1、u 課程計劃課程計劃u 計算思維計算思維2u課程內容課程內容u考核方式考核方式u教學平臺教學平臺教育在線教育在線u計算思維簡介計算思維簡介u課程論文課程論文3u計算機應用能力基礎計算機應用能力基礎n11月中下旬參加全校上機統考。n自學，教學部提供練習環境，自己課下練習。u簡單介紹課程的學習目標簡單介紹課程的學習目標培養計算思維能力培養計算思維能力u計算基礎及計算基礎及C+C+高級程序設計語言高級程序設計語言4u1 1、計算機應用能力基礎（機考）：、計算機應用能力基礎（機考）：20分u2 2、平時成績：、平時成績：30分n上機測試和作業：15分n平時出勤：15分u3 3、期末考試（機考）：、期末

2、考試（機考）：50分5使用“教育在線”進行學習交流活動。下面我們來演示。http:/http:/下的教育在線/eol/homepage/common/opencourse//eol/homepage/common/opencourse/6請同學們思考的問題：u1、進入大學后，如何學習？學習什么？u2、對于大學計算機課程，學習什么？ 希望下面的內容對你有所幫助！希望下面的內容對你有所幫助！ 7一個古老而又年輕的概念“計算思維”，正在科技界和教育界萌發、激蕩和蔓延。所到之處，徹底更新和改變了現在被廣泛認同的一些理論和認識。一種新的

3、關于計算和計算機科學的觀點正在以雷霆萬鈞之勢蕩滌著舊有的傳統，煥發出面向新時代和新技術的嶄新面貌。從事計算機科學、思維科學、教育科學、社會科學、人文科學等各方面的專家，圍繞著不同的要求和目的被吸引到這一領域里來。這種共同的興趣將醞釀著新的重大的理論革命和技術飛躍，一種全新的對于計算機科學的理解和應用的時代已經展現在我們的面前。8思維通過表達形成一個體系，形成科學。思維的過程也是科學研究的對象，科學本身是思維的形態。在科學思維的譜系中，真正具備了系統和完善的表達體系的思維模式只有三個，分別是實證思維、邏輯思維和計算思維。三大科學思維構成了科技創新的三大支拄。作為三大科學思維支柱之一，并具有鮮明時

4、代特征的計算思維，尤其應當引起我們國家的高度重視。9u邏輯思維對于自然現象（人工現象）的數學抽象是將問題邏輯化，成為一個推理系統。數學從基本的假設出發，通過建立運動方程求解。通過邏輯的方法計算運動的規律。邏輯思維要通過數學這個體系表達。 定義是理論思維的靈魂，定理和證明則是它的精髓。公理化方法是最重要的思維方法，科學界一般認為，公理化方法是世界科學技術革命推動的源頭。以理論為基礎的學科主要是指數學，數學是所有學科的基礎。 10u實證思維對于自然現象（人工現象）的物理抽象是將問題單純化，成為一個驗證體系。實證思維要通過物理這個形態體系表達。 實證思維的先驅應當首推意大利著名的物理學家、天文學家和

5、數學家伽利略，他開創了以實驗為基礎具有嚴密邏輯理論體系的近代科學，被人們譽為“近代科學之父”。愛因斯坦為之評論說：“伽利略的發現，以及他所用的科學推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。”以實驗為基礎的學科有物理、化學、地學、天文學、生物學、醫學、農業科學、冶金、機械，以及由此派生的眾多學科。11東西方思維的差異：西方是實證主義學派，東方是經驗主義學派。 中醫自成體系，廣義的說也是一門科學。但是中醫理論的基本出發點（陰陽學說，天人合一假設）不具備證偽性，所以在西方的哲學觀念下不認為是科學體系。 12u計算思維對于自然現象（人工現象）的計算抽象是將問題符號化，成為一

6、個計算系統。計算科學將運動抽象成為符號系統和變換的演化。 13與實證思維和邏輯思維不同，計算思維關注的是人類思維中有關可行性、可構造性和可評價性的部分。當一個原始人面對一塊石頭準備加工工具時，他腦子里的思維既不是對于石頭本身屬性的物理認識，也不是對于這件工具用途的邏輯推理，他所想到的是實實在在的加工這件工具的操作細節，是如何一步一步完成從石頭到工具的過程，這些步驟之間的順序，每一個步驟完成的標準，以及某一步驟失敗后的替代措施，就是現代意義上的可操作性和可驗證性。原始人把這些思維逐步地映射到具體的加工工程，一定是先有工程的思維，后有工程的實踐。14這樣的思維就包含了計算思維所有核心的內容，盡管從

