計算思維 大學計算教育的振興 科學工程研究的創(chuàng)新

1、計算思維： 大學計算教育的振興 科學工程研究的創(chuàng)新,陳國良,南京郵電大學,2,摘要：本報告首先簡單介紹一下科學與思維的概念、兩者的關(guān)系以及科學思維是一切科學與技術(shù)創(chuàng)新的靈魂；然后詳細講解計算思維的定義、實例、特征以及對其他學科的影響；最后闡述計算思維是振興大學計算教育的途徑以及計算思維促使科學與工程領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的創(chuàng)新成果。,3,目錄科學與思維科學與思維的含義人類文明進步和科學發(fā)現(xiàn)的三大科學科學思維計算思維

2、計算思維的定義計算思維的例子計算思維的特征計算思維對其他學科的影響計算思維是大學計算教育振興的途徑大學計算機基礎(chǔ)教育的重要性大學計算機基礎(chǔ)教學存在的問題計算思維在美國：PITAC報告，BPC、CPATH和CE21計劃計算思維在我國：中國高等學校計算機基礎(chǔ)課程教指委工作實例研究：大學計算思維課程的總體框架計算思維與科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新美國NSF的EHR&CISE學部對計算思維的進一步理解問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和

3、行為理解中的計算思維美國CISE局啟動的CDI計劃研究示例：網(wǎng)絡(luò)科學與虛擬實驗室計算思維研究在我國結(jié)論,一、科學與思維(1),科學與思維的含義科學達爾文曾給科學下過一個定義：“科學就是整理事實，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，作出結(jié)論”?？茖W一般包含：自然科學、社會科學和思維科學。思維思維是高級的心理活動，是認識的高級形式。思維是人腦對現(xiàn)實事物概括、加工、揭露本質(zhì)特征。人腦對信息的處理包括分析、抽象、綜合、概括等。人類文明進步和科

4、學發(fā)現(xiàn)的三大科學理論科學、實驗科學和計算科學作為科學發(fā)現(xiàn)三大支柱，正推動著人類文明進步和科技發(fā)展。該說法已被科學文獻廣泛引用，并在美國得到國會聽證、聯(lián)邦和私人企業(yè)報告的承同。,4,一、科學與思維(2),科學思維科學思維的含義及重要性：一般指的是理性認識及其過程，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、判斷和推理，以反映事物的本質(zhì)和規(guī)律。國科發(fā)財〔2008〕197號文《關(guān)于創(chuàng)新方法工作的若干意見》認為“科學思維

5、不僅是一切科學研究和技術(shù)發(fā)展的起點，而且始終貫穿于科學研究和技術(shù)發(fā)展的全過程，是創(chuàng)新的靈魂”。(2) 科學思維一般包括： 理論思維：理論源于數(shù)學，理論思維支撐著所有的學科領(lǐng)域。正如數(shù)學一樣，定義是理論思維的靈魂，定理和證明是它的精髓。公理化方法是最重要的理論思維方法。實驗思維：實驗思維的先驅(qū)是意大利科學家伽利略，被人們譽為“近代科學之父”。與理論思維不同，實驗思維往往需要借助于某些特定的設(shè)備，并用它們來獲取數(shù)據(jù)以供以后的

6、分析。計算思維：計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解的涵蓋了計算機科學之廣度的一系列思維活動。,5,二、計算思維(1),計算思維的定義：計算思維(Computational Thinking，CT)是運用計算的基礎(chǔ)概念(Fundamental Concept)去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的一種方法(Approach)。CT的本質(zhì)是抽象(Abstract)和自動化(Automation)。

7、它是如同所有人都具備“讀、寫、算”（簡稱3R）能力一樣，都必須具備的思維能力。計算思維的例子：計算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個困難的問題闡釋成如何求解它的思維方法。計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。計算思維是一種采用抽象和分解的方法來控制龐雜的任務或進行巨型復雜系統(tǒng)的設(shè)計，是基于關(guān)注點分離的方法（SoC方法）。計算思維是一種選擇合

8、適的方式陳述一個問題，或?qū)σ粋€問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法。計算思維是按照預防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進行系統(tǒng)恢復的一種思維方法。計算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答，即在不確定情況下的規(guī)劃、學習和調(diào)度的思維方法。計算思維是利用海量數(shù)據(jù)來加快計算，在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行折衷的思維方法。...,6,二、計算思維(2),3.計算思維的特征：概念化，不是程序化計算機

9、科學不是計算機編程。像計算機科學家那樣去思維意味著遠遠不止能為計算機編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思維。計算機科學不只是關(guān)于計算機，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)于麥克風一樣。根本的，不是刻板的技能計算思維是一種根本技能，是每一個人為了在現(xiàn)代社會中發(fā)揮職能所必須掌握的。刻板的技能意味著簡單的機械重復。人的，不是計算機的思維計算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計算機那樣地思考。計算機枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力。是人類

