1、计算思维：计算思维：大学计算教育振兴大学计算教育振兴 科学工程研究创新科学工程研究创新陈国良南京邮电大学1/38摘要：本汇报首先简单介绍一下科学与思维概念、二者关系以及科学思维是一切科学与技术创新灵魂；然后详细讲解计算思维定义、实例、特征以及对其它学科影响；最终阐述计算思维是振兴大学计算教育路径以及计算思维促使科学与工程领域产生革命性创新结果。2/382目录一.科学与思维1.科学与思维含义2.人类文明进步和科学发觉三大科学3.科学思维二.计算思维1.计算思维定义2.计算思维例子3.计算思维特征4.计算思维对其它学科影响三.计算思维是大学计算教育振兴路径1.大学计算机基础教育主要性2.大学计算机
2、基础教学存在问题3.计算思维在美国：PITAC汇报，BPC、CPATH和CE21计划4.计算思维在我国：中国高等学校计算机基础课程教指委工作5.实例研究：大学计算思维课程总体框架四.计算思维与科学发觉和技术创新1.美国NSFEHR&CISE学部2.对计算思维深入了解3.问题求解、系统设计和行为了解中计算思维4.美国CISE局开启CDI计划5.研究示例：网络科学与虚拟试验室6.计算思维研究在我国五.结论3/383一、科学与思维(1)1.科学与思维含义(1)科学达尔文曾给科学下过一个定义：“科学就是整理事实，从中发觉规律，科学就是整理事实，从中发觉规律，作出结论作出结论”。科学普通包含：自然科学自
3、然科学、社会科学社会科学和思维科学思维科学。(2)思维思维是高级心理活动，是认识高级形式。思维是人脑对现实事物概括、加工、揭露本质特征。人脑对信息处理包含分析、抽象、综合、概括等。2.人类文明进步和科学发觉三大科学(1)(1)理论科学理论科学、试验科学试验科学和计算科学计算科学作为科学发觉三大支柱，正推进着人类文明进步和科技发展。(2)该说法已被科学文件广泛引用，并在美国得到国会听证、联邦和私人企业汇报承同。4/384一、科学与思维(2)3.科学思维(1)科学思维含义及主要性：普通指是理性认识及其过程，也即经过感性阶段取得大量材料，经过整理和改造，形成概念、判断和推理，以反应事物本质和规律。国
4、科发财197号文关于创新方法工作若干意见认为“科学思维不但是一切科学研究和技术发展起点发展起点，而且一直贯通于科学研究和技术发展全过程，是创新灵魂创新灵魂”。(2)科学思维普通包含：理论思维理论思维：理论源于数学，理论思维支撑着全部学科领域。正如数学一样，定义定义是理论思维灵魂，定理定理和证实是它精华。公理化公理化方法是最主要理论思维方法。试验思维试验思维：试验思维先驱是意大利科学家伽利略，被人们誉为“近代科学之父”。与理论思维不一样，试验思维往往需要借助于一些特定设备特定设备，并用它们来获取数据以供以后分析。计算思维计算思维：计算思维是利用计算机科学计算机科学基础概念进行问题求解、系统设计以
5、及人类行为了解涵盖了计算机科学之广度一系列思维活动。5/385二、计算思维(1)1.计算思维定义：计算思维计算思维(Computational Thinking，CT)是利用计算基础概念(Fundamental Concept)去求解问题、设计系统和了解人类行为一个方法(Approach)。CT本质本质是抽象(Abstract)和自动化(Automation)。它是如同全部些人都具备“读、写、算读、写、算”（简称（简称3R3R）能力一样，都必须具备思维能力。2.计算思维例子：计算思维是经过约简约简、嵌入嵌入、转化转化和仿真仿真等方法，把一个困难问题阐释成怎样求解它思维方法。计算思维是一个递归思
6、维递归思维，是一个并行处理并行处理，是一个把代码译成数据又能把数据译成代码，是一个多维分析推广类型检验方法。计算思维是一个采取抽象抽象和分解分解方法来控制庞杂任务或进行巨型复杂系统设计，是基于关注点分离方法（SoC方法）。计算思维是一个选择适当方式陈说陈说一个问题，或对一个问题相关方面建模建模使其易于处理思维方法。计算思维是按照预防预防、保护保护及经过冗余冗余、容错容错、纠错纠错方式，并从最坏情况进行系统恢复一个思维方法。计算思维是利用启发式启发式推理寻求解答，即在不确定情况下规划、学习和调度思维方法。计算思维是利用海量数据海量数据来加紧计算，在时间和空间之间、在处理能力和存放容量之间进行折衷
