计算思维(陈国良)

中国科学院院士陈国良做题为 计算思维 大学计算教育的振兴科学工程研究 的创新 的演讲 以下为演讲实录 以下为演讲实录 各位领导 各位代表 大家早上好 我讲话不习惯坐着 我喜欢到处走 但是因为有 PPT 所以我一会儿站着 一会儿坐着 请大家原谅 今天不算是报告 就算是闲谈吧 谈谈计算思维 我为什么讲这个题目 我想大家在座的都是搞计算的 因为我们是计算机大会 我们的计算机科学跟 计算机学科的现状是什么样的呢 我们计算科学是很伟大的 为什么 因为计 算科学是理论科学 实验科学 被称为推动人类文明进步和科技发展的三大科 学 或者三大手段或者叫三大支柱 注意 计算科学居然有这么高的位置 它 当然是伟大的 但是我们计算机学科 特别是计算机教育 特别是计算机的基 础教育它是有问题的 在社会上 对它存在着误解 在社会上也有不好的形象 甚至我们计算机基础教育的存在性都是有危机的 这就是我们的现状 那么我们作为计算机教育者和改革者 或者是普及者 我们应该怎么办呢 我们应该积极地改变这种局面 要想改变这种局面 这几年都有一些比较大的 术语 面对着我们计算机科学 计算机学科存在的问题 我们要积极行动起来 要纠正社会上对计算机学科的片面理解 要改变计算机学科不需要理论目前只 是工具的社会的不良影响 要扭转计算机学科在现在社会上 特别是计算机基 础教育认为很有可能存在危机感的错误观念 我们要树立计算科学 计算机科 学的研究和在工业革命中的中心位置 我们要传播计算机科学的魅力 这就是 我的关键标语 我们要改变我们现在的情况 所以 我们要提倡计算思维 我们要提倡计 算思维在教育和科学中的作用 我们要把这种思维普适化 大众化 真正融入 到人类的一切活动中 因为计算思维是属于科学思维 所以我现在来进什么叫 科学 什么叫思维 什么叫科学思维 科学思维的重要性 科学思维究竟包含 了什么内容 因为 科学思维包含了理论思维 实验思维和计算思维 所以最 后就引出了我的报告的正题就是计算思维 我的报告的题目是 计算思维 大 学计算教育的振兴科学工程研究的创新 具体怎么讲呢 因为材料很繁杂 所以我把思路告诉大家 我给大家报告 具体的思维是这样 因为主体是讲计算思维 所以我先讲一下计算思维的定义 计算思维的特点 计算思维对其他学科的影响 然后把计算思维在教育界 在 科学研究中 在教育界 我们计算机科学在中国存在一些问题 不单是在中国 在美国也是这样 所以我首先介绍美国的情况 美国的计算机教育存在的问题 也很严重 所以美国首先就有一个 PITAC 报告 而且在美国的学术界 CISE 启 动了 CDI 计划 我最后的结论是要给大家讲讲计算思维的基本情况 现在开始正式讲第一部分 什么是科学 这是概念性的介绍 给科学下一 个定义是比较困难的 但是 我们总得对它有所理解 所以我就把达尔文讲的 东西拿出来 达尔文给科学下过一个定义 科学就是整理事实 从中发现规 律 作出结论 科学包括自然科学 社会科学和思维科学 什么是思维呢 思维是高级的心理活动 是认识的高级形式 思维是人脑对现实事物概括 加 工 揭露本质特征 人脑对信息的处理包括分析 抽象 综合 概括等 因为 思维是跟大脑有关的 那么 科学的重要性是什么呢 我刚才已经跟大家讲了 理论科学 实验 科学和计算科学作为科学发现三大支柱 这种说法被学术界同行广泛应用和赞 同 那么科学思维是什么呢 因为一般的科学是理论科学对应着理论思维 实 验科学对应着实验思维 计算科学对应着计算思维 科学有没有一个基本的意 义呢 科学思维我们没有一个严格的定义 我们是这样理解的 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 国科发财 197 号文 关于创新 方法工作的若干意见 认为科学思维是创新的灵魂 一般科学思维包含三种思维 理论思维 实验思维和计算思维 其中计算 思维就是我今天讲的重点 下面我讲计算思维 计算思维是运用计算机的计算 概念 它的重要性是说计算思维如同我们小孩子入学受到的各种教育 都必须 具备的思维本领 我们不要把这个定义看得很难理解 下面写了一些计算机科 学 计算机教育或者科学工作者经常使用的思维方法 举一些例子告诉大家这 就是计算思维 大家不要把计算思维当成一个全新的概念 抽象的概念 比如 计算思维是通过约简 嵌入 转化和仿真等方法 把一个困难的问题演化成如 何求解它的思维方法 我们把复杂的问题分成两个部分 不行再把每个部分做 分成两部分 一个大问题 一个人做不了 分成很多部分同时去处理 这就是 