10、賦予計算機激情。計算機賦予人類強大的計算能力，人類應該好好的利用這種力量去解決各種需要大量計算的問題。是思想，不是人造品不只是將我們生產(chǎn)的軟硬件等人造物到處呈現(xiàn)給我們的生活，更重要的是計算的概念，它被人們用來問題求解、日常生活的管理，以及與他人進行交流和互動。,7,二、計算思維(3),數(shù)學和工程思維的互補與融合計算機科學在本質(zhì)上源自數(shù)學思維，它的形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學之上。計算機科學又從本質(zhì)上源自工程思維，因為我們建造的是能夠與實際

11、世界互動的系統(tǒng)。所以計算思維是數(shù)學和工程思維的互補與融合。面向所有的人，所有地方當計算思維真正融入人類活動的整體時，它作為一個問題解決的有效工具，人人都應當掌握，處處都會被使用。計算思維對其他學科的影響：事實上，我們已經(jīng)見證了計算思維對其他學科的影響。例如：計算生物學正在改變著生物學家的思考方式；計算博弈理論正在改變著經(jīng)濟學家的思考方式；納米計算正在改變著化學家的思考方式；量子計算正在改變著物理學家的思考方式等等。計算思維正在

12、滲透到各個學科中，諸如算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這樣的術(shù)語將成為不同學科領(lǐng)域工作者的日常用語，把樹倒過來畫已經(jīng)習以為常，什么“非確定隨機算法”、“垃圾收集”這樣的術(shù)語都已司空見慣了等等。,8,二、計算思維(4),舉例：生物：霰彈槍算法（Shotgun algorithm）大大提高了人類基因組測序的速度蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以用繩結(jié)來模擬蛋白質(zhì)動力學可以用計算過程來模擬細胞和電路類似，是一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)腦科學：人腦可以看作是一臺計算機視覺是一個

13、反饋循環(huán)/用機器學習方法分析功能核磁共振（ fMRI）數(shù)據(jù)化學：用原子計算探索化學現(xiàn)象用優(yōu)化和搜索算法尋找優(yōu)化化學反應條件和提高產(chǎn)量的物質(zhì) 地質(zhì)學：“地球是一臺模擬計算機” (Boulton, Edinburgh)用抽象邊界和復雜性層次模擬地球和大氣層數(shù)學：發(fā)現(xiàn) E8 李群 （E8 Lie Group）: 18位數(shù)學家，4年零77小時超級計算機機時（2千億個數(shù)字）證明四色定理,9,二、計算思維(5),工程 (電子、土

14、木、機械、航空航天等)：計算高階項可以提高精度，進而降低重量、減少浪費并節(jié)省制造成本波音777飛機完全是采用計算機模擬測試的，沒有經(jīng)過風洞測試經(jīng)濟學：自動設(shè)計機制在電子商務中廣泛采用(廣告投放、在線拍賣、腎源交換等)很多麻省理工學院的計算機科學博士在華爾街作金融分析師社會科學：社交網(wǎng)絡(luò)是MySpace和YouTube等發(fā)展壯大的原因之一統(tǒng)計機器學習被用于推薦和聲譽排名系統(tǒng)，例如Netflix和聯(lián)名信用卡等醫(yī)療：機器人

15、手術(shù)電子病歷系統(tǒng)需要隱私保護技術(shù) 可視化技術(shù)使虛擬結(jié)腸鏡檢查成為可能法學：斯坦福大學的CL方法包含了人工智能、時序邏輯、狀態(tài)機、進程代數(shù)、Petri網(wǎng)等方面的內(nèi)容欺詐調(diào)查方面的POIROT 項目為歐洲的法律系統(tǒng)建立了一個詳細的本體論結(jié)構(gòu)關(guān)于犯罪現(xiàn)場調(diào)查的福爾摩斯項目,10,二、計算思維(6),? 娛樂：游戲電影夢工廠用惠普的數(shù)據(jù)中心進行電影“怪物史萊克”和“馬達加斯加”的渲染工作盧卡斯電影公司用一個包含200個節(jié)點的數(shù)

16、據(jù)中心制作電影“加勒比海盜”? 藝術(shù)：藝術(shù)(如噴繪機器人Robotticelli)? 戲劇音樂 ? 攝影? 體育：阿姆斯特朗的自行車載計算機追蹤人車統(tǒng)計數(shù)據(jù)Synergy Sports 公司對NBA視頻進行分析? 教育方面的啟示：大學應該從新生課程入手--教授“象計算機科學家一樣思考”課程，而不是“某程序設(shè)計”課程讓國家和國際組織參與到教學改革中，特別是K-12、ACM、 CSTA、 CRA等? 模擬

