大學(xué)信息技術(shù)基礎(chǔ)教程課件 6.1 計(jì)算思維

6.1計(jì)算思維6.1計(jì)算思維【問題導(dǎo)入】

計(jì)算思維是智能時(shí)代所需要的核心素養(yǎng)，計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)邏輯思考、算法設(shè)計(jì)、問題解決和創(chuàng)新能力，是大學(xué)生適應(yīng)人工智能社會的關(guān)鍵能力。

那么，在日常生活和學(xué)習(xí)中可以使用計(jì)算思維？如何運(yùn)用計(jì)算思維解決“計(jì)劃旅行時(shí)間和費(fèi)用”問題。目錄頁contents6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維6.1.2計(jì)算思維的本質(zhì)6.1.3問題求解6.1.4計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域1234選題背景及意義ONE6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維“計(jì)算思維”是美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)周以真教授提出的一種理論。周以真認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為，它涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)的一系列思維活動。周以真（英文名JeannetteM.Wing，），美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家。卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)教授。美國國家自然基金會計(jì)算與信息科學(xué)工程部助理部長。ACM和IEEE會士。

6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維1.求解問題中的計(jì)算思維問題求解系統(tǒng)設(shè)計(jì)人類行為理解符號表示建立模型算法編程運(yùn)行求解6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維警察抓小偷警察局抓了a，b，c，d四名偷竊嫌疑犯，其中只有一人是小偷，審訊記錄如下：A說：我不是小偷B說：c是小偷C說：小偷肯定是dD說：c在冤枉人四個(gè)人中，三個(gè)人說的是真話，一個(gè)人說的是假話，請問誰是小偷？6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維問題分析1依次假設(shè)每個(gè)人是小偷的情況一一代入四句供詞2依次檢驗(yàn)“四個(gè)人中三個(gè)人說真話，一個(gè)人說假話”是否成立3如果成立，小偷找到6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維符號表示、數(shù)學(xué)建模將a,b,c,d四個(gè)人進(jìn)行編號為1,2,3,4。用變量x存放小偷的編號。依次將x=1,x=2,x=3,x=4代入問題系統(tǒng)，檢驗(yàn)“三真一假”是否成立。6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維計(jì)算1A說：我不是小偷2B說：c是小偷3C說：小偷肯定是d4D說：c在冤枉人5三真一假1X≠11or02X=31or03X=41or04X≠41or0536.1.1走進(jìn)計(jì)算思維編程、運(yùn)行實(shí)現(xiàn)Forx=1to4If(x<>1+(x=3)+(x=4)+(x<>4)=3)thenPrintxNextx6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維2.設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的計(jì)算思維任何自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)都可視為一個(gè)動態(tài)演化系統(tǒng)，演化伴隨著物質(zhì)、能量和信息的交換，這種變換可以映射為符號變換，使之能用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)離散的符號處理。問題求解系統(tǒng)設(shè)計(jì)人類行為理解6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境問題描述警方逮捕了A、B兩名嫌疑犯，但沒有足夠證據(jù)指控二人有罪。于是警方分開囚禁嫌疑犯，并向雙方提供以下相同的選擇（如表所示）：（1）如果一人認(rèn)罪并檢控對方（背叛），而對方保持沉默，則此人將獲釋，沉默者將判監(jiān)禁10年。（2）如果二人都保持沉默（合作），則二人同樣判監(jiān)1年。（3）如果二人都互相檢舉（背叛），則二人同樣判監(jiān)8年。策略A沉默（合作）A認(rèn)罪（背叛）B沉默（合作）二人同服刑1年A即時(shí)獲釋；B服刑10年B認(rèn)罪（背叛）A服刑10年；B即時(shí)獲釋A和B二人同服刑8年6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維囚徒困境——博弈策略建模囚徒的策略選擇困境兩名囚徒的選擇：（1）若對方沉默，背叛會讓我獲釋，所以我會選擇背叛（2）若對方背叛我，我也要指控對方才能得到較低刑期，所以選擇背叛結(jié)果：兩人都選擇背叛，結(jié)果二人服刑8年。如果兩個(gè)囚徒合作保持沉默，總體利益會更高。而兩個(gè)囚徒追求個(gè)人利益，選擇背叛時(shí)，總體利益較低。這就是困境所在。6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境的數(shù)學(xué)建模（1）策略的符號化將囚徒各種選擇獲得的收益和支付轉(zhuǎn)換為數(shù)值，獲得表所示符號表。符號分?jǐn)?shù)英文中文說明T5Temptation背叛收益單獨(dú)背叛成功所得R3Reward合作報(bào)酬共同合作所得P1Punishment背叛懲罰共同背叛所得S0Suckers受騙支付被單獨(dú)背叛所獲6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境的數(shù)學(xué)建模（2）建立收益和支付矩陣根據(jù)以下規(guī)則確定博弈雙方的收益和支付：一人背叛，一人合作時(shí)，背叛者得5分(背叛收益)，合作者得0分(受騙支付)；二人都合作時(shí)，雙方各得3分（合作報(bào)酬）；二人都背叛時(shí)，各得1分（背叛懲罰）。從表可見：5>3>1>0，得出：T>R>P>S。

