1、计算思维：大学计算教育的振兴科学工程研究的创新陈国良南京邮电大学2摘要：本报告首先简单介绍一下科学与思维的概念、两者的关系以及科学思维是一切科学与技术创新的灵魂；然后详细讲解计算思维的定义、实例、特征以及对其他学科的影响；最后阐述计算思维是振兴大学计算教育的途径以及计算思维促使科学与工程领域产生革命性的创新成果。3目录一. 科学与思维1. 科学与思维的含义2. 人类文明进步和科学发现的三大科学3. 科学思维二. 计算思维1. 计算思维的定义2. 计算思维的例子3. 计算思维的特征4. 计算思维对其他学科的影响三. 计算思维是大学计算教育振兴的途径1. 大学计算机基础教育的重要性2. 大学计算机
2、基础教学存在的问题3. 计算思维在美国： PITAC报告， BPC、 CPATH和 CE21计划4. 计算思维在我国：中国高等学校计算机基础课程教指委工作5. 实例研究：大学计算思维课程的总体框架四. 计算思维与科学发现和技术创新1. 美国 NSF的 EHR&CISE学部2. 对计算思维的进一步理解3. 问题求解、系统设计和行为理解中的计算思维4. 美国 CISE局启动的 CDI计划5. 研究示例：网络科学与虚拟实验室6. 计算思维研究在我国五. 结论一、科学与思维 (1)1.科学与思维的含义(1) 科学 达尔文曾给科学下过一个定义： “ 科学就是整理事实，从中发现规律，作出结论 ” 。 科学
3、一般包含： 自然科学 、 社会科学 和 思维科学 。(2) 思维 思维是高级的心理活动，是认识的高级形式。 思维是人脑对现实事物概括、加工、揭露本质特征。 人脑对信息的处理包括分析、抽象、综合、概括等。2.人类文明进步和科学发现的三大科学(1) 理论科学 、 实验科学 和 计算科学 作为科学发现三大支柱，正推动着人类文明进步和科技发展。(2) 该说法已被科学文献广泛引用，并在美国得到国会听证、联邦和私人企业报告的承同。4一、科学与思维 (2)3. 科学思维(1) 科学思维的含义及重要性：一般指的是理性认识及其过程，也即经过感性阶段获得的大量材料，通过整理和改造，形成概念、判断和推理，以反映事物
4、的本质和规律。国科发财 2008 197号文 关于创新方法工作的若干意见 认为 “科学思维不仅是一切科学研究和技术 发展的起点 ，而且始终贯穿于科学研究和技术发展的全过程，是 创新的灵魂 ”。(2) 科学思维一般包括： 理论思维 ： 理论源于数学，理论思维支撑着所有的学科领域。正如数学一样， 定义是理论思维的灵魂， 定理 和证明是它的精髓。 公理化 方法是最重要的理论思维方法。 实验思维 ：实验思维的先驱是意大利科学家伽利略，被人们誉为 “ 近代科学之父 ”。与理论思维不同，实验思维往往需要借助于某些 特定的设备 ，并用它们来获取数据以供以后的分析。 计算思维 ： 计算思维是运用 计算机科学
5、的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动 。 5二、计算思维 (1)1. 计算思维的定义：计算思维 (Computational Thinking， CT)是运用计算的基础概念 (Fundamental Concept)去求解问题、设计系统和理解人类行为的一种方法 (Approach)。 CT的 本质 是抽象 (Abstract)和自动化 (Automation)。它是如同所有人都具备 “ 读、写、算 ” （简称 3R） 能力一样，都必须具备的思维能力。2. 计算思维的例子： 计算思维是通过 约简 、 嵌入 、 转化 和 仿真 等方法，把一个困难
6、的问题阐释成如何求解它的思维方法。 计算思维是一种 递归思维 ，是一种 并行处理 ，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。 计算思维是一种采用 抽象 和 分解 的方法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法（ SoC方法）。 计算思维是一种选择合适的方式 陈述 一个问题，或对一个问题的相关方面 建模 使其易于处理的思维方法。 计算思维是按照 预防 、 保护 及通过 冗余 、 容错 、 纠错 的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。 计算思维是利用 启发式 推理寻求解答，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。 计算思维是
