計(jì)算思維導(dǎo)論課件-s1補(bǔ)充材料

計(jì)算思維基礎(chǔ)知識(shí)2/30一、科學(xué)的概念

達(dá)爾文對科學(xué)定義：科學(xué)就是整理事實(shí)，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律并做出結(jié)論。1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)達(dá)爾文的定義指出了科學(xué)的內(nèi)涵，即事實(shí)與規(guī)律。科學(xué)要發(fā)現(xiàn)人所未知的事實(shí)，并以此為依據(jù)，實(shí)事求是。至于規(guī)律是指客觀事物之間內(nèi)在的本質(zhì)的必然聯(lián)系。

3/30愛因斯坦：設(shè)法將人們雜亂無章的感覺經(jīng)驗(yàn)加以整理，使之符合邏輯一致的思想系統(tǒng)，就叫科學(xué)?？茖W(xué)作為一種存在的事物和完整的事物，是人類認(rèn)知的事物中最客觀的。但科學(xué)在形成過程中，作為追求的目的，卻如同人類的其他認(rèn)知一樣，是主觀的也是受心理制約的。

1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)4/30

美國《韋伯斯特新世界詞典》對科學(xué)定義：科學(xué)是從確定研究對象的性質(zhì)和規(guī)律這一目的出發(fā)，通過觀察、調(diào)查和實(shí)驗(yàn)得到的系統(tǒng)知識(shí)。

中國《辭海》對科學(xué)定義：科學(xué)是運(yùn)用范疇、定理和定律等思維形式反映現(xiàn)實(shí)世界各種現(xiàn)象的本質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的知識(shí)體系。

科學(xué)：反映現(xiàn)實(shí)世界中各種現(xiàn)象及其客觀規(guī)律的知識(shí)體系。科學(xué)作為人類知識(shí)的最高形式，已成為人類社會(huì)普遍的文化理念。1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)5/30二、科學(xué)的分類分類方式種類按照研究對象的不同自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、思維科學(xué)按照與實(shí)踐聯(lián)系的不同理論科學(xué)、技術(shù)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)按照人類對自然規(guī)律利用的直接程度自然科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)按照人類目標(biāo)的不同廣義的科學(xué)、狹義的科學(xué)廣義的科學(xué)概念是自然科學(xué)、人文科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等所有學(xué)科的總稱，狹義的科學(xué)概念則專指自然科學(xué)，有時(shí)甚至直指基礎(chǔ)理論科學(xué)。1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)6/30分類描述或說明自然科學(xué)NaturalScience以自然界為主要研究對象，運(yùn)用實(shí)證、理性和臻美等方法，揭示自然的奧秘，獲取自然的真知。人文科學(xué)humanities以人類作為主要研究對象，運(yùn)用實(shí)地考察詮釋和啟示等方法，認(rèn)識(shí)人、人性和人生的意義，提升人的精神素質(zhì)和思想境界。社會(huì)科學(xué)SocialScience以社會(huì)領(lǐng)域?yàn)橹饕芯繉ο螅\(yùn)用調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和歸納等方法，把握社會(huì)規(guī)律，解決社會(huì)問題，促進(jìn)社會(huì)進(jìn)步。1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)7/30

美國能源部發(fā)布的報(bào)告：高端計(jì)算目前已經(jīng)與理論研究、實(shí)驗(yàn)手段一起，成為獲得科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三大支柱。因此，理論科學(xué)、實(shí)驗(yàn)科學(xué)和計(jì)算科學(xué)是推動(dòng)人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展的重要途徑。1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)8/30三、計(jì)算科學(xué)與計(jì)算學(xué)科計(jì)算科學(xué)putationalScience：一種與數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、定量分析方法以及利用計(jì)算機(jī)來分析和解決科學(xué)問題的研究領(lǐng)域。(計(jì)算視角)1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)計(jì)算科學(xué)putingScience：應(yīng)用高性能計(jì)算能力預(yù)測和了解實(shí)際世界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)或復(fù)雜現(xiàn)象演化規(guī)律的科學(xué)，它包括數(shù)值模擬、工程仿真高效計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等。(計(jì)算機(jī)視角)9/30

1993：高性能計(jì)算與通信HPCC計(jì)劃

1996：加速戰(zhàn)略計(jì)算創(chuàng)新ASCI計(jì)劃

2002：高性能計(jì)算系統(tǒng)HPCS計(jì)劃

2005：“計(jì)算科學(xué)-確保美國競爭力”報(bào)告

報(bào)告建議：應(yīng)將計(jì)算科學(xué)長期置于國家科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域中心的領(lǐng)導(dǎo)地位。

