計算思維與互聯(lián)網(wǎng)思維

1、1.4 計算思維和互聯(lián)網(wǎng)思維計算思維和互聯(lián)網(wǎng)思維（1）計算思維）計算思維（2）互聯(lián)網(wǎng)思維）互聯(lián)網(wǎng)思維支持各學科支持各學科研究創(chuàng)新的研究創(chuàng)新的新型計算手新型計算手段段Gap計算思維計算思維/計算能力計算能力計算機及計算機及其通用計其通用計算手段的算手段的應用應用當前的非計算機專業(yè)計當前的非計算機專業(yè)計算機關注點算機關注點應用計算應用計算手段進行手段進行各學科研各學科研究和創(chuàng)新究和創(chuàng)新非計算機專業(yè)學生的非計算機專業(yè)學生的未來計算能力未來計算能力知識知識/技能技能計算思維計算思維的學習和的學習和訓練訓練1998年諾貝爾化年諾貝爾化學獎獎勵給一個計學獎獎勵給一個計算手段的研究者算手段的研究者- Joh

2、n Pople化學學科工作者利化學學科工作者利用計算手段進行學用計算手段進行學科的科學研究科的科學研究各學科人才的計算思維/計算能力需求計算思維計算思維“看山是山，看水是水看山是山，看水是水”“昨夜西風凋碧樹，獨上高樓，望盡天涯路昨夜西風凋碧樹，獨上高樓，望盡天涯路”“看山不是山，看水不是水看山不是山，看水不是水”“衣帶漸寬終不悔，為伊銷得人憔悴衣帶漸寬終不悔，為伊銷得人憔悴”“看山還是山，看水還是水看山還是山，看水還是水”“眾里尋她千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處眾里尋她千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”From 王國維王國維“人間詞話人間詞話”關于關于“境界境界”的闡述的闡述貫通，

3、看得遠，貫通，看得遠，才能認識準確才能認識準確浮想聯(lián)翩，由此浮想聯(lián)翩，由此及彼，才能發(fā)現(xiàn)及彼，才能發(fā)現(xiàn)不斷訓練，不斷理解，才能不斷訓練，不斷理解，才能找出本質(zhì)，才能創(chuàng)新找出本質(zhì)，才能創(chuàng)新聯(lián)想與貫通聯(lián)想與貫通訓練與實踐訓練與實踐概念與知識概念與知識l“計算機計算機”的思維的思維: 計算機是如何工作的計算機是如何工作的? 計算機的功能是如何越來越強大的計算機的功能是如何越來越強大的?l利用計算機的思維利用計算機的思維: 現(xiàn)實世界的各種事物如何利用計算機來進行控制和處理現(xiàn)實世界的各種事物如何利用計算機來進行控制和處理? u計算思維計算思維(Computational Thinking)是運用計算機科

4、學的基礎概念去求解問題、設計是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為，其本質(zhì)是抽象和自動化系統(tǒng)和理解人類行為，其本質(zhì)是抽象和自動化-from 周以真。周以真。計算思維計算思維思維是創(chuàng)新的源頭，技術(shù)與知識是創(chuàng)新的支撐思維是創(chuàng)新的源頭，技術(shù)與知識是創(chuàng)新的支撐計算思維計算思維-本門課程學習需要注意的本門課程學習需要注意的知識知識 vs. 貫通知識的思維貫通知識的思維計算思維計算思維知識知識計算思維計算思維思維思維(Thought/Thinking)能力能力(Ability & Capability)知識知識/技能技能(Technique/Skill)知識與視野拓展知識與視

5、野拓展Knowledge Expansion視野：視野：寬度寬度-知識面寬，前沿性知識面寬，前沿性深度深度-貫通性，深入性貫通性，深入性技能：練習，練習，技能：練習，練習， 思維：好奇、思考、聯(lián)想、貫通思維：好奇、思考、聯(lián)想、貫通訓練與掌握訓練與掌握Training啟發(fā)與理解啟發(fā)與理解Understanding打通知識脈絡，打通知識脈絡，融貫各門課程，融貫各門課程，內(nèi)功強化基礎，內(nèi)功強化基礎，外功靈活應變。外功靈活應變。能力能力-內(nèi)功內(nèi)功(貫通的脈絡貫通的脈絡)實踐實踐-鍛煉鍛煉,使脈絡貫通使脈絡貫通思維思維-脈絡脈絡(穴位鏈穴位鏈)知識知識-穴位穴位知識知識 vs. 思維思維 vs. 能力能

