【正文】 計(jì)算思維： 大學(xué)計(jì)算教育的振興 科學(xué)工程研究的創(chuàng)新 陳國良 南京郵電大學(xué) 2 摘要： 本報(bào)告首先簡(jiǎn)單介紹一下科學(xué)與思維的概念 、 兩者的關(guān)系以及科學(xué)思維是一切科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新的靈魂；然后詳細(xì)講解計(jì)算思維的定義 、 實(shí)例 、特征以及對(duì)其他學(xué)科的影響；最后闡述計(jì)算思維是振興大學(xué)計(jì)算教育的途徑以及計(jì)算思維促使科學(xué)與工程領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的創(chuàng)新成果 。 3 目錄 一. 科學(xué)與思維 1. 科學(xué)與思維的含義 2. 人類文明進(jìn)步和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的三大科學(xué) 3. 科學(xué)思維 二. 計(jì)算思維 1. 計(jì)算思維的定義 2. 計(jì)算思維的例子 3. 計(jì)算思維的特征 4. 計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科的影響 三. 計(jì)算思維是大學(xué)計(jì)算教育振興的途徑 1. 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的重要性 2. 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)存在的問題 3. 計(jì)算思維在美國： PITAC報(bào)告， BPC、 CPATH和 CE21計(jì)劃 4. 計(jì)算思維在我國：中國高等學(xué)校計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程教指委工作 5. 實(shí)例研究：大學(xué)計(jì)算思維課程的總體框架 四. 計(jì)算思維與科學(xué)發(fā)現(xiàn)和技術(shù)創(chuàng)新 1. 美國 NSF的 EHRamp。CISE學(xué)部 2. 對(duì)計(jì)算思維的進(jìn)一步理解 3. 問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和行為理解中的計(jì)算思維 4. 美國 CISE局啟動(dòng)的 CDI計(jì)劃 5. 研究示例：網(wǎng)絡(luò)科學(xué)與虛擬實(shí)驗(yàn)室 6. 計(jì)算思維研究在我國 五. 結(jié)論 一、科學(xué)與思維 (1) (1)科學(xué) ① 達(dá)爾文曾給科學(xué)下過一個(gè)定義：“ 科學(xué)就是整理事實(shí)，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，作出結(jié)論 ”。 ② 科學(xué)一般包含： 自然科學(xué) 、 社會(huì)科學(xué) 和 思維科學(xué) 。 (2)思維 ① 思維是高級(jí)的心理活動(dòng)，是認(rèn)識(shí)的高級(jí)形式。 ② 思維是人腦對(duì)現(xiàn)實(shí)事物概括、加工、揭露本質(zhì)特征。 ③ 人腦對(duì)信息的處理包括分析、抽象、綜合、概括等。 (1)理論科學(xué) 、 實(shí)驗(yàn)科學(xué) 和 計(jì)算科學(xué) 作為科學(xué)發(fā)現(xiàn)三大支柱，正推動(dòng)著人類文明進(jìn)步和科技發(fā)展 。 (2)該說法已被科學(xué)文獻(xiàn)廣泛引用，并在美國得到國會(huì)聽證、聯(lián)邦和私人企業(yè)報(bào)告的承同 。 4 一、科學(xué)與思維 (2) 3. 科學(xué)思維 (1)科學(xué)思維的含義及重要性： ① 一般指的是理性認(rèn)識(shí)及其過程，也即經(jīng)過感性階段獲得的大量材料，通過整理和改造，形成概念、判斷和推理，以反映事物的本質(zhì)和規(guī)律。 ② 國科發(fā)財(cái) 〔 2020〕 197號(hào)文 《 關(guān)于創(chuàng)新方法工作的若干意見 》 認(rèn)為“科學(xué)思維不僅是一切科學(xué)研究和技術(shù) 發(fā)展的起點(diǎn) ，而且始終貫穿于科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的全過程，是 創(chuàng)新的靈魂 ”。 (2) 科學(xué)思維一般包括 ： ① 理論思維 ： 理論源于數(shù)學(xué)，理論思維支撐著所有的學(xué)科領(lǐng)域。正如數(shù)學(xué)一樣， 定義是理論思維的靈魂， 定理 和證明是它的精髓。 公理化 方法是最重要的理論思維方法。 ② 實(shí)驗(yàn)思維 ： 實(shí)驗(yàn)思維的先驅(qū)是意大利科學(xué)家伽利略，被人們譽(yù)為“近代科學(xué)之父”。與理論思維不同，實(shí)驗(yàn)思維往往需要借助于某些 特定的設(shè)備 ，并用它們來獲取數(shù)據(jù)以供以后的分析。 ③ 計(jì)算思維 ： 計(jì)算思維是運(yùn)用 計(jì)算機(jī)科學(xué) 的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解的涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng) 。 5 二、計(jì)算思維 (1) 1. 計(jì)算思維的定義： 計(jì)算思維 (Computational Thinking， CT)是運(yùn)用計(jì)算的基礎(chǔ)概念 (Fundamental Concept)去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為的一種方法 (Approach)。 CT的 本質(zhì) 是抽象 (Abstract)和自動(dòng)化 (Automation)。它是如同所有人都具備 “讀、寫、算”（簡(jiǎn)稱 3R） 能力一樣，都必須具備的思維能力。 