可视化计算与计算思维

说明：此讲稿的部分链接的程序需要安装RAPTOR运行环境可视化计算计算思维教学的一种探索[e-mail]程向前2013.03.30概要•一、计算思维、算法思维和程序设计教学问题•二、可视化计算工具与环境•三、可视化计算的实践进展与成果•四、计算思维教学愿景与成功关键因素•五、需继续进行的工作2013.03.30背景•新的信息技术的出现会带来计算机科学课程教学手段的变化•计算思维是由周以真教授提出”让计算机科学的重要理念成为普世教育一种愿景“•而可视化计算环境的出现为以计算思维为切入点的大学计算机课程改革带来了契机2013.03.30问题的提出•计算思维的核心内容之一是算法思维，而算法思维的贯彻存在两大障碍–算法思维依赖于程序设计基础，而程序设计课程本身存在诸多困难，课程的废存存在争议；–作为计算机专业学生，可以通过程序设计、数据结构、离散数学和算法分析与设计等课程学习掌握算法，而非专业学生则一般没有足够的学时2013.03.30目前计算思维课程的做法•把计算思维的教学集中在概念和描述层次上–无法运行的算法概念对于学生来说难以形成真正的令人信服的思维能力•把传统的算法内容直接引入大学计算机或课程–无法掌握算法的设计并形成计算思维的能力2013.03.30程序设计是计算思维教学过程的主要难点1.通用程序设计语言过于复杂；2.学生更关注语法相关的学习，而不是获得问题求解的技能；3.难以理解程序执行的动态特性；4.编译器报错信息是面向专业程序员设计的；5.将思考模型向程序设计语言的转换过程过于复杂；6.求解所涉的问题与学生的日常经历相去甚远2013.03.30程序设计面临的问题–哪种程序设计技术或语言适用于初学者？–哪种程序设计环境和教学路线可以应用？–学生如何能更加顺利地从一种程序语言转换到另一种？2013.03.30计算思维的教学境界•目前的程序设计尚处于“术”的境界•而理想的计算思维应该上升到“道”的境界–计算思维离不开算法思维–算法思维离不开程序设计（主要是逻辑设计）–程序逻辑成为计算思维教学的必经之路2013.03.30可视化技术与计算机教育•近年来计算机课程的改革中，可视化技术扮演了一个重要的角色•目前常见的可视化技术：–可视化程序设计–算法可视化技术–基于流程图仿真的可视化计算环境2013.03.30可视化程序设计（VP）•“所见即所得”为原则，实现编程工作的可视化，程序与结果的调整同步–VisualBasic、VisualC++、中文VisualFoxpro、Borland公司的Delphi–初学者所面对的困难，并没有得到太多的改善2013.03.30算法可视化(AV)•描述算法和数据结构的可视化工具或动画演示，已经有30年以上的发展历史•主要应用于计算机专业的数据结构与算法分析课程•算法可视化工具包括：Alvlie,Jeliot3,Stelios,TRAKLA22013.03.30可视化计算（VisualizedComputing,VC）•针对程序设计初学者的计算环境1.为初学者专门设计用户友好的可视化界面；2.简约的语言（或符号）和数据类型设计；3.无语法障碍的程序环境设计；4.针对初学者的报错信息，便于理解算法中的问题；5.可显示和表达算法效率（时间和空间复杂性）；6.支持程序运行过程和结构的动态显示；7.支持将算法设计结果转换为不同的主流程序代码2013.03.30具有代表性的VC环境•VisualLogic©；•RAPTOR；•Alice；•Scratch一种好的程序教学环境：简单、有效、容易操作、引人入胜2013.03.30可视化计算的实践进展与成果（1）•2011年秋季，在电气和能动专业的“大学计算机基础”课程中，首次RAPTOR替代传统流程图教学方法•收获了一批不错的基本算法案例（例如完全数计算、使用图形界面实现的争上游扑克游戏等）2013.03.30可视化计算的实践进展与成果（2）•2012年春季，在“计算概论”课程中，将“不插电的计算机科学”案例，全部改成在可视化计算环境下实现•由学生自主探索完成的大作业，收获了一批重要算法案例2013.03.30自选大作业（33个）算法分类统计2013.03.30典型的学生反馈•以城市轻轨交通规划为题的李一斐写道：–我的这次大作业，没有涉及到老师课堂上所讲的内容之外的东西，但却把课堂上所讲的大部分知识都运用了进来，比如排序、查找、图的输入、邻接矩阵、最小生成树、最短路径等等–对我的能力是一个提升，对所学的知识得到了巩固，也让我学会了与同学交流学习2013.03.30可视化计算的实践进展与成果（3）•2012年秋季，西北工业大学在”大学计算机”课程中，部分班级采用可视化计算环境（RAPTOR）进行教学•参与的学生包括复合材料与工程和自动化两个专业学生共计157名，进行了9个学时的可视化算法设计训练实验，采用大作业的形式提交可视化算法设计结果2013.03.30西北工业大学的学生反馈•“工具小巧，迅速帮助我们掌握了计算机算法的初步概