2011/08/12 第1章 计算机与计算思维 《大学计算机基础》.

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1 2011/08/12 第1章 计算机与计算思维 《大学计算机基础》

2 本章提要 计算意义与计算思维 计算科学方法概论 可计算性与计算过程 计算思维的跨学科交融 计算机学科的核心概念与 问题求解 计算思维的技能
科学思维 逻辑思维 算法思维 效率思维 创新思维 伦理思维

3 计算意义与计算思维 计算思维（Computational thinking）由美国 Carnegie Mellon 大学计算机科学教授周以真女士 于2006年提出 她认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念进 行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖 计算机科学之广度的一系列思维活动 计算思维代表着一种普遍的态度和一类普适的技能， 每一个人都应热心于它的学习和运用

4 计算思维的特征 是概念化的抽象思维而不只是程序设计 是基本的而不是死记硬背的技能 是人的而不是计算机的思维方式 是数学和工程思维的互补与融合
是思想而不是人造品 面向所有的人和所有地方 关注依旧亟待理解和解决的智力上极有挑战性并且 引人入胜的科学问题

5 Computation vs. Computing
Computation 是可用数学表示的任何形式的信息处理 的概念，它包括简单的计算和人的思维（human thinking） 所以，计算思维无论是由人或机器执行，都是建立在计算处理 的能力和限制之上的 Computing 意味着任何面向目标的需要、受益于和创 造计算机的活动,包括 用于广泛目的的软件和硬件系统的设计、建造； 各种信息的处理、规范和管理； 用计算机开展的科研活动； 使计算机系统具有智能行为； 创建和使用通信和娱乐媒体； 寻找和收集与任何目的有关的信息等

6 计算思维的宏观结构 本章涉及的“计算”包含了computation和 computing的内容
对于计算机基础学习而言，了解计算思维的宏观特 性，对于个人专业发展具有重要意义

7 计算思维的网络化 通过网络可以求解的问题 信息查询 交流与沟通 资源的发布与共享

8 计算思维的移动化 移动通信与地理信息 系统的结合，产生了 新的计算模式：与位 置有关的计算 利用GPS定位，可以找 到周边的服务设施
通过移动信号基站，发 现客户所需要的服务： 天气、旅游、购物等 移动通讯设备的广泛应用，催生了诸多新型的商业应用模式

9 计算思维的信息化 计算思维的信息化促进了 政务、商务、教育和社会 的信息化 小学校园的门禁系统与移动通 信结合，产生学生在校、离校 信息服务
信用卡消费信息与移动通信和 因特网结合，产生实时消费报 告和无纸化账单报告

10 计算思维的服务化 中国经济发展正在向服 务型经济转型 计算机科学与技术及信 息技术则是现代服务型 经济发展的根本保障
Software as a service (SaaS)和服务计算 （service computing） 正在引起关注 狭义云计算指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义云计算指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务。这种服务可以是IT和软件、互联网相关，也可是其他服务。云计算的核心思想，是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务。提供资源的网络被称为“云”。“云”中的资源在使用者看来是可以无限扩展的，并且可以随时获取，按需使用，随时扩展，按使用付费。 云计算模型示意

11 计算思维的智能化 计算思维的智能化促进 了交通管理的智能化、 业务流程的智能化、电 子服务的智能化
电子服务和社会生活的 智能化的需求反过来促 进计算思维智能化的进 一步发展 智能化能够缓解交通拥堵？

12 计算思维的工程化 计算思维从计算理论、计 算技术、计算工程、计算 工具、计算服务和计算应 用的转化就是计算思维的 工程化
计算思维的工程化促进了 诸如计算机、手机、平板 电脑等计算工具和系统的 发展，后者反过来促进了 计算思维的工程化 iPad并不是世界上第一款平板电脑，但一出现，就成为业界的标杆，其工程设计的理念确实是一流的。

