計(jì)算思維(201201)

1、計(jì)算思維31關(guān)鍵詞：計(jì)算思維今天我主要談?wù)動(dòng)?jì)算思維。我報(bào)告的題目是： “計(jì)算思維：大學(xué)計(jì)算教育的振興，科學(xué)工程研究 的創(chuàng)新”。為什么講這個(gè)題目，因?yàn)槭怯?jì)算機(jī)大 會(huì)，在座的都是搞計(jì)算機(jī)的。那么我們的 計(jì)算機(jī)科 學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)科 的現(xiàn)狀是什么樣的？計(jì)算思維將 如何成為振興大學(xué)計(jì)算教育的途徑？計(jì)算思維與技 術(shù)創(chuàng)新又是什么關(guān)系？計(jì)算科學(xué)是很偉大的，理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)、計(jì) 算科學(xué)被稱為推動(dòng)人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展的三大科 學(xué)，或者叫三大支柱。但是我們的現(xiàn)狀是什么呢？計(jì) 算機(jī)學(xué)科，計(jì)算機(jī)教育，尤其計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)教育是有 問題的，甚至計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育存在著危機(jī)。作為計(jì)算機(jī)教育者和改革者，我們應(yīng)該積極 地改變這種局面

2、，糾正社會(huì)上對計(jì)算機(jī)科學(xué)的片面 理解。要改變計(jì)算機(jī)學(xué)科不需要什么理論的錯(cuò)誤觀 點(diǎn)，要扭轉(zhuǎn)“計(jì)算機(jī)只是工具”的社會(huì)不良形象， 要消除計(jì)算機(jī)學(xué)科特別是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育“可有可 無”的影響，要積極傳播計(jì)算機(jī)科學(xué)的魅力、愉悅 和力量。要改變現(xiàn)在的情況，就要提倡計(jì)算思維，宣揚(yáng) 計(jì)算思維在教育和科研中的作用，并把這種思維普 適化、大眾化，真正融入到人類的一切活動(dòng)中?？茖W(xué)與思維什么是科學(xué)？達(dá)爾文曾經(jīng)給科學(xué)下過一個(gè)定 義：“科學(xué)就是整理事實(shí)，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，做出結(jié) 論”?？茖W(xué)包括自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和思維科學(xué)。 什么是思維呢？思維是跟大腦有關(guān)的。思維是高級 的心理活動(dòng)，是認(rèn)識(shí)的高級形式；思維是人腦對現(xiàn) 實(shí)事物的概括

3、、加工、揭露本質(zhì)特征。人腦對信息陳國良深圳大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的處理包括分析、抽象、綜合、概括等?？茖W(xué)的重要性在于，它是真理，推動(dòng)著人類文 明進(jìn)步和科技的發(fā)展?？茖W(xué)思維是什么呢？它一般包括理論思維、實(shí) 驗(yàn)思維和計(jì)算思維。理論思維又稱推理思維，以推 理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表。實(shí)驗(yàn)思維又 稱實(shí)證思維，以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物 理學(xué)科為代表。計(jì)算思維又稱構(gòu)造思維，以設(shè)計(jì)和 構(gòu)造為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表。國科發(fā)財(cái)2008197號(hào)文關(guān)于創(chuàng)新方法工 作的若干意見認(rèn)為“科學(xué)思維不僅是一切科學(xué)研 究和技術(shù)發(fā)展的起點(diǎn)，而且始終貫穿于科學(xué)研究和 技術(shù)發(fā)展的全過程，是創(chuàng)新的靈魂”。科學(xué)思維的含義

4、和重要性在于它反映的是事物 的本質(zhì)和規(guī)律。計(jì)算思維計(jì)算思維的定義：它是運(yùn)用計(jì)算的基礎(chǔ)概念(Fun dame ntal Co ncept)去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的一種方法(Approach )，是一類#CNCC 2011特邀報(bào)告33#解析（Analytical ）思維。它合用（share） 了數(shù)學(xué)思 維（求解問題的方法）、工程思維（設(shè)計(jì)、評價(jià)大 型復(fù)雜系統(tǒng)）和科學(xué)思維（理解可計(jì)算性、智能、 心理和人類行為）。它如同所有人都具備的“讀、 寫、算”能力一樣，是必須具備的思維能力。計(jì)算 思維的本質(zhì)是抽象（Abstract）和自動(dòng)化（Automation ）。盡管對計(jì)算思維的理解也有不同看法

