计算思维的基础知识

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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1.1 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。
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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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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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1.3 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。
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
学科：指高校中讲授或研究知识的分科。
计算学科/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学科。(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)
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。
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。
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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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。
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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1.1 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)
计算科学/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
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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计算思维是一种采用抽象和分解来控制庞杂的 任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是一种 基于关注点分离的方法。
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1.3 计算思维的概念
计算思维是一种选择合适的方式去陈述一个问题， 或对一个问题的相关方面建模并使其易于处理的 思维方法。 计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错和 纠错方式，从最坏情况进行系统恢复的一种思维 方法。 计算思维是利用启发式推理寻求解答，也即在不 确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。
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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。
计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和 空间之间，在处理能力和存储容量之间进行折中 的思维方法。
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1.3 计算思维的概念
1.概念化，不是程序化
三、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。
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。
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1.1 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。
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，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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