《計(jì)算思維與實(shí)踐》課程教學(xué)大綱

PAGEPAGE10《計(jì)算思維與實(shí)踐》課程教學(xué)大綱一、課程基本信息課程代碼：16211601/16211602課程名稱：計(jì)算思維與實(shí)踐英文名稱：ComputationalThinkingandPractice課程類別：通識(shí)選修課學(xué)時(shí)：16/32學(xué)分：1/2適用對(duì)象:非計(jì)算機(jī)類專業(yè)本科學(xué)生考核方式：考查先修課程：無二、課程簡介中文簡介計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算學(xué)科的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解的思維活動(dòng)，計(jì)算思維是的培養(yǎng)是信息時(shí)代對(duì)人的基本要求，因此在大學(xué)本科階段開設(shè)這門課程是十分重要和必要的。《計(jì)算思維與實(shí)踐》課程是一門計(jì)算機(jī)類通識(shí)型課程，也是高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)公共課程之一。該課程從培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知能力出發(fā)，讓學(xué)生理解和建立“信息、計(jì)算、智能”這三大核心科學(xué)概念；圍繞計(jì)算思維的精髓培養(yǎng)學(xué)生掌握以“合理抽象、高效實(shí)現(xiàn)”為特征的構(gòu)造性過程的能力；讓學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展，展示計(jì)算之美。初步達(dá)到傳承計(jì)算文化、弘揚(yáng)計(jì)算之美、培養(yǎng)計(jì)算思維的目的。英文簡介Thiscourseofcomputationalthinkingandpracticeisaboutcomputationaldisciplinesofbasicconceptsofproblemsolving,systemdesign,andhumanbehaviorunderstandingofthinkingactivity,computationalthinkingisthetrainingisbasicrequirementsoftheinformationageto,thereforeintheundergraduatestageopenedthiscourseisveryimportantandnecessary.Thecourseisanormalcomputercourse,butalsooneofthebasicpubliccourseofComputerScienceinCollegesandUniversities.Thepurposeofthecourseisforthecultivationofstudents'cognitiveabilityandmakestudentsunderstandandestablishthecorescientificconcepts：information,computing,intelligentandsoon.Thecourseisaroundthecalculatedtheessenceofthinkingtotrainthestudentstomasterthereasonableabstraction,efficientimplementationfeatureconstructionprocess;Itmakestudentsunderstanddisciplinedevelopment,showingcomputationalbeauty.Thepurposeofthecourseisinheritingthecultureofcalculating,carryingforwardthecalculationoftheUnitedStates,andcultivatingthecomputationalthinking.三、課程性質(zhì)與教學(xué)目的本課程除了需要介紹計(jì)算思維理論，還需要處理好理論和實(shí)踐之間的關(guān)系。在理論上有一定的深度和難度，如何利用實(shí)踐教學(xué)的環(huán)節(jié)幫助學(xué)生掌握理解基本概念和基本原理是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)。只有通過精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)才能使學(xué)生掌握信息、計(jì)算、智能基本概念，以及掌握求解問題的基本思路和能力。同時(shí)，讓學(xué)生在編寫程序的過程中體會(huì)到：程序中的每一條語句都要遵守語法規(guī)則，每一條語句都有它存在的意義時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考自己作為青年大學(xué)生，要嚴(yán)格遵守疫情期間國家和學(xué)校的指示，要勇敢回應(yīng)時(shí)代的挑戰(zhàn)，要勇做歷史使命和責(zé)任的傳承人。本課程的教學(xué)目的是通過作為輕語法程序設(shè)計(jì)典型代表的Python語言為載體，重點(diǎn)訓(xùn)練學(xué)生理解并實(shí)踐計(jì)算思維，掌握解決計(jì)算問題的能力。主要培養(yǎng)過程包括如下四個(gè)階段：第一階段：計(jì)算機(jī)的組成與工作原理，包括計(jì)算機(jī)的起源、計(jì)算機(jī)的特征、計(jì)算機(jī)的工作過程、計(jì)算機(jī)程序、程序設(shè)計(jì)語言、計(jì)算機(jī)程序中數(shù)的表示等，加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)的理解第二階段：計(jì)算思維的思想與方法，包括計(jì)算思維概念理解，基本的程序設(shè)計(jì)方法、Python語言基本語法等，訓(xùn)練學(xué)生通過程序設(shè)計(jì)理解計(jì)算問題求解。這部分涉及的計(jì)算思維概念包括：抽象、自動(dòng)化、程序、算法等。這些概念講解融入Python語言語法和程序設(shè)計(jì)基本方法中，包括用Python語言實(shí)現(xiàn)分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，函數(shù)調(diào)用以及數(shù)組與字典的實(shí)現(xiàn)方法。第三階段：問題的抽象與算法設(shè)計(jì)。進(jìn)一步豐富計(jì)算思維的內(nèi)涵和外延。訓(xùn)練學(xué)生從問題求解的高度理解計(jì)算思維。這部分涉及的計(jì)算思維方法包括：窮舉法、遞歸法、分治法、回溯法和貪心法等。第四階段：復(fù)雜計(jì)算問題的求解過程和算法比較。通過幾個(gè)類型實(shí)例運(yùn)用計(jì)算思維，結(jié)合算法分析和比較等訓(xùn)練學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維求解復(fù)雜計(jì)算問題。四、教學(xué)內(nèi)容及要求第一章計(jì)算機(jī)的組成與工作原理目的與要求認(rèn)知目標(biāo)：使學(xué)生認(rèn)識(shí)、了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成及簡單工作原理。技能目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考和尋求求解方法的能力。能力目標(biāo)：培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)的興趣，促進(jìn)其個(gè)性發(fā)展。教學(xué)內(nèi)容計(jì)算機(jī)的起源主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)發(fā)展史中國計(jì)算機(jī)的發(fā)展史中國計(jì)算機(jī)事業(yè)的起步比美國晚了13年，但是經(jīng)過老一輩科學(xué)家的艱苦努力，中國與美國的差距在不斷得縮小。計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域基本概念和知識(shí)點(diǎn)電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、大規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路。問題與應(yīng)用（能力要求）問題：生活中，計(jì)算機(jī)無處不在，計(jì)算機(jī)能幫我們做什么？為什么計(jì)算機(jī)能做這么多事情？請(qǐng)預(yù)測一下，對(duì)于你們各自的專業(yè)，計(jì)算機(jī)哪些領(lǐng)域是你所學(xué)專業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢？（科學(xué)計(jì)算（早期）、辦公自動(dòng)化、數(shù)據(jù)處理與分析（信息管理）、生產(chǎn)自動(dòng)化（過程控制）、輔助設(shè)計(jì)、多媒體應(yīng)用、人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等）講到辦公自動(dòng)化軟件，引入求伯君開發(fā)國產(chǎn)文字編輯軟件WPS從而打破壟斷的艱辛歷程。（增強(qiáng)對(duì)國產(chǎn)軟件的自豪感）要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，對(duì)計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程有個(gè)初步的了解。計(jì)算機(jī)的特征主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)工作原理計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)的工作過程基本概念和知識(shí)點(diǎn)運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備、存儲(chǔ)程序、執(zhí)行指令、數(shù)據(jù)總線。問題與應(yīng)用（能力要求）問題：計(jì)算機(jī)各組件主要的功能分別是什么？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，對(duì)計(jì)算機(jī)組成和特征有個(gè)粗略的了解。計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)主要內(nèi)容什么是計(jì)算機(jī)程序程序設(shè)計(jì)語言各種程序設(shè)計(jì)語言的對(duì)比Python語言的特點(diǎn)和優(yōu)勢Python計(jì)算生態(tài)Python的簡單語法和基本結(jié)構(gòu)基本概念和知識(shí)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)語言的語法和語義、程序設(shè)計(jì)語言的特點(diǎn)、兩類高級(jí)語言的差異、設(shè)計(jì)程序的過程、腳本語言、Python語言初識(shí)。問題與應(yīng)用（能力要求）問題：為什么要學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，對(duì)程序和程序設(shè)計(jì)語言有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)并熟悉其操作界面。由于Python語言通過開源模式，構(gòu)建了龐大的生態(tài)系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)分析、大數(shù)據(jù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)編程等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，其中不乏國內(nèi)開發(fā)的優(yōu)秀工具庫，如中文分詞第三方庫Jieba和SnowNLP（明確學(xué)習(xí)Python編程的意義，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和愛國熱情。）思考與實(shí)踐讓學(xué)生課后通過瀏覽一些網(wǎng)頁來了解計(jì)算思維的基礎(chǔ)知識(shí)；并通過實(shí)踐掌握簡單使用Python語言設(shè)計(jì)程序來解決問題的方法。教學(xué)方法與手段本章教學(xué)主要借助多媒體課件采用課堂講授的方式進(jìn)行。計(jì)算機(jī)思維的思想與方法目的與要求掌握問題抽象的方法。理解計(jì)算機(jī)算法以及復(fù)雜度的分析。熟練掌握利用Python語言實(shí)現(xiàn)分支與選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、函數(shù)調(diào)用以及數(shù)組與字典的創(chuàng)建和應(yīng)用。初步利用Python語言求解簡單計(jì)算問題的方法。教學(xué)內(nèi)容什么是計(jì)算思維主要內(nèi)容計(jì)算思維的操作模式計(jì)算思維的作用運(yùn)用計(jì)算機(jī)求解問題的基本過程和優(yōu)勢計(jì)算思維的經(jīng)典案例生活中的計(jì)算思維計(jì)算思維與各學(xué)科的關(guān)系基本概念和知識(shí)點(diǎn)自動(dòng)化、預(yù)取與緩存、符號(hào)、問題抽象與建模、近似解，隨機(jī)化過程、啟發(fā)式方法、遞歸思維、并行處理、回推過程；問題與應(yīng)用（能力要求）問題：舉例說明生活中存在哪些計(jì)算思維？例如，紅綠燈設(shè)計(jì)、超市付賬時(shí)收銀臺(tái)的選擇。要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，掌握簡單計(jì)算問題抽象與建模的過程，熟悉用計(jì)算思維方式解決簡單計(jì)算問題，并尋求計(jì)算思維與學(xué)生自身專業(yè)的關(guān)系。問題求解與計(jì)算機(jī)算法主要內(nèi)容什么是計(jì)算機(jī)算法算法的偽代碼藐視程序設(shè)計(jì)過程利用Python語言驗(yàn)證計(jì)算思維Python語言的基本語法和語義Python語言的數(shù)據(jù)類型和表達(dá)式Python程序基本調(diào)試過程程序舉例良好的編程風(fēng)格程序流程圖基本概念和知識(shí)點(diǎn)數(shù)學(xué)思維與計(jì)算思維、排序、查找、計(jì)算速度、偽代碼、需求分析、算法設(shè)計(jì)、代碼實(shí)現(xiàn)、編譯調(diào)試、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、運(yùn)算符和表達(dá)式、賦值語句、輸入輸出、流程控制結(jié)構(gòu)、函數(shù)、數(shù)組、關(guān)鍵字、變量和常量、注釋、流程圖。問題與應(yīng)用（能力要求）問題：程序調(diào)試的方法有哪些？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，熟練掌握Python的語法和語義，能利用Python實(shí)現(xiàn)簡單計(jì)算問題的求解過程。程序順序結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)一戰(zhàn)到底，沒有選擇，沒有重復(fù)，引導(dǎo)學(xué)生珍惜時(shí)間，自覺學(xué)習(xí)，磨煉學(xué)生堅(jiān)持不懈、不忘初心、砥礪前行的思想品質(zhì)。分支與選擇結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容單分支的實(shí)現(xiàn)雙分支的實(shí)現(xiàn)多分支的實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)選擇結(jié)構(gòu)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生去聯(lián)想在中國疫情最嚴(yán)峻的時(shí)刻，那些曾經(jīng)在父輩護(hù)佑下的90后00后青年醫(yī)生護(hù)士們，他們?cè)诿媾R居家與抗疫第一線的選擇時(shí)，是如何選擇的？他們選擇了后者，選擇了在揮汗如雨中脫胎換骨，在逆境挑戰(zhàn)中頂天而立，他們一邊恐慌，一邊在勇敢中破繭成蝶，淬煉成鋼。基本概念和知識(shí)點(diǎn)Python語言中if語句、分支條件、分支程序的復(fù)雜度分析；問題與應(yīng)用（能力要求）問題：如何利用分支與選擇結(jié)構(gòu)？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，熟練掌握分支與選擇結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。循環(huán)結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容循環(huán)結(jié)構(gòu)程序的編寫方法for循環(huán)機(jī)制基本概念和知識(shí)點(diǎn)計(jì)數(shù)器、循環(huán)次數(shù)、循環(huán)控制條件、浮點(diǎn)數(shù)、循環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)算法復(fù)雜度的影響問題與應(yīng)用（能力要求）問題：如何利用普通表格歸整表單？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，熟練掌握網(wǎng)頁基本元素（包括多媒體對(duì)象、表格及表單等）的插入及設(shè)置。函數(shù)1.