计算思维的基础知识

计算思维基础知识2一、科学的概念达尔文对科学定义：科学就是整理事实，从中发现规律并做出结论。1.1科学与计算科学达尔文的定义指出了科学的内涵，即事实与规律。科学要发现人所未知的事实，并以此为依据，实事求是。至于规律是指客观事物之间内在的本质的必然联系。计算思维基础知识3爱因斯坦认为：设法将人们杂乱无章的感觉经验加以整理，使之符合逻辑一致的思想系统，就叫科学。科学作为一种存在的事物和完整的事物，是人类认知的事物中最客观的。但科学在形成过程中，作为追求的目的，却如同人类的其他认知一样，是主观的也是受心理制约的。1.1科学与计算科学计算思维基础知识4美国《韦伯斯特新世界词典》对科学定义：科学是从确定研究对象的性质和规律这一目的出发，通过观察、调查和实验得到的系统知识。中国《辞海》对科学定义：科学是运用范畴、定理和定律等思维形式反映现实世界各种现象的本质和运动规律的知识体系。科学的定义：反映现实世界中各种现象及其客观规律的知识体系。科学作为人类知识的最高形式，已成为人类社会普遍的文化理念。1.1科学与计算科学计算思维基础知识5科学的种类：不同分类方式类别按照研究对象的不同自然科学、社会科学、思维科学按照与实践联系的不同理论科学、技术科学、应用科学按照人类对自然规律利用的直接程度自然科学、实验科学按照人类目标的不同广义的科学、狭义的科学广义的科学概念是自然科学、人文科学和社会科学等所有学科的总称，狭义的科学概念则专指自然科学，有时甚至直指基础理论科学。1.1科学与计算科学计算思维基础知识6类别解释或说明自然科学NaturalScience以自然界为主要研究对象，运用实证、理性和臻美等方法，揭示自然的奥秘，获取自然的真知。人文科学humanities以人类作为主要研究对象，运用实地考察、诠释和启示等方法，认识人、人性和人生的意义，提升人的精神素质和思想境界。社会科学SocialScience以社会领域为主要研究对象，运用调查、统计和归纳等方法，把握社会规律，解决社会问题，促进社会进步。1.1科学与计算科学如何界定自然科学？物理学，化学，……计算科学？数学？计算思维基础知识7美国能源部报告认为：高端计算目前已经与理论研究、实验手段一起，成为获得科学发现的三大支柱。因此，理论科学、实验科学和计算科学是推动人类文明进步和科技发展的重要途径。1.1科学与计算科学计算思维基础知识8二、计算科学与计算学科计算科学/ComputationalScience：一种与数学模型构建、定量分析方法以及利用计算机来分析和解决科学问题的研究领域。(计算视角)1.1科学与计算科学计算科学/ComputingScience：应用高性能计算能力预测和了解实际世界物质运动或复杂现象演化规律的科学，它包括数值模拟、工程仿真高效计算机系统和应用软件等。(计算机视角)计算思维基础知识91993：高性能计算与通信--HPCC计划2019：加速战略计算创新--ASCI计划2019：高性能计算系统--HPCS计划1.1科学与计算科学2019：计算科学--确保美国的竞争力报告建议：应将计算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位。计算科学是运用高级计算能力来理解和处理复杂问题的学科，已经成为对科学领导力、经济竞争力以及国家安全都至关重要的一门科学。我们相信计算科学是21世纪最重要的技术领域之一，因为它对整个社会的进步都是十分重要的。计算科学为研究者提供了一个独特的窗口，他们可以通过它来研究那些不切实际或很难解决的问题，为高经济效益提供高级工业方法，如高效设计比价格昂贵又费时的风洞试验更有效的机翼计算试验。计算思维基础知识10学科：指高校中讲授或研究知识的分科。计算学科/ComputationalDiscipline:利用计算科学对其他学科中的问题进行计算机模拟或者其他形式的计算而形成的诸如计算物理、计算化学等学科统称为计算学科。(计算视角)1.1科学与计算科学计算学科/ComputingDiscipline:是对描述和变换信息的算法过程进行系统的研究，它包括算法过程的理论、分析、设计、效率分析、实现和应用等。(计算机视角)计算思维基础知识11计算学科是在数学和电子科学基础上发展起来的一门新兴学科，它既是一门理论性很强的学科，又是一门实践性很强的学科。1.1科学与计算科学计算思维基础知识12三、计算机科学与计算机学科1.1科学与计算科学计算机科学/ComputerScience：研究计算机及其周围各种现象和规律的科学。分类：理论计算机科学、应用计算机科学。计算机学科/ComputerDiscipline：即计算机科学与技术，它是研究计算机的设计与制造和利用计算机进行信息获取、表示、储存、处理、控制等的理论、原则、方法和技术的学科。计算机科学侧重研究现象与揭示规律。计算机技术侧重研制计算机及使用计算机进行信息处理的方法和技术手段。计算思维基础知识13一、思维的概念思维是精神地球上最美丽的花朵。1.2思维与科学思维2.思维的组成思维原料(自然界)、思维主体(人脑)思维工具(认识的反映形式)1.思维的定义思维是人脑对客观事物的一种概括的、间接的反映，它反映客观事物的本质和规律。计算思维基础知识143.思维的特征特征解释或说明概括性思维是在人的感性基础上，将一类事物的共同本质的特征和规律抽取出来，加以概括。如人们感知(日出东方、日落西山)，通过思维概括揭示是地球自转的结果。间接性指非直接的，以其它事物做媒介来反映客观事物。如根据医学知识和临床经验，医生询问病史和辅助检查，判断病情，作出治疗。能动性不仅能认识和反映世界，而且还能对客观世界进行改造。如人们不仅能认知宇宙速度，还能制造宇宙飞船飞向太空。1.2思维与科学思维计算思维基础知识154.思维的类型不同分类方式类别按照思维的进程方向横向思维、纵向思维发散思维、收敛思维按照思维的抽象程度直观行动思维具体形象思维抽象逻辑思维按照思维的形成和应用领域科学思维日常思维1.2思维与科学思维计算思维基础知识16二、科学思维科学思维：指理性认识及其过程，即经过感性阶段获得的大量材料，通过整理和改造，形成概念、判断和推理，以便反映事物本质和规律。简而言之，科学思维是人脑对科学信息的加工活动。科学思维的主要表现：①科学的理性思维②科学的逻辑思维③科学的系统思维④科学的创造性思维1.2思维与科学思维计算思维基础知识17三、科学思维的分类1.2思维与科学思维类别解释或说明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，定理和证明是其精髓，公理化方法是最重要的理论思维方法实验思维实验思维的先驱是意大利科学家伽利略，被人们誉为“近代科学之父”。