5、，但 我們認(rèn)為現(xiàn)在不必過多地討論、解釋計(jì)算思維到底 是什么，而是要回答計(jì)算思維給計(jì)算機(jī)科學(xué)和教育 帶來什么新內(nèi)容和新發(fā)展。下面列舉一些計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算機(jī)教育或者科 學(xué)工作者經(jīng)常使用的思維方法來幫助大家進(jìn)一步理 解計(jì)算思維。比如計(jì)算思維是通過 約簡、嵌入、 轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)困難的問題闡釋成如 何求解它的思維方法；計(jì)算思維把一個(gè)復(fù)雜的大而 難的問題分成很多部分同時(shí)去處理，這就是并行處 理；計(jì)算思維是一種遞歸思維，它把一個(gè)難以對付 的問題分成兩部分去處理，如不能求解，再把每 部分分成兩部分處理之，這就是分而治之的思想； 計(jì)算思維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

6、型檢查方法；計(jì)算思 維是一種采用抽象和分解的方法來控制龐雜的任務(wù) 或進(jìn)行巨型復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是基于關(guān)注點(diǎn)分離的 方法；計(jì)算思維是一種選擇合適的方式陳述一個(gè)問 題，或?qū)σ粋€(gè)問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的 思維方法；計(jì)算思維是利用海量數(shù)據(jù)來加快計(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) 行折衷的方法，等等。周以真（美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)系華裔女 教授一編者注）進(jìn)一步用計(jì)算思維是什么、不是什 么等特征來解釋計(jì)算思維，她說計(jì)算思維是概念化，不是程序化：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。計(jì) 算機(jī)科學(xué)不只是關(guān)于

7、計(jì)算機(jī)，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是 關(guān)于麥克風(fēng)一樣。計(jì)算思維是根本的，不是刻板 的技能：計(jì)算思維是一種根本技能，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?？贪宓募?能意味著簡單的機(jī)械重復(fù)。計(jì)算思維是人的，不 是計(jì)算機(jī)的思維：計(jì)算思維是人類求解問題的一 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，是人類賦予計(jì)算機(jī)激情。計(jì)算思 維是思想，不是人造品：不只是將我們生產(chǎn)的軟 硬件等人造物到處呈現(xiàn)給我們的生活，更重要的是 計(jì)算的概念，它被人們用來問題求解、日常生活管 理以及與其它人進(jìn)行交流和互動(dòng)。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，它的形式化基礎(chǔ)建

8、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?造的是能夠與實(shí)際世界互動(dòng)的系統(tǒng)。計(jì)算思維 面向 所有人，所有地方：當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活 動(dòng)的整體時(shí)，它作為一個(gè)問題解決的有效工具，人 人都應(yīng)當(dāng)掌握，處處都會(huì)被使用。計(jì)算思維不單單是計(jì)算機(jī)學(xué)科所關(guān)心的課題， 計(jì)算思維對其他學(xué)科也有著深遠(yuǎn)的影響。事實(shí)上， 我們已經(jīng)見證了計(jì)算思維對其他學(xué)科的影響。例 如：計(jì)算生物學(xué)正在改變著生物學(xué)家的思考方式； 納米計(jì)算正在改變著化學(xué)家的思考方式；量子計(jì)算 正在改變著物理學(xué)家的思考方式；博弈計(jì)算理論正 在改變著經(jīng)濟(jì)學(xué)家的思考方式等等。由于計(jì)算機(jī)科 學(xué)的普及，我們計(jì)算機(jī)科學(xué)的專業(yè)術(shù)語現(xiàn)在都已經(jīng) 是口語化

