20141215-大学计算机第1讲-计算机-计算-计算思维

第一门课程
大学计算机
计算 与程序
学生不会编程序，不一定是语言没学好，而可能是没有理解程序的真谛
课程导引 (2)课程内容选择与划分?
战德臣 教授
程序是如何被执行的？ 如何编写让计算系统 执行的程序？
内存环境下程序的执行 复杂环境下程序的执行 由机器语言到高级语言及其编译
第一门课程
大学计算机
计算 与程序 计算 系统
计算机 文化基础 软件与操作
基本概念
流行软件产品的使用介绍
学校数 量示意
引子—致大学计算机(基础)课程的所有教师 2.《大学计算机》课程的矛盾与人们观念上的偏差
计算学科-
战德臣 教授
内容
第一门课 大学计算机
矛盾
学生基础
课程学时
课程应该是： 与 《 大 学 数 学 》 、 《大学英语》一样地位? 举足轻重、不可或缺 水平很高 vs. 课程现状却是： 没有地位 无足轻重、可有可无 水平不高
社会计算 计算广告学 媒体计算
事务管理 数据分析与 数据聚集 与数据库 数据仓库 与大数据
数据 化
0和1
程序
递归
课程导引 (7)为什么学?
战德臣 教授
为什么学习计算思维 而不是学习具体软件的应用?
课程导引 (8)各学科人才需要计算思维，以便形成复合型的创造性思维
战德臣 教授
化学学科工作者 利用计算手段进 行本学科的科学 研究 计算思维 的学习和 训练 计算思维/计算能力 应用计算 手段进行 各学科研 究和创新
学生不会编程序，不一定是语言没学好，而可能是不理解执行程序的环境
课程导引 (2)课程内容选择与划分?
算法类问题求解框架 问题与数学建模
战德臣 教授
问题
难解问题
算法策略设计
环境 数据结构与控制结构 复杂性与正确性 受限资源约束下的算法 降低计算量的算法 算法
计算
算法
第一门课程
大学计算机
计算 与程序 计算 系统 算法 思维
引子—致大学计算机(基础)课程的所有教师 3.《大学计算机》课程面临的严峻问题 目的 不清
战德臣 教授
为什么要讲?
内容不 明确
核心内容是什么?---无共识。后果是水平低
缺少思 维训练
更多的讲“事实”，很少讲思维 学生接受不了“深”吗? 怎样深入? 仅是程序设计吗?仅是算法解题吗? 教学内容陈旧
《大学计算 机》课程的 存废之争?
引子—致大学计算机(基础)课程的所有教师 1.《大学计算机》课程的发展历程
战德臣 教授
《大学计算机》是大学教育中 “不可缺少”的独立课程。
大学计算机
计算思维
讲授计算思维----大学生创造性思维培养的重要组成 知识传授与素养培养贯穿于思维教学当中
大学计算机 基础
计算机 应用基础 应用与素养
课堂教学(任务驱动的共性知识讲授)与实验教学 (流行软件产品应用技能训练)的分工
战德臣 教授
第3讲-程序与递归-组合-抽象-构造 第4讲-冯-诺依曼计算机器-程序执行 第5讲-现代计算机-复杂环境下程序执行 第6讲-由机器语言到高级语言-程序编写编译 第7讲-算法-程序与计算系统之灵魂 第8讲-怎样研究算法-排序算法研究示例 第9讲-怎样研究算法-遗传算法研究示例 第10讲-怎样管理和利用数据I 第11讲-怎样管理和利用数据II 第12讲-怎样连接和利用网络I 第13讲-怎样连接和利用网络II
教学内容规划 --课程讲/节的划分及 课程讲/节之间的关联 --100分钟/课程讲 教学内容的分解 --问题小节的分解及问 题小节之间的关联 --8-12分钟/问题小节 问题小节独立问 题小节之间关联课 程节间形成体系
课程导引 (4)课程教学的支持手段?
战德臣 教授
学生
教师
中国大学MOOC课程《大学计算机-计算思维导论》
人-计算与机器-计算? (1) “人”计算与“机器”计算的差别?
战德臣 教授
什么是机器自动计算?
通过案例理解自动计算与人计算的差别
人-计算与机器-计算? (1) “人”计算与“机器”计算的差别?
战德臣 教授
例如：求ax2+bx+c=0的根 人-求解
人进行计算： 一条规则可能很复杂, 但计算 量却可能很小 人需要知道具体的计算规则 特定规则，只能求: a1x2+a2x=c
课程导引 (3)课程内容的章节安排? 第1讲-计算机-计算-计算思维 第2讲-符号化-计算化-自动化
0和1与易经----语义符号化表达与计算 0和1与逻辑----思维方式与逻辑运算，符号表达与计算 0和1与数值----二进制(数值性信息)与算术运算，符号计算 0和1与字母与符号----编码(非数值性信息)，符号计算 0和1与电子元件----基本硬件实现(开关和门电路)，计算自动化 0和1与电路----复杂部件的硬件实现(芯片、主板)，分层构造与构造集成
人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器?
战德臣 教授
n
n2
一阶差分 n = n2-(n-1)2
二阶差分 n = n - n-1
0
0
仅需能够进行加法运算 1 3 5 7 9 2 和减法运算； 其他运算可通过组合加 法与减法运算来实现； 例如: 乘方运算? 多项式运算? 初始值不一样，计算的
学生不会编程序，不一定是语言没学好，而可能是未理解为什么要研究算法
课程导引 (2)课程内容选择与划分?
