計算思維操作性定義課件

計算思維操作性定義李波boble.cbobbleee計算機教學實驗中心高效能建模與仿真研究小組西安交通大學2012年11月計算思維操作性定義匯報提綱緣與使命對計算本質認識的變革計算思維主要定義對問題求解的認識引起對計算機教學的再認識計算機學科的本質特點計算思維操作性定義計算思維操作性定義緣與使命圖靈誕生100周年龍女計算思維西安首屆1912年6月23日生于倫敦計算思維操作性定義

DragonLadyIn1983,IwenttoChinafortwomonthswithaChinese-Americanstudenttourgroup.WespenttwoweeksinXi'an,wherewewereeachhandedasword,andeverymorningwehadtowakeupat5o'clockandweweresupposedtolearnthissworddance.Ireallytooktoit.Tome,itwaslikeballet.DoingaChinesesworddance,whichIlearnedinXi'an,China計算思維操作性定義緣與使命圖靈誕生100周年龍女計算思維西安首屆使命傳承計算文化弘揚計算之美培養(yǎng)計算思維計算思維操作性定義匯報提綱緣與使命對計算本質認識的變革計算思維主要定義對問題求解的認識引起對計算機教學的再認識計算機學科的本質特點計算思維操作性定義計算思維操作性定義PeterJ.DenningCOMMUNICATIONSOFTHEACMJuly2007/Vol.50,No.7計算思維操作性定義對計算本質認知的變革階段11940s工具階段21980s方法階段32000s基本過程電子數字計算機時代Computation

wasseenasatoolforsolvingequations,crackingcodes,analyzingdata,managingbusinessprocesses,runningsimulations,andsolvingmodels.Computationsoonestablisheditselfasapowerfultoolthatmadeformerlyintractableanalysestractable.Ittookmanytechnologiestonewheights,suchasatomicenergy,

advancedaircraftandshipdesign,drugdesign,structuralanalysesofbuildings,andweatherprediction.計算思維操作性定義對計算本質認知的變革階段11940s工具階段21980s方法階段32000s基本過程Computationhadadvancedfromatooltoexploitexistingknowledgetoameansofdiscoveringnewknowledge.NobelPhysicsLaureateKenWilsonwasamongthefirsttosaythatcomputationhadbecomeathirdlegofscience,joiningthetraditionsoftheoryandexperiment.Heandotherscoinedtheterm“computationalscience”torefertothesearchfornewdiscoveriesusingcomputationasthemainmethod.計算思維操作性定義階段11940s工具階段21980s方法階段32000s基本過程Scientistsfrommanyfieldsweresayingtheyhaddiscoveredinformationprocessesinthedeepstructuresoftheirfields.BiologyNobelLaureateandCaltechPresidentDavidBaltimore“Biologyistodayaninformationscience.Theoutputofthesystem,themechanicsoflife,areencodedinadigitalmediumandreadoutbyaseriesofreadingheads.Biologyisnolongersolelytheprovinceofthesmalllaboratory.Contributionscomefrommanydirections.”(TheInvisibleFuture,Wiley,2001,p.45.)對計算本質認知的變革計算思維操作性定義Naturalinformationprocesses.:naturelongagolearnedhowtoencodeinformationaboutorganismsinDNAandthentogenerateneworganismsfromDNAthroughitsown

computationalmethods.PhysicsPhysicistssaidthatquantumwavescarryinformationthatgeneratesphysicaleffects.Theyhavemadesignificantadvanceswithquantumcomputationandquantumcryptography.NobelLaureateRichardFeynmanbecamefamousforshowingthatquantumelectrodynamics(QED)wasnature’scomputationalmethodforcombiningquantumparticleinteractions.InhisbookANewKindofScience(2002),StephenWolframproclaimedthatnatureiswritteninthelanguageofcomputation,challengingGalileo’sclaimthatitiswritteninmathematics.JeanetteWinghasconcludedthatcomputationalconceptsaredeeplyembeddedintoeverydaythinkinginmanyfields.Computationiseverywhere.計算思維操作性定義相關學科發(fā)展背景

