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目录一. 大学计算机基础课程的重要性二. 大学计算机基础课程教
2、学存在的问题三. 计算思维在美国产生的背景四. 科学与科学思维五. 计算思维六. 计算思维在我国七. 计算机科学导论：计算思维课程的总体框架八. 计算机科学导论：计算思维课程的内容规划九. 结论十. 感谢3一、大学计算机基础课程的重要性1. 大学通识教育是大学人才培养的重要任务(1)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(2)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2. 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
3、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)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2. 美国的情
4、况 (1) 学生学习计算机课程情况 ：2003年 11月，美国 Naval Postgraduate School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)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
5、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)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 Compet
6、itiveness ）。(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)2. 2
7、005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，以及其他相关领域的专家分四个大区（东北、中西、东南、西北）进行研讨，形式四份重要报告： 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 a
8、nd Beyond Report from the Southeast Region Workshop on ICER: Preparing IT Graduates for 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
9、学的学习。8三、计算思维在美国产生的背景 (3)3. 2007年美国 NSF的 CPATH计划 CPATH（ Pathways to Revitalized Undergraduate 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
10、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年申报的项目提出了更为具体的以 “计算思维 ” 为核心的要求。4. 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。 C
11、DI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)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。2.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。3.一般而论，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，以计算机学科为代表。10
