计算机科学导论-计算思维程序实践 课件 扩展第1、2讲-计算与社会、大学计算思维教育空间-计算之树

扩展第1讲计算与社会哈尔滨工业大学计算学部教学委员会主任国家教学名师战德臣计算与社会变革计算的发展与社会计算与学科与各行业计算与学生未来本讲讲什么内容提要第一次工业革命第二次工业革命第三次工业革命第四次工业革命第一次信息技术革命第二次信息技术革命计算与工业革命信息工业：新一轮大国竞争的焦点计算引发的个人改变吃-穿-住-行-用-工作-娱乐软件正在占领全世界from马克.安德森--前Netscape公司创始人计算引发的社会变革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计算引发的科研变革计算科学与信息探索科学已成为科学创新的重要方面世界上最小台式电脑----如同拇指大小智能手机

可嵌入、可携带计算微型化与社会人体芯片人体芯片IBM-BlueGene(蓝色基因):MilestoneofanIntelligentMachineAmassivelyparallelsupercomputerusingtensofthousandsofembeddedPowerPCprocessorssupportingalargememoryspaceWithstandardcompilersandmessagepassingenvironment

大规模、复杂计算计算大型化与社会InternetofServicesInternetofNetworksInternetofThingsInternetof3DWorldsForpeopleandenterprises“未来互联网”-FutureInternet机-机相联，物-物相联，物-人相联，人-人相联，人-机-物互联人-机-物互联的世界计算网络化与社会理解自然语言，具有自适应性，自主完成复杂功能计算智能化与社会IBM：SmartPlanetInstrumentedInterconnectIntelligent计算技术的发展促进了计算与社会/自然的深度融合冯.诺依曼计算机云计算环境并行分布计算环境复杂系统，（技术与应用）双轮驱动，交叉融合计算与社会/自然融合环境计算与各行各业高端机械机械的“计算/自动控制”部件数字化

计算化/自动化

智能化互联网+高端机械(群)计算+：数字数据采集与控制互联网+：互联互通互控数据+：数据分析与应用机械材料化工数理制造医学计算机+(计算思维)(系统能力)(智能机械)(智能制造)(计算数理)(材料计算)(计算化学)（智能化工）(智慧医疗)社会学/经济学(计算社会学/计算经济学)文学/艺术(数字艺术/计算人文)电器/仪器(智能电器/智能仪器)管理(管理信息系统)建筑/能源(智能建筑/智慧能源)交通/市政(智能交通/智慧城市)新工科的内涵之一核心思维之一是计算思维核心能力之一是系统能力

需要计算思维与系统能力，而不仅仅是应用计算机。各学科+计算机与“计算机+”深度融合

各学科的高端研究：

计算化/自动化

网络化

智能化

新工科：国家战略计算机+各学科计算+、互联网+、大数据

信息+、（人工）智能+

计算(机)与社会/自然(各学科)深度融合计算与学科计算+、互联网+、大数据、人工智能+当现实世界的领导者融合了计算思维以后…真实世界复杂系统(包括人系统)分工：独立管理分工：独立管理分工：独立管理合作-协同：联合管理如何理解复杂系统，如何求解复杂系统？分工-合作-协同化复杂为简单操作系统—不仅仅是应用领导者/总控：完成宏观任务的各种资源协调者

复杂任务：分工-合作-协同资源体系：不同性能资源的组合运用资源管理：化整为零与还零为整-效率资源调度：分时-并行-分布现实世界：领导者操作系统：完成大(宏观)任务的计算资源协调者

程序执行：分工-合作-协同存储体系：不同性能资源的组合运用

磁盘管理/网络传输：化整为零与还零为整-效率CPU调度：分时-并行-分布互联网世界：管理者与执行者【示例】以计算系统的计算思维，训练学生的管理思维和领导思维计算与未来的领导者专业密切相关专业相关跨各专业从学生发展角度：计算思维对各学科学生未来创新都将会产生重要影响设计/构造…计算/仿真系统应用…计算/仿真系统进行学科问题研究未来能做出未来能应用毕业生新生1st迭代2nd迭代3rd迭代要素层面理解计算系统思维层面理解计算系统设计与构造计算系统1st迭代2nd迭代理论与方法层面理解计算思维层面理解计算系统【大学计算机-计算思维导论/计算思维与计算系统导论】【计算科学】各学科计算系统/工具【计算概论/计算机科学导论/计算机类专业导论】机器结构/计算机系统、软件构造、算法与数据结构等本学科计算系统/工具计算与学生未来复杂性思维教学是一种挑战，计算思维是一种高阶复杂性思维技能，是复杂性思维能力培养的重要支撑，强调计算思维教育，可以帮助学习者解读真实世界的系统并解决全球范围的复杂问题。

