緒論-計算思維

1、程序設(shè)計思想與方法張同珍張同珍Email: zhang-Courseware & Text: ftp:/ 賬號：賬號：tzzhang 密碼：密碼：publicOffice: 電院電院3號樓號樓531房間房間Tel: 34204226上機時間上機時間: 從第從第3周起周四的課程在電院周起周四的課程在電院4號樓號樓教材參考教材n教材：教材：l程序設(shè)計思想與方法程序設(shè)計思想與方法-問題求解中的計算思維問題求解中的計算思維 -電子稿電子稿 text1-6.pdf 在課程在課程ftp上上lPython Programming: An Introduction to Computer Scienc

2、e. (電子版電子版)n 參考書：參考書：lHow to Think Like a Computer ScientistLearning with Python.(電子版電子版)-參考書參考書lPython學(xué)習(xí)手冊學(xué)習(xí)手冊n科學(xué)界一般認為，科學(xué)方法分為理論、實驗和計算三大類。與三大科學(xué)界一般認為，科學(xué)方法分為理論、實驗和計算三大類。與三大科學(xué)方法相對的是三大科學(xué)思維，理論思維以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，實驗思科學(xué)方法相對的是三大科學(xué)思維，理論思維以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，實驗思維以物理等學(xué)科為基礎(chǔ)，維以物理等學(xué)科為基礎(chǔ)，計算思維以計算機科學(xué)為基礎(chǔ)。計算思維以計算機科學(xué)為基礎(chǔ)。三大科學(xué)思維支柱三大科學(xué)思維支柱n1理論思維

3、理論思維 理論源于數(shù)學(xué)，理論思維支撐著所有的學(xué)科領(lǐng)域。正如數(shù)學(xué)一理論源于數(shù)學(xué)，理論思維支撐著所有的學(xué)科領(lǐng)域。正如數(shù)學(xué)一樣，定義是理論思維的靈魂，定理和證明則是它的精髓。公理化方樣，定義是理論思維的靈魂，定理和證明則是它的精髓。公理化方法是最重要的理論思維方法，科學(xué)界一般認為，公理化方法是世界法是最重要的理論思維方法，科學(xué)界一般認為，公理化方法是世界科學(xué)技術(shù)革命推動的源頭。用公理化方法構(gòu)建的理論體系稱為公理科學(xué)技術(shù)革命推動的源頭。用公理化方法構(gòu)建的理論體系稱為公理系統(tǒng)，如歐氏幾何。系統(tǒng)，如歐氏幾何。n2 實驗思維實驗思維 實驗思維的先驅(qū)應(yīng)當(dāng)首推意大利著名的物理學(xué)家、天文學(xué)家和實驗思維的先驅(qū)應(yīng)當(dāng)首

4、推意大利著名的物理學(xué)家、天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家伽利略，他開創(chuàng)了以實驗為基礎(chǔ)具有嚴密邏輯理論體系的近數(shù)學(xué)家伽利略，他開創(chuàng)了以實驗為基礎(chǔ)具有嚴密邏輯理論體系的近代科學(xué)，被人們譽為代科學(xué)，被人們譽為“近代科學(xué)之父近代科學(xué)之父”。愛因斯坦為之評論說：。愛因斯坦為之評論說：“伽伽利略的發(fā)現(xiàn)，以及他所用的科學(xué)推理方法，是人類思想史上最偉大利略的發(fā)現(xiàn)，以及他所用的科學(xué)推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端。的成就之一，而且標(biāo)志著物理學(xué)的真正開端?！眓3計算思維計算思維 計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解，系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計，以及人

5、類行為理解的涵蓋了計算機科學(xué)之廣度的一系列思維設(shè)計，以及人類行為理解的涵蓋了計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。活動。n美國國家科學(xué)院計算機科學(xué)與通訊部門主席）周以真（美國國家科學(xué)院計算機科學(xué)與通訊部門主席）周以真（Jeannette M. Wing）教授在給出計算思維總定義的基礎(chǔ)上，又對計算思維作）教授在給出計算思維總定義的基礎(chǔ)上，又對計算思維作了更詳細的表述了更詳細的表述 (表表1)：表表1：計算思維的更詳細描述（或定義）：計算思維的更詳細描述（或定義）（1）計算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看來困難的問題）計算思維是通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新

