2019通識課視頻05數(shù)據(jù)思維

1、智能新時(shí)代不可不知的數(shù)據(jù)常識人人都能學(xué)好的數(shù)字生活必修課開篇實(shí)例：Ages of Children ProblemPerson A is charged with the task of determining the ages of Bs three children.B tells A that the product of the childrens ages is 36.A replies that another clue is required.B tells A the sum of the childrens ages.A replies that another clue i

2、s needed.B tells A that the oldest child plays the piano.A tells B the ages of the three children.How old are the three children?答 案思維：做法 意識 “無”意識從玩牌的習(xí)慣性動(dòng)作，到計(jì)算機(jī)算法設(shè)計(jì)策略，再到數(shù)據(jù)思維，這條路并不遙遠(yuǎn)。A-SATA model課程總覽第5課 數(shù)據(jù)思維問題求解與思維方式計(jì)算思維與數(shù)據(jù)思維像數(shù)據(jù)科學(xué)家一樣思考問題求解與思維方式問題求解Polyas Problem Solving Steps1. Understand the problem

3、.2. Devise a plan for solving the problem.3. Carry out the plan.4. Evaluate the solution for accuracy and its potential as a tool for solving other problems.The way of thinking早在1972年，圖靈獎(jiǎng)得主Edsger Dijkstra就曾說：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習(xí)慣，從而也深刻地影響著我們的思維能力”，這就是著名的“工具影響思維”的論點(diǎn)。什么是思維方式？思維方式是人們大腦活動(dòng)的內(nèi)在程式，它對人們的言

4、行起決定性作用。思維方式?jīng)Q定行為結(jié)果，如果我們想在未來的學(xué)習(xí)工作上有所突破，一定要先在思維方式上有所提高。思維方式?jīng)Q定了一個(gè)人的創(chuàng)新能力。典型的思維模式：直線思維直線思維是人們最常用、最簡單和最本能的思維方式它用直線模式去思考問題：從當(dāng)前點(diǎn)出發(fā)，用剛剛發(fā)生過的事情建立方向，用直線去預(yù)測結(jié)果。對于社會(huì)關(guān)系來說，運(yùn)用直線思維可以形成簡單的契約社會(huì)，人和人之間沒有復(fù)雜的心理暗示。中國人很少采用直線思維思考社會(huì)問題，反而進(jìn)行過度解讀，形成了集體焦慮。典型的思維模式：逆向思維逆向思維是對當(dāng)前的狀態(tài)進(jìn)行反向思考。其目的是否定當(dāng)前的狀態(tài)，向相反的方向?qū)ふ夷繕?biāo)。對于科學(xué)研究來說，逆向思維必不可少。逆向思維并不

5、會(huì)持久存在，因?yàn)槟嫦蛩季S的結(jié)果充滿了風(fēng)險(xiǎn)。典型的思維模式：跳躍思維跳躍思維是不按部就班思考，間斷性地向某個(gè)方向“跳起”的思維方式。跳躍思維可以跨過鴻溝，到達(dá)新的起點(diǎn)，在科研難題的突破上是非常有用的。跳躍思維要求人的大腦具有很強(qiáng)的活力、精力旺盛。這種能力的外在表現(xiàn)就是“異想天開”。典型的思維模式：歸納思維歸納思維是人處理外界信息的一種手段。利用歸納思維，能夠在短時(shí)間內(nèi)對復(fù)雜的信息建立各種模式，只要熟記幾個(gè)簡單的模式，就能掌握無窮多個(gè)可能的事實(shí)。很多人學(xué)習(xí)新知識很快，就是因?yàn)闅w納思維運(yùn)用得當(dāng)。例如，舉一反三。典型的思維模式：并行思維人的思維方式一般從一件事情開始，完成后再做另一件事情。這是自然選擇

