计算思维和信息素养38页PPT

• 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，其形式化基础建筑于 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，基本计算设备的限制迫使 计算机学家必须计算性地思考，不能只是 数学性地思考。构建虚拟世界的自由使我 们能够设计超越物理世界的各种系统。
Байду номын сангаас 优点
• 计算思维建立在计算过程的能力和限制之 上，由人由机器执行。计算方法和模型使 我们敢于去处理那些原本无法由个人独立 完成的问题求解和系统设计。
• • • • •
概念化 根本技能 人的思维方式 数学和工程思维的互补与融合 本质是思想
概念化
• 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。
计算思维
Jeannette M. Wing 周以真 卡内基·梅隆大学教授
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 M. Wing） 教授在美国计算机权威期刊 《Communications of the ACM》杂志 上给出，并定义的计算思维 （Computational Thinking）。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。
根本技能
• 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，当计算机 像人类一样思考之后 ，思维可就真的变成 机械的了。
人的思维方式
• 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。配置了计算设备 ，我们就能用自己的智慧去解决那些在计 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。

我们应当传播计算机科 学的快乐、崇高和力量， 致力于使计算思维成为 常识。
谢 谢 观 看
计算思维
目
Contents
第一章 第二章 第三章 第四章
录
LOGO 总定义
概述
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。
LOGO 优点内容
优点
计算思维建立在 计算过程的能力和限 制之上，由人由机器 执行。计算方法和模 型使我们敢于去处理 那些原本无法由个人 独立完成的 问题求解 和系统设计。
是人的，不是 计算机的思维 方式 概念化，不是 程序化
01
LOGO 总结
智力上的挑战和引人入 胜的 科学问题依旧亟待 理解和解决
计算机科学的教授应当为大学新生开一 门称为“怎么像计算机科学家一样思维” 的课程，面向所有专业，而不仅仅是计 算机科学专业的学生。
我们应当设法激发公众 对计算机领域科学探索 的兴趣，而不是悲叹对 其兴趣的衰落或者哀泣 其研究经费的下降。
内容
计算思维中的 抽象完全超越物理 的时空观，并完全 用符号来表示，其 中，数字抽象只是 一类特例。
SWTO
LOGO 计算思维
1
3 计算思维是一种递归思维
操作模式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
4
计算思维用途
抽象和分解
LOGO 特性
是思想，不是 人造物
数学和工程思 维的互补与融 合
05 04 03 02
根本的，不是 刻板的技能

计算思维与计算机文化
第一章 计算思维基础知识
第一章 计算思维基础知识
主要内容 1.1 科学与科学思维 1.2 计算思维的概念 1.3 计算思维的核心概念和方法 1.4 计算思维的应用领域
思维本身让人沉醉……
计算思维除了给计算机技术带来变革，它还让 人们在探索的过程中体验和谐、对称、完备、 简洁等美学属性。
1.1 科学与科学思维
2）科学思维的分类 对应的三大科学研究的思维是理论思维、实验思维和计算思维。 理论思维：
又称推理思维，以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。 实验思维：
又称实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科 为代表。 计算思维：
又称构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。
计算思维就是思维过程或功能的计算模拟方法论，其研究的目的是提供 适当的方法，使人们借助现代和将来的计算机，逐步实现人工智能的较高 目标。诸如：模式识别、决策、优化和自控等算法都属于计算思维的范畴。
三大思维都是人类科学思维方式中固有的部分。其中，理论思维强调 推理，实验思维强调归纳，计算思维希望能自动求解。他们以不同的方式 推动着科学的发展和人类文明的进步。
➢目的是培养学生像拥有阅读、写作和算术 （3R）基本技能一样拥有计算思维技能，并 能自觉地应用于日常的学习、研究与将来的 工作中，要像计算机科学家那样思考问题。
周以真：原美国卡内基·梅隆大学教授，2013年任微软全球资深副总裁、负责 微软研究院全球各核心研究机构及学术合作部 。2006年对计算思维进行了清晰、 系统的阐述，使计算思维的概念得到人们的极大关注。
• Design：building reliable software systems
评估---Evaluation 4类核心实践