变性处理 连工人都知道 连小孩都知道 边唱边跳 计算思维是一种通用的 分解方法 来对复杂的任务进行设定 计算思维是以选择一个合适的表述方法 我们搞计算机模拟 搞计算机仿真都属于计算思维 比如目前最流行的海量数 据 我们用海量数据来加快计算 在时间和空间之间进行折中 这也是一种计 算思维 图 讲到这儿 大家对计算思维还不是太理解 所以我觉得周以真是一个非常 好的计算教师 他讲特征并不是我们讲得那么抽象 他讲计算是什么 不是什 么 我觉得这非常好 比如他说计算思维是概念化而不是程序化 计算机科学 不是编计算机编程 像计算机科学家那样去思维 远远不止计算机编程 他说 计算思维是一种根本性的技能 他说计算思维是人的 而不是计算机的思维 计算思维是思想 不是人造品 不只是将我们生产的软硬件等人造物到处呈现 给我们的生活 他又讲了计算思维是工程思维了互补与融合 计算思维面向所有的人 所 有地方 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 人人都应当掌握 处处都会被使用 这就是周以真教授讲的计算思维的 特征 它是什么 它不是什么 下面还有省略号 就是说大家还可以继续补充 它的内容 计算思维不单单是计算机学科所关心的课题 实际上 计算思维对其他学 科有着深远的影响 事实上 我们已经见证了计算思维对其他学科的影响 例 如 计算生物学正在改变着生物学家的思考方式 纳米计算正在改变着化学家 的思考方式 量子计算正在改变着物理学家的思考方式 计算驳议理论正在改 变着经济学家的思考方式 等等 其实由于计算机科学的普及 我们计算机科 学的专业术语现在都已经是口语化 把树倒过来画已经习以为常 什么 非确 定随机算法 垃圾收集 这样的术语都已经司空见惯了 这就说明我们计 算机科学的知识 计算机科学的发展 计算的思维已经自觉 不自觉地深入到 其他学科 而且大家都在使用 而且都习以为常 实际上大家已经接受它了 下面是他举的一些例子 我就不一一再讲了 比如它的对于生物学的影响 他说用计算过程来模拟 比如大大提高的人类基因科学的速度 对脑科学 对 化学 对地质学 对数学 对工程 对经济学 对社会科学 对医疗 对娱乐 还有艺术 体育 教育等等方面 这些都是周以真教授讲的计算思维对其他学 科的影响 现在我们落实到怎么样把计算思维用在我们的教学上 我刚才讲了 我们 的计算机大学的教育 特别是基础教育还有一些问题 而且它的重要性早就在 我们国家明确提出来 大学计算机基础教育的重要性体现在大学通识教育 因 为我们要培养学生的思维能力 要培养学生对学科的精神追求和高尚人格 就 说明 计算机的基础教育占了重要的位置 正是因为这样 国家明确规定把计 算机基础课程是和数学 物理等同地位的基础课程 计算机存在的问题 我一开始就讲了 计算机教育因为英特网的普及 使计算 机科学技术呈现了泛在化 平民化的趋势 计算机的易用性和本身技术的巨大 进步 使很多人质疑大学计算机教育的必要性 很多人将计算机科学等同于计 算机编程 淡化了计算机的科学虚义 削弱了计算机学科的内涵 现在有人说 教计算机就是教学生计算机的工具及其使用方法 就是培训学生怎么使用工具 而且教材都是浓缩版 因为大学计算机基础教育教材里面一开始希望把计算机 学科的基本知识浓缩进来 所以那个教材什么都讲一点 而且计算机学时也被 压缩 这种情况也不单是我们国家 美国也一样 大学第一门计算机课程的学习 过程中 有 35 50 的学生中途放弃 但是 美国看到了以后 美国已经意识到 了这个问题的严重性 并且有积极的措施 首先是计算思维在美国产生的背景 在 2005 年 6 月份 美国总统信息技术咨询委员会有一个报告 叫做 计算科学 确保美国竞争力 二十一世纪科学上最重要的 经济上最有前途的研究前沿 都有可能通过熟练的掌握先进的计算技术和运用计算科学而得到解决 充分强 调了计算科学的重要性 这种认识的不足将危及到美国的科学领导地位 经济 竞争力以及国家的安全 所以报告建议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 我对这句话是非常赞同的 在这个报告出来以后 美国的自然基金委首先就提出了 BPC 计划 这个 BPC 计划是计算机信息与科学技术率先启动了 扩大计算参与面 计划 使更 多人受益 然后在 2007 年启动的 CPATH 计划 促成早就具有基本计算思维能力 的 在全球有竞争力的美国劳动大军 确保美国在全球创新企业的领导地位 展示突破性的 可在多类学生中推广的 