计算思维大学计算教育的振兴科学工程研究的创新.ppt

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1、计算思维： 大学计算教育的振兴 科学工程研究的创新,陈国良,南京邮电大学,2,摘要： 本报告首先简单介绍一下科学与思维的概念、两者的关系以及科学思维是一切科学与技术创新的灵魂；然后详细讲解计算思维的定义、实例、特征以及对其他学科的影响；最后阐述计算思维是振兴大学计算教育的途径以及计算思维促使科学与工程领域产生革命性的创新成果。,3,目录 科学与思维 科学与思维的含义 人类文明进步和科学发现的三大科学 科学思维 计算思维 计算思维的定义 计算思维的例子 计算思维的特征 计算思维对其他学科的影响 计算思维是大学计算教育振兴的途径 大学计算机基础教育的重要性 大学计算机基础教学存在的问题 计算思维在

2、美国：PITAC报告，BPC、CPATH和CE21计划 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 实例研究：大学计算思维课程的总体框架 计算思维与科学发现和技术创新 美国NSF的EHR&CISE学部 对计算思维的进一步理解 问题求解、系统设计和行为理解中的计算思维 美国CISE局启动的CDI计划 研究示例：网络科学与虚拟实验室 计算思维研究在我国 结论,一、科学与思维(1),科学与思维的含义 科学 达尔文曾给科学下过一个定义：“科学就是整理事实，从中发现规律，作出结论”。 科学一般包含：自然科学、社会科学和思维科学。 思维 思维是高级的心理活动，是认识的高级形式。 思维是人脑对现实

3、事物概括、加工、揭露本质特征。 人脑对信息的处理包括分析、抽象、综合、概括等。 人类文明进步和科学发现的三大科学 理论科学、实验科学和计算科学作为科学发现三大支柱，正推动着人类文明进步和科技发展。 该说法已被科学文献广泛引用，并在美国得到国会听证、联邦和私人企业报告的承同。,4,一、科学与思维(2),科学思维 科学思维的含义及重要性： 一般指的是理性认识及其过程，也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，以反映事物的本质和规律。 国科发财2008197号文关于创新方法工作的若干意见认为“科学思维不仅是一切科学研究和技术发展的起点，而且始终贯穿于科学研究和技术发展的全

4、过程，是创新的灵魂”。 (2) 科学思维一般包括： 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，定理和证明是它的精髓。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，并用它们来获取数据以供以后的分析。 计算思维： 计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。,5,二、计算思维(1),计算思维的定义： 计算思维(Computational Thinking，CT)

5、是运用计算的基础概念(Fundamental Concept)去求解问题、设计系统和理解人类行为的一种方法(Approach)。CT的本质是抽象(Abstract)和自动化(Automation)。它是如同所有人都具备“读、写、算”（简称3R）能力一样，都必须具备的思维能力。 计算思维的例子： 计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释成如何求解它的思维方法。 计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。 计算思维是一种采用抽象和分解的方法来控制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法

6、（SoC方法）。 计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模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、纠错的方式，并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，即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。 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衷的思维方法。 . . .,6,二、计算思维(2),3.计算思维的特征： 概念化，不是程序化 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，还要求能够在抽象的多个层次上思维。计算机科学不只是关于

7、计算机，就像音乐产业不只是关于麦克风一样。 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。 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。 是思想，不是人造品 不只是将我们生产的软硬件等人造物到处呈现给我们的生活，更重要的是计算的概念，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。,7,二、计算思维(3)

8、,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。所以计算思维是数学和工程思维的互补与融合。 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。 计算思维对其他学科的影响： 事实上，我们已经见证了计算思维对其他学科的影响。例如：计算生物学正在改变着生物学家的思考方式；计算博弈理论正在改变着经济学家的思考方式；纳米计算正在改变着化学家的思考方式；量子计算正在改变着物理学家的思考方式等等。 计算思维正在渗透到各

9、个学科中，诸如算法和数据结构这样的术语将成为不同学科领域工作者的日常用语，把树倒过来画已经习以为常，什么“非确定随机算法”、“垃圾收集”这样的术语都已司空见惯了等等。,8,二、计算思维(4),举例： 生物： 霰弹枪算法（Shotgun algorithm）大大提高了人类基因组测序的速度 蛋白质结构可以用绳结来模拟 蛋白质动力学可以用计算过程来模拟 细胞和电路类似，是一个自动调节系统 脑科学： 人脑可以看作是一台计算机 视觉是一个反馈循环/用机器学习方法分析功能核磁共振（ fMRI）数据 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高产量的物质 地质学： “地球是一台

