計(jì)算機(jī)思維給計(jì)算機(jī)教學(xué)帶來(lái)的挑戰(zhàn)-張銘

計(jì)算機(jī)思維給計(jì)算機(jī)教學(xué)帶來(lái)的挑戰(zhàn)張銘北京大學(xué)信息學(xué)院mzhang@新浪微博

@張銘PKUCS

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

PLAN

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內(nèi)容提要計(jì)算學(xué)科的定義計(jì)算思維教育的目的與作用計(jì)算思維給計(jì)算機(jī)教學(xué)帶來(lái)的挑戰(zhàn)計(jì)算思維表述體系框架總結(jié)

“計(jì)算作為一門學(xué)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(yǎng)學(xué)生面向?qū)W科的思維能力，使學(xué)生領(lǐng)會(huì)學(xué)科的力量，以及從事本學(xué)科工作的價(jià)值之所在希望能用類似于數(shù)學(xué)那樣嚴(yán)密的方式將學(xué)生引入到計(jì)算學(xué)科各個(gè)富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之中數(shù)學(xué)——所有學(xué)科和上帝的關(guān)系

什么是計(jì)算學(xué)科

計(jì)算——所有學(xué)科和人類的關(guān)系

抽象物理世界虛擬世界計(jì)算學(xué)科的根本問(wèn)題學(xué)科的根本問(wèn)題什么能被（有效地）自動(dòng)進(jìn)行

計(jì)算學(xué)科來(lái)源算法理論、數(shù)理邏輯、計(jì)算模型、自動(dòng)計(jì)算機(jī)與存儲(chǔ)式電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明一起形成于20世紀(jì)40年代初期計(jì)算學(xué)科的根本問(wèn)題學(xué)科的根本問(wèn)題什么能被（有效地）自動(dòng)進(jìn)行

計(jì)算學(xué)科來(lái)源算法理論、數(shù)理邏輯、計(jì)算模型、自動(dòng)計(jì)算機(jī)與存儲(chǔ)式電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明一起形成于20世紀(jì)40年代初期計(jì)算思維的提出2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真教授在《CommunicationsoftheACM》提出計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)和計(jì)算科學(xué)作為科學(xué)發(fā)現(xiàn)三大支柱，正推動(dòng)著人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展。以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征的計(jì)算思維，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)中一系列思維活動(dòng)科學(xué)與科學(xué)思維10計(jì)算思維給計(jì)算機(jī)教學(xué)帶來(lái)的挑戰(zhàn)美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會(huì)則認(rèn)為計(jì)算思維的教育應(yīng)存在于每一所學(xué)校的每一堂課程的教學(xué)中。該協(xié)會(huì)認(rèn)為，對(duì)于一個(gè)要解決的問(wèn)題，教師應(yīng)有意識(shí)提出以下問(wèn)題：（1）人與計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力有多大，各自的局限性是什么？（2）研究的問(wèn)題復(fù)雜性有多大？（3）問(wèn)題解決的判定條件是什么？（4）什么樣的技術(shù)可以應(yīng)用于當(dāng)前的問(wèn)題討論中？（5）什么樣的計(jì)算策略更能有效地解決當(dāng)前的問(wèn)題？計(jì)算思維給計(jì)算機(jī)教學(xué)帶來(lái)的挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的教學(xué)中，計(jì)算思維是隱藏在能力培養(yǎng)內(nèi)容中的，要靠學(xué)生“悟”出來(lái)明確提倡計(jì)算思維，讓學(xué)生自覺(jué)地去學(xué)習(xí)，提高培養(yǎng)質(zhì)量，縮短迷茫的時(shí)間12計(jì)算機(jī)思維教育的目的和作用計(jì)算思維教育的目的是培養(yǎng)一種思維習(xí)慣，一種像計(jì)算機(jī)科學(xué)家思考問(wèn)題那樣的習(xí)慣。計(jì)算機(jī)思維提供了提供了理解物理、社會(huì)以及其他現(xiàn)象的一個(gè)新視角，指出了解決問(wèn)題的一種新途徑，強(qiáng)調(diào)了創(chuàng)造知識(shí)而非使用信息，提高了人們的創(chuàng)造和創(chuàng)新能力。示例：人類基因組計(jì)劃、折紙的結(jié)構(gòu)、網(wǎng)上購(gòu)物推薦系統(tǒng)、亞馬遜等。2023/2/6計(jì)算思維表述體系框架沿用ACM前主席Denning在項(xiàng)目“偉大的計(jì)算原理”中定義的分類計(jì)算，通信，協(xié)作，記憶，自動(dòng)化，評(píng)估和設(shè)計(jì)。ComputingasaDiscipline學(xué)科形態(tài)：理論、抽象、設(shè)計(jì)“抽象”是一個(gè)重要的偉大原理，應(yīng)納入框架之中。圖1：不同概念原理在計(jì)算思維表述體系框架中的層次關(guān)系2023/2/6計(jì)算思維表述體系框架

