本組對(duì)計(jì)算思維應(yīng)用的理解

1、一、本組對(duì)計(jì)算機(jī)思維的理解周以真教授關(guān)于計(jì)算思維的論述計(jì)算思維代表著一種普遍的認(rèn)識(shí)和一類普適的技能，每一個(gè)人，不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué) 家，都應(yīng)熱心于它的學(xué)習(xí)和運(yùn)用。計(jì)算思維建立在計(jì)算過程的能力和限制之上， 由人由機(jī)器執(zhí)行。 計(jì)算方法和模型給了我們敢 于去處理那些原本無法由任何個(gè)人獨(dú)自完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 計(jì)算思維直面機(jī)器智能 的不解之謎： 什么人類能比計(jì)算機(jī)做得更好？什么計(jì)算機(jī)能比人類做得更好？最基本的是它 涉及這樣的問題：什么是可計(jì)算的？今天，我們對(duì)這些問題仍是一知半解。計(jì)算思維可以做什么？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

2、閱讀、寫作和算術(shù) (Reading,writing,and arithmetic-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。計(jì)算思維涉及運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、 設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為。 它 包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。當(dāng)我們必須求解一個(gè)特定的問題時(shí)，首先會(huì)問：解決這個(gè)問題有多么困難？怎樣才是最 佳的解決方法 ? 計(jì)算機(jī)科學(xué)根據(jù)堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)來準(zhǔn)確地回答這些問題。 表述問題的難度就 工具的基本能力。必須考慮的因素包括機(jī)器的指令系統(tǒng)、資源約束和操作環(huán)境。為了有效地求解一個(gè)問題， 我們可能要進(jìn)一

3、步問： 一個(gè)近似解是否就足夠了， 是否可以 利用一下隨機(jī)化，以及是否允許誤報(bào) (false postive) 和漏報(bào) (false negative)?計(jì)算思維就通過約 簡、嵌入、 轉(zhuǎn)化和仿真等方法， 把一個(gè)看來困難的問題重新闡釋成一個(gè)我們知道怎樣解決的 問題。計(jì)算思維是一種遞歸思維。 它是并行處理。 它是把代碼譯成數(shù)據(jù)又把數(shù)據(jù)譯成代碼。 它 是由廣義量綱分析進(jìn)行的類型檢查。 對(duì)于別名或賦予人與物多個(gè)名字的做法， 它既知道其益 處又了解其害處。 對(duì)于間接尋址和程序調(diào)用的做法， 它既知道其威力又了解其代價(jià)。 它評(píng)價(jià) 一個(gè)程序時(shí)，不僅僅根據(jù)其準(zhǔn)確性和效率，還有美學(xué)的考量， 而對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 還考

4、慮簡 潔和優(yōu)雅。計(jì)算思維采用了抽象和分解來迎戰(zhàn)龐大的任務(wù)或者設(shè)計(jì)巨大復(fù)雜的系統(tǒng)。 它關(guān)注的是分 離(SOC方法)。它是選擇合適的方式去陳述一個(gè)問題，或者是選擇合適的方式對(duì)一個(gè)問題的 相關(guān)方面建模使其易于處理。 它是利用不變量簡明扼要且表述性地刻畫系統(tǒng)的行為。它是我們在不必理解每一個(gè)細(xì)節(jié)的情況下就能夠安全地使用、調(diào)整和影響一個(gè)大型復(fù)雜系統(tǒng)(黑箱方法原編者注 )的信心。它就是為預(yù)期的多個(gè)用戶而進(jìn)行的模塊化，它就是為預(yù)期的未 來應(yīng)用而進(jìn)行的預(yù)置和緩存 (預(yù)測執(zhí)行原編者注 )。計(jì)算思維是按照預(yù)防、 保護(hù)及通過冗余、 容錯(cuò)、糾錯(cuò)的方式從最壞情形恢復(fù)的一種思維。 它稱堵塞為“死鎖” ，稱約定為“界面” 。