7、思维方法。.6/386二、计算思维(2)3.计算思维特征：概念化，不是程序化概念化，不是程序化计算机科学不是计算机编程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止能为计算机编程，还要求能够在抽象多个层次上思维。计算机科学不只是关于计算机，就像音乐产业不只是关于麦克风一样。根本，不是刻板技能根本，不是刻板技能计算思维是一个根本技能，是每一个人为了在当代社会中发挥职能所必须掌握。刻板技能意味着简单机械重复。人，不是计算机思维人，不是计算机思维计算思维是人类求解问题一条路径，但决非要使人类像计算机那样地思索。计算机枯燥且沉闷，人类聪明且富有想象力。是人类赋予计算机激情。计算机赋予
8、人类强大计算能力，人类应该好好利用这种力量去处理各种需要大量计算问题。是思想，不是人造品是思想，不是人造品不只是将我们生产软硬件等人造物处处展现给我们生活，更主要是计算概念，它被人们用来问题求解、日常生活管理，以及与他人进行交流和互动。7/387二、计算思维(3)数学和工程思维互补与融合数学和工程思维互补与融合计算机科学在本质上源自数学思维，它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，因为我们建造是能够与实际世界互动系统。所以计算思维是数学和工程思维互补与融合。面向全部人，全部地方面向全部人，全部地方当计算思维真正融入人类活动整体时，它作为一个问题处理有效工具，人人都应该掌握
9、，处处都会被使用。4.计算思维对其它学科影响：(1)实际上，我们已经见证了计算思维对其它学科影响。比如：计算生物学正在改变着生物学家思索方式；计算博弈理论正在改变着经济学家思索方式；纳米计算正在改变着化学家思索方式；量子计算正在改变着物理学家思索方式等等。(2)计算思维正在渗透到各个学科中，诸如算法和数据结构这么术语将成为不一样学科领域工作者日惯用语，把树倒过来画已经习认为常，什么“非确定随机算法”、“垃圾搜集”这么术语都已司空见惯了等等。8/388二、计算思维(4)(3)举例：生物生物：霰弹枪算法（Shotgun algorithm）大大提升了人类基因组测序速度蛋白质结构能够用绳结来模拟蛋白
10、质动力学能够用计算过程来模拟细胞和电路类似，是一个自动调整系统脑科学脑科学：人脑能够看作是一台计算机视觉是一个反馈循环/用机器学习方法分析功效核磁共振（fMRI）数据化学化学：用原子计算探索化学现象用优化和搜索算法寻找优化化学反应条件和提升产量物质 地质学地质学：“地球是一台模拟计算机”(Boulton,Edinburgh)用抽象边界和复杂性层次模拟地球和大气层数学数学：发觉 E8李群（E8LieGroup）:18位数学家，4年零77小时超级计算机机时（2千亿个数字）证实四色定理9/389二、计算思维(5)工程工程 (电子、土木、机械、航空航天等电子、土木、机械、航空航天等)：计算高阶项能够提
11、升精度，进而降低重量、降低浪费并节约制造成本波音777飞机完全是采取计算机模拟测试，没有经过风洞测试经济学经济学：自动设计机制在电子商务中广泛采取(广告投放、在线拍卖、肾源交换等)很多麻省理工学院计算机科学博士在华尔街作金融分析师社会科学社会科学：社交网络是MySpace和YouTube等发展壮大原因之一统计机器学习被用于推荐和声誉排名系统，比如Netflix和联名信用卡等医疗医疗：机器人手术电子病历系统需要隐私保护技术 可视化技术使虚拟结肠镜检验成为可能法学法学：斯坦福大学CL方法包含了人工智能、时序逻辑、状态机、进程代数、Petri网等方面内容欺诈调查方面POIROT 项目为欧洲法律系统建
12、立了一个详细本体论结构关于犯罪现场调查福尔摩斯项目10/3810二、计算思维(6)娱乐娱乐：游戏电影梦工厂用惠普数据中心进行电影“怪物史莱克”和“马达加斯加”渲染工作卢卡斯电影企业用一个包含200个节点数据中心制作电影“加勒比海盗”艺术艺术：艺术(如喷绘机器人Robotticelli)戏剧音乐摄影 体育体育：阿姆斯特朗自行车载计算机追踪人车统计数据SynergySports企业对NBA视频进行分析 教育方面启示教育方面启示：大学应该从新生课程入手-教授“象计算机科学家一样思索”课程，而不是“某程序设计”课程让国家和国际组织参加到教学改革中，尤其是K-12、ACM、CSTA、CRA等 模拟模拟：
13、核试验模拟/利用Exascale计算对能源和环境进行建模和模拟基于高性能计算机用计算科学模拟飓风，使科学家能够看到飓风内部 地震能否被有效模拟和预测？地震能否被有效模拟和预测？11/3811三、计算思维是大学计算教育振兴路径(1)1.大学计算机基础教育主要性(1)大学通识教育通识教育（Liberal Studies）是大学人才培养主要任务大学教育不能局限于基本知识传授，要培养：学生理性思维能力思维能力学生对科学精神科学精神追求学生高尚人格高尚人格通识教育三大特征（复旦杨玉良校长）通识教育要同时传递科学精神科学精神和人文精神人文精神通识教育要展现不一样文化、不一样学科思维方式思维方式通识教育要充
14、分展现学术魅力学术魅力大学计算机教育三种能力培养使用计算机基本能力基本能力（Computer Literacy）培养了解计算机系统熟练能力熟练能力（Computer Fluency）培养训练有素计算思维能力计算思维能力（Computational Thinking）培养(2)计算思维能力培养是大学通识教育主要组成部分国家明确定位计算机基础课程是和数学、物理等同地位基础课程基础课程。计算机不但为不一样专业提供了处理专业问题有效方法和伎俩，而且提供了一个独特处理问题思维方式思维方式。熟悉使用计算机及互联网，为人们终生学习提供了辽阔空间以及良好学习工具与环境。12/3812三、计算思维是大学计算教育
15、振兴路径(2)2.大学计算机基础教学存在问题(1)计算机教育危机因特网普遍发展，使计算机科学与技术展现了泛在化泛在化、平民化平民化趋势。计算机易用性和本身技术巨大进步，使很多人质疑大学计算机教育必要性。很多人将计算机科学等同于计算机编程，淡化了淡化了计算机科学意义科学意义，减弱了减弱了计算机学科内涵计算机学科内涵。(2)我国情况“狭义工具论狭义工具论”课程：“狭义工具论”认为教计算机基础就是教些计算机工具及其使用方法。“浓缩版浓缩版”教材：教材基本上是相关领域浓缩版，学生进入大学后，对第一门计算机课程兴趣不大，逃课率相当高。计算机基础课教学课时被压缩压缩，教学资源配置不充分，课程面临被淘汰淘汰
16、危危机。机。13/3813三、计算思维是大学计算教育振兴路径(3)(3)美国情况学生学习计算机课程情况学生学习计算机课程情况：年11月，美国Naval Postgraduate SchoolPeter Denning教授在CACM上发表Great Principles of Computing一文介绍了这种情况：在大学第一门计算机课程（主要指“程序设计语言”作为第一门计算机课程）学习过程中，有35-50%35-50%学生中途放弃学生中途放弃。另外，不少学生还经过剽窃或者是作弊作弊方式来完成课程。毕业生工资情况：年11月，美国ComputingResearchNews登载一篇名为科学与工程专业毕
17、业生工资汇报：早期，在美国科学领域各学科中，计算机与信息科学专业毕业生平均年工资最高，学士人均年工资为45,000美元，硕士人均60,000美元。14/3814三、计算思维是大学计算教育振兴路径(4)学生主修计算机专业情况：加州大学洛杉矶分校发觉学生对计算专业兴趣波动很大，后普遍下降后普遍下降。15/3815三、计算思维是大学计算教育振兴路径(5)3.计算思维在美国(1)计算思维在美国产生背景：PITAC汇报年6月，美国总统信息技术咨询委员会美国总统信息技术咨询委员会(Presidents Information Technology Advisory Committee，PITAC)给美国总
18、统提交了汇报计算科计算科学学：确保美国竞争力确保美国竞争力(Computational Science:Ensuring Americas Competitiveness)。汇报陈说汇报陈说：即使计算本身也是一门学科，不过其含有促进促进其它学科发展作用发展作用。二十一世纪科学上最主要、经济上最有前途研究前沿都有可能经过熟练掌握有可能经过熟练掌握先进计算技术和利用计算科学而得到处理先进计算技术和利用计算科学而得到处理。汇报认为汇报认为：如今美国又一次面临了挑战面临了挑战，这一次挑战比以往来得愈加广泛、复杂，也更具长久性。美国还没有认识到计算科学还没有认识到计算科学在社会科学、生物医学、工程研究、
