本組對計(jì)算思維應(yīng)用的理解

1、 一、本組對計(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)不僅掌握閱讀、寫作和算

2、術(shù)(Reading,writing,and arithmetic-3R),還要學(xué)會計(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)一步問：一個(gè)近似解是否就足夠了，是否可

3、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，而對于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還考慮簡潔和優(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)。

4、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”。計(jì)算思維就是學(xué)習(xí)在同步相互會合時(shí)如何避免“競2 / 6爭條件”(亦稱“競態(tài)條件”)的情形。 計(jì)算思維利用

5、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，在處理能力和存儲容量之間進(jìn)行權(quán)衡。考慮這些日常中的事例：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)

6、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“非確定論”和“垃圾收集”這些詞的理解會和計(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。各類機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)部門都聘請了計(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)家們對生物科學(xué)越來越感興趣，因?yàn)樗麄儓?jiān)信生物學(xué)家

7、能夠從計(jì)算思維中獲益。計(jì)算機(jī)科學(xué)對生物學(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）能夠以闡釋其功能的方式表示蛋白質(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。類似地，計(jì)算博弈理論正改變著經(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，量子計(jì)算改變著物理學(xué)家的思考方式。 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

8、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)代社會中發(fā)揮職能所必須掌握的?？贪寮寄芤馕吨鴻C(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，

9、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斓氖悄軌蚺c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

10、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)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

11、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)法激發(fā)公眾對于計(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。 個(gè)人體會與理解 在現(xiàn)代的科學(xué)與社會發(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

12、對于計(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于在大數(shù)據(jù)背景之下對于數(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)會對于數(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，這個(gè)軟件的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)就是我們的計(jì)算