6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維囚徒困境——博弈策略建模囚徒困境的數(shù)學(xué)建模（2）建立數(shù)學(xué)模型A=R，B=R時(shí)，A=3，B=3；A=T，B=S時(shí)，A=5，B=0；A=S，B=T時(shí)，A=0，B=5；A=P，B=P時(shí)，A=1，B=1。6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維利用計(jì)算手段來研究人類的行為，可視為社會計(jì)算，即通過各種信息技術(shù)手段，設(shè)計(jì)、實(shí)施和評估人與環(huán)境之間的交互。社會計(jì)算涉及人們的交互方式、社會群體的形態(tài)及其演化規(guī)律等問題。研究生命的起源與繁衍、理解人類的認(rèn)知能力、了解人類與環(huán)境的交互以及國家的福利與安全等，都屬于社會計(jì)算的范疇，這些都與計(jì)算思維密切相關(guān)。問題求解系統(tǒng)設(shè)計(jì)人類行為理解3.理解人類行為中的計(jì)算思維6.1.1走進(jìn)計(jì)算思維3.理解人類行為中的計(jì)算思維預(yù)置和緩存小學(xué)生早晨去學(xué)校時(shí)，她把當(dāng)天需要的東西放進(jìn)背包；回推小男孩弄丟他的手套時(shí)，你建議他沿走過的路回尋；多服務(wù)器系統(tǒng)的性能模型在超市付賬時(shí)你應(yīng)當(dāng)去排哪個(gè)隊(duì)呢？失敗的無關(guān)性和設(shè)計(jì)的冗余性為什么停電時(shí)你的電話仍然可用？TWO6.1.2計(jì)算思維的本質(zhì)6.1.2計(jì)算思維的本質(zhì)計(jì)算思維的本質(zhì)：抽象、自動化（程序、算法）重要理論抽象自動化6.1.2計(jì)算思維的本質(zhì)1概念化，不是程序化。抽象多層次思維計(jì)算機(jī)科學(xué)不等于計(jì)算機(jī)編程。所謂像計(jì)算機(jī)科學(xué)家那樣去思維，其含義不僅限于計(jì)算機(jī)編程，還要求能夠在抽象的多個(gè)層面上思維。6.1.2計(jì)算思維的本質(zhì)2是根本的而不是刻板的技能現(xiàn)代社會每個(gè)人都必須掌握的技能根本技能是每一個(gè)人為了在現(xiàn)代社會中發(fā)揮職能所必須掌握的?？贪寮寄芤馕吨鴻C(jī)械地重復(fù)。計(jì)算思維是一種創(chuàng)新能力。6.1.2計(jì)算思維的本質(zhì)3是人的思維，不是計(jì)算機(jī)的思維人類賦予計(jì)算機(jī)以激情創(chuàng)造性的使用計(jì)算機(jī)計(jì)算思維是人類求解問題的一條途徑，人類聰穎且富有想象力，人類賦予計(jì)算機(jī)以激情。配置了計(jì)算設(shè)備，就能用自己的智慧去解決那些計(jì)算時(shí)代之前不敢嘗試的問題。6.1.2計(jì)算思維的本質(zhì)4是思想，不是物品計(jì)算思維不是軟件、硬件等人造物品，而是設(shè)計(jì)和制造軟件、硬件過程中的思想，是計(jì)算這一概念用于求解問題、管理日常生活以及與他人進(jìn)行交流和互動的思想。6.1.2計(jì)算思維的本質(zhì)5是數(shù)學(xué)和工程思維的互補(bǔ)與融合計(jì)算機(jī)科學(xué)在本質(zhì)上源自數(shù)學(xué)思維，構(gòu)建虛擬世界的自由使我們能夠超越物理世界去打造各種系統(tǒng)。6.1.2計(jì)算思維的本質(zhì)6是面向所有地方的所有人計(jì)算思維已真正融入人類活動的整體，而不再表現(xiàn)為一種顯示哲學(xué)，它作為一個(gè)問題解決的有效供給，需要在所有地方、所有學(xué)校的課堂教學(xué)中都得到應(yīng)用。THREE6.1.3問題求解6.1.3問題求解計(jì)算思維是一種具有邏輯性和抽象化的科學(xué)計(jì)算的解決問題的能力，它包含四個(gè)方面，分別是分析分解、歸納抽象、算法設(shè)計(jì)、模式識別。6.1.3問題求解【例6-1-1】通過計(jì)算思維的分析分解、歸納抽象、算法設(shè)計(jì)和模式識別四個(gè)方面來解決“計(jì)劃旅行時(shí)間和費(fèi)用”問題。（1）分析分解。將“計(jì)劃旅行時(shí)間和費(fèi)用”分析分解為計(jì)算目的地距離、設(shè)計(jì)行程路線、估計(jì)交通和住宿費(fèi)用等小問題。通過對這些小問題的方案制定，可以更好的解決整個(gè)復(fù)雜問題。（2）歸納抽象。將“計(jì)劃旅行時(shí)間和費(fèi)用”問題歸納抽象為搜索旅游景點(diǎn)問題，行程路線規(guī)劃問題，費(fèi)用計(jì)算問題。（3）算法設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)相關(guān)的搜索算法，設(shè)計(jì)行程路