分類關(guān)注點(diǎn)核心概念計(jì)算什么能計(jì)算，什么不能計(jì)算大問(wèn)題的復(fù)雜性、效率、演化、按空間排序、按時(shí)間排序；計(jì)算的表示、表示的轉(zhuǎn)換、狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換；可計(jì)算性、計(jì)算復(fù)雜性理論抽象關(guān)注對(duì)象的本質(zhì)特征概念模型與形式模型、抽象層次；約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化、分解、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如隊(duì)列、棧、表和圖等）、虛擬機(jī)自動(dòng)化信息處理的算法發(fā)現(xiàn)算法到物理計(jì)算系統(tǒng)的映射，人的認(rèn)識(shí)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(qiáng)人工智能、弱人工智能設(shè)計(jì)可靠和可信系統(tǒng)的構(gòu)建一致性和完備性、重用、安全性、折中與結(jié)論；模塊化、信息隱藏、類、結(jié)構(gòu)、聚合通信不同位置間的可靠信息移動(dòng)信息及其表示、香農(nóng)定理、信息壓縮、信息加密、校驗(yàn)與糾錯(cuò)、編碼與解碼協(xié)作多個(gè)自主計(jì)算機(jī)的有效使用同步、并發(fā)、死鎖、仲裁；事件以及處理、流和共享依賴，協(xié)同策略與機(jī)制；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、人機(jī)交互、群體智能記憶媒體信息的表示、存儲(chǔ)和恢復(fù)綁定；存儲(chǔ)體系、動(dòng)態(tài)綁定（names、Handles、addresses、locations）、命名（層次、樹狀）、檢索（名字和內(nèi)容檢索、倒排索引）；局部性與緩存、trashing抖動(dòng)、數(shù)據(jù)挖掘、推薦系統(tǒng)評(píng)估復(fù)雜系統(tǒng)（含自然系統(tǒng)與人工系統(tǒng)，如地震，核武器）的性能預(yù)測(cè)可視化建模與仿真、數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)；模型方法、模擬方法、benchmark；預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)模型；負(fù)載、吞吐率、反應(yīng)時(shí)間、瓶頸、容量規(guī)劃南京大學(xué)《計(jì)算思維導(dǎo)論》數(shù)字化與計(jì)算思維像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考從數(shù)學(xué)模型到計(jì)算模型抽象數(shù)據(jù)類型如何讓計(jì)算機(jī)高效正確地解決問(wèn)題算法方法計(jì)算機(jī)如何改變科學(xué)、技術(shù)與工程模擬計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)如何改變我們的工作與學(xué)習(xí)互聯(lián)與搜索網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與服務(wù)教學(xué)內(nèi)容什么是難解問(wèn)題？不可解問(wèn)題?計(jì)算的代價(jià)和局限突破限制并行與隨機(jī)神話與現(xiàn)實(shí)人工智能海量帶來(lái)質(zhì)變數(shù)據(jù)挖掘計(jì)算的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算技術(shù)的濫用樣例數(shù)字化與計(jì)算思維像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考問(wèn)題求解的過(guò)程問(wèn)題抽象算法抽象數(shù)據(jù)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(jié)計(jì)算思維就是一個(gè)引導(dǎo)著計(jì)算機(jī)教育家、研究者和實(shí)踐者的宏大愿景特別需要抓住尚未進(jìn)入大學(xué)或剛進(jìn)入大學(xué)的聽眾，包括老師、父母和學(xué)生，向他們傳送下面兩個(gè)主要信息：(1)智力上的挑戰(zhàn)和引人入勝的科學(xué)問(wèn)題依舊亟待理解和解決。