计算机思维给计算机教学带来的挑战_张铭.

计算机思维给计算机教学带来的挑战张铭北京大学信息学院[e-mail]新浪微博@张铭PKUCS•ShortfilmstarringBillGates,MarkZuckerberg,JackDorsey,will.i.am,ChrisBosh,manyothers.•DirectedbyLesleyChilcott(AnInconvenientTruth)Whatmostschoolsdon’tteachCHALLENGEPLANUSYOU内容提要•计算学科的定义•计算思维教育的目的与作用•计算思维给计算机教学带来的挑战•计算思维表述体系框架•总结“计算作为一门学科”•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.–培养学生面向学科的思维能力，使学生领会学科的力量，以及从事本学科工作的价值之所在–希望能用类似于数学那样严密的方式将学生引入到计算学科各个富有挑战性的领域之中数学——所有学科和上帝的关系什么是计算学科计算——所有学科和人类的关系抽象物理世界虚拟世界计算学科的根本问题•学科的根本问题–什么能被（有效地）自动进行•计算学科来源–算法理论、数理逻辑、计算模型、自动计算机–与存储式电子计算机的发明一起形成于20世纪40年代初期计算学科的根本问题•学科的根本问题–什么能被（有效地）自动进行•计算学科来源–算法理论、数理逻辑、计算模型、自动计算机–与存储式电子计算机的发明一起形成于20世纪40年代初期计算思维的提出•2006年3月，美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授在《CommunicationsoftheACM》提出•计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动•理论科学、实验科学和计算科学作为科学发现三大支柱，正推动着人类文明进步和科技发展。以设计和构造为特征的计算思维，以计算机学科为代表•运用计算机科学的基础概念–进行问题求解–系统设计–以及人类行为理解•涵盖了计算机科学中一系列思维活动科学与科学思维10计算思维给计算机教学带来的挑战•美国计算机科学技术教师协会则认为计算思维的教育应存在于每一所学校的每一堂课程的教学中。•该协会认为，对于一个要解决的问题，教师应有意识提出以下问题：（1）人与计算机的计算能力有多大，各自的局限性是什么？（2）研究的问题复杂性有多大？（3）问题解决的判定条件是什么？（4）什么样的技术可以应用于当前的问题讨论中？（5）什么样的计算策略更能有效地解决当前的问题？计算思维给计算机教学带来的挑战•传统的教学中，计算思维是隐藏在能力培养内容中的，要靠学生“悟”出来•明确提倡计算思维，让学生自觉地去学习，提高培养质量，缩短迷茫的时间12计算机思维教育的目的和作用•计算思维教育的目的是培养一种思维习惯，一种像计算机科学家思考问题那样的习惯。•计算机思维提供了提供了理解物理、社会以及其他现象的一个新视角，指出了解决问题的一种新途径，强调了创造知识而非使用信息，提高了人们的创造和创新能力。•示例：人类基因组计划、折纸的结构、网上购物推荐系统、亚马逊等。2019/12/16计算思维表述体系框架•沿用ACM前主席Denning在项目“伟大的计算原理”中定义的分类–计算，通信，协作，记忆，自动化，评估和设计。•ComputingasaDiscipline–学科形态：理论、抽象、设计•“抽象”是一个重要的伟大原理，应纳入框架之中。计算抽象自动化设计通讯协作记忆评估图1：不同概念原理在计算思维表述体系框架中的层次关系2019/12/16计算思维表述体系框架分类关注点核心概念计算什么能计算，什么不能计算大问题的复杂性、效率、演化、按空间排序、按时间排序；计算的表示、表示的转换、状态和状态转换；可计算性、计算复杂性理论抽象关注对象的本质特征概念模型与形式模型、抽象层次；约简、嵌入、转化、分解、数据结构（如队列、栈、表和图等）、虚拟机自动化信息处理的算法发现算法到物理计算系统的映射，人的认识到人工智能算法的映射；形式化（定义、定理和证明）、程序、算法、迭代、递归、搜索、推理；强人工智能、弱人工智能设计可靠和可信系统的构建一致性和完备性、重用、安全性、折中与结论；模块化、信息隐藏、类、结构、聚合通信不同位置间的可靠信息移动信息及其表示、香农定理、信息压缩、信息加密、校验与纠错、编码与解码协作多个自主计算机的有效使用同步、并发、死锁、仲裁；事件以及处理、流和共享依赖，协同策略与机制；网络协议、人机交互、群体智能记忆媒体信息的表示、存储和恢复绑定；存储体系、动态绑定（names、Handles、addresses、locations）、命名（层次、树状）、检索（名字和内容检索、倒排索引）；局部性与缓存、trashing抖动、数据挖掘、推荐系统评估复杂系统（含自然系统与人工系统，如地震，核武器）的性能预测可视化建模与仿真、数据分析、统计、计算实验；模型方法、模拟方法、benchmark；预测与评价、服务网络模型；负载、吞吐率、反应时间、瓶颈、容量规划南京大学《计算思维导论》数字化与计算思维像计算机科学家一样思考从数学模型到计算模型抽象数据类型如何让计算机高效正确地解决问题算法方法计算机如何改变科学、技术与工程模拟计算机网络如何改变我们的工作与学习互联与搜索网络计算与服务教学内容什么是难解问题？不可解问题?