战德臣 教授
数据化： 数据获取数据管理数据分析与运用 网络化：机器网络信息网络群体互动网络网络化社会
第一门课程
大学计算机
计算 与程序 信息 素养
计算 系统
算法 思维
学生不会编程序，不一定是语言没学好，而可能是未理解计算与社会/自然的融
机器-求解 (1)从-n到n，产 生x的每一个整 数值； (2)将其依次代 入到方程中计 算; (3)如果其值使 方程式成立， 则即为其解； 否则不是
利用上述公式 计算得到x值
机器-自动计算：
每条规则可能很简单, 但计算 量却很大
机器也可以采用人所使用的
计算规则 一般性的规则，可以求任意: a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c
课程导引 (9)怎样学--贯通的知识才是思维?
战德臣 教授
பைடு நூலகம்
怎样学习计算思维?
课程导引 (10)怎样学--贯通的知识才是思维?
战德臣 教授
表层 意义
深层 意义
集成 意义
知识
知识的贯通-
思维
语义符号化 符号计算化 计算0(和)1化 0(和) 1自动化 分层构造化 构造集成化；
社会/自然现象 逻辑 二进制 电路 集成电路 计算机 场景的理解(场景问题求解技巧)；场景术语/概念(为区分场
什么是真正的会“编程序”呢?
引子—致大学计算机(基础)课程的所有教师 5. 对学生的认识是这样的吗?
战德臣 教授
二本/三本的学生是否不需要计算思维? 二本/三本的学生是否理解不了计算思维?
第1讲 计算机、计算与计算思维
战德臣
哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员
GAUSSIAN软件包
1998年诺贝尔化 学奖奖励给一个 计算手段的研究 者-- John Pople
知识/技能 计算机及 其通用计 算手段的 应用 当前的非计算机专业 计算机关注点 Gap
支持各学 科研究创 新的新型 计算手段
非计算机专业学生 的未来计算能力
支持面向化学学科计算 手段研究的计算思维 --符号化计算化自动化 --算法、程序与计算系统 --数据化与网络化思维 ……
课程导引 (5)什么是?有哪些?
战德臣 教授
什么是计算思维? 有哪些经典的计算思维?
并非让学生去记住计算思维的概念
课程导引 (6)计算(机)科学有哪些计算思维需要学习?
社会/自然 的计算化 算法 生物计算 计算生物学 计算语言学 计算物理学 计算化学 量子计算/ 光子计算 云计算 环境 并行分 布环境 移动计算 系统
1、程序是如何被机器自动执行的：程序vs.系统? 2、如何编写机器可以执行的程序：语言vs.编译? 3、怎样构造求解问题的算法：问题算法程序?
课程导引 (2)课程内容选择与划分?
战德臣 教授
计算与计算思维 符号化计算化自动化
计算系统 与 程序构造
程序构造方法：递归与迭代
由社会/自然到计算的、最基 本的抽象(Abstraction)与自 动化(Automation)机制
1
2 3 4 5
1
4 9 16 25
2
2 2
(n+1)2 = n2 + n + n
多项式也是不一样的；
人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器?
战德臣 教授
/*类C语言表达的计算规则—程序 Main() { int k, n, square[ ], alpha[ ], beta[ ]; input k; square[0]=0; 输入不同的初 square[1]=1; 始值便可计算 square[2]=4; 不同的一元二 alpha[1] = 1; 次多项式的值 for n=2 to k-1 { alpha[n] = square[n] - square[n-1]; beta[n] = alpha[n] - alpha[n-1]; square[n+1] = square[n] + alpha[n] + beta[n]; } output square[k]; }
OK Z hanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology
课程导引
战德臣
哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员
OK Z hanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology
课程导引 (1)课程内容组织的基本脉络?
战德臣 教授
本课程学什么? 课程内容组织的基本脉络?
大学计算机-计算思维导论
战德臣
哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员
OK Z hanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology
战德臣 教授
计算/求解 的自然化
智能计算 纳米计算 神经计算
企业计算 计算工程学 服务计算 云计算
抽象
计算经济学 计算统计学 计算金融学
模型 语言 协议
自动化 个人计 算环境
系统
编译器 编解 码器
网络 化
计算机计算机科学计算科学
物联网; 知识网; 服务网; 社会网 互联网： 局域网/广 信息网络/ 域网：机 广义资源 器网络 网络 冯. 诺 依曼机
人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器?
战德臣 教授
/*类C语言表达的计算规则—程序 Main() { int k, n, square[ ], alpha[ ], beta[ ]; square[0] input k; square[1] square[0]=0; square[2] square[3] square[1]=1; square[4] square[2]=4; square[5] alpha[1] = 1; … for n=2 to k-1 { alpha[n] = square[n] - square[n-1]; beta[n] = alpha[n] - alpha[n-1]; square[n+1] = square[n] + alpha[n] + beta[n]; } output square[k]; }
浅/泛 示例不精
面窄/ 无体系
陈旧
概念 化 误“用”
以概念讲概念，以概念讲原理 怎样理解“用”?工具 vs. 思维?
引子—致大学计算机(基础)课程的所有教师 4.学习计算机只是学习“使用吗”?
战德臣 教授
计算机就是用电脑、用软件吗?
计算机就是编程序吗?
编程序就是计算机语言(C语言、Java语言等等)吗?
课程导引 (1)课程内容组织的基本脉络?
7、针对具体的自然/社会问题如何计算? 8、计算如何与社会/自然进行融合?
战德臣 教授
自然/社 会问题
计算
自然/社会 问题的求 解结果
人-计算
机器-自动 计算
机器-难于 计算
4、可求解 vs.难求解? 5、如何降低计算量：计算vs.算法? 6、怎样研究算法?
景的不同要素而提出概念，而不是为概念而概念)
大思维 与 小技巧 可视化可实现的思维，而非实现的细节 宽度与深度相结合 计算思维与科学素养培养
人-计算与机器-计算？
战德臣
哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员
OK Z hanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology