计算思维概述

1、计算思维与计算机文化，第一章是计算思维的基础知识。主要内容有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。思考本身让人陶醉。除了给计算机技术带来变革，计算思维还使人们在探索的过程中体验到和谐、对称、完整和简洁等美学属性。科学之美并不亚于艺术之美。1.1科学与科学思维，科学的概念，达尔文，“科学就是要整理事实，发现规律，得出结论。”科学是一个知识系统，它通过使用范畴、定理和定律来反映现实世界中各种现象的本质和运动规律。“科学”来自拉丁语“科学”，意思是“知识和学习”。词源学，1。科学与科学思维。科学分类。广义科学。自然科学：以自然为主要研究对象，

2、运用经验、理性和美学的方法来解释自然的奥秘。人文：以人为主要研究对象，运用实地考察、解读和启蒙的方法，可以了解人、人性和生活的意义，提升人的精神品质和思想境界。社会科学：以社会领域为主要研究对象，通过调查、统计、归纳等方法，把握社会规律，解决社会问题，促进社会进步。科学和狭义的自然科学(有时也称为基础理论科学)、科学思维及其分类1)科学思维是指将通过感性阶段获得的大量材料进行分类和转化，形成概念、判断和推理，从而反映事物的本质和规律。科学思维是大脑对科学信息的处理。科学思维包括以下内容：-思维应该与客观现实相一致-它需要遵循形式逻辑的规律和规则-思维应该具有创新的科学研究方法：-理论研究-实验

3、研究-计算研究理论科学，实验科学和计算科学是促进人类文明进步和科学技术发展的主要途径。1.1科学与科学思维，2)科学思维的分类对应于理论思维、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，以数学为代表。实验思维：也称为经验思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学为代表。计算思维，也称为结构思维，以设计和构造为特征，以计算机科学为代表。计算思维是对思维过程或功能的计算模拟方法论。它的研究目的是提供适当的方法，使人们能够借助现代和未来的计算机逐步实现人工智能的更高目标。诸如模式识别、决策、优化和自动控制等算法都属于计算思维的范畴。这三大思想是人类科学思维方式的内在组成部分。其中

4、，理论思维强调推理，实验思维强调归纳，计算思维希望自动求解。它们以不同的方式促进科学的发展和人类文明的进步。1.1科学与科学思维，检验理论，提出理论，解释结果，制作模型，提出模型，提出实验，数据分析，驱动装置，大规模计算，模型验证，数据生产，解释结果，生产模型，精确计算，验证理论，生产数据等。戴维：没有什么比应用新工具更有利于发现知识了。在不同的时期，人们的表现是不同的，与其说是因为他们的才智，不如说是因为他们的工具和软资源不同。英国化学家汉弗莱戴维是一个著名的人。我们相信，一旦一门学科使用了计算科学，它就会成为一门高级学科。一些研究报告显示，计算可能是人类的一种本能。1.1科学与科学思维，1

5、.2计算思维的概念，1.2计算思维的概念，1。计算思维概念的介绍周定义：计算思维(CT)是利用计算机科学的基本概念来解决问题、设计系统和理解人类行为的一系列思维活动。其目的是训练学生拥有与阅读、写作和算术(3R)相同的计算思维技能，并有意识地将它们应用到日常学习、研究和未来工作中，并像计算机科学家一样思考。周：美国卡耐基梅隆大学前教授。2013年，他担任微软高级副总裁，负责微软研究院的全球核心研究机构和学术合作部门。2006年，对计算思维进行了清晰而系统的阐述，这使得人们对计算思维的概念给予了极大的关注。j.m. wing，“计算思维”，cacmviewpoint，2006年3月，第33-35

6、页。ACM前主席paperoff认为，计算原则可以归纳为七类。计算-计算通信-通信协作-协调记忆-回忆自动化-自动化评估-评估设计-设计，七个原则：计算机科学的功能观点：计算：计算通信的意义和限制：可靠的数据传输协调：网络实体的回忆之间的合作：信息的存储和检索自动化：自动化评估的意义和限制：性能预测和容量规划设计：构建可靠的软件系统，四个核心实践：程序设计系统和系统思维建模，验证，测试和测量创新，邓宁的观点，计算思维的一个例子，例子1:计算A和B的区间积分在高等数学中，牛顿莱布尼茨公式是用来计算积分的，即先求出f(x)的原始函数F(x)，然后再计算F(x)。这个问题不需要黎曼积分的原因是计算量

7、太大。在计算机中，计算积分的方法是用黎曼积分，即把区间A和B分成n等份，然后计算每个小矩形的面积。没有使用牛顿莱布尼茨公式有两个原因：首先，寻找f(x)的原始函数的不同方法是不同的；第二，不是所有的f(x)都能找到原始函数F(x)。a，b，示例2:计算阶乘f(n)=n！在计算机中，采用两种方法：1)递归法：将计算f(n)的问题分解成一个较小的问题f(n-1)，然后将计算f(n-1)的问题分解成一个较小的问题f(n-2)，直到它分解成f(1)=1，然后从f(1)递归生成2)迭代法：f(1)=1，根据f(1)计算f(2)，最后根据f(n-1)计算f(n)。(1)问题：只有一个服务窗口，有三个服务客

