计算思维与大学计算机基础教育 　　(2)

　　四、科学与科学思维

　　科学指的是反映现实世界各种现象的本质和规律的分科的知识体系。科学思维（简称思维）一般指的是理性认识及其过程，也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，以反映事物的本质和规律。

　　科学思维主要分为理论思维、实验思维和计算思维三大类。一般认为，理论、实验和计算是推动人类文明进步和科技发展的三大支柱。这种认知不仅被科学文献广泛引用，而且还通过了美国国会的听证，以及美国联邦政府和私人企业报告的认同。

　　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，定理和证明则是它的精髓。公理化方法是最重要的理论思维方法，科学界一般认为，公理化方法是世界科学技术革命推动的源头。用公理化方法构建的理论体系称为公理系统，如欧氏几何。

　　实验思维的先驱应当首推意大利著名的物理学家、天文学家和数学家伽利略，他开创了以实验为基础具有严密逻辑理论体系的近代科学，被人们誉为"近代科学之父"。爱因斯坦为之评论说："伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。"[6]

　　一般来说，伽利略的实验思维方法可以分为以下三个步骤：

　　1.先提取从现象中获得的直观认识的主要部分，用最简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；

　　2.再由此式用数学方法导出另一易于实验证实的数量关系；

　　3然后通过实验证实这种数量关系。

　　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（科学工具），并用它们来获取数据以供以后的分析。例如，伽利略就不仅设计和演示了许多实验，而且还亲自研制出不少先进的实验仪器，如温度计、望远镜、显微镜等。

　　以实验为基础的学科有物理、化学、地学、天文学、生物学、医学、农业科学、冶金、机械，以及由此派生的众多学科。

　　以上介绍了理论思维与实验思维的基本概念。下一部分，介绍与本文关系最为密切的计算思维。

　　五、计算思维

　　国际上广泛认同的计算思维定义来自周以真(JeannetteWing)教授。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，以及人类行为理解的涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动[7]。计算思维的本质是抽象和自动化。如同所有人都具备"读、写、算"（简称3R)能力一样，计算思维是必须具备的思维能力。为便于理解，在给出计算思维清晰定义的同时，周以真教授还对计算思维进行了更细致的阐述：

　　计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释为如何求解它的思维方法。

　　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的方法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法（SoC方法）。

　　计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。

　　计算思维是按照预防、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。

　　计算思维是利用启发式推理寻求解答，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。

　　在理解计算思维时，要特别注意以下几个问题：

　　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。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。

　　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。

　　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，反过来，是计算机给了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。

　　计算思维是思想，不是人造品。计算机科学不只是将软硬件等人造物呈现给我们的生活，更重要的是计算的概念，它被人们用来求解问题、管理日常生活以及与他人进行交流和互动。

　　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现实世界互动的系统。所

　　以计算思维是数学与工程思维的互补与融合。

　　计算思维无处不在，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，人人都应掌握，处处都会被使用。自然，它应当有效地融入我们每一堂课之中。

　　六、计算思维在我国

　　计算思维不是今天才有的，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"的新领域一一数学的机械化领域，吴文俊为此于2000年获得国家首届最高科学技术奖。

　　随着以计算机科学为基础的信息技术的迅猛发展，计算思维的作用日益凸显。正像天文学有了望远镜，生物学有了显微镜，音乐产业有了麦克风一样，计算思维的力量正在随着计算机速度的快速增长而被加速地放大。

　　计算思维的重要作用引起了中国学者与美国学者的共同注意。

　　由李国杰院士任组长的中国科学院信息领域战略研究组撰写的《中国至2050年信息科技发展路线图》指出：长期以来，计算机科学与技术这门学科被构造成一门专业性很强的工具学科。"工具"意味着它是一种辅助性学科，并不是主业，这种狭隘的认知对信息科技的全民普及极其有害。针对这个问题，报告认为计算思维的培育是克服"狭义工具论"的有效途径，是解决其他信息科技难题的基础[8]。

　　孙家广院士在《计算机科学的变革》一文中明确指出：（计算机科学界）最具有基础性和长期性的思想是计算思维[9]。