計算機思維給計算機教學帶來的挑戰張銘北京大學信息學院mzhang@新浪微博

@張銘PKUCS

ShortfilmstarringBillGates,MarkZuckerberg,JackDorsey,will.i.am,ChrisBosh,manyothers.DirectedbyLesleyChilcott(AnInconvenientTruth)Whatmostschoolsdon’tteachCHALLENGE

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內容提要計算學科的定義計算思維教育的目的與作用計算思維給計算機教學帶來的挑戰計算思維表述體系框架總結

“計算作為一門學科”Denning,P.J.

Comer,D.E.

Gries,D.

Mulder,M.C.

Tucker,A.

Turner,A.J.

Young,P.R.

，Computingasadiscipline.Computer,

Volume:22,

Issue:2,Feb1989.ACM,NewYork,NY.PP63-70.培養學生面向學科的思維能力，使學生領會學科的力量，以及從事本學科工作的價值之所在希望能用類似于數學那樣嚴密的方式將學生引入到計算學科各個富有挑戰性的領域之中數學——所有學科和上帝的關系

什么是計算學科

計算——所有學科和人類的關系

抽象物理世界虛擬世界計算學科的根本問題學科的根本問題什么能被（有效地）自動進行

計算學科來源算法理論、數理邏輯、計算模型、自動計算機與存儲式電子計算機的發明一起形成于20世紀40年代初期計算學科的根本問題學科的根本問題什么能被（有效地）自動進行

計算學科來源算法理論、數理邏輯、計算模型、自動計算機與存儲式電子計算機的發明一起形成于20世紀40年代初期計算思維的提出2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系主任周以真教授在《CommunicationsoftheACM》提出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理論科學、實驗科學和計算科學作為科學發現三大支柱，正推動著人類文明進步和科技發展。以設計和構造為特征的計算思維，以計算機學科為代表運用計算機科學的基礎概念進行問題求解系統設計以及人類行為理解涵蓋了計算機科學中一系列思維活動科學與科學思維10計算思維給計算機教學帶來的挑戰美國計算機科學技術教師協會則認為計算思維的教育應存在于每一所學校的每一堂課程的教學中。該協會認為，對于一個要解決的問題，教師應有意識提出以下問題：（1）人與計算機的計算能力有多大，各自的局限性是什么？（2）研究的問題復雜性有多大？（3）問題解決的判定條件是什么？（4）什么樣的技術可以應用于當前的問題討論中？（5）什么樣的計算策略更能有效地解決當前的問題？計算思維給計算機教學帶來的挑戰傳統的教學中，計算思維是隱藏在能力培養內容中的，要靠學生“悟”出來明確提倡計算思維，讓學生自覺地去學習，提高培養質量，縮短迷茫的時間12計算機思維教育的目的和作用計算思維教育的目的是培養一種思維習慣，一種像計算機科學家思考問題那樣的習慣。計算機思維提供了提供了理解物理、社會以及其他現象的一個新視角，指出了解決問題的一種新途徑，強調了創造知識而非使用信息，提高了人們的創造和創新能力。示例：人類基因組計劃、折紙的結構、網上購物推薦系統、亞馬遜等。2023/2/6計算思維表述體系框架沿用ACM前主席Denning在項目“偉大的計算原理”中定義的分類計算，通信，協作，記憶，自動化，評估和設計。ComputingasaDiscipline學科形態：理論、抽象、設計“抽象”是一個重要的偉大原理，應納入框架之中。圖1：不同概念原理在計算思維表述體系框架中的層次關系2023/2/6計算思維表述體系框架

分類關注點核心概念計算什么能計算，什么不能計算大問題的復雜性、效率、演化、按空間排序、按時間排序；計算的表示、表示的轉換、狀態和狀態轉換；可計算性、計算復雜性理論抽象關注對象的本質特征概念模型與形式模型、抽象層次；約簡、嵌入、轉化、分解、數據結構（如隊列、棧、表和圖等）、虛擬機自動化信息處理的算法發現算法到物理計算系統的映射，人的認識到人工智能算法的映射；形式化（定義、定理和證明）、程序、算法、迭代、遞歸、搜索、推理；強人工智能、弱人工智能設計可靠和可信系統的構建一致性和完備性、重用、安全性、折中與結論；模塊化、信息隱藏、類、結構、聚合通信不同位置間的可靠信息移動信息及其表示、香農定理、信息壓縮、信息加密、校驗與糾錯、編碼與解碼協作多個自主計算機的有效使用同步、并發、死鎖、仲裁；事件以及處理、流和共享依賴，協同策略與機制；網絡協議、人機交互、群體智能記憶媒體信息的表示、存儲和恢復綁定；存儲體系、動態綁定（names、Handles、addresses、locations）、命名（層次、樹狀）、檢索（名字和內容檢索、倒排索引）；局部性與緩存、trashing抖動、數據挖掘、推薦系統評估復雜系統（含自然系統與人工系統，如地震，核武器）的性能預測可視化建模與仿真、數據分析、統計、計算實驗；模型方法、模擬方法、benchmark；預測與評價、服務網絡模型；負載、吞吐率、反應時間、瓶頸、容量規劃南京大學《計算思維導論》數字化與計算思維像計算機科學家一樣思考從數學模型到計算模型抽象數據類型如何讓計算機高效正確地解決問題算法方法計算機如何改變科學、技術與工程模擬計算機網絡如何改變我們的工作與學習互聯與搜索網絡計算與服務教學內容什么是難解問題？不可解問題?計算的代價和局限突破限制并行與隨機神話與現實人工智能海量帶來質變數據挖掘計算的風險計算技術的濫用樣例數字化與計算思維像計算機科學家一樣思考問題求解的過程問題抽象算法抽象數據抽象樣例（人羊）羊（人狼菜）菜（人羊狼）狼（人羊菜）