5、計(jì)算思維就是學(xué)習(xí)在同步相互會(huì)合時(shí)如何避免“競爭條件” （亦稱“競態(tài)條件” ） 的情形。計(jì)算思維利用啟發(fā)式推理來尋求解答， 就是在不確定情況下的規(guī)劃、 學(xué)習(xí)和調(diào)度。 它就 是搜索、 搜索、再搜索， 最后得到的是一系列的網(wǎng)頁， 一個(gè)贏得游戲的策略， 或者一個(gè)反例。 計(jì)算思維利用海量數(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)行權(quán) 衡?？紤]這些日常中的事例： 當(dāng)你女兒早晨去學(xué)校時(shí)， 她把當(dāng)天需要的東西放進(jìn)背包， 這就是預(yù) 置和緩存； 當(dāng)你兒子弄丟他的手套時(shí)，你建議他沿走過的路尋找， 這就是回推；在什么時(shí)候 停止租用滑雪板而為自己買一付呢？這就是在線算法；在超市付賬時(shí)，你應(yīng)當(dāng)去排哪

6、個(gè)隊(duì) 呢？這就是多服務(wù)器系統(tǒng)的性能模型； 為什么停電時(shí)你的電話仍然可用？這就是失敗的無關(guān) 性和設(shè)計(jì)的冗余性；完全自動(dòng)的大眾圖靈測試是如何區(qū)分計(jì)算機(jī)和人類，即CAPTCHA程序是怎樣鑒別人類的？這就是充分利用求解人工智能難題之艱難來挫敗計(jì)算代理程序。計(jì)算思維將滲入到我們每個(gè)人的生活之中， 到那時(shí)諸如算法和前提條件這些詞匯將成為 每個(gè)人日常語言的一部分，對(duì)“非確定論”和“垃圾收集”這些詞的理解會(huì)和計(jì)算科學(xué)里的 含義趨近，而樹已常常被倒過來畫了。我們已見證了計(jì)算思維在其它學(xué)科中的影響。例如， 機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)改變了統(tǒng)計(jì)學(xué)。 就數(shù)據(jù)尺度和維數(shù)而言， 統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)用于各類問題的規(guī)模僅在幾年前還是不可想象的。 各

7、類機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì) 部門都聘請(qǐng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)家。計(jì)算機(jī)學(xué)院（系 ）正在與已有或新開設(shè)的統(tǒng)計(jì)學(xué)系聯(lián)姻。近來， 計(jì)算機(jī)學(xué)家們對(duì)生物科學(xué)越來越感興趣， 因?yàn)樗麄儓?jiān)信生物學(xué)家能夠從計(jì)算思維中獲益。計(jì)算機(jī)科學(xué)對(duì)生物學(xué)的貢獻(xiàn)決不限于其能夠在海量時(shí)序數(shù)據(jù)中搜索尋找模式規(guī)律的能夠以闡釋其功能的方式表示 類似地， 計(jì)算博弈理論正改變 量子計(jì)算改變著物理學(xué)家的思本領(lǐng)。 最終希望是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法 （我們的計(jì)算抽象和方法） 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。 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， 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

8、如計(jì) 算思維之于明天。普適計(jì)算是已變?yōu)榻袢宅F(xiàn)實(shí)的昨日之夢，而計(jì)算思維就是明日現(xiàn)實(shí)。它是什么，又不是什么？計(jì)算機(jī)科學(xué)是計(jì)算的學(xué)問什么是可計(jì)算的， 怎樣去計(jì)算。 因此， 計(jì)算思維具有以下 特性：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。根本的，不是刻板的技能。基本技能是每一個(gè)人為了在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮職能所必須掌握的。 刻板技能意味著機(jī)械的重復(fù)。 具有諷刺意味的是， 當(dāng)計(jì)算機(jī)科學(xué)真正解決了人工智能的大挑 戰(zhàn)使計(jì)算機(jī)像人類一樣思考之后，思維可能真的變成機(jī)械的了。是人的， 不是計(jì)算機(jī)的思維。 計(jì)算思維是人類求

9、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， 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計(jì)算時(shí)代之前不敢嘗試的問題， 實(shí)現(xiàn) “只有 想不到，沒有做不到”的境界。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， 其形式化解析基礎(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?是能夠與實(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)。 是思想，不是人

