绪论-计算思维

1、程序设计思想与方法张同珍张同珍Email: zhang-Courseware & Text: ftp:/ 账号：账号：tzzhang 密码：密码：publicOffice: 电院电院3号楼号楼531房间房间Tel: 34204226上机时间上机时间: 从第从第3周起周四的课程在电院周起周四的课程在电院4号楼号楼教材参考教材n教材：教材：l程序设计思想与方法程序设计思想与方法-问题求解中的计算思维问题求解中的计算思维 -电子稿电子稿 text1-6.pdf 在课程在课程ftp上上lPython Programming: An Introduction to Computer Scienc

2、e. (电子版电子版)n 参考书：参考书：lHow to Think Like a Computer ScientistLearning with Python.(电子版电子版)-参考书参考书lPython学习手册学习手册n科学界一般认为，科学方法分为理论、实验和计算三大类。与三大科学界一般认为，科学方法分为理论、实验和计算三大类。与三大科学方法相对的是三大科学思维，理论思维以数学为基础，实验思科学方法相对的是三大科学思维，理论思维以数学为基础，实验思维以物理等学科为基础，维以物理等学科为基础，计算思维以计算机科学为基础。计算思维以计算机科学为基础。三大科学思维支柱三大科学思维支柱n1理论思维

3、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，定理和证明则是它的精髓。公理化方样，定义是理论思维的灵魂，定理和证明则是它的精髓。公理化方法是最重要的理论思维方法，科学界一般认为，公理化方法是世界法是最重要的理论思维方法，科学界一般认为，公理化方法是世界科学技术革命推动的源头。用公理化方法构建的理论体系称为公理科学技术革命推动的源头。用公理化方法构建的理论体系称为公理系统，如欧氏几何。系统，如欧氏几何。n2 实验思维实验思维 实验思维的先驱应当首推意大利著名的物理学家、天文学家和实验思维的先驱应当首

4、推意大利著名的物理学家、天文学家和数学家伽利略，他开创了以实验为基础具有严密逻辑理论体系的近数学家伽利略，他开创了以实验为基础具有严密逻辑理论体系的近代科学，被人们誉为代科学，被人们誉为“近代科学之父近代科学之父”。爱因斯坦为之评论说：。爱因斯坦为之评论说：“伽伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”n3计算思维计算思维 计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解，系统，系统设计，以及人

5、类行为理解的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维设计，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。活动。n美国国家科学院计算机科学与通讯部门主席）周以真（美国国家科学院计算机科学与通讯部门主席）周以真（Jeannette M. Wing）教授在给出计算思维总定义的基础上，又对计算思维作）教授在给出计算思维总定义的基础上，又对计算思维作了更详细的表述了更详细的表述 (表表1)：表表1：计算思维的更详细描述（或定义）：计算思维的更详细描述（或定义）（1）计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题）计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新

6、阐释成一个我们知道问题怎样解决的思维方法；重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的思维方法；（2）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）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；把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法；（3）计算思维是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设）计算思维是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是基于关注点分离的方法（计的方法，是基于关注点分离的方法（SoC方法）；方法）；（4）计算思维是一种选择合适的方式去陈述一个问题，

7、或对一个问题的相关方）计算思维是一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法；面建模使其易于处理的思维方法；表表1：计算思维的更详细描述（或定义）：计算思维的更详细描述（或定义）（5）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）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；况进行系统恢复的一种思维方法；（6）计算思维是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习）计算思维是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法；和调度的思维方法；（7）计算思维是

8、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）计算思维是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。存储容量之间进行折衷的思维方法。n计算思维吸取了问题解决所采用的一般数学思维方法，现实世界中计算思维吸取了问题解决所采用的一般数学思维方法，现实世界中巨大复杂系统的设计与评估的一般工程思维方法，以及复杂性、智巨大复杂系统的设计与评估的一般工程思维方法，以及复杂性、智能、心理、人类行为的理解等的一般科学思维方法。能、心理、人类行为的理解等的一般科学思维方法。n计算思维最根本的内容，计算思维最根本的内容，即其本质是抽象（即其本质是抽象（Abstra

9、ction）与自动）与自动化（化（Automation）。）。计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，并完全用符号来表示，其中，数字抽象只是其中的一类特例。并完全用符号来表示，其中，数字抽象只是其中的一类特例。四、美国大学计算教育振兴计划对我国计算教育四、美国大学计算教育振兴计划对我国计算教育 的启示的启示n 计算思维中的抽象最终是要能够机械的一步步自动执行计算思维中的抽象最终是要能够机械的一步步自动执行。为了确保机械的自动化，就需要在抽象的过程中进行为了确保机械的自动化，就需要在抽象的过程中进行精确和严格的符号标记和建模，同时也要求计算机系统精确和严格的符

