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博文

关于大学计算机基础课程的思考

已有 7365 次阅读 2011-12-1 13:37 |系统分类:教学心得| 大学, 计算机基础

我不是大学计算机基础课程教师,以前也从来没有认真思考过这方面的问题。但最近发生的几件事,却引起了我对大学计算机基础教学的兴趣

1.  我校教务处做了一个非常愚蠢的决定,大幅削减全校计算类基础课程,特别人文学科方面减掉了两门课(根据大学基础课老师提供的信息);

2.  我们学院的一些年轻老师根据自己的授课经验在QQ群里谈了一些体会,使我很受益(虽然我并不完全赞同其中一些同事的观点);

3.  本次在深圳召开的中国计算机大会,很多专家都谈到了大学计算机教育的问题,陈国良院士的报告使我很受启发。

 

因此,我花了点时间整理了我的思路,写了这篇博文。

首先说一说我的观点(供参考):

1.  计算机技术对文科和工科的学生都十分重要,它不是一个可有可无的工具,它是这些学科中不可缺少的工程和研究方法。因此减少计算机基础类课程不合适;

2.  计算机基础课程确实需要改革,但改革不是减少,而是改变内容。认为计算机基础课程就是教非计算机专业的学生学习使用一些工具(如Word等)或教会他们一门语言都是不对的。

3.  我非常赞同陈国良院士的观点,计算机基础课程应重点教会学生计算思维,让他们能熟练地运用于本学科中。

4.  在中国计算机学术领域大佬们的推动下,计算思维也许会象“物联网”之类的概念一样获得国家自然科学基金委和科技部的立项。建立有申请意愿的老师们研究一下,不仅学生可以受益,说不定能拿到资金的资助。

 

然后,我分以下三点谈谈我的体会:

 

一、计算机学科的贡献

 

从计算机诞生之日起,计算机技术人员就一直从事着Computer和Computing的研究。如今,经过近七十年的发展,Computer已经从理论上发展到一个比较稳定的阶段,Computing成为计算机技术研究的主流,它已经渗透到我们社会生活的各个方面,我想信无论是谁,对此都会有自己的理解,这里列举几点(由于我在网络工程系,所以重点列举网络方面的例子):

1.  我们每时每刻都在享受Computing给我们带来的便利,计算机网络已经和交通网络、电信网络、水资源及电力网络一样,成为不可缺少的国民基础设施;

2.  根据麦肯锡的报告,互联网经济在国民经济中占有重要的比重。近十年,它占GDP的比重逾3.4%,超过农业和公共事业的比重,而且还在扩大;同时,它对世界经济增长的贡献超过20%(在以美国为首的西方发达国家,超过30%);互联网每摧毁一个就业岗位,就会新创造2.6个就业岗位。(参考报告[1,2])

 

不仅如此,计算技术对社会科学和自然科学的发展都产生了深远影响,我根据自己的理解和收集到的资料分别列举几个例子:

 

1.  对社会科学的影响

(1)  计算博弈理论正改变着经济学家的思考方式;已经有两位计算机科学家因其在人工智能和计算机科学方面的理论成就分别于1970年代和2000年代获得了诺贝尔经济学奖;如今,很多麻省理工学院的博士生在Wall Street从事金融分析方面的工作;

(2)  以本体论为基础的语义网技术、机器视觉技术等计算机技术正在帮助欧洲完善其法津体系,例如著名的POIROT项目[3];

(3)  社会计算产生了深远的影响,就是在网络十分封闭的中国,政府也开始意识到利用SNS等载体了解民情;统计与机器学习等技术已经广泛应用于推荐和声誉排名;

(4)  自然计算、生物计算理论、小世界网络理论等正在帮助人们如何处理社会危机,如何了解新产品扩展的渠道和风险等。(我校文法学院和管理学院都有教师成功申请过上述省级项目)

 

2.  对自然科学的影响

(1)  计算技术(特别是基于海量数据的统计和机器学习技术)已经完全颠覆了许多传统的专为领域技术。例如google(GOOGLE.ORG)从事的流行病调查项目,使得传统的调查技术从几个月提高到只需要几天。

(2)  生物计算正在改变生物学家的思考方式;例如,霰弹枪算法(Shotgun algorithm)大大提高了人类基因组测序的速度。

(3)  量子计算正改变着物理学家的思考方式。(来自陈国良院士的报告,对于这点我理解不深)

(4)  计算机科学的许多术语已经成为不同领域科学工作者的日常用语。

 

3.  对艺术的影响

(1)  知道《玩具总动员》是如何产生的吗?

