jì)”、。。。危害：學(xué)時(shí)被壓縮、資源得不到充分配置大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程可有可無、學(xué)生認(rèn)識(shí)誤區(qū)挑戰(zhàn)2：對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革的挑戰(zhàn)知識(shí)構(gòu)成龐雜、內(nèi)容更新快與計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)相對(duì)有限學(xué)時(shí)和有限目標(biāo)的矛盾濃縮論計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革需求

解決途徑：需要構(gòu)建相對(duì)穩(wěn)定、能夠體現(xiàn)計(jì)算機(jī)學(xué)科思想和方法的核心內(nèi)容需要更加突出思維方法的訓(xùn)練滿足有限的課時(shí)應(yīng)對(duì)教學(xué)改革的壓力和不斷更新的技術(shù)擺脫以“操作技能”培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算機(jī)能力造成的“危機(jī)”更好地詮釋課程建設(shè)的目標(biāo)，更好地體現(xiàn)基礎(chǔ)特征2010年7月，九校聯(lián)盟(C9)西安會(huì)議提出：計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的核心任務(wù)是計(jì)算思維能力的培養(yǎng)核心知識(shí)（內(nèi)涵特征）核心方法（內(nèi)涵特征）獨(dú)特思維（泛在特征，普適）基本認(rèn)識(shí)計(jì)算思維養(yǎng)成以計(jì)算能力的培養(yǎng)為基礎(chǔ)的

不是顛覆原有的課程內(nèi)容，而是：內(nèi)容的再組織與優(yōu)化，突出核心內(nèi)容和方法教學(xué)方法的改革，加強(qiáng)思維方法訓(xùn)練計(jì)算思維培養(yǎng)需要分類分層次逐步推進(jìn)對(duì)計(jì)算思維的認(rèn)識(shí)廣大教師的理解學(xué)生培養(yǎng)的定位圍繞計(jì)算思維教學(xué)改革的實(shí)施模式核心課程中的主要原理

核心課程主要相關(guān)內(nèi)容PrinciplePractice系統(tǒng)平臺(tái)與計(jì)算環(huán)境大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)Computation,Coordination,Recollection,Communication

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用Communication,Coordination,DesignSystemsandsystemsthinking微機(jī)原理與接口技術(shù)Recollection,Communication,CoordinationProgramming算法基礎(chǔ)與程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)Design,Recollection,EvaluationProgramming數(shù)據(jù)管理與信息處理數(shù)據(jù)庫技術(shù)及應(yīng)用Recollection,EvaluationSystemsandsystemsthinking多媒體技術(shù)及應(yīng)用Communication,Recollection系統(tǒng)開發(fā)與行業(yè)應(yīng)用軟件工程（軟件開發(fā)技術(shù)）、DesignSystemsandsystemsthinking領(lǐng)域應(yīng)用課程

Systemsandsystemsthinking,Modeling,validating,etc使學(xué)生了解相關(guān)內(nèi)容的核心問題和核心解決方法：問題的引入尋求解決問題的思路引出問題的解決方法或?qū)崿F(xiàn)方法進(jìn)一步的拓展和思考案例的選取是關(guān)鍵教學(xué)方法方面：激發(fā)興趣、引發(fā)思考案例1（模式3）：新生研討課信息表示與編碼（Communication）猜姓游戲、圖像編碼、圖像校驗(yàn)資源競爭與調(diào)度（Coordination、Evaluation）服務(wù)窗口排隊(duì)問題、裝箱問題、書籍緩存問題社會(huì)關(guān)系與網(wǎng)絡(luò)（Automation）朋友圈形成、團(tuán)體發(fā)現(xiàn)問題分解與遞歸（Design）二分查找猜數(shù)、最大和子序列、海盜分贓例1：猜數(shù)。請(qǐng)默默選中一個(gè)數(shù)，告訴我哪些卡片上有這個(gè)數(shù)類似游戲：猜姓