19、国家安全，以及工业改革中中心位置中心位置。这种认识不足将危及危及美国科学领导地位领导地位、经济竞争力经济竞争力以及国家安全国家安全。汇报提议汇报提议：将计算科学长久置于长久置于国家科学与技术领域中心领导地位领导地位。16/3816三、计算思维是大学计算教育振兴路径(6)(2)美国NSFBPCBPC(Broadening Participation in Computing)计划美国NSF计算机与信息科学和工程CISECISE(Computer&Information Science&Engineering)学部年率先开启了“扩大计算参加面扩大计算参加面”计划，它经过扩大计算参加对象，使更多人，
20、尤其是美国少数民族和妇女受益。(3)美国NSFCPATHCPATH(CISE Pathways to Revitalized undergraduate Computing Education)计划目标促成造就含有基本计算思维能力、在全球有竞争力美国劳动大军劳动大军，确保美国在全球创新企业领导地位。将计算思维计算思维学习机会融入融入到计算机、信息科学、工程技术和其它领域本科教育中，以增强开发增强开发含有计算思维能力学生人数学生人数。展示突破性、可在多类学校中推广、以计算思维为关键本科教育模式本科教育模式。现实状况CPATH计划认为：尽管有研究机构和大学对此做出了卓越、开创性工作，但当前美国更多
21、大学计算教育依然沿袭是几十年前教学模式大学计算教育依然沿袭是几十年前教学模式。17/3817三、计算思维是大学计算教育振兴路径(7)CPATH项目：年开启，当年投入600万美元年投入500万美元年投入1000万美元CPATH项目情况介绍：.4-.4共同意26项，其中CT with K-12 Connection 4项CT in STEM(Science,Technology,Engineering and Mathematics)Disciplines 4项CT across All Disciplines 4项Tools&Resources for Undergraduate Computi
22、ng Education 3项CT in Computing Science&Engineering 11项(4)美国NSFCE21CE21(Computing Education for 21st Century)计划年度NSF开启了CE21计划，计划是建立在CPATH计划成功基础上，其目标是提升K-14（中小学和大学一、二年级）老师与学生计算思维能力。18/3818三、计算思维是大学计算教育振兴路径(8)4.计算思维在我国(1)中国高等学校计算机基础课程教指委近期工作.05：在合肥合肥会议上讨论了讨论了培养高素质研究性人才，“计算机基础”这门课程应该包含哪些内容，怎样将计算思维融入到这门课
23、程中？.07：在西安西安会议上发表了发表了九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合申明，确定了确定了以计算思维为关键计算机基础课程教学改革。.09：在太原太原会议上决定了决定了将合肥会议和西安会议中相关计算思维讨论形成书面材料，以“计算思维：确保学生创新能力”为主题向教育部领导谏言和申请立项研究。.11：在济南济南会议上，将在全国更大范围内，深入讨论以计算思维为关键基础课教学改革，并将太原会议初步材料加以讨论和修改后正式上报教育部袁贵仁部长，并“以计算思维能力培养为关键推进大学通识教育改革研究与实践”为项目，提议立项研究提议立项研究。.06：在北京北京“以计算思维为导向计算机基础课程建设”研
