計算思維：-大學計算教育的振興-科學工程研究的創(chuàng)新圖文新版匯編

1、 2 摘要： 本報告首先簡單介紹一下科學與思維 的概念、兩者的關系以及科學思維 是一切科學與技術創(chuàng)新的靈魂；然 后詳細講解計算思維的定義、實例、 特征以及對其他學科的影響；最后 闡述計算思維是振興大學計算教育 的途徑以及計算思維促使科學與工 程領域產生革命性的創(chuàng)新成果。 3 目錄 1.科學與思維 1.科學與思維的含義 2.人類文明進步和科學發(fā)現的三大科學 3.科學思維 2.計算思維 1.計算思維的定義 2.計算思維的例子 3.計算思維的特征 4.計算思維對其他學科的影響 3.計算思維是大學計算教育振興的途徑 1.大學計算機基礎教育的重要性 2.大學計算機基礎教學存在的問題 3.計算思維在美國：

2、PITAC報告，BPC、CPATH和CE21計劃 4.計算思維在我國：中國高等學校計算機基礎課程教指委工作 5.實例研究：大學計算思維課程的總體框架 4.計算思維與科學發(fā)現和技術創(chuàng)新 1.美國NSF的EHR i=10; i+)sum1.10 total += i 25 三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(14) 計算機硬件基礎 布爾邏輯與門電路布爾邏輯與門電路 布爾邏輯和運算 門電路基礎 數制與運算數制與運算 各種數制的轉換 數據的存儲與表示數據的存儲與表示 存儲容量單位 ASCII碼 原碼、反碼和補碼 計算機組成計算機組成 CPU 主存、外存和存儲體系 I/O設備 指令系統(tǒng)及執(zhí)行指令系統(tǒng)及

3、執(zhí)行 26 三、計算思維是大學計算教育振興的途徑(15) 計算機軟件基礎 軟件分類軟件分類 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) 操作系統(tǒng)的定義和功能 操作系統(tǒng)的歷史、分類和常見操作系統(tǒng) 競爭控制 數據庫系統(tǒng)數據庫系統(tǒng) 數據庫系統(tǒng)基礎 關系模型 數據挖掘入門 辦公軟件簡介辦公軟件簡介 Word Excel PowerPoint Access 教學環(huán)節(jié) 課堂講授：自編參考教材 課堂練習：不掉電的計算機科學 課堂討論：拓展知識、前沿 課程考核：筆試 口試 小論文 27 四、計算思維與科學發(fā)現和技術創(chuàng)新(1) 美國NSF的EHR&CISE學部： 美國NSF的EHREHR(Education & Human Resour

4、ces)局的使命 為21世紀培養(yǎng)和造就科學家培養(yǎng)和造就科學家、技術人員、工程師、數學家和教育工作者 等范圍廣泛的、訓練有素的勞動大軍訓練有素的勞動大軍，以及具有科學素質的、能夠把握 科學技術的思想和工具的現代公民現代公民。 支持所有科學與工程領域中的教育、研究以及基礎設施（Infrastructure） 的開發(fā)。 提升全體公民的生活質量生活質量，提升國家的健康、繁榮、福祉和安全。 美國NSF的CISECISE(Computer & Information Science & Engineering) 局的使命 在計算機與信息科學及工程方面使美國保持世界領先地位世界領先地位。 促使理解和利用先進

5、的計算機、通信和信息系統(tǒng)，為全社會提供服務提供服務。 28 四、計算思維與科學發(fā)現和技術創(chuàng)新(2) 對計算思維的進一步理解： 計算思維是利用泛指的計算（CS、CE、C、IS、IT等）的基礎概念，求解問 題、設計系統(tǒng)、理解人類行為的一種方法方法（Approach），是一類Analytical Thinking。它合用（Share）了數學思維（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）。 計算時的抽象概念比數學、物理科學中的意義要豐富和復雜；抽象是分層的 （為此要定義介面和關系）；抽象最終要在受限的物理世界中實現的； Abstract

6、ions are the mental tools of computing. The power of the mental tools is amplified by the power of metal tools。 計算是抽象的自動執(zhí)行；自動化隱含著需要某類計算機（可以是機器或人， 或兩者的組合）去解釋抽象。 從操作側面上，計算涉及到回答“如何尋找一臺計算機去求解問題？”隱含 地回答此問題就是確定合適的抽象，選擇合適的某類計算機去解釋執(zhí)行該抽 象，后者的過程就是自動化。所以計算思維的本質是抽象與自動化（2A）。 計算的三種驅動力是科學、技術和社會，三者互相作用影響：科學的發(fā)現催 生技術