6、，也是人的本能。但是如果一個(gè)人負(fù)責(zé)一個(gè)團(tuán)隊(duì)，或者從事非常復(fù)雜的系統(tǒng)性問題研究時(shí)，必須學(xué)會(huì)同時(shí)思考幾件事情，這就是并行思維。我們并不是擁有多核的大腦，而是需要在不同的課題之間進(jìn)行快速切換。典型的思維模式：科學(xué)思維科學(xué)思維（Scientific Thinking）通常是指理性認(rèn)識及其過程，即經(jīng)過感性階段獲得的大量材料，通過整理和改造，形成概念、判斷和推理，以便反映事物的本質(zhì)和規(guī)律。科學(xué)思維是指人腦對自然界中事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及自然界中事物之間的聯(lián)系和相互關(guān)系所做的有意識的、概括的、間接的和能動(dòng)的反映，該反映以科學(xué)知識和經(jīng)驗(yàn)為中介，體現(xiàn)為對多變量因果系統(tǒng)的信息加工過程。簡而言之，科學(xué)思維是人腦

7、對科學(xué)信息的加工活動(dòng)。 科學(xué)思維的分類理論思維（Theoretical Thinking）又稱邏輯思維，是指通過抽象概括，建立描述事物本質(zhì)的概念，應(yīng)用科學(xué)的方法探尋概念之間聯(lián)系的一種思維方法。實(shí)驗(yàn)思維（Experimental Thinking）又稱實(shí)證思維，是通過觀察和實(shí)驗(yàn)獲取自然規(guī)律法則的一種思維方法。它以觀察和歸納自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)科為代表。計(jì)算思維（Computational Thinking）又稱構(gòu)造思維，是指從具體的算法設(shè)計(jì)規(guī)范人手，通過算法過程的構(gòu)造與實(shí)施來解決給定問題的一種思維方法。數(shù)據(jù)思維（Data Thinking）又稱分析思維，是指圍繞著數(shù)據(jù)的采集、建模、計(jì)算、可視

8、化等來求解問題的方法，簡單來說，就是以數(shù)據(jù)為中心的問題求解。思考題人類思維方式是如何演化的？計(jì)算思維與數(shù)據(jù)思維什么是計(jì)算思維？計(jì)算思維就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解。計(jì)算思維是一種普適的思維，是每個(gè)人的基本技能，正如印刷出版促進(jìn)了閱讀、寫作和算術(shù)（英文稱為3R）的傳播。周以真（Jeannette M. Wing）教授提出計(jì)算思維的理念計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)一切皆可計(jì)算，從物理世界模擬到人類社會(huì)模擬，從人類社會(huì)模擬再到智能活動(dòng)，都可認(rèn)為是計(jì)算的某種形式。計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)科學(xué)計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。它反映了計(jì)算的根本問題，即什么能被有效地自動(dòng)進(jìn)行。計(jì)算是抽象的自動(dòng)執(zhí)

9、行，自動(dòng)化需要某種計(jì)算機(jī)去解釋抽象。從操作層面上講，計(jì)算就是如何尋找一臺(tái)計(jì)算機(jī)去求解問題，隱含地說就是要確定合適的抽象，選擇合適的計(jì)算機(jī)去解釋執(zhí)行該抽象，后者就是自動(dòng)化。常見的計(jì)算思維方法Abstraction （抽象）和Automation（自動(dòng)化）是計(jì)算思維的兩大核心特征，常見的計(jì)算思維方法包括：分而治之：把數(shù)據(jù)、過程或問題分解成更小的、易于管理或解決的部分；模式識別：觀察問題的模式、趨勢和規(guī)律；抽象：識別模式形成背后的一般原理；算法設(shè)計(jì)：為解決某一類問題撰寫一系列詳細(xì)的步驟。分而治之分層思維幫助我們將復(fù)雜的問題拆解成小問題，把復(fù)雜的物體拆解成較輕易應(yīng)付和理解的小物件，通過解決小問題而解決