1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)10/30計(jì)算學(xué)科putationalDiscipline:利用計(jì)算科學(xué)對其他學(xué)科中的問題進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬或者其他形式的計(jì)算而形成的諸如計(jì)算物理、計(jì)算化學(xué)等學(xué)科統(tǒng)稱為計(jì)算學(xué)科。(計(jì)算視角)計(jì)算學(xué)科putingDiscipline:是對描述和變換信息的算法過程進(jìn)行系統(tǒng)的研究，它包括算法過程的理論、分析、設(shè)計(jì)、效率分析、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用等。(計(jì)算機(jī)視角)1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)計(jì)算學(xué)科的基本問題：什么能被（有效地）自動(dòng)進(jìn)行。11/30計(jì)算學(xué)科是在數(shù)學(xué)和電子科學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，它既是一門理論性很強(qiáng)的學(xué)科，又是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科。

1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)12/30四、計(jì)算機(jī)科學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)科1.1科學(xué)與計(jì)算科學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)puterScience：研究計(jì)算機(jī)及其周圍各種現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)。分類：理論計(jì)算機(jī)科學(xué)、應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)。計(jì)算機(jī)學(xué)科puterDiscipline：研究計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)與制造和利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息獲取、表示、儲(chǔ)存、處理、控制等的理論、原則、方法和技術(shù)的學(xué)科。計(jì)算機(jī)科學(xué)側(cè)重研究現(xiàn)象與揭示規(guī)律，計(jì)算機(jī)技術(shù)則側(cè)重研制計(jì)算機(jī)及使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息處理的方法和技術(shù)手段。13/12ComputerScience2008代碼知識(shí)領(lǐng)域代碼知識(shí)領(lǐng)域DS離散結(jié)構(gòu)HC人機(jī)交互PF程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)GV圖形學(xué)和可視化計(jì)算AL算法與復(fù)雜度IS智能系統(tǒng)AR計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組織IM信息管理OS操作系統(tǒng)SP社會(huì)與職業(yè)問題NC網(wǎng)絡(luò)計(jì)算SE軟件工程PL程序設(shè)計(jì)語言CN數(shù)值計(jì)算科學(xué)14/12SoftwareEngineering2004計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)和工程基礎(chǔ)職業(yè)實(shí)踐軟件建模與分析軟件設(shè)計(jì)軟件驗(yàn)證與確認(rèn)軟件進(jìn)化軟件過程軟件質(zhì)量軟件管理軟件工程專業(yè)教育包括10個(gè)知識(shí)領(lǐng)域?qū)W科中的最基本的科學(xué)問題5DeepQuestionsinComputingP=NP?Whatiscomputable?Whatisintelligence?Whatisinformation?(How)canwebuildcomplexsystemssimply?1.《論語·憲問》子曰：“驥不稱其力，稱其德也。”或曰：“以德報(bào)怨，何如？”子曰：“何以報(bào)德？以直報(bào)怨，以德報(bào)德?！比绾巫C明孔子的說法是正確的？請計(jì)算孔子的說法是正確的囚徒困境兩個(gè)罪犯準(zhǔn)備搶劫銀行，但作案前失手被擒。警方懷疑他們意圖搶劫，苦干證據(jù)只夠起訴非法持有槍械，于是將其分開審訊。為離間雙方，警方分別對兩人說：若都保持沉默(“合作”)，則一同入獄1年；若是互相檢舉(互相“背叛”)，則一同入獄5年若你認(rèn)罪并檢舉對方(“背叛”對方)，他保持沉默，他入人獄10年，你可以獲釋(反之亦然)結(jié)果兩人都選擇了招供（最希望的結(jié)果）。prisoner'sdilemma情況分析

