计算思维基础知识 第一章

计算科学是运用高级计算能力来理解和处理复杂问 2002 ：高性能计算系统--HPCS计划
我们相信计算科学是21世纪最重要的技术领域之一， 因为它对整个社会的进步都是十分重要的。计算科学为 研究者提供了一个独特的窗口，他们可以通过它来研究 那些不切实际或很难解决的问题，为高经济效益提供高 级工业方法，如高效设计比价格昂贵又费时的风洞试验 更有效的机翼计算试验。
1.3 计算思维的概念
针对上述定义解释如下： ①求解问题中的计算思维 利用计算手段求解问题的过程是：首先要把 实际的应用问题转换为数学问题，可能是一组偏 微分方程PDE，其次将PDE离散为一组代数方程组， 然后建立模型、设计算法和编程实现，最后在实 际的计算机中运行并求解。 前两步是计算思维中的抽象，后两步是计算 思维中的自动化。
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1.3 计算思维的概念
1.概念化，不是程序化
二、计算思维的特征
计算机科学不是计算机编程。像计算机科学家那 样去思维意味着远远不仅限于计算机编程，还要求能 够在抽象的多个层次上思维。计算机科学不只是关注 计算机，就像音乐产业不只是关注麦克风一样。 2.根本的，不是刻板的技能 计算思维是一种根本技能，是每一个人为了在现 代社会中发挥职能所必须掌握的。刻板的技能意味着 简单的机械重复。
1.2 思维与科学思维
3.思维的特征
特征 解释或说明
概括性 思维是在人的感性基础上，将一类事物的共 同本质的特征和规律抽取出来，加以概括。 如人们感知(日出东方、日落西山)，通过思 维概括揭示是地球自转的结果。 间接性 指非直接的，以其它事物做媒介来反映客观 事物。如根据医学知识和临床经验，医生询 问病史和辅助检查，判断病情，作出治疗。 能动性 不仅能认识和反映世界，而且还能对客观世 界进行改造。如人们不仅能认知宇宙速度， 还能制造宇宙飞船飞向太空。
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1.1 科学与计算科学
一、科学的概念 达尔文对科学定义：科学就是整理事实，从 中发现规律并做出结论。
达尔文的定义指出了 科学的内涵，即事实与规 律。科学要发现人所未知 的事实，并以此为依据， 实事求是。至于规律是指 客观事物之间内在的本质 的必然联系。
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1.1 科学与计算科学
计算学科是在数学和电子科学基础上发展起 来的一门新兴学科，它既是一门理论性很强的学 科，又是一门实践性很强的学科。
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1.1 科学与计算科学
三、计算机科学与计算机学科
计算机科学/Computer Science：研究计算机及 其周围各种现象和规律的科学。 分类：理论计算机科学、应用计算机科学。 计算机学科/Computer Discipline：即计算机科 学与技术，它是研究计算机的设计与制造和利用计算 机进行信息获取、表示、储存、处理、控制等的理论、 原则、方法和技术的学科。 计算机科学侧重研究现象与揭示规律。计算机技 术侧重研制计算机及使用计算机进行信息处理的方法 和技术手段。
1.1 科学与计算科学
二、计算科学与计算学科 计算科学/Computational Science：一种与 数学模型构建、定量分析方法以及利用计算机来 分析和解决科学问题的研究领域。(计算视角)
计算学科/Computing Science：应用高性能 计算能力预测和了解实际世界物质运动或复杂现 象演化规律的科学，它包括数值模拟、工程仿真 高效计算机系统和应用软件等。(计算机视角)
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1.2 思维与科学思维
4.思维的类型
不同分类方式 按照思维的进程方向 类别 横向思维、纵向思维 发散思维、收敛思维 按照思维的抽象程度 直观行动思维 具体形象思维 抽象逻辑思维 按照思维的形成和应用 科学思维 领域 日常思维
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1.2 思维与科学思维
1.1 科学与计算科学
爱因斯坦认为：设法将人们杂乱无 章的感觉经验加以整理，使之符合 逻辑一致的思想系统，就叫科学。
科学作为一种存在的事 物和完整的事物，是人类认 知的事物中最客观的。但科 学在形成过程中，作为追求 的目的，却如同人类的其他 认知一样，是主观的也是受 心理制约的。
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4.是思想，不是人造物
不只是将生产的软硬件等人造物到处呈现给我们 的生活，更重要的是计算概念，它被人们用来问题求 解、日常生活的管理，以及与他人进行交流和互动。
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1.3 计算思维的概念
5.数学和工程思维的互补与融合
计算机科学在本质上源自数学思维，它的形式化基 础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思 维，因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统。所 以设计思维是数学和工程思维的互补与融合。 6.面向所有的人，所有地方 当计算思维真正融入人类活动的整体时，它作为一 个问题解决的有效工具，人人都应当掌握，处处都会被 使用。
计算科学？数学？ 如何界定自然科学？物理学，化学，„„
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1.1 科学与计算科学
美国能源部报告认为：高端计算目前已经与理论研究、实验 手段一起，成为获得科学发现的三大支柱。因此，理论科学、实 验科学和计算科学是推动人类文明进步和科技发展的重要途径。
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1.3 计算思维的概念
三、计算思维的本质 抽象(Abstract)、自动化(Automation)。 它反映了计算的根本问题，即什么能被有效 地自动进行。
计算是抽象的自动执行，自动化需要某种计 算机去解释抽象。 从操作层面上讲，计算就是如何寻找一台计 算机去求解问题，隐含地说就是要确定合适的抽 象，选择合适的计算机去解释执行该抽象，后者 就是自动化。
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1.1 科学与计算科学
类别 解释或说明
自然科学 Natural Science
人文科学 humanities 社会科学 Social Science
以自然界为主要研究对象，运用实证、理性 和臻美等方法，揭示自然的奥秘，获取自然 的真知。 以人类作为主要研究对象，运用实地考察、 诠释和启示等方法，认识人、人性和人生的 意义，提升人的精神素质和思想境界。 以社会领域为主要研究对象，运用调查、统 计和归纳等方法，把握社会规律，解决社会 问题，促进社会进步。