17、：核試驗模擬/利用Exascale計算對能源和環(huán)境進行建模和模擬基于高性能計算機用計算科學模擬颶風，使科學家可以看到颶風的內(nèi)部? 地震能否被有效模擬和預測？,11,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(1),大學計算機基礎(chǔ)教育的重要性大學通識教育（Liberal Studies）是大學人才培養(yǎng)的重要任務大學教育不能局限于基本知識傳授，要培養(yǎng)：學生的理性思維能力學生對科學精神的追求學生的高尚人格通識教育三大特征（復旦楊玉

18、良校長）通識教育要同時傳遞科學精神和人文精神通識教育要展現(xiàn)不同文化、不同學科的思維方式通識教育要充分展現(xiàn)學術(shù)魅力大學計算機教育三種能力的培養(yǎng)使用計算機的基本能力（Computer Literacy）的培養(yǎng)理解計算機系統(tǒng)的熟練能力（Computer Fluency）的培養(yǎng)訓練有素的計算思維能力（Computational Thinking）的培養(yǎng)計算思維能力培養(yǎng)是大學通識教育的重要組成部分國家明確定位計算機基礎(chǔ)課程是和數(shù)

19、學、物理等同地位的基礎(chǔ)課程。計算機不僅為不同專業(yè)提供了解決專業(yè)問題的有效方法和手段，而且提供了一種獨特的處理問題的思維方式。熟悉使用計算機及互聯(lián)網(wǎng)，為人們終生學習提供了廣闊的空間以及良好的學習工具與環(huán)境。,12,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(2),大學計算機基礎(chǔ)教學存在的問題計算機教育的危機因特網(wǎng)的普遍發(fā)展，使計算機科學與技術(shù)呈現(xiàn)了泛在化、平民化的趨勢。計算機的易用性和本身技術(shù)的巨大進步，使很多人質(zhì)疑大學計算機教育的必

20、要性。很多人將計算機科學等同于計算機編程，淡化了計算機的科學意義，削弱了計算機學科的內(nèi)涵。我國的情況“狹義工具論”的課程：“狹義工具論”認為教計算機基礎(chǔ)就是教些計算機工具及其使用方法?！皾饪s版”的教材：教材基本上是有關(guān)領(lǐng)域的濃縮版，學生進入大學后，對第一門計算機課程興趣不大，逃課率相當高。計算機基礎(chǔ)課教學學時被壓縮，教學資源配置不充分，課程面臨被裁減的危機。,13,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(3),美國的情況學生學

21、習計算機課程情況：2003年11月，美國Naval Postgraduate School的Peter Denning教授在CACM上發(fā)表《Great Principles of Computing》一文介紹了這種情況： 在大學第一門計算機課程（主要指“程序設(shè)計語言”作為第一門計算機課程）的學習過程中，有35-50%的學生中途放棄。另外，不少的學生還通過抄襲或者是作弊的方式來完成課程。畢業(yè)生的工資情況：2005年11月

22、，美國《Computing Research News》刊登的一篇名為《科學與工程專業(yè)畢業(yè)生的工資》的報告： 早期，在美國科學領(lǐng)域各學科中，計算機與信息科學專業(yè)畢業(yè)生的平均年工資最高，學士人均年工資為45,000美元，碩士人均60,000美元。,14,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(4),學生主修計算機專業(yè)情況：加州大學洛杉磯分校發(fā)現(xiàn)學生對計算專業(yè)的興趣波動很大，2001后普遍下降。,15,三、計算思維是

23、大學計算教育振興的途徑(5),計算思維在美國計算思維在美國產(chǎn)生的背景：PITAC報告2005年6月，美國總統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(President's Information Technology Advisory Committee，PITAC)給美國總統(tǒng)提交了報告《計算科學：確保美國競爭力》(Computational Science: Ensuring America’s Competitiveness)。報告陳述

24、：雖然計算本身也是一門學科，但是其具有促進其他學科發(fā)展的作用。 二十一世紀科學上最重要的、經(jīng)濟上最有前途的研究前沿都有可能通過熟練的掌握先進的計算技術(shù)和運用計算科學而得到解決。報告認為：如今美國又一次面臨了挑戰(zhàn)，這一次的挑戰(zhàn)比以往來得更加廣泛、復雜，也更具長期性。美國還沒有認識到計算科學在社會科學、生物醫(yī)學、工程研究、國家安全，以及工業(yè)改革中的中心位置。這種認識不足將危及美國的科學領(lǐng)導地位、經(jīng)濟競爭力以及國家的安全。報告建