10、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)。許多人將計(jì)算機(jī)科學(xué)等同于計(jì)算機(jī)編程。 有些家長為他們主修計(jì)算機(jī)科學(xué)的孩子看到的只是 一個(gè)狹窄的就業(yè)范圍。許多人認(rèn)為計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)研究已經(jīng)完成，剩下的只是工程問題。 當(dāng)我們行動(dòng)起來去改變這一領(lǐng)域的社會(huì)形象時(shí)， 計(jì)算思維就是一個(gè)引導(dǎo)著計(jì)算機(jī)教育家、 研 究者和實(shí)踐者的宏大愿景。我們特別需要走進(jìn)大學(xué)

11、之前的聽眾，包括老師、父母、學(xué)生，向 他們傳送下面兩個(gè)主要信息： 智力上的挑戰(zhàn)和引人入勝的科學(xué)問題依舊亟待理解和解決。 這些問題和解答僅僅受限于我們 的好奇心和創(chuàng)造力；同時(shí)一個(gè)人可以主修計(jì)算機(jī)科學(xué)而從事任何行業(yè)。 一個(gè)人可以主修英語或者數(shù)學(xué)， 接著從事各種 各樣的職業(yè)。 計(jì)算機(jī)科學(xué)也一樣。 一個(gè)人可以主修計(jì)算機(jī)科學(xué)， 接著從事醫(yī)學(xué)、 法律、 商業(yè)、 政治，以及任何類型的科學(xué)和工程，甚至藝術(shù)工作。計(jì)算機(jī)科學(xué)的教授應(yīng)當(dāng)為大學(xué)新生開一門稱為 “怎么像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思維” 的課程， 面 向所有專業(yè)， 而不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生。 我們應(yīng)當(dāng)使入大學(xué)之前的學(xué)生接觸計(jì)算的 方法和模型。 我們應(yīng)當(dāng)設(shè)法激

12、發(fā)公眾對(duì)于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的科學(xué)探索之興趣， 而不是悲嘆對(duì)其 興趣的衰落或者哀泣其研究經(jīng)費(fèi)的下降。 所以， 我們應(yīng)當(dāng)傳播計(jì)算機(jī)科學(xué)的快樂、 崇高和力 量，致力于使計(jì)算思維成為常識(shí)。個(gè)人體會(huì)與理解在現(xiàn)代的科學(xué)與社會(huì)發(fā)展的背景之下， 計(jì)算機(jī)的發(fā)展推動(dòng)了我們 新一代青年對(duì)于計(jì)算機(jī)思維學(xué)習(xí)和掌握的必要性， 在教育部的多個(gè)文 件之下，我們大學(xué)生對(duì)于計(jì)算機(jī)能力和計(jì)算機(jī)思維的學(xué)習(xí)是非常必要 和必須的。計(jì)算機(jī)思維主要是要求我們對(duì)于在大數(shù)據(jù)背景之下對(duì)于數(shù)據(jù)的處 理能力的學(xué)習(xí)和掌握。我們小組討論認(rèn)為想要具備這種大數(shù)據(jù)思維， 首先就要做到在我們生活實(shí)際中學(xué)會(huì)對(duì)于數(shù)據(jù)的的收集和整理， 這是 大數(shù)據(jù)背景之下研究問題的基石。 接下來我們就需要利用計(jì)算機(jī)這個(gè) 工具去處理數(shù)據(jù)然后在這些處理的數(shù)據(jù)結(jié)果中我學(xué)習(xí)和研究我們專 業(yè)和生活中的許許多多的問題。那么如何利用計(jì)算機(jī)是我們現(xiàn)在所需要學(xué)習(xí)的，利用計(jì)算機(jī)當(dāng)然 是對(duì)于那些我們所需要的軟件的學(xué)習(xí)和應(yīng)用其中就包括我們?nèi)粘W(xué) 習(xí)和工作用的那些必須軟件， 那是我們大數(shù)據(jù)時(shí)代下的基本能力， 之 外就是我們現(xiàn)在對(duì)于大數(shù)據(jù)處理的軟件 spss，這是處理大數(shù)據(jù)的一個(gè) 大型的軟件，這