6、力計算思維計算思維SystemsTheoryAIComp. Bio.Geometric Comp.GraphicsHCI：Human Computer InteractionDistributed SystemsService ComputingHardwareRoboticsDatabase & Data miningMachine LearningNatural LanguageComp. EconomicsNetworkingSecurityAlgorithmsArtEconomicsBiologyLinguisticsStatisticsSociology & Serv

7、iceologyDesignPsychologyElectricalEngineering學科的發(fā)展，知識的膨脹計算思維計算思維計算思維，計算的偉大原理計算思維計算思維uComputational Thinkingfrom CMU，周以真（，周以真（Jeannette M. Wing），），Communications of ACM, Vol.49, No.3, March 2006, Pages 33-35 uComputational thinking is a way of solving problems, designing systems, and understanding hu

8、man behavior that draws on concepts fundamental to computer science.uComputational thinking will be a fundamental skill used by everyone in the world by the middle of the 21st Century. Just like reading, writing, and arithmetic. Imagine every person knowing how to think like a computer scientist!Com

9、putational thinking is not just for other scientists, its for everyone.Thinking like a computer scientist means more than being able to program a computer u計算思維計算思維的本質(zhì)就是的本質(zhì)就是抽象抽象(Abstraction)與與自動化自動化(Automation)，即在，即在不同不同層面層面進行抽象，以及將這些抽象進行抽象，以及將這些抽象“機器化機器化”。計算思維計算思維n計算思維是人類應具備的第三種思維計算思維是人類應具備的第三種思維實

10、驗思維實驗思維: 實驗實驗 觀察觀察 發(fā)現(xiàn)、推斷與總結(jié)發(fā)現(xiàn)、推斷與總結(jié). -觀察與歸納觀察與歸納理論思維理論思維: 假設假設/預設預設 定義定義/性質(zhì)性質(zhì)/定理定理 證明證明. -推理和演繹推理和演繹計算思維計算思維: 設計設計, 構(gòu)造構(gòu)造 與與 計算計算. -設計與構(gòu)造設計與構(gòu)造計算思維關注的是人類思維中有關可行性、可構(gòu)造性和可評價性的部分計算思維關注的是人類思維中有關可行性、可構(gòu)造性和可評價性的部分 當前環(huán)境下，理論與實驗手段在面臨大規(guī)模數(shù)據(jù)的情況下，不可避免地要用當前環(huán)境下，理論與實驗手段在面臨大規(guī)模數(shù)據(jù)的情況下，不可避免地要用計算手段來輔助進行。計算手段來輔助進行。國內(nèi)學者/專家的觀點

11、計算思維計算思維計算之樹的第一個維度計算技術(shù)的奠基性思維計算思維計算思維n“0 和和 1”思維思維-符號化符號化計算化計算化自動化自動化 0和和1是實現(xiàn)任何計算的基礎；社會是實現(xiàn)任何計算的基礎；社會/自然與計算融合的基本手段；自然與計算融合的基本手段； 0和和1是是連接硬件與軟件的紐帶；連接硬件與軟件的紐帶；0/1是最基本的抽象與自動化機制。是最基本的抽象與自動化機制。 n“程序程序”思維思維-千變?nèi)f化復雜功能的構(gòu)造、表達與執(zhí)行千變?nèi)f化復雜功能的構(gòu)造、表達與執(zhí)行 程序是基本動作程序是基本動作(指令指令)的各種組合，是控制計算系統(tǒng)的基本手段的各種組合，是控制計算系統(tǒng)的基本手段n“遞歸遞歸”思維思

12、維-無限事物及重復過程的表達與執(zhí)行方法無限事物及重復過程的表達與執(zhí)行方法遞歸是最典型的構(gòu)造程序的手段；遞歸函數(shù)是可計算函數(shù)的精確的數(shù)學遞歸是最典型的構(gòu)造程序的手段；遞歸函數(shù)是可計算函數(shù)的精確的數(shù)學描述；遞歸函數(shù)是研究計算學科理論問題的基礎描述；遞歸函數(shù)是研究計算學科理論問題的基礎計算之樹的第一個維度計算技術(shù)的奠基性思維計算思維計算思維云計算云計算環(huán)境環(huán)境計算之樹的第二個維度通用計算環(huán)境的進化思維計算思維計算思維個人計算機個人計算機馮馮.諾依曼諾依曼計算機計算機云計算云計算環(huán)境環(huán)境并行分布并行分布計算環(huán)境計算環(huán)境The tools we use have a profound influence

