浅谈计算思维

摘要：计算思维是数学与工程思维的融合,作为三大科学思维之一,对社会的发展与进步发挥着重要的作用。特别是计算机科学的发展,体现了计算思维的作用,同时也促使了计算思维的发展。本文总结了近些年国内外对计算思维的研究与解读,介绍了计算思维在我国的发展并乐观的指出,计算思维必将积极的影响着人类发展的进程,成为人们生活中的一种重要的思维。

关键词：计算思维 工程 计算机科学

1、引言

进入21世纪后,科学技术发展更加迅速,云计算、物联网等成为IT研究的焦点,同时,计算思维(Computational Thinking)的研究也越来越引起人们的重视。2006年3月,来自卡内基·梅隆大学的周以真教授对计算思维进行了更清晰简明的定义。周教授认为,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[1]。仅在2010年,中国高校针对计算思维的教学改革,分别在合肥、西安、太原、济南等城市召开了四次较大规模的会议,并在上海交通大学和南方科技大学正式开展计算思维课程的教学实践。

2、关于计算思维

当我们必须求解一个特定的问题时,首先会问:解决这个问题有多么困难？怎样才是最佳的解决方法？计算机科学根据坚实的理论基础来准确地回答这些问题。表述问题的难度就是工具的基本能力,必须考虑的因素包括机器的指令系统、资源约束和操作环境。

计算思维吸取了问题解决所采用的一般数学思维方法,现实世界中巨大复杂系统的设计与评估的一般工程思维方法,以及复杂性、智能、心理、人类行为的理解等的一般科学思维方法。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的行为。它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。

3、计算思维的重要性

计算思维,作为三大科学思维之一,从计算思维的特点中,不难发现,其在21世纪及其以后的社会发展中将发挥着与理论思维和实验思维同样重要作用。致美国总统的报告《计算科学:确保美国竞争力》开篇介绍道,大约在半个世纪前,前苏联成功地发射了世界第一颗人造卫星,它撼动了美国在政治与科技上的领导地位,促使美国在科学、工程和技术领域进行全面的改革。报告认为,如今美国又一次面临着挑战,这一次的挑战比以往来得更加广泛、复杂,也更具长期性。报告认为,美国还没有认识到计算科学在社会科学、生物医学、工程研究、国家安全以及工业改革中的中心位置。报告认为,这种认识不足将危及美国的科学领先地位、经济竞争力以及国家安全。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。

与此同时,国防科技大学人文学院的朱亚宗教授站在人文历史的基础之上,把计算思维归类为三大科学思维（实验思维、理论思维、计算思维）之一[2]。理论科学、实验科学和计算科学作为科学发现三大支柱,正推动着人类文明进步和科技发展。该说法已被科学文献广泛引用,并在美国得到国会听证、联邦和私人企业报告的承同。计算思维以设计和构造为特征,以计算机学科为代表。

4、计算思维在中国的情况

计算思维不是现在才有的,它早就存在于中国的古代数学之中,只不过周以真教授使之清晰化和系统化了。中国古代学者认为,当一个问题能够在算盘上解算的时候,这个问题就是可解的,这就是中国的“算法化”思想。吴文俊院士正是在这一基础上围绕几何定理的证明展开了研究,开拓了一个在国际上被称为“吴方法”的新领域——数学的机械化领域,为此吴文俊于2000年获得国家首届最高科学技术奖。

在《中国至2050年信息科技发展路线图》中,李国杰院士对“计算思维”给予了很高的重视,并指出计算思维的培养是克服“狭义工具论”的有效途径,是解决其他信息科技问题的基石[3]。孙家广院士在“计算机科学的变革”一文中指出:计算机科学界,最具有基础性和长期性的思想是“计算思维”。国家自然科学基金委员会信息科学部二处处长刘克教授,强调了在大学中推进“计算思维”这一基本理念的必要性。中国科学院计算技术研究所研究员徐志伟总工认为:计算思维是一种本质的、所有人都必须具备的思维方式,就像识字、做算术一样;在2050年以前,让地球上每一个公民都应具备“计算思维”的能力。中科院自动化所王飞跃教授率先将“计算思维”引入国内,翻译了周以真教授的“计算思维”,撰写了相关的“计算思维与计算文化”[4][5]。他认为:在我国的教育中,计算思维并不是一个陌生的概念。在我国从幼儿教育到大学教育,计算思维已经在教学中时不时地使用,只是一直未能达到周以真教授所定义的高度和广度以及那样的简洁、深刻、明确和系统。当前,我们应该用计算思维理论把我国传统的“算计文化”转变为科学理性的计算文化,从而提升我们国民的素养与整体素质。

5、结语

计算思维是未来人们解决问题的一个重要途径,但不是倡导人类像计算机一样的思考。信息化社会将要求计算思维成为每一个人都拥有的基本能力,如同阅读、写作、算术一样,不再仅限于计算机科学家拥有。计算机拥有强大的计算能力,人类应该培养与强化使用这个工具的思维与能力,去解决那些需要大量计算的问题。计算机科学的产生基石是数学理论,其本质与数学思维也密不可分。计算机科学又从本质上源自工程思维,因为我们创建的是能够与现实世界互动的系统。因此,计算思维是数学和工程思维的互补与融合,它的面向对象是所有人、所有地方和需要解决的问题。当计算思维真正成为人类社会活动中的一部分时,它必将给问题的解决带来方便,加快社会前进的进程。

参考文献

[1]周以真.计算思维[Ｊ]．中国计算机学会通讯,2007,3(11).

[2]朱亚宗.论计算思维———计算思维的科学定位、基本原理及创新路径[Ｊ].计算机科学,2009,36(4):53－55,93

[3]陈国良,董荣胜.计算思维与大学计算机基础教育[J].中国大学教育,2011,1(7-11).

[4]王飞跃.从计算思维到计算文化[J].中国计算机学会通讯,2007,3(11).

[5]王飞跃.计算思维与计算文化[N].科学时报,2007-10-12.