④ ICER Final Report of the Northwest Regional Meeting • 内容及建议
以上四个文件分析了美国计算教育出现的问题，报告建议在美国国家科学基金的资助下全面 改革美国的计算教育。以下两个问题和一个建议值得我们注意： ① 大学第一年计算机课程的构建问题； ② 多学科的融合问题； ③ 报告建议加强美国中小学学生抽象思维与写作能力的训练，目的，使学生平稳过渡到
（3）“讨论”出服务排队的核心方法：
–先来先服务（FCFS) –短任务优先（SJF) –最短剩余时间优先（SRTF) –优先级调度（HPF) –时间片轮转（RR)
例4 装箱问题模拟
问题：用尽可能少的箱子装下若干物体
#include <stdio.h> main() {
int i, j, Cur, N, Max=0; static int S[1001]; scanf("%d", &N); for(i=1; i<=N; i++) {
科学的美不逊于艺术的美。
1.1 科学与科学思维
1. 科学的概念
词源
“science”来源于拉丁文”scientia”, 意为“知识 与学问”。
达尔文
“科学就是整理事实，从中发现规律，作出结 论。”
科学是运用范畴、定理和定律等思维形式反映现 实世界中各种现象的本质和运动规律的知识体系。
1.1 科学与科学思维
2. 科学的分类 广义科学
自然科学：以自然界为主要研究对象，运用实证、理性和 臻美等方法，解释自然的奥秘。
人文科学：以人类为主要研究对象，，运用实地考察、诠 释和启示等方法，认识人、人性和人生的意义，提升人的精 神素质和思想境界。

分析问题 建立模型
数学模型是： ((a==1且b==0)或(a==0且b==1))且((b==1且a==c)或(b==0且a≠c)) 0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤c≤1 （a,b,c是整数）
2020/8/9
9
1 计算思维
运用计算机科学的概念求解问题意味着： 要将问题转化为计算机能够处理的形式
例如一个说谎问题： 有甲、乙、丙三人，每人或者说真话，或者说假话。 甲说：“乙说假话。” 乙说：“甲和丙是同一种人。” 问甲、乙、丙三人谁说真话，谁说假话？
由此可得逻辑表达式：(a==1且b==0)或(a==0且b==1)
②乙说:”甲和丙是同一种人。”这有两种可能:乙说真话,
而甲和丙确是同一种人,即:b==1且a==c
或者乙说的是假话,而甲和丙不是同一种人,即:b==0且a≠c。
由此可得逻辑表达式：(b==1且a==c)或(b==0且a≠c)
2020/8/9
人要适应计算机， 要将问题转化为计算机能够处理的形式
2020/8/9
5
1 计算思维
运用计算机科学的概念求解问题意味着： 要将问题转化为计算机能够处理的形式
例如一个说谎问题： 有甲、乙、丙三人，每人或者说真话，或者说假话。 甲说：“乙说假话。” 乙说：“甲和丙是同一种人。” 问甲、乙、丙三人谁说真话，谁说假话？
运用计算机 科学的 基础概念
设计系统 例如
设计Windows7、Word AutoCAD Flash、Photoshop 游戏软件 ……
理解人类行为 例如
求解问题的行为： 分析问题、建立数学模型 构造算法和数据结构 编写程序 调试运行。 其他行为……
2020/8/9
4
1 计算思维

2019/11/3
23
1 什么是计算？
幼儿园阶段： 数数
小学： 四则运算
计算的初级阶段
1 什么是计算？
中学阶段： 加入了数学符号 公式推导和证明
计算的中级阶段
1 什么是计算？
大学阶段： 计算机计算 输入、算法、输出 状态1 状态2
计算的高级阶段
1 什么是计算？
广义的计算： 自然界输入输出 存在的变量信息 石子与湖水间的计算
三级水平
项目 信 息 意 识
三级等级水平描述 （1）能辩证分析信息的价值和作用，能主动地、有选择地获取信息。 （2）能举例说明信息加工的意义、价值和创新之处。 （3）对一般的信息问题，能从信息来源、内容等方面判断信息的真假和价值。
2019/11/3
16
3 信息意识的阶段性
湖北省信息技术课程内容标准（七、八年级）：
2019
信息技术学科核心素养
2019/11/3
1 信息意识 计算思维 2
3 数字化学习与创新 信息社会责任 4
2019/11/3
CONTENTS
目 录
2
01
PART
信息意识
Information Awareness
2019/11/3
3
信息意识
Information awareness
01 信息意识界定
合格标准
优秀标准
7-8年级
三级水平
四级水平
项目 信 息 意 识
四级等级水平描述 （1）对较为复杂的信息，能采用多种方法（三种以上）甄别信息、判断价值。 （2）结合具体实例，判断自己和他人信息选择的水平，给予适当评价。 （3）对较为复杂的信息问题，能选择合适的信息资源和信息技术工具提出解决 策略。