2. 計(jì)算思維的例子： ① 計(jì)算思維是通過 約簡(jiǎn) 、 嵌入 、 轉(zhuǎn)化 和 仿真 等方法，把一個(gè)困難的問題闡釋成如何求解它的思維方法。 ② 計(jì)算思維是一種 遞歸思維 ，是一種 并行處理 ，是一種把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法。 ③ 計(jì)算思維是一種采用 抽象 和 分解 的方法來控制龐雜的任務(wù)或進(jìn)行巨型復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是基于關(guān)注點(diǎn)分離的方法（ SoC方法）。 ④ 計(jì)算思維是一種選擇合適的方式 陳述 一個(gè)問題，或?qū)σ粋€(gè)問題的相關(guān)方面 建模 使其易于處理的思維方法。 ⑤ 計(jì)算思維是按照 預(yù)防 、 保護(hù) 及通過 冗余 、 容錯(cuò) 、 糾錯(cuò) 的方式，并從最壞情況進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)的一種思維方法。 ⑤ 計(jì)算思維是利用 啟發(fā)式 推理尋求解答，即在不確定情況下的規(guī)劃、學(xué)習(xí)和調(diào)度的思維方法。 ⑥ 計(jì)算思維是利用 海量數(shù)據(jù) 來加快計(jì)算，在時(shí)間和空間之間、在處理能力和存儲(chǔ)容量之間進(jìn)行折衷的思維方法。 . . . 6 二、計(jì)算思維 (2) ： ① 概念化，不是程序化 計(jì)算機(jī)科學(xué)不是計(jì)算機(jī)編程 。像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維意味著遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止能為計(jì)算機(jī)編程，還要求能夠在抽象的多個(gè)層次上思維。計(jì)算機(jī)科學(xué)不只是關(guān)于計(jì)算機(jī)，就像音樂產(chǎn)業(yè)不只是關(guān)于麥克風(fēng)一樣。 ② 根本的，不是刻板的技能 計(jì)算思維是一種根本技能，是每一個(gè)人為了在現(xiàn)代社會(huì)中發(fā)揮職能所必須掌握的?？贪宓募寄芤馕吨?jiǎn)單的機(jī)械重復(fù)。 ③ 人的，不是計(jì)算機(jī)的思維 計(jì)算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計(jì)算機(jī)那樣地思考。計(jì)算機(jī)枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力。是人類賦予計(jì)算機(jī)激情。計(jì)算機(jī)賦予人類強(qiáng)大的計(jì)算能力，人類應(yīng)該好好的利用這種力量去解決各種需要大量計(jì)算的問題 。 ④ 是思想，不是人造品 不只是將我們生產(chǎn)的軟硬件等人造物到處呈現(xiàn)給我們的生活，更重要的是計(jì)算的概念，它被人們用來問題求解、日常生活的管理，以及與他人進(jìn)行交流和互動(dòng)。 7 二、計(jì)算思維 (3) ⑤ 數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合 計(jì)算機(jī)科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，它的形式化基礎(chǔ)建筑于數(shù)學(xué)之上。計(jì)算機(jī)科學(xué)又從本質(zhì)上源自工程思維，因?yàn)槲覀兘ㄔ斓氖悄軌蚺c實(shí)際世界互動(dòng)的系統(tǒng)。所以計(jì)算思維是數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合。 ⑥ 面向所有的人，所有地方 當(dāng)計(jì)算思維真正融入人類活動(dòng)的整體時(shí)，它作為一個(gè)問題解決的有效工具，人人都應(yīng)當(dāng)掌握，處處都會(huì)被使用。 4. 計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科的影響： (1)事實(shí)上，我們已經(jīng)見證了計(jì)算思維對(duì)其他學(xué)科的影響 。例如：計(jì)算生物學(xué)正在改變著生物學(xué)家的思考方式；計(jì)算博弈理論正在改變著經(jīng)濟(jì)學(xué)家的思考方式；納米計(jì)算正在改變著化學(xué)家的思考方式；量子計(jì)算正在改變著物理學(xué)家的思考方式等等。 (2)計(jì)算思維正在滲透到各個(gè)學(xué)科中，諸如算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)這樣的術(shù)語將成為不同學(xué)科領(lǐng)域工作者的日常用語，把樹倒過來畫已經(jīng)習(xí)以為常，什么“非確定隨機(jī)算法”、“ 垃圾收集”這樣的術(shù)語都已司空見慣了等等 。 8 二、計(jì)算思維 (4) (3) 舉例： ① 生物 ： ? 霰彈槍算法（ Shotgun algorithm）大大提高了人類基因組測(cè)序的速度 ? 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以用繩結(jié)來模擬 ? 蛋白質(zhì)動(dòng)力學(xué)可以用計(jì)算過程來模擬 ? 細(xì)胞和電路類似，是一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng) ② 腦科學(xué) ： ? 人腦可以看作是一臺(tái)計(jì)算機(jī) ? 視覺是一個(gè)反饋循環(huán) /用機(jī)器學(xué)習(xí)方法分析功能核磁共振（ fMRI）數(shù)據(jù) ③ 化學(xué) ： ? 用原子計(jì)算探索化學(xué)現(xiàn)象 ? 用優(yōu)化和搜索算法尋找優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)條件和提高產(chǎn)量的物質(zhì)