2013.03.30,可視化計算,計算思維教學(xué)的一種探索ctec程向前,2013.03.30,概要,一、計算思維、算法思維和程序設(shè)計教學(xué)問題二、可視化計算工具與環(huán)境三、可視化計算的實踐進(jìn)展與成果四、計算思維教學(xué)愿景與成功關(guān)鍵因素五、需繼續(xù)進(jìn)行的工作,2013.03.30,背景,新的信息技術(shù)的出現(xiàn)會帶來計算機(jī)科學(xué)課程教學(xué)手段的變化計算思維是由周以真教授提出”讓計算機(jī)科學(xué)的重要理念成為普世教育一種愿景“而可視化計算環(huán)境的出現(xiàn)為以計算思維為切入點(diǎn)的大學(xué)計算機(jī)課程改革帶來了契機(jī),2013.03.30,問題的提出,計算思維的核心內(nèi)容之一是算法思維，而算法思維的貫徹存在兩大障礙算法思維依賴于程序設(shè)計基礎(chǔ)，而程序設(shè)計課程本身存在諸多困難，課程的廢存存在爭議；作為計算機(jī)專業(yè)學(xué)生，可以通過程序設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、離散數(shù)學(xué)和算法分析與設(shè)計等課程學(xué)習(xí)掌握算法，而非專業(yè)學(xué)生則一般沒有足夠的學(xué)時,2013.03.30,目前計算思維課程的做法,把計算思維的教學(xué)集中在概念和描述層次上無法運(yùn)行的算法概念對于學(xué)生來說難以形成真正的令人信服的思維能力把傳統(tǒng)的算法內(nèi)容直接引入大學(xué)計算機(jī)或課程無法掌握算法的設(shè)計并形成計算思維的能力,2013.03.30,程序設(shè)計是計算思維教學(xué)過程的主要難點(diǎn),通用程序設(shè)計語言過于復(fù)雜；學(xué)生更關(guān)注語法相關(guān)的學(xué)習(xí)，而不是獲得問題求解的技能；難以理解程序執(zhí)行的動態(tài)特性；編譯器報錯信息是面向?qū)I(yè)程序員設(shè)計的；將思考模型向程序設(shè)計語言的轉(zhuǎn)換過程過于復(fù)雜；求解所涉的問題與學(xué)生的日常經(jīng)歷相去甚遠(yuǎn),2013.03.30,程序設(shè)計面臨的問題,哪種程序設(shè)計技術(shù)或語言適用于初學(xué)者？哪種程序設(shè)計環(huán)境和教學(xué)路線可以應(yīng)用？學(xué)生如何能更加順利地從一種程序語言轉(zhuǎn)換到另一種？,2013.03.30,計算思維的教學(xué)境界,目前的程序設(shè)計尚處于“術(shù)”的境界而理想的計算思維應(yīng)該上升到“道”的境界計算思維離不開算法思維算法思維離不開程序設(shè)計（主要是邏輯設(shè)計）程序邏輯成為計算思維教學(xué)的必經(jīng)之路,2013.03.30,可視化技術(shù)與計算機(jī)教育,近年來計算機(jī)課程的改革中，可視化技術(shù)扮演了一個重要的角色目前常見的可視化技術(shù)：可視化程序設(shè)計算法可視化技術(shù)基于流程圖仿真的可視化計算環(huán)境,2013.03.30,可視化程序設(shè)計（VP）,“所見即所得”為原則，實現(xiàn)編程工作的可視化，程序與結(jié)果的調(diào)整同步VisualBasic、VisualC+、中文VisualFoxpro、Borland公司的Delphi初學(xué)者所面對的困難，并沒有得到太多的改善,2013.03.30,算法可視化(AV),描述算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可視化工具或動畫演示，已經(jīng)有30年以上的發(fā)展歷史主要應(yīng)用于計算機(jī)專業(yè)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法分析課程算法可視化工具包括：Alvlie,Jeliot3,Stelios,TRAKLA2,2013.03.30,可視化計算（VisualizedComputing,VC）,針對程序設(shè)計初學(xué)者的計算環(huán)境為初學(xué)者專門設(shè)計用戶友好的可視化界面；簡約的語言（或符號）和數(shù)據(jù)類型設(shè)計；無語法障礙的程序環(huán)境設(shè)計；針對初學(xué)者的報錯信息，便于理解