计算思维：大学计算教育的振兴科学工程研究的创新

计算思维：大学计算教育的振兴科学工程研究的创新内容摘要：

amp。 Information Science amp。 Engineering)学部 2020年率先启动了“ 扩大计算参与面 ”计划，它通过扩大计算的参与对象，使更多的人，特别是美国的少数民族和妇女受益。 (3) 美国 NSF的 CPATH(CISE Pathways to Revitalized undergraduate Computing Education)计划 ① 目标 • 促成造就具有基本计算思维能力的、在全球有竞争力的美国 劳动大军 ，确保美国在全球创新企业的领导地位。 • 将 计算思维 学习机会 融入 到计算机、信息科学、工程技术和其他领域的本科教育中，以 增强开发 具有计算思维能力的 学生的人数。 • 展示突破性的、可在多类学校中推广的、以计算思维为核心的 本科教育模式。 ② 现状 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。 17 三、计算思维是大学计算教育振兴的途径 (7) ③ CPATH项目： • 2020年启动，当年投入 600万美元 • 2020年投入 500万美元 • 2020年投入 1000万美元 • CPATH项目情况简介： 26项，其中 ‒ CT with K12 Connection 4项 ‒ CT in STEM(Science, Technology, Engineering and Mathematics) Disciplines 4项 ‒ CT across All Disciplines 4项 ‒ Tools amp。 Resources for Undergraduate Computing Education 3项 ‒ CT in Computing Science amp。 Engineering 11项 (4) 美国 NSF的 CE21(Computing Education for 21st Century)计划 2020年度 NSF启动了 CE21计划，计划是建立在 CPATH计划成功的基础上，其目的是提高 K14（中小学和大学一、二年级）老师与学生的计算思维能力。 18 三、计算思维是大学计算教育振兴的途径 (8) 4. 计算思维在我国 (1)中国高等学校计算机基础课程教指委的近期工作 ① ：在 合肥 会议上 讨论了 培养高素质的研究性人才，“计算机基础”这门课程应该包含哪些内容，如何将计算思维融入到这门课程中。 ② ：在 西安 会议上 发表了 《 九校联盟 (C9)计算机基础教学发展战略联合声明 》 ， 确定了 以计算思维为核心的计算机基础课程教学改革。 ③ ：在 太原 会议上 决定了 将合肥会议和西安会议中有关计算思维的讨论形成书面材料，以“计算思维：确保学生创新能力”为主题向教育部领导谏言和申请立项研究。 ④ ：在 济南 会议上，将在全国更大范围内，深入讨论以计算思维为核心的基础课教学改革，并将太原会议的初步材料加以讨论和修改后正式上报教育部袁贵仁部长，并“以计算思维能力培养为核心推进大学通识教育改革的研究与实践”为项目， 建议立项研究。 ⑤ ：在 北京 “以计算思维为导向的计算机基础课程建设”研讨会上，组织有关高校 围绕“计算思维的实质”和“如何在计算机基础教学的第一门课程中体现计算思维能力的培养”进行了广泛的 讨论。 19 三、计算思维是大学计算教育振兴的途径 (9) ⑥ ：在 深圳 召开了计算机基础课程教指委高层研讨会（第 6次工作会议），主要研究以计算思维为主题向教育部、科技部、国家自然基金委 申请立项研究 计算思维事宜。 ⑦ ：在 杭州 召开了计算机基础课程教指委第 7次工作会议，主要审定第 6次工作会议确定的三个立项报告，最终向教育部、科技部、国家自然基金委提交正式申请报告。 ⑧ ：在深圳召开了计算机基础课程教指委第 8次工作会议，会议期间举行了“计算机素质教育论坛”，深入交流了大学计算机素质教育的方方面面，探讨了计算文化、计算科学、计算思维在大学计算机素质教育中的重要作用。 ⑨ ：在深圳大学召开了教指委第九次工作会议，集中讨论了“基于计算思维的复杂系统计算抽象理论与方法”重大项目立项建议的审定工作，会议决定在再次修改后于 3月底正式向国家自然基金委提交。 ⑩ ：在西安 (2) 计算思维课程在部分中国高校中正式开始实践 ① 2020年秋季，在上海交通大学 ② 2020年春季，在南方科技大学 ③ 2020年春季，在西安交通大学 ④ 2020年秋季，在深圳大学 20 三、计算思维是大学计算教育振兴的途径 (10) 5. 实例研究：大学计算思维课程总体框架 (1)基本框架 ① 计算理论：可计算性与计算复杂性。 ② 算法和通用程序设计语言。 ③ 实践基础：计算机硬件和软件最小知识集。 (2)内容规划 ① 计算思维基础知识 • 基本概念 ： 什么是科学、思维、学科。 科学与思维，理论思维，实验思维，计算思维。 • 科学发现的第三支柱 ： 科学发现的三大支柱（理论科学、实验科学、计算科学），计算科学的作用（PITAC 2020报告），名人名言（ H. Davy, 化学家 )。 • 计算科学与计算机科学以及计算机学科： 什么是计算科学。 什么是计算机科学。 什么是计算机学科。 计算机学科发展的历程（ EE、 CE、 CS、 SE、 IT、 IS）。 • 计算思维： 什么是计算思维。 例子、主要特征（它是什么。 它不是什么。 ）、对其他学科的影响（生物学、脑科学、化学、地质学、数学、工程技术、经济学、社会科学、医学、法律、娱乐、艺术、体育、教育 „ ）。 • 热身问题： 20次猜测、七桥问题、国王的婚姻、汉诺塔、旅行商问题 „ 21 三、计算思维是大学计算教育振兴的途径 (11) ② 计算理论和计算模型 • 人类对计算本质的认识过程 ‒ 计算手段应该 器械化 （算盘、手摇计算机、微分机、模拟机等） ‒ 计算过程应该 形式化 （图灵模型） ‒ 计算执行应该 自动化 （冯 诺依曼模型） • 计算理论 ‒ 函数及其计算 ‒ 图灵机 ‒ 通用 Bare Bones语言 ‒ 不可计算函数与停机问题 ‒ 计算复杂性（多项式与多项式函数， P类问题， NP类问题， NPC类问题） • 冯 诺依曼计算机模型 ‒ 计算机体系结构 机器指令与机器语言 ‒ 汇编语言程序的执行举例 虚拟机 • 计算的数学理论 ‒ 计算理论 ：包括算法理论、可计算性理论、计算复杂性理论等。 ‒ 高等逻辑 ：包括模型论（研究逻辑系统的语义，构造形式系统模型）和非经典逻辑（研究时序逻辑、模态逻辑、概率逻辑、模糊逻辑、归纳逻辑、非单调逻辑等）。 ‒ 形式语言与自动机 ：包括形式语言（研究语言的语法 (词法和文法 )和构造性结构）和自动机（研究各种能自动处理符号的数学机器）。 ‒ 形式语义学 ：主要指用数学方法研究计算机程序设计语言的语义（包括操作语义、指称语义、公理语义和代数语义等）。 • 计算机科学的数学基础：离散数学 ‒ 数理逻辑 ：包括命题逻辑的概念、等值演算与推理，一阶逻辑的概念、等值演算与推理等。 ‒ 集合论 ：包括集合代数，二元关系，函数和集合的基数等。 ‒ 代数系统 ：包括代数。