10、号标记和建模，同时也要求计算机系统或软件系统生产厂家能够向公众提供各种不同抽象层次或软件系统生产厂家能够向公众提供各种不同抽象层次之间的翻译工具。之间的翻译工具。表表2：计算思维的特征：计算思维的特征计算思维是什么计算思维是什么计算思维不是什么计算思维不是什么（1）是概念化）是概念化不是程序化不是程序化（2）是根本的）是根本的不是刻板的技能不是刻板的技能（3）是人的思维）是人的思维不是计算机的思维不是计算机的思维（4）是思想）是思想不是人造物不是人造物（5）是数学与工程思维的互补与融合）是数学与工程思维的互补与融合不是空穴来风不是空穴来风（6）面向所有的人，所有的地方）面向所有的人，所有的地方

11、不局限于计算学科不局限于计算学科n（1）概念化，不是程序化概念化，不是程序化n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。为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。为便于理解周教授的意思，可以更进一步地说，计算机科学不只是关便于理解周教授的意思，可以更进一步地说，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。于计算机，就像音乐产业不只是关于麦克风一样。n（2）根本的，不是刻板的技能根本的，不是刻板的技能n根本技能是指每一个人为了在现代社

12、会中发挥职能所必须掌握的。根本技能是指每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的。刻板的技能意味着机械的重复。就时间而言，所有已发生的智力，刻板的技能意味着机械的重复。就时间而言，所有已发生的智力，其过程都是确定的，因此，智力无非也是一种计算，由于智力也是其过程都是确定的，因此，智力无非也是一种计算，由于智力也是一种计算，那么我们只要将精力集中在一种计算，那么我们只要将精力集中在“好的好的”计算上，也即采用计算上，也即采用计算思维，就能够更好的造福人类。计算思维，就能够更好的造福人类。四、美国大学计算教育振兴计划对我国计算教育四、美国大学计算教育振兴计划对我国计算教育 的启示的启示n（3）人

13、的，不是计算机的思维人的，不是计算机的思维n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。是人类赋样地思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情。配置了计算设备，我们就能用自己的智慧去解决那予计算机激情。配置了计算设备，我们就能用自己的智慧去解决那些计算时代之前不敢尝试的问题，实现些计算时代之前不敢尝试的问题，实现“只有想不到，没有做不到只有想不到，没有做不到”的境界。计算机赋予人类强大的计算能力，人类应该好好的利用的境界。计算机赋予人类强大的计算能力

14、，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。这种力量去解决各种需要大量计算的问题。n（4）是思想，不是人造品是思想，不是人造品n不只是我们生产的软硬件等人造物将以物理形式到处呈现并时时刻不只是我们生产的软硬件等人造物将以物理形式到处呈现并时时刻刻触及我们的生活，更重要的是计算的概念，这种概念被人们用于刻触及我们的生活，更重要的是计算的概念，这种概念被人们用于问题求解、日常生活的管理，以及与他人进行交流和互动。问题求解、日常生活的管理，以及与他人进行交流和互动。n周教授所描述的计算思维给我们带来了重新审视我们学科的视野，周教授所描述的计算思维给我们带来了重新审视我们学科的视野，也使

15、我们更加重视学科所蕴含的思想与方法。这种重视，会促成整也使我们更加重视学科所蕴含的思想与方法。这种重视，会促成整个计算机科学教育的重生。个计算机科学教育的重生。四、美国大学计算教育振兴计划对我国计算教育四、美国大学计算教育振兴计划对我国计算教育 的启示的启示n（5）数学和工程思维的互补与融合数学和工程思维的互补与融合n计算机科学在本质上源自数学思维，因为像所有的科学一样，它的计算机科学在本质上源自数学思维，因为像所有的科学一样，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，基本计算设备的，因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统，基本计算设备的限制迫使计算机科学家必须计算性地思考，而不能只是数学性地思限制迫使计算机科学家必须计算性地思考，而不能只是数学性地思考。构建虚拟世界的自由使我们能够超越物理世界的各种系统。数考。构建虚拟世界的自由使我们能够超越物理世界的各种系统。数学和工程思维的互补与融合很好的体现在学和工程思维的互补与融合很好的体现在抽象、理论和设计抽象、理论和设计3个学个学科形态（或过程）上。科形态（或过程）上。n（6）面向所