計(jì)算思維特征研究

...wd......wd......wd...計(jì)算思維特征研究摘要：盡管計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論有著各自的研究內(nèi)容與特色，但是，顯而易見，它們的互補(bǔ)性很強(qiáng)，可以相互促進(jìn)。比方，計(jì)算機(jī)方法論可以對計(jì)算思維研究方面取得的成果進(jìn)展再研究和吸收，最終豐富計(jì)算機(jī)方法論的內(nèi)容；反過來，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)也可以通過計(jì)算機(jī)方法論的學(xué)習(xí)得到更大的提高。介紹了計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論存在的密切聯(lián)系，以及以學(xué)科認(rèn)知理論體系構(gòu)建為核心的計(jì)算機(jī)方法論在中國的研究與應(yīng)用。相對而言，計(jì)算思維的研究主要在國外，主要是在美國和英國，他們研究的重點(diǎn)放在計(jì)算思維的過程及其實(shí)質(zhì)和特征上。此工作有助于人們對計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論的認(rèn)識，以及對它們展開進(jìn)一步地深入研究。1.背景：計(jì)算思維是什么本文所指的計(jì)算思維，主要指2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真(Jeannette札Wing)教授在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威雜志，ACM會((CommunicationsoftheACM))雜志上給出，并定義的計(jì)算思維(ComputationalThinking)E¨。周教授認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的根基概念進(jìn)展問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。為便于理解和應(yīng)用，本文將定義中的“根基概念〞更換為更為具體的“思想與方法，這樣，計(jì)算思維又可以更清晰地定義為：運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想與方法進(jìn)展問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。以上是關(guān)于計(jì)算思維的一個總定義，周教授為了讓人們更易于理解，又將它更進(jìn)一步地定義為：(1)通過約簡、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡釋成一個我們知道問題若何解決的思維方法；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I是一種采用抽象和分解來控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)展巨大復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法，是基于關(guān)注別離的方法(SoC方法)；(2)是一種選擇適宜的方式去陳述一個問題，或?qū)σ粋€問題的相關(guān)方面建模使其易于處理的思維方法；是按照預(yù)防、保護(hù)及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進(jìn)展系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法；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；是利用海量數(shù)據(jù)來加快計(jì)算，在時間和空間之間，在處理能力和存儲容量之間進(jìn)展折衷的思維方法。計(jì)算思維吸取了問題解決所采用的一般數(shù)學(xué)思維方法，現(xiàn)實(shí)世界中巨大復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評估的一般工程思維方。2.現(xiàn)狀：在人民幣學(xué)森的倡導(dǎo)下，自上世紀(jì)80年代起，面向新技術(shù)革命的思維科學(xué)研究愈來愈受到國內(nèi)有關(guān)專家學(xué)者的關(guān)注與重視。在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，隨著美國計(jì)算機(jī)學(xué)會(簡稱ACM)和美國電氣和電子工程師學(xué)會計(jì)算機(jī)分會(簡稱IEEE-CS)組成的聯(lián)合攻關(guān)組于1988年底提交了“作為學(xué)科的計(jì)算科學(xué)〞的報告，計(jì)算學(xué)科的“存在性〞得以證明。隨后，CC1991報告和CC2001報告等相繼出臺，從學(xué)科的角度詮釋了計(jì)算科學(xué)的內(nèi)涵與外延，為計(jì)算學(xué)科建設(shè)了現(xiàn)代課程體系。在計(jì)算學(xué)科課程體系的外鄉(xiāng)化進(jìn)程中，我國相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者們付出了艱辛努力，并取得實(shí)質(zhì)性成果，于2002年提出了“中國計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002〞。(ChinaComputingCurricula2002，簡稱CCC2002)。在CC2002教程的引導(dǎo)下，針對計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教育方面的諸多問題，國內(nèi)從事計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教育的廣闊工作者進(jìn)展了廣泛而有益的探討，大大豐富了計(jì)算學(xué)科課程體系建設(shè)的內(nèi)容。在計(jì)算學(xué)科課程教育改革的進(jìn)程中，若何培養(yǎng)既能熟練掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)的知識與技能，又具有計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)科意識和素養(yǎng)的人才問題，逐步成為人們關(guān)注的主要方面。《談?wù)動?jì)算機(jī)思維》在談到計(jì)算機(jī)文化與計(jì)算機(jī)思維相互之間的聯(lián)系時指出，“隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的開展，‘計(jì)算機(jī)’已不再是一個單純的計(jì)算工具的代名詞，而是信息時代高新技術(shù)的象征?？