孤立地看，這是最符合個(gè)體利益的“理性”選擇。以A為例：若B招供，A自己招供獲刑5年，不招供獲刑10年；若B不招供，自己招供可以免刑，不招供獲刑1年。兩種情況下，選擇招供都更有利，事實(shí)上卻比兩人都拒不招供的結(jié)果糟。由囚徒困境可知，公共生活中，如果每個(gè)人都從眼前利益、個(gè)人利益出發(fā)，結(jié)果會(huì)對整體的利益(間接對個(gè)人的利益)造成傷害。為解決“囚徒困境”難題，美國曾組織競賽，要求參賽者根據(jù)“重復(fù)囚徒困境”(雙方不止一次相遇，“背叛”可能在以后遭到報(bào)復(fù))來設(shè)計(jì)程序。將程序輸入計(jì)算機(jī)反復(fù)互相博弈，以最終得分評估優(yōu)劣(雙方合作各得3分；雙方背叛各得1分；一方合作一方背叛，合作方得0分，背叛方得5分)；有些程序采用“隨機(jī)”對策；有些采用“永遠(yuǎn)背叛”對策；有些采用“永遠(yuǎn)合作”對策；結(jié)果，加拿大多倫多大學(xué)的阿納托爾·拉帕波特教授的“一報(bào)還一報(bào)”策略奪得了最高分。我方在第一次相遇時(shí)選擇“合作”，之后就采取對方上一次的選擇。這意味著：在對方每一次背叛后，我方就“以牙還牙”，也背叛一次；對方每一次合作后，我方就“以德報(bào)德”一次；《論語·憲問》中，有人問孔子：“以德報(bào)怨，何如?”孔子反問：“何以報(bào)德?以直報(bào)怨，以德報(bào)德?！痹摬呗杂袆e于“善良”的“永遠(yuǎn)合作”或“邪惡”的“永遠(yuǎn)背叛”對策，及對方一旦“不忠”，我方就不再給機(jī)會(huì)，長久對抗的策略。如果你選擇“永遠(yuǎn)背叛”策略，你或許會(huì)在第一局拿到最高分，但之后的各局可能都只能拿到低分，最后雖然可能“戰(zhàn)勝”不少對手，但由于總分很低，最終難逃被淘汰出局的命運(yùn)。所以除非很難與對方再次相遇，不用擔(dān)心其日后的反應(yīng)，才可選擇對抗與背叛；而在長期互動(dòng)、博弈的關(guān)系中，“一報(bào)還一報(bào)”是最佳策略：它是善意的，從不首先背叛；它不迂腐，不管過去相處多好，仍然對背叛有反應(yīng)；它是寬容的，不因一次背叛而選擇玉石俱焚。三字經(jīng)：人之初，性本善22/30一、思維的概念

1.思維的定義

思維是人腦對客觀事物的一種概括的、間接的反映，它反映客觀事物的本質(zhì)和規(guī)律。1.2思維與科學(xué)思維

2.思維的組成思維原料、思維主體、思維工具。自然界提供思維的原料，人腦成為思維的主體，認(rèn)識(shí)的反映形式形成了思維的工具，三者具備才有思維活動(dòng)。

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3.思維的特征

特征說明概括性思維是在人的感性基礎(chǔ)上，將一類事物的共同本質(zhì)的特征和規(guī)律抽取出來，加以概括。間接性指非直接的以其它事物做媒介來反映客觀事物。能動(dòng)性不僅能認(rèn)識(shí)和反映世界，而且還能對客觀世界進(jìn)行改造。1.2思維與科學(xué)思維24/30

4.思維的類型分類方式種類按照思維的進(jìn)程方向橫向思維、縱向思維發(fā)散思維、收斂思維按照思維的抽象程度直觀行動(dòng)思維具體形象思維抽象邏輯思維按照思維的形成和應(yīng)用領(lǐng)域科學(xué)思維日常思維1.2思維與科學(xué)思維25/30二、科學(xué)思維

科學(xué)思維：指理性認(rèn)識(shí)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，以便反映事物本質(zhì)和規(guī)律。簡而言之，科學(xué)思維是大腦對科學(xué)信息的加工活動(dòng)。

科學(xué)思維的主要表現(xiàn)：①科學(xué)的理性思維②科學(xué)的邏輯思維③科學(xué)的系統(tǒng)思維④科學(xué)的創(chuàng)造性思維

1.2思維與科學(xué)思維26/30三、科學(xué)思維的分類1.2思維與科學(xué)思維理論思維理論源于數(shù)學(xué)，理論思維支撐著所有的學(xué)科領(lǐng)域。正如數(shù)學(xué)一樣，定義是理論思維的靈魂，定理和證明是其精髓，公理化方法是最重要的理論思維方法實(shí)驗(yàn)思維實(shí)驗(yàn)思維的先驅(qū)是意大利科學(xué)家伽利略，被人們譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。與理論思維不同，實(shí)驗(yàn)思維往往需要借助于某些特定的設(shè)備，使用它們來獲取數(shù)據(jù)以便進(jìn)行分析。計(jì)算思維計(jì)算思維是思維過程或功能的計(jì)算模擬方法論，其研究目的是提供適當(dāng)?shù)姆椒ǎ谷藗兡芙柚?jì)算機(jī)逐步達(dá)到人工智能的較高目標(biāo)。諸如模式識(shí)別、決策、優(yōu)化和自控等算法都可以屬于計(jì)算思維范疇。27/30一般而論，三種科學(xué)對應(yīng)著三種思維：

