计算思维与大学计算机基础教育(4)

　　七、计算思维导论课程的构建

　　大学计算机基础课程群一般由“大学计算机基础”、“算法与程序设计”、“计算机系统类课程（软/硬件基础）”，以及“信息处理与应用基础”等若干课程组成。其中，大学第一门计算机基础课程是计算思维培养的一个关键。对于第一门课程，我们初步构建了以计算思维为核心的课程内容，并命名为“计算思维导论”。下面，从该课程的地位、性质、任务等方面介绍该课程的大致内容。

　　1．课程的地位、性质、任务

　　本课程是大学一年级新生入学后的第一门计算机基础课程。课程从推动人类文明进步和科技发展的三大支柱出发，介绍计算思维的定义、本质、特征，以及计算思维对其他学科的重要影响。然后，从学科的根本问题，即“能行性”入手，介绍计算理论的有关内容，包括计算复杂性、图灵机、量子计算等内容。最后，介绍计算机的算法基础、程序设计语言、Python编程、计算机软硬件基础等内容。

　　2．课程的基本要求

　　课程要求学生了解计算思维的基本内容，了解人与计算机器能力的局限性，了解计算思维解决问题的一般步骤，理解计算在问题解决过程中所发挥的作用，初步掌握Python编程语言，能进行简单的程序设计。

　　3．教学内容

　　（1）计算思维基础知识：科学发现的三大支柱，计算学科的兴起，计算学科的作用，名人名言；什么是计算科学；什么是计算机科学；什么是计算思维；主要研究内容，主要特征（它是什么，它不是什么），计算思维对其他学科的影响。

　　（2）计算理论：可计算问题、停机问题、计算复杂性等；图灵机，冯·诺依曼计算机模型，存储程序计算机，基本组成原理等；非传统计算模型（量子计算、分子计算、光计算等）。

　　（3）算法基础：算法的基本概念（定义、分类、表达），算法的设计方法（迭代法、递归法、随机法、启发式法等），算法的分析（最坏情况分析、平均情况分析），基本算法介绍（求和、求积、最大/最小、排序、查找、基本的图算法等）。

　　（4）程序设计语言：程序设计的结构问题（程序的三种基本结构、GOTO语句的问题等）；语言的语法和语义；低级程序设计语言（机器二进制指令代码、符号汇编语言等），高级程序设计语言（C、Fortran、C++、Java、等）。

　　（5）Python编程基础：Python语言简介，，Graphicvisual——VPython简介，科学计算包Numpy，功能的Matplotlib（库），安装包NetworkX，生物信息软件平台Cytoscape等。基本要素：编程过程，注释，操作符，变量和函数，数据类型及转换，字符串，列表和数组，字典，判定结构，循环语句，比较符，参数，递归，迭代，随机数等。Python编程实例：基本输入/输出，定义函数，创建文件，直线式编程，for循环，调用文件，数组计算等。基于Python的实验：蒙特卡罗算法计算圆周率，控制和创建一个声音文件，仿真一个小型物理系统等。

　　（6）计算机硬件基础：数制与运算，布尔逻辑与门电路，计算机组成（CPU、存储器、I/O设备、系统互联），指令系统及执行，计算机体系结构，组网与因特网（网络基础、因特网协议）。

　　（7）计算机基础软件：操作系统（操作系统的体系结构、协调机器的活动），软件工程（软件生命周期、模块化、人机界面），数据库系统（数据库基础、关系模型），人工智能（智能与机器）。

　　4．教学方法的原则建议

　　以计算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。

　　5．教材与参考书目

　　（1）AllenDowney,JeffElknerandChrisMeyers.HowtoThinkLikeaComputerScientist.GreenTeaPress,2002.

　　（2）JohnZelle.PythonProgramming:AnIntroductiontoComputerScience.Franklin,Beedle&Associates,2004.

　　（3）J.GlennBrookshear.ComputerScience:AnOverview(10thEdition).AddisonWesley,2009.

　　（4）DavidHarel,YishaiFeldman.Algorithmics-TheSpiritofComputing(3rdedition).Addison-Wesley,2004.

　　（5）JeannetteM.Wing.ComputationalThinking.CommunicationsoftheACM,2006,49(3).

　　（6）TimBell,IanWhitten,andMikePowell.Computerscienceunplugged.www.unplugged.canterbury.ac.nz.

　　本届教指委在上届教指委工作的基础上，总结了计算机基础教学的发展规律，做了三件大事：即计算机基础教学的能力培养目标、知识体系和实验体系、核心课程的基本要求。教指委的这些工作，创造性地建立了计算机基础教学科学化和规范化的教学研究方法，形成了比较科学的基础课程教学体系，这些都为以计算思维能力培养为核心的计算机基础课程教学改革奠定了良好的基础。本届教指委为新一轮的大学计算机基础课程改革作了大量的前期准备工作。在2010年5月的合肥会议上，探讨了计算思维融入计算机基础课程的问题，2010年月召开的西安会议，2010年9月召开的太原会议，均把计算思维列为会议的主要议题，特别是在《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》中，确定了以计算思维为核心的计算机基础课程教学改革[14，15]。

　　15年11月的济南会议在更大范围内，讨论以计算思维为核心的课程教学改革。我们正在积极向教育部领导建言和申请立项，开展“计算思维：确保学生的创新能力”的大学计算机基础课程教学改革的研究。我们现在不仅仅是在谈论，而且是在具体做了，包括上海交通大学2010年秋季开设的实际上就是计算思维的课程，以及南方科技大学即将开设全新的大学计算机基础课程——计算思维导论。

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