梢赃@樣說，‘計(jì)算機(jī)’作為一種文化，已滲透到社會開展的各個領(lǐng)域，而使得生活在這一時期的人們的思維活動中或多或少地與‘計(jì)算機(jī)’這一概念相聯(lián)系，研究與之相關(guān)的思維活動與思維方式，目前，計(jì)算思維的研究正在逐步受到人們的關(guān)注，但是關(guān)注面還相比照擬狹窄，要想真正實(shí)現(xiàn)使“每個孩子在培養(yǎng)解析能力時不僅掌握閱讀、寫作和算術(shù)，還要學(xué)會計(jì)算思維〞的目標(biāo)，還有很長的路要走。因?yàn)槲覈壳皬挠變航逃街行W(xué)教育，甚至高等教育的各個階段，“計(jì)算思維〞還是一個陌生的字眼。即便針對高校計(jì)算機(jī)專業(yè)的學(xué)生，若何培養(yǎng)和開展他們的計(jì)算思維，提高他們應(yīng)用計(jì)算機(jī)知識分析和解決問題的能力，依舊是一項(xiàng)需要深入研究和探索的工作。3.現(xiàn)狀分析：對計(jì)算思維的特征進(jìn)展了總結(jié)，給出了計(jì)算思維的以下6個特征：(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)不止能為計(jì)算機(jī)編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思維。為便于理解周教授的意思，可以更進(jìn)一步地說，計(jì)算機(jī)科學(xué)不只是關(guān)于計(jì)算機(jī)，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)于麥克風(fēng)一樣。(2)基本的，不是刻板的技能基本技能是每一個人為了在現(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)。具有挖苦意味的是，只有當(dāng)計(jì)算機(jī)科學(xué)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，思維可以真的變成機(jī)械的了。就時間而言，所有已發(fā)生的智力，其過程都是確定的；因此，智力無非也是一種計(jì)算，我們應(yīng)當(dāng)將精力集中在“好的〞計(jì)算上，即采用計(jì)·2·算思維來造福人類。(3)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)那樣的思考。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。計(jì)算機(jī)附給人類強(qiáng)大的計(jì)算能力，人類應(yīng)該好好利用這種力量去解決各種需要大量計(jì)算的問題。(4)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，它的形式化根基建筑于數(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)際世界互動的系統(tǒng)，基本計(jì)算設(shè)備的限制迫使計(jì)算機(jī)科學(xué)家必須計(jì)算性的思考，而不能只是數(shù)學(xué)性的思考。構(gòu)建虛擬世界的自由使我們能夠超越物理世界的各種系統(tǒng)。數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合很好地表達(dá)在抽象、理論和設(shè)這三個學(xué)科形態(tài)(或過程)上。(5)是思想，不是人造品不只是我們生產(chǎn)的軟硬件等人造物將以物理形式到處呈現(xiàn)并時時刻刻觸及我們的生活，更重要的是計(jì)算的概念，這種概念被人們用于問題求解、日常生活的管理，以及與他人進(jìn)展交流和互動。中國科學(xué)院自動化所王飛躍教授認(rèn)為：在中文里，計(jì)算思維不是一個新的名詞。在中國，從小學(xué)到大學(xué)教育，計(jì)算思維經(jīng)常被朦朦朧朧地使用，卻一直沒有提高到周教授所描述的高度和廣度上，也沒有那樣的新穎、明確和系統(tǒng)。周教授所描述的計(jì)算思維給我們帶來了重新審視我們學(xué)科的視野，也使我們更加重視學(xué)科所蘊(yùn)含的思想與方法。這種重視，會促成王飛躍教授所希望的，使我們的學(xué)科產(chǎn)生“涅磐〞般的重生。(6)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的整體以致不再表現(xiàn)為一種顯式之哲學(xué)的時候，它就將成為現(xiàn)實(shí)。就教學(xué)而言，計(jì)算思維作為一個問題解決的有效工具，應(yīng)當(dāng)在所有地方，所有學(xué)校的課堂教學(xué)中得到應(yīng)用。針對不少人認(rèn)為計(jì)算機(jī)科學(xué)等同于計(jì)算機(jī)編程等方面的錯誤認(rèn)識，周教授認(rèn)為，當(dāng)我們用行動來改變這種狹隘的社會認(rèn)識時，計(jì)算思維就是一個引領(lǐng)計(jì)算機(jī)教育家、研究者和實(shí)踐者的宏大遠(yuǎn)景。4.我的看法：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)算思維是建設(shè)在計(jì)算過程的能力和限制之上的，不管這些過程是由人還是由機(jī)器執(zhí)行的。計(jì)算方法和模型給了我們勇氣去處理那些原本無法由任何個人單獨(dú)完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論的研究，與現(xiàn)代數(shù)學(xué)思維與數(shù)學(xué)方法論的研究有不少相似之處。國內(nèi)研究的重點(diǎn)都放在學(xué)科方法論上，國外都強(qiáng)調(diào)學(xué)科的思維方式‘zo．。相對于數(shù)學(xué)，計(jì)算機(jī)方法論的研究要幸運(yùn)一些，它已完成數(shù)學(xué)方法論夢寐以求的理論體系的構(gòu)建。另外，它的研究內(nèi)容建設(shè)在世界著名計(jì)算機(jī)組織ACM和IEEE-CS大量研究工作的根基上，與國外計(jì)算思維方面的研究具有更好的互補(bǔ)性，也更易于吸收國外教育的先進(jìn)理念。盡管觀角不一樣，但是計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)方法論關(guān)心的都是計(jì)算學(xué)科最本質(zhì)的東西。計(jì)算思維是從學(xué)科思維這個層面直接討論學(xué)科的基本問題與學(xué)科的思維方式，而計(jì)算機(jī)方法論則是從方法論的角度來討論學(xué)科的基本問題和學(xué)科形態(tài)。計(jì)算思維，已經(jīng)深入到我們的日常生活中，進(jìn)入大學(xué)，是我們能夠更好地理解和實(shí)踐這種思維，這樣一個多彩的舞臺,為我們提供了豐富多彩的資源,使我們能偶更好的實(shí)現(xiàn)自己的想法。5.總結(jié)：計(jì)算機(jī)方法論中最原始的概念為：抽象、理論和設(shè)計(jì)。這3個概念與計(jì)算思維最基本的概念(抽象與自動化)反映的都是計(jì)算最基本的問題：什么能被有效地的自動進(jìn)展。從教學(xué)的角度來說，計(jì)算機(jī)方法論中的這3個概念更易為人們所掌握。從研究的角度來說，計(jì)算機(jī)方法論遵循一般方法論的