与理论思维不同，实验思维往往需要借助于某些特定的设备，使用它们来获取数据以便进行分析。计算思维计算思维是思维过程或功能的计算模拟方法论，其研究目的是提供适当的方法，使人们能借助计算机逐步达到人工智能的较高目标。计算思维基础知识18三种科学对应着三种思维：理论科学←→理论思维理论思维又称逻辑思维，它以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。实验科学←→实验思维实验思维又称实证思维，它以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。计算科学←→计算思维计算思维又称构造思维，它以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。1.2思维与科学思维计算思维基础知识19一、计算思维的定义计算思维(ComputationalThinking，CT)周以真认为：计算思维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的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。1.3计算思维的概念计算思维基础知识20针对上述定义解释如下：①求解问题中的计算思维利用计算手段求解问题的过程是：首先要把实际的应用问题转换为数学问题，可能是一组偏微分方程，其次将PDE离散为一组代数方程组，然后建立模型、设计算法和编程实现，最后在实际的计算机中运行并求解。前两步是计算思维中的抽象，后两步是计算思维中的自动化。1.3计算思维的概念计算思维基础知识21②设计系统中的计算思维R.Karp认为：任何自然系统和社会系统都可视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量和信息的交换，这种交换可以映射为符号变换，使之能用计算机进行离散的符号处理。当动态演化系统抽象为离散符号系统后，就可以采用形式化的规范描述，建立模型、设计算法和开发软件来揭示演化的规律，实时控制系统的演化并自动执行。1.3计算思维的概念计算思维基础知识22③理解人类行为中的计算思维王飞跃认为(中科院)：计算思维是基于可计算的手段，以定量化的方式进行的思维过程。计算思维就是应对信息时代新的社会动力学和人类动力学所要求的思维。在人类的物理世界、精神世界和人工世界等三个世界中，计算思维是建设人工世界需要的主要思维方式。利用计算手段来研究人类的行为，可视为社会计算，即通过各种信息技术手段，设计、实施和评估人与环境之间的交互。1.3计算思维的概念计算思维基础知识23波尔普的三个世界观点1.3计算思维的概念计算思维基础知识24二、计算思维的详细描述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阐释成一个人们知道怎样解决的问题。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。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，是一种基于关注点分离的方法。1.3计算思维的概念计算思维基础知识25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并使其易于处理的思维方法。计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错和纠错方式，从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。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。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中的思维方法。1.3计算思维的概念计算思维基础知识26三、计算思维的特征1.3计算思维的概念1.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远不仅限于计算机编程，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注计算机，就像音乐产业不只是关注麦克风一样。2.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。计算思维基础知识273.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，人类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情。计算机赋予人类强大的计算能力，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。4.是思想，不是人造物不只是将生产的软硬件等人造物到处呈现给我们的生活，更重要的是计算概念，它被人们用来问题求解、日常生活的管理，以及与他人进行交流和互动。1.3计算思维的概念计算思维基础知识285.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。所以设计思维是数学和工程思维的互补与融合。6.面向所有的人，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。1.3计算思维的概念计算思维基础知识29四、计算思维的本质抽象(Abstract)、自动化(Automation)。它反映了计算的根本问题，即什么能被有效的自动进行。1.3计算思维的概念计算是抽象的自动执行，自动化需要某种计算机去解释抽象。从操作层面上讲，计算就是如何寻找一台计算机去求解问题，隐含地说就是要确定合适的抽象，选择合适的计算机去解释执行该抽象，后者就是自动化。计算思维基础知识30五、计算思维与计算机的关系1.3计算思维的概念计算思维虽然具有计算机的许多特征，但是计算思维本身并不是计算机的专属。实际上，即使没有计算机，计算思维也