8、户，需要的服务时间为C1:12；C2 :5；C3:3 (2)引发思考：如何评价不同的项目，如何决定不同条件下的服务订单？存在不同的到达时间、不同的服务优先级，并且服务被允许被中断。(3)“讨论”服务排队的核心方法：先到先得(FCFS)，短任务优先(SJF)，最短剩余时间优先(SRTF)，优先调度(HPF)，时间片轮换(RR)，示例4包装问题模拟，问题：用尽可能少的盒子包装几个对象#包括主要的(。静态int S1001Scanf(%d，大小写)。信息表示与交流猜谜游戏，图像编码，图像验证资源竞争与评估服务窗口排队问题，包装问题，图书缓存问题，社会关系与网络(自动化)朋友圈形成，群体发现问题分解与

9、递归(设计)二分搜索法猜想数，最大和子序列，盗版战利品，以及美国的计算思维背景。1)鉴于“计算学科的重要性日益增加，学生对计算学科的兴趣下降”，美国国家科学基金会组织计算教育和科学等相关领域的专家在四个地区(东北、中西部、东南和西北)进行讨论。以四份重要报告的形式：国家自然科学基金综合计算教育与研究研讨会(ICER)东北研讨会报告国家自然科学基金中西部地区研讨会关于ICER:为2010年及以后的信息技术毕业生做准备的报告东南地区工作车间关于icer :为2010年及以后的信息技术成绩做准备的报告西北地区会议内容和建议的最终报告上述四份文件分析了美国计算教育中存在的问题。 报告建议在美国国家科学

10、基金会的支持下，全面改革美国的计算机教育。 以下两个问题和一个建议值得我们注意：大学一年级计算机课程的建设；多学科融合；报告建议加强美国中小学生抽象思维和写作能力的训练，使学生顺利过渡到大学学习。21，计算思维在美国出现的背景，2)2007年美国国家科学基金会(NSF)的CPATH(复兴本科生计算教育之路)认为，计算在我们的日常生活中无处不在，培养能够参与全球竞争并掌握未来计算核心概念的美国企业家和员工非常重要。根据CPATH计划，尽管一些研究机构和大学做出了杰出的开创性工作，但目前，美国更多的大学计算教育仍沿用几十年前的教学模式。有鉴于此，美国国家科学基金会在2007年启动了CPATH项目，

11、该项目当年投资600万美元，2008年投资500万美元，2009年投资1000万美元，试图改变这种状况。3)2008年美国国家科学基金会(NSF)的CDI(Cyber-enabled Discovery and Innovation)计划是美国国家科学基金会(National Science Foundation)一项革命性的原创性五年计划，旨在通过“计算思维”领域的创新和进步，促进自然科学和工程技术领域的革命性成就。综合发展倡议计划于2008年启动，当时批准了72个项目，总额为4，200万美元，2009年投资2，600万美元，2010年投资3，600万美元。2010年，九校联盟成立，并发布了

12、C9联盟声明。院士和各种规模和形式的专家进行了讨论，周应邀作了报告。2012年，教育部设立了以计算思维为切入点的“大学计算机课程改革项目”。2013年7月，第二届哈尔滨计算思维大会暨高校计算机课程教学改革研讨会，教育部高校计算机课程指导委员会发布的计算思维教学改革白皮书(征求意见稿)主要内容如下：1 .科学思维与逻辑思维、经验思维和计算思维的关系；2.计算思维的表达系统；3.知识体系与大学计算机课程核心概念的关系：国内关于计算思维的研究；计算思维的本质：抽象和自动化。计算思维的本质反映了计算的根本问题，即什么可以自动有效地进行。计算是抽象的自动化，自动化需要某种计算机来解释现象。从操作层面来说

13、，计算就是如何找到一台计算机来解决问题，选择合适的抽象，选择合适的计算机来解释和执行抽象，而后者就是自动化。计算思维中的抽象完全超越了物理学的时空观，用符号来表示。其中，数字抽象只是一个特例。自动化是机械地逐步自动执行的，其基础和前提是抽象。案例：18世纪著名的古典数学问题：哥尼斯堡的七座桥。2.计算思维的本质。哥尼斯堡市位于东普鲁士，弗里茨普雷格尔河的两岸和河中心的两个岛上。这座城市的所有部分都由七座桥连接起来。多年来，当地居民一直有一个愿望：他们能从家里出去散步，穿过每座桥一次，然后回家吗？但是没有人找到这样一条理想的道路。1736年，瑞士数学家欧拉解决了这个问题，他将陆地抽象为一个点，用

14、连接两点的线段表示桥梁，并将这个问题抽象为点与线之间的连接图的数学问题。实际问题的唯一性是将一个实际问题抽象成一个合适的“数学模型”。这是计算思维中的抽象。3.计算思维的特点(1)计算机思维是人类解决问题的一种方式，属于人类思维模式，而不是计算机思维模式。计算机能解决问题的原因是人们赋予计算机计算思维的概念，这样计算机就能进行迭代和递归等计算。(2)计算思维的过程可以由人或计算机来执行。这些计算器和计算机可以做到，但是人很慢。借助具有超级计算能力的计算机，人类可以解决计算时代之前不敢尝试的问题，实现意想不到和不可能的境界。(3)计算思维是思想，而不是人为的。计算思维不是硬件，而是计算概念被用来解决问题、管理日常生活以及与他人交流和互动的思想。(4)计算思维是概念化的，而不是程序化的。计算机科学不仅仅是计算机编程。像计算机科学家一样思考不仅意味着能够为计算机编程，还意味着能够在多个抽象层次上思考。计算思维的核心概念和方法约简、嵌入、转换和模拟被用来将一个看似困难的问题重新解释为人们知道如何解决问题的思维方法。将代码转换为数据并将数据转换为代码的递归并行方法、多维分析和广义类型检查方法。抽象和分解用于控制复杂的任务或设