算法中的問題；可顯示和表達(dá)算法效率（時間和空間復(fù)雜性）；支持程序運(yùn)行過程和結(jié)構(gòu)的動態(tài)顯示；支持將算法設(shè)計結(jié)果轉(zhuǎn)換為不同的主流程序代碼,2013.03.30,具有代表性的VC環(huán)境,VisualLogic；RAPTOR；Alice；Scratch,一種好的程序教學(xué)環(huán)境：簡單、有效、容易操作、引人入勝,2013.03.30,可視化計算的實踐進(jìn)展與成果（1）,2011年秋季，在電氣和能動專業(yè)的“大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)”課程中，首次RAPTOR替代傳統(tǒng)流程圖教學(xué)方法收獲了一批不錯的基本算法案例（例如完全數(shù)計算、使用圖形界面實現(xiàn)的爭上游撲克游戲等）,2013.03.30,可視化計算的實踐進(jìn)展與成果（2）,2012年春季，在“計算概論”課程中，將“不插電的計算機(jī)科學(xué)”案例，全部改成在可視化計算環(huán)境下實現(xiàn)由學(xué)生自主探索完成的大作業(yè)，收獲了一批重要算法案例,2013.03.30,自選大作業(yè)（33個）算法分類統(tǒng)計,2013.03.30,典型的學(xué)生反饋,以城市輕軌交通規(guī)劃為題的李一斐寫道：我的這次大作業(yè)，沒有涉及到老師課堂上所講的內(nèi)容之外的東西，但卻把課堂上所講的大部分知識都運(yùn)用了進(jìn)來，比如排序、查找、圖的輸入、鄰接矩陣、最小生成樹、最短路徑等等對我的能力是一個提升，對所學(xué)的知識得到了鞏固，也讓我學(xué)會了與同學(xué)交流學(xué)習(xí),2013.03.30,可視化計算的實踐進(jìn)展與成果（3）,2012年秋季，西北工業(yè)大學(xué)在”大學(xué)計算機(jī)”課程中，部分班級采用可視化計算環(huán)境（RAPTOR）進(jìn)行教學(xué)參與的學(xué)生包括復(fù)合材料與工程和自動化兩個專業(yè)學(xué)生共計157名，進(jìn)行了9個學(xué)時的可視化算法設(shè)計訓(xùn)練實驗，采用大作業(yè)的形式提交可視化算法設(shè)計結(jié)果,2013.03.30,西北工業(yè)大學(xué)的學(xué)生反饋,“工具小巧，迅速幫助我們掌握了計算機(jī)算法的初步概念和基本方法”“對編程這種看起來神秘的東西不害怕了，而且覺得很有趣”“能把現(xiàn)實生活中的一些問題轉(zhuǎn)化為計算機(jī)來求解，對計算機(jī)的工作原理理解的更透徹了”,2013.03.30,可視化計算的實踐進(jìn)展與成果（4）,2012年秋季，成都信息工程大學(xué)在“大學(xué)計算機(jī)”課程中，采用可視化計算環(huán)境（RAPTOR）對全校2600名學(xué)生進(jìn)行教學(xué)和實驗在期末考試中列入了可視化算法設(shè)計的內(nèi)容,2013.03.30,成都信息工程大學(xué)計算中心“大學(xué)計算機(jī)”網(wǎng)站,2013.03.30,程序設(shè)計與計算思維教學(xué),如果在“計算思維導(dǎo)論”中（假設(shè)學(xué)生為零程序設(shè)計基礎(chǔ)者）用可視化計算環(huán)境只需要四分之一的學(xué)時可完成程序邏輯的教學(xué)（變量、運(yùn)算符、程序基本結(jié)構(gòu)、子程序、文件輸入、基本圖形程序設(shè)計）剩余的四分之三如何用于計算思維的內(nèi)容教學(xué)？,2013.03.30,可以新增的內(nèi)容,問題的描述和抽象；抽象后的問題數(shù)據(jù)的計算機(jī)表達(dá)（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)應(yīng)用）；算法的探索和實現(xiàn)（文獻(xiàn)查找、自行設(shè)計：離散數(shù)學(xué)的應(yīng)用）；算法結(jié)果的輸出和可視化（普及性教學(xué)）,2013.03.30,一個實現(xiàn)計算思維教學(xué)愿景的探索之路,可以選擇和擴(kuò)展的計算思維教學(xué)內(nèi)容：算法的基本思想和計算復(fù)雜性（時間、空間復(fù)雜性、大O估算和驗證）；基本算法（窮舉、遞推、分段函數(shù)、模運(yùn)算、字符運(yùn)算、遞歸、組合、迭代等