計算思維之管見

張先休　張保杰　楊儀

【摘 要】 首先簡單介紹了計算思維的有關概念，并對它進行了分析。然后闡述了計算思維的應用。最后指出如何培養(yǎng)學生的計算思維。

【關鍵詞】 計算思維 程序 抽象

一 計算思維的簡介及分析

計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類的行為。它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。當我們必須求解一個特定的問題時，首先會問：解決這個問題有多么困難？怎樣才是最佳的解決方法？計算機科學根據(jù)堅實的理論基礎來準確地回答這些問題。 [1]

在實際生活中，我們所做的工作往往是為了解決某個實際問題！要解決這個實際問題，先做什么，后做什么，對于大型復雜問題的解決必須有個程序！怎樣才能得到這個程序？需要對實際問題抽象和分解。選擇合適的方式去陳述一個問題，或者是選擇合適的方式對一個問題的相關方面建模使其易于處理。就是利用不變量簡明扼要且表述性地刻畫系統(tǒng)的行為。它使我們在不必理解每一個細節(jié)的情況下就能夠安全地使用、調整和影響一個大型復雜系統(tǒng)的信息。然后對這個問題進行分解，分解得到的每一步都是可執(zhí)行的！再來設計問題的求解程序。計算思維就是通過抽象、約簡、分解和轉化等方法，把一個看來困難的復雜問題重新闡釋成一個能夠設計程序解決的問題。

計算思維的本質是抽象和自動化。計算是抽象的自動執(zhí)行，自動化需要某種計算機去解釋抽象。[2]在現(xiàn)實生活中，我們學習各種知識，經(jīng)常涉及“抽象”，如數(shù)學和物理的學習。數(shù)學抽象的特點是拋開現(xiàn)實事物的材料、顏色等物理和化學特性，而僅僅考慮事物的數(shù)量關系和空間位置關系。與數(shù)學和物理科學相比，計算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為復雜。計算思維中的抽象最終是要能夠機械地一步一步自動執(zhí)行。計算思維最基本的問題就是：什么是可計算的？

二 計算思維的應用

眾所周知，現(xiàn)代醫(yī)學已經(jīng)比較發(fā)達了，很多疑難病癥都能診治，這在古代是難以想象的事情！不是現(xiàn)代醫(yī)生本領大了，而是現(xiàn)代醫(yī)學的檢測工具先進了，有些病癥只要用先進的醫(yī)學工具一檢測，結果差不多就出來了！同樣的道理，當今計算機科學發(fā)展非?？?，已經(jīng)成為一個強大的工具，任何一門科學用上這個工具，都會得到極大的發(fā)展！

生物、物理、化學、經(jīng)濟學和計算機科學相結合，分別誕生了計算生物學、計算物理學、計算化學、計算經(jīng)濟學。計算思維在這些學科中大放異彩！

目前，生物學數(shù)據(jù)量和復雜性日益增長，“數(shù)據(jù)爆炸”光靠觀察和實驗的方法難以處理，必須依靠計算技術從海量序列數(shù)據(jù)中搜索尋找有用的信息。這也帶動了計算機科學中許多領域滲透到生物信息學中的應用研究，像數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、數(shù)據(jù)庫和并行計算等都被應用于生物計算的研究?？梢哉f計算生物學正悄悄地改變著生物學家的思維。

計算物理學利用現(xiàn)代計算機的存儲量大和計算速度快的有利條件，將物理學、力學、天文學和工程學中的多因素相互復雜作用的過程，通過計算機來模擬。計算物理學與理論、實驗物理學一起開拓人類認識自然的新方法。類似地，計算化學正改變著化學家的思考方式，計算經(jīng)濟學正改變著經(jīng)濟學家的思考方式。

計算思維的新思想、新方法將會促進自然科學、工程技術和社會經(jīng)濟等領域產(chǎn)生革命性的成果，是創(chuàng)新人才的基本要求和專業(yè)素質。我們每一個人都應該掌握計算思維的方法，而不僅僅限于科學家。普適計算之于今天就如計算思維之于明天。普適計算是已成為今日現(xiàn)實的昨日之夢，而計算思維就是明日現(xiàn)實[1]。

三 計算思維的培養(yǎng)

科學研究的三大思維：理論思維、實驗思維和計算思維，構成了科技創(chuàng)新的三大支柱。特別是計算思維，是當今數(shù)字時代人人都應具備的基本技能。那么如何培養(yǎng)計算思維，我認為可以通過建模與仿真培養(yǎng)學生的計算思維。計算思維與數(shù)學建模思維，物理學科的模型構建思維結合起來，可以提高解決現(xiàn)實社會中各類問題的能力。在計算機算法與編程的課程中，可以通過建模仿真實際問題充分激發(fā)學生興趣，并培養(yǎng)其問題解決的思維方法與能力。另外還可通過開源硬件項目設計培養(yǎng)學生的計算思維，甚至可通過游戲軟件培養(yǎng)學生的計算思維[3]。

【參考文獻】

[1] https：//baike.baidu.com/item/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%80%9D%E7%BB%B4/4689456？fr=aladdin.

[2] 曾俊. 大學計算機教程[M].北京郵電大學出版社，2018.

[3] https：//wenku.baidu.com/view/51c723f87dd184254b35eefdc8d376eeafaa1797.html

[4] 劉智遠. 現(xiàn)代大學的使命與現(xiàn)代社會的進步[J]. 中國高等教育. 2005/21. 45-46.

【基金項目】本文由重慶高校市級重點實驗室基金 （[2017]3）、重慶市發(fā)改委基金（2017[1007]）、重慶三峽學院基金資助。