1、计算思维：信息技术课程的机遇与挑战,海珠区教育发展中心 范谊,内容要点,问题的提出概念与特征发展阶段研究现状理论辨识,2,信息技术课程再思考存在的误区研究案例海珠区的方向,为什么现在我们的学校总是培养不出杰出人才？人民日报2009.11.5,钱学森,3,我们所使用的工具影响着我们的思维方式。Edsger Dijkstra（图灵奖得主），197221世纪科学上最重要的，经济上最有前途的研究问题都有可能通过熟练地掌握先进的计算技术和运用计算科学得到解决。美国总统信息技术咨询委员会，2005培养复合型创新人才的一个重要内容就是要潜移默化地使他们养成一种新的思维方式计算思维。中国C9高校联盟，2010
2、,4,计算思维Computational Thinking 是运用计算机科学基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。Communication of the ACM,概念化，不是程序化根本的，不是刻板的技能是人的，不是计算机的思维方式数学与工程思维的互补与融合是思想，不是人造物面向所有人,5,计算思维：释义1,通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题是一种递归思维，它是并行处理，是由广义量纲分析进行的类型检查。它不仅根据程序的准确性和效率，还评价其美学，而对于系统的设计，更考虑简洁和优雅是按照预防
3、、保护及通过冗余、容错、纠错的方式从最坏情形恢复的一种思维,6,计算思维：释义2,采用了抽象和分解来迎接庞杂的任务或者设计巨大复杂的系统。它是关注的分离，是我们在不必理解每一个细节的情况下就能够安全地使用、调整和影响一个大型复杂系统的信息；它是为预期的未来应用而进行的预取和缓存利用启发式推理来寻求解答，就是在不确定情况下的规划、学习和调度利用海量数据来加快计算，在时、空之间，在处理能力和存储容量之间进行权衡,7,并行处理,Parallel Processing是计算机系统中能同时执行两个或更多个处理机的一种计算方法。为使用并行处理，首先需要对程序进行并行化处理将工作各部分分配到不同处理机中主要
4、目的：节省大型和复杂问题的解决时间注意并行是一个相互依靠性问题，而不能自动实现并行也不能保证加速，但一个在 n 个处理机上执行的程序速度可能会是在单一处理机上执行的速度的 n 倍,8,量纲分析,Dimensional Analysis用来分析或检核几个物理量之间的关系通常，一个物理量的量纲是由像质量、长度、时间、电荷量、温度一类的基础物理量纲结合而成例如，速度的量纲为长度每单位时间，而计量单位为米每秒、英里每小时或其它单位原理：物理定律必需跟其计量物理量的单位无关。任何有意义的方程式，其左手边与右手边的量纲必须相同注意：检查有否遵循这规则是做量纲分析最基本的步骤,9,关注点分离,Separat
5、ion of concerns，SOC对 “特定概念、目标”（关注点）相关联的软件组成部分进行“标识、封装和操纵”的能力由于关注点混杂在一起会导致处理的复杂性大大增加，所以把不同的关注点分离开来处理是面对复杂问题的一个原则、方法关注点分离是面向方面的程序设计的核心概念分离关注点使得解决特定领域问题的代码从业务逻辑中独立出来，业务逻辑的代码中不再含有针对特定领域问题代码的调用,10,计算思维与生活,11,预置和缓存：当你早晨上学时，把当天所需要的东西放进背包回推：当有人丢失自己的物品，你建议他沿着走过的路线去寻找在线算法：对自己租房还是买房作出决策“多服务器系统”性能模型：在超市付费时，决定排哪
6、个队设计冗余性：*汽车上的“备胎”计算思维与人们的工作与生活密切相关，应当成为人类不可或缺的一种生存能力,发展阶段,计算思维萌芽时期计算思维奠基时期计算思维混沌时期计算思维确定时期四川师范大学 牟琴,12,计算思维萌芽时期,计算人类文明最古老而又最时新的成就之一与计算有关的诺贝尔奖：5项此时的“计算”并没有上升到科学的高度，具有一定的盲目性，且缺乏系统性20世纪80年代，钱学森在总结前人的基础之上，将思维科学列为11大科学技术门类之一各种学科思维逐步开始形成和发展，这一理论体系的建立和发展也为CT的萌芽和形成奠定了基础,莱布尼茨乘法器,13,计算思维奠基时期,1992年，黄崇福：CT就是思维过