9、，把樹倒過來畫已經(jīng)習(xí)以為常，什么“非 確定隨機(jī)算法”、“垃圾收集”這樣的術(shù)語都已經(jīng) 司空見慣了。這就說明我們計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識(shí)、計(jì) 算機(jī)科學(xué)的發(fā)展、計(jì)算思維已經(jīng)自覺不自覺地深入 到其他學(xué)科，而且大家都在使用，都習(xí)以為常，實(shí) 際上大家已經(jīng)接受它了。下面是一些例子，我就不一一講了，比如對生 物學(xué)的影響，用散彈槍算法，可大大提高人類基因 組測序的速度。對腦科學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)學(xué)、數(shù)學(xué)、 工程、經(jīng)濟(jì)學(xué)、社會(huì)科學(xué)、醫(yī)療、娛樂，還有藝 術(shù)、體育、教育等等方面，都會(huì)產(chǎn)生影響。計(jì)算思維是振興計(jì)算教育的途徑現(xiàn)在我們對大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的重視程度不 夠。對大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的重要性我們國家早就 明確地提出來了，規(guī)定把計(jì)

10、算機(jī)基礎(chǔ)課程和數(shù)學(xué)、物理放在同等地位，作為大學(xué)的通識(shí)教育。大學(xué)教 育不能局限于基本知識(shí)傳授，還要培養(yǎng)學(xué)生的理性 思維能力、對科學(xué)精神的追求和高尚人格。同時(shí)， 計(jì)算思維能力培養(yǎng)是大學(xué)通識(shí)教育的重要組成部 分，因?yàn)橥ㄗR(shí)教育要展現(xiàn)不同文化、不同學(xué)科的思 維方式。計(jì)算機(jī)不僅為不同專業(yè)提供了解決專業(yè)問 題的有效方法和手段，而且提供了一種獨(dú)特的處理問 題的思維方式。熟練使用計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)，為人們終 生學(xué)習(xí)提供了廣闊的空間以及良好的學(xué)習(xí)工具。既然國家已經(jīng)把計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育等同于數(shù)學(xué)、 物理，成為通識(shí)教育的內(nèi)容了，為什么計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 教育還存在問題呢？這是因?yàn)橐蛱鼐W(wǎng)的普及，使計(jì) 算機(jī)科學(xué)與技術(shù)呈現(xiàn)了 泛在化、平民

11、化 的趨勢。 計(jì)算機(jī)的易用性和本身技術(shù)的巨大進(jìn)步，使有些人 質(zhì)疑大學(xué)計(jì)算機(jī)教育的必要性。很多人將計(jì)算機(jī)科 學(xué)等同于計(jì)算機(jī)編程，淡化了計(jì)算機(jī)的科學(xué)意義， 削弱了計(jì)算機(jī)學(xué)科的內(nèi)涵?，F(xiàn)在有人說教授計(jì)算機(jī)課 程就是教學(xué)生如何使用計(jì)算機(jī)，將計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育當(dāng) 成了“狹義工具論”。加之現(xiàn)在基礎(chǔ)課程的教材都是 “濃縮版”，什么都講一點(diǎn)，又都講不深，造成學(xué)生 興趣不大，往往逃課。因而現(xiàn)在面臨著計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課 教學(xué)學(xué)時(shí)被壓縮，課程面臨被裁剪的危機(jī)。這種情況也不只在我們國家，美國也一樣。當(dāng) 美國看到有35-50%的學(xué)生中途放棄計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程 學(xué)習(xí)時(shí)，已采取積極的措施。2005年6月，美國總 統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會(huì)有一個(gè)

12、計(jì)算科學(xué)：確保美 國競爭力的報(bào)告，提出21世紀(jì)科學(xué)上最重要的、 經(jīng)濟(jì)上最有前途的研究前沿都有可能通過熟練的掌 握先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)和運(yùn)用計(jì)算科學(xué)而得到解決。充 分強(qiáng)調(diào)了計(jì)算科學(xué)的重要性。這種把對計(jì)算學(xué)科認(rèn) 識(shí)的不足將危及到美國的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)地位、經(jīng)濟(jì)競爭 力以及國家的安全的做法，我是非常贊同的。徑” CPATH (CISE Pathways to Revitalized undergraduate非常踴躍，積極參與， Computi ng Educating計(jì)劃，目標(biāo)是促成早就具有基本在這個(gè)報(bào)告出來以后，美國國家科學(xué)基金會(huì)2006 年首先提出了 “擴(kuò)大計(jì)算參與面” BPC (Broadening Pa