引出的知識(shí)：1、二進(jìn)制和十進(jìn)制2、信息編碼的基本概念0：趙孫周鄭馮褚蔣韓朱尤何施孔嚴(yán)金陶戚鄒柏竇云潘奚彭魯昌苗花俞袁酆史1：錢孫吳鄭陳褚沈韓秦尤呂施曹嚴(yán)魏陶謝鄒水竇蘇潘范彭韋昌鳳花任袁鮑史2：李周吳鄭衛(wèi)蔣沈韓許何呂施華金魏陶喻柏水竇葛奚范彭馬苗鳳花柳酆鮑史3：王馮陳褚衛(wèi)蔣沈韓張孔曹嚴(yán)華金魏陶章云蘇潘葛奚范彭方俞任袁柳酆鮑史4：楊朱秦龍?jiān)S何呂施張孔曾嚴(yán)華金魏陶郎魯韋昌馬苗鳳花方俞任袁柳酆鮑史5：姜戚謝鄒喻柏水竇章云蘇潘葛奚范彭郎魯韋昌馬苗鳳花方俞任袁柳酆鮑史拓展思考：1、對(duì)應(yīng)三進(jìn)制的表怎么構(gòu)造2、是否可以構(gòu)造不等大小的表3、是否可以構(gòu)造一個(gè)同時(shí)猜姓和屬相的游戲例2：圖像編碼與校驗(yàn)編碼校驗(yàn)1111111111111111111111111111編碼：00110000

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1如何識(shí)別圖像被篡改？如何在網(wǎng)絡(luò)傳輸中保證準(zhǔn)確性？編碼校驗(yàn)：奇偶校驗(yàn)圖書編碼中的校驗(yàn)：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圖書校驗(yàn)位有什么用？？？還有什么地方有校驗(yàn)碼？信息加密問題：某人想快遞傳遞一個(gè)極度隱私的包裹給女朋友。假定：包裹可以隨便加鎖；加鎖的包裹是絕對(duì)安全的；任何方式傳遞鑰匙都是不安全的；多花點(diǎn)錢和時(shí)間沒關(guān)系，安全第一。問：怎么辦？信息隱藏、隱私保護(hù)問題：想調(diào)查n個(gè)人的平均工資，但每個(gè)人又不想自己的工資讓別人知道?，F(xiàn)n個(gè)人聚在一起，提供每人紙和筆，任何一個(gè)人都可以當(dāng)面收集別人提供的數(shù)據(jù)并計(jì)算。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一種方法到達(dá)目標(biāo)（計(jì)算出平均工資，但又不暴露個(gè)人工資）。例二：服務(wù)窗口排隊(duì)（1）問題：只有一個(gè)服務(wù)窗口，有三個(gè)服務(wù)顧客，分別需要服務(wù)時(shí)間為：

C1:12；C2:5；C3:3（2）引發(fā)思考：如何評(píng)價(jià)不同方案不同情況服務(wù)順序如何決定？到達(dá)時(shí)間不同、有不同的服務(wù)優(yōu)先級(jí)、服務(wù)允許被中斷（3）“討論”出服務(wù)排隊(duì)的核心方法：先來先服務(wù)（FCFS)短任務(wù)優(yōu)先（SJF)最短剩余時(shí)間優(yōu)先（SRTF)優(yōu)先級(jí)調(diào)度（HPF)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（RR)已有高校改革中比較有共性的方法分類教學(xué)：針對(duì)校內(nèi)不同學(xué)科類別，開設(shè)不同內(nèi)容課程課程內(nèi)容改革：再組織與優(yōu)化計(jì)算理論基礎(chǔ)：增算法與程序：加強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)：突出重點(diǎn)計(jì)算機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工程。。。典型案例設(shè)計(jì)、符合思維習(xí)慣的內(nèi)容重組內(nèi)容設(shè)計(jì)：例子計(jì)算的歷史與影響計(jì)算模型處理器模型信息的編碼與存儲(chǔ)算法和程序操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論計(jì)算機(jī)組成及工作原理數(shù)據(jù)表示與存儲(chǔ)問題求解與程序設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)與應(yīng)用計(jì)算機(jī)與信息安全計(jì)算思維的基礎(chǔ)計(jì)算理論基礎(chǔ)算法基礎(chǔ)程序設(shè)計(jì)語言Python編程基礎(chǔ)硬件基礎(chǔ)：組成、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)軟件：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、軟件工程、人工智能引論計(jì)算原理操作系統(tǒng)基礎(chǔ)問題求解框架算法描述與程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎(chǔ)科技文章/文稿電子化制作、編排與發(fā)布計(jì)算機(jī)安全與信息安全Raptor:可視化的算法表達(dá)平臺(tái)流程設(shè)計(jì)與執(zhí)行PrinciplesofComputation---CMU（