13、 on our thinking habits, and therefore, on our thinking abilities.-from Edsger Dijkstra, 1972 Turing Awards receiver.通用計算環(huán)境的進化思維計算思維計算思維算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)云計算云計算環(huán)境環(huán)境計算之樹的第三個維度交替促進與共同進化的問題求解思維計算思維計算思維算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)云計算云計算環(huán)境環(huán)境計算之樹的第三個維度交替促進與共同進化的問題求解思維n“算法算法”：問題求解的一種手段：問題求解的一種手段構(gòu)造與設計算法構(gòu)造與設計算法n算法是計算的靈魂；算法強調(diào)數(shù)學建模；算法考慮的是可計

14、算性與計算復算法是計算的靈魂；算法強調(diào)數(shù)學建模；算法考慮的是可計算性與計算復雜性；算法研究通常被認為是計算學科的理論研究。雜性；算法研究通常被認為是計算學科的理論研究。n“系統(tǒng)系統(tǒng)”：問題求解的另一種手段：問題求解的另一種手段構(gòu)造與設計系統(tǒng)構(gòu)造與設計系統(tǒng) 系統(tǒng)是改造自然的手段；系統(tǒng)還強調(diào)非數(shù)學建模；系統(tǒng)考慮的是如何化系統(tǒng)是改造自然的手段；系統(tǒng)還強調(diào)非數(shù)學建模；系統(tǒng)考慮的是如何化復雜為簡單復雜為簡單(使其能夠被做出來使其能夠被做出來)；系統(tǒng)還強調(diào)結(jié)構(gòu)性、可靠性、安全性等。；系統(tǒng)還強調(diào)結(jié)構(gòu)性、可靠性、安全性等。系統(tǒng)是龍，算法是睛，畫龍要點睛。系統(tǒng)是龍，算法是睛，畫龍要點睛。計算思維計算思維云計算云

15、計算環(huán)境環(huán)境算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)量子計算量子計算/光子計算光子計算移動計算移動計算生物計算生物計算計算生物學計算生物學計算物理學計算物理學計算化學計算化學計算經(jīng)濟學計算經(jīng)濟學計算統(tǒng)計學計算統(tǒng)計學計算金融學計算金融學企業(yè)計算企業(yè)計算計算工程學計算工程學服服務計算務計算云計算云計算社會計算社會計算計算廣告學計算廣告學媒體計算媒體計算納米計納米計算算智能計算智能計算計算語言學計算語言學神經(jīng)計算神經(jīng)計算計算之樹的第四個維度計算與社會/自然環(huán)境的融合思維計算思維計算思維云計算云計算環(huán)境環(huán)境算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)自然現(xiàn)象的計算的表達與推演社會社會/自然自然的計算化的計算化抽象抽象用社會/自然所接受的形式體現(xiàn)計算及結(jié)

16、果計算計算/求解求解的自然化的自然化自動化自動化量子計算量子計算/光子計算光子計算移動計算移動計算生物計算生物計算計算生物學計算生物學計算物理學計算物理學計算化學計算化學計算經(jīng)濟學計算經(jīng)濟學計算統(tǒng)計學計算統(tǒng)計學計算金融學計算金融學企業(yè)計算企業(yè)計算計算工程學計算工程學服服務計算務計算云計算云計算社會計算社會計算計算廣告學計算廣告學媒體計算媒體計算納米計納米計算算智能計算智能計算計算語言學計算語言學神經(jīng)計算神經(jīng)計算計算思維計算思維云計算云計算環(huán)境環(huán)境算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)量子計算量子計算/光子計算光子計算移動計算移動計算生物計算生物計算計算生物學計算生物學計算物理學計算物理學計算化學計算化學計算經(jīng)濟學計