7、利用 海量数据 来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折衷的思维方法。. 6二、计算思维 (2)3.计算思维的特征： 概念化，不是程序化计算机科学不是计算机编程 。像计算机科学家那样去思维意味着远远不止能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思维。计算机科学不只是关于计算机，就像音乐产业不只是关于麦克风一样。 根本的，不是刻板的技能计算思维是一种根本技能，是每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的。刻板的技能意味着简单的机械重复。 人的，不是计算机的思维计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。是人类
8、赋予计算机激情。计算机赋予人类强大的计算能力，人类应该好好的利用这种力量去解决各种需要大量计算的问题 。 是思想，不是人造品不只是将我们生产的软硬件等人造物到处呈现给我们的生活，更重要的是计算的概念，它被人们用来问题求解、日常生活的管理，以及与他人进行交流和互动。7二、计算思维 (3) 数学和工程思维的互补与融合计算机科学在本质上源自数学思维，它的形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维，因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统。所以计算思维是数学和工程思维的互补与融合。 面向所有的人，所有地方当计算思维真正融入人类活动的整体时，它作为一个问题解决的有效工具，人人都应当掌握，
9、处处都会被使用。4. 计算思维对其他学科的影响：(1) 事实上，我们已经见证了计算思维对其他学科的影响。例如：计算生物学正在改变着生物学家的思考方式；计算博弈理论正在改变着经济学家的思考方式；纳米计算正在改变着化学家的思考方式；量子计算正在改变着物理学家的思考方式等等。(2) 计算思维正在渗透到各个学科中，诸如算法和数据结构这样的术语将成为不同学科领域工作者的日常用语，把树倒过来画已经习以为常，什么 “ 非确定随机算法 ” 、 “ 垃圾收集 ” 这样的术语都已司空见惯了等等。8二、计算思维 (4)(3) 举例： 生物 ： 霰弹枪算法（ Shotgun algorithm）大大提高了人类基因组测
10、序的速度 蛋白质结构可以用绳结来模拟 蛋白质动力学可以用计算过程来模拟 细胞和电路类似，是一个自动调节系统 脑科学 ： 人脑可以看作是一台计算机 视觉是一个反馈循环 /用机器学习方法分析功能核磁共振（ fMRI）数据 化学 ： 用原子计算探索化学现象 用优化和搜索算法寻找优化化学反应条件和提高产量的物质 地质学 ： “地球是一台模拟计算机 ” (Boulton, Edinburgh) 用抽象边界和复杂性层次模拟地球和大气层 数学 ： 发现 E8 李群 （ E8 Lie Group） : 18位数学家， 4年零 77小时超级计算机机时（ 2千亿个数字） 证明四色定理 9二、计算思维 (5) 工程
11、 (电子、土木、机械、航空航天等 )： 计算高阶项可以提高精度，进而降低重量、减少浪费并节省制造成本 波音 777飞机完全是采用计算机模拟测试的，没有经过风洞测试 经济学 ： 自动设计机制在电子商务中广泛采用 (广告投放、在线拍卖、肾源交换等 ) 很多麻省理工学院的计算机科学博士在华尔街作金融分析师 社会科学 ： 社交网络是 MySpace和 YouTube等发展壮大的原因之一 统计机器学习被用于推荐和声誉排名系统，例如 Netflix和联名信用卡等 医疗 ： 机器人手术 电子病历系统需要隐私保护技术 可视化技术使虚拟结肠镜检查成为可能 法学 ： 斯坦福大学的 CL方法包含了人工智能、时序逻辑、状态机、进程代数、 Petri网等方面的内容 欺诈调查方面的 POIROT 项目为欧洲的法律系统建立了一个详细的本体论结构 关于犯罪现场调查的福尔摩斯项目10