這些問(wèn)題和解答僅僅受限于我們自己的好奇心和創(chuàng)造力；(2)一個(gè)人可以主修計(jì)算機(jī)科學(xué)而從事任何行業(yè)。傳播計(jì)算機(jī)科學(xué)的快樂(lè)、崇高和力量，致力于使計(jì)算思維成為常識(shí)國(guó)際動(dòng)向張銘，2013年擔(dān)任ACMEducationCouncil中國(guó)ACM教育專委會(huì)主席兩大關(guān)注點(diǎn)：CS2013，BigTant（大帳篷）還有MOOC(大規(guī)模在線學(xué)習(xí))2023/2/62012，MOOC元年/edX——全球35所精英大學(xué)，代碼開源可自建MOOC課Coursera——合作大學(xué)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(guò)20分鐘）ppt或pdf，及其他輔助課件每周一次作業(yè)（單選、多選、字符串比對(duì)、論文互評(píng)等）討論區(qū)（學(xué)生自助文檔，老師、助教引導(dǎo)）考試2/6/202326edXUdacityCoursera免費(fèi)結(jié)業(yè)證書免費(fèi)結(jié)業(yè)證書為企業(yè)推薦優(yōu)秀學(xué)生的付費(fèi)服務(wù)為學(xué)生推薦工作的付費(fèi)服務(wù)高等技能培訓(xùn)的付費(fèi)課程免費(fèi)結(jié)業(yè)證書學(xué)生付費(fèi)獲得學(xué)分線上或線下付費(fèi)輔導(dǎo)額外的付費(fèi)學(xué)習(xí)服務(wù)為企業(yè)推薦優(yōu)秀學(xué)生的付費(fèi)服務(wù)企業(yè)付費(fèi)運(yùn)行自己的培訓(xùn)課程2/6/202327AssortedInputs…USDept.ofLaborITcompetencymodelEUICTCompetenciesEMC’s5pillarsofITOperationsApplicationsInformationStorageDatabaseNetworkSIGITE’sITPillarsProgrammingNetworkingHumanComputerInteractionDatabaseWebSystems(ITProblemSolving)CSTAStrands(ComputerScienceStandards)ComputationalThinkingCollaborationCompUtingPracticeComputers&CommunicationDevicesCommunity,Global&EthicalImpactsASSECTModelforComputationalThinkinginIT(NSFCCF0939089)LogicalThinkingStrategizingAbstractThinkingProceduralThinkingOptimizingIterativeUSDept.ofLabor

InformationTechnologyCompetencyModel教指委計(jì)算思維項(xiàng)目組7月15日和16日：微軟研究院在美國(guó)西雅圖舉辦的第14屆教育峰會(huì)美國(guó)高校計(jì)算機(jī)院系負(fù)責(zé)人交流“計(jì)算思維”概念的提出者，現(xiàn)任微軟副總裁JeannetteM.Wing教授等人座談第二屆“計(jì)算思維與大?學(xué)計(jì)算機(jī)課程教學(xué)改革?研討會(huì)”（7月3?0~31日哈爾濱）2023/2/6

參考文獻(xiàn)張銘，李文新，陳徐宗，梅宏.北京大學(xué)計(jì)算機(jī)系本科課程改革進(jìn)展[J]。計(jì)算機(jī)教育，2009，（5）：PP7-11.MingZhang,VirginiaLo,UndergraduateComputerScienceEducationinChina.SIGCSE2010,March10-13,2010,Milwaukee,WI,USA.董榮勝，計(jì)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