13、rticipatio n in Computi ng)計(jì)劃。通過擴(kuò)大計(jì)算的參 與對象，使更多的人，特別是美國少數(shù)民族和婦女 受益。2007年又啟動(dòng)了“振興大學(xué)本科計(jì)算教育的途 計(jì)算思維能力的、在全球有競爭力的美國勞動(dòng)大軍， 確保美國在全球創(chuàng)新企業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)地位；將計(jì)算思維 學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)融入到計(jì)算機(jī)、信息科學(xué)、工程技術(shù)和其 他領(lǐng)域的本科教育中，以增加開發(fā)具有計(jì)算思維能 力的學(xué)生人數(shù)；展示突破性的、可在多類學(xué)校中推 廣的、以計(jì)算思維為核心的本科教育模式。CPATH計(jì)劃認(rèn)為：盡管有的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)對 計(jì)算機(jī)教育做出了卓越的、開創(chuàng)性的工作，但是目 前美國更多的大學(xué)計(jì)算機(jī)教育仍然沿襲的是幾十年 前的教學(xué)模式。所

14、以就啟動(dòng)了很多研究項(xiàng)目，2007 年投入600萬美元，2008年投入500萬美元，2009年投 入1000萬美元，2009.4至2010.4共批準(zhǔn)26個(gè)項(xiàng)目。201 1年度美國國家科學(xué)基金會(huì)又啟動(dòng)了 “二 一世紀(jì)計(jì)算教育” CE21 (Computing Education for 21st Century)計(jì)劃，計(jì)劃是建立在 CPATH 項(xiàng)目成功的基礎(chǔ)上，其目的是提高 K-14 (中小學(xué)和 大學(xué)一、二年級)老師與學(xué)生的計(jì)算思維能力?？?見，在美國國家層面上自然基金委積極響應(yīng)，先后 啟動(dòng)了 BPC計(jì)劃、CPATH計(jì)劃、CE21計(jì)劃等，并且 有持續(xù)性的經(jīng)費(fèi)支持。這些計(jì)劃做得很及時(shí)、很普 及，大家

15、的熱情也是很高的。計(jì)算思維在我們國家怎么樣呢？我們曾把周以 真教授請到中國，在清華大學(xué)做了有關(guān)計(jì)算思維的 演講報(bào)告，她認(rèn)為大學(xué)的計(jì)算機(jī)教育中計(jì)算思維是 很重要的。我們國內(nèi)也有積極的響應(yīng)：中國高等學(xué) 校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教育指導(dǎo)委員會(huì)，2010年5月召開了合肥會(huì)議，討論如何培養(yǎng)高素質(zhì)的計(jì)算機(jī)教育 研究性的人才，計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課應(yīng)包括哪些內(nèi)容，如 何將計(jì)算思維融入這些課程中；2010年7月，在西安會(huì)議上發(fā)表了九校聯(lián)盟(C9)計(jì)算基礎(chǔ)教學(xué) 發(fā)展戰(zhàn)略聯(lián)合聲明，確定了以計(jì)算思維為核心的 計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革；2010年9月在太原會(huì)議 上決定將合肥會(huì)議和西安會(huì)議中有關(guān)計(jì)算思維的討 論形成擬上報(bào)的書面材料；201

