计算思维论文

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计算思维论⽂

摘要：尽管计算思维与计算机⽅有着各⾃的研究内容与特⾊，但是，显⽽易见，它们的互补性很强，可以相互促进。⽐如，计算机⽅可以对计算思维研究⽅⾯取得的成果进⾏再研究和吸收，最终丰富计算机⽅的内容；反过来，计算思维能⼒的培养也可以通过计算机⽅的学习得到更⼤的提⾼。介绍了计算思维与计算机⽅存在的密切联系，以及以学科认知理论体系构建为核⼼的计算机⽅在中国的研究与应⽤。相对⽽⾔，计算思维的研究主要在国外，主要是在美国和英国，他们研究的重点放在计算思维的过程及其实质和特征上。此⼯作有助于⼈们对计算思维与计算机⽅的认识，以及对它们展开进⼀步地深⼊研究。

1.背景：

计算思维是什么本⽂所指的计算思维，主要指2006年3⽉，美国卡内基·梅隆⼤学计算机科学系主任周以真(Jeannette札Wing)教授在美国计算机权威杂志，ACM会((Communications oftheACM))杂志上给出，并定义的计算思维(ComputationalThinking)E¨。

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。为便于理解和应⽤，本⽂将定义中的“基础概念”更换为更为具体的“思想与⽅法，这样，计算思维⼜可以更清晰地定义为：运⽤计算机科学的思想与⽅法进⾏问题求解、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。以上是关于计算思维的⼀个总定义，周教授为了让⼈们更易于理解，⼜将它更进⼀步地定义为：

(1)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我们知道问题怎样解决的思维⽅法；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，是⼀种分析推⼴的类型检查⽅法I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，是基于关注分离的⽅法(SoC⽅法)；

(2)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使其易于处理的思维⽅法；是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的⽅式，

并从最坏情况进⾏系统恢复的⼀种思维⽅法；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；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衷的思维⽅法。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。

2.现状：

在钱学森的倡导下，⾃上世纪80年代起，⾯向新技术⾰命的思维科学研究愈来愈受到国内有关专家学者的关注与重视。

在计算机科学与技术领域，随着美国计算机学会(简称ACM)和美国电⽓和电⼦⼯程师学会计算机分会(简称IEEE-CS)组成的联合攻关组于1988年底提交了“作为学科的计算科学”的报告，计算学科的“存在性”得以证明。随后，

CC1991报告和CC2001报告等相继出台，从学科的⾓度诠释了计算科学的内涵与外延，为计算学科建⽴了现代课程体系。在计算学科课程体系的本⼟化进程中，我国相关领域的专家学者们付出了艰⾟努⼒，并取得实质性成果，于2002年提出了“中国计算机科学与技术学科教程2002”。

(China Computing Curricula 2002，简称CCC2002)。在CC2002教程的引导下，针对计算机科学与技术学科教育⽅⾯的诸多问题，国内从事计算机科学与技术学科教育的⼴⼤⼯作者进⾏了⼴泛⽽有益的探讨，⼤⼤丰富了计算学科课程体系建设的内容。在计算学科课程教育改⾰的进程中，如何培养既能熟练掌握计算机科学的知识与技能，⼜具有计算机科学学科意识和素养的⼈才问题，逐步成为⼈们关注的主要⽅⾯。《谈谈计算机思维》在谈到计算机⽂化与计算机思维相互之间的联系时指

出，“随着计算机科学的发展，‘计算机’已不再是⼀个单纯的计算⼯具的代名词，⽽是信息时代⾼新技术的象征。

可以这样说，‘计算机’作为⼀种⽂化，已渗透到社会发展的各个领域，⽽使得⽣活在这⼀时期的⼈们的思维活动中或多或少地与‘计算机’这⼀概念相联系，研究与之相关的思维活动与思维⽅式，

⽬前，计算思维的研究正在逐步受到⼈们的关注，但是关注⾯还相对⽐较狭窄，要想真正实现使“每个孩⼦在培养解析能⼒时不仅掌握阅读、写作和算术，还要学会计算思维”的⽬标，还有很长的路要⾛。

因为我国⽬前从幼⼉教育到中⼩学教育，甚⾄⾼等教育的各个阶段，“计算思维”还是⼀个陌⽣的字眼。即便针对⾼校计算机专业的学⽣，如何培养和发展他们的计算思维，提⾼他们应⽤计算机知识分析和解决问题的能⼒，依旧是⼀项需要深⼊研究和探索的⼯作。

3.现状分析：

对计算思维的特征进⾏了总结，给出了计算思维的以下6个特征：

(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⽌能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思维。为便于理解周教授的意思，可以更进⼀步地说，计算机科学不只是关于计算机，就像⾳乐产业不只是关于麦克风⼀样。

(2)根本的，不是刻板的技能

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。刻板技能意味着机械的重复。具有讽刺意味的是，只有当计算机科学解决了⼈⼯智能的⼤挑战——使计算机像⼈类⼀样思考之后，思维可以真的变成机械的了。就时间⽽⾔，所有已发⽣的智⼒，其过程都是确定的；因此，智⼒⽆⾮也是⼀种计算，我们应当将精⼒集中在“好的”计算上，即采⽤计·2·算思维来造福⼈类。