計算思維操作性定義中國至2050年信息科技發(fā)展路線圖發(fā)展泛在的信息科學技術，構建泛在的信息網絡，重點圍繞無處不在的網絡信息技術應用，信息基礎設施升級換代，信息器件、設備與軟件的變革性突破，新信息科學與前沿交叉科學等四個層次進行戰(zhàn)略安排。計算思維操作性定義2020年前后突破低成本器件和系統(tǒng)設計技術，物理世界的新型感知機理、語義檢索和分析技術等。發(fā)展可擴展、高可信的下一代互聯網和自組織的無線傳感網絡，積極推進三網融合。按照延續(xù)、擴展和跨越摩爾定律三條途徑發(fā)展微電子技術和新型信息器件，突破多核芯片設計、片上光互聯和片上大規(guī)模光計算、艾級（1018）超級計算技術等。突破網絡科學、分布式交互算法設計理論、大規(guī)模工業(yè)軟件、自然的人機界面、蛋白質結構預測等；構建“平行社會”系統(tǒng)。計算思維操作性定義2035年前后突破網絡信息理論、網絡算法理論、網絡計算模型等。建立可持續(xù)網絡服務體系，突破低功耗芯片和系統(tǒng)設計、實用的知識本體與知識網格技術等。實現超越TCP/IP的未來網絡和具有感知與認知能力的無線通信系統(tǒng)，突破分組交換的全光網絡技術等。突破納米、量子等變革性器件和電路技術，實現澤級（1021）超級計算，軟件開發(fā)成本平均每兩年降低50%。突破可信計算系統(tǒng)、情感理解技術等；構建人類基因組差異數據庫。計算思維操作性定義2050年前后建立普適的信息科學，計算成為自然系統(tǒng)、人造系統(tǒng)、社會系統(tǒng)領域的基本思維方式；構建可持續(xù)發(fā)展的計算基礎設施和應用服務；繼計算與網絡融合、計算與物理系統(tǒng)融合之后，腦科學與認知科學取得重大突破，實現計算與智能的融合，形成較成熟的信息科學。計算思維操作性定義ComputationalLens計算思維操作性定義計算思維操作性定義三棲學者理查德·卡普（RichardKarp）教授現任美國加州大學伯克利分校計算機科學講座教授，美國科學院、美國工程院、美國藝術與科學院、歐洲科學院院士。因其在計算機科學領域的基礎貢獻曾獲圖靈獎、馮諾依曼獎、美國國家科學勛章、哈佛大學百年獎章等獎項，還擔任美國科學院會刊（PNAS）等多個國際著名刊物編委。卡普之所以被稱為“三棲學者”是因為他知識淵博，貫通多個學科專業(yè)，因而同時被加州大學伯克利分校的電氣工程和計算機系、數學系以及工業(yè)工程和運籌學系三個系聘為教授?？ㄆ毡皇谟鑸D靈獎，是因為他在算法的設計與分析、計算復雜性理論、隨機化算法等諸多方面作出了創(chuàng)造性貢獻。生物信息學的開創(chuàng)人計算思維操作性定義RichardM.Karp提出的“計算透鏡”（ComputationalLens）理念被認為是未來二十年計算機科學可能的發(fā)展方向之一。其核心理念是將計算作為一種通用的思維方式，通過這種廣義的計算（涉及信息處理、執(zhí)行算法、關注復雜度）來描述各類自然過程和社會過程，從而解決各個學科的問題。這一理念試圖將計算機科學由最初的數值計算工具、仿真與可視化技術以及后來基于網絡、面向多學科的e-Science平臺，變成普遍適用于自然和社會領域的通用思維模式。計算思維操作性定義ComputationalSocialScience

計算社會科學計算思維操作性定義ComputationalSocialScience6FEBRUARY2009VOL323SCIENCEDavidLazer,AlexPentland,LadaAdamic,SinanAral,Albert-LászlóBarabási,DevonBrewer,NicholasChristakis,NoshirContractor,JamesFowler,MyronGutmann,TonyJebara,GaryKing,MichaelMacy,DebRoy,MarshallVanAlstyneHarvardUniversity,MIT,UniversityofMichigan,NewYorkUniversity,NortheasternUniversity,InterdisciplinaryScientificResearch,NorthwesternUniversity,UniversityofCalifornia–SanDiego,ColumbiaUniversity,CornellUniversity,BostonUniversity計算思維操作性定義《Science》2009年2月發(fā)表的一篇關于計算社會科學的文章《ComputationalSocialScience》，該文由美國11個大學及研究機構的共15名研究人員共同編寫。文章從計算社會科學的數據獲取、研究方法、制約因素、人才培養(yǎng)4個方面，描述了計算社會科學的發(fā)展、討論了社會科學研究的特點等。其主要目的是想借此文向廣大讀者介紹計算社會科學這一學科理念，推動、提高社會科學研究水平，進一步繁榮社會科學研究工作。計算思維操作性定義數字印記（DigitalTraces)目前人們廣泛地以各種不同形式、方式生活在各種網絡中：人們頻繁地檢查電子郵件和使用搜索引擎隨時隨地撥打移動電話和發(fā)送短信每天刷卡乘坐交通工具經常使用信用卡購買商品。寫博客、發(fā)微薄、通過SNS來維護人際關系在公共場所，監(jiān)視器可以記錄人們的活動情況在醫(yī)院，人們的醫(yī)療記錄以數字形式被保存以上的種種事情都留下了人們的數字印記（蹤跡）。計算思維操作性定義這些數據中蘊含的關于個人和群體行為的規(guī)律可能足以改變我們對個人生活、組織機構乃至整個社會的認知。相比較生物和物理等其他學科領域，數據驅動的“計算社會科學”要出現的晚一些，而隨著對這種大量社會數據的記錄和分析，就逐步產生了計算社會科學。隨著信息化和網絡化的不斷普及與深入，社會動態(tài)變化的速度和規(guī)模已經提高到一個前所未有的水平，計算社會科學成為新的熱點。定義Afieldisemergingthatleveragesthecapacitytocollectandanalyzedataatascalethatmayrevealpatternsofindividualandgroupbehaviors.一個新興的領域：利用大規(guī)模數據收集和分析能力揭示個人和群體的行為模式。計算思維操作性定義與傳統(tǒng)社會科學通過問卷調查形式獲得的數據不同，我們可以借助以上種種新技術獲得長時間的、連續(xù)的、大量人群的各種行為和互動的數據。這些數據為研究動態(tài)的人際交流、大型社會網絡的演化等方面的問題提供了堅實的基礎。例如：可以通過電子郵件的記錄研究一個群體是趨向穩(wěn)定還是趨向變化、成員之間什么樣的交流模式有利于提高效率、接收信息的多樣化是否會提高成員的活力和表現等問題；可以通過給成員佩戴實時記錄位置、移動等信息的小電子裝置收集數據，研究成員的流動和相互交流的模式對于團體產出的影響；可以通過電子商務網站的查詢和交易記錄，以及網上電話記錄等范圍覆蓋全球的人際互動數據研究人際互動在經濟生產力、公眾健康等方面產生的影響；可以利用互聯網上的搜索和瀏覽記錄研究什么是當前公眾關心的焦點；可以通過網絡社區(qū)上的帖子研究個體在網絡中的位置對他們的品味愛好、情緒和健康的影響；可以通過移動電話追蹤人們的位置，研究傳染病的傳播等等。計算思維操作性定義Agent-based-Modelling