24、讨会上，组织相关高校围绕“计算思维实质”和“怎样在计算机基础教学第一门课程中表达计算思维能力培养”进行了广泛讨论。19/3819三、计算思维是大学计算教育振兴路径(9).08：在深圳深圳召开了计算机基础课程教指委高层研讨会（第6次工作会议），主要研究以计算思维为主题向教育部、科技部、国家自然基金委申请立项研究申请立项研究计算思维事宜。.11：在杭州杭州召开了计算机基础课程教指委第7次工作会议，主要审定第6次工作会议确定三个立项汇报，最终向教育部、科技部、国家自然基金委提交正式申请汇报。.01：在深圳召开了计算机基础课程教指委第8次工作会议，会议期间举行了“计算机素质教育论坛”，深入交流了大学计
25、算机素质教育方方面面，探讨了计算文化、计算科学、计算思维在大学计算机素质教育中主要作用。.03：在深圳大学召开了教指委第九次工作会议，集中讨论了“基于计算思维复杂系统计算抽象理论与方法”重大项目立项提议审定工作，会议决定在再次修改后于3月底正式向国家自然基金委提交。.05：在西安(2)计算思维课程在部分中国高校中正式开始实践年秋季，在上海交通大学年春季，在南方科技大学年春季，在西安交通大学年秋季，在深圳大学20/3820三、计算思维是大学计算教育振兴路径(10)5.实例研究：大学计算思维课程总体框架(1)基本框架计算理论：可计算性与计算复杂性。算法和通用程序设计语言。实践基础：计算机硬件和软件
26、最小知识集。(2)内容规划计算思维基础知识基本概念基本概念：什么是科学、思维、学科？科学与思维，理论思维，试验思维，计算思维。科学发觉第三支柱科学发觉第三支柱：科学发觉三大支柱（理论科学、试验科学、计算科学），计算科学作用（PITAC 汇报），名人名言（H.Davy,化学家)。计算科学与计算机科学以及计算机学科：计算科学与计算机科学以及计算机学科：什么是计算科学？什么是计算机科学？什么是计算机学科？计算机学科发展历程（EE、CE、CS、SE、IT、IS）。计算思维：计算思维：什么是计算思维？例子、主要特征（它是什么？它不是什么？）、对其它学科影响（生物学、脑科学、化学、地质学、数学、工程技术、
27、经济学、社会科学、医学、法律、娱乐、艺术、体育、教育）。热身问题：热身问题：20次猜测、七桥问题、国王婚姻、汉诺塔、旅行商问题21/3821三、计算思维是大学计算教育振兴路径(11)计算理论和计算模型人类对计算本质认识过程人类对计算本质认识过程计算伎俩应该器械化器械化（算盘、手摇计算机、微分机、模拟机等）计算过程应该形式化形式化（图灵模型）计算执行应该自动化自动化（冯诺依曼模型）计算理论计算理论函数及其计算图灵机通用Bare Bones语言不可计算函数与停机问题计算复杂性（多项式与多项式函数，P类问题，NP类问题，NPC类问题）冯冯诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型计算机体系结构-机器指令与机器
28、语言汇编语言程序执行举例-虚拟机计算数学理论计算数学理论计算理论计算理论：包含算法理论、可计算性理论、计算复杂性理论等。高等逻辑高等逻辑：包含模型论（研究逻辑系统语义，结构形式系统模型）和非经典逻辑（研究时序逻辑、模态逻辑、概率逻辑、含糊逻辑、归纳逻辑、非单调逻辑等）。形式语言与自动机形式语言与自动机：包含形式语言（研究语言语法(词法和文法)和结构性结构）和自动机（研究各种能自动处理符号数学机器）。形式语义学形式语义学：主要指用数学方法研究计算机程序设计语言语义（包含操作语义、指称语义、公理语义和代数语义等）。计算机科学数学基础：离散数学计算机科学数学基础：离散数学数理逻辑数理逻辑：包含命题逻
29、辑概念、等值演算与推理，一阶逻辑概念、等值演算与推理等。集合论集合论：包含集合代数，二元关系，函数和集合基数等。代数系统代数系统：包含代数系统群、环、域，格与布尔代数等。图论图论：包含图基本概念（通路、回路、连通性、矩阵表示等）、欧拉图与哈密尔顿圈，树，平面图及图着色，支配集、覆盖集、独立集与匹配等。22/3822三、计算思维是大学计算教育振兴路径(12)算法基础算法历史算法历史算法定义和特征算法定义和特征定义（求解问题方法和步骤）特征（确定性、有穷性、可行性、输入/输出量等）基本表示基本表示自然语言、流程图、伪代码、程序语言算法设计算法设计数值算法与非数值算法设计，确定性算法与随机算法设计算