10、復(fù)雜的問題，使問題變得更加簡單。例如，怎樣制作漢堡包？我們可以將漢堡包分成幾個(gè)部分：Upper bun：最上層的圓面包Lettuce：生菜Tomato：西紅柿Cheese：奶酪Beef patty：牛肉餡餅Lower bun：下層的圓面包模式識別任何事物都有相似性，模式識別教會(huì)我們尋找到事物之間的共同特點(diǎn)，利用這些相同的規(guī)律，去解決問題。當(dāng)我們把復(fù)雜的問題分層到小問題時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)在小問題中找到模式，這些模式在小問題當(dāng)中有相似點(diǎn)。從以往的經(jīng)驗(yàn)中得到規(guī)律并且舉一反三將它運(yùn)用到其他的問題中，例如：順序模式是按順序排列項(xiàng)目（所有物品）；分組模式是將相似的項(xiàng)目(物品)分成一個(gè)組。抽 象抽象物理世界計(jì)算

11、世界走向物理世界與計(jì)算世界的無縫連接抽象化思維是將重要的信息提煉出來，去除次要信息的能力，掌握了抽象化的能力，我們就可以將一個(gè)解決方案應(yīng)用于其他事物中，制定出解決方案的總體思路。問題抽象核心概念：數(shù)學(xué)模型、表示、實(shí)現(xiàn)、轉(zhuǎn)換算法是計(jì)算思維的核心概念：方法層: 算法表示層: 編程實(shí)現(xiàn)層: 機(jī)器這差不多也就是計(jì)算機(jī)科學(xué)的主要內(nèi)容了問題抽象算法問題抽象的分層映射應(yīng)用領(lǐng)域的對象與關(guān)系數(shù)學(xué)對象與關(guān)系描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與狀態(tài)轉(zhuǎn)換操作過程與效果分析求解數(shù)據(jù)抽象核心概念：數(shù)據(jù)形態(tài)、數(shù)據(jù)組織、存儲(chǔ)、檢索與利用數(shù)據(jù)抽象解釋數(shù)據(jù)抽象的分層映射物理世界的對象描述抽象數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型編碼與標(biāo)準(zhǔn)化編碼解釋系統(tǒng)抽象核心概念：系統(tǒng)模

12、型、功能邏輯、接口、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)抽象平臺(tái)系統(tǒng)抽象的分層映射系統(tǒng)目標(biāo)與子目標(biāo)分解功能模塊與接口狀態(tài)轉(zhuǎn)換與功能映射配置與效果設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)再舉一個(gè)例子：企業(yè)的工資表處理數(shù)據(jù)抽象：編碼 數(shù)據(jù)記錄 數(shù)據(jù)庫問題抽象：處理單個(gè)員工的相關(guān)記錄處理任意有限多個(gè)員工的不同記錄（同樣的處理方法）系統(tǒng)抽象：應(yīng)用界面：某種形式的“窗口”邏輯電路支撐 系統(tǒng)軟件支撐 數(shù)據(jù)庫 應(yīng)用程序支撐算法設(shè)計(jì)算法設(shè)計(jì)就是一步一步解決問題的過程，按照的一定的順序完成一個(gè)任務(wù)，同樣的事情人人都會(huì)學(xué)習(xí)操作。An algorithm is an ordered set of unambiguous, executable steps that defi

13、nes a terminating process.運(yùn)用計(jì)算思維進(jìn)行問題求解的步驟把實(shí)際問題抽象為數(shù)學(xué)問題，并建模，將人對問題的理解用數(shù)學(xué)語言描述出來；進(jìn)行映射，把數(shù)學(xué)模型中的變量等用特定的符號代替，用符號一一對應(yīng)數(shù)學(xué)模型中的變量和規(guī)則等；通過編程把解決問題的邏輯分析過程寫成算法，把解題思路變成計(jì)算機(jī)指令，也就是算法；執(zhí)行算法，進(jìn)行求解，計(jì)算機(jī)根據(jù)算法，一步步完成相應(yīng)指令，求出結(jié)果。一個(gè)著名的例子：“渡河問題”問題：人、狼、羊、菜用一條只能同時(shí)載兩位的小船渡河，“狼羊”、“羊菜”不能在無人在場時(shí)共處，當(dāng)然只有人能駕船。圖模型：頂點(diǎn)表示“原岸的狀態(tài)”，兩點(diǎn)之間有邊當(dāng)且僅當(dāng)一次合理的渡河“操作”能