7、程或功能的计算模拟方法论，其研究的目的是为了提供适当的方法，使人们能借助现代和将来的计算机，逐步达到人工智能的较高目标2002年，董荣胜提出并构建了计算机科学与技术方法论：CT与之互补性很强，可以相互促进2005年，陈文宇等：CT是形式化描述和抽象思维能力以及逻辑思维方法，它在形式语言与自动机课程中得到集中体现尽管出现了“CT ”，但并没有引起国内外计算机学者的广泛关注,14,计算思维混沌时期,15,2006年，“计算思维”得到了各国专家，乃至一些跨国机构的极大关注2008年，周以真针对计算领域什么是可计算的?怎样去计算?提出了计算思维的6个特征董荣胜支持周以真教授的这种观点，认为“抽象和自动
8、化”反映的是计算思维的本质特征郭喜凤等人指出计算机思维才能更好地反映概念本质朱亚宗站在人文历史的基础之上，把CT归类为三大科学思维，即理论思维、实验思维和计算思维CT究竟是一种什么思维?它具有什么样的作用?对将来社会有何影响?不同的学者对这些问题的认识分歧较大，从而形成了一个混沌的局面,计算思维确定时期,16,2010年5月，中国高等学校计算机基础教指会提出将“CT”融入到计算机基础课程7月，九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明在西安发表：把培养学习者“CT”能力作为计算机基础教学的核心任务11月，在济南深入研讨了以CT为核心的计算机基础课程教学改革，并结合前期结论形成了“CT能力培
9、养为核心推进大学通识教育改革的研究与实践”，决定上报教育部申请国家立项探讨这一时期计算思维推进迅猛，并被提升至国家教育战略发展的高度,CT提出的背景,17,2005年，PITAC报告希望国家确立计算科学对其他学科的指导地位2005年底2006年初，美国针对“计算学科与日俱增的重要性与学习者对计算学科兴趣的下降问题”，发布了四区报告。建议对中小学习者的抽象思维能力和写作能力进行训练，使其平稳过渡到大学的课程学习从2006年开始，NSF启动CE21国家计划，旨在提高K-14老师与学生的计算思维能力,计算思维在国外,18,仍坚持周以真的Computational Thinking观点，CRA把“匹兹
10、堡2011年度计算机研究协会杰出服务奖”颁发给了周2007年，卡内基梅隆大学成立了CT研究中心，修订了卡内基梅隆大学一年级学习者的课程，从而激发非计算机专业学习者的CT能力2008年，ACM将计算机导论课程与CT绑定在一起CSTA发布了得到微软支持的CT: A problem solving tool for every classroomNSF提出了CDI计划，旨在借助CT的思想和方法促进国家自然科学、工程技术领域发生重大变革，改变人们思维的方式，从而使科技遥遥领先于世界美国6所大学正在设计一个全新的CT高级课程，目的是提高K-14中教学者和学习者的CT能力爱丁堡大学，涉及哲学、物理、生物、
11、医学、建筑、教育等各种探讨会上都在探索与CT相关的学术和工程技术问题 BCS组织专家对CT进行研讨，并提出了CT在欧洲发展的行动纲领,计算思维在国内,19,我国对CT的关注首推于2008年10月在桂林召开的关于“CT与计算机导论”的专题学术研讨会。之后，以桂林电子科技大学计算机学院为代表的众多院校开设了以CT为核心内容的课程2009年9月，中科院计算所所长李国杰院士在出版的中国2050年信息科技发展路线图一书中表示，对“CT”的培养是克服计算机学科“狭义工具论”的有效手段和途径2010年，高教计算机教指会发表九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明，并决定上报到教育部申请国家立项探讨20