30、法分析算法分析复杂度度量（时间复杂度、空间复杂度等）复杂度分析（最坏情况分析、平均情况分析）复杂度函数（上界、下界、准确界函数）23/3823三、计算思维是大学计算教育振兴路径(13)通用程序设计语言目标与作用：表达算法原理，表述算法实现步骤。不要求语言在机器上编译运行。类-Algol语言：不要求变量类型说明等语句。含有描述算法实现最基本语句：赋值语句、循环控制语句、基本运算语句等。BareBones基本语言含有最基本运算语句：清零、增一、减一、循环控制等语句。含有通用性：能表示图灵可计算函数，依据丘奇-图灵论题，任何可计算函数均可用BareBones语言编写程序。Haskell纯函数语言不一
31、样于描述计算怎样进行命令式命令式（Imperative）语言（C、Java、ada、pascal）。函数式语言函数式语言（FunctionalLanguage）（Lisp、Haskell、Ocam）是定义怎样将输入数据转换为输出数据计算什么语言。命令式语言Haskell语言total=0for(i=1;i=10;i+)sum1.10 total+=i24/3824三、计算思维是大学计算教育振兴路径(14)计算机硬件基础布尔逻辑与门电路布尔逻辑与门电路布尔逻辑和运算门电路基础数制与运算数制与运算各种数制转换数据存放与表示数据存放与表示存放容量单位ASCII码原码、反码和补码计算机组成计算机组成C
32、PU主存、外存和存放体系I/O设备指令系统及执行指令系统及执行25/3825三、计算思维是大学计算教育振兴路径(15)计算机软件基础软件分类软件分类操作系统操作系统操作系统定义和功效操作系统历史、分类和常见操作系统竞争控制数据库系统数据库系统数据库系统基础关系模型数据挖掘入门办公软件介绍办公软件介绍WordExcelPowerPointAccess(3)教学步骤课堂讲授：自编参考教材课堂练习：不掉电计算机科学课堂讨论：拓展知识、前沿课程考评：笔试 口试 小论文26/3826四、计算思维与科学发觉和技术创新(1)1.美国NSFEHR&CISE学部：(1)美国NSFEHREHR(Education
33、&Human Resources)局使命为21世纪培养和造就科学家培养和造就科学家、技术人员、工程师、数学家和教育工作者等范围广泛、训练有素劳动大军训练有素劳动大军，以及含有科学素质、能够把握科学技术思想和工具当代公民当代公民。支持全部科学与工程领域中教育、研究以及基础设施（Infrastructure）开发。提升全体公民生活质量生活质量，提升国家健康、繁荣、福祉和安全。(2)美国NSFCISECISE(Computer&Information Science&Engineering)局使命在计算机与信息科学及工程方面使美国保持世界领先地位世界领先地位。促使了解和利用先进计算机、通信和信息系统
34、，为全社会提供服务提供服务。27/3827四、计算思维与科学发觉和技术创新(2)2.对计算思维深入了解：(1)计算思维是利用泛指计算（CS、CE、C、IS、IT等）基础概念，求解问题、设计系统、了解人类行为一个方法方法（Approach），是一类Analytical Thinking。它适用（Share）了数学思维（求解问题方法）、工程思维（设计、评价大型复杂系统）和科学思维（了解可计算性、智能、心理 和人类行为）。(2)计算时抽象概念比数学、物理科学中意义要丰富和复杂；抽象是分层（为此要定义介面和关系）；抽象最终要在受限物理世界中实现；Abstractions are the mental
35、tools of computing.The power of the mental tools is amplified by the power of metal tools。(3)计算是抽象自动执行；自动化隐含着需要某类计算机（能够是机器或人，或二者组合）去解释抽象。(4)从操作侧面上，计算包括到回答“怎样寻找一台计算机去求解问题？”隐含地回答此问题就是确定适当抽象，选择适当某类计算机去解释执行该抽象，后者过程就是自动化。所以计算思维本质是抽象与自动化（2A）。(5)计算三种驱动力是科学、技术和社会，三者相互作用影响：科学发觉催生技术创造促进社会应用；反之，技术创造产生新社会应用促进新科