(2)  你现在还在用胶片式照相机吗?

 

二、新形势下如何处理计算机学科对各学科的影响

以下内容来自陈国良院士报告[4]:

 

1.  在美国-计算思维概念的诞生和实践

 

1.1 2005年6月美国的PITAC报告

 

2005年6月,美国总统信息技术咨询委员会(PITAC)给美国总统提交了报告《计算科学:确保美国竞争力》(Computational  Science: Ensuring America’s Competitiveness)[5]。

(1) 报告写道:

虽然计算本身也是一门学科,但是其具有促进其他学科发展的作用。

二十一世纪科学上最重要的、经济上最有前途的研究前沿都有可能通过熟练的掌握先进的计算技术和运用计算科学而得到解决。

(2) 报告认为:

如今美国又一次面临了挑战,这一次的挑战比以往来得更加广泛、复杂,也更具长期性。

美国还没有认识到计算科学在社会科学、生物医学、工程研究、国家安全,以及工业改革中的中心位置。

这种认识不足将危及美国的科学领导地位、经济竞争力以及国家的安全。

(3)  报告建议:将计算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位。

 

1.2 2005年底至2006年初美国四大区的报告及建议

 

(1) 针对“计算学科与日俱增的重要性与学生对计算学科兴趣的下降”,美国NSF组织了计算教育与科学领域,以及其他相关领域的专家分四个大区(东北、中西、东南、西北)进行研讨,形成四份重要报告:

Report of NSF Workshop on Integrative Computing Education and Research(ICER) Northeast Workshop

Report of NSF Midwest Region Workshop on ICER: Preparing IT Graduates for 2010 and Beyond

Report from the Southeast Region Workshop on ICER: Preparing IT Graduates for 2010 and Beyond

ICER Final Report of the Northwest Regional Meeting

(2) 内容及建议:

以上四个文件分析了美国计算教育出现的问题,报告建议在美国国家科学基金的资助下全面改革美国的计算教育。以下两个问题和一个建议值得我们注意:

大学第一年计算机课程的构建问题;

多学科的融合问题;

报告建议加强美国中小学学生抽象思维与写作能力的训练,目的,使学生平稳过渡到大学的学习。

 

1.3 2007年美国NSF的CPATH计划

 

CPATH(Pathways to Revitalized Undergraduate Computing Education,大学计算教育重生的途径)计划认为:计算普遍存在于我们的日常生活之中,培养未来能够参与全球竞争、掌握计算核心概念的美国企业家和员工就变得非常重要。

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。鉴于此,NSF 2007年启动了CPATH计划,当年投入600万美元,2008年投入500万美元,2009年投入1000万美元,力图改变这种情况。

经过2007年和2008年的资助和项目实践,CPATH认识到“计算思维”在计划中所起的独特的重要作用,因此,对2009年申报的项目提出了更为具体的以“计算思维”为核心的要求。

 

1.4 2008年美国NSF的CDI计划

 

CDI(Cyber-Enabled Discovery and Innovation,计算使能的科学发现和技术创新)是美国国家科学基金会的一个革命性的、富有独创精神的五年计划,该计划旨在通过“计算思维”领域的创新和进步来促进自然科学和工程技术领域产生革命性的成果。

CDI计划2008年启动,当年批准了共计4200万美元的72个项目的立项申请,2009年投入2600万美元,2010年投入3600万美元。

2.  在中国-计算思维的实践与延续

 

计算思维(Computational Thinking,CT)是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为。CT的本质是抽象和自动化。它是如同所有人都具备“读、写、算”(简称3R)能力一样,都必须具备的思维能力。如何理解计算思维,也可以参考[8,9,10].