12、11(第八届)CCF中国计算机大会上，中科院陈国良院士做了为计算思维：大学计算教育的振兴科学工程研究的创新的演讲2011年6月，教指会围绕CT的实质和如何在计算机基础课程中开展以及自己本校开展情况进行集中讨论。11月，呈交了正式立项申请报告“新一代软件方法学及其对CT的支撑机理的研究”入选“2012年国家科技计划信息技术领域备选项目推荐指南的基础研究类”,国内研究的现状,20,态度：重视对学习者CT能力的培养，并把CT能力的培养纳入课程的考核体系研究院校：上海交大、南方科技大学、西安交通大学、深圳大学、四川师范大学等已经陆续的正式开展了新型计算机基础课程“计算机科学导论：CT”相关著作：计算机
13、科学与技术方法论、计算机科学导论思想与方法总体进展：仍处于小规模，摸索性研究，如何对学习者进行CT能力的培养尚没有形成一套完整的方法论体系,CT的影响辐射,21,生物学：霹弹枪算法提高了人类基因组测序的速度，蛋白质的动力学可以用计算的过程去模拟化学：原子计算能探索化学的一些现象，优化和搜索算法能找寻优化化学反应条件和提高产量的物质人工智能：以人脑思维的方式发明创新机器来帮助我们完成更现代化的技术数学：四色定理等受到了CT很大的影响经济学：电子商务等都受到了CT的影响地质学：对地壳、地球、复杂大气层等的模拟都需要用到CT的理念社会学：社交网络等也被人们所喜爱和接收法学：斯坦福大学的CL方法涵盖了
14、时序逻辑、状态机、进程代数、人工智能、Petri网等方面的内容娱乐：游戏，电影和艺术中的喷绘机器人、戏剧等都有受到CT的影响,计算思维：定义篇,ISTE和CSTA，2011：计算思维是一个问题解决的过程，包括：制定问题，并帮助解决该问题 符合逻辑地组织和分析数据通过抽象再现数据 通过算法支持自动化的解决方案识别、分析解决方案，并整合最优 将该问题的求解过程进行推广CAS：计算思维是人们在人造信息系统和自然信息系统的交互思考过程，它是人们逻辑能力、算法能力、递归能力、抽象能力的综合体现董荣胜等：计算思维是运用计算机科学的思想与方法去求解问题、设计系统和理解人类的行为,22,计算机思维,计算思维大
15、多是基于计算机科学的，忽略了计算机工程、软件工程、信息技术和信息系统郭喜凤、孙兆豪、赵喜清,23,计算思维：原理篇,可计算性“图灵测验”计算机的计算可行性及人工智能的理想目标形理算一体针对具体问题应用相关理论进行计算发现规律的原理机算设计利用物理器件和运行规则相结合完成某个任务的原理国防科技大学人文社科学院 朱亚宗,24,计算思维：内涵篇,ACM/IEEE：计算作为一门学科所具有的30个核心技术周以真：计算思维就是自动化抽象的过程De Souza等：计算思维是从自然语言描述开始，不断对其进行精化，最后得到可计算模型或代码Kuster等：计算思维内涵是数据分析、算法设计与实现，以及数学建模等技术
16、的一个综合体Engelbart：计算思维的内涵分为三个层次:使用计算机的基本能力、理解计算机系统的熟练能力和计算思维能力李暾等：计算思维是一种解决问题的思维方法，它将问题转换为某个计算装置上的信息处理过程，并寻求一种算法上的解决办法,25,地位：三大科学思维,26,理论思维,实验思维,计算思维,定义是理论思维的灵魂，定理和证明是它的精髓。公理化方法是最重要的理论思维方法（推理、演绎）实验思维借助于某些特定的设备科学工具，通过观察、归纳来获取数据，以供以后的分析计算思维以抽象化和自动化为特征，以有限性（可表述）、确定性（无歧义）和机械性（不因人而异）为标志合肥工业大学 李廉,理解计算思维,认知特
17、征：CT是信息化社会适应的一种心理工具，它具有技术的原科学(Meta-science)性特征，同时也会随着技术的发展和情境的变化不断地调整个体的认知心理模型表现特征：CT是人们用信息技术解决问题的一种能力，它包括信息技术应用的独特特征，例如模型建设、自动化实施和信息反馈等，也包括常规解决问题的共性方法，例如呈现问题情境、明确问题目标、设计问题方案、问题解决与检验等信息环境：CT是头脑内部信息系统和外部自然信息系统的合理互动过程华东师范大学 李锋、王吉庆,27,教育意义,提高学生应用信息技术解决问题的能力。计算思维正是将信息技术解决问题的共性特征和应用的特殊性这两种方式优化结合，形成在信息化情境