）；基本策略（貪心、回溯、分治、動態(tài)規(guī)劃、遞歸問題的非遞歸實現(xiàn)等）；有限狀態(tài)機(jī)與圖靈機(jī)（通用圖靈機(jī)和FSM設(shè)計與實現(xiàn)）；線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（排序與查找，棧與隊列）；非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（圖與樹算法）；計算工具與環(huán)境的選擇與評估,可視化計算清華大學(xué)出版社2013.1,2013.04.08,2013.03.30,計算思維教學(xué)的關(guān)鍵,真正解決計算思維教學(xué)效果的是教學(xué)方法的改革將“教師教、學(xué)生學(xué)的以教師為中心的教學(xué)方式”改為“教師引導(dǎo)，學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)的方式”上來同樣，即使采用可視化計算環(huán)境，沒有學(xué)生的主動參與，也不會產(chǎn)生任何積極的效果因此，以大作業(yè)為代表的鼓勵學(xué)生自主探索的學(xué)習(xí)形式，成為計算思維課程成功的重要過程,2013.03.30,求最大熵在計算思維教學(xué)中的應(yīng)用,保留教學(xué)成果的全部不確定性將學(xué)生能力滅失的風(fēng)險降到最小，將教學(xué)成果的多樣性做到最大教師可以給出作業(yè)的引導(dǎo)，但不規(guī)定作業(yè)的選題范圍鼓勵學(xué)生的選題超過“教師預(yù)期”允許學(xué)生“快速失敗”，重啟爐灶,2013.03.30,值得進(jìn)行的工作,作為可視化手段應(yīng)用效果的分析，需要建立在學(xué)生認(rèn)知偏好調(diào)查（ILS）的基礎(chǔ)上，盡管國外已經(jīng)有類似的調(diào)查結(jié)果但是鑒于中國教育行業(yè)的特殊性，有必要進(jìn)行國內(nèi)高校學(xué)生的認(rèn)知偏好調(diào)查，使得可視化計算的教學(xué)手段可以有的放矢,2013.03.30,認(rèn)知偏好的調(diào)查樣本,認(rèn)知偏好的四個維度：主動（ACT）vs.反射(REF)，感覺(SEN)vs.直覺（INT）,視覺（VIS）vs.言語(VRB)，順序(SEQ)vs.全局(GLO),2013.03.30,可視化：四種模式,在“大學(xué)計算機(jī)”課程中，替代傳統(tǒng)的流程圖開設(shè)的“計算思維導(dǎo)論”的主要教學(xué)和實驗平臺半個學(xué)期：可視化計算環(huán)境，半個學(xué)期：主流程序語言教學(xué)可視化計算環(huán)境與主流程序語言教學(xué)平行使用,2013.03.30,感謝電氣和能動學(xué)院2011屆,崔翰濤（樸素的完全數(shù)算法）吳昊（撲克牌爭上游）,2013.03.30,感謝少年103，104班,張錢東:那個著名的24點(diǎn)算法，啟發(fā)了高航：設(shè)計的算法就像她一樣漂亮黨元初：一個微縮版的MatLab張書洋：一批排序算法周夢遠(yuǎn)：一個數(shù)學(xué)奇才誕生了,2013.03.30,感謝,馮博琴教授倡導(dǎo)開展以“計算思維”為切入點(diǎn)的大學(xué)計算機(jī)課程教學(xué)改革李仁厚教授、黃尚恒教授、吳裕遠(yuǎn)教授建議的可視化計算書名本校周夢遠(yuǎn)同學(xué)、西電薛飛潔同學(xué)為本書中的程序樣例的設(shè)計與調(diào)試提供了重要的幫助；清華大學(xué)出版社焦虹主任和張民編輯對本書立項和和責(zé)任編輯戰(zhàn)曉雷出色的編輯所做的努力,2013.03.30,感謝,MartinC.Carlisle博士，作為可視化程序設(shè)計工具-Raptor的主創(chuàng)者之一對作者提出對該工具的設(shè)計改進(jìn)做出了詳盡和積極的答復(fù),2013.03.30,感謝,王飛躍院長對我們計算思維改革的關(guān)注,2013.03.30,感謝,周以真教授對我們計算思維改革的關(guān)注,2013.03.30,感謝40余位CCF代表和教師,關(guān)注了我們的計算思維改革，并提出積極中肯的反饋意見其中，上交大過敏意、湖南大學(xué)李仁發(fā)對“可視化計算”一詞的質(zhì)詢，直接導(dǎo)致了一個新名詞、新領(lǐng)域的誕生,2013.03.30,