17、算經(jīng)濟學計算統(tǒng)計學計算統(tǒng)計學計算金融學計算金融學企業(yè)計算企業(yè)計算計算工程學計算工程學服服務計算務計算云計算云計算社會計算社會計算計算廣告學計算廣告學媒體計算媒體計算納米計納米計算算智能計算智能計算計算語言學計算語言學神經(jīng)計算神經(jīng)計算自然現(xiàn)象的計算的表達與推演社會社會/自然自然的計算化的計算化抽象抽象用社會/自然所接受的形式體現(xiàn)計算及結(jié)果計算計算/求解求解的自然化的自然化自動化自動化模型模型語言語言協(xié)議協(xié)議系統(tǒng)系統(tǒng)編譯器編譯器編解編解碼器碼器業(yè)務業(yè)務-計算計算人人-計算機計算機機機-機，物機，物-物物計算思維計算思維云計算云計算環(huán)境環(huán)境算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)局域網(wǎng)局域網(wǎng)/廣廣域網(wǎng)：機域網(wǎng)：機器網(wǎng)絡器網(wǎng)

18、絡互聯(lián)網(wǎng)：互聯(lián)網(wǎng)：信息網(wǎng)絡信息網(wǎng)絡/廣義資源廣義資源網(wǎng)絡網(wǎng)絡物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng);知識網(wǎng)知識網(wǎng);服務網(wǎng)服務網(wǎng);社會網(wǎng)社會網(wǎng)事務管理事務管理與數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)聚集數(shù)據(jù)聚集與大數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)量子計算量子計算/光子計算光子計算移動計算移動計算生物計算生物計算計算生物學計算生物學計算物理學計算物理學計算化學計算化學計算經(jīng)濟學計算經(jīng)濟學計算統(tǒng)計學計算統(tǒng)計學計算金融學計算金融學企業(yè)計算企業(yè)計算計算工程學計算工程學服服務計算務計算云計算云計算社會計算社會計算計算廣告學計算廣告學媒體計算媒體計算納米計納米計算算智能計算智能計算計算語言學計算語言學神經(jīng)計算神經(jīng)計算計算之樹的第五和第六

19、個維度網(wǎng)絡化思維和數(shù)據(jù)化思維計算思維計算思維云計算云計算環(huán)境環(huán)境算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)社會社會/自然自然的計算化的計算化計算計算/求解求解的自然化的自然化自然現(xiàn)象的計算的表達與推演用社會/自然所接受的形式體現(xiàn)計算及結(jié)果局域網(wǎng)局域網(wǎng)/廣廣域網(wǎng)：機域網(wǎng)：機器網(wǎng)絡器網(wǎng)絡互聯(lián)網(wǎng)：互聯(lián)網(wǎng)：信息網(wǎng)絡信息網(wǎng)絡/廣義資源廣義資源網(wǎng)絡網(wǎng)絡物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng);知識網(wǎng)知識網(wǎng);服務網(wǎng)服務網(wǎng);社會網(wǎng)社會網(wǎng)抽象抽象自動化自動化事務管理事務管理與數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)聚集數(shù)據(jù)聚集與大數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)量子計算量子計算/光子計算光子計算移動計算移動計算生物計算生物計算計算生物學計算生物學計算物理學計算物理學計算

20、化學計算化學計算經(jīng)濟學計算經(jīng)濟學計算統(tǒng)計學計算統(tǒng)計學計算金融學計算金融學企業(yè)計算企業(yè)計算計算工程學計算工程學服服務計算務計算云計算云計算社會計算社會計算計算廣告學計算廣告學媒體計算媒體計算納米計納米計算算智能計算智能計算計算語言學計算語言學神經(jīng)計算神經(jīng)計算計算機計算機計算機科學計算機科學計算科學計算科學計算思維計算思維u計算思維的學習方法計算思維的學習方法（1） “知識知識/術(shù)語術(shù)語”隨著隨著“思維思維”的學習而展開，的學習而展開，“思維思維”隨著隨著“知識知識”的貫通而形的貫通而形成，成，“能力能力”隨著隨著“思維思維”的理解而提高。的理解而提高。（2）從問題分析著手，強化如何進行抽象，如何將現(xiàn)實問題抽象為一個數(shù)學問題或者從問題分析著手，強化如何進行抽象，如何將現(xiàn)實問題抽象為一個數(shù)學問題或者一個形式化問題，提高問題表述及問題求解的嚴謹性。一個形式化問題，提高問題表述及問題求解的嚴謹性。（3）通過圖示化方法來展現(xiàn)復雜的思