13 计算思维的人性化 计算思维的人性化促进 了人－机交互的人性化、 计算工具的人性化和社 会的进步
计算和信息技术对人类 产生的负面影响同样不 可小视 信息社会中的“宅人” 数码相机 vs.胶片工业 数字印刷 vs. 铅字印刷 随着笔记本电脑价格的不断下降，笔记本电脑的普及率也越来越高。在笔记本电脑给我们的工作和生活带来一场新革命的同时，也对人们的健康构成了潜在的威胁。美国康内尔大学人体工程学实验室主任阿兰-赫奇指出，笔记本电脑在人体工程学方面存在一些缺陷，过度使用将对健康损害。屏幕与键盘之间距离太近，僵着脖子低头看屏幕，可能造成颈部肌肉损伤；将机器抬到眼睛适合的位置，又可能造成肩部和手臂肌肉劳损。而人体工程学的目的就是要减轻或消除物理性应力对人体伤害。 专为笔记本电脑用户设计的人体工程学支架，这种节省空间的笔记本支架可以使笔记本电脑方便的变成台式电脑，享受全尺寸键盘、鼠标的便利操作，避免长期俯视笔记本电脑屏幕导致的视觉疲劳和多种颈、肘、背、肩周职业疾病。此外还集成USB HUB集线器，解决了笔记本电脑USB接口不够用的问题。 人性化设计 笔记本电脑支架

14 计算思维的层次化 层次化源于社会组织和分工
计算思维的层次包括计算理论思维、计算技术思维、 计算工程思维、计算工具思维、计算服务思维和计 算应用思维六个层次思维组成 它们分别对应计算理论、计算技术、计算工程、计 算工具、计算服务和计算应用 每个层次上的思维都至少包含许多不同的思维过程、 思维模式和思维规律

15 计算思维的结构化 结构化源于软件开发 的结构化系统分析、 结构化设计和结构化 程序设计 重要的案例 计算机体系结构 网络体系结构 多核CPU
GPGPU（通用图形处理 器） 网络体系结构 ISO/OSI 参考模型 TCP/IP模型 Intel Core 2 Duo Processor

16 计算思维的过程化 计算思维源于并服务 于由计算理论、计算 技术、计算工程、计 算工具、计算服务和 计算应用构成的计算 思维生存周期
这一生存周期以计算 理论为始点，以计算 应用为终点

17 计算意义与计算思维小结 “计算思维”是面向所有的人，所有学科的，应当 具有普适性，但这种普适的内部是有差异的
计算机科学是新兴学科，其内容日新月异，以及人 的智力水于有高低之分，人们已掌握的计算机知识 各有差异，不同人的计算思维具有很大差别，因此 计算思维具有层次性 只要具有思维品质中的独创性，就能创造性地解决 问题 不同层次上的计算机思维均可得到同质性的发展

18 计算科学方法概论 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 验思维以物理等学科为 基础，计算思维以计算 机科学为基础

19 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 是世界科学技术革命推 动的源头。

20 实验思维 实验思维方法可以分为以下三 个步骤： 对于实验思维来说，最为重要 的事情就是设计、制造实验仪 器和追求理想的实验环境
①先提取出从现象中获得的直观认 识的主要部分，用最简单的数学形 式表示出来，以建立量的概念； ②再由此试用数学方法导出另一易 于实验证实的数量关系； ③然后通过实验证实这种数量关系 对于实验思维来说，最为重要 的事情就是设计、制造实验仪 器和追求理想的实验环境

21 计算思维 计算思维最根本的内容，即其本质是抽象 （Abstraction）与自动化（Automation）
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 计算思维中的抽象最终是要能够利用机器的一步步 自动执行。为了确保机器的自动化，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 还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之间的翻译工具

22 计算机科学的“源”与“流” 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，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抽象、 理论和设计三个学科形态（或过程）上

23 可计算性与计算过程 计算理论是研究使用计算机解决计算问题的数学理 论 有三个核心领域：自动机理论、可计算性理论和计 算的复杂性理论
自动机将离散数学系统的构造，作用和关系作为研究对象 的数学理论（描述通用计算机计算能力的图灵机模型） 可计算性理论的中心问题是建立计算的数学模型，进而研 究哪些是可计算的，哪些是不可计算的 计算的复杂性理论研究算法的时间复杂性和空间复杂性

24 计算机学科的方法论的三个过程 计算机学科的方法论有三个过程：抽象、理论和自 动化设计及实现
最根本的问题在于：问题如何进行描述？哪些部分能够被 自动化？如何进行自动化描述？ 建立物理符号系统并对其实施等价变换是计算机学 科进行问题描述和求解的重要手段。 “可行性”所要求的“形式化”及其“离散特征” 使得数学成为重要的工具 而计算模型无论从方法还是工具等方面，都表现出 它在计算机上科学中的重要作用（参见1.3节）

