計算思維(201201)

1、計算思維31關(guān)鍵詞：計算思維今天我主要談談計算思維。我報告的題目是： “計算思維：大學計算教育的振興，科學工程研究 的創(chuàng)新”。為什么講這個題目，因為是計算機大 會，在座的都是搞計算機的。那么我們的 計算機科 學與計算機學科 的現(xiàn)狀是什么樣的？計算思維將 如何成為振興大學計算教育的途徑？計算思維與技 術(shù)創(chuàng)新又是什么關(guān)系？計算科學是很偉大的，理論科學、實驗科學、計 算科學被稱為推動人類文明進步和科技發(fā)展的三大科 學，或者叫三大支柱。但是我們的現(xiàn)狀是什么呢？計 算機學科，計算機教育，尤其計算機的基礎(chǔ)教育是有 問題的，甚至計算機基礎(chǔ)教育存在著危機。作為計算機教育者和改革者，我們應該積極 地改變這種局面

2、，糾正社會上對計算機科學的片面 理解。要改變計算機學科不需要什么理論的錯誤觀 點，要扭轉(zhuǎn)“計算機只是工具”的社會不良形象， 要消除計算機學科特別是計算機基礎(chǔ)教育“可有可 無”的影響，要積極傳播計算機科學的魅力、愉悅 和力量。要改變現(xiàn)在的情況，就要提倡計算思維，宣揚 計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中?？茖W與思維什么是科學？達爾文曾經(jīng)給科學下過一個定 義：“科學就是整理事實，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，做出結(jié) 論”?？茖W包括自然科學、社會科學和思維科學。 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，是認識的高級形式；思維是人腦對現(xiàn) 實事物的概括

3、、加工、揭露本質(zhì)特征。人腦對信息陳國良深圳大學、中國科學技術(shù)大學的處理包括分析、抽象、綜合、概括等。科學的重要性在于，它是真理，推動著人類文 明進步和科技的發(fā)展?？茖W思維是什么呢？它一般包括理論思維、實 驗思維和計算思維。理論思維又稱推理思維，以推 理和演繹為特征，以數(shù)學學科為代表。實驗思維又 稱實證思維，以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物 理學科為代表。計算思維又稱構(gòu)造思維，以設計和 構(gòu)造為特征，以計算機學科為代表。國科發(fā)財2008197號文關(guān)于創(chuàng)新方法工 作的若干意見認為“科學思維不僅是一切科學研 究和技術(shù)發(fā)展的起點，而且始終貫穿于科學研究和 技術(shù)發(fā)展的全過程，是創(chuàng)新的靈魂”?？茖W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。計算思維計算思維的定義：它是運用計算的基礎(chǔ)概念(Fun dame ntal Co ncept)去求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為的一種方法(Approach )，是一類#CNCC 2011特邀報告33#解析（Analytical ）思維。它合用（share） 了數(shù)學思 維（求解問題的方法）、工程思維（設計、評價大 型復雜系統(tǒng)）和科學思維（理解可計算性、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。計算 思維的本質(zhì)是抽象（Abstract）和自動化（Automation ）。盡管對計算思維的理解也有不同看法

5、，但 我們認為現(xiàn)在不必過多地討論、解釋計算思維到底 是什么，而是要回答計算思維給計算機科學和教育 帶來什么新內(nèi)容和新發(fā)展。下面列舉一些計算機科學、計算機教育或者科 學工作者經(jīng)常使用的思維方法來幫助大家進一步理 解計算思維。比如計算思維是通過 約簡、嵌入、 轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個困難的問題闡釋成如 何求解它的思維方法；計算思維把一個復雜的大而 難的問題分成很多部分同時去處理，這就是并行處 理；計算思維是一種遞歸思維，它把一個難以對付 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；計算思 維是一種采用抽象和分解的方法來控制龐雜的任務 或進行巨型復雜系統(tǒng)的設計，是基于關(guān)注點分離的 方法；計算思維是一種選擇合適的方式陳述一個問 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；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 行折衷的方法，等等。周以真（美國卡內(nèi)基梅隆大學計算機系華裔女 教授一編者注）進一步用計算思維是什么、不是什 么等特征來解釋計算思維，她說計算思維是概念化，不是程序化：計算機科學不是計算機編程。 像計算機科學家那樣去思維意味著遠不止能為計算 機編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思維。計 算機科學不只是關(guān)于

7、計算機，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是 關(guān)于麥克風一樣。計算思維是根本的，不是刻板 的技能：計算思維是一種根本技能，是每一個人為 了在現(xiàn)代社會中發(fā)揮職能所必須掌握的?？贪宓募?能意味著簡單的機械重復。計算思維是人的，不 是計算機的思維：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，是人類賦予計算機激情。計算思 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 理以及與其它人進行交流和互動。計算思維是數(shù)學 和工程思維的互補與融合：計算機科學在本質(zhì)上 源自數(shù)學思維，它的形式化基礎(chǔ)建