7、發(fā)明促進社會應用；反之，技術發(fā)明產生新的社會應用促進新的科學 發(fā)現。 29 四、計算思維與科學發(fā)現和技術創(chuàng)新(3) 問題求解、系統(tǒng)設計和行為理解中的計算思維 求解問題中的計算思維 利用計算的手段求解問題的過程 首先要把實際應用問題轉換轉換為數學問題（可能是一組PDE） 其次將PDE方程離散化離散化為一組代數方程組 然后建立模型、設計算法、編程實現實現 最后在具體的計算機上運行運行求解 計算求解問題過程中的計算思維 中的前兩步可謂是計算思維中的抽象抽象(Abstract) 中的后兩步可謂是計算思維中的自動自動(Atomation) 設計系統(tǒng)中的計算思維 Karp的觀點：任何自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)都可

8、視為一個動態(tài)演化系統(tǒng)，演化 伴隨著物質、能量和信息的交換，這種交換可映射（也就是抽象）為符 號變換，使之能利用計算機進行離散的符號處理。 當動態(tài)演化系統(tǒng)抽象抽象為離散符號系統(tǒng)之后，就可采用形式化的規(guī)范描述 ，建立模型、設計算法、開發(fā)軟件，來揭示演化的規(guī)律，并實時控制系 統(tǒng)的演化，自動自動執(zhí)行，這就是計算思維中的自動化自動化。 30 四、計算思維與科學發(fā)現和技術創(chuàng)新(4) 理解人類行為中的計算思維（利用計算基礎概念-計算機網絡科學去 理解人在網絡環(huán)境下的行為） 人類所處的環(huán)境變遷與人類行為表現 封建社會自給自足的封閉式環(huán)境 資本主義社會的開放環(huán)境 近代社會的網絡環(huán)境 利用計算的手段來研究人類的行

9、為，可視為社會計算(Cyber-Society Computing)，即通過各種信息技術手段，設計、實施和評估人與環(huán)境之間 的交互。 社會計算涉及到人們的交互方式、社會群體的形態(tài)及其演化規(guī)律等問題 。研究生命的起源與繁衍，理解人類的認識能力，了解人類與環(huán)境的交 互，研究傳染病毒的結構與傳播以及國家的福利與安全等等都屬社會計 算的范疇，這些都與（計算）思維科學密切相關。 使用計算思維的觀點對當前社會計算中的一些關鍵問題進行分析與建模 ，嘗試從計算思維的角度重新認識社會計算，找出新問題、新觀點和新 方法等。 31 四、計算思維與科學發(fā)現和技術創(chuàng)新(5) 美國CISE局啟動的CDI( Cyber-E

10、nabled Discovery and Innovation)計劃 目的、項目與財年 2008 年NSF啟動了“通過網絡實現的科學發(fā)現與技術創(chuàng)新通過網絡實現的科學發(fā)現與技術創(chuàng)新”(CDI)的5 年研究計劃，是實現計算思維的第一個美國NSF重大計劃。 目的目的：通過計算思維的創(chuàng)新和進步創(chuàng)新和進步（包括概念、方法、模型、算法、工 具和系統(tǒng)等），對科學與工程領域產生新理解新理解、新模式新模式，創(chuàng)造革命性的 研究成果研究成果。 項目與財年項目與財年：2008 年批準了共72 個項目，經費為4200 萬美元；2009 年 投入了3300 萬美元；2010年預算為5000萬美元，后增加了1637萬美元。

11、 2010年度的CDI計劃 “網絡物理系統(tǒng)網絡物理系統(tǒng)”（CPS）：CPS包括自動汽車、智能的高效能建筑物、 嵌入式醫(yī)療設備、輔助老年人的技術、提高生活質量的機器人等。 數據密集型計算數據密集型計算 探索新的基礎數學和計算抽象科學以表征和管理數據。 支持科學與工程應用中的數據挖掘、數據整合和數據提取等跨學科項目。 開展數據可視化和數據發(fā)布工具的基礎科學研究。 新興的數據密集型計算模式云計算的研究。 32 四、計算思維與科學發(fā)現和技術創(chuàng)新(6) CDI計劃支持的三大主題 從數據到知識從數據到知識（From Data to Knowledge）：增進人類的認識和從豐富的 異構數字化的數據中產生新的

12、知識。 理解自然、人工和社會系統(tǒng)的復雜性理解自然、人工和社會系統(tǒng)的復雜性（Understanding Complexity in Natural, Built, and Social Systems）：對此三大系統(tǒng)產生根本性的認識。 虛擬組織虛擬組織（Virtual Organizations, VO）：將不同結構、不同地域和不同文 化的人群和資源聯(lián)系在一起，進行科學發(fā)現和創(chuàng)新。 33 四、計算思維與科學發(fā)現和技術創(chuàng)新(7) 研究示例 網絡科學網絡科學（Network Science）： 網絡科學系從經濟理論、多尺度分析、網絡信息理論等衍生出來的。 需要發(fā)展基礎理論來開發(fā)、理解、建模和分析大規(guī)