25、議：將計算科學長期置于國家科學與技術(shù)領(lǐng)域中心的領(lǐng)導地位。,16,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(6),美國NSF的BPC(Broadening Participation in Computing)計劃美國NSF的計算機與信息科學和工程CISE(Computer & Information Science & Engineering)學部2006年率先啟動了“擴大計算參與面”計劃，它通過擴大計算的參與對象，使更多

26、的人，特別是美國的少數(shù)民族和婦女受益。美國NSF的CPATH(CISE Pathways to Revitalized undergraduate Computing Education)計劃目標促成造就具有基本計算思維能力的、在全球有競爭力的美國勞動大軍，確保美國在全球創(chuàng)新企業(yè)的領(lǐng)導地位。將計算思維學習機會融入到計算機、信息科學、工程技術(shù)和其他領(lǐng)域的本科教育中，以增強開發(fā)具有計算思維能力的學生的人數(shù)。展示突破性的、可在多類學

27、校中推廣的、以計算思維為核心的本科教育模式。現(xiàn)狀CPATH計劃認為：盡管有的研究機構(gòu)和大學對此做出了卓越的、開創(chuàng)性的工作，但目前美國更多的大學計算教育仍然沿襲的是幾十年前的教學模式。,17,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(7),CPATH項目：2007年啟動，當年投入600萬美元2008年投入500萬美元2009年投入1000萬美元CPATH項目情況簡介：2009.4 - 2010.4共批準26項，其中CT with

28、 K-12 Connection 4項CT in STEM(Science, Technology, Engineering and Mathematics) Disciplines 4項CT across All Disciplines 4項Tools & Resources for Undergraduate Computing Education 3項CT in Computing Science & En

29、gineering 11項美國NSF的CE21(Computing Education for 21st Century)計劃2011年度NSF啟動了CE21計劃，計劃是建立在CPATH計劃成功的基礎(chǔ)上，其目的是提高K-14（中小學和大學一、二年級）老師與學生的計算思維能力。,18,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(8),計算思維在我國中國高等學校計算機基礎(chǔ)課程教指委的近期工作2010.05：在合肥會議上討論了培養(yǎng)高素質(zhì)

30、的研究性人才，“計算機基礎(chǔ)”這門課程應該包含哪些內(nèi)容，如何將計算思維融入到這門課程中？2010.07：在西安會議上發(fā)表了《九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎(chǔ)教學發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明》，確定了以計算思維為核心的計算機基礎(chǔ)課程教學改革。2010.09：在太原會議上決定了將合肥會議和西安會議中有關(guān)計算思維的討論形成書面材料，以“計算思維：確保學生創(chuàng)新能力”為主題向教育部領(lǐng)導諫言和申請立項研究。2010.11：在濟南會議上，將在全國更大范圍內(nèi)，深入討

31、論以計算思維為核心的基礎(chǔ)課教學改革，并將太原會議的初步材料加以討論和修改后正式上報教育部袁貴仁部長，并“以計算思維能力培養(yǎng)為核心推進大學通識教育改革的研究與實踐”為項目，建議立項研究。2011.06：在北京“以計算思維為導向的計算機基礎(chǔ)課程建設(shè)”研討會上，組織有關(guān)高校圍繞“計算思維的實質(zhì)”和“如何在計算機基礎(chǔ)教學的第一門課程中體現(xiàn)計算思維能力的培養(yǎng)”進行了廣泛的討論。,19,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(9),2011.08：

32、在深圳召開了計算機基礎(chǔ)課程教指委高層研討會（第6次工作會議），主要研究以計算思維為主題向教育部、科技部、國家自然基金委申請立項研究計算思維事宜。2011.11：在杭州召開了計算機基礎(chǔ)課程教指委第7次工作會議，主要審定第6次工作會議確定的三個立項報告，最終向教育部、科技部、國家自然基金委提交正式申請報告。2012.01：在深圳召開了計算機基礎(chǔ)課程教指委第8次工作會議，會議期間舉行了“計算機素質(zhì)教育論壇”，深入交流了大學計算機素質(zhì)教育的

33、方方面面，探討了計算文化、計算科學、計算思維在大學計算機素質(zhì)教育中的重要作用。2012.03：在深圳大學召開了教指委第九次工作會議，集中討論了“基于計算思維的復雜系統(tǒng)計算抽象理論與方法”重大項目立項建議的審定工作，會議決定在再次修改后于3月底正式向國家自然基金委提交。 2012.05：在西安計算思維課程在部分中國高校中正式開始實踐2010年秋季，在上海交通大學2011年春季，在南方科技大學2011年春季，在西安交通大學20