From2015地平线报告。

计算思维是新时代人才应具备的11种思维能力之一。制造、发现、人际交往技能、个体技能与态度、创造性思维、系统性思维、批判与元认知、分析性思维、计算思维、实验性思维及人本主义思维。FromMIT.诺贝尔化学奖：1998年和2013年两度授予计算工具的研究者说明计算思维与各学科融合创新的重要性。J.A.Pople把计算机应用于量子化学，设计了一套基函数程序，并把计算方法从描述比较简单的平衡状态的分子的电子结构推广到对化学反应途径和过渡态的研究，使全世界的量子化学工作者都在用他的程序研究化学问题。2013年，马丁·卡普拉斯、迈克尔·莱维特和阿里耶·瓦谢勒，因开发多尺度复杂化学系统模型及其计算工具所做的贡献而获得诺贝尔化学奖。国家推行了一系列信息技术引领的行动计划，如【互联网+行动计划】、【新一代人工智能发展规划】等，其关键和基础是要培养一批具有“互联网+”思维、“大数据”思维、“人工智能”思维的人才。“思维有多远，就能走多远”，思维是创新的源头。国家层面/社会层面对计算思维的重视？未来需要拥有计算思维结论：计算思维很重要！要学习并掌握计算思维！扩展第2讲大学计算思维教育空间—计算之树?战德臣哈尔滨工业大学计算学部教学委员会主任国家教学名师从计算之树看大学计算思维教育空间递归程序0和1树根：奠基性思维递归程序0和1“0和1”思维--符号化

计算化

自动化

0和1是实现任何计算的基础；社会/自然与计算融合的基本手段；0和1是连接硬件与软件的纽带；0/1是最基本的抽象与自动化机制。“程序”思维--千变万化复杂功能的构造、表达与执行计算机是能够执行程序的软件或硬件程序是基本动作(指令)的各种组合，是控制计算系统的基本手段“递归”思维--无限事物及重复过程的表达与执行方法递归是最典型的构造程序的手段，是可以表达让机器大量重复动作的构造手段；递归函数是可计算函数的精确的数学描述；递归函数是研究计算学科理论问题的基础树根：奠基性思维递归程序0和1云计算环境并行分布环境个人计算环境冯.诺依曼机树干：通用计算环境演变递归程序0和1云计算环境并行分布环境个人计算环境冯.诺依曼机树干：通用计算环境演变个人计算机冯.诺依曼计算机云计算环境并行分布计算环境思维的变化

计算环境的变化

思维的进一步变化看似不可能，其实很可能递归程序0和1云计算环境并行分布环境个人计算环境冯.诺依曼机算法系统两色树枝：问题求解的两种手段-算法与系统递归程序0和1云计算环境并行分布环境个人计算环境冯.诺依曼机算法系统两色树枝：问题求解的两种手段-算法与系统“算法”：问题求解的一种手段—构造与设计算法算法是计算的灵魂；算法强调数学建模；算法考虑的是可计算性与计算复杂性；算法研究通常被认为是计算学科的理论研究。“系统”：问题求解的另一种手段—构造与设计系统系统是改造自然的手段；系统还强调非数学建模；系统考虑的是如何化复杂为简单(使其能够被做出来)；系统还强调结构性、可靠性、安全性等。系统是龙，算法是睛，画龙要点睛。递归程序0和1云计算环境并行分布环境个人计算环境冯.诺依曼机算法系统社会/自然的计算化计算/求解的自然化抽象量子计算/光子计算移动计算生物计算计算生物学计算物理学计算化学计算经济学计算统计学计算金融学企业计算计算工程学服务计算云计算社会计算计算广告学媒体计算纳米计算智能计算计算语言学神经计算自然现象的计算的表达与推演用社会/自然所接受的形式体现计算及结果自动化各树枝：计算与社会/自然的融合递归程序0和1云计算环境并行分布环境个人计算环境冯.诺依曼机算法系统社会/自然的计算化计算/求解的自然化抽象量子计算/光子计算移动计算生物计算计算生物学计算物理学计算化学计算经济学计算统计学计算金融学企业计算计算工程学服务计算云计算社会计算计算广告学媒体计算纳米计算智能计算计算语言学神经计算自然现象的计算的表达与推演用社会/自然所接受的形式体现计算及结果自动化模型语言协议系统编译器编解码器业务-计算人-计算机机-机，物-物三个层面的融合机制-抽象与自动化递归程序0和1云计算环境并行分布环境个人计算环境冯.诺依曼机算法系统社会/自然的计算化计算/求解的自然化抽象量子计算/光子计算移动计算生物计算计算生物学计算物理学计算化学计算经济学计算统计学计算金融学企业计算计算工程学服务计算云计算社会计算计算广告学媒体计算纳米计算智能计算计算语言学神经计算自然现象的计算的表达与推演用社会/自然所接受的形式体现计算及结果自动化模型语言协议系统编译器编解码器业务-计算人-计算机机-机，物-物局域网/广域网：机器网络互联网：信息网络/广义资源网络物联网;知识网;服务网;社会网网络化网络化思维递归程序0和1云计算环境并行分布环境个人计算环境冯.诺依曼机算法系统社会/自然的计算化计算/求解的自然化抽象量子计算/光子计算移动计算生物计算计算生物学计算物理学计算化学计算经济学计算统计学计算金融学企业计算计算工程学服务计算云计算社会计算计算广告学媒体计算纳米计算智能计算计算语言学神经计算自然现象的计算的表达与推演用社会/自然所接受的形式体现计算及结果自动化模型语言协议系统编译器编解码器业务-计算人-计算机机-机，物-物局域网/广域网：机器网络互联网：信息网络/广义资源网络物联网;知识网;服务网;社会网网络化事务管理与数据库数据分析与数据仓库数据聚集与大数据数据化数据化思维智能化思维递归程序0和1云计算环境并行分布环境个人计算环境冯.诺依曼机算法系统社会/自然的计算化计算/求解的自然化抽象量子计算/光子计算移动计算生物计算计算生物学计算物理学计算化学计算经济学计算统计学计算金融学企业计算计算工程学服务计算云计算社会计算计算广告学媒体计算纳米计