14、夠?qū)崿F(xiàn)該狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。起始狀態(tài)是“人狼羊菜”，結(jié)束狀態(tài)是“空”，“允許狀態(tài)”可以有10個(gè)。問題的解：找到一條從起始狀態(tài)到結(jié)束狀態(tài)的盡可能短的通路。定義問題：問題編碼上述關(guān)系可以用一個(gè)布爾矩陣表示：它也可以表示成一個(gè)“數(shù)”： 0010100000000110或者也可以表示成符號串：16#28#2#6#3#768#384#320#112#32Solution方案1：農(nóng)夫帶羊過河農(nóng)夫返回農(nóng)夫帶狼過河農(nóng)夫帶羊返回農(nóng)夫帶菜過河農(nóng)夫返回農(nóng)夫帶羊過河方案2：農(nóng)夫帶羊過河農(nóng)夫返回農(nóng)夫帶菜過河農(nóng)夫帶羊返回農(nóng)夫帶狼過河農(nóng)夫返回農(nóng)夫帶羊過河什么是數(shù)據(jù)思維？數(shù)據(jù)思維是指獲取數(shù)據(jù)、從數(shù)據(jù)中提取信息、論證結(jié)論可靠性等過程中

15、表現(xiàn)出來的一種思維模式，對于人類提高認(rèn)知起到巨大的作用，主要手段包括：計(jì)算方法：利用計(jì)算機(jī)和計(jì)算思維來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理；統(tǒng)計(jì)方法：作為一種實(shí)證主義的方法，目的是從偶然性中發(fā)現(xiàn)必然性，對真理做出探究。統(tǒng)計(jì)學(xué)是檢驗(yàn)理論與現(xiàn)實(shí)之間一致性的工作，統(tǒng)計(jì)學(xué)家設(shè)計(jì)收集數(shù)據(jù)的方法，提供數(shù)據(jù)特征的描述方法，并利用樣本數(shù)據(jù)對總體特征做出估計(jì)、檢驗(yàn)和預(yù)測。數(shù)據(jù)思維的歷史數(shù)據(jù)思維，這個(gè)概念雖然很早就有，但直到近幾年，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展，重新又回到了思維認(rèn)識的高度。實(shí)際上，數(shù)據(jù)思維一直是人類的一種思維方式之一，而且應(yīng)該比科學(xué)思維形成得更早，也更樸實(shí)?？茖W(xué)思維應(yīng)該是在數(shù)據(jù)思維之上產(chǎn)生的，而且科學(xué)思維中也包括了數(shù)據(jù)思維，如一些基于統(tǒng)計(jì)的學(xué)科，其實(shí)就是數(shù)據(jù)思維的體現(xiàn)和應(yīng)用。數(shù)據(jù)思維與統(tǒng)計(jì)學(xué)“統(tǒng)計(jì)學(xué)不止是一種方法或技術(shù)，還含有世界觀的成分，它是看待世界上萬事萬物的一種方法。我們常講某事從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)看如何如何，指的就是這個(gè)意思。但統(tǒng)計(jì)思想也有一個(gè)發(fā)展過程。因此統(tǒng)計(jì)思想（或觀點(diǎn)）的養(yǎng)成，不單需要學(xué)習(xí)一些具體的知識，還有能夠從發(fā)展的眼光，把這些知識連綴成一個(gè)有機(jī)的、清晰的途徑，獲得一種歷史的厚重感?！标愊Ｈ?，數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)簡史統(tǒng)計(jì)思維，就是用統(tǒng)計(jì)學(xué)的世界觀去構(gòu)建框架，然后去解釋這個(gè)世界。數(shù)據(jù)思維與計(jì)算環(huán)境計(jì)算環(huán)境