理論科學(xué)←→理論思維：

理論思維又稱邏輯思維，它以推理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表。

實(shí)驗(yàn)科學(xué)←→實(shí)驗(yàn)思維：

實(shí)驗(yàn)思維又稱實(shí)證思維，它以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)科為代表。

計(jì)算科學(xué)←→計(jì)算思維：

計(jì)算思維又稱構(gòu)造思維，它以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表。1.2思維與科學(xué)思維28/30一、計(jì)算思維的定義計(jì)算思維(ComputationalThinking，CT)

周以真：計(jì)算思維是運(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)和理解人類行為的涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。1.3計(jì)算思維的概念29/30針對上述定義解釋如下：

①求解問題中的計(jì)算思維利用計(jì)算手段求解問題的過程是：首先要把實(shí)際的應(yīng)用問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)問題，可能是一組偏微分方程，其次將PDE離散為一組代數(shù)方程組，然后建立模型、設(shè)計(jì)算法和編程實(shí)現(xiàn)，最后在實(shí)際的計(jì)算機(jī)中運(yùn)行并求解。前兩步是計(jì)算思維中的抽象，后兩步是計(jì)算思維中的自動(dòng)化。1.3計(jì)算思維的概念30/30

②設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的計(jì)算思維R.Karp：任何自然系統(tǒng)和社會(huì)系統(tǒng)都可視為一個(gè)動(dòng)態(tài)演化系統(tǒng)，演化伴隨著物質(zhì)、能量和信息的交換，這種交換可以映射為符號(hào)變換，使之能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離散的符號(hào)處理。當(dāng)動(dòng)態(tài)演化系統(tǒng)抽象為離散符號(hào)系統(tǒng)后，就可以采用形式化的規(guī)范描述，建立模型、設(shè)計(jì)算法和開發(fā)軟件來揭示演化的規(guī)律，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的演化并自動(dòng)執(zhí)行。

1.3計(jì)算思維的概念31/30

③理解人類行為中的計(jì)算思維王飛躍：計(jì)算思維是基于可計(jì)算的手段，以定量化的方式進(jìn)行的思維過程。計(jì)算思維就是應(yīng)對信息時(shí)代新的社會(huì)動(dòng)力學(xué)和人類動(dòng)力學(xué)所要求的思維。在人類的物理世界、精神世界和人工世界等三個(gè)世界中，計(jì)算思維是建設(shè)人工世界需要的主要思維方式。利用計(jì)算手段來研究人類的行為，可視為社會(huì)計(jì)算，即通過各種信息技術(shù)手段，設(shè)計(jì)、實(shí)施和評估人與環(huán)境之間的交互。1.3計(jì)算思維的概念32/30波普爾的三個(gè)世界觀點(diǎn)1.3計(jì)算思維的概念33/30二、計(jì)算思維的詳細(xì)描述計(jì)算思維是通過約簡、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)人們知道怎樣解決的問題。計(jì)算思維是一種遞歸思維，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。計(jì)算思維是一種采用抽象和分解來控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，是一種基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法。1.3計(jì)算思維的概念34/30計(jì)算思維是一種選擇合適的方式去陳述一個(gè)問題，或?qū)σ粋€(gè)問題的相關(guān)方面建模并使其易于處理的思維方法。計(jì)算思維是按照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯(cuò)和糾錯(cuò)方式，從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法。計(jì)算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答，也即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法。計(jì)算思維是利用海量數(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)行折中的思維方法。1.3計(jì)算思維的概念35/30三、計(jì)算思維的特征1.3計(jì)算思維的概念

1.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)遠(yuǎn)不僅限于計(jì)算機(jī)編程，還要求能夠在抽象的多個(gè)層次上思維。計(jì)算機(jī)科學(xué)不只是關(guān)注計(jì)算機(jī)，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)注麥克風(fēng)一樣。

2.根本的，不是刻板的技能

計(jì)算思維是一種根本技能，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。刻板的技能意味著簡單的機(jī)械重復(fù)。36/30

3.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。計(jì)算機(jī)賦予人類強(qiáng)大的計(jì)算能力，人類應(yīng)該好好的利用這種力量去解決各種需要大量計(jì)算的問題。

4.是思想，不是人造物不只是將生產(chǎn)的軟硬件等人造物到處呈現(xiàn)給我們的生活，更重要的是計(jì)算概念，它被人們用來問題求解、日常生活的管理，以及與他人進(jìn)行交流和互動(dòng)。1.3計(jì)算思維的概念37/30

5.數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合計(jì)