34、11年秋季，在深圳大學···,20,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(10),實例研究：大學計算思維課程總體框架基本框架計算理論：可計算性與計算復雜性。算法和通用程序設(shè)計語言。實踐基礎(chǔ)：計算機硬件和軟件最小知識集。內(nèi)容規(guī)劃計算思維基礎(chǔ)知識基本概念：什么是科學、思維、學科？科學與思維，理論思維，實驗思維，計算思維?？茖W發(fā)現(xiàn)的第三支柱：科學發(fā)現(xiàn)的三大支柱（理論科學、實驗科學、

35、計算科學），計算科學的作用（PITAC 2005報告），名人名言（H. Davy, 化學家)。計算科學與計算機科學以及計算機學科：什么是計算科學？什么是計算機科學？什么是計算機學科？計算機學科發(fā)展的歷程（EE、CE、CS、SE、IT、IS）。計算思維：什么是計算思維？例子、主要特征（它是什么？它不是什么？）、對其他學科的影響（生物學、腦科學、化學、地質(zhì)學、數(shù)學、工程技術(shù)、經(jīng)濟學、社會科學、醫(yī)學、法律、娛樂、藝術(shù)、體育、教育…）。

36、熱身問題：20次猜測、七橋問題、國王的婚姻、漢諾塔、旅行商問題…,21,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(11),計算理論和計算模型人類對計算本質(zhì)的認識過程計算手段應該器械化（算盤、手搖計算機、微分機、模擬機等）計算過程應該形式化（圖靈模型）計算執(zhí)行應該自動化（馮·諾依曼模型）計算理論函數(shù)及其計算圖靈機通用Bare Bones語言不可計算函數(shù)與停機問題計算復雜性（多項式與多項式函數(shù)，P類問題，NP類問

37、題，NPC類問題）馮·諾依曼計算機模型計算機體系結(jié)構(gòu)- 機器指令與機器語言匯編語言程序的執(zhí)行舉例- 虛擬機計算的數(shù)學理論計算理論：包括算法理論、可計算性理論、計算復雜性理論等。高等邏輯：包括模型論（研究邏輯系統(tǒng)的語義，構(gòu)造形式系統(tǒng)模型）和非經(jīng)典邏輯（研究時序邏輯、模態(tài)邏輯、概率邏輯、模糊邏輯、歸納邏輯、非單調(diào)邏輯等）。形式語言與自動機：包括形式語言（研究語言的語法(詞法和文法)和構(gòu)造性結(jié)構(gòu)）和自動機（研

38、究各種能自動處理符號的數(shù)學機器）。形式語義學：主要指用數(shù)學方法研究計算機程序設(shè)計語言的語義（包括操作語義、指稱語義、公理語義和代數(shù)語義等）。計算機科學的數(shù)學基礎(chǔ)：離散數(shù)學數(shù)理邏輯：包括命題邏輯的概念、等值演算與推理，一階邏輯的概念、等值演算與推理等。集合論：包括集合代數(shù)，二元關(guān)系，函數(shù)和集合的基數(shù)等。代數(shù)系統(tǒng)：包括代數(shù)系統(tǒng)群、環(huán)、域，格與布爾代數(shù)等。圖論：包括圖的基本概念（通路、回路、連通性、矩陣表示等）、歐拉圖與哈密爾頓圈

39、，樹，平面圖及圖的著色，支配集、覆蓋集、獨立集與匹配等。,22,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(12),算法基礎(chǔ)算法的歷史算法的定義和特征定義（求解問題的方法和步驟）特征（確定性、有窮性、可行性、輸入/輸出量等）基本的表達自然語言、流程圖、偽代碼、程序語言算法的設(shè)計數(shù)值算法與非數(shù)值算法的設(shè)計，確定性算法與隨機算法的設(shè)計算法的分析復雜度度量（時間復雜度、空間復雜度等）復雜度分析（最壞情況分析、平均情況分析）復

40、雜度函數(shù)（上界、下界、精確界函數(shù)）,23,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(13),通用程序設(shè)計語言目的與作用：體現(xiàn)算法的原理，表述算法的實現(xiàn)步驟。不要求語言在機器上編譯運行。類-Algol語言：不要求變量類型說明等語句。具有描述算法實現(xiàn)最基本的語句：賦值語句、循環(huán)控制語句、基本運算語句等。Bare Bones基本語言具有最基本的運算語句：清零、增一、減一、循環(huán)控制等語句。具有通用性：能表示圖靈可計算函數(shù)，根據(jù)丘奇

