可视化计算与计算思维

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
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）
– 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：
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
• 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
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
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》 清华大学出版社 2013.1
2013.04.08
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
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
– Visual Basic、Visual C++、中文Visual Foxpro、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)
2013.03.30
具有代表性的VC环境
• • • • Visual Logic©； 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）
• 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
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
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
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
2013.03.30
感谢
• Martin C. 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
2013.03.30Байду номын сангаас
感谢
• 周以真教授对我们计算思维改革的关注
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
– 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
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）
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
2013.03.30
可视化计算
计算思维教学的一种探索 ctec@xjtu.edu.cn 程向前
说明：此讲稿的部分 链接的程序需要安装 RAPTOR运行环境
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
• 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
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
– 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
• 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,TRAKLA2
2013.03.30
可视化计算（Visualized Computing , VC）