以计算思维为导向的大学计算机基础课程示例(西安交通大学赵英良 ....ppt

以计算思维为导向的大学计算机基础课程示例,计算机教学实验中心 2011.6.19,赵英良,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,2,内容提要,背景 少年班计算概论教学实践 大学计算机基础课程教学改革示例,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,3,一、背景,2010.10.-2011.1 20位教师，40位博士、硕士研究生 学习不插电的计算机科学 学习计算思维的有关论文、案例、课程 拟对2011年“大学计算机基础”课程进行改革,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,4,二、少年班计算概论教学实践,学时20，10次，没有上机 4个小班90人， 分为两个教学班 每个教学班两位老师主讲 考试为设计题目 前四题必做，后六题选二,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,5,“计算概论”教学内容,第1章 计算科学与算法设计基础 第2章 数据查找 第3章 数据排序 第4章 数据加密 第5章 地图着色 第6章 网络中的数据传输 第7章 旅行城镇问题支配集 第8章 信息论 第9章 图像表示和压缩 第10章 人机交互,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,6,示例一信息的表示西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,7,其他信息的表示方法,足球裁判、边裁 旗语、手语 古代战争烽火、狼烟 海军、空军旗语 汽车喇叭 火车、轮船汽笛 上课钟声、铃声 抢答按铃、按灯,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,8,其他信息的表示方法,设计一个仪表 比如，水表 没有显示屏，只有一个小的扬声器，只能发出一种较长的蜂鸣声和一种短的蜂鸣声。 设计一种方案，使人们可以知道当前水表中的预购的水的数量(单位吨)，最大不超过30吨。,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,9,计算机中信息的表示,内存半导体存储器 磁性存储器 光存储器 信息的传输,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,10,图像的表示,直线、圆、矩形、椭圆矢量图,字母、汉字、照片,位图 分辨率,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,11,不同的编码方法,10001 11110 10000 01110 01110 10000 5*630位，4B,1,3,1 4,1 1,4 0,1,3,1 0,1,3,1 1,4 第1个数,白,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,121 3 1 4 1 1 4 0 1 3 1 0 1 3 1 1 4 1 3 1;4 1;1 4;0 1 3 1;0 1 3 1;1 4,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,13,示例二、人机交互,一个巧克力工厂 一群不识字，没记性的工人 工作内容运送和加工巧克力 运行混乱 目标设计新工厂， 运行有序,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,14,问题之一加热炉,壶中含有不同种类的巧克力，需要在不同的温度下煮。,2019/8/21,14,存在的问题 在错误的温度下加热巧克力 烧着袖子,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,15,问题之二物品归位,当每个工作班次结束时，他们必须清理和归位锅子、水壶、汤匙和搅拌器等物品， 但东西被放在何处，对它们来说总存在着困难 像“把壶放在中间架子上”、“把壶放在架子左边”这样的规则，它们都难记住,15,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,16,问题一的解法,关键概念 映射 任意映射 自然映射 对象映射 关系映射 历程映射,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,17,问题二的解法,设计者对格子的形状和大小做出了规格限制 通过对象的物理性质来避免依靠使用任意规则(arbitrary conventions) 这里的关键概念是使用可视约束(visible constraints) 还有哪些约束的实例 信息系统输入中的掩码设计(Access),17,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,18生活中的人机交互 MIT的天才学生发明的“第6感科技的惊人潜力”的视频,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,19,教学效果,课程内容 90.48 满意 很满意8 满意11 基本满意2 不太满意0 不满意0 很不满意0 教学手段 90.48 满意 很满意11 满意8 基本满意2 不太满意0 不满意0 很不满意0 教学效果 90.48 满意 很满意12 满意7 基本满意1 不太满意0 不满意1 很不满意0,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,20,三、大学计算机基础课程教学改革示例,1.