HPC2015-计算思维-大学计算教育的振兴,科学工程研究的创新.pdf

计算思维： 大学计算教育的振兴 科学工程研究的创新 陈国良 2011年10月 摘要： 本报告首先简单介绍一下科学与 思维的概念、两者的关系以及科学思 维是一切科学与技术创新的灵魂；然 后详细讲解计算思维的定义、实例、 特征以及对其他学科的影响；最后阐 述计算思维是振兴大学计算教育的途 径以及计算思维促使科学与工程领域 产生革命性的创新成果。 2 目录 一. 科学与思维 1. 科学与思维的含义 2. 人类文明进步和科学发现的三大科学 3. 科学与思维 二. 计算思维 1. 计算思维的定义 2. 计算思维的实例 3. 计算思维的特征 4. 对计算思维的进一步理解 5. 计算思维对其他学科的影响 三. 计算思维是大学计算教育振兴的途径 1. 大学计算机基础教育的重要性 2. 大学计算机基础教学存在的问题 3. 计算思维在美国：美国NSF 的CPATH计划 4. 计算思维在我国：中国高等学校计算机基础课程教指委工作 5. 实例研究：大学计算思维课程的总体框架 四. 计算思维与科学发现和技术创新 1. 美国NSF 的七大学部（局） 2. 美国CISE局启动的CDI计划 3. 研究示例：网络科学与虚拟实验室 4. 计算思维研究在我国：几个待思考的问题 五. 结论 3 一、科学与思维(1) 1.科学与思维的含义 (1)科学 ① 达尔文曾给科学下过一个定义：“科学就是整理事实，从中发现规律， 作出结论”。 ② 科学一般包含：自然科学、社会科学和思维科学。 (2)思维 ① 思维是高级的心理活动，是认识的高级形式。 ② 思维是人脑对现实事物概括、加工、揭露本质特征。 ③ 人脑对信息的处理包括分析、抽象、综合、概括等。 2. 人类文明进步和科学发现的三大科学 (1)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。 (2)该说法已被科学文献广泛引用，并在美国得到国会听证、联邦和私人 企业报告的承同。 4 一、科学与思维(2) 3. 科学与思维 (1) 一般而论，三种科学对应着三种思维： ① 理论科学 ←→ 理论思维： 理论思维又叫推理思维，以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。 ② 实验科学 ←→ 实验思维： 实验思维又叫实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为 代表。 ③ 计算科学 ←→ 计算思维： 计算思维又叫构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。 (2) 科学思维的含义及重要性： ① 一般指的是理性认识及其过程，也即经过感性阶段获得的大量材料，通 过整理和改造，形成概念、判断和推理，以反映事物的本质和规律。 ② 国科发财 〔2008 〕197号文 《关于创新方法工作的若干意见》认为“科学 思维不仅是一切科学研究和技术发展的起点，而且始终贯穿于科学研究 和技术发展的全过程，是创新的灵魂”。