25 现代科技工作者的素养 科学：关于自然、社会和 思维的发展与变化规律的 知识体系，其核心是发现
技术：根据实践经验和科 学原理而发展形成的各种 工艺操作方法、技能和技 巧，其核心是发明 工程：将科学原理应用到 生产实践中，是某种形式 的科学应用，其核心是建 造 我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维能力 Edsger Dijkstra

26 计算思维的跨学科交融—信息科学 霍夫曼编码使用变长编码 表对源符号（如文件中的 字母）进行编码
变长编码表通过评估来源 符号出现概率的方法得到 的，概率高的字母用较短 的编码，出现概率低的则 用较长的编码 使编码之后的字符串的平 均长度、期望值降低，从 而达到无损压缩数据的目 的 四个状态的霍夫曼编码过程

27 计算思维的跨学科交融—数学 在数论中，反运算的问题往往是极难求解的，或者 说极难计算的
离散对数和整数因式分解问题就属于困难的计算数论问题 如果给出两个素数p和q，要求两者的乘积，即使p和q很 大，那计算它们的乘积仍然是可行的 但反过来，给出N，要求p和q就极为困难了 利用反计算的难度，对数据进行加密，是现代密码 学的基础 计算机通讯中的公开密钥加密算法，就是利用了数 论的这个原理

28 计算思维的跨学科交融-生物信息学 生物信息学是一门新兴交叉学科，其发展的标志便 是大量生命科学数据的快速积累以及为处理这些复 杂数据而设计的新算法的不断涌现 最常用的数据结构主要包括四种类型： 1) 字符串结构，表示DNA，RNA和氨基酸序列； 2) 树结构，表示各种生物有机体的系统进化树； 3) 三维空间点和连接集合结构，表示蛋白质的三维结构； 4) 图结构，表示代谢和信号传导通路

29 计算思维的跨学科交融-仿生计算 计算科学中许多仿生计算算法都是受到生物学中群 体行为的启发而模仿设计出来的
例如，计算科学中的神经网络算法、遗传算法、演化算法、 蚁群算法、协同进化算法、粒子群算法、生物免疫算法以 及突现计算算法等 计算机病毒的概念与行为也是模仿自然界中的生物病毒行 为提出来的，同样具有潜伏性、流行性、传播性、自复制 性、变异性和适应性等特点

30 计算机学科的核心概念与问题求解 计算机学科的核心概念是ACM/IEEE-CS制定的 CC1991报告首次提出的，是具有普遍性、持久性 的重要思想、原则和方法，核心概念具有如下基本 特征： （1）在学科及各分支学科中普遍出现； （2）在理论、抽象和设计的各个层面上都有很多示例； （3）在理论上具有可延展和变形的作用，在技术上有高 度的独立性

31 CS核心概念-绑定（Binding） 通过将一个对象（或事物）与其某种属性相联系， 从而使抽象的概念具体化的过程
将一个进程与一个处理机、一个变量与其类型或值分别联 系起来 这种联系的建立，实际上就是建立了某种约束 在数据库中的不同表之间建立“关系”和参照完整性，就 是用约束关系来保证数据的完整性。

32 CS核心概念-大问题的复杂性 （Complexity of Large Problems）
指随着问题规模的增长使问 题的复杂性呈非线性增加的 效应 这种非线性增加的效应是区 分和选择各种现有方法和技 术的重要因素 几十万考生的高考成绩排序， 须认真选择排序算法 气候变暖对全球经济的影响， 仿真与模拟 图是旅游城市的地图。冰激凌销售车停在街道的拐角处出售冰激凌给游客。 我们想放置一些销售车，使得每个人可以至多走一个街道的距离，通过走到街道的终端来到达一个销售点。 目标 问题是需要多少个销售车，以及这些销售车应该放在哪些十字路口？

33 CS核心概念-概念和形式模型（Conceptual and Format Models）
对一个想法或问题进行形式化、特征化、可视化思 维的方法 数据流图和E-R图等都属于概念模型，而逻辑理论、开关 理论和计算理论中的模型大都属于形式模型 UML，统一建模语言是软件工程中的重要工具和方法