41、-圖靈論題，任何可計算函數(shù)均可用Bare Bones語言編寫程序。Haskell純函數(shù)語言不同于描述計算如何進行的命令式（Imperative）語言（C、Java、ada、pascal …）。函數(shù)式語言（Functional Language）（  Lisp 、Haskell、Ocam）是定義如何將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)據(jù)的計算什么的語言。,24,命令式語言Haskell語言total = 0for (i=1

42、; i<=10; i++)sum[1..10] total += i,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(14),計算機硬件基礎(chǔ)布爾邏輯與門電路布爾邏輯和運算門電路基礎(chǔ)數(shù)制與運算各種數(shù)制的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存儲與表示存儲容量單位ASCII碼原碼、反碼和補碼計算機組成CPU主存、外存和存儲體系I/O設(shè)備指令系統(tǒng)及執(zhí)行,25,三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(15),計算機軟件基礎(chǔ)軟件分類操作

43、系統(tǒng)操作系統(tǒng)的定義和功能操作系統(tǒng)的歷史、分類和常見操作系統(tǒng)競爭控制數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基礎(chǔ)關(guān)系模型數(shù)據(jù)挖掘入門辦公軟件簡介WordExcelPowerPointAccess教學環(huán)節(jié)課堂講授：自編參考教材課堂練習：不掉電的計算機科學課堂討論：拓展知識、前沿課程考核：筆試 ＋ 口試 ＋ 小論文,26,四、計算思維與科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新(1),美國NSF的EHR&CISE學部：美國NSF的EHR(Ed

44、ucation & Human Resources)局的使命為21世紀培養(yǎng)和造就科學家、技術(shù)人員、工程師、數(shù)學家和教育工作者等范圍廣泛的、訓練有素的勞動大軍，以及具有科學素質(zhì)的、能夠把握科學技術(shù)的思想和工具的現(xiàn)代公民。支持所有科學與工程領(lǐng)域中的教育、研究以及基礎(chǔ)設(shè)施（Infrastructure）的開發(fā)。提升全體公民的生活質(zhì)量，提升國家的健康、繁榮、福祉和安全。美國NSF的CISE(Computer & Info

45、rmation Science & Engineering)局的使命在計算機與信息科學及工程方面使美國保持世界領(lǐng)先地位。促使理解和利用先進的計算機、通信和信息系統(tǒng)，為全社會提供服務。,27,四、計算思維與科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新(2),對計算思維的進一步理解：計算思維是利用泛指的計算（CS、CE、C、IS、IT等）的基礎(chǔ)概念，求解問題、設(shè)計系統(tǒng)、理解人類行為的一種方法（Approach），是一類Analytical Thinki

46、ng。它合用（Share）了數(shù)學思維（求解問題的方法）、工程思維（設(shè)計、評價大型復雜系統(tǒng)）和科學思維（理解可計算性、智能、心理 和人類行為）。計算時的抽象概念比數(shù)學、物理科學中的意義要豐富和復雜；抽象是分層的（為此要定義介面和關(guān)系）；抽象最終要在受限的物理世界中實現(xiàn)的；Abstractions are the ‘mental' tools of computing. The power of the ‘mental'

47、tools is amplified by the power of ‘metal’ tools。計算是抽象的自動執(zhí)行；自動化隱含著需要某類計算機（可以是機器或人，或兩者的組合）去解釋抽象。從操作側(cè)面上，計算涉及到回答“如何尋找一臺計算機去求解問題？”隱含地回答此問題就是確定合適的抽象，選擇合適的某類計算機去解釋執(zhí)行該抽象，后者的過程就是自動化。所以計算思維的本質(zhì)是抽象與自動化（2A）。計算的三種驅(qū)動力是科學、技術(shù)和社會，三者互相

48、作用影響：科學的發(fā)現(xiàn)催生技術(shù)發(fā)明促進社會應用；反之，技術(shù)發(fā)明產(chǎn)生新的社會應用促進新的科學發(fā)現(xiàn)。,28,四、計算思維與科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新(3),問題求解、系統(tǒng)設(shè)計和行為理解中的計算思維求解問題中的計算思維利用計算的手段求解問題的過程首先要把實際應用問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學問題（可能是一組PDE）其次將PDE方程離散化為一組代數(shù)方程組然后建立模型、設(shè)計算法、編程實現(xiàn)最后在具體的計算機上運行求解計算求解問題過程中的計算思維①中的前兩步可

49、謂是計算思維中的抽象(Abstract)①中的后兩步可謂是計算思維中的自動(Atomation)設(shè)計系統(tǒng)中的計算思維Karp的觀點：任何自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)都可視為一個動態(tài)演化系統(tǒng)，演化伴隨著物質(zhì)、能量和信息的交換，這種交換可映射（也就是抽象）為符號變換，使之能利用計算機進行離散的符號處理。當動態(tài)演化系統(tǒng)抽象為離散符號系統(tǒng)之后，就可采用形式化的規(guī)范描述，建立模型、設(shè)計算法、開發(fā)軟件，來揭示演化的規(guī)律，并實時控制系統(tǒng)的演化，自動執(zhí)行