計算思維操作性定義Whydidnobodynoticeit？計算思維操作性定義

LuisGaricanoatLSEshowsQueenElizabethIIachartexplaininghowthecreditcrunchwascaused.AgroupofeminenteconomistshascometotheQueen'srescueaftersheaskedwhynoonehadpredictedthecreditcrunchduringavisittotheLondonSchoolofEconomicsinNovember.計算思維操作性定義Page.30 2016年的一天早上，電子顯示屏上的橙色報警燈突然不停閃爍著，美國政府的專家們探測到一個關乎國家安全的預警信號。 由于這個電子顯示屏背后關聯著世界上最大的一些金融機構，包括銀行、政府、對沖基金、網絡銀團等。而橙色預警燈閃爍表明美國的對沖基金已經積聚在相同的金融資產上，此時，如果某個基金突然變現賣出，警示信號就會出現，而這種下挫價格的行為，迫使其他基金尾隨賣出，加速資產價格下挫。很多基金可能在短短的30分鐘內就會破產，對整個金融系統(tǒng)造成極大的威脅。 但是，運用高性能計算機對海量的數據運行并處理后，可以對不可預知的風險進行“情景”預現，此時，金融監(jiān)管部門及時介入從而可以安全平息此次潛在的金融風險事件。Buchanan,M.(2009),Meltdownmodelling,Nature460,680-682.

計算思維操作性定義MarkBuchanan,Meltdownmodelling:Couldagent-basedcomputermodelspreventanotherfinancialcrisis?Nature,2009。該文認為，傳統(tǒng)的經濟模型已經失敗了多次，到現在為止，在沒有任何前期試驗下，我們還在建立新的經濟估算；專家之間的不同知識，可以互撞，并產生新的知識；基于智能體的建模也許可以來預防下一次金融危機。EURACE是歐盟經濟體共同投資開發(fā)中的研究歐盟宏觀經濟政策的仿真系統(tǒng)。其主要科學目標是建立一個以微觀經濟為基礎的宏觀經濟分析框架，提供分析全球規(guī)則涌現的新視角。其主要的社會目標是通過仿真分析財政政策和貨幣政策的協(xié)調、外部環(huán)境震蕩下穩(wěn)定宏觀經濟的政策、鼓勵科技變革和創(chuàng)新等經濟政策的影響，以不斷調整和改善經濟政策 在EURACE平臺中，其市場的構建分為勞動力市場、資本產品市場和消費品市場，以及能源市場和信貸消費市場，并且這些市場之間是相互交互的themodelcurrentlyrepresentssome10millionhouseholds,100,000firmsandabout100banks計算思維操作性定義

Farmer和Foley（2009）在《Nature》上提出：在IT高度發(fā)達的今天，人們會想當然地假定，奧巴馬及其經濟團隊會采用高超的計算模型來指引美國走出危機。然而遺憾的是，他們并沒有這樣做。因此，政策制訂者往往依賴于經驗和感覺，采用”屁股決定腦袋”的方式決策Farmer,D.andD.Foley(2009),Theeconomyneedsagent-basedmodeling,Nature460,685-686.計算思維操作性定義當今經濟的理論模型，可以分為兩大類：計量經濟方法和動態(tài)隨機均衡方法。計量經濟方法只可在經濟環(huán)境變化不大的時候具有較好的預測性，但是當經濟環(huán)境出現重大改變的時候就不再適用了。動態(tài)隨機均衡方法一般都是基于比較理想化的假設條件，而這通常與現實差別較大，特別當現實中出現市場失靈等情況時。基于“基于智能體的建模（AgentBasedModelling，ABM）”方法是經濟建模的下一個突破口ABM方法是將經濟系統(tǒng)模擬成一個由眾多智能體（agent）之間交互的計算機系統(tǒng)，然后以計算機模擬去研究經濟問題；ABM方法不需要完全競爭和一般均衡等假設，微觀層面上每個智能體基于自身狀況和外界條件做出反映。計算思維操作性定義ASPEN計劃ASPEN是由美國Sandia國家實驗室開發(fā)的一套模擬美國經濟運行的系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了基于Agent的思想進行建模，在模型中包含了家庭、企業(yè)、政府、銀行、聯邦儲備局等多類Agent，這些Agent能夠在勞動力市場、產品市場、債券市場和信貸市場上進行活動，衍生出各種不同的市場情景和極端風險事件，為國家的政策制定和風險管理提供有利的工具計算思維操作性定義通過網絡實現的科學發(fā)現與技術創(chuàng)新Cyber-EnabledDiscoveryandInnovation，CDI計算思維操作性定義CDI2008年NSFCISE啟動了“通過網絡實現的科學發(fā)現與技術創(chuàng)新”（Cyber-EnabledDiscoveryandInnovation，CDI）的5年研究計劃。是實現計算思維的第一個美國國家科學基金會的重大計劃。它的目的是，通過計算思維的創(chuàng)新和進步(包括概念、方法、模型、算法、工具和系統(tǒng)等)，對科學與工程領域產生新理解、新模式，創(chuàng)造革命性的研究成果。計算思維操作性定義FromDatatoKnowledge:

