文檔計(jì)算思維

計(jì)算思維一．計(jì)算思維的定義計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。進(jìn)一步地定義為：1．通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來(lái)困難的問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)我們知道問(wèn)題怎樣解決的方法；2．是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法；3．是一種采用抽象和分解來(lái)控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，是基于關(guān)注分離的方法（Soc方法）；4．是一種選擇合適的方式去陳述一個(gè)問(wèn)題，或?qū)σ粋€(gè)問(wèn)題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法；5．是按照預(yù)防、保護(hù)及通過(guò)冗余、容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法；6．是利用啟發(fā)式推理尋求解答，也即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法；7．是利用海量數(shù)據(jù)來(lái)加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間，在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折衷的思維方法。計(jì)算思維吸取了問(wèn)題解決所采用的一般數(shù)學(xué)思維方法，現(xiàn)實(shí)世界中巨大復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評(píng)估的一般工程思維方法，以及復(fù)雜性、智能、心理、人類行為的理解等的一般科學(xué)思維方法。二．計(jì)算思維的深層次理解1．計(jì)算思維的優(yōu)點(diǎn)計(jì)算思維建立在計(jì)算過(guò)程的能力和限制之上，由人由機(jī)器執(zhí)行。計(jì)算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無(wú)法由個(gè)人獨(dú)立完成的問(wèn)題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2．計(jì)算思維的內(nèi)容計(jì)算思維最根本的內(nèi)容，即其本質(zhì)（Essence）是抽象（Abstraction）和自動(dòng)化（Automation）。計(jì)算思維中的抽象完全超越物理的時(shí)空觀，并完全用符號(hào)來(lái)表示，其中，數(shù)字抽象只是一類特例。與數(shù)學(xué)和物理科學(xué)相比，計(jì)算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為復(fù)雜。數(shù)學(xué)抽象的最大特點(diǎn)是拋開現(xiàn)實(shí)事物的物理、化學(xué)和生物學(xué)等特性，而僅保留其量的關(guān)系和空間的形式，而計(jì)算思維中的抽象卻不僅僅如此。操作模式計(jì)算思維建立在計(jì)算過(guò)程的能力和限制之上，由人由機(jī)器執(zhí)行。計(jì)算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無(wú)法由任何個(gè)人獨(dú)自完成的問(wèn)題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3．計(jì)算思維用途計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家。我們應(yīng)當(dāng)使每個(gè)孩子在培養(yǎng)解析能力時(shí)不僅掌握閱讀、寫作和算術(shù)（Reading,writing,andarithmetic——3R），還要學(xué)會(huì)計(jì)算思維。正如印刷出版促進(jìn)了3R的普及，計(jì)算和計(jì)算機(jī)也以類似的正反饋促進(jìn)了計(jì)算思維的傳播。算法（我們自身的計(jì)算抽象和方法）能夠以其體現(xiàn)自身功能的方式來(lái)表示蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。計(jì)算生物學(xué)正在改變著生物學(xué)家的思考方式。類似地，計(jì)算博弈理論正改變著經(jīng)濟(jì)學(xué)家的思考方式，納米計(jì)算改變著化學(xué)家的思考方式，量子計(jì)算改變著物理學(xué)家的思考方式。這種思維將成為每一個(gè)人的技能組合成分，而不僅僅限于科學(xué)家。普適計(jì)算之于今天就如計(jì)算思維之于明天。普適計(jì)算是已成為今日現(xiàn)實(shí)的昨日之夢(mèng)，而計(jì)算思維就是明日現(xiàn)實(shí)。計(jì)算機(jī)科學(xué)是計(jì)算的學(xué)問(wèn)——什么是可計(jì)算的，怎樣去計(jì)算。計(jì)算機(jī)科學(xué)不是計(jì)算機(jī)編程。像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維意味著遠(yuǎn)不止能為計(jì)算機(jī)編程，還要求能夠在抽象的多個(gè)層次上思維。7．計(jì)算思維是根本的，不是刻板的技能根本技能是每一個(gè)人為了在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮職能所必須掌握的?？贪寮寄芤馕吨鴻C(jī)械的重復(fù)。具有諷刺意味的是，當(dāng)計(jì)算機(jī)像人類一樣思考之后，思維可就真的變成機(jī)械的了。