34 CS核心概念-一致性和完备性（Consistency and Completeness），
一致性包括用于形式说明的一组公理的一致性、事 实和理论的一致性，以及一种语言或接口设计的内 部一致性 例如，由于计算机资源的部署原因，服务器的网络地址可 能发生变化，但由于用户访问的是域名地址，只要保证正 确的映射关系，网络地址的变化不会影响用户访问，这就 是一致性在发挥作用

35 CS核心概念-效率（Efficiency）
是关于时间、空间、人力和财力等资源消耗的度量 在计算机软硬件的设计中，要充分考虑某种预期果 达到的效率，以及一个给定的实现过程较之替代的 实现过程的效率 例如，原用于图形显示的图形处理器（GPU），现广泛应 用于数据密集型的高性能计算场合（GPGPU，通用图形处 理器），而这种应用可以大大节省高性能处理中的成本和 能源消耗

36 CS核心概念-演化（Evolution）
指系统的结构、状态、特征、行为和功能等随着时 间的推移而发生的更改 从CLI（命令行界面）到GUI（图形用户界面），是计算机 应用方式演化的里程碑； 而浏览器的出现，结束了桌面系统一统天下的局面 最容易使用户受到困扰的是软件无止境的演化，从而预见 和适应计算机系统的演化

37 计算思维的技能-科学思维 所谓科学思维最基本的内容是没有证据就不要求急 于下结论：遵循科学的方法来建立新的知识
无论这些知识只是对日常生活中的现象，或是学科的前沿 发现

38 计算思维的技能-逻辑思维 逻辑思维是从已知的些微 （但非常重要的）信息中推 导出尽可能多的信息，而不 要轻易下结论
新的信息收集必须按照确定 的规程，你不能仅仅因为幸 运的而走对路 数独问题求解

39 计算思维的技能-算法思维 有些问题是一次性的，但解决这些问题的方案，则 可以不断发展
在同类问题一再出现时，算法思维就可以介入。没 有必要重新每次从头思考，而是采用每次都行之有 效的解决方案 囚徒困境（prisoner's dilemma）是博弈论的非零和博弈 中具代表性的例子，反映个人最佳选择并非团体最佳选择 虽然困境本身只属模型性质，但现实中的价格竞争、环境 保护等方面，也会频繁出现类似情况

40 计算思维的技能-效率思维 计算机科学家效率观念有非常精确的定义，通用的 方式是讨论如何尽量减少使用的资源来完成任务
可减少资源各有不同，但最重要的往往是'时间‘ 重要的是寻找某种途径，保证能够任务完成而且使 用尽可能少的步骤 红绿球的换位游戏，如何使完成步骤最少？

41 计算思维的技能-创新思维 计算机科学家是进行系统集成的专家 不只是应用今天的技术，而且还创造明天的技术
什么是当今世界的10名大的创新？互联网，手机，个人计 算机，光纤，电子邮件，卫星导航系统，记忆存储磁盘， 数码相机和RFID标签 计算机科学家则将它们组合在一起，构建新的系统并满足 社会的需求 “需要发掘用户需要但无从表达的需求 –乔布斯”—实际 上是创造用户的需求

42 计算思维的技能-伦理思维 任何新技术都是一把双 刃剑 +现代计算机系统的成是 带来对数字信息进行分析、 处理和共享的便利
-也存在大量负面的影响 例如，如何处理创建电子 商务客户联机档案的便利 性与隐私问题之间的平衡， 是当代信息系统引发的伦 理问题之一

43 伦理分析过程 弄清事实 界定冲突或困境并识别有关 的更高序列上的价值理念 确定利益相关者 理性的选择解决方案 确认解决方案可能带来的后 果

44 本章小结 计算思维是在计算学科与其他学科思想方法的交互 中发展的，比如许多算法的思想来源于人类对特定 学科研究对象的认识，又反过来作用于这些学科和 更多学科的发展 从计算思维的内涵上讲，它阐述计算的基本思想和 方法，究其根源这些思想和方法均来自人类的共同 智慧，不但有助于计算学科中问题的求解，也与人 类在其他领域工作和生活中解决问题的方法相通

45 参考文献： 周以真．计算思维．中国计算机学会通讯[J].2007，3(11)．
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