计算思维与互联网思维

1、1.4 计算思维和互联网思维计算思维和互联网思维（1）计算思维）计算思维（2）互联网思维）互联网思维支持各学科支持各学科研究创新的研究创新的新型计算手新型计算手段段Gap计算思维计算思维/计算能力计算能力计算机及计算机及其通用计其通用计算手段的算手段的应用应用当前的非计算机专业计当前的非计算机专业计算机关注点算机关注点应用计算应用计算手段进行手段进行各学科研各学科研究和创新究和创新非计算机专业学生的非计算机专业学生的未来计算能力未来计算能力知识知识/技能技能计算思维计算思维的学习和的学习和训练训练1998年诺贝尔化年诺贝尔化学奖奖励给一个计学奖奖励给一个计算手段的研究者算手段的研究者- Joh

2、n Pople化学学科工作者利化学学科工作者利用计算手段进行学用计算手段进行学科的科学研究科的科学研究各学科人才的计算思维/计算能力需求计算思维计算思维“看山是山，看水是水看山是山，看水是水”“昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路”“看山不是山，看水不是水看山不是山，看水不是水”“衣带渐宽终不悔，为伊销得人憔悴衣带渐宽终不悔，为伊销得人憔悴”“看山还是山，看水还是水看山还是山，看水还是水”“众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”From 王国维王国维“人间词话人间词话”关于关于“境界境界”的阐述的阐述贯通，

3、看得远，贯通，看得远，才能认识准确才能认识准确浮想联翩，由此浮想联翩，由此及彼，才能发现及彼，才能发现不断训练，不断理解，才能不断训练，不断理解，才能找出本质，才能创新找出本质，才能创新联想与贯通联想与贯通训练与实践训练与实践概念与知识概念与知识l“计算机计算机”的思维的思维: 计算机是如何工作的计算机是如何工作的? 计算机的功能是如何越来越强大的计算机的功能是如何越来越强大的?l利用计算机的思维利用计算机的思维: 现实世界的各种事物如何利用计算机来进行控制和处理现实世界的各种事物如何利用计算机来进行控制和处理? u计算思维计算思维(Computational Thinking)是运用计算机科

4、学的基础概念去求解问题、设计是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为，其本质是抽象和自动化系统和理解人类行为，其本质是抽象和自动化-from 周以真。周以真。计算思维计算思维思维是创新的源头，技术与知识是创新的支撑思维是创新的源头，技术与知识是创新的支撑计算思维计算思维-本门课程学习需要注意的本门课程学习需要注意的知识知识 vs. 贯通知识的思维贯通知识的思维计算思维计算思维知识知识计算思维计算思维思维思维(Thought/Thinking)能力能力(Ability & Capability)知识知识/技能技能(Technique/Skill)知识与视野拓展知识与视

5、野拓展Knowledge Expansion视野：视野：宽度宽度-知识面宽，前沿性知识面宽，前沿性深度深度-贯通性，深入性贯通性，深入性技能：练习，练习，技能：练习，练习， 思维：好奇、思考、联想、贯通思维：好奇、思考、联想、贯通训练与掌握训练与掌握Training启发与理解启发与理解Understanding打通知识脉络，打通知识脉络，融贯各门课程，融贯各门课程，内功强化基础，内功强化基础，外功灵活应变。外功灵活应变。能力能力-内功内功(贯通的脉络贯通的脉络)实践实践-锻炼锻炼,使脉络贯通使脉络贯通思维思维-脉络脉络(穴位链穴位链)知识知识-穴位穴位知识知识 vs. 思维思维 vs. 能力能

6、力计算思维计算思维SystemsTheoryAIComp. Bio.Geometric Comp.GraphicsHCI：Human Computer InteractionDistributed SystemsService ComputingHardwareRoboticsDatabase & Data miningMachine LearningNatural LanguageComp. EconomicsNetworkingSecurityAlgorithmsArtEconomicsBiologyLinguisticsStatisticsSociology & Serv

7、iceologyDesignPsychologyElectricalEngineering学科的发展，知识的膨胀计算思维计算思维计算思维，计算的伟大原理计算思维计算思维uComputational Thinkingfrom CMU，周以真（，周以真（Jeannette M. Wing），），Communications of ACM, Vol.49, No.3, March 2006, Pages 33-35 uComputational thinking is a way of solving problems, designing systems, and understanding hu

8、man behavior that draws on concepts fundamental to computer science.uComputational thinking will be a fundamental skill used by everyone in the world by the middle of the 21st Century. Just like reading, writing, and arithmetic. Imagine every person knowing how to think like a computer scientist!Com