计算思维 计算思维是思维过程或功能的计算模拟方法论，其 研究目的是提供适当的方法，使人们能借助计算机 逐步达到人工智能的较高目标。
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1.2 思维与科学思维
三种科学对应着三种思维： 理论科学←→理论思维 理论思维又称逻辑思维，它以推理和演绎为特征， 以数学学科为代表。 实验科学←→实验思维 实验思维又称实证思维，它以观察和总结自然规律 为特征，以物理学科为代表。 计算科学←→计算思维 计算思维又称构造思维，它以设计和构造为特征， 以计算机学科为代表。
1.1 科学与计算科学
美国《韦伯斯特新世界词典》对科学定义： 科学是从确定研究对象的性质和规律这一目的出 发，通过观察、调查和实验得到的系统知识。 中国《辞海》对科学定义：科学是运用范畴、 定理和定律等思维形式反映现实世界各种现象的 本质和运动规律的知识体系。
科学的定义：反映现实世界中各种现象及其客观规 律的知识体系。科学作为人类知识的最高形式，已 成为人类社会普遍的文化理念。
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1.3 计算思维的概念
③理解人类行为中的计算思维 王飞跃认为(中科院)：计算思维是基于可计 算的手段，以定量化的方式进行的思维过程。计 算思维就是应对信息时代新的社会动力学和人类 动力学所要求的思维。在人类的物理世界、精神 世界和人工世界等三个世界中，计算思维是建设 人工世界需要的主要思维方式。 利用计算手段来研究人类的行为，可视为社 会计算，即通过各种信息技术手段，设计、实施 和评估人与环境之间的交互。
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1Hale Waihona Puke 1 科学与计算科学类别 自然科学、社会科学、思维科学
科学的种类：
不同分类方式 按照研究对象的不同
按照与实践联系的不同 理论科学、技术科学、应用科学
按照人类对自然规律利 自然科学、实验科学 用的直接程度 按照人类目标的不同 广义的科学、狭义的科学
广义的科学概念是自然科学、人文科学和社会科学等所有 学科的总称，狭义的科学概念则专指自然科学，有时甚至 直指基础理论科学。
二、科学思维 科学思维：指理性认识及其过程，即经过感 性阶段获得的大量材料，通过整理和改造，形成 概念、判断和推理，以便反映事物本质和规律。
简而言之，科学思维是人脑对科学信息的加工活动。 科学思维的主要表现： ①科学的理性思维 ②科学的逻辑思维 ③科学的系统思维 ④科学的创造性思维
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1.1 科学与计算科学
1993 ：高性能计算与通信 --HPCC计划 2005 ：计算科学 --确保美国的竞争力报告建议：应将计 算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位。 1996：加速战略计算创新--ASCI计划
题的学科，已经成为对科学领导力、经济竞争力以及国 家安全都至关重要的一门科学。
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1.3 计算思维的概念
四、计算思维与计算机的关系
计算思维虽然具有计算机的许多特征，但是计算 思维本身并不是计算机的专属。实际上，即使没有计 算机，计算思维也会逐步发展，甚至有些内容与计算 机没有关系。但是，正是由于计算机的出现，给计算 思维的发展带来了根本性的变化。
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1.3 计算思维的概念
一、计算思维的定义 计算思维(Computational Thinking，CT) 周以真认为：计算思维是运用计算机科学的 基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为 的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。
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1.2 思维与科学思维
三、科学思维的分类
类别 解释或说明 理论思维 理论源于数学，理论思维支撑着所有的学科领域。 正如数学一样，定义是理论思维的灵魂，定理和证 明是其精髓，公理化方法是最重要的理论思维方法 实验思维 实验思维的先驱是意大利科学家伽利略，被人们誉 为“近代科学之父”。与理论思维不同，实验思维 往往需要借助于某些特定的设备，使用它们来获取 数据以便进行分析。
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1.2 思维与科学思维
一、思维的概念 思维是精神地球上最美丽的花朵。 1.思维的定义 思维是人脑对客观事物的一种概括的、间 接的反映，它反映客观事物的本质和规律。 2.思维的组成 思维原料(自然界)、思维主体(人脑) 思维工具(认识的反映形式)
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1.3 计算思维的概念
3.是人的，不是计算机的思维
计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要 使人类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人 类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情。计算 机赋予人类强大的计算能力，人类应该好好的利用这 种力量去解决各种需要大量计算的问题。
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1.3 计算思维的概念
②设计系统中的计算思维 R.Karp认为：任何自然系统和社会系统都可 视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量 和信息的交换，这种交换可以映射为符号变换， 使之能用计算机进行离散的符号处理。 当动态演化系统抽象为离散符号系统后，就 可以采用形式化的规范描述，建立模型、设计算 法和开发软件来揭示演化的规律，实时控制系统 的演化并自动执行。
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1.1 科学与计算科学
学科：指高校中讲授或研究知识的分科。
计算科学/Computational Discipline:利用 计算科学对其他学科中的问题进行计算机模拟或 者其他形式的计算而形成的诸如计算物理、计算 化学等学科统称为计算科学。(计算视角)
计算学科/Computing Discipline:是对描述 和变换信息的算法过程进行系统的研究，它包括 算法过程的理论、分析、设计、效率分析、实现 和应用等。(计算机视角)