计算思维（构造思维）的培养，将有助于临床医生 提出“整体构架设计解决方案”的治疗方案。
44
计算思维的特性
1 概念化，不是程序化。
抽象
多层次思维
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。它要 求能够在抽象的多个层次上思维。
45
计算思维的特性
2 基础的，不是机械的技能。
B说：c是小偷 3
C说：小偷肯定是d 4
D说：c在冤枉人 5
三真一假
计算
1
X≠1
1or0
2
X=3
1or0
3
X=4
1or0
4
X≠4
1or0
5
3
26
编程实现
For x=1 to 4 If (x<>1+(x=3)+(x=4)+(x<>=3) then Print x
Next x
27
百元买白鸡
• 公鸡每只5元，母鸡每只3元，小鸡一元3只， 一百元买一百只鸡，问有几种买法？
问题分析： X+Y+Z=100 5X+3Y+Z/3=100
28
编程
For x=1 to 100 For y=1 to 100 Z=100-x-y If 5*x+3*y+z/3=100 then Print x,y,z End if Next for
Next for
• 计算思维能够反映人类思维活动，高效执行。
• A=R，B=R时，A=3，B=3； • A=T，B=S时，A=5，B=0； • A=S，B=T时，A=0，B=5； • A=P，B=P时，A=1，B=1。

人类行为中的计算思维
首先按照结构化程序设计中的“自顶向下，逐层分 解”，利用信息的特征，将一个大问题分解为若干 小问题；其次再将小问题细化，得出解决方案。
人类行为中的计算思维
预置和缓存 小学生早晨去学校时，她把当天需要的东西放进 背包；
回推 小男孩弄丢他的手套时，你建议他沿走过的路回寻 ； 多服务器系统的性能模型 在超市付账时你应当去排哪个队呢？ 失败的无关性和设计的冗余性 为什么停电时你的电话仍然可用？
如果两个囚徒合作保持沉默，总体 利益会更高。 而两个囚徒追求个人利益，选择背 叛时，总体利益较低。 这就是困境所在。
14
囚徒困境——博弈策略建模
囚徒困境的数学建模
（1）策略的符号化 ❖将囚徒各种选择获得的收益和支付转换为数值，获得表所 示符号表。
符号 T R P S
分数
英文
中文
5 Temptation 背叛收益
1.3.1 计算思维概述
❖ 求解问题中的计算思维
问题 求解
系统设计
建立问题模型
人类行为 理解
选择算法
编程实现
警察抓小偷
警察局抓了a，b，c，d四名偷窃嫌疑犯，其中只有 一人是小偷，审讯记录如下： A说：我不是小偷 B说：c是小偷 C说：小偷肯定是d D说：c在冤枉人
四个人中，三个人说的是真话，一个人说的是假话 ，请问谁是小偷？
B背叛 A=0，B=5 A=1，B=1 B背叛
S，T P，P
16
囚徒困境——博弈策略建模
（3）建立数学模型 • A=R，B=R时，A=3，B=3； • A=T，B=S时，A=5，B=0； • A=S，B=T时，A=0，B=5； • A=P，B=P时，A=1，B=1。

则即为其解； 否则不是
人进行计算： 规则可能很复杂, 但计算量却 可能很小 人需要知道具体的计算规则 特定规则，只能求:
a1x2+a2x=c
机器-自动计算： 规则可能很简单, 但计算量却 很大 机器也可以采用人所使用的 计算规则 一般性的规则，可以求任意:
a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c
知识与视野拓展 宽度---知识面宽，前沿性 Knowledge 深度---贯通性，深入性
能力
(Ability & Capability)
Expansion 云计算与云服务
企业资源规划 与供应链管理
打通知识脉络， 融贯各门课程， 内功强化基础， 外功灵活应变。
知识/技能
(Technique/Skill)
计算机、计算与计算思维 3. 计算与自动计算?
计算与自动计算
3.1 什么是计算？
计算学科的计算 vs. 数学学科的计算
简单计算I：数据计算，计算规则，应用计算规则进行计算并获得计算结果
复杂计算II：f(x)，函数，计算规则及其简化计算方法，便于人应用规则进行计算，获得计算结果
复杂计算III：如丢番图方程，判定，计算规则，人可能无法完成但却可由机器自动完成，借助于机
二、减法口诀 直减 破五减 退位减 一 一下一 一上四去五 一退一还九 二 二下二 二上三去五 二退一还八 三 三下三 三上二去五 三退一还七 四 四下四 四上一去五 四退一还六 五 五下五 五退一还五 六 六下六 六退一还四 六退一还五去一 七 七下七 七退一还三 七退一还五去二 八 八下八 八退一还二 八退一还五去三 九 九下九 九退一还一 九退一还五去四
系统和理解人类行为，其本质是抽象和自动化----from 周以真。