18、中解决问题特有的方法与策略提高学生对信息技术应用的批判能力。当信息技术将“标准化和程序化”技术特征应用至极致，信息技术有可能会异化为 “控制人类自由”枷锁。发展学生计算思维正是要加强学生头脑内部信息系统与外部技术信息系统的良好互动，批判性地应用信息技术提高学生在信息社会中的自我调节能力。共同进化（Co-evolution）是信息化社会生态环境中各要素相互作用、共同发展的趋势。在信息化社会中，每一要素的发展都将引发其它要素、乃至整个生态环境的变化。发展学生计算思维就是要在信息化情境中不断自我完善信息认知模型，提高在信息化社会的自我调节能力华东师范大学 李锋、王吉庆,28,计算思维：关键,核心与本
19、质特征基于计算模型（环境：如硬件系统、软件系统、网络、计算的社会影响等 ）和约束的问题求解计算机科学基础理论研究实际上是基于抽象级环境（如图灵机）的问题求解硬件体系的设计与研究则是一种指令级的问题求解程序设计是基于语言级的问题求解系统软件设计与应用软件设计是系统级的问题求解*工具软件使用是基于应用级的问题求解核心方法：启发式推理求解何钦铭、陆汉权、冯博琴,29,大学计算机教育,总体目标普及计算机文化，培养专业应用能力，训练计算思维能力能力培养目标对计算机的认知能力应用计算机解决问题的能力基于网络的学习能力依托信息技术的共处能力教育部高等学校计算机基础课程教学指导委员会,30,信息课程的发展,扬
20、州大学 陈玥,31,“狭义工具论”,计算机（信息技术）只是工具计算机就是程序设计计算机基础课程只是办公软件的应用 陈国良、董荣胜管会生、杨建磊,32,课程内在价值游离,信息技术课程内在价值的教育目标“模糊化”信息技术课程的能力特征不显著：利用信息技术解决问题的过程，同样出现在其它课程标准中，缺少独特性信息技术的思想方法不清晰：尽管课程标准中多次提到“思想与方法”，但没有作进一步的解释信息技术课程内在价值的教学内容“简单化”“能力培养”简化为“步骤学习”“思想方法”简化为“程序设计”信息技术课程内在价值实施方法的“形式化”“技术操练式”的教学方法依然为教师所倚重技术思想方法的活动还流于形式，缺乏
21、实效华东师范大学 李锋、王吉庆,33,1.与计算机相关2.培养能力3.内化能力,信,息,素,养,计,算,思,维,计算机是处理信息的工具培养使用工具的能力,工具后的思想比工具本身重要鼓励像计算机科学家一样思考,34,华东师范大学 王荣良,计算思维：误区,程序设计就是计算思维算法就是计算思维计算思维必须要通过程序课程来实现之前的信息技术教学都没有体现计算思维,35,基本观点,启示,学习是主动地根据自己的经验背景，对外部信息进行主动地选择、加工和处理学习不是由教师把知识简单地传递给学生，而是由学生自己建构知识的过程,教学案例要生动有趣，源于生活，富有真实感教学不能无视学习者的已有知识经验，简单强硬地
22、从外部对学习者实施知识的“填灌”更加重视知识背后的思维与方法,36,基本观点基本过程掌握学习课题；制定设想；提出假设；验证假设；发展和总结,启示体现“问题求解”的过程，符合信息教学的一般特点,37,人类具有天生的学习愿望和潜能教师应当是学生学习的“促进者”,感受和鼓励人人像计算机科学家那样思考，而不是人人去做计算机科学家,基本观点,启示,38,认识与体会1,贾茹等：“知识”随着“思维”的讲解而展开，“思维”随着“知识”的贯通而形成，“能力”随着“思维”的理解和训练而提高陈杰华：通过检验和纠错培养严谨规范和科学精神，以“百鸡问题”对比数学算法（两个三元不定方程求解）和计算机算法（穷举法求解）李廉
23、：对于程序语言教学，从技能角度，教会学生编程序即可；从能力角度，还要教会学生学会评价程序、优化程序；从计算思维角度，更要求学生学会根据所要解决的问题，选择一个适当的程序语言作为描述工具,39,认识与体会2,40,何明昕：关注点分离的重点是分离视角和合成策略， “模块化设计”是最重要的分离策略，分离维度和“自顶向下”的分解思想陈国良、董荣胜：以学科基本问题为导向，以经典案例为基础，通过实验了解和应用编程的基本原理，通过习题课强化学科基础概念的理解，着力提高学生的计算思维能力吴绍兵：学生依据已有的知识，提出问题求解方案，并用算法进行描述，最终由机器执行程序来检验问题求解的效果,认识与体会3,41,
