计算机与计算思维.ppt
提 纲科学与计算科学思维与计算思维计算机学科的特点计算机人才的基本学科能力,一、科学的概念 达尔文：科学就是整理事实，从中发现规律并做出结论。,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。规律就是客观事物之间内在的本质的必然联系。,爱因斯坦：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。,科学与计算科学,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：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。,科学与计算科学,二、科学的分类,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。,科学与计算科学,科学与计算科学,美国能源部发布的报告：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。,科学与计算科学,三、计算科学与计算学科 计算科学/Computational Science：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）,科学与计算科学,计算科学/Computing Science：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，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）,计算学科/Computational Discipline：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）计算学科/Computing Discipline：是对描述和变换信息的算法过程进行系统的研究，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）,科学与计算科学,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。,科学与计算科学,四、计算机科学与计算机学科,科学与计算科学,计算机科学/Computer Science：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/Computer Discipline：研究计算机的设计与制造，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。,Computer Science 2008,Software Engineering 2004,计算机基础数学和工程基础职业实践软件建模与分析软件设计软件验证与确认软件进化软件过程软件质量软件管理,一、思维的概念,思维与计算思维,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。自然界提供思维的原料，人脑成为思维的主体，认识的反映形式形成了思维的工具，三者具备才有思维活动。,二、思维的特征,思维与计算思维,思维与计算思维,三、思维的类型,四、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，科学思维是大脑对科学信息的加工活动。,科学思维的主要表现：科学的理性思维科学的逻辑思维科学的系统思维科学的创造性思维,思维与计算思维,五、科学思维的分类,思维与计算思维,一般而言，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。,思维与计算思维,计算思维（Computational Thinking，CT）周以真：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。,思维与计算思维,六、计算思维的定义,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。,思维与计算思维,设计系统中的计算思维 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。,思维与计算思维,理解人类行为中的计算思维 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。,思维与计算思维,七、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，把一个看起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。,思维与计算思维,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。,思维与计算思维,八、计算思维的特征,思维与计算思维,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。,3.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。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。,思维与计算思维,5.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。所以计算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。,思维与计算思维,九、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。,思维与计算思维,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。,十、计算思维与计算机的关系,思维与计算思维,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，计算思维也会逐步发展，甚至有些内容与计算机没有关系。但是，正是由于计算机的出现，给计算思维的发展带来了根本性的变化。,什么是计算？什么是可计算？什么是可信计算？计算思维的这些性质得到了前所未有地彻底研究。由此不仅推进了计算机的发展，也推进了计算思维本身的发展。在这个过程中，一些属于计算思维的特点被逐步揭示出来，计算思维与理论思维、实验思维的差别越来越清晰化。,计算思维的几乎所有特征和内容在计算机科学里面得到充分体现，并且随着计算机科学的发展而同步发展。,计算机学科的特点,计算机学科是通过建立模型并在计算机上模拟物理过程来进行科学调查和研究的一门学科，是对信息描述和变换算法的理论、效率、实现和应用等进行系统的研究。计算机学科的根本问题是：什么能且如何被有效地自动计算。以符号表示和变换为核心的抽象和形式化是计算机学科最强有力的工具。形式化、模型化是基本描述手段，符号是基本表现形式，符号变换是基本求解方式，抽象和逻辑是基本思维方式。计算机学科具有“理论、抽象、设计”三个学科形态。,计算机人才的基本学科能力,计算机专业高级人才的基本学科能力包括四个方面：计算思维能力；算法设计与分析能力；程序设计与实现能力；系统分析、开发与应用能力。计算思维能力 计算思维能力主要包括形式化、模型化描述和抽象思维与逻辑思维能力。设计者要在计算机系统“独立”实现对问题的求解之前，在头脑中“构建”并“执行”相应的处理，这主要靠计算思维能力支撑。,计算机人才的基本学科能力,算法设计与分析能力 算法对计算机专业人员非常重要。要想成为一名优秀的计算机专业人才，其关键之一就是建立算法的概念，具备算法设计与分析能力。程序设计与实现能力 程序设计与实现包括硬件和软件实现，特别是当将问题的求解看成表示和处理时，硬件系统相关的实现也可以部分地含在这里。系统分析、开发与应用能力 程序设计与实现是基础，而系统的分析开发主要指“系统”能力，研究人员要站在系统的全局去看问题、分析问题和解决问题，并实现系统优化。,