36、学发觉。28/3828四、计算思维与科学发觉和技术创新(3)3.问题求解、系统设计和行为了解中计算思维(1)求解问题中计算思维利用计算伎俩求解问题过程首先要把实际应用问题转换转换为数学问题（可能是一组PDE）其次将PDE方程离散化离散化为一组代数方程组然后建立模型、设计算法、编程实现实现最终在详细计算机上运行运行求解计算求解问题过程中计算思维中前两步可谓是计算思维中抽象抽象(Abstract)中后两步可谓是计算思维中自动自动(Atomation)(2)设计系统中计算思维Karp观点：任何自然系统和社会系统都可视为一个动态演化系统，演化伴伴随物质、能量和信息交换，这种交换可映射（也就是抽象）为符
37、号变换，使之能利用计算机进行离散符号处理。当动态演化系统抽象抽象为离散符号系统之后，就可采取形式化规范描述，建立模型、设计算法、开发软件，来揭示演化规律，并实时控制系统演化，自动自动执行，这就是计算思维中自动化自动化。29/3829四、计算思维与科学发觉和技术创新(4)(3)了解人类行为中计算思维（利用计算基础概念-计算机网络科学去了解人在网络环境下行为）人类所处环境变迁与人类行为表现封建社会自给自足封闭式环境资本主义社会开放环境近代社会网络环境利用计算伎俩来研究人类行为，可视为社会计算(Cyber-SocietyComputing)，即经过各种信息技术伎俩，设计、实施和评定人与环境之间交互。
38、社会计算包括到人们交互方式、社会群体形态及其演化规律等问题。硕士命起源与繁衍，了解人类认识能力，了解人类与环境交互，研究传染病毒结构与传输以及国家福利与安全等等都属社会计算范围，这些都与（计算）思维科学亲密相关。使用计算思维观点对当前社会计算中一些关键问题进行分析与建模，尝试从计算思维角度重新认识社会计算，找出新问题、新观点和新方法等。30/3830四、计算思维与科学发觉和技术创新(5)4.美国CISE局开启CDI(Cyber-EnabledDiscoveryandInnovation)计划(1)目标、项目与财年 年NSF开启了“经过网络实现科学发觉与技术创新经过网络实现科学发觉与技术创新”(
39、CDI)5年研究计划，是实现计算思维第一个美国NSF重大计划。目标目标：经过计算思维创新和进步创新和进步（包含概念、方法、模型、算法、工具和系统等），对科学与工程领域产生新了解新了解、新模式新模式，创造革命性研究研究结果结果。项目与财年项目与财年：年同意了共72个项目，经费为4200万美元；年投入了3300万美元；年预算为5000万美元，后增加了1637万美元。(2)年度CDI计划“网络物理系统网络物理系统”（CPS）：CPS包含自动汽车、智能高效能建筑物、嵌入式医疗设备、辅助老年人技术、提升生活质量机器人等。数据密集型计算数据密集型计算探索新基础数学和计算抽象科学以表征和管理数据。支持科学与
40、工程应用中数据挖掘、数据整合和数据提取等跨学科项目。开展数据可视化和数据公布工具基础科学研究。新兴数据密集型计算模式云计算研究。31/3831四、计算思维与科学发觉和技术创新(6)(3)CDI计划支持三大主题从数据到知识从数据到知识（FromDatatoKnowledge）：促进人类认识和从丰富异构数字化数据中产生新知识。了解自然、人工和社会系统复杂性了解自然、人工和社会系统复杂性（UnderstandingComplexityinNatural,Built,andSocialSystems）：对此三大系统产生根本性认识。虚拟组织虚拟组织（VirtualOrganizations,VO）：将不
41、一样结构、不一样地域和不一样文化人群和资源联络在一起，进行科学发觉和创新。32/3832四、计算思维与科学发觉和技术创新(7)5.研究示例(1)(1)网络科学网络科学（Network Science）：网络科学系从经济理论、多尺度分析、网络信息理论等衍生出来。需要发展基础理论来开发、了解、建模和分析大规模复杂异构网络工具。这么网络，包含Internet网网（跨地域，跨人工、社会和自然系统）、生物生物网络网络（对它了解还很初级）和复杂耦合网络复杂耦合网络（包含通信系统、人类大脑和社会网络）等。网络科学覆盖了CDI三大主题：大量跨越多时空尺度网络数据集知识模式。人工、社会和自然网络表达了复杂系统交
