文檔計算思維

計算思維一．計算思維的定義計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。進一步地定義為：1．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闡釋成一個我們知道問題怎樣解決的方法；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控制龐雜的任務(wù)或進行巨大復雜系統(tǒng)設(shè)計的方法，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；5．是按照預防、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、學習和調(diào)度的思維方法；7．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。計算思維吸取了問題解決所采用的一般數(shù)學思維方法，現(xiàn)實世界中巨大復雜系統(tǒng)的設(shè)計與評估的一般工程思維方法，以及復雜性、智能、心理、人類行為的理解等的一般科學思維方法。二．計算思維的深層次理解1．計算思維的優(yōu)點計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人由機器執(zhí)行。計算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法由個人獨立完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計。2．計算思維的內(nèi)容計算思維最根本的內(nèi)容，即其本質(zhì)（Essence）是抽象（Abstraction）和自動化（Automation）。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)字抽象只是一類特例。與數(shù)學和物理科學相比，計算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為復雜。數(shù)學抽象的最大特點是拋開現(xiàn)實事物的物理、化學和生物學等特性，而僅保留其量的關(guān)系和空間的形式，而計算思維中的抽象卻不僅僅如此。操作模式計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人由機器執(zhí)行。計算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法由任何個人獨自完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計。3．計算思維用途計算思維是每個人的基本技能，不僅僅屬于計算機科學家。我們應(yīng)當使每個孩子在培養(yǎng)解析能力時不僅掌握閱讀、寫作和算術(shù)（Reading,writing,andarithmetic——3R），還要學會計算思維。正如印刷出版促進了3R的普及，計算和計算機也以類似的正反饋促進了計算思維的傳播。算法（我們自身的計算抽象和方法）能夠以其體現(xiàn)自身功能的方式來表示蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。計算生物學正在改變著生物學家的思考方式。類似地，計算博弈理論正改變著經(jīng)濟學家的思考方式，納米計算改變著化學家的思考方式，量子計算改變著物理學家的思考方式。這種思維將成為每一個人的技能組合成分，而不僅僅限于科學家。普適計算之于今天就如計算思維之于明天。普適計算是已成為今日現(xiàn)實的昨日之夢，而計算思維就是明日現(xiàn)實。計算機科學是計算的學問——什么是可計算的，怎樣去計算。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。7．計算思維是根本的，不是刻板的技能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?？贪寮寄芤馕吨鴻C械的重復。具有諷刺意味的是，當計算機像人類一樣思考之后，思維可就真的變成機械的了。8．計算思維是人的，不是計算機的思維方式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在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”的境界。9．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，因為像所有的科學一樣，其形式化基礎(chǔ)建筑于數(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)，基本計算設(shè)備的限制迫使計算機學家必須計算性地思考，不能只是數(shù)學性地思考。構(gòu)建虛擬世界的自由使我們能夠設(shè)計超越物理世界的各種系統(tǒng)。10．計算思維是思想，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)并時時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題、管理日常生活、與他人交流和互動的計算概念；而且，面向所有的人，所有地方。當計算思維真正融入人類活動的整體以致不再表現(xiàn)為一種顯式之哲學的時候，它就將成為一種現(xiàn)實。三．計算思維的延展1.計算思維意識計算思維是一種科學思維，與理論思維、實驗思維一起構(gòu)成了人類的三大思維。計算思維并不是一種新的發(fā)明，而是早已存在的思維活動，是每一個人都具有的一種技能。2.計算思維方法計算思維方法是計算思維的核心。計算思維方法很多，周以真教授將計算思維闡述成具體的七大類方法?？偟膩碚f，計算機思維方法有兩大類：一類是來自數(shù)學和工程的方法，另一類是計算機科學獨有的方法。例如，對于計算積分，學習數(shù)學的人通過函數(shù)變換求解積分，而計算機是通過對積分區(qū)間進行N等分然后累加各小區(qū)間的面積來實現(xiàn)。學習數(shù)學的人不會采用后一種方法，后一種方法只有掌握了計算機技術(shù)的人才采用，但是仍然來自數(shù)學。在大學計算機基礎(chǔ)課程中，幾乎每一個概念對應(yīng)一種計算思維方法。例如，Cache是預置和緩存方法，多核處理器是并行外理方法；在程序設(shè)計課程中，各種常用算法以及各類問題的求解方法，如迭代法、遞歸法等，都是沒有爭議的計算思維方法；在計算機應(yīng)用課程中，每一門課程每一個項目都是多種計算思維方法的集合。3.計算思維能力計算思維的根本目的是解決問題，即問題求解系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解。從計算機應(yīng)用的角度來說，解決問題就是計算機的應(yīng)用問題。例如，設(shè)計一個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)、創(chuàng)建一個電子商務(wù)網(wǎng)站、制造一個機器人等都是計算機應(yīng)用問題，是計算思維的目的所在。四.計算思維與大學生計算思維反映了計算機學科最本質(zhì)的特征和最核心的解決問題方法。計算思維旨在提高大學生的信息素養(yǎng)，培養(yǎng)學生發(fā)明和創(chuàng)新的能力及處理計算機問題時應(yīng)有的思維方法、表達形式和行為習慣。信息素養(yǎng)要求大學生能夠?qū)Λ@取的各種信息通過自己的思維進行深層次的加工和處理，從而產(chǎn)生新信息。計算思維在一定程度上像是教學生“怎么像計算機科學家一樣思維”五.總結(jié)計算機科學在本質(zhì)上源自