计算与计算思维

Theor y
Comp. Bio.
Biology
Comp. Economics
Graphics
Geometric
Comp. Algorithms
计算思维的提出
– “计算思维”是美国卡内基梅隆大学周以真教授提出 的一种理论。
– 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，它涵盖了计 算机科学的一系列思维活动。
计算工具与思维方式的相互影响
– 家迪科斯彻：我们使用的工具影响着我们的思维方式 和思维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维能力 。
– 计算的发展影响着人类的思维方式。
如，计算生物学改变了生物学家的思维方式； 如，计算机博弈论改变着经济学家的思维方式； 如，计算社会科学改变着社会学家的思维方式； 如，量子计算改变着物理学家的思维方式。
分 当前环境下，理论与实验手段在面临大规模数据的情况下，不可避免
地要用计算手段来辅助进行。
国际教育技术协会对计算思维的可操作 性定义
– 计算思维是问题解决的过程，该过程包括以下特点：
（1）制定问题，并利用计算机和其他工具来解决该问题； （2）要符合逻辑地组织和分析数据； （3）通过抽象（如模型、仿真等）再现数据； （4）通过算法思想（一系列有序的步骤）支持自动化的解决方案 ； （5）分析可能的解决方案，找到最有效的方案； （6）将该问题的求解过程推广并移植到更广泛的问题中。
训练与实不践断训练， 不断理解，
概念与联知贯看才识““昨思想识通得能准看夜西维与，远认确山风凋是贯浮翩此才现，是碧树创““通想，及能山，衣独新看带联由彼发，上渐高的山宽，看楼终，源不不才质新““水望悔众尽头是，能，看里是天为寻涯，山伊找才山她水路销千”技，得出能还百”人度术看憔本创是，悴蓦与水”山然回知F间界不r，首o词”m话的，识王是阐”看那国关 述维人是于水“水却“人在境”还灯火是阑珊水处”” 创新的支撑
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Service
Robotics
Computing Hardware
Machine
Distributed
Learning
Systems Networking
Syste AI ms
Natural Language
Design Security
HCI：Human Computer Interaction
什么是计算思维？
– 计算思维以设计和构造为特征，以计算机学科为代表 。
– 计算思维的根本问题是什么能被有效的自动进行。 – 为了机器的自动化，需要在抽象过程中进行符号转换
和建立计算模型。 – 计算思维需要考虑问题处理的边界，以及可能产生的
错误。
计 抽算象思：有维选的择地本忽略质某—些细—节，抽控象制系和统的自动化
广义的计算就是执行信息变换，即对信息进
行加工和处理。许多自然的、人工的和社会的系 统中的过程变化，自然而然是计算的。如财务系
统简、单搜计索算引：擎数等据。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：需要研究简化的方法、规则。如一元 二次方程解的公式等。
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
人-求解 机器-求解
却可能很小 人需要知道具体的计算规
利用上述公 式计算得到x 值
(1)从-n到n， 产生x的每一 个整数值；
(2)将其依次代 入到方程中计 算; (3)如果其值使 方程式成立，
则即为其解； 否则不是
则 特定规则，只能求: 机器-自动a计1x2算+a：2x=c 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:
a x b1+a x b2+…+a x bn=c
自动计算
自动计算要解决的几个问题: 表示-存储-执行 “数据”的表示 “计算规则”的表示：程序 数据与计算规则的“自动存储” 计算规则的“自动执行”
a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c
计算思维
学科的发展，知识的膨胀
为什么提出计算思维？ Database & Data
机器计算
知道计算规则，但超出人的计算能力，无法 获得计算结果 人可能无法完成但却可由机器自动完成，借 助于机器获得计算结果 设计一些简单的规则，让机器通过重复执行 来完成计算，也就是使用机器来代替人进行
自动计a1算x1，b1比+如a2圆x2周b2+率…计+算a等nx。nbn=c
例人如“：人计求”算a计x2算与+bv机xs.+“c器=机0计器的”根算计的算 差别人 规进?则行可计能算很：复杂, 但计算量
大学计算机基础与计算思维
西南林业大学 大数据与智能工程学院
第六章 计算与计算思维
本章主要内容
6.1 计算 6.2 计算思维的含义特征、内容 6.3 计算思维的特征 6.4 计算思维
什么是计算？
计算就是基于规则的、符号集的变换过程， 即从一个按照规则组织的符号集合开始，再按照 既定的规则一步步地改变这些符号集合，经过有 限步骤之后得到一个确定的结果。
国内学者/专家的观点
计算思维是人类应具备的第三种思维 实验思维: 实验 观察 发现、推断与总结. ---观察与归纳 理论思维: 假设/预设 定义/性质/定理 证明. ---推理和演绎 计算思维: 设计, 构造 与 计算. ---设计与构造 计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部
– 计算思维是各个专业求解问题的基本途径。
为什么需要计算思维？
计
计算思维/计算能力
算
思
维 知识/技能 计的
算学
Gap
机习
当计前算及 其 通和训练的 机非专 业计用算机
应用 支持 计算 各学 手段 科研 进行 究新新计手非专的算创的型算段计业未能算学来力各科究创机生计学研和新
化学学 科工作 者利用 计算手 段学1诺9进 科9贝8行的年尔 科究化奖学学励研奖给 一个计 算手段 的研究
复杂性；完全超越物理的时空观，符号化； 抽象是在不同的层次上完成的。 自动化：机械地一步一步地自动执行，选择 合适的计算机解释执行问题的抽象。
在哥尼斯堡城的普莱格尔
河上有7座桥，将河中的
两个岛和河岸连结，问能
否一次走遍7座桥，而每
座桥只允许通过一次，最
后仍然回到起始地点。
【案例】毕加索画牛的抽象过程。