7、程度上來說，原始人類的思維還是低淺的和簡單的。但是計算思維確實存在于人類的自然思維之中，是人類思維活動中固有的和先天的成分。沒有計算機之前，就有了計算思維的萌芽和表現，只是在有了計算機之后，計算思維的問題才被真正關注，得到突飛猛進的發展，成為現代人類必須掌握的基本思維能力。 15美國華裔女科學家（現任美國國家科學基金計算機與信息科學與工程學部負責人，美國國家科學院計算機科學與通訊部門主席）周以真（Jeannette M. Wing）教授首先提出并定義了“計算思維”（Computational Thinking，CT）：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

8、涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。2011年，圖靈獎獲得者Richard M. Karp提出了“計算透鏡”（Computational Lens）理念，其核心是將計算作為一種通用的思維方式，通過這種廣義的計算（涉及信息、執行算法、關注復雜度）來描述各類自然過程和社會過程，從而解決各個學科的問題。 16在美國，“計算思維”的提出得到了美國教育界和科學界的廣泛支持。在美國科學基金會啟動的“大學計算教育振興的途徑”中投入巨資進行美國計算教育的改革并對“計算思維”所發揮的作用取得了共識。美國科學基金會還啟動了以計算思維為核心的重大基礎研究，進一步將計算思維的培育擴展到美國的各個研究領域。17在我國

9、，計算思維的重要性也已引起了科學家和教育界的高度重視。教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會主任委員陳國良院士等積極地倡導把培養學生的“計算思維”能力作為計算機基礎教學的核心任務，并由此建設更加完備的計算機基礎課程體系和教學內容。陳國良等認為大學第一門計算機基礎課程是計算思維培養的一個關鍵，初步構建了以計算思維為核心的“計算思維導論”課程，并給出了該課程任務、基本要求，教學內容和教學方法。18大學計算機課程就是進行計算思大學計算機課程就是進行計算思維教育。維教育。計算思維教育的目的是培養一種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思維習慣，一種像計算機科學家思考問題那樣

10、的習慣！問題那樣的習慣！19 如1998年圖靈獎獲得者，計算機科學家詹姆士格雷 （James Gray）的思維習慣是這樣的： （1）首先對問題進行非常簡單的陳述，也即要說明解決一個什么樣的問題。他認為，一個能夠清楚表述的問題，能夠得到周圍人的支持。雖然不清楚具體該怎么做，但對問題解決之后能夠帶來的益處非常清楚。（2）其次，解決問題的方案和所取得的進步要有可測試性。（3）最后一點，是整個研究和解決問題的過程能夠被劃分為一些小的步驟，這樣就可以看到中間每一個取得進步的過程。20 在技術層面，美國國家研究立法委員會計算機文化協會主席史耐德(Snyder Lawrence)教授在其撰寫的新編信息技術導

11、論:技能、概念和能力一書中指出，人們可以從抽象的角度來思考信息技術，他寫道：當你成為數字文人之后，你可以從抽象的角度來思考技術，而且更喜歡（習慣）提以下問題：（1）對于這個軟件，我必須學會用哪些功能，才能幫助我完成任務？（2）該軟件的設計者希望我知道些什么？（3）該軟件的設計者希望我做些什么？ （4）該軟件向我展示了哪些隱喻？（5）為完成指定的任務，該軟件還需要其他哪些信息？（6）我是否在其他軟件中見到過這個軟件中的操作？21在專業層面，對于一個專業的計算問題。計算機科學家，中國科學院院士陳國良教授常說（一種習慣），從計算的手段來看，我們應當使計算機械化（如算盤、手搖計算機、模擬計算機、電子數

12、字計算機）；從計算的過程來看，我們應當使計算形式化（如圖靈機，計算理論）；從計算的執行來看，我們應當使計算自動化（如馮諾依曼機）。在計算思維的研究中，教育部大學計算機課程教學指導委員會主任委員李廉教授認為，在傳統的教學中，計算思維是隱藏在能力培養內容中的，要靠學生“悟”出來，現在要把這些明白的講出來，讓學生自覺地去學習，提高培養質量，縮短培養的時間。22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。是否采用了計算思維，該協會認為，對于一個要解決的問題，教師是否能有意識（習慣）的提出以下問題：（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