13、模復雜異構網絡的工 具。 這樣的網絡，包括Internet網網（跨地域，跨人工、社會和自然系統(tǒng)）、生生 物網絡物網絡（對它的理解還很初級）和復雜耦合網絡復雜耦合網絡（包括通信系統(tǒng)、人類 大腦和社會網絡）等。 網絡科學覆蓋了CDI的三大主題： 大量跨越多時空尺度的網絡數據集的知識模式。 人工的、社會的和自然的網絡體現了復雜系統(tǒng)的交互。 由網絡組成的虛擬組織自身在不同的交互尺度反過來來研究網絡。 虛擬實驗室虛擬實驗室（Virtual Laboratory） 高中的老師和學生可以通過所提供的建模與仿真系統(tǒng)的虛擬實驗室來共 同探索科學。 他們可在虛擬實驗室調研有關知識；也可以與遠程班級互動。 這種對科

14、學教育的創(chuàng)新方法，有賴于安全的虛擬組織的突破和多學科的 交叉方法等。 34 四、計算思維與科學發(fā)現和技術創(chuàng)新(8) 計算思維研究在我國： 2012年國家科技計劃信息技術領域備選項目推薦指南里的“基礎研究 類”的先進計算中，我國學者推薦立項開展“新一代軟件方法學及其 對計算思維的支撐機理”的研究。 中國高等學校計算機基礎課程教學指導委員會從2010年下半年開始在 合肥、濟南、北京、深圳和杭州等會議上分別向教育部、基金委、科 技部等建議立項開展“計算思維：確保學生創(chuàng)新能力”和“基于計算 思維的復雜計算系統(tǒng)的認知構建”的研究。 35 五、結論(1) 科學思維是一切科學研究和技術發(fā)展的創(chuàng)新靈魂；科學思

15、維一般包括推 理思維、實證思維和計算思維；計算思維不僅能振興大學計算教育，而 且會令科學與工程領域創(chuàng)造出革命性的(Transformative)研究成果。 計算思維能改變大學計算機教育仍然沿襲幾十年的教學模式，是大學計 算教育振興(Revitalized)的途徑?？膳囵B(yǎng)造就具有計算思維能力的、訓練 有素的科技人才、勞動大軍和現代公民。 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 、工具與系統(tǒng)等，對科學與工程領域產生新理解、新模式，從而可創(chuàng)造 出革命性的研究成果。 計算思維代表著人們的一種普遍的認識和一類普適的能

16、力，不僅僅是計 算機科學家，而是每一個人都應該熱心地學習和運用它。 計算思維的大學課程，不僅僅是面向計算機科學專業(yè)，而是面向所有的 專業(yè)。一個人可主修英語或數學等，而工作可從事于各行各業(yè)；計算機 科學也一樣，一個人可主修計算機科學，而接著從事任何類型的工作。 我們應當激發(fā)學生對計算機科學的興趣、熱愛和探索，積極傳播計算機 科學的快樂、崇高和力量，致力于使計算思維成為公眾的常識，真正融 入人類的一切活動中。 36 五、結論(2) 我們應當積極行動起來，糾正計算機科學等同于計算機編程和認為計算 機科學的基礎理論已完成剩下的只是工程問題的錯誤觀點，改變我們計 算機科學的社會形象。當我們這樣做時，計算

17、思維就是引導著計算機教 育家、研究者和實踐者們的一個宏大愿景！“事在當代，利在千秋”！ 關于計算思維的研究： 計算思維是利用計算的基礎概念(Fundamental Concepts)求解問題、設計 系統(tǒng)和理解人類行為的一種方法(Approach)。計算思維是人類求解問題 的一條途徑。盡管對計算思維的理解也有不同的看法，但是我們認為， 現在不必過多地討論、解釋計算思維到底是什么，而是要回答計算思維 能給計算機科學帶來什么新內容和新發(fā)展。要從計算思維的角度，審視 我們以前的有關研究工作，以期在此基礎上提出新的理論和方法，獲得 一些用以往研究方法難以取得的突破性研究成果。 在中文里，計算思維不是一個新名詞。在我國，從小學到大學的教育中 ，計算思維經常被朦朦朧朧地使用，我們的老師在傳播科學知識時，也 自覺或不自覺地在傳承著計算文化，卻一直沒有像周以真教授那樣新穎 、明確和系統(tǒng)地進行高度的概括和提升。我們傳統(tǒng)的文化中有歷史悠久 的“算計”文化，褒貶不一。