24、郭喜凤等教师与学生都以计算思维特有的方式思考问题学生：是如何采用递归的、并行的思想在“思维”训练的同时获得“知识”以及解决问题的能力教师：是如何在一个一定规模的异构的并行网络（学生是网络中的节点，而每个学生对信息的处理能力、存储能力各有差异）上设计正确的输入，并进行合理的过程控制，从而得到预期的输出结果（教学效果）,计算思维：评价1,学校计算机课程标准（节选）CSTA,42,计算思维：评价2,从解决问题的角度出发，强调解决问题的方法、思路低年级：解一个问题，想一想方法，引导学生思考还有哪些问题使用了相同的思想和方法高年级：启发学生思考，使之看到问题之外的问题、方法之外的方法、没有联系的联系更高
25、年级：可以鼓励学生建构数据和事件模型成果形式：创造数字信息产品；设计数字解决方案上海市长宁区教育学院 戎易,43,注意事项,计算能力培养到计算思维训练的转变要循序渐进计算思维的培养是以计算能力的培养为基础的，一定要在能力的培养上进一步培养思维计算思维培养将会对现有教学内容进行重新审视和定位在传统的教学中，计算思维是隐藏在能力培养内容中，要靠学生“悟”，现在要把它讲出来，让学生自觉学习，提高培养质量，缩短培养的时间合肥工业大学 李廉引入能体现计算思维的新知识点国防科学技术大学 李暾、王挺、宁洪、刘越,44,领跑者牟琴,梳理了计算思维的国内外发展现状建构了基于计算思维的教学模型和学习模型基于计算思
26、维的探究式教学模型（ITMCT模型）基于计算思维的任务驱动式教学模型（TDTMCT模型）基于计算思维的网络自主学习模型（OILMCT模型）搭建计算思维能力形成过程模型,45,基于计算思维的计算机基础课程教学与学习的模式研究与实践D,ITMCT模型,46,TDTMCT模型,47,OILMCT模型,48,CT能力形成过程,49,扎实践行：杨男才,50,基于计算思维的高中信息科技“算法与程序设计”教学探究D,另类视角：陈玥,按“计算思维”视角，对高中信息技术教学内容进行分类,51,基于计算思维的中学信息技术教育的研究D,海珠区的研究方向,题目：以“计算思维”为导向的工具软件教学研究内容：数据分析与处
27、理（Excel2007）意义针对现行教材的主体内容避开目前研究的关注热点延续前期研究，深化相关成果关注点思维方法与习惯：约简（关注点分离）、建模、并行处理（合作）教学组织方式,52,理论溯源,陈国良、董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育J朱亚宗.论计算思维计算思维的科学定位、基本原理及创新路径J李廉.计算思维概念与挑战J管会生、杨建磊.从中国“古算”到“图灵机”一一看不同历史时期“计算思维”的演变J牟琴.计算思维的研究及其进展J李锋、王吉庆.计算思维:信息技术课程的一种内在价值J郭喜凤、武仁杰、米海英.计算思维能力培养模式探索J,53,其他参考文献,何钦铭、陆汉权、冯博琴.计算机基础教学的核心
28、任务是计算思维能力的培养J冯博琴.对于计算思维能力培养“落地”问题的探讨J何明昕.关注点分离在计算思维和软件工程中的方法论意义J董荣胜.九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明呼唤教育的转型J牟琴、谭良、吴长城.基于计算思维的网络自主学习模式的研究J牟琴、谭良.基于计算思维的探究教学模式研究J牟琴.“轻游戏”对计算思维能力的培养J郭喜凤、孙兆豪、赵喜清.论计算思维工程化的层次结构J王荣良.计算思维对中小学信息技术课程的影响初探J,54,贾茹、郝长胜、裴衣非.Visual. Basic程序设计课程的计算思维教学实践J陈杰华.程序设计课程中强化计算思维训练的实践探索J吕会庆、张巍.基于计算思维的计算机任务驱动教学模式J易朝晖、焦丽萍、欧微.基于计算思维的教学模式探索J于晓强、赵秀岩、闫丕涛.计算机程序设计课程中计算思维能力的培养J姚天昉.在程序设计课程中引入“计算思维”的实践J赵铭伟、朱鸣华、杨微.以计算思维为导向的课堂教学设计初探J李暾、王挺、宁洪、刘越.计算思维教学的内容设计J吴绍兵.计算思维和程序设计能力的培养J赵岭忠、钱俊彦、蔡国永.算法设计策略与计算思维J戎易.澳大利亚技术课程框架评述与启示J,55,
