计算思维(201201)

1、计算思维31关键词：计算思维今天我主要谈谈计算思维。我报告的题目是： “计算思维：大学计算教育的振兴，科学工程研究 的创新”。为什么讲这个题目，因为是计算机大 会，在座的都是搞计算机的。那么我们的 计算机科 学与计算机学科 的现状是什么样的？计算思维将 如何成为振兴大学计算教育的途径？计算思维与技 术创新又是什么关系？计算科学是很伟大的，理论科学、实验科学、计 算科学被称为推动人类文明进步和科技发展的三大科 学，或者叫三大支柱。但是我们的现状是什么呢？计 算机学科，计算机教育，尤其计算机的基础教育是有 问题的，甚至计算机基础教育存在着危机。作为计算机教育者和改革者，我们应该积极 地改变这种局面

2、，纠正社会上对计算机科学的片面 理解。要改变计算机学科不需要什么理论的错误观 点，要扭转“计算机只是工具”的社会不良形象， 要消除计算机学科特别是计算机基础教育“可有可 无”的影响，要积极传播计算机科学的魅力、愉悦 和力量。要改变现在的情况，就要提倡计算思维，宣扬 计算思维在教育和科研中的作用，并把这种思维普 适化、大众化，真正融入到人类的一切活动中。科学与思维什么是科学？达尔文曾经给科学下过一个定 义：“科学就是整理事实，从中发现规律，做出结 论”。科学包括自然科学、社会科学和思维科学。 什么是思维呢？思维是跟大脑有关的。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 实事物的概括

3、、加工、揭露本质特征。人脑对信息陈国良深圳大学、中国科学技术大学的处理包括分析、抽象、综合、概括等。科学的重要性在于，它是真理，推动着人类文 明进步和科技的发展。科学思维是什么呢？它一般包括理论思维、实 验思维和计算思维。理论思维又称推理思维，以推 理和演绎为特征，以数学学科为代表。实验思维又 称实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物 理学科为代表。计算思维又称构造思维，以设计和 构造为特征，以计算机学科为代表。国科发财2008197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”。科学思维的含义

4、和重要性在于它反映的是事物 的本质和规律。计算思维计算思维的定义：它是运用计算的基础概念(Fun dame ntal Co ncept)去求解问题、设计系统和理解人类行为的一种方法(Approach )，是一类#CNCC 2011特邀报告33#解析（Analytical ）思维。它合用（share） 了数学思 维（求解问题的方法）、工程思维（设计、评价大 型复杂系统）和科学思维（理解可计算性、智能、 心理和人类行为）。它如同所有人都具备的“读、 写、算”能力一样，是必须具备的思维能力。计算 思维的本质是抽象（Abstract）和自动化（Automation ）。尽管对计算思维的理解也有不同看法

5、，但 我们认为现在不必过多地讨论、解释计算思维到底 是什么，而是要回答计算思维给计算机科学和教育 带来什么新内容和新发展。下面列举一些计算机科学、计算机教育或者科 学工作者经常使用的思维方法来帮助大家进一步理 解计算思维。比如计算思维是通过 约简、嵌入、 转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释成如 何求解它的思维方法；计算思维把一个复杂的大而 难的问题分成很多部分同时去处理，这就是并行处 理；计算思维是一种递归思维，它把一个难以对付 的问题分成两部分去处理，如不能求解，再把每 部分分成两部分处理之，这就是分而治之的思想； 计算思维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

6、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；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 行折衷的方法，等等。周以真（美国卡内基梅隆大学计算机系华裔女 教授一编者注）进一步用计算思维是什么、不是什 么等特征来解释计算思维，她说计算思维是概念化，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

7、计算机，就像音乐产业不只是 关于麦克风一样。计算思维是根本的，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。计算思维是人的，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，是人类赋予计算机激情。计算思 维是思想，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、日常生活管 理以及与其它人进行交流和互动。计算思维是数学 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

8、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。计算思维 面向 所有人，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，处处都会被使用。计算思维不单单是计算机学科所关心的课题， 计算思维对其他学科也有着深远的影响。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； 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；博弈计算理论正 在改变着经济学家的思考方式等等。由于计算机科 学的普及，我们计算机科学的专业术语现在都已经 是口语化