念和基本方法”•“对编程这种看起来神秘的东西不害怕了，而且觉得很有趣”•“能把现实生活中的一些问题转化为计算机来求解，对计算机的工作原理理解的更透彻了”2013.03.30可视化计算的实践进展与成果（4）•2012年秋季，成都信息工程大学在“大学计算机”课程中，采用可视化计算环境（RAPTOR）对全校2600名学生进行教学和实验•在期末考试中列入了可视化算法设计的内容2013.03.30成都信息工程大学计算中心“大学计算机”网站2013.03.30程序设计与计算思维教学•如果在“计算思维导论”中（假设学生为零程序设计基础者）•用可视化计算环境只需要四分之一的学时可完成程序逻辑的教学（变量、运算符、程序基本结构、子程序、文件输入、基本图形程序设计）•剩余的四分之三如何用于计算思维的内容教学？2013.03.30可以新增的内容•问题的描述和抽象；•抽象后的问题数据的计算机表达（数据结构的实现应用）；•算法的探索和实现（文献查找、自行设计：离散数学的应用）；•算法结果的输出和可视化（普及性教学）2013.03.30一个实现计算思维教学愿景的探索之路•可以选择和扩展的计算思维教学内容：–算法的基本思想和计算复杂性（时间、空间复杂性、大O估算和验证）；–基本算法（穷举、递推、分段函数、模运算、字符运算、递归、组合、迭代等）；–基本策略（贪心、回溯、分治、动态规划、递归问题的非递归实现等）；–有限状态机与图灵机（通用图灵机和FSM设计与实现）；–线性数据结构（排序与查找，栈与队列）；–非线性数据结构（图与树算法）；–计算工具与环境的选择与评估《可视化计算》清华大学出版社2013.12013.04.082013.03.30计算思维教学的关键•真正解决计算思维教学效果的是教学方法的改革–将“教师教、学生学的以教师为中心的教学方式”–改为“教师引导，学生自主探索学习的方式”上来•同样，即使采用可视化计算环境，没有学生的主动参与，也不会产生任何积极的效果•因此，以大作业为代表的鼓励学生自主探索的学习形式，成为计算思维课程成功的重要过程2013.03.30求最大熵在计算思维教学中的应用•保留教学成果的全部不确定性–将学生能力灭失的风险降到最小，将教学成果的多样性做到最大•教师可以给出作业的引导，但不规定作业的选题范围–鼓励学生的选题超过“教师预期”–允许学生“快速失败”，重启炉灶2013.03.30值得进行的工作•作为可视化手段应用效果的分析，需要建立在学生认知偏好调查（ILS）的基础上，尽管国外已经有类似的调查结果•但是鉴于中国教育行业的特殊性，有必要进行国内高校学生的认知偏好调查，使得可视化计算的教学手段可以有的放矢2013.03.30认知偏好的调查样本认知偏好的四个维度：主动（ACT）vs.反射(REF)，感觉(SEN)vs.直觉（INT）,视觉（VIS）vs.言语(VRB)，顺序(SEQ)vs.全局(GLO)2013.03.30可视化：四种模式•在“大学计算机”课程中，替代传统的流程图•开设的“计算思维导论”的主要教学和实验平台•半个学期：可视化计算环境，半个学期：主流程序语言教学•可视化计算环境与主流程序语言教学平行使用2013.03.30感谢电气和能动学院2011届•崔翰涛（朴素的完全数算法）•吴昊（扑克牌争上游）2013.03.30感谢少年103，104班•张钱东:那个著名的24点算法，启发了…•高航：设计的算法就像她一样漂亮•党元初：一个微缩版的MatLab•张书洋：一批排序算法•周梦远：一个数学奇才诞生了…2013.03.30感谢•冯博琴教授倡导开展以“计算思维”为切入点的大学计算机课程教学改革•李仁厚教授、黄尚恒教授、吴裕远教授建议的《可视化计算》书名•本校周梦远同学、西电薛飞洁同学为本书中的程序样例的设计与调试提供了重要的帮助；•清华大学出版社焦虹主任和张民编辑对本书立项和和责任编辑战晓雷出色的编辑所做的努力2013.03.30感谢•MartinC.Carlisle博士，作为可视化程序设计工具-Raptor的主创者之一•对作者提出对该工具的设计改进做出了详尽和积极的答复2013.03.30感谢•王飞跃院长对我们计算思维改革的关注2013.03.30感谢•周以真教授对我们计算思维改革的关注2013.03.30感谢40余位CCF代表和教师•关注了我们的计算思维改革，并提出积极中肯的反馈意见•其中，上交大过敏意、湖南大学李仁发对“可视化计算”一词的质询，直接导致了一个新名词、新领域的诞生2013.03.30感谢中心同事•李老师、赵老师、扬琪老师、乔老师所回答的专业问题•吴宁、崔舒宁老师对大学计算机，计算概论改革的支持•陈文革老师给与我教改活动的鼓励和支持•顾刚教授所给与的大学计算机和计算概论课程上的合作与支持2013.03.30有关合作•可视化计算仍然属于发展初期–欢迎与中心同事以任何形式的合作–欢迎校内外同行以任何形式的合作–期待与国外同行的合作•相互尊重、相互支持、分享与合作、让学习者（Learner）的利益最大化