50、，這就是計算思維中的自動化。,29,四、計算思維與科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新(4),理解人類行為中的計算思維（利用計算基礎(chǔ)概念-計算機網(wǎng)絡(luò)科學去理解人在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的行為）人類所處的環(huán)境變遷與人類行為表現(xiàn)封建社會自給自足的封閉式環(huán)境資本主義社會的開放環(huán)境近代社會的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境利用計算的手段來研究人類的行為，可視為社會計算(Cyber-Society Computing)，即通過各種信息技術(shù)手段，設(shè)計、實施和評估人與環(huán)境之間的交互。社會計算

51、涉及到人們的交互方式、社會群體的形態(tài)及其演化規(guī)律等問題。研究生命的起源與繁衍，理解人類的認識能力，了解人類與環(huán)境的交互，研究傳染病毒的結(jié)構(gòu)與傳播以及國家的福利與安全等等都屬社會計算的范疇，這些都與（計算）思維科學密切相關(guān)。使用計算思維的觀點對當前社會計算中的一些關(guān)鍵問題進行分析與建模，嘗試從計算思維的角度重新認識社會計算，找出新問題、新觀點和新方法等。,30,四、計算思維與科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新(5),美國CISE局啟動的CDI( Cyb

52、er-Enabled Discovery and Innovation)計劃目的、項目與財年2008 年NSF啟動了“通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的科學發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新”(CDI)的5年研究計劃，是實現(xiàn)計算思維的第一個美國NSF重大計劃。目的：通過計算思維的創(chuàng)新和進步（包括概念、方法、模型、算法、工具和系統(tǒng)等），對科學與工程領(lǐng)域產(chǎn)生新理解、新模式，創(chuàng)造革命性的研究成果。項目與財年：2008 年批準了共72 個項目，經(jīng)費為4200 萬美元；2009

53、 年投入了3300 萬美元；2010年預算為5000萬美元，后增加了1637萬美元。2010年度的CDI計劃“網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)”（CPS）：CPS包括自動汽車、智能的高效能建筑物、嵌入式醫(yī)療設(shè)備、輔助老年人的技術(shù)、提高生活質(zhì)量的機器人等。數(shù)據(jù)密集型計算探索新的基礎(chǔ)數(shù)學和計算抽象科學以表征和管理數(shù)據(jù)。支持科學與工程應用中的數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)提取等跨學科項目。開展數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)發(fā)布工具的基礎(chǔ)科學研究。新興的數(shù)據(jù)密集型計算模

54、式——云計算的研究。,31,四、計算思維與科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新(6),CDI計劃支持的三大主題從數(shù)據(jù)到知識（From Data to Knowledge）：增進人類的認識和從豐富的異構(gòu)數(shù)字化的數(shù)據(jù)中產(chǎn)生新的知識。理解自然、人工和社會系統(tǒng)的復雜性（Understanding Complexity in Natural, Built, and Social Systems）：對此三大系統(tǒng)產(chǎn)生根本性的認識。虛擬組織（Virtual Org

55、anizations, VO）：將不同結(jié)構(gòu)、不同地域和不同文化的人群和資源聯(lián)系在一起，進行科學發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。,32,四、計算思維與科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新(7),研究示例網(wǎng)絡(luò)科學（Network Science）：網(wǎng)絡(luò)科學系從經(jīng)濟理論、多尺度分析、網(wǎng)絡(luò)信息理論等衍生出來的。需要發(fā)展基礎(chǔ)理論來開發(fā)、理解、建模和分析大規(guī)模復雜異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的工具。這樣的網(wǎng)絡(luò)，包括Internet網(wǎng)（跨地域，跨人工、社會和自然系統(tǒng)）、生物網(wǎng)絡(luò)（對它的理解還很初級）

56、和復雜耦合網(wǎng)絡(luò)（包括通信系統(tǒng)、人類大腦和社會網(wǎng)絡(luò)）等。網(wǎng)絡(luò)科學覆蓋了CDI的三大主題：大量跨越多時空尺度的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的知識模式。人工的、社會的和自然的網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)了復雜系統(tǒng)的交互。由網(wǎng)絡(luò)組成的虛擬組織自身在不同的交互尺度反過來來研究網(wǎng)絡(luò)。虛擬實驗室（Virtual Laboratory）高中的老師和學生可以通過所提供的建模與仿真系統(tǒng)的虛擬實驗室來共同探索科學。他們可在虛擬實驗室調(diào)研有關(guān)知識；也可以與遠程班級互動。這種對科學教