(3)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的思考。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。配置了计算设备，我们就能⽤⾃⼰的智慧去解决那些计算时代之前不敢尝试的问题，实现“只有想不到，没有做不到”的境界。计算机附给⼈类强⼤的计算能⼒，⼈类应该好好利⽤这种⼒量去解决各种需要⼤量计算的问题。

(4)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，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，基本计算设备的迫使计算机科学家必须计算性的思考，⽽不能只是数学性的思考。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地体现在抽象、理论和设这三个学科形态(或过程)上。

(5)是思想，不是⼈造品

不只是我们⽣产的软硬件等⼈造物将以物理形式到处呈现并时时刻刻触及我们的⽣活，更重要的是计算的概念，这种概念被⼈们⽤于问题求解、⽇常⽣活的管理，以及与他⼈进⾏交流和互动。中国科学院⾃动化所王飞跃教授认为：在中⽂⾥，计算思维不是⼀个新的名词。在中国，从⼩学到⼤学教育，计算思维经常被朦朦胧胧地使⽤，却⼀直没有提⾼到周教授所描述的⾼度和⼴度上，也没有那样的新颖、明确和系统。周教授所描述的计算思维给我们带来了重新审视我们学科的视野，也使我们更加重视学科所蕴含的思想与⽅法。这种重视，会促成王飞跃教授所希望的，使我们的学科产⽣“涅磐”般的重⽣。

(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以致不再表现为⼀种显式之哲学的时候，它就将成为现实。就教学⽽⾔，计算思维作为⼀个问题解决的有效⼯具，应当在所有地⽅，所有学校的课堂教学中得到应⽤。针对不少⼈认为计算机科学等同于计算机编程等⽅⾯的错误认识，周教授认为，当我们⽤⾏动来改变这种狭隘的社会认识时，计算思维就是⼀个引领计算机教育家、研究者和实践者的宏⼤远景。

4.我的看法：

计算思维代表着⼀种普遍的认识和⼀类普适的技能，每⼀个⼈，不仅仅是计算机科学家，都应热⼼于它的学习和运⽤。

计算思维是建⽴在计算过程的能⼒和之上的，不管这些过程是由⼈还是由机器执⾏的。计算⽅法和模型给了我们勇⽓去处理那些原本⽆法由任何个⼈独⾃完成的问题求解和系统设计。

计算思维与计算机⽅的研究，与现代数学思维与数学⽅的研究有不少相似之处。国内研究的重点都放在学科⽅上，国外都强调学科的思维⽅式‘zo．。相对于数学，计算机⽅的研究要幸运⼀些，它已完成数学⽅梦寐以求的理论体系的构建。

另外，它的研究内容建⽴在世界着名计算机组织ACM和IEEE-CS⼤量研究⼯作的基础上，与国外计算思维⽅⾯的研究具有更好的互补性，也更易于吸收国外

教育的先进理念。尽管观⾓不⼀样，但是计算思维与计算机⽅关⼼的都是计算学科最本质的东西。

计算思维是从学科思维这个层⾯直接讨论学科的根本问题与学科的思维⽅式，⽽计算机⽅则是从⽅的⾓度来讨论学科的根本问题和学科形态。

计算思维，已经深⼊到我们的⽇常⽣活中，进⼊⼤学，是我们能够更好地理解和实践这种思维，这样⼀个多彩的舞台,为我们提供了丰富多彩的资源,使我们能偶更好的实现⾃⼰的想法。

5.总结：计算机⽅中最原始的概念为：抽象、理论和设计。这3个概念与计算思维最基本的概念(抽象与⾃动化)反映的都是计算最根本的问题：什么能被有效地的⾃动进⾏。从教学的⾓度来说，计算机⽅中的这3个概念更易为⼈们所掌握。从研究的⾓度来说，计算机⽅遵循⼀般⽅的研究范式，更易展开研究⼯作。然⽽，对于具有丰富经验的计算机科学家来说，由于没有⽅研究中范式的约束，撰写有关计算思维⽅⾯的⽂章反到可能是他们的长处。尽管计算思维与计算机⽅有着各⾃的研究内容与特⾊，但是。显⽽易见，它们的互补性很强，可以相互促进。⽐如，计算机⽅可以对计算思维研究⽅⾯取得的成果进⾏再研究和吸收，最终丰富计算机⽅的内容；反过来，计算思维能⼒的培养也可以通过计算机⽅的学习得到更好的提⾼。

参考⽂献：

[1]中国计算机科学与技术教程2002研究组．中国计算机科学与技术学科教程2002．北京：清华⼤学出版社。2002

[2]全国⾼等学校计算机教育研究会．全国“计算机科学与技术⽅”专题学术研讨会论⽂集．计算机科学，2003

[3]董荣胜．计算教育哲学初探[J]．计算机科学，2000

[4]董荣胜，古天龙，等．计算机科学与技术⽅EJ]．计算机科学。2002

[5]郑毓信，肖柏荣，数学思维与数学⽅．四川教育出版设，2001

[6]..古天龙计算机科学与技术⽅2002