9、putational thinking is not just for other scientists, its for everyone.Thinking like a computer scientist means more than being able to program a computer u计算思维计算思维的本质就是的本质就是抽象抽象(Abstraction)与与自动化自动化(Automation)，即在，即在不同不同层面层面进行抽象，以及将这些抽象进行抽象，以及将这些抽象“机器化机器化”。计算思维计算思维n计算思维是人类应具备的第三种思维计算思维是人类应具备的第三种思维实

10、验思维实验思维: 实验实验 观察观察 发现、推断与总结发现、推断与总结. -观察与归纳观察与归纳理论思维理论思维: 假设假设/预设预设 定义定义/性质性质/定理定理 证明证明. -推理和演绎推理和演绎计算思维计算思维: 设计设计, 构造构造 与与 计算计算. -设计与构造设计与构造计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分 当前环境下，理论与实验手段在面临大规模数据的情况下，不可避免地要用当前环境下，理论与实验手段在面临大规模数据的情况下，不可避免地要用计算手段来辅助进行。计算手段来辅助进行。国内学者/专家的观点

11、计算思维计算思维计算之树的第一个维度计算技术的奠基性思维计算思维计算思维n“0 和和 1”思维思维-符号化符号化计算化计算化自动化自动化 0和和1是实现任何计算的基础；社会是实现任何计算的基础；社会/自然与计算融合的基本手段；自然与计算融合的基本手段； 0和和1是是连接硬件与软件的纽带；连接硬件与软件的纽带；0/1是最基本的抽象与自动化机制。是最基本的抽象与自动化机制。 n“程序程序”思维思维-千变万化复杂功能的构造、表达与执行千变万化复杂功能的构造、表达与执行 程序是基本动作程序是基本动作(指令指令)的各种组合，是控制计算系统的基本手段的各种组合，是控制计算系统的基本手段n“递归递归”思维思

12、维-无限事物及重复过程的表达与执行方法无限事物及重复过程的表达与执行方法递归是最典型的构造程序的手段；递归函数是可计算函数的精确的数学递归是最典型的构造程序的手段；递归函数是可计算函数的精确的数学描述；递归函数是研究计算学科理论问题的基础描述；递归函数是研究计算学科理论问题的基础计算之树的第一个维度计算技术的奠基性思维计算思维计算思维云计算云计算环境环境计算之树的第二个维度通用计算环境的进化思维计算思维计算思维个人计算机个人计算机冯冯.诺依曼诺依曼计算机计算机云计算云计算环境环境并行分布并行分布计算环境计算环境The tools we use have a profound influence

13、 on our thinking habits, and therefore, on our thinking abilities.-from Edsger Dijkstra, 1972 Turing Awards receiver.通用计算环境的进化思维计算思维计算思维算法算法系统系统云计算云计算环境环境计算之树的第三个维度交替促进与共同进化的问题求解思维计算思维计算思维算法算法系统系统云计算云计算环境环境计算之树的第三个维度交替促进与共同进化的问题求解思维n“算法算法”：问题求解的一种手段：问题求解的一种手段构造与设计算法构造与设计算法n算法是计算的灵魂；算法强调数学建模；算法考虑的是可计

14、算性与计算复算法是计算的灵魂；算法强调数学建模；算法考虑的是可计算性与计算复杂性；算法研究通常被认为是计算学科的理论研究。杂性；算法研究通常被认为是计算学科的理论研究。n“系统系统”：问题求解的另一种手段：问题求解的另一种手段构造与设计系统构造与设计系统 系统是改造自然的手段；系统还强调非数学建模；系统考虑的是如何化系统是改造自然的手段；系统还强调非数学建模；系统考虑的是如何化复杂为简单复杂为简单(使其能够被做出来使其能够被做出来)；系统还强调结构性、可靠性、安全性等。；系统还强调结构性、可靠性、安全性等。系统是龙，算法是睛，画龙要点睛。系统是龙，算法是睛，画龙要点睛。计算思维计算思维云计算云

15、计算环境环境算法算法系统系统量子计算量子计算/光子计算光子计算移动计算移动计算生物计算生物计算计算生物学计算生物学计算物理学计算物理学计算化学计算化学计算经济学计算经济学计算统计学计算统计学计算金融学计算金融学企业计算企业计算计算工程学计算工程学服服务计算务计算云计算云计算社会计算社会计算计算广告学计算广告学媒体计算媒体计算纳米计纳米计算算智能计算智能计算计算语言学计算语言学神经计算神经计算计算之树的第四个维度计算与社会/自然环境的融合思维计算思维计算思维云计算云计算环境环境算法算法系统系统自然现象的计算的表达与推演社会社会/自然自然的计算化的计算化抽象抽象用社会/自然所接受的形式体现计算及结