做不同的动作
人也抽象为图灵机
1.将人具备的知识技能和由五 官感知周围环境获得的一切看 成输入集合 2.将人作出的一言一行看成输 出集合 3.将人脑（保存脑中所有神经 细胞的状态）看成状态寄存器 4.将人对外界所作出的反应（ 一言一行）看成执行了一套复 杂的控制规则
27
1 计算思维
与计算思维有关的计算
什么是计算？
计算的过程
计算的本质
计算的外延
图灵通过构造图 灵机，形式化地阐述 了计算的本质：
任何计算，在本 质上都可以还原为计 算者（人或机器）对 一条两端可无限延长 的纸带上的一串0、1 进行变换，最后得到 一个满足预先规定的 符号串的过程。
2023/10/2
计算的本质是：
计算思维不是软件、 硬件等人造物品，而 是设计和制造软件、 硬件中的思想，是计 算这一概念用于求解 问题、管理日常生活 以及与他人交流和互 动的思想。
而且，计算思维要 用于所有的人，所有 的地方。
2023/10/2
19
1 计算思维
计算思维的特征 1 是概念化，不是程序化 2 是根本的技能，不是刻板的技能 3 是人的思维，不是计算机的思维 4 是思想，不是物品 5 是数学和工程思维的互补与融合
2023/10/2
23
1 计算思维
为了能用计算思维和计算机求解实际问题
学习
算
数 据
程 序
法
组 织
设 计
2023/10/2
24
1 计算思维
与计算思维有关的图灵机
图灵分析了人的计算过程， 将计算归结为最简单、最基本、最确定的操作动作， 从而用一种简单的方法来描述直观上具有机械性的基本计算程序，
使任何机械（能行）的程序都可归约为这些动作， 实现了计算的自动进行。

计算博弈理论改变着经济学家思考方式
博弈论指的是研究人与人之间行为互动的一般理 论。所谓社会，就是互动。 1943年，冯•诺依曼《博弈论和经济行为》著作 首次介绍了博弈论。 博弈论：两人以上参与，双方通过不同策略相互 竞争的游戏。 博弈：一方采用的策略会对另一方的行为产生影 响。 计算思想在诺贝奖获奖理论中占到70%以上的比 例。
• 设有三栋房子 和三条路，哪
.
• 如果是5栋房子？
1
2
3
4
5
.
B
A
C
D 1E
.
警察抓小偷
警察局抓了a，b，c，d四名偷窃嫌疑犯，其 中只有一人是小偷，审讯记录如下：
•A说：我不是小偷 •B说：c是小偷 •C说：小偷肯定是d •D说：c在冤枉人
四个人中，三个人说的是真话，一个人说的是假话， 请问谁是小偷？
.
13
二、什么是计算
计算的定义：
计算是指运用事先规定的规则，将一组数值变换为另一(所需 的)数值的过程。 ➢对某一类问题，如能找到一组确定的规则，当给出这类问 题中的任一具体问题后，按规则可以完全机械地在有限步内 求出结果，则说这类问题是可计算的。这种规则就是算法。
.
• 猜数游戏：有自然数1--1000，随机选取其 中的一个数，请大家猜数。
周以真（英文名Jeannette M. Wing，），美国计算 机科学家。卡内基-梅隆大 学教授。美国国家自然基金 会计算与信息科学工程部助 理部长。ACM和IEEE会士。
.
问题求解中的计算思维
.
铺路问题
• 有一座城市需 要铺路，不仅 每栋房子都能 沿着铺好的道 路到达其他所 有的房子，而 且用的石砖最 少。
数学机械化，就是刻板化和规格化。---吴方法（吴文俊） 数学问题的机械化，就是要求在运算或证明过程中，每 前进一步之后，都有一个确定的、必须选择的下一步， 这样沿着一条有规律的、刻板的道路，一直达到结论。

“CT is the thought processes involved in formulating problems and their solutions so that the solutions are
合理抽象 高效算法（算法思维角度） represented in a form that can be effectively carried out by an information-processing agent .” Informally, CT describes the mental activity in formulating a
28
请同学们总结什么是计算？
55
1.计算
计算（computation）是算法的执行，
从包含算法和输入数据的初始状态开始，经过一系列 的中间状态，直到达到最终的目标状态的过程。
算法（algorithm）是由若干条指令组成的有穷序列。
66
计算与产品的加工/生产过程有什么可比之处？ 一组可能的输入值和一组可能的输出值之间的映射关系
（6）数据库技术基础 ◆ 设计一个数据库，本身就是抽象和分解的过程
24
计算思维与问题求解
计算思维求解问题的手段： 抽象和自动化。
问题求解的步骤 问题抽象化的描述，问题表示(如何建立模型) 寻找解决方案，问题求解（如何设计算法） 计算机实现过程，效率（如何有效地求解）
现实问题的延伸
25
称为函数（function）。
它使每个可能的输入被赋予单一的输出。 对于一个给定的输入，确定其具体输出的值，这一过程称为函
数的计算。 通过对函数的计算，解决问题。 计算机科学的一个基本问题就是找到一种技术，并用其来计算