计算的代价和局限突破限制并行与随机神话与现实人工智能海量带来质变数据挖掘计算的风险计算技术的滥用样例•数字化与计算思维–像计算机科学家一样思考•问题求解的过程–问题抽象–算法抽象–数据抽象样例（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ComputerScienceUnplugged•CSUnpluggedisabookofactivitiesthatillustratecomputerscienceprincipleswithoutusingacomputer.•Activitiesareshortandaredesignedtobeeasilyintegratedintoclassesandincludeexercisesandlessonplansforteachers.CARDFLIPMAGIC•Hereisanexampleofparityinreallife:1X10=104X9=362X8=165X7=359X6=543X5=157X4=286X3=187X2=14226/11=20remainder6ChecksumDigit=11-6=52019/12/16总结•计算思维就是一个引导着计算机教育家、研究者和实践者的宏大愿景•特别需要抓住尚未进入大学或刚进入大学的听众，包括老师、父母和学生，向他们传送下面两个主要信息：(1)智力上的挑战和引人入胜的科学问题依旧亟待理解和解决。这些问题和解答仅仅受限于我们自己的好奇心和创造力；(2)一个人可以主修计算机科学而从事任何行业。•传播计算机科学的快乐、崇高和力量，致力于使计算思维成为常识国际动向•张铭，2013年担任–ACMEducationCouncil–中国ACM教育专委会主席•两大关注点：–CS2013，BigTant（大帐篷）–还有MOOC(大规模在线学习)2019/12/162012，MOOC元年••edX——全球35所精英大学，代码开源可自建MOOC课•Coursera——合作大学很多•Udacity——影响力比较大•TheKhanAcademy•UniversityofReddit•MITOpenCourseware•StanfordCoursesonvideo•OpenYaleCourses•BerkeleyLectures•OpenCourseWareConsortium12/16/201923://课程特色•短视频7分钟左右（不超过20分钟）•ppt或pdf，及其他辅助课件•每周一次作业（单选、多选、字符串比对、论文互评等）•讨论区（学生自助文档，老师、助教引导）•考试12/16/201926edXUdacityCoursera免费结业证书免费结业证书为企业推荐优秀学生的付费服务为学生推荐工作的付费服务高等技能培训的付费课程免费结业证书学生付费获得学分线上或线下付费辅导额外的付费学习服务为企业推荐优秀学生的付费服务企业付费运行自己的培训课程12/16/201927AssortedInputs…USDept.ofLaborITcompetencymodelEUICTCompetenciesEMC’s5pillarsofIT–Operations–Applications–InformationStorage–Database–NetworkSIGITE’sITPillars–Programming–Networking–HumanComputerInteraction–Database–WebSystems–(ITProblemSolving)CSTAStrands(ComputerScienceStandards)–ComputationalThinking–Collaboration–CompUtingPractice–Computers&CommunicationDevices–Community,Global&EthicalImpactsASSECTModelforComputationalThinkinginIT(NSFCCF0939089)–LogicalThinking–Strategizing–AbstractThinking–ProceduralThinking–Optimizing–IterativeUSDept.ofLaborInformationTechnologyCompetencyModel教指委计算思维项目组•7月15日和16日：微软研究院在美国西雅图举办的第14届教育峰会–美国高校计算机院系负责人交流–“计算思维”概念的提出者，现任微软副总裁JeannetteM.Wing教授等人座谈•第二届“计算思维与大​学计算机课程教学改革​研讨会”（7月3​0~31日哈尔滨）2019/12/16参考文献•张铭，李文新，陈徐宗，梅宏.北京大学计算机系本科课程改革进展[J]。计算机教育，2009，（5）：PP7-11.•MingZhang,VirginiaLo,UndergraduateComputerScienceEducationinChina.SIGCSE2010,March10-13,2010,Milwaukee,WI,USA.•董荣胜，计算思维的表述体系•JeannetteM.Wing,ComputationalThinking:TwoandaHalfYearsLater,2008–~CompThink/seminars/wing/cmu-ct.ppt•ComputerScienceCurricula2013(CS2013)–•Denning,P.J.,Comer,D.E.,Gries,D.et.al.,1989.Computingasadiscipl