13、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？計算思維表述體系框架1212個核心概念個核心概念(CC1991):(CC1991):綁定、大問題的復雜性、概念模型和形式模型、一致性和完備性、效率、演化、 抽象層次、按空間排序、按時間排序、重用、安全性、折中和結論。 協作（協作（CoordinationCoordination）為確保多方參與的計算過程（如多人會話）最終能夠得到確切的結論而對整個過程中各步驟序列先后順序進行的時序控制。 記憶（記憶（RecollectionRecollection）

14、是指通過實現有效搜索數據的方法或者執行其它操作對數據進行編碼和組織。 評估（評估（EvaluationEvaluation）是對數據進行統計分析、數值分析或者實驗分析。 計算（計算（ComputationComputation）：執行一個算法的過程。 抽象（抽象（AbstractionAbstraction）：計算的“精神”工具。 自動化（自動化（AutomationAutomation）：計算在物理系統自身運作 過程中的表現形式（鏡像）。 設計（設計（DesignDesign）：對一個系統、程序或者對象等進行組織。 通通信信（CommunicationCommunication）是指信息從一

15、個過程或者對象傳輸到另一個過程或者對象。計算思維的作用審視物理、社會等現象的新視角審視物理、社會等現象的新視角解決問題的新方法解決問題的新方法創造知識創造知識提高創造力和創新力提高創造力和創新力人類基因組計劃人類基因組計劃 物種起源物種起源 (1859第第1版，版，1872第第6版版) 計算折紙（通過構建算法來回答折紙中遇到的問題）計算折紙（通過構建算法來回答折紙中遇到的問題）亞馬遜網上購物推薦系統亞馬遜網上購物推薦系統音樂合成軟件音樂合成軟件Cool edit，作曲軟件平臺，作曲軟件平臺Nyquist 例如：例如：2013年4月發布了中國首個3D全景網絡地質博物館浙江東方地質博物館（http

16、:/）。該博物館以“天、地、人、和”的大地質概念為主題，通過3D科技展示“大宇宙、大地球、大人類、大地質、大歷史”，將實體博物館無法演示的歷史、地質知識，用時空交融的方式予以展現，不僅全景展示礦物巖石的構造及成因、地質演變的進程、自然環境的變遷，以及古生物的演化過程，還將館藏寶物在網上以3D形式更立體、更形象的方式與觀眾見面，同時配以相應的地質知識介紹，真實再現了館藏實物珍品所蘊藏的歷史故事，為觀眾勾勒出了一幅恢弘、壯觀的地球演變和人類文明的歷史畫卷，激發人們節約能源、愛護地球的熱情和行動力。27問題問題1：最小生成樹：最小生成樹u關注焦點關注焦點 難題解決、優化、規劃u摘要摘要我們的社會是由

17、許多網絡連接起來的：電話網，公用設施的供應網絡，計算機網絡和道路網絡。對某一特定的網絡通常有些關于選擇該在哪安置這些路、電纜或無線電連接設備等。以下活動探索一種方式來優化在一個網絡中對各聯系對象間的選擇。u專有名詞專有名詞最小生成樹;貪婪算法;圖形算法。28u原始問題原始問題泥濘城市鋪路泥濘城市鋪路從前，有一個沒有路的城市。在暴風雨之后走過這個城市附近是特別困難的，因為地面非常的泥濘汽車陷入了泥水中并且把人的靴子都弄臟了。這個城市的市長決定對某些街道進行鋪路，但又不想花太多的錢因為這個城市還需要建一個游泳池。因此這個市長指定了兩種情況：（1）應該讓足夠的街道被鋪好使得讓每個人都可以從他們的房子

18、只經過鋪好的路走到別人家的房子，中間可以經過別人家的房子。（2）鋪路的總費用應該最小。29下圖顯示這個城市的布局。在每個房子之間鋪路石的數量代表鋪那條路線的費用。 接下來的問題是計算允許人民從任意一間房子到達任意另外一間，同時所需鋪路石的最少數目。3031策略策略1 1：從空白圖開始的策略，如果有必要就漸漸地增加磚塊直到所有的房子都連接起來。這是一個好的策略；事實上，你能保證找到一種優化解決方案，如果你增加路徑的時候按順序的增加路徑長度，但一旦所有的房子都連接起來之后就不再添加任何路徑。不同的解決方法是通過改變添加相同長度路徑的順序而已。策略策略2 2：將所有的路徑都鋪好，然后再把冗余的路徑除

