计算思维的基础知识.ppt
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1、第一章计算思维基础知识,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。,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,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
2、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,5,科学的种类:,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。,1.1 科学与计算科学,6,1.1 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?,7,美国能源部报告认为:高端计算目前已经与理
3、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,8,二、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),1.1 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,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),9,1993:高性能计算与通信-HPCC计划 1996:加速战略计算
4、创新-ASCI计划 2002:高性能计算系统-HPCS计划,1.1 科学与计算科学,2005: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。,10,学科:指高校中讲授或研究知
5、识的分科。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),1.1 科学与计算科学,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,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),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,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
6、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: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。,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
7、概括的、间接的反映,它反映客观事物的本质和规律。,14,3.思维的特征,1.2 思维与科学思维,15,4.思维的类型,1.2 思维与科学思维,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: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,1.2 思维与科学思维,17,三、科学思维的分类,1.2 思维与科学思维,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
8、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,19,一、计算思维的定义 计算思维(Computational Thinking,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,20,针对上述定义解释如下: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
9、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,21,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,22,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
10、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,23,波尔普的三个世界观点,1.3 计算思维的概念,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
11、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,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,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
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