8．計(jì)算思維是人的，不是計(jì)算機(jī)的思維方式計(jì)算思維是人類求解問(wèn)題的一條途徑，但決非要使人類像計(jì)算機(jī)那樣地思考。計(jì)算機(jī)枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力。是人類賦予計(jì)算機(jī)激情。配置了計(jì)算設(shè)備，我們就能用自己的智慧去解決那些在計(jì)算時(shí)代之前不敢嘗試的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“只有想不到，沒(méi)有做不到”的境界。9．計(jì)算思維是數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合計(jì)算機(jī)科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，因?yàn)橄袼械目茖W(xué)一樣，其形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學(xué)之上。計(jì)算機(jī)科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維，因?yàn)槲覀兘ㄔ斓氖悄軌蚺c實(shí)際世界互動(dòng)的系統(tǒng)，基本計(jì)算設(shè)備的限制迫使計(jì)算機(jī)學(xué)家必須計(jì)算性地思考，不能只是數(shù)學(xué)性地思考。構(gòu)建虛擬世界的自由使我們能夠設(shè)計(jì)超越物理世界的各種系統(tǒng)。10．計(jì)算思維是思想，不是人造物不只是我們生產(chǎn)的軟件硬件等人造物將以物理形式到處呈現(xiàn)并時(shí)時(shí)刻刻觸及我們的生活，更重要的是還將有我們用以接近和求解問(wèn)題、管理日常生活、與他人交流和互動(dòng)的計(jì)算概念；而且，面向所有的人，所有地方。當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動(dòng)的整體以致不再表現(xiàn)為一種顯式之哲學(xué)的時(shí)候，它就將成為一種現(xiàn)實(shí)。三．計(jì)算思維的延展1.計(jì)算思維意識(shí)計(jì)算思維是一種科學(xué)思維，與理論思維、實(shí)驗(yàn)思維一起構(gòu)成了人類的三大思維。計(jì)算思維并不是一種新的發(fā)明，而是早已存在的思維活動(dòng)，是每一個(gè)人都具有的一種技能。2.計(jì)算思維方法計(jì)算思維方法是計(jì)算思維的核心。計(jì)算思維方法很多，周以真教授將計(jì)算思維闡述成具體的七大類方法?？偟膩?lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)思維方法有兩大類：一類是來(lái)自數(shù)學(xué)和工程的方法，另一類是計(jì)算機(jī)科學(xué)獨(dú)有的方法。例如，對(duì)于計(jì)算積分，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的人通過(guò)函數(shù)變換求解積分，而計(jì)算機(jī)是通過(guò)對(duì)積分區(qū)間進(jìn)行N等分然后累加各小區(qū)間的面積來(lái)實(shí)現(xiàn)。學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的人不會(huì)采用后一種方法，后一種方法只有掌握了計(jì)算機(jī)技術(shù)的人才采用，但是仍然來(lái)自數(shù)學(xué)。在大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程中，幾乎每一個(gè)概念對(duì)應(yīng)一種計(jì)算思維方法。例如，Cache是預(yù)置和緩存方法，多核處理器是并行外理方法；在程序設(shè)計(jì)課程中，各種常用算法以及各類問(wèn)題的求解方法，如迭代法、遞歸法等，都是沒(méi)有爭(zhēng)議的計(jì)算思維方法；在計(jì)算機(jī)應(yīng)用課程中，每一門課程每一個(gè)項(xiàng)目都是多種計(jì)算思維方法的集合。3.計(jì)算思維能力計(jì)算思維的根本目的是解決問(wèn)題，即問(wèn)題求解系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解。從計(jì)算機(jī)應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，解決問(wèn)題就是計(jì)算機(jī)的應(yīng)用問(wèn)題。例如，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)、創(chuàng)建一個(gè)電子商務(wù)網(wǎng)站、制造一個(gè)機(jī)器人等都是計(jì)算機(jī)應(yīng)用問(wèn)題，是計(jì)算思維的目的所在。四.計(jì)算思維與大學(xué)生計(jì)算思維反映了計(jì)算機(jī)學(xué)科最本質(zhì)的特征和最核心的解決問(wèn)題方法。計(jì)算思維旨在提高大學(xué)生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)明和創(chuàng)新的能力及處理計(jì)算機(jī)問(wèn)題時(shí)應(yīng)有的思維方法、表達(dá)形式和行為習(xí)慣。信息素養(yǎng)要求大學(xué)生能夠?qū)Λ@取的各種信息通過(guò)自己的思維進(jìn)行深層次的加工和處理，從而產(chǎn)生新信息。計(jì)算思維在一定程度上像是教學(xué)生“怎么像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思維”五.總結(jié)計(jì)算機(jī)科學(xué)在本質(zhì)上源自