enhancinghumancognitionandgeneratingnewknowledgefromawealthofheterogeneousdigitaldata;數據特點HugeDistributedDynamicHeterogeneousNoisyUnstructured/semi-structured計算思維操作性定義從數據中發(fā)現知識（FromDatatoKnowledge）其基本目的是從大量的、雜亂無章的、難以理解的數據中抽取并推導出對于某些特定的人們來說是有價值、有意義的知識,并作為決策的依據。數據大致可分成結構化數據和非結構化數據難點判定一個數據集里面含不含某種知識如何發(fā)現其中的知識知識如何表示。已發(fā)現的知識與實際蘊藏的知識之間的關系。計算思維操作性定義39NontraditionalChallengesTraditionallyCopewiththecomplexityoftheproblemNewchallengesHowtoefficientlycomputeonmassivedatasets?RestrictedaccesstothedataNotenoughtimetoreadthewholedataTinyfractionofthedatacanbeheldinmainmemoryHowtofinddesiredinformationinthedata?Howtosummarizethedata?Howtocleanthedata?MassiveDataSetsCopewiththecomplexityofthedata計算思維操作性定義例：Model,simulate,analyze,andvalidatecomplexsystemswithlargedatasets.

用大數據集描述，模擬，分析和驗證復雜系統(tǒng)計算思維操作性定義利用大規(guī)模數據集完成對復雜系統(tǒng)的建模，仿真，分析，和驗證。從可能包含噪聲的高維度的數據中提取出重要的特征和模式，在大量的應用場景中是至關重要的。Model,simulate,analyze,andvalidatecomplexsystemswithlargedatasets.Extractionofsignificantfeaturesandpatternsfromhigh-dimensionaldata,whichcanbenoisy,iscrucialinagreatvarietyofsettings.例如，地球系統(tǒng)（地球科學），引力波（物理），星系的形成（天文學），高度復雜的動態(tài)系統(tǒng)仿真、健康監(jiān)測、預測、設計和控制（工程），ExamplesincludetheEarthsystem(geosciences),gravitationalwaves(physics),galaxyformation(astronomy),highlycomplexdynamicalsystemssimulation,healthmonitoring,prediction,designandcontrol(engineering),計算思維操作性定義通信和網絡的控制和優(yōu)化（信息技術），人類和社會行為仿真（社會科學），災難響應模擬和反恐準備（國土安全），設計減輕外部威脅的自動響應式的智能系統(tǒng)（國土安全），多尺度預測生態(tài)和進化過程（生物科學），軟件開發(fā)（信息技術），以及風險分析。communicationandnetworkcontrolandoptimization(informationtechnology),humanandsocialbehaviorsimulation(socialsciences),disasterresponsesimulationandanti-terrorismpreparation(homelanddefense),designofsmartsystemsformitigationofexogenousthreatsusingautonomicresponse(homelandsecurity),predictiveunderstandingofecologicalandevolutionaryprocessesatmultiplescales(biologicalsciences),softwaredevelopment(informationtechnology),andriskanalysis.計算思維操作性定義一些系統(tǒng)的關鍵問題是如何判斷和理解當一個輸入達到臨界點的時候，系統(tǒng)是否會進入根本不同的行為模式；例如，全球的氣候（與大氣中二氧化碳含量相關）和美國經濟（與聯邦基金利率相關）。Akeyissueforsomesystemsisunderstandingwhethertheywillenterafundamentallydifferentmodeofbehaviorwhenaninputcrossesatippingpoint;examplesincludetheEarth'sclimate(duetoatmosphericcarbondioxide)andtheU.S.economy(duetothefederalfundsinterestrate).主題:知識數據，復雜性領域:所有科學和工程領域Themes:DatatoKnowledge,Complexity.Domains:allfieldsofscienceandengineering.計算思維操作性定義匯報提綱緣與使命對計算本質認識的變革計算思維主要定義對問題求解的認識引起對計算機教學的再認識計算機學科的本質特點計算思維操作性定義計算思維操作性定義JeannetteWing’sdefinition(s)2006CTCACM49,33–35.CTinvolvessolvingproblems,designingsystems,andunderstandinghumanbehavior,bydrawingontheconceptsfundamentaltocomputerscience.Toflourishintoday'sworld,computationalthinkinghastobeafundamentalpartofthewaypeoplethinkandunderstandtheworld.

CTistakinganapproachtosolvingproblems,designingsystemsandunderstandinghumanbehaviorthatdrawsonconceptsfundamentaltocomputing(Wing2006).Computingistheautomationofourabstractions.