2009）UNITTOPIC1ABriefHistoryofComputing2ExpressingComputations:Algorithms&Flowcharts3DataOrganization4Compilers&ProgrammingLanguages5Recursion&OtherAlgorithmicTechniques6ComputationalGoals:Correctness&Efficiency7TheLimitsofComputation8Concurrency9Applications:Cryptography,ArtificialIntelligence10TheFutureofComputingPrinciplesofComputing---CMU（2012）Unit01:HistoryofComputingPre-ElectronicComputing

ElectronicComputing

-Unit02:IntroductiontoRubyBasics,ClassExamples

ForLoops,ClassExamples

-Unit03:AlgorithmicThinkingAlgorithms,GCD

Arrays,SieveofEratosthenes

-Unit04:IterationLinearSearch

InsertionSort

IntroductiontoBigO

Unit05:RecursionRecursiveThinking

BinarySearch

MergeSort

Unit06:OrganizingDataList-BasedDataStructures

HashTables

Non-LinearDataStructures

Unit07:DataRepresentationInteger,FloatingPoint,Text

Compression

ImagesandSound

Unit08:ComputerOrganizationLogic,Circuits,Abstraction

MachineLanguage

-Unit09:RandomnessRandomNumberGenerators

GameswithRandomNumbers

MoreFractalsandCellularAutomata*Unit10:ConcurrencySortingNetworks

Pipelining

Multitasking/Deadlock

Unit11:TheInternetFundamentals

LayersandAbstraction

Encryption*Unit12:SimulationFundamentals,Robots

N-BodySimulation

-Unit13:ArtificialIntelligenceNaturalLanguageProcessing

GamesandSearchStrategies

-Unit14:TheLimitsofComputingIntractability

PandNP

Non-computability

Epilogue:TheFutureofComputingDNA&QuantumComputing

《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》課程建設(shè)基本內(nèi)容計(jì)算的歷史與影響：從歷史和現(xiàn)實(shí)的角度認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的影響和作用計(jì)算模型：抽象級(jí)計(jì)算環(huán)境上理解計(jì)算的基本原理(Computation)處理器模型：指令級(jí)計(jì)算環(huán)境的基本構(gòu)成及工作原理（Recollection、Coordination）信息的編碼與存儲(chǔ)（Communication）算法和程序：語言級(jí)計(jì)算環(huán)境中計(jì)算的基本過程和方法(Design)操作系統(tǒng)：計(jì)算資源競爭問題（系統(tǒng)級(jí)，Coordination）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：信息交換問題（系統(tǒng)級(jí)，Communication）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：數(shù)據(jù)組織問題（系統(tǒng)級(jí)，Recollection）教學(xué)方法與實(shí)踐內(nèi)容：通過案例引入相關(guān)單元的核心問題和基本思路講解核心內(nèi)容自學(xué)拓展知識(shí)內(nèi)容配套實(shí)踐教材，掌握計(jì)算環(huán)境的基本操作技能了解并掌握基本的程序流程設(shè)計(jì)方法案例3（模式1）：

《程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》案例教學(xué)及資源建設(shè)突出問題求解思路培養(yǎng):案例教學(xué)、分層次實(shí)踐結(jié)合《大基》典型案例及程序?qū)崿F(xiàn)裝箱問題模擬：用盡可能少的箱子裝下若干物體#include<stdio.h>main(){inti,j,Cur,N,Max=0;staticintS[1001];scanf("%d",&N);for(i=1;i<=N;i++){ scanf("%d",&Cur); for(j=1;j<=N;j++) if(S[j]+Cur<=100)break; S[j]+=Cur; if(j>Max)Max=j; printf("%d%d\n",Cur,j);}printf("%d\n",Max);}*34基本資源建設(shè)：基于教學(xué)主題（1）思路：解析教學(xué)（學(xué)習(xí)）策略突出教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)精選教學(xué)案例示