16、0年 11月在濟(jì)南會(huì)議 上，將在全國更大范圍內(nèi)，深入討論以計(jì)算思維為 核心的基礎(chǔ)課程教學(xué)改革，并建議立項(xiàng)研究；2011科要改革，迫切希望能出一個(gè)樣本，大家共同執(zhí)年6月在北京舉行了會(huì)議，會(huì)議規(guī)模越來越大，大 致表示：計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)學(xué)#CNCC 2011特邀報(bào)告35#行；2011年8月，在深圳會(huì)議上正式確定以計(jì)算思 維進(jìn)行立項(xiàng)研究；2011年11月，在杭州召開了計(jì)算 機(jī)基礎(chǔ)課程教育指導(dǎo)委員會(huì)第七次工作會(huì)議，審議 了三個(gè)立項(xiàng)報(bào)告，分別向教育部、科技部、國家自 然基金委提交正式申請報(bào)告。計(jì)算思維課程現(xiàn)已在部分高校中開啟。2010年 秋季，在上海交通大學(xué)，2011年春季，在南方科技 大學(xué)，我在這里講了一個(gè)學(xué)

17、期的計(jì)算思維；2011年 春季，在西安交通大學(xué)同時(shí)開了三個(gè)班，大家非常 積極；2011年秋季，在深圳大學(xué)也針對專門的班級 開設(shè)了計(jì)算思維課程。為了供大家參考，我設(shè)計(jì)了大學(xué)計(jì)算思維課程 的總體框架：基本框架含計(jì)算理論、算法和通用程 序設(shè)計(jì)語言、計(jì)算機(jī)硬件和軟件最小知識(shí)集。具體 內(nèi)容規(guī)劃：計(jì)算思維基礎(chǔ)知識(shí)、計(jì)算理論和計(jì)算模 型、算法基礎(chǔ)、通用程序設(shè)計(jì)語言、計(jì)算機(jī)硬件基 礎(chǔ)、計(jì)算機(jī)軟件基礎(chǔ)等。教學(xué)環(huán)節(jié)：課堂講授、 課堂練習(xí)、課程考核。我設(shè)計(jì)該課程基本框架的出 發(fā)點(diǎn)是：如果要用計(jì)算手段求解一個(gè)問題，首先就 應(yīng)該問這個(gè)問題能不能夠用計(jì)算的手段去解決，這 是可計(jì)算性問題，這個(gè)計(jì)算有多復(fù)雜，這是計(jì)算復(fù) 雜性

18、的問題（兩者屬于計(jì)算理論內(nèi)容）。如果這個(gè) 問題能夠用計(jì)算方法去計(jì)算，那么怎么樣去實(shí)現(xiàn)它 呢？這就要設(shè)計(jì)算法并通過某種描述語言把它表達(dá) 出來之后，再在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行求解。作為大學(xué)計(jì)算機(jī)第一門入門課，不管什么專 業(yè)，物理、化學(xué)、生物、藝術(shù)，都得學(xué)這門課程。 對于這門課程中的程序語言，我們認(rèn)為選用語言是為 了表達(dá)算法，我們不提倡大學(xué)一年級第一門計(jì)算機(jī)基 礎(chǔ)課中使用計(jì)算機(jī)專用程序設(shè)計(jì)語言，我們提倡用紙 和鉛筆來求解計(jì)算機(jī)科學(xué)中的一些問題，從這個(gè)意義 上來講，采用描述性語言就夠了，這就是我的一個(gè)基 本觀點(diǎn)。我這里講到的只是一個(gè)框架，既不是推薦的 模式也不是最優(yōu)的模式。我相信，從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課 的老師們都有豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)做這些。計(jì)算思維與科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新美國國家科學(xué)基金會(huì)HER & CISE學(xué)部的使命是 為21世紀(jì)培養(yǎng)造就科學(xué)家、訓(xùn)練有素的勞動(dòng)大軍和 現(xiàn)代公民。CISE的使命是保證美國在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的 世界領(lǐng)先地位。我們開展計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育，同樣是 為了培養(yǎng)優(yōu)秀的人才。只有有了人才，才可能有科 學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新。計(jì)算思維與科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新 的關(guān)系又怎樣呢？通過多學(xué)科方法，使用計(jì)算思維在 計(jì)算概念、方法、模型、算法、工具與系統(tǒng)等的創(chuàng)新 和進(jìn)步，或者創(chuàng)新地使用計(jì)算概念、方法、模型、算 法