（Computing:abstractionandautomation）TheessenceofCTisabstraction.CTisakindofanalyticalthinking.計算思維操作性定義計算思維操作性定義TheFirstAtoCTAbstractionsareour“mental”toolsTheabstractionprocessincludesChoosingtherightabstractionsOperatingsimultaneouslyatmultiplelayersofabstractionDefiningtherelationshipsthebetweenlayersTheSecondAtoCTThepowerofour“mental”toolsisamplifiedbyour“metal”tools.Automationismechanizingourabstractions,abstractionlayers,andtheirrelationshipsMechanizationispossibleduetopreciseandexactingnotationsandmodelsThereissome“computer”belowhumanormachine,virtualorphysicalFromJeannetteM.Wing計算思維操作性定義TwoA’stoC.T.CombinedComputingistheautomationofourabstractionsTheygiveustheaudacityandabilitytoscale.CTchoosingtherightabstractions,etc.choosingtheright“computer”forthetaskFromJeannetteM.WingCT==ComputingNOT

Computerliteracy,i.e.,howtouseWordandExcelorevenGoogleComputerprogramming,i.e.,beyondJavaProgramming101計算思維操作性定義17November2010herresearchnotes：CT:WhatandWhy?2010,JanCuny,LarrySnyder,andJeannetteM.Wing,“DemystifyingCTforNon-ComputerScientists,”workinprogress.“CTisthethoughtprocessesinvolvedinformulatingproblemsandtheirsolutionssothatthesolutionsarerepresentedinaformthatcanbeeffectivelycarriedoutbyaninformation-processingagent.”

Informally,CTdescribesthementalactivityinformulatingaproblemtoadmitacomputationalsolution.Thesolutioncanbecarriedoutbyahumanormachine,ormoregenerally,bycombinationsofhumansandmachines.

CTisusedinthedesignandanalysisofproblemsandtheirsolutions,broadlyinterpreted.

計算思維是與形式化問題及其解決方案相關的一個思維過程，其解決問題的表示形式應該能有效地被信息處理代理執(zhí)行合理抽象高效算法（算法思維角度）合理建模高效實施（工程思維角度）計算思維操作性定義NSFCyber-EnabledDiscoveryandInnovation(CDI)isNSF’sboldfive-yearinitiativetocreaterevolutionaryscienceandengineeringresearchoutcomesmadepossiblebyinnovationsandadvancesinCT.CTisdefinedcomprehensivelytoencompasscomputationalconcepts,methods,models,algorithms,andtools.Appliedinchallengingscienceandengineeringresearchandeducationcontexts,CTpromisesaprofoundimpactontheNation’sabilitytogenerateandapplynewknowledge.Collectively,CDIresearchoutcomesareexpectedtoproduceparadigmshiftsinourunderstandingofawiderangeofscienceandengineeringphenomenaandsocio-technicalinnovationsthatcreatenewwealthandenhancethenationalqualityoflife. 計算思維操作性定義ISTE&CSTA-OperationalDefinitionforK-12（2011）CTisaproblem-solvingprocessthatincludes(butisnotlimitedto)thefollowingcharacteristics:?Formulatingproblemsinawaythatenablesustouseacomputerandothertoolstohelpsolvethem?Logicallyorganizingandanalyzingdata?Representingdatathroughabstractions,suchasmodelsandsimulations?Automatingsolutionsthroughalgorithmicthinking(aseriesoforderedsteps)?Identifying,analyzing,andimplementingpossiblesolutionswiththegoalofachievingthemostefficientandeffectivecombinationofstepsandresources?Generalizingandtransferringthisproblem-solvingprocesstoawidevarietyofproblems計算思維操作性定義DispositionsorattitudesthatareessentialdimensionsofCT：

Confidenceindealingwithcomplexity?Persistenceinworkingwithdifficultproblems?Toleranceforambiguity?Theabilitytodealwithopen-endedproblems?TheabilitytocommunicateandworkwithotherstoachieveacommongoalorsolutionThemescharacteristic

計算思維操作性定義中國學者1992年關于“計算思維”的定義“計算思維就是思維過程或功能的計算模擬方法論，其研究的目的是提供適當的方法，使人們能借助現代和將來的計算機，逐步達到人工智能的較高目標。”王飛躍院士的定義

廣義計算思維：基于可計算的手段，以定量化的方式進行的思維過程。狹義計算思維：數據驅動的思維過程（Data-drivenThinking）。

計算思維操作性定義匯報提綱緣與使命對計算本質認識的變革計算思維主要定義對問題求解的認識引起對計算機教學的再認識計算機學科的本質特點計算思維操作性定義計算思維操作性定義求解問題需要什么？三要素過程表示經驗求解問題依賴于常識（常識性的過程、非規(guī)范的表示、樸素思想指導下的經驗）科學知識（合理的過程、形式化的描述、專家經驗）常識性的不值得教，學生也覺得乏味，但求解問題需要，學生不自覺地能進行應用計算思維操作性定義問題求解過程RealDomainAbstractModelAbstractMachineRealMachineGeorgePolya

HowtoSolveIt，ANewAspectofMathematicalMethod太不值得教了-

學時的珍貴性和稀缺性UnderstandtheproblemDeviseaplanCarryouttheplanLookback計算思維操作性定義ComputerProblem-SolvingAnalysisandSpecificationPhase

Analyze SpecificationAlgorithmDevelopmentPhase

Developalgorithm TestalgorithmImplementationPhase

Codealgorithm TestalgorithmMaintenancePhase

Use Maintain計算思維操作性定義樸素思想與科學面向對象的分析與設計OOAD用UML進行面向對象的分析與設計OOADwithUML遵循UP過程的用UML進行面向對象的分析與設計OOADwithUMLbyUP在6個最佳實踐指導下的遵循UP過程的用UML進行面向對象的分析與設計OOADwithUMLbyUPguidedbySIXbestpractice計算思維操作性定義DiagramsAreViewsofaModelAmodelisacompletedescriptionofasystemfromaparticularperspectiveDeploymentDiagramsuse-caseDiagramsScenarioDiagramsScenarioDiagramsSequenceDiagramsStateDiagramsStateDiagramsStateDiagramsComponentDiagramsComponentDiagramsComponentDiagramsModelsStateDiagramsStateDiagramsObjectDiagramsScenarioDiagramsScenarioDiagramsCollaborationDiagramsActivityDiagramsStateDiagramsStateDiagramsClassDiagrams計算思維操作性定義TIMETraditionalWaterfallDevelopmentSubsystemTestingSystemTestingCode&UnitTestingDesignRequirementsAnalysis計算思維操作性定義UnifiedProcessProjectManagementEnvironmentBusinessModelingImplementationTestAnalysis&DesignPreliminary

Iteration(s)Iter.