6、闡釋成一個我們知道問題怎樣解決的思維方法；重新闡釋成一個我們知道問題怎樣解決的思維方法；（2）計算思維是一種遞歸思維，是一種并行處理，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能）計算思維是一種遞歸思維，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；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）計算思維是一種采用抽象和分解來控制龐雜的任務(wù)或進行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)）計算思維是一種采用抽象和分解來控制龐雜的任務(wù)或進行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計的方法，是基于關(guān)注點分離的方法（計的方法，是基于關(guān)注點分離的方法（SoC方法）；方法）；（4）計算思維是一種選擇合適的方式去陳述一個問題，

7、或?qū)σ粋€問題的相關(guān)方）計算思維是一種選擇合適的方式去陳述一個問題，或?qū)σ粋€問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法；面建模使其易于處理的思維方法；表表1：計算思維的更詳細描述（或定義）：計算思維的更詳細描述（或定義）（5）計算思維是按照預(yù)防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情）計算思維是按照預(yù)防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法；況進行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法；（6）計算思維是利用啟發(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)）計算思維是利用啟發(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；和調(diào)度的思維方法；（7）計算思維是

8、利用海量數(shù)據(jù)來加快計算，在時間和空間之間，在處理能力和）計算思維是利用海量數(shù)據(jù)來加快計算，在時間和空間之間，在處理能力和存儲容量之間進行折衷的思維方法。存儲容量之間進行折衷的思維方法。n計算思維吸取了問題解決所采用的一般數(shù)學(xué)思維方法，現(xiàn)實世界中計算思維吸取了問題解決所采用的一般數(shù)學(xué)思維方法，現(xiàn)實世界中巨大復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計與評估的一般工程思維方法，以及復(fù)雜性、智巨大復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計與評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。能、心理、人類行為的理解等的一般科學(xué)思維方法。n計算思維最根本的內(nèi)容，計算思維最根本的內(nèi)容，即其本質(zhì)是抽象（即其本質(zhì)是抽象（Abstra

9、ction）與自動）與自動化（化（Automation）。）。計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，并完全用符號來表示，其中，數(shù)字抽象只是其中的一類特例。并完全用符號來表示，其中，數(shù)字抽象只是其中的一類特例。四、美國大學(xué)計算教育振興計劃對我國計算教育四、美國大學(xué)計算教育振興計劃對我國計算教育 的啟示的啟示n 計算思維中的抽象最終是要能夠機械的一步步自動執(zhí)行計算思維中的抽象最終是要能夠機械的一步步自動執(zhí)行。為了確保機械的自動化，就需要在抽象的過程中進行為了確保機械的自動化，就需要在抽象的過程中進行精確和嚴格的符號標(biāo)記和建模，同時也要求計算機系統(tǒng)精確和嚴格的符

10、號標(biāo)記和建模，同時也要求計算機系統(tǒng)或軟件系統(tǒng)生產(chǎn)廠家能夠向公眾提供各種不同抽象層次或軟件系統(tǒng)生產(chǎn)廠家能夠向公眾提供各種不同抽象層次之間的翻譯工具。之間的翻譯工具。表表2：計算思維的特征：計算思維的特征計算思維是什么計算思維是什么計算思維不是什么計算思維不是什么（1）是概念化）是概念化不是程序化不是程序化（2）是根本的）是根本的不是刻板的技能不是刻板的技能（3）是人的思維）是人的思維不是計算機的思維不是計算機的思維（4）是思想）是思想不是人造物不是人造物（5）是數(shù)學(xué)與工程思維的互補與融合）是數(shù)學(xué)與工程思維的互補與融合不是空穴來風(fēng)不是空穴來風(fēng)（6）面向所有的人，所有的地方）面向所有的人，所有的地方

11、不局限于計算學(xué)科不局限于計算學(xué)科n（1）概念化，不是程序化概念化，不是程序化n計算機科學(xué)不是計算機編程。像計算機科學(xué)家那樣去思維意味著遠計算機科學(xué)不是計算機編程。像計算機科學(xué)家那樣去思維意味著遠遠不止能為計算機編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思維。為遠不止能為計算機編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思維。為便于理解周教授的意思，可以更進一步地說，計算機科學(xué)不只是關(guān)便于理解周教授的意思，可以更進一步地說，計算機科學(xué)不只是關(guān)于計算機，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)于麥克風(fēng)一樣。于計算機，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)于麥克風(fēng)一樣。n（2）根本的，不是刻板的技能根本的，不是刻板的技能n根本技能是指每一個人為了在現(xiàn)代社