8、筑于數(shù)學之上。 計算機科學又從本質(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)。計算思維 面向 所有人，所有地方：當計算思維真正融入人類活 動的整體時，它作為一個問題解決的有效工具，人 人都應當掌握，處處都會被使用。計算思維不單單是計算機學科所關(guān)心的課題， 計算思維對其他學科也有著深遠的影響。事實上， 我們已經(jīng)見證了計算思維對其他學科的影響。例 如：計算生物學正在改變著生物學家的思考方式； 納米計算正在改變著化學家的思考方式；量子計算 正在改變著物理學家的思考方式；博弈計算理論正 在改變著經(jīng)濟學家的思考方式等等。由于計算機科 學的普及，我們計算機科學的專業(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)習以為常，什么“非 確定隨機算法”、“垃圾收集”這樣的術(shù)語都已經(jīng) 司空見慣了。這就說明我們計算機科學的知識、計 算機科學的發(fā)展、計算思維已經(jīng)自覺不自覺地深入 到其他學科，而且大家都在使用，都習以為常，實 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、化學、地質(zhì)學、數(shù)學、 工程、經(jīng)濟學、社會科學、醫(yī)療、娛樂，還有藝 術(shù)、體育、教育等等方面，都會產(chǎn)生影響。計算思維是振興計算教育的途徑現(xiàn)在我們對大學計算機基礎(chǔ)教育的重視程度不 夠。對大學計算機基礎(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

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

11、化 的趨勢。 計算機的易用性和本身技術(shù)的巨大進步，使有些人 質(zhì)疑大學計算機教育的必要性。很多人將計算機科 學等同于計算機編程，淡化了計算機的科學意義， 削弱了計算機學科的內(nèi)涵?，F(xiàn)在有人說教授計算機課 程就是教學生如何使用計算機，將計算機基礎(chǔ)教育當 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，又都講不深，造成學生 興趣不大，往往逃課。因而現(xiàn)在面臨著計算機基礎(chǔ)課 教學學時被壓縮，課程面臨被裁剪的危機。這種情況也不只在我們國家，美國也一樣。當 美國看到有35-50%的學生中途放棄計算機基礎(chǔ)課程 學習時，已采取積極的措施。2005年6月，美國總 統(tǒng)信息技術(shù)咨詢委員會有一個

12、計算科學：確保美 國競爭力的報告，提出21世紀科學上最重要的、 經(jīng)濟上最有前途的研究前沿都有可能通過熟練的掌 握先進的計算技術(shù)和運用計算科學而得到解決。充 分強調(diào)了計算科學的重要性。這種把對計算學科認 識的不足將危及到美國的科學領(lǐng)導地位、經(jīng)濟競爭 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計劃，目標是促成早就具有基本在這個報告出來以后，美國國家科學基金會2006 年首先提出了 “擴大計算參與面” BPC (Broadening Pa

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

14、以就啟動了很多研究項目，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26個項目。201 1年度美國國家科學基金會又啟動了 “二 一世紀計算教育” CE21 (Computing Education for 21st Century)計劃，計劃是建立在 CPATH 項目成功的基礎(chǔ)上，其目的是提高 K-14 (中小學和 大學一、二年級)老師與學生的計算思維能力?？?見，在美國國家層面上自然基金委積極響應，先后 啟動了 BPC計劃、CPATH計劃、CE21計劃等，并且 有持續(xù)性的經(jīng)費支持。這些計劃做得很及時、很普 及，大家

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

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

17、期的計算思維；2011年 春季，在西安交通大學同時開了三個班，大家非常 積極；2011年秋季，在深圳大學也針對專門的班級 開設了計算思維課程。為了供大家參考，我設計了大學計算思維課程 的總體框架：基本框架含計算理論、算法和通用程 序設計語言、計算機硬件和軟件最小知識集。具體 內(nèi)容規(guī)劃：計算思維基礎(chǔ)知識、計算理論和計算模 型、算法基礎(chǔ)、通用程序設計語言、計算機硬件基 礎(chǔ)、計算機軟件基礎(chǔ)等。教學環(huán)節(jié)：課堂講授、 課堂練習、課程考核。我設計該課程基本框架的出 發(fā)點是：如果要用計算手段求解一個問題，首先就 應該問這個問題能不能夠用計算的手段去解決，這 是可計算性問題，這個計算有多復雜，這是計算復 雜性

18、的問題（兩者屬于計算理論內(nèi)容）。如果這個 問題能夠用計算方法去計算，那么怎么樣去實現(xiàn)它 呢？這就要設計算法并通過某種描述語言把它表達 出來之后，再在計算機上運行求解。作為大學計算機第一門入門課，不管什么專 業(yè)，物理、化學、生物、藝術(shù)，都得學這門課程。 對于這門課程中的程序語言，我們認為選用語言是為 了表達算法，我們不提倡大學一年級第一門計算機基 礎(chǔ)課中使用計算機專用程序設計語言，我們提倡用紙 和鉛筆來求解計算機科學中的一些問題，從這個意義 上來講，采用描述性語言就夠了，這就是我的一個基 本觀點。我這里講到的只是一個框架，既不是推薦的 模式也不是最優(yōu)的模式。我相信，從事計算機基礎(chǔ)課 的老師們都有豐富的教學經(jīng)驗做這些。計算思維與科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新美國國家科學基金會HER & CISE學部的使命是 為21世紀培養(yǎng)造就科學家、訓練有素的勞動大軍和 現(xiàn)代公民。CISE的使命是保證美國在計算機領(lǐng)域的 世界領(lǐng)先地位。我們開展計算機基礎(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 學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新。計算思維與科學發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新 的關(guān)系又怎樣呢？通過多學科方法，使用計算思維在 計算概念、方法、模型、算法、工具與系統(tǒng)等的創(chuàng)新 和進步，或者創(chuàng)新地使用計算概念、方法、模型、算 法