#1PhasesProcessWorkflowsIterationsSupportingWorkflowsIter.

#2Iter.

#nIter.

#n+1Iter.

#n+2Iter.

#mIter.

#m+1DeploymentConfiguration&ChangeMgmtRequirementsElaborationTransitionInceptionConstruction計算思維操作性定義DevelopIterativelyControlChangesUseComponent

ArchitecturesManageRequirementsModelVisually

VerifyQualityBestPracticesofSoftwareEngineering三要素計算思維操作性定義大學的課堂應該教什么？抽象（abstraction）計算思維操作性定義DifferentAbstraction計算思維操作性定義Abstractionisaprocessorresultofgeneralization,removalofproperties,ordistancingofideasfromobjects.Thefirstemphasizestheprocessofremovingdetailtosimplifyandfocusattentionbasedonthedefinitions:?Theactofwithdrawingorremovingsomething,?Theactorprocessofleavingoutofconsiderationoneormorepropertiesofacomplexobjectsoastoattendtoothers.Thesecondemphasizestheprocessofgeneralizationtoidentifythecommoncoreoressencebasedonthedefinitions:TheprocessofformulatinggeneralconceptsbyabstractingcommonpropertiesofinstancesAgeneralconceptformedbyextractingcommonfeaturesfromspecificexamples.ConfidenceindealingwithcomplexityexponentResultandit’srepresentation計算思維操作性定義SampleClassesofComputationalAbstractions?Algorithms–E.g.,mergesort,binarysearch,stringmatching,clustering?DataStructures–E.g.,sequences(stack,queue),tables,trees,graphs,networks?StateMachines–E.g.,finiteautomata,Turingmachines?Languages–E.g.,regularexpressions,…,VDM,Z,…,ML,Haskell,…,Java,Perl?Logicsandsemantics–E.g.,Hoaretriples,temporallogic,modallogics,lambdacalculus?Heuristics–E.g.,A*(best-firstgraphsearch),caching?ControlStructures–Parallel/sequentialcomposition,iteration,recursion?Communication–E.g.,synchronous/asynchronous,broadcast/P2P,RPC,sharedmemory/message-passing?Architectures–E.g.,layered,hierarchical,pipeline,blackboard,feedbackloop,client-server,parallel,distributed?…計算思維操作性定義樸素思想與科學樸素思想有利對簡單問題是有效的，殺雞焉用牛刀有弊

水文測報協(xié)議

軟件開發(fā)

數據庫表算法理解的偏差

僅了解算法的形式

不了解算法的思想庸俗的步驟庸俗的3層結構散列法遺傳算法牛頓迭代法設計模式體系結構風格計算思維操作性定義哪個網頁最重要？路由算法-距離向量算法計算思維操作性定義69常識在求解問題中的作用網絡是復雜的!諸多“成分”:主機路由器各種介質的鏈路應用程序協(xié)議硬件,軟件不同實現和廠家異質問題計算思維操作性定義異質性問題解決方法？？分解和委托解決異質性問題采用的是分層方法。把復雜的網絡互聯問題劃分為若干個較小的、單一的問題，在不同層上予以解決,這樣可以提高互操作性又能減小理解難度。我們將計算機網絡層次結構和各層協(xié)議的集合，定義為計算機網絡體系結構。結構清晰簡化設計與實現便于更新與維護較強的獨立性和適應性分層目的計算思維操作性定義求解問題的“武功”級別級別（5級）利用常識（樸素知識）求解問題利用專門知識（各階段）求解問題的過程小學數學、初中數學、高中數學、大學數學小學計算機、初中計算機、高中計算機、大學計算機利用計算科學的基本概念求解值得計算機求解的問題利用計算科學的基本概念求解值得計算機求解的可計算的問題ThinkingaboutproblemsasifcomputerswillsolvethemThinkingaboutproblemsintermsofcomputationalconcepts利用計算科學的基本概念求看似不可解但實質上能求解的問題（新鮮）級別搞混了問題特點多種類型：算法類問題、系統(tǒng)類問題、數據類問題、交互類問題復雜程度（規(guī)模、病態(tài)）一個令人困惑的、痛苦的、棘手、懸而未決的問題具有鮮明的計算學科特點，學科才能立足，學科才能發(fā)展大學的應該教什么？科學體系，專業(yè)知識非樸素思維、常識計算思維操作性定義挑戰(zhàn)性用ct解決新問題，科學問題同學認為不不能解決的、難解的問題激發(fā)學生興趣