以计算思维为核心的本科教育模式 CPATH 计划认为 尽管有的研究机构和大学对计算机教育作出了卓越的 开创性的工作 但是美国目前更多的大学计算机教育仍然沿袭的是几十年前的 教育模式 所以就启动了很多项目 2007 年投入 500 万美元 2008 年投入 500 万美元 等等 这里有资料我就不讲了 图 2011 年度 NSF 启动了 CE21 计划 这个计划是建立在其他计划成功的基础 上 其目的是提高 K 14 中小学和大学一 二年级 老师与学生的计算思维能力 可见 在美国的 CPATH 报告的基础上 这个是国家层面的 然后基金积极响应 先后就启动了 BPC 计划 而且这些计划都是有一系列经费的支持 而且这些计 划也是做得很积极 很普及 大家的热情还是很高的 我们国家怎么样呢 我刚才说了 我们把周以真教授请到中国来以后 他 在清华大学讲在中国怎么开展计算思维的教育 而且我还问了他 你怎么有这 么大的能力 他不会讲中文 因为我们的英文也不太行 交流得也不太充分 反正我知道 大概我知道他的基本含义 他也认为在计算机教育界里面计算思 维和教育在大学里是很重要的 所以我们在这个基础上 我们在国内有积极的 响应 联合中国高等学校计算机基础课程教育指导委员会 从 2010 年 5 月份就 开了一系列的会议 在各种会议上讨论如何培养高素质的研究生人才 计算机 基础课 2010 年 7 月份发表了 九校联盟 C9 计算基础教育发展战略联合声明 2010 年 9 月份在太原会议上决定了将合肥会议和西安会议中有关计算思维的讨 论形成书面材料 2010 年 11 月份在济南会议上 将全国更大氛围内 深入讨 论以计算思维能力为核心的基础课程教学改革 2011 年 6 月在北京举行了会议 规模越来越大 我们原来只是基础教学指导委员会主任委员 副主任委员等参 会 然后在计算科学基础论坛的时候人就越来越多 大家非常踊跃 积极参与 大家一致表示 计算机基础科学要改革 迫切希望抛出一个方案 得出一个样 本 让大家都来行动 然后 2011 年 8 月份我们正式开始在深圳立项 11 月份 在杭州召开的计算机基础课程教育指导委员会 7 次工作会议 我们写了三个立 项报告 最后向教育部 科技部 国家自然基金委提交正式申请报告 计算思维课程在部分中国高校中正式开始实践 首先是 2010 年秋季 在上 海交通大学 2011 年春季在南方科技大学 我讲了计算思维 讲了一学期 2011 年春季 在西安交通大学同时开了三个班 非常积极 2011 年秋季 在深 圳大学还在继续开 下面还有很多大学 哈尔滨工业大学等等 大家都在对计 算机基础课程进行改革 大学基础课的改革大家都迫切需要 有没有一个教材 有没有一个教学大 纲 有没有一个总体的框架 我根据大家的讨论以及对计算思维的理解 以及 参照国外计算思维课程内容的设置 我大概把这门课定成一个基本框架 因为 计算思维要利用计算机的概念去解决问题 设计系统吗 涉及到什么基础知识 呢 是涉及到什么计算基础知识呢 所以我现在是这样想的 如果要用计算手 段求解一个问题 首先就应该问这个问题能不能够用计算的手段去解决 这是 什么问题 这是可计算性问题 哪怕这个计算多复杂 这是计算复杂性的问题 如果回答了这个问题 这个问题能够用计算去解释 可计算的 那么我们怎么 样去实现它呢 那么你就要通过计算语言把它表达出来之后 最后要在计算机 上进行修剪 在这个图片上有 我就不跟大家做介绍了 图 我们作为大学计算机第一门入门课 不管什么专业 有物理 化学 生物 艺术 都得学这门课 学什么内容 这里面就牵涉到语言课的选择 我们是这 样考虑的 对面向非计算机专业怎么选呢 我们用语言是为了表达算法 我们 不提倡大学一年级第一门课非计算机专业就在计算机上用这个语言 花了很多 时间 我们是提倡用纸和铅笔来求解计算机科学 所以从这个意义上来讲 采 用描述性语言就够了 这就是我们一个很基本的观点 这个观点如果有不同意 见的 我们可以再讨论 我这里只是一个框架 这不是推荐的模式也不是最优 的模式 只是我就是这样做的 供大家参考 我相信 从事计算机基础课的老 师们他们有丰富的教学经验 演讲时间已经超过了 来讲结论 科学思维是一切科学研究和技术发展的 创新灵魂 科学思维一般包括推理思维 实证思维和计算思维 计算思维不仅 能振兴大学计算教育 而且会令科学与工程领域创造出革命性的研究成果 计 算思维改变大学计算机信息仍然沿袭几十年的教学模式 是大学计算教育振兴 的途径 培养造就具有计算思维能力的 训练有素的科技人才 劳动