9、，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”这样的术语都已经 司空见惯了。这就说明我们计算机科学的知识、计 算机科学的发展、计算思维已经自觉不自觉地深入 到其他学科，而且大家都在使用，都习以为常，实 际上大家已经接受它了。下面是一些例子，我就不一一讲了，比如对生 物学的影响，用散弹枪算法，可大大提高人类基因 组测序的速度。对脑科学、化学、地质学、数学、 工程、经济学、社会科学、医疗、娱乐，还有艺 术、体育、教育等等方面，都会产生影响。计算思维是振兴计算教育的途径现在我们对大学计算机基础教育的重视程度不 够。对大学计算机基础教育的重要性我们国家早就 明确地提出来了，规定把计

10、算机基础课程和数学、物理放在同等地位，作为大学的通识教育。大学教 育不能局限于基本知识传授，还要培养学生的理性 思维能力、对科学精神的追求和高尚人格。同时， 计算思维能力培养是大学通识教育的重要组成部 分，因为通识教育要展现不同文化、不同学科的思 维方式。计算机不仅为不同专业提供了解决专业问 题的有效方法和手段，而且提供了一种独特的处理问 题的思维方式。熟练使用计算机和互联网，为人们终 生学习提供了广阔的空间以及良好的学习工具。既然国家已经把计算机基础教育等同于数学、 物理，成为通识教育的内容了，为什么计算机基础 教育还存在问题呢？这是因为因特网的普及，使计 算机科学与技术呈现了 泛在化、平民

11、化 的趋势。 计算机的易用性和本身技术的巨大进步，使有些人 质疑大学计算机教育的必要性。很多人将计算机科 学等同于计算机编程，淡化了计算机的科学意义， 削弱了计算机学科的内涵。现在有人说教授计算机课 程就是教学生如何使用计算机，将计算机基础教育当 成了“狭义工具论”。加之现在基础课程的教材都是 “浓缩版”，什么都讲一点，又都讲不深，造成学生 兴趣不大，往往逃课。因而现在面临着计算机基础课 教学学时被压缩，课程面临被裁剪的危机。这种情况也不只在我们国家，美国也一样。当 美国看到有35-50%的学生中途放弃计算机基础课程 学习时，已采取积极的措施。2005年6月，美国总 统信息技术咨询委员会有一个

12、计算科学：确保美 国竞争力的报告，提出21世纪科学上最重要的、 经济上最有前途的研究前沿都有可能通过熟练的掌 握先进的计算技术和运用计算科学而得到解决。充 分强调了计算科学的重要性。这种把对计算学科认 识的不足将危及到美国的科学领导地位、经济竞争 力以及国家的安全的做法，我是非常赞同的。径” CPATH (CISE Pathways to Revitalized undergraduate非常踊跃，积极参与， Computi ng Educating计划，目标是促成早就具有基本在这个报告出来以后，美国国家科学基金会2006 年首先提出了 “扩大计算参与面” BPC (Broadening Pa

13、rticipatio n in Computi ng)计划。通过扩大计算的参 与对象，使更多的人，特别是美国少数民族和妇女 受益。2007年又启动了“振兴大学本科计算教育的途 计算思维能力的、在全球有竞争力的美国劳动大军， 确保美国在全球创新企业的领导地位；将计算思维 学习机会融入到计算机、信息科学、工程技术和其 他领域的本科教育中，以增加开发具有计算思维能 力的学生人数；展示突破性的、可在多类学校中推 广的、以计算思维为核心的本科教育模式。CPATH计划认为：尽管有的研究机构和大学对 计算机教育做出了卓越的、开创性的工作，但是目 前美国更多的大学计算机教育仍然沿袭的是几十年 前的教学模式。所