計算思維操作性定義匯報提綱緣與使命對計算本質認識的變革計算思維主要定義對問題求解的認識引起對計算機教學的再認識計算機學科的本質特點計算思維操作性定義計算思維操作性定義即使是菜刀這樣的工具，也會涉及科學、技術、工程和應用的各個層面。菜刀過于簡單，其他學科的知識足夠它的需要了，因此沒有什么“菜刀科學”。以色列學者哈雷爾在《算法學：計算的本質》一書中提出這樣的問題：論技術的影響，電話也很大，為什么沒有電話科學？論技術復雜性，人造衛(wèi)星很復雜，為什么沒有被廣泛接受的人造衛(wèi)星科學。他認為其實計算機是計算的工具，用計算機給這門科學命名，就像用“手術刀科學”給外科學命名一樣地不合適。天文學=望遠鏡“菜刀科學”與“計算機科學”-陳道蓄計算思維操作性定義計算的技術進步（多層的封裝，摩爾定律）使得計算機的使用平民化和傻瓜化每個人都將計算機當作工具用，大家對計算機非常熟悉，直觀地知道計算機功能對比核技術、化工技術、機械工程計算機完全沒有了神秘感人人能說我是搞計算機的許多人有一種看法：“計算機只不過是工具”，其后面隱含的話就是“主要就是應用”。這本身沒有什么不對，但用它來作為計算機學科定位的出發(fā)點就會產生極大的誤導。計算思維操作性定義計算機則不然，它涉及了科學、技術、工程和應用等眾多復雜的內容。一般認為美國卡內基梅隆大學在首位圖靈獎得主佩利的領導下建立了最早的計算機科學系當計算機科學這門新學科出現時主要內容就是“算法”和“形式系統(tǒng)”，是“程序設計的科學”，不是現在大眾理解的“編程”。從1966年開始到2003年共頒獎38屆，有47位獲獎人，其中有15人主要成果涉及形式系統(tǒng)與程序設計語言和方法，有14人主要成果涉及計算機算法及其復雜性理論。

計算思維操作性定義學科存在性證明計算機科學應該是試圖發(fā)現一類非自然結構的內在規(guī)律的學科，這類結構中涉及的現象(既非純粹的自然現象，又非一般意義上的社會現象)的解釋不能在已有的學科中得到?！敖K極”問題每個科學學科都有其所謂的“終極”問題。計算機科學的“終極”問題被認為是“什么可以被自動地計算？”計算思維操作性定義計算機科學計算機科學是研究計算機以及它們能干什么的一門學科。它研究抽象計算機的能力與局限，真實計算機的構造與特征，以及用于求解問題的數不清的計算機應用。涉及符號及其操作涉及多種抽象概念的創(chuàng)造和操作創(chuàng)造并研究算法創(chuàng)造各種人工結構，尤其是不受物理定律限制的結構利用并應對指數增長探索計算能力的基本極限關注與人類智能相關的復雜的、分析的、理性的活動NationalResearchCouncilCommitteeonFundamentalsofComputerScience,ComputerScience:ReflectionsontheField,TheNationalAcademiesPress,WashingtonD.C.,2004.計算思維操作性定義計算機學科的本質-個人認知以簡單的有限的離散構造解決無限的問題以簡單的有窮的離散構造解決無窮的問題有限（窮）-無限（窮）可數（可列）無窮遞歸函數-以有窮構造無窮的必由之路手段過程遞歸過程結構遞歸結構計算思維操作性定義構造舉例謂詞合適公式的定義在謂詞演算中合適公式的遞歸定義如下：

(1)原子謂詞公式是合適公式。

(2)若A為合適公式，則～A也是一個合適公式。

(3)若A和B都是合適公式，則(A∧B)，(A∨B)，(A=>B)和(A←→B)也都是合適公式。

(4)若A是合適公式，x為A中的自由變元，則(x)A和(x)A都是合適公式。

(5)只有按上述規(guī)則(1)至(4)求得的那些公式，才是合適公式。計算思維操作性定義KochcurveAvariantoftheKochcurvewhichusesonlyright-angles.variables:Fconstants:+?start:Frules:(F→F+F?F?F+F)Here,Fmeans"drawforward",+means"turnleft90°",

and?means"turnright90°"LindenmayerSystem簡稱L-System是1968年由匈牙利生物學家Lindenmayer提出的有關生長發(fā)展中的細胞交互作用的數學模型，尤其被廣泛應用于植物生長過程的研究。L-system是一個相似重寫系統(tǒng)，是一系列不同形式的正規(guī)語法規(guī)則，多被用于植物生長過程建模，但是也被用于模擬各種生物體的形態(tài)。L-system也能用于生成自相似的分形，例如迭代函數系統(tǒng)。計算思維操作性定義計算思維操作性定義計算思維操作性定義計算思維操作性定義一個形式文法G

是下述元素構成的一個四元組(N,Σ,P,S)：“非終結符號”集合N?！敖K結符號”集合Σ，Σ與N

無交。取如下形式的一組“產生式規(guī)則”P，(Σ∪N)*中的字符串→(Σ∪N)*中的字符串，并且產生式左側的字符串中必須至少包括一個非終結符號?！捌鹗挤枴盨，S

屬于N。一個由形式文法G=(N,Σ,P,S)產生的語言是所有如下形式的字符串集合，這些字符串全部由“終結符號”集Σ中符號構成，并且可以從“初始符號”S

出發(fā)，不斷應用P

中的“產生式規(guī)則”而得到?？紤]如下的文法G

，其中N={S,B},Σ={a,b,c},P

包含下述規(guī)則1.S->aBSc2.S->abc3.Ba->aB4.Bb->bb非終結符號S

作為初始符號。下面給出字串推導的例子：（推導使用的產生規(guī)則用括號標出，替換的字串用黑體標出）S->(2)abcS->(1)aBSc->(2)aBabcc->(3)aaBbcc->(4)aabbccS->(1)aBSc->(1)aBaBScc->(2)aBaBabccc->(3)aaBBabccc->(3)aaBaBbccc->(3)aaaBBbccc->(4)aaaBbbccc->(4)aaabbbccc很清楚這個文法定義了語言{anbncn|n>0}，這里an