57、育的創(chuàng)新方法，有賴于安全的虛擬組織的突破和多學科的交叉方法等。,33,四、計算思維與科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新(8),計算思維研究在我國：2012年國家科技計劃信息技術(shù)領(lǐng)域備選項目推薦指南里的“基礎(chǔ)研究類”的先進計算中，我國學者推薦立項開展“新一代軟件方法學及其對計算思維的支撐機理”的研究。中國高等學校計算機基礎(chǔ)課程教學指導委員會從2010年下半年開始在合肥、濟南、北京、深圳和杭州等會議上分別向教育部、基金委、科技部等建議立項開展“計算思維

58、：確保學生創(chuàng)新能力”和“基于計算思維的復雜計算系統(tǒng)的認知構(gòu)建”的研究。,34,五、結(jié)論(1),科學思維是一切科學研究和技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新靈魂；科學思維一般包括推理思維、實證思維和計算思維；計算思維不僅能振興大學計算教育，而且會令科學與工程領(lǐng)域創(chuàng)造出革命性的(Transformative)研究成果。計算思維能改變大學計算機教育仍然沿襲幾十年的教學模式，是大學計算教育振興(Revitalized)的途徑?？膳囵B(yǎng)造就具有計算思維能力的、訓練有素

59、的科技人才、勞動大軍和現(xiàn)代公民。通過多學科方法，使用計算思維在計算概念、方法、模型、算法、工具與系統(tǒng)等的創(chuàng)新和進步，或者創(chuàng)新地使用計算概念、方法、模型、算法、工具與系統(tǒng)等，對科學與工程領(lǐng)域產(chǎn)生新理解、新模式，從而可創(chuàng)造出革命性的研究成果。計算思維代表著人們的一種普遍的認識和一類普適的能力，不僅僅是計算機科學家，而是每一個人都應該熱心地學習和運用它。計算思維的大學課程，不僅僅是面向計算機科學專業(yè)，而是面向所有的專業(yè)。一個人可主修英語

60、或數(shù)學等，而工作可從事于各行各業(yè)；計算機科學也一樣，一個人可主修計算機科學，而接著從事任何類型的工作。我們應當激發(fā)學生對計算機科學的興趣、熱愛和探索，積極傳播計算機科學的快樂、崇高和力量，致力于使計算思維成為公眾的常識，真正融入人類的一切活動中。,35,五、結(jié)論(2),我們應當積極行動起來，糾正計算機科學等同于計算機編程和認為計算機科學的基礎(chǔ)理論已完成剩下的只是工程問題的錯誤觀點，改變我們計算機科學的社會形象。當我們這樣做時，計算思維就

61、是引導著計算機教育家、研究者和實踐者們的一個宏大愿景！“事在當代，利在千秋”！關(guān)于計算思維的研究：計算思維是利用計算的基礎(chǔ)概念(Fundamental Concepts)求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的一種方法(Approach)。計算思維是人類求解問題的一條途徑。盡管對計算思維的理解也有不同的看法，但是我們認為，現(xiàn)在不必過多地討論、解釋計算思維到底是什么，而是要回答計算思維能給計算機科學帶來什么新內(nèi)容和新發(fā)展。要從計算思維的角度

62、，審視我們以前的有關(guān)研究工作，以期在此基礎(chǔ)上提出新的理論和方法，獲得一些用以往研究方法難以取得的突破性研究成果。在中文里，計算思維不是一個新名詞。在我國，從小學到大學的教育中，計算思維經(jīng)常被朦朦朧朧地使用，我們的老師在傳播科學知識時，也自覺或不自覺地在傳承著計算文化，卻一直沒有像周以真教授那樣新穎、明確和系統(tǒng)地進行高度的概括和提升。我們傳統(tǒng)的文化中有歷史悠久的“算計”文化，褒貶不一。我們希望能借“計算思維”之東風，盡快把傳統(tǒng)的世故人情

63、的“算計文化”反正成為現(xiàn)代科學理性的“計算文化”，以提高民族的整體素質(zhì)（王飛躍語）。,36,五、結(jié)論(3),呼吁：計算思維的研究是當今計算學科及其相關(guān)交叉學科領(lǐng)域研究的熱點，希望充分利用計算思維于各自的教學與科研工作中，期望能像CDI計劃那樣取得革命性的、突破性的研究成果。建議：國家教育部、國家自然基金委、國家科技部、中國科學院等能跟上學科的發(fā)展，參照國外，特別是美國的CPATH計劃和CDI計劃，布局國家級項目，投入足夠資金，持久地開