16、果计算计算/求解求解的自然化的自然化自动化自动化量子计算量子计算/光子计算光子计算移动计算移动计算生物计算生物计算计算生物学计算生物学计算物理学计算物理学计算化学计算化学计算经济学计算经济学计算统计学计算统计学计算金融学计算金融学企业计算企业计算计算工程学计算工程学服服务计算务计算云计算云计算社会计算社会计算计算广告学计算广告学媒体计算媒体计算纳米计纳米计算算智能计算智能计算计算语言学计算语言学神经计算神经计算计算思维计算思维云计算云计算环境环境算法算法系统系统量子计算量子计算/光子计算光子计算移动计算移动计算生物计算生物计算计算生物学计算生物学计算物理学计算物理学计算化学计算化学计算经济学计

17、算经济学计算统计学计算统计学计算金融学计算金融学企业计算企业计算计算工程学计算工程学服服务计算务计算云计算云计算社会计算社会计算计算广告学计算广告学媒体计算媒体计算纳米计纳米计算算智能计算智能计算计算语言学计算语言学神经计算神经计算自然现象的计算的表达与推演社会社会/自然自然的计算化的计算化抽象抽象用社会/自然所接受的形式体现计算及结果计算计算/求解求解的自然化的自然化自动化自动化模型模型语言语言协议协议系统系统编译器编译器编解编解码器码器业务业务-计算计算人人-计算机计算机机机-机，物机，物-物物计算思维计算思维云计算云计算环境环境算法算法系统系统局域网局域网/广广域网：机域网：机器网络器网

18、络互联网：互联网：信息网络信息网络/广义资源广义资源网络网络物联网物联网;知识网知识网;服务网服务网;社会网社会网事务管理事务管理与数据库与数据库数据分析与数据分析与数据仓库数据仓库数据聚集数据聚集与大数据与大数据量子计算量子计算/光子计算光子计算移动计算移动计算生物计算生物计算计算生物学计算生物学计算物理学计算物理学计算化学计算化学计算经济学计算经济学计算统计学计算统计学计算金融学计算金融学企业计算企业计算计算工程学计算工程学服服务计算务计算云计算云计算社会计算社会计算计算广告学计算广告学媒体计算媒体计算纳米计纳米计算算智能计算智能计算计算语言学计算语言学神经计算神经计算计算之树的第五和第六

19、个维度网络化思维和数据化思维计算思维计算思维云计算云计算环境环境算法算法系统系统社会社会/自然自然的计算化的计算化计算计算/求解求解的自然化的自然化自然现象的计算的表达与推演用社会/自然所接受的形式体现计算及结果局域网局域网/广广域网：机域网：机器网络器网络互联网：互联网：信息网络信息网络/广义资源广义资源网络网络物联网物联网;知识网知识网;服务网服务网;社会网社会网抽象抽象自动化自动化事务管理事务管理与数据库与数据库数据分析与数据分析与数据仓库数据仓库数据聚集数据聚集与大数据与大数据量子计算量子计算/光子计算光子计算移动计算移动计算生物计算生物计算计算生物学计算生物学计算物理学计算物理学计算

20、化学计算化学计算经济学计算经济学计算统计学计算统计学计算金融学计算金融学企业计算企业计算计算工程学计算工程学服服务计算务计算云计算云计算社会计算社会计算计算广告学计算广告学媒体计算媒体计算纳米计纳米计算算智能计算智能计算计算语言学计算语言学神经计算神经计算计算机计算机计算机科学计算机科学计算科学计算科学计算思维计算思维u计算思维的学习方法计算思维的学习方法（1） “知识知识/术语术语”随着随着“思维思维”的学习而展开，的学习而展开，“思维思维”随着随着“知识知识”的贯通而形的贯通而形成，成，“能力能力”随着随着“思维思维”的理解而提高。的理解而提高。（2）从问题分析着手，强化如何进行抽象，如何将现实问题抽象为一个数学问题或者从问题分析着手，强化如何进行抽象，如何将现实问题抽象为一个数学问题或者一个形式化问题，提高问题表述及问题求解的严谨性。一个形式化问题，提高问题表述及问题求解的严谨性。（3）通过图示化方法来展现复杂的思