12、會中發(fā)揮職能所必須掌握的。根本技能是指每一個人為了在現(xiàn)代社會中發(fā)揮職能所必須掌握的。刻板的技能意味著機械的重復(fù)。就時間而言，所有已發(fā)生的智力，刻板的技能意味著機械的重復(fù)。就時間而言，所有已發(fā)生的智力，其過程都是確定的，因此，智力無非也是一種計算，由于智力也是其過程都是確定的，因此，智力無非也是一種計算，由于智力也是一種計算，那么我們只要將精力集中在一種計算，那么我們只要將精力集中在“好的好的”計算上，也即采用計算上，也即采用計算思維，就能夠更好的造福人類。計算思維，就能夠更好的造福人類。四、美國大學(xué)計算教育振興計劃對我國計算教育四、美國大學(xué)計算教育振興計劃對我國計算教育 的啟示的啟示n（3）人

13、的，不是計算機的思維人的，不是計算機的思維n計算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計算機那計算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計算機那樣地思考。計算機枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力。是人類賦樣地思考。計算機枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力。是人類賦予計算機激情。配置了計算設(shè)備，我們就能用自己的智慧去解決那予計算機激情。配置了計算設(shè)備，我們就能用自己的智慧去解決那些計算時代之前不敢嘗試的問題，實現(xiàn)些計算時代之前不敢嘗試的問題，實現(xiàn)“只有想不到，沒有做不到只有想不到，沒有做不到”的境界。計算機賦予人類強大的計算能力，人類應(yīng)該好好的利用的境界。計算機賦予人類強大的計算能力

14、，人類應(yīng)該好好的利用這種力量去解決各種需要大量計算的問題。這種力量去解決各種需要大量計算的問題。n（4）是思想，不是人造品是思想，不是人造品n不只是我們生產(chǎn)的軟硬件等人造物將以物理形式到處呈現(xiàn)并時時刻不只是我們生產(chǎn)的軟硬件等人造物將以物理形式到處呈現(xiàn)并時時刻刻觸及我們的生活，更重要的是計算的概念，這種概念被人們用于刻觸及我們的生活，更重要的是計算的概念，這種概念被人們用于問題求解、日常生活的管理，以及與他人進行交流和互動。問題求解、日常生活的管理，以及與他人進行交流和互動。n周教授所描述的計算思維給我們帶來了重新審視我們學(xué)科的視野，周教授所描述的計算思維給我們帶來了重新審視我們學(xué)科的視野，也使

15、我們更加重視學(xué)科所蘊含的思想與方法。這種重視，會促成整也使我們更加重視學(xué)科所蘊含的思想與方法。這種重視，會促成整個計算機科學(xué)教育的重生。個計算機科學(xué)教育的重生。四、美國大學(xué)計算教育振興計劃對我國計算教育四、美國大學(xué)計算教育振興計劃對我國計算教育 的啟示的啟示n（5）數(shù)學(xué)和工程思維的互補與融合數(shù)學(xué)和工程思維的互補與融合n計算機科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，因為像所有的科學(xué)一樣，它的計算機科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，因為像所有的科學(xué)一樣，它的形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學(xué)之上。計算機科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學(xué)之上。計算機科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維，因為我們建造的是能夠與實際世界互動的系統(tǒng)，基本計算設(shè)備的，因為我們建造的是能夠與實際世界互動的系統(tǒng)，基本計算設(shè)備的限制迫使計算機科學(xué)家必須計算性地思考，而不能只是數(shù)學(xué)性地思限制迫使計算機科學(xué)家必須計算性地思考，而不能只是數(shù)學(xué)性地思考。構(gòu)建虛擬世界的自由使我們能夠超越物理世界的各種系統(tǒng)。數(shù)考。構(gòu)建虛擬世界的自由使我們能夠超越物理世界的各種系統(tǒng)。數(shù)學(xué)和工程思維的互補與融合很好的體現(xiàn)在學(xué)和工程思維的互補與融合很好的體現(xiàn)在抽象、理論和設(shè)計抽象、理論和設(shè)計3個學(xué)個學(xué)科形態(tài)（或過程）上?？菩螒B(tài)（或過程）上。n（6）面向所