42、互。由网络组成虚拟组织本身在不一样交互尺度反过来来研究网络。(2)(2)虚拟试验室虚拟试验室（Virtual Laboratory）高中老师和学生能够经过所提供建模与仿真系统虚拟试验室来共同探索科学。他们可在虚拟试验室调研相关知识；也能够与远程班级互动。这种对科学教育创新方法，有赖于安全虚拟组织突破和多学科交叉方法等。33/3833四、计算思维与科学发觉和技术创新(8)6.计算思维研究在我国：(1)年国家科技计划信息技术领域备选项目推荐指南里“基础研究类”先进计算中，我国学者推荐立项开展“新一代软件方法学及其对计算思维支撑机理”研究。(2)中国高等学校计算机基础课程教学指导委员会从年下六个月开
43、始在合肥、济南、北京、深圳和杭州等会议上分别向教育部、基金委、科技部等提议立项开展“计算思维：确保学生创新能力”和“基于计算思维复杂计算系统认知构建”研究。34/3834五、结论(1)1.科学思维是一切科学研究和技术发展创新灵魂；科学思维普通包含推理思维、实证思维和计算思维；计算思维不但能振兴大学计算教育，而且会令科学与工程领域创造出革命性(Transformative)研究结果。2.计算思维能改变大学计算机教育依然沿袭几十年教学模式，是大学计算教育振兴(Revitalized)路径。可培养造就含有计算思维能力、训练有素科技人才、劳动大军和当代公民。3.经过多学科方法，使用计算思维在计算概念、
44、方法、模型、算法、工具与系统等创新和进步，或者创新地使用计算概念、方法、模型、算法、工具与系统等，对科学与工程领域产生新了解、新模式，从而可创造出革命性研究结果。4.计算思维代表着人们一个普遍认识和一类普适能力，不但仅是计算机科学家，而是每一个人都应该热心地学习和利用它。5.计算思维大学课程，不但仅是面向计算机科学专业，而是面向全部专业。一个人可主修英语或数学等，而工作可从事于各行各业；计算机科学也一样，一个人可主修计算机科学，而接着从事任何类型工作。我们应该激发学生对计算机科学兴趣、热爱和探索，主动传输计算机科学高兴、高尚和力量，致力于使计算思维成为公众常识，真正融入人类一切活动中。35/3
45、835五、结论(2)6.我们应该主动行动起来，纠正计算机科学等同于计算机编程和认为计算机科学基础理论已完成剩下只是工程问题错误观点，改变我们计算机科学社会形象。当我们这么做时，计算思维就是引导着计算机教育家、研究者和实践者们一个宏大愿景！“事在当代，利在千秋”！7.关于计算思维研究：计算思维是利用计算基础概念(FundamentalConcepts)求解问题、设计系统和了解人类行为一个方法(Approach)。计算思维是人类求解问题一条路径。尽管对计算思维了解也有不一样看法，不过我们认为，现在无须过多地讨论、解释计算思维到底是什么，而是要回答计算思维能给计算机科学带来什么新内容和新发展。要从计
46、算思维角度，审阅我们以前相关研究工作，以期在此基础上提出新理论和方法，取得一些用以往研究方法难以取得突破性研究结果。8.在汉字里，计算思维不是一个新名词。在我国，从小学到大学教育中，计算思维经常被朦朦胧胧地使用，我们老师在传输科学知识时，也自觉或不自觉地在传承着计算文化，却一直没有像周以真教授那样新奇、明确和系统地进行高度概括和提升。我们传统文化中有历史悠久“算计”文化，褒贬不一。我们希望能借“计算思维”之东风，尽快把传统世故人情“算计文化”反正成为当代科学理性“计算文化”，以提升民族整体素质（王飞跃语）。36/3836五、结论(3)9.9.呼吁呼吁：计算思维研究是当今计算学科及其相关交叉学科领域研究热点，希望充分利用计算思维于各自教学与科研工作中，期望能像CDI计划那样取得革命性、突破性研究结果。10.10.提议提议：国家教育部、国家自然基金委、国家科技部、中国科学院等能跟上学科发展，参考国外，尤其是美国CPATH计划和CDI计划，布局国家级项目，投入足够资金，持久地开展计算思维立项研究工作。37/3837感激李廉教授、董荣胜教授和李波教授大力帮助！恳请大家批评指正！38/3838