14、以就启动了很多研究项目，2007 年投入600万美元，2008年投入500万美元，2009年投 入1000万美元，2009.4至2010.4共批准26个项目。201 1年度美国国家科学基金会又启动了 “二 一世纪计算教育” CE21 (Computing Education for 21st Century)计划，计划是建立在 CPATH 项目成功的基础上，其目的是提高 K-14 (中小学和 大学一、二年级)老师与学生的计算思维能力。可 见，在美国国家层面上自然基金委积极响应，先后 启动了 BPC计划、CPATH计划、CE21计划等，并且 有持续性的经费支持。这些计划做得很及时、很普 及，大家

15、的热情也是很高的。计算思维在我们国家怎么样呢？我们曾把周以 真教授请到中国，在清华大学做了有关计算思维的 演讲报告，她认为大学的计算机教育中计算思维是 很重要的。我们国内也有积极的响应：中国高等学 校计算机基础课程教育指导委员会，2010年5月召开了合肥会议，讨论如何培养高素质的计算机教育 研究性的人才，计算机基础课应包括哪些内容，如 何将计算思维融入这些课程中；2010年7月，在西安会议上发表了九校联盟(C9)计算基础教学 发展战略联合声明，确定了以计算思维为核心的 计算机基础课程教学改革；2010年9月在太原会议 上决定将合肥会议和西安会议中有关计算思维的讨 论形成拟上报的书面材料；201

16、0年 11月在济南会议 上，将在全国更大范围内，深入讨论以计算思维为 核心的基础课程教学改革，并建议立项研究；2011科要改革，迫切希望能出一个样本，大家共同执年6月在北京举行了会议，会议规模越来越大，大 致表示：计算机基础学#CNCC 2011特邀报告35#行；2011年8月，在深圳会议上正式确定以计算思 维进行立项研究；2011年11月，在杭州召开了计算 机基础课程教育指导委员会第七次工作会议，审议 了三个立项报告，分别向教育部、科技部、国家自 然基金委提交正式申请报告。计算思维课程现已在部分高校中开启。2010年 秋季，在上海交通大学，2011年春季，在南方科技 大学，我在这里讲了一个学

17、期的计算思维；2011年 春季，在西安交通大学同时开了三个班，大家非常 积极；2011年秋季，在深圳大学也针对专门的班级 开设了计算思维课程。为了供大家参考，我设计了大学计算思维课程 的总体框架：基本框架含计算理论、算法和通用程 序设计语言、计算机硬件和软件最小知识集。具体 内容规划：计算思维基础知识、计算理论和计算模 型、算法基础、通用程序设计语言、计算机硬件基 础、计算机软件基础等。教学环节：课堂讲授、 课堂练习、课程考核。我设计该课程基本框架的出 发点是：如果要用计算手段求解一个问题，首先就 应该问这个问题能不能够用计算的手段去解决，这 是可计算性问题，这个计算有多复杂，这是计算复 杂性

18、的问题（两者属于计算理论内容）。如果这个 问题能够用计算方法去计算，那么怎么样去实现它 呢？这就要设计算法并通过某种描述语言把它表达 出来之后，再在计算机上运行求解。作为大学计算机第一门入门课，不管什么专 业，物理、化学、生物、艺术，都得学这门课程。 对于这门课程中的程序语言，我们认为选用语言是为 了表达算法，我们不提倡大学一年级第一门计算机基 础课中使用计算机专用程序设计语言，我们提倡用纸 和铅笔来求解计算机科学中的一些问题，从这个意义 上来讲，采用描述性语言就够了，这就是我的一个基 本观点。我这里讲到的只是一个框架，既不是推荐的 模式也不是最优的模式。我相信，从事计算机基础课 的老师们都有丰富的教学经验做这些。计算思维与科学发现和技术创新美国国家科学基金会HER & CISE学部的使命是 为21世纪培养造就科学家、训练有素的劳动大军和 现代公民。CISE的使命是保证美国在计算机领域的 世界领先地位。我们开展计算机基础教育，同样是 为了培养优秀的人才。只有有了人才，才可能有科 学发现和技术创新。计算思维与科学发现和技术创新 的关系又怎样呢？通过多学科方法，使用计算思维在 计算概念、方法、模型、算法、工具与系统等的创新 和进步，或者创新地使用计算概念、方法、模型、算 法