10、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： 发现 E8 李群 （E8 Lie Group）: 18位数学家，4年零77小时超级计算机机时（2千亿个数字） 证明四色定理,9,二、计算思维(5),工程 (电子、土木、机械、航空航天等)： 计算高阶项可以提高精度，进而降低重量、减少浪费并节省制造成本 波音777飞机完全是采用计算机模拟测试的，没有经过风洞测试 经济学： 自动设计机制在电子商务中广泛采用(广告投放、在线拍卖、肾源交换等) 很多麻省理工学院的计算机科学博士在华尔街作金融分析师 社会科学： 社交网络是MySpace和YouTube

11、等发展壮大的原因之一 统计机器学习被用于推荐和声誉排名系统，例如Netflix和联名信用卡等 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查成为可能法学： 斯坦福大学的CL方法包含了人工智能、时序逻辑、状态机、进程代数、Petri网等方面的内容 欺诈调查方面的POIROT 项目为欧洲的法律系统建立了一个详细的本体论结构 关于犯罪现场调查的福尔摩斯项目,10,二、计算思维(6), 娱乐： 游戏 电影 梦工厂用惠普的数据中心进行电影“怪物史莱克”和“马达加斯加”的渲染工作 卢卡斯电影公司用一个包含200个节点的数据中心制作电影“加勒比海盗” 艺术： 艺术(如喷绘机器人

12、Robotticelli) 戏剧 音乐 摄影 体育： 阿姆斯特朗的自行车载计算机追踪人车统计数据 Synergy Sports 公司对NBA视频进行分析 教育方面的启示： 大学应该从新生课程入手-教授“象计算机科学家一样思考”课程，而不是“某程序设计”课程 让国家和国际组织参与到教学改革中，特别是K-12、ACM、 CSTA、 CRA等 模拟： 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，使科学家可以看到飓风的内部 地震能否被有效模拟和预测？,11,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(1),大学计算机基础教育的重要性 大学通识教育（Li

13、beral Studies）是大学人才培养的重要任务 大学教育不能局限于基本知识传授，要培养： 学生的理性思维能力 学生对科学精神的追求 学生的高尚人格 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和人文精神 通识教育要展现不同文化、不同学科的思维方式 通识教育要充分展现学术魅力 大学计算机教育三种能力的培养 使用计算机的基本能力（Computer Literacy）的培养 理解计算机系统的熟练能力（Computer Fluency）的培养 训练有素的计算思维能力（Computational Thinking）的培养 计算思维能力培养是大学通识教育的重要组成部分 国家明确定位

14、计算机基础课程是和数学、物理等同地位的基础课程。 计算机不仅为不同专业提供了解决专业问题的有效方法和手段，而且提供了一种独特的处理问题的思维方式。 熟悉使用计算机及互联网，为人们终生学习提供了广阔的空间以及良好的学习工具与环境。,12,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(2),大学计算机基础教学存在的问题 计算机教育的危机 因特网的普遍发展，使计算机科学与技术呈现了泛在化、平民化的趋势。 计算机的易用性和本身技术的巨大进步，使很多人质疑大学计算机教育的必要性。 很多人将计算机科学等同于计算机编程，淡化了计算机的科学意义，削弱了计算机学科的内涵。 我国的情况 “狭义工具论”的课程：“狭义工具论

15、”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”的教材：教材基本上是有关领域的浓缩版，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。 计算机基础课教学学时被压缩，教学资源配置不充分，课程面临被裁减的危机。,13,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(3),美国的情况 学生学习计算机课程情况： 2003年11月，美国Naval Postgraduate School的Peter 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）的学习过程中

16、，有35-50%的学生中途放弃。另外，不少的学生还通过抄袭或者是作弊的方式来完成课程。 毕业生的工资情况： 2005年11月，美国Computing Research News刊登的一篇名为科学与工程专业毕业生的工资的报告： 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的平均年工资最高，学士人均年工资为45,000美元，硕士人均60,000美元。,14,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(4),学生主修计算机专业情况： 加州大学洛杉矶分校发现学生对计算专业的兴趣波动很大， 2001后普遍下降。,15,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(5),计算思维在美国 计算思维在美国产生的

17、背景：PITAC报告 2005年6月，美国总统信息技术咨询委员会(Presidents Information Technology Advisory Committee，PITAC)给美国总统提交了报告计算科学：确保美国竞争力(Computational Science: Ensuring Americas Competitiveness)。 报告陈述： 虽然计算本身也是一门学科，但是其具有促进其他学科发展的作用。 二十一世纪科学上最重要的、经济上最有前途的研究前沿都有可能通过熟练的掌握先进的计算技术和运用计算科学而得到解决。 报告认为： 如今美国又一次面临了挑战，这一次的挑战比以往来得更加