主要內(nèi)容程序模塊化什么是函數(shù)函數(shù)調(diào)用關(guān)于函數(shù)參數(shù)函數(shù)應(yīng)用函數(shù)的遞歸調(diào)用2.基本概念和知識(shí)點(diǎn)程序模塊、模塊化、參數(shù)、值傳遞、遞歸3.問題與應(yīng)用（能力要求）問題：如何利用函數(shù)運(yùn)行的結(jié)果？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，熟練掌握自定義函數(shù)的方法和函數(shù)調(diào)用的過程。數(shù)組和字典1.主要內(nèi)容一維數(shù)組字符串?dāng)?shù)組二維數(shù)組字段數(shù)組應(yīng)用2.基本概念和知識(shí)點(diǎn)一維數(shù)組、數(shù)組元素、數(shù)組下標(biāo)、字符串、二維數(shù)組、字典3.問題與應(yīng)用（能力要求）問題：如何利用數(shù)組和字典批量處理數(shù)據(jù)？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，熟練掌握數(shù)組應(yīng)用方法。問題的抽象與算法設(shè)計(jì)目的與要求了解算法復(fù)雜度的含義及分析方法；掌握經(jīng)典的集中算法設(shè)計(jì)方法；教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)算法復(fù)雜度主要內(nèi)容算法的評(píng)價(jià)時(shí)間復(fù)雜度空間復(fù)雜度基本概念和知識(shí)點(diǎn)算法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算機(jī)資源、容錯(cuò)能力、問題規(guī)模、算法效率。問題與應(yīng)用（能力要求）問題：如何設(shè)計(jì)出最優(yōu)的算法？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠?qū)λ惴◤?fù)雜度有了清晰的了解。第二節(jié)窮舉法主要內(nèi)容窮舉法的特點(diǎn)窮舉法的應(yīng)用基本概念和知識(shí)點(diǎn)解的空間范圍問題與應(yīng)用（能力要求）問題：如何確定解的空間范圍？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠利用Python語言實(shí)現(xiàn)窮舉算法。第三節(jié)遞歸法主要內(nèi)容遞歸法的特點(diǎn)遞推法的應(yīng)用公式法的應(yīng)用基本概念和知識(shí)點(diǎn)問題規(guī)模分解、直接調(diào)用、間接調(diào)用。問題與應(yīng)用（能力要求）問題：如何確定遞歸的結(jié)束條件？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠利用Python語言實(shí)現(xiàn)遞歸算法。第四節(jié)分治法1.主要內(nèi)容分治法的特點(diǎn)分治法的應(yīng)用2.基本概念和知識(shí)點(diǎn)分而治之、二分查找、歸并排序，Python語言中列表、樹狀結(jié)構(gòu)、樹的層數(shù)3.問題與應(yīng)用（能力要求）問題：如何構(gòu)造樹狀的結(jié)構(gòu)？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠利用Python語言實(shí)現(xiàn)分治算法。第五節(jié)回溯法與貪心法1.主要內(nèi)容回溯法的特點(diǎn)回溯法的應(yīng)用貪心法的特點(diǎn)貪心法的應(yīng)用2.基本概念和知識(shí)點(diǎn)深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索、解的空間結(jié)構(gòu)、沖突、全局最優(yōu)解、局部最優(yōu)解、目標(biāo)函數(shù)、約束條件3.問題與應(yīng)用（能力要求）問題：如何將新問題歸結(jié)于老問題的方法來求解？要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠利用Python語言實(shí)現(xiàn)回溯法和貪心法。思考與實(shí)踐思考題：學(xué)習(xí)經(jīng)典問題的求解方法有何好處？讓學(xué)生能利用Python實(shí)現(xiàn)各種經(jīng)典算法。教學(xué)方法與手段本章教學(xué)主要借助多媒體課件采用課堂講授和案例分析的方式進(jìn)行。最優(yōu)化問題目的與要求了解最優(yōu)化問題求解的復(fù)雜度熟練掌握Python語言實(shí)現(xiàn)幾個(gè)經(jīng)典最優(yōu)化問題的算法教學(xué)內(nèi)容主要內(nèi)容最短路徑問題游商問題裝箱問題背包問題生活中出現(xiàn)的最優(yōu)化問題各種方法求解最優(yōu)化問題的比較基本概念和知識(shí)點(diǎn)NP完全問題、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、重疊子問題、Python語言中的記錄字段問題與應(yīng)用（能力要求）問題：簡述利用Python語言的求解計(jì)算問題的過程。要求學(xué)生完成本節(jié)學(xué)習(xí)后，能夠?qū)Ρ镜鼐W(wǎng)站建設(shè)流程有個(gè)更為清晰的了解。思考與實(shí)踐思考題：如何判斷算法是否最優(yōu)？讓學(xué)生通過實(shí)踐來掌握Python語言實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化問題的算法。教學(xué)方法與手段本章教學(xué)主要借助多媒體課件采用課堂講授的方式進(jìn)行。五、各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)分配教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)時(shí)數(shù)課程