羊（人羊狼菜）狼菜人人羊人狼人羊人菜（人狼菜）狼菜（人羊）

空人人羊（人狼菜）人羊狼菜ComputerScienceUnpluggedCSUnpluggedisabookofactivitiesthatillustratecomputerscienceprincipleswithoutusingacomputer.Activitiesareshortandaredesignedtobeeasilyintegratedintoclassesandincludeexercisesandlessonplansforteachers.CARDFLIPMAGICHereisanexampleofparityinreallife:1X10=104X9=362X8=165X7=359X6=543X5=157X4=286X3=187X2=14226/11=20remainder6 ChecksumDigit=11-6=52023/2/6總結計算思維就是一個引導著計算機教育家、研究者和實踐者的宏大愿景特別需要抓住尚未進入大學或剛進入大學的聽眾，包括老師、父母和學生，向他們傳送下面兩個主要信息：(1)智力上的挑戰和引人入勝的科學問題依舊亟待理解和解決。這些問題和解答僅僅受限于我們自己的好奇心和創造力；(2)一個人可以主修計算機科學而從事任何行業。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常識國際動向張銘，2013年擔任ACMEducationCouncil中國ACM教育專委會主席兩大關注點：CS2013，BigTant（大帳篷）還有MOOC(大規模在線學習)2023/2/62012，MOOC元年/edX——全球35所精英大學，代碼開源可自建MOOC課Coursera——合作大學很多Udacity——影響力比較大TheKhanAcademyUniversityofRedditMITOpenCoursewareStanfordCoursesonvideoOpenYaleCoursesBerkeleyLecturesOpenCourseWareConsortium

2/6/202323//

2023/2/6MOOC課程特色短視頻7分鐘左右（不超過20分鐘）ppt或pdf，及其他輔助課件每周一次作業（單選、多選、字符串比對、論文互評等）討論區（學生自助文檔，老師、助教引導）考試2/6/202326edXUdacityCoursera免費結業證書免費結業證書為企業推薦優秀學生的付費服務為學生推薦工作的付費服務高等技能培訓的付費課程免費結業證書學生付費獲得學分線上或線下付費輔導額外的付費學習服務為企業推薦優秀學生的付費服務企業付費運行自己的培訓課程2/6/202327AssortedInputs…USDept.ofLaborITcompetencymodelEUICTCompetenciesEMC’s5pillarsofITOperationsApplicationsInformationStorageDatabaseNetworkSIGITE’sITPillarsProgrammingNetworkingHumanComputerInteractionDatabaseWebSystems(ITProblemSolving)CSTAStrands(ComputerScienceStandards)ComputationalThinkingCollaborationCompUtingPracticeComputers&CommunicationDevicesCommunity,Global&EthicalImpactsASSECTModelforComputationalThinkinginIT(NSFCCF0939089)LogicalThinkingStrategizingAbstractThinkingProceduralThinkingOptimizingIterativeUSDept.ofLabor

InformationTechnologyCompetencyModel教指委計算思維項目組7月15日和16日：微軟研究院在美國西雅圖舉辦的第14屆教育峰會美國高校計算機院系負責人交流“計算思維”概念的提出者，現任微軟副總裁JeannetteM.Wing教授等人座談第二屆“計算思維與大?學計算機課程教學改革?研討會”（7月3?0~31日哈爾濱）2023/2/6

參考文獻張銘，李文新，陳徐宗，梅宏.北京大學計算機系本科課程改革進展[J]。計算機教育，2009，（5）：PP7-11.MingZhang,VirginiaLo,UndergraduateComputerScienceEducationinChina.SIGCSE2010,March10-13,2010,Milwaukee,WI,USA.董榮勝，計算思維的表述體系JeannetteM.Wing,ComputationalThinking:TwoandaHalfYearsLater,2008/~CompThink/seminars/wing/cmu-ct.pptThink/seminars/wing/cmu-ct.pptComputerScienceCurricula2013(CS2013)/users/sahami/CS2013/Denning,P.J.,Comer,D.E.,Gries,D.et.al.,1989.Computingasadiscipline.CommunicationsoftheACM,32,1,9-23.Myers,J.P.Jr,1989.Thene