大学计算机基础教学内容 第1章 绪论 第2章 信息的表示与存储 第3章 数据的组织与管理 第4章 程序设计语言和算法 第5章 信息的传输 第6章 计算机系统,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,21,第1章 绪论,1.1 什么是计算 1.2计算工具的发展和电子计算机的诞生 1.2.1 手工计算工具 1.2.2机械式计算机 1.2.3 电子计算机的诞生 1.3 计算(机)科学 1.3.1计算学科的定义 1.3.2 计算学科的三个学科形态 1.3.2 计算学科的基本概念 1.4计算科学研究与应用 1.4.1人工智能 1.4.2云计算和网格计算 1.4.3普适计算,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,22,第2章 信息的表示与存储,2.1 信息和信息的表示方法 2.1.1 信息、信息量和信息的表示 2.1.2 进位计数制和数的表示 2.1.3二进制数的运算 2.1.4 非数值信息的表示 2.2 信息的存储 2.2.1 布尔运算 2.2.2 门电路和触发器 2.2.3 存储器的结构 2.2.4 存储器的发展 2.3 数据压缩 2.3.1 数据压缩的可能性信息熵 2.3.2 基本压缩方法 2.3.3图像和音视频的压缩,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,23,第3章 数据的组织与管理,3.1 数据与数据结构 3.1.1 数据结构概述 3.1.2 线性表 3.1.3 树形结构 3.1.4 图结构 3.2数据库技术 3.2.1数据管理技术 3.2.2数据库管理系统 3.2.3关系数据库 3.2.4结构化查询语言SQL,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,24,第4章 程序设计语言和算法,4.1 计算机语言 4.1.1 计算机语言的发展 4.1.2 计算机语言的组成 4.1.3 语言的实现 4.2 算法 4.2.1 算法基本概念 4.2.2 查找算法 4.2.3 排序算法,4.3算法策略 4.3.1 枚举法 4.3.2 递归法 4.3.3 分治法 4.3.4 回溯法 4.3.5 贪心算法,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,25,第5章 信息的传输,5.1通信与协议 5.1.1通信系统 5.1.2网络协议 5.1.3网络体系结构 5.2数据通信 5.2.1编码与解码 5.2.2检错与纠错 5.2.3同步技术 5.2.4复用技术,5.3网络结构 5.3.1网络结构 5.3.2网络地址 5.3.3网络互连 5.4模型与服务 5.4.1应用模型 5.4.2传统服务 5.5网络安全 5.5.1加密 5.5.2用户认证 5.6.3数字签名,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,26,第6章 计算机系统,6.1计算机结构 6.1.1图灵机 6.1.2冯诺依曼计算机 6.1.3其它结构计算机 6.2微型计算机系统 6.2.1系统组成 6.2.2主机系统 6.2.3存储系统 6.2.4输入/输出系统 6.2.5性能指标 6.2.6操作系统,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,27,2.实验设计,第1章 Python基础实验 实验1-1 Python语言环境的安装和使用 实验1-2 分段函数值的计算 实验1-3 计算若干个数的和 第2章 信息的表示与存储 实验2-1 数制转换 实验2-2 显示字符点阵 实验3-2 文本压缩 实验2-4 Huffman编码,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,28第3章 数据的组织和管理 实验3-1向量和矩阵在计算机中的表示 实验3-2 树在计算机中的表示 实验3-3 图在计算机中的表示 实验3-4 数据库的建立和数据输入 实验3-5 数据库中信息的查询和数据修改 第4章 程序设计语言和算法 实验 4-1 找出若干数字中最大或最小值 实验 4-2 输入若干数据并排序输出 实验 4-3 求不定方程整数解 实验 4-4 计算斐波那契数列某项 实验 4-5 可拆背包问题,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,29第5章 信息的传输 实验5-1 纠错与检错 实验5-2 加密解密 第6章 计算机系统 实验6-1 观察计算机的硬件组成 实验6-2 利用操作系统提供的功能管理进程,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,30,3.学时安排,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,31,4.特点,内容 以信息的表示、存储、处理、传输技术和方法为主线 以生活实例为导引 设计了丰富的“课堂练习” 深入浅出，富于启发性,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,32,5.课堂练习示例1,【课堂练习】说一说汉语、英语的组成，语言的特征。设想计算机语言应有哪些组成部分。 【课堂练习】请设计一套可以进行四则运算的计算机语言系统。要求无论是命令还是数据，只能使用数字符号(可以是十进制)。把这套系统的规则和符号告诉同伴，然后使用这套系统编写一个四则运算的程序，让同伴来完成，检查系统的有效性。如果需要，改进该语言。,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,33,6.课堂练习示例2,【课堂练习5-】在一个嘈杂环境中，如果要用手机告诉对方某个重要的电话号码，如何保证信息的正确性 【课堂练习6-】砌墙时，为了加快砌墙速度，通常会将墙砖尽量挨着正在砌墙的位置存放，想想为什么 CPU中的Cache还有哪些地方用到了Cache,西安交通大学计算机教学实验中心 2011.6.19 北京,34谢谢,