 

2.1 中国2050年信息科技发展路线图

 

由李国杰院士任组长的中国科学院信息领域战略研究组撰写的《中国至2050年信息科技发展路线图》中对“计算思维”给予了足够的重视,认为,计算思维的培育是克服“狭义工具论”的有效途径,是解决其他信息科技难题的基础。

长期以来,计算机科学与技术这门学科也被构造成一门专业性很强的工具学科,“工具”意味着它是一种辅助性学科,并不是主业。这种狭隘的认知对信息科技的全民普及极其有害。

 

2.2 计算机科学的变革

 

孙家广院士在“计算机科学的变革”一文中指出:(计算机科学界)最具有基础性和长期性的思想是“计算思维”(Computational Thinking)。

国家自然科学基金委员会信息科学部二处处长刘克教授,强调了在大学中推进“计算思维”这一基本理念的必要性。

中国科学院计算技术研究所研究员徐志伟总工认为:计算思维是一种本质的、所有人都必须具备的思维方式,就像识字、做算术一样;在2050年以前,让地球上每一个公民都应具备“计算思维”的能力。

中科院自动化所王飞跃教授率先将“计算思维”引入国内,翻译了周以真教授的“计算思维”,撰写了相关的“计算思维与计算文化”。他认为:在中文里,计算思维不是一个新的名词。在中国,从小学到大学教育,计算思维经常被朦朦胧胧地使用,却一直没有提高到周以真教授所描述的高度和广度,以及那样的新颖、明确和系统。他希望我们能借“计算思维”之东风,尽快把中国世故人情的“算计文化”反正成为科学理性的“计算文化”,以提高我们民族的整体素质。

 

2.3 中国高等学校计算机基础课教学指导委员会的近期工作:

 

2010.5: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?

2010.7: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。

2010.9: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。

2010.11: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。

2011.06: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”进行了讨论。

 

2.4 计算思维课程在中国高校中正式开始实践

上海交大(2010年秋季)和南方科大(2011年春季)正在试开新型计算机基础课程——“计算机科学导论:计算思维”。

2011年春季,在西安交通大学. 2011年秋季,在深圳大学

 

三、我的建议(供讨论)

1.  学院的老师们,特别是全校大学生基础课程的老师应该通过各种渠道向学校宣传大学计算机基础课程的重要性,引导学校的决策。不能放任教务处胡乱作为。

2.  由于师资和学生水平的限制,我们不可能象国内名校那样全面推广计算思维的概念,但可以在一些试点班试行。教师也可以通过学习计算思维的概念,逐步应用到课堂教学中。

3.  无论是文科还是理科,计算机类的课程至少应该是两门。第一门课是大学计算机基础,第二门应根据其专业特性有所侧重,但不能只教语言。

4. 互联网基础应该成为一门通识教育课程供全校学生选修。

 

参考文献:

 

1.  麦肯锡报告:互联网对经济增长贡献率超20%, http://www.techweb.com.cn/world/2011-05-25/1040650.shtml

2.  麦肯锡报告:互联网是经济发展的催化剂, http://www.techcn.com.cn/index.php?doc-view-162254.html

3.  www.ffpoirot.org

4. 陈国良, 计算思维:大学计算教育的振兴科学工程研究的创新, CNCC 2011. http://tech.sina.com.cn/it/2011-11-25/12016385155.shtml

5.  Computational Science: Ensuring America's Competitiveness, http://www.nitrd.gov/pitac/reports/20050609_computational/computational.pdf

6.  http://www.nsf.gov/funding/pgm_summ.jsp?pims_id=500025

7.  http://www.nsf.gov/crssprgm/cdi/related.jsp

8.  Great Principles of Computing, http://cs.gmu.edu/cne/pjd/GP/GP-site/welcome.html

9.  Tim,Bell. 孙俊峰等译. 不插电的计算机科学. 华中科技大学出版社, 2010.

10. 王飞跃. 计算思维与计算文化. http://www.edu.cn/zhuan_jia_ping_shu_1113/20071012/t20071012_258557.shtml.



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