表示含有n

個a的字串。計算思維操作性定義TS:TagSystem標記系統(tǒng)TM:TuringMachine圖靈機CA:cellularAutomata元胞自動機極簡的離散構造示例

計算模型-TSTM

CA計算思維操作性定義87圖靈機

A.Turing在1936年介紹了這樣一個通用的計算模型，該模型具有以下兩個性質該模型的每個過程都是有窮可描述的；過程必須是由離散的、可以機械執(zhí)行的步驟組成。

圖靈機是計算機的一種簡單數字模型，盡管簡單，但它具有模擬通用計算機的計算能力。通過研究TM來研究遞歸可枚舉集和部分遞歸函數為算法和可計算性研究提供了形式化描述工具。計算思維操作性定義元胞自動機Cellularautomata-CA是現代計算機之父Von

Neumann提出的想法StephenWolfram卻將這種帶有強烈的純游戲色彩的原始想法從學術上加以分類整理，并使之最終上升到了科學方法論。元胞自動機的基礎就在于“如果讓計算機反復地計算極其簡單的運算法則，那么就可以使之發(fā)展成為異常復雜的模型，并可以解釋自然界中的所有現象”的觀點。

應當

盡可能簡單

而不是

比較簡單地

做每一件事.

——A.愛因斯坦計算思維操作性定義AlthoughvonNeumannmademanycontributionsanddevelopmentsinCA,theyarecommonlyreferredtoas“non-vonNeumannstyle”,whilethestandardmodelofcomputation(CPU,globallyaddressablememory,serialprocessing)isknowas“vonNeumannstyle”.元胞自動機的歷史（History）Ironically計算思維操作性定義KISS原則是英語KeepItSimple,Stupid的首字母縮略字，也有人稱“懶人原則”。KISS原則是指在設計當中應當注重簡約的原則。同時這原則亦有應用在商業(yè)、設計計算機硬軟件系統(tǒng)、動畫、工程上。原文當中有很多其他版本，包括：、"KeepItSweet&Simple"、"KeepItShort&Simple"、"KeepitSimple,Sweetheart"及"KeepitSimple,Sherlock"。ISO-OSITCP/IPATMCC2001計算思維操作性定義簡單為什么？有限（可表示，進而可自動化）的構造性（可演化為復雜）Abstraction

andAutomation計算思維操作性定義StephenWolfram.ANewKindofScience.WolframMedia,2002.《一種新科學》計算思維操作性定義《一種新科學》數千年來發(fā)展而成的全部科學從某種意義上講，依賴的是一種完全無法預測的方法。從物理學、化學、生物學到心理學，甚至各種社會學等現有學術領域本來就不應該進行如此分類。這些科學領域中各種各樣的現象，說到底實際上都在受同一種運算法則的支配，利用各種方法對此反復計算就可以生成各種領域的復雜現象。Wolfram認為，“支持整個宇宙的原理無非就是區(qū)區(qū)幾行程序代碼”。

從“完全打破現有的學術體系，按照完全不同的原理來理解自然界”的意義出發(fā)，新作被命名為《一種新科學》。

計算思維操作性定義計算機萬能理論

Wolfram認為：以物理學和數學為中心的傳統(tǒng)科學是以方程式為基礎而演繹推導出來的計算機則是通過反復計算單純的程序代碼，也可以說是遞歸推導而出的。在牛頓生活的17世紀，由于還沒有像現在一樣的先進計算機，因此當時的科學家不得不依賴于演繹的方法(算式計算)。這一切也可以說是歷史上的必然、科學上的偶然。真正意義上的正確的科學方法是利用像現有那樣的計算機來進行的算法運算。

計算思維操作性定義匯報提綱緣與使命對計算本質認識的變革計算思維主要定義對問題求解的認識引起對計算機教學的再認識計算機學科的本質特點計算思維操作性定義計算思維操作性定義SeveralDefinitionsofCT，Why？

SeparationofConcern計算思維存在多維、多態(tài)的復雜特征

來源多樣：數學、科學、工程

求解問題是心理、認知、思維活動

學科在進化顯式與隱式-傳道與悟道本質上：計算思維的多維、多態(tài)的復雜特征決定了方案的多樣性和差異性計算思維操作性定義基礎來源ComputerResearchAssociation,“CreatingEnvironmentsforComputationalResearcherEducation,”2010.CSTA“ComputationalThinkingResourceSet:AProblem-SolvingToolforEveryClassroom.”PeterDenning,”Greatprinciplesofcomputing”,2007GoogleExploringComputationalThinking,2010TheCollegeBoard,anewAdvancedPlacement(AP)coursethatcoversthefundamentalconceptsofcomputingandcomputationalthinking,

計算思維操作性定義CRA-EWhitePaper-CognitiveSkills（31）1) Abstractions-creatingandvalidating2)Algorithmicthinking-representinginformation,workingwithconstraintsandautomatingtheprocess3)Analysis-examiningthecomponentsandstructureofconcepts,data,andresearchresults4)Approximations-estimatingfromdataobservationsandrepresentinginalgorithmicform5)Assumptions-identifyingandvalidating6)Automation-representingprocessesintermsofrepeatedoperationssuchasiterationan