计算思维的理解

计算思维的理解、必要性及其应用实例分析

1·计算思维的理解

1.计算思维的概念

2006年卡基梅陇大学周以真教授发表了一篇影响深远的题为《computational thinking》的论文，将“计算思维”这一由来已久但很陌生的词语展现给世人。文中，她使用了”硬科学”的术语对计算思维进行了描述。

我个人总结为：计算思维是一种基于数学与工程、以抽象和自动化为核心的、用于解决问题、设计程序、理解人类行为的概念。这里请注意，计算思维是一种思维，它以程序为载体，但不仅仅是编程。它着重于解决人类与机器各自计算的优势以及问题的可计算性。人类的解决思维是用有限的步骤去解决问题，讲究优化与简洁；而计算机可以从事大量的重复的精确的运算，并乐此不疲。（我是说，假如运算的循环没有造成它的机器故障的话。）那么，这个问题是否不一定需要最精确的计算而只要求满足一定的精度？如果是，就可以用计算机来计算。那么那些事可计算的，可计算性有七大原则：程序运行、传递、协调、记忆、自动化、评估与设计。【1】

2.四色问题的解决

计算思维的优势最典型的体现莫过于“四色问题”的解决：

四色问题是公认的数学难题，经历几个世纪，经历数百位数学家的努力，它仍巍然不动。后来有数学家提出四色问题可以进行分类讨论。只不过嘛，虽然这位数学家明确指出，分类的状况是有限的，仍然数字巨大，非人力所能及。而后来美国伊利诺伊大学哈肯与阿佩尔利用计算机程序对这有限而众多的情况进行了计算分析，凭借计算机“不畏重复不惧枯燥”、快速高效的优势证明了四色定理。

3.计算思维的人机分工

在计算思维的概念中，我们可以通过消减，嵌入，转换与模拟对问题进行处理，化难为易。将复杂的问题分解成简单的问题，把复杂而枯燥需要精确计算的任务交给计算机，人去解决那些被化为可以解决的问题。同时，我们可以将简单的程序、系统进行组合，得到复杂的系统发挥更大的作用。而为了达到这一目的，我们需要与计算机交流，我们需要将现象转化为符号，以便于计算机理解，同时我们将其抽象赋予不同的含义，之后通过编程赋予计算机以“思维”，让它自动地进行运行，得到新的东西，这个过程我将之称为创造。编程只是读写水平，理解系统是流畅水平而知道如何应用，如何将计算机技术用于自己从事的领域，这就是计算思维。【2】

2.重要性

1.由来

计算思维由来已久，最早可以追溯到利用计算机技术计算火炮杀伤范围来支援炮兵，之后随着硬件技术按照摩尔定律不停地发展，计算机语言越来越高级，计算机的功能越来越强大。计算机技术走进各个领域，计算机科学家与其他领域科学家一起合作，解决了许多其他领域的难题。生物领域中，科学家利用计算机模拟细胞间蛋白质的交换，基因研究者利用计算机技术发现了控制西红柿大小的基因与人体癌症的控制基因拥有相似性。生态学家利用计算机技术构建模型以研究全球气候变暖问题 (3)

2.生活的要求

与此同时，随着计算机微型化，智能化的发展，计算机已经与人们的日常生活息息相关，通信技术的发展迅速，物联网的出现，RFI技术设想的提出与应用······我们的生活已离不开计算机，难道我们不应该了解它吗？

3.科研的必要

对于各个想要在自己领域有一定成就的人来说，计算思维必不可少。一支笔，一张纸的时代已经结束，现在的研究不再仅仅是通过现象或需求而进行研究其本质，通过抽象，我们建立模型。通过自动化，我们模拟随机性。科学研究已经不再是简单的对规律进行概括，在限定范围内进行推演。我们可以创造，“无中生有”。我们可以凭借计算机的可大量重复的高效优势预测所有结果。例如，我们可以将基因编码，对其进行组合，从而创造新的基因，对其进行挑选以达成人类的要求。

4.一种基本技巧

当今时代，没有文明人可以离开计算机独立生活，（比如，打电话你就搞不定），计算思维的普及是跨学科、跨领域合作的要求。因此，周以真教授在她的论文中说：

Computational thinking is a fundamental skill for everyone, not just for computer scientists.To reading，writing，and arithmetic,we should aa computer thinking to every child’analytical ability.Just as the printing press facilitated the spread of the three Rs,what is appropriately incestuous about this vision is that computing and computers facilitate the spread of computational thinking.【4】所以我们要重视计算思维的培养与推广，使得计算思维真正成为人类的一项基本的思维能力，从而促进人类智力的提升。

3.应用实例

1.“专家”大众化

日常生活中，我们频繁地使用家用电器。以微波炉为例，使用微波炉的家庭主妇恐怕没有几个能深入了解微波的加热原理、电路通断的控制、计时器的使用等等，但这不意味着她们不能加热食品。那些复杂难懂的理论以及操作系统由专家和技术人员进行处理。他们将电器元件封装起来，复杂的理论被简化成说明书上通俗易懂的操作操作步骤。是的，使用微波，控制电路，这些是一般人无法解决的。然而当那些电路的通断、产生的现象被抽象以后，我们就可以仅凭那些按钮去操作，并且可以预见它产生的结果。通过抽象，复杂的问题被转化为可解决的问题。所有可能用到的程序都被提前储存起来，主妇的指令通过按钮转化为信号从而调用程序进行执行，自动地控制电路的开合、微波的发射，最后将信号转化为热量。

2.“大师”普遍化

音乐的欣赏也是人们娱乐的一个重要组成部分。《命运交响曲》、《蓝色多瑙河》、《安魂曲》······大师的作品令人陶醉。许多人苦于不识音律，无法谱出自己的乐曲，（噪音偏多）。而现在随着计算机技术的发展，不识音律者也可以园谱曲之梦。简单地以诺基亚手机上的自谱铃声来说，计算机事先将音乐转化为符号，并将其运行程序储存起来，用户键入音符时，会在提示下键入符合声乐规律的符号，（一个避免噪声的很有效的措施），用户将符号进行组合，然后计算机将之转化为声音输出出来。声音被抽象为符号，避免了不会操纵乐器的尴尬，而正常情况下，每个人都可以操纵按键。在用户输入后，计算机自动地提示并执行。这一过程中，声乐（数据）被转化为符号，符号有被转化为声乐（数