19、掉。這將產生一個優化解決方法，但需要相當大的工作。32解法解法1：33解法解法2：34問題的抽象表示問題的抽象表示問題的一種解法問題的一種解法35u 相關知識相關知識假設你是設計一項公共設施如電力、煤氣或水等應該如何傳輸到一個新的社區。一個網絡的點線或管道是必要連接到所有的家庭以及公共設施公司。每個家庭必須連接到網絡上的一個點，但其他線路從公共設施到房子間的線路通常不是很重要的，只要線路存在就行。這個任務設計的一個使總路徑最短的網絡稱作最小生成樹。36u 相關知識相關知識最小生成樹不僅在天然氣和電力網絡中很有用；他們幫助我們在不同應用如計算機網絡、電話網、石油管道和飛機航線中解決問題，然而，正

20、如上面所說的，你必須在考慮線路的代價的同時也考慮到線路的方便與否。這對在圖表中解決其他問題諸如“旅行商問題”如何尋找在網絡中訪問所有的節點最短的路徑第一步是很有用的。37u 相關知識相關知識最小生成樹問題存在高效的算法（方法）。一個簡單的最佳解決方法就是從沒有任何連接開始，然后不斷添加連接和增加規模，只把網絡中先前沒有連接的部分連接起來。這種方法之前已經提到過，但是學生們必須自己發現這種算法。這種算法在J.B.Kruskal于1956年發表之后叫做Kruskal算法。38問題問題2：網絡中的路由和死鎖：網絡中的路由和死鎖u關注焦點關注焦點解決問題的協作能力、邏輯推理的合理性、計劃編制u摘要摘要

21、人們在爭奪稀缺資源時，籌劃周密是必要的。當對資源的需求有依賴關系時(如：汽車使用公路，通過網絡獲取信息)，有可能出現“死鎖”的情況，在任何人繼續下去之前，死鎖都一直存在，因此，有些人總是必須返回的。協作程序要求每人在出現“死鎖”之前完成預想的結果。u專有名詞專有名詞路由，死鎖，信息傳輸39u原始問題原始問題橙子游戲橙子游戲6個小孩玩11個橙子的游戲，其中D小孩有一只手是空的。將孩子用字母做了標簽，橙子也同樣做了標簽，一個字母對應兩個橙子。孩子們穿同樣標記的衣服以展現他們的字母。這些橙子被混合在一起，使字母跟對應的小孩暫時不能在一起。孩子們一手舉著一個橙子。40游戲的目標是讓孩子們通過橙子，使每

22、個孩子最終持有他們相應的橙子-如：A小孩必須持有包含A標簽的橙子等等。這里有兩條必須遵循的規則：(a)小孩一只手只能舉一個橙子。(b)橙子只能通過空手，然后立即傳給圓中的鄰居。上圖的游戲規則是：只允許C或E的小孩傳橙子給D小孩。D小孩可以從C或E小孩傳得橙子。41游戲過程中，小孩們很快就會發現，如果他們“貪婪”(一旦得到自己的橙子就不放手)，那么該組可能永遠無法實現其目標。強調個人不“贏”的游戲是必要的，但在該游戲中，只有當每個人都有自己的橙子，這個問題才被真正解決。42u變換與拓展變換與拓展該游戲有很多可能的變化。例如： 1.嘗試在更大或者更小的圓圈中玩這種游戲。 2.有其它小孩進來的變異規則。 3.在小孩間不交談的情況下進行游戲。 4.嘗試用一種不同的配置傳遞消息，如：所有小孩坐在一條直線上，或者對某些小孩有兩個甚至更多的鄰居。(如右圖) 5.這個問題可以模擬出由一個人來操縱令牌，自動協作，但策略仍可加以探討。43u相關知識相關知識如道路系統和交通擁堵，電話和電腦系統中，路由和死鎖在許多不同類型的網絡是個重要的問題。工程師們花了很多時間來弄清楚如何解決這些問題，以及如何設計網絡，其中的問題是容易解決的。在許多不同類型的網絡里，路由、擁塞和死鎖，可成為當前令人沮喪的問題。試想一下，你最喜歡的時間，卻是交