18、广泛、复杂，也更具长期性。 美国还没有认识到计算科学在社会科学、生物医学、工程研究、国家安全，以及工业改革中的中心位置。 这种认识不足将危及美国的科学领导地位、经济竞争力以及国家的安全。 报告建议：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。,16,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(6),美国NSF的BPC(Broadening Participation in Computing)计划 美国NSF的计算机与信息科学和工程CISE(Computer & Information Science & Engineering)学部2006年率先启动了“扩大计算参与面”计划，它通过扩大计算

19、的参与对象，使更多的人，特别是美国的少数民族和妇女受益。 美国NSF的CPATH(CISE Pathways to Revitalized undergraduate Computing Education)计划 目标 促成造就具有基本计算思维能力的、在全球有竞争力的美国劳动大军，确保美国在全球创新企业的领导地位。 将计算思维学习机会融入到计算机、信息科学、工程技术和其他领域的本科教育中，以增强开发具有计算思维能力的学生的人数。 展示突破性的、可在多类学校中推广的、以计算思维为核心的本科教育模式。 现状 CPATH计划认为：尽管有的研究机构和大学对此做出了卓越的、开创性的工作，但目前美国更多的

20、大学计算教育仍然沿袭的是几十年前的教学模式。,17,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(7),CPATH项目： 2007年启动，当年投入600万美元 2008年投入500万美元 2009年投入1000万美元 CPATH项目情况简介：2009.4 - 2010.4共批准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 Unde

21、rgraduate Computing Education 3项 CT in Computing Science & Engineering 11项 美国NSF的CE21(Computing Education for 21st Century)计划 2011年度NSF启动了CE21计划，计划是建立在CPATH计划成功的基础上，其目的是提高K-14（中小学和大学一、二年级）老师与学生的计算思维能力。,18,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(8),计算思维在我国 中国高等学校计算机基础课程教指委的近期工作 2010.05：在合肥会议上讨论了培养高素质的研究性人才，“计算机基础”这门课程应该包

22、含哪些内容，如何将计算思维融入到这门课程中？ 2010.07：在西安会议上发表了九校联盟(C9)计算机基础教学发展战略联合声明，确定了以计算思维为核心的计算机基础课程教学改革。 2010.09：在太原会议上决定了将合肥会议和西安会议中有关计算思维的讨论形成书面材料，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。 2010.11：在济南会议上，将在全国更大范围内，深入讨论以计算思维为核心的基础课教学改革，并将太原会议的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核心推进大学通识教育改革的研究与实践”为项目，建议立项研究。 2011.06：在北

23、京“以计算思维为导向的计算机基础课程建设”研讨会上，组织有关高校围绕“计算思维的实质”和“如何在计算机基础教学的第一门课程中体现计算思维能力的培养”进行了广泛的讨论。,19,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(9),2011.08：在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计算思维事宜。 2011.11：在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次工作会议确定的三个立项报告，最终向教育部、科技部、国家自然基金委提交正式申请报告。 2012.01：在深圳召开了计算机基础课程教指委第8次工作

24、会议，会议期间举行了“计算机素质教育论坛”，深入交流了大学计算机素质教育的方方面面，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的重要作用。 2012.03：在深圳大学召开了教指委第九次工作会议，集中讨论了“基于计算思维的复杂系统计算抽象理论与方法”重大项目立项建议的审定工作，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。 2012.05：在西安 计算思维课程在部分中国高校中正式开始实践 2010年秋季，在上海交通大学 2011年春季，在南方科技大学 2011年春季，在西安交通大学 2011年秋季，在深圳大学 ,20,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(10),实例研究：

25、大学计算思维课程总体框架 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：计算机硬件和软件最小知识集。 内容规划 计算思维基础知识 基本概念： 什么是科学、思维、学科？科学与思维，理论思维，实验思维，计算思维。 科学发现的第三支柱： 科学发现的三大支柱（理论科学、实验科学、计算科学），计算科学的作用（PITAC 2005报告），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： 什么是计算科学？什么是计算机科学？什么是计算机学科？计算机学科发展的历程（EE、CE、CS、SE、IT、IS）。 计算思维： 什么是计算思维？例子、主要特征（它

26、是什么？它不是什么？）、对其他学科的影响（生物学、脑科学、化学、地质学、数学、工程技术、经济学、社会科学、医学、法律、娱乐、艺术、体育、教育）。 热身问题：20次猜测、七桥问题、国王的婚姻、汉诺塔、旅行商问题,21,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(11),计算理论和计算模型 人类对计算本质的认识过程 计算手段应该器械化（算盘、手摇计算机、微分机、模拟机等） 计算过程应该形式化（图灵模型） 计算执行应该自动化（冯诺依曼模型） 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） 冯诺依曼计

27、算机模型 计算机体系结构 - 机器指令与机器语言 汇编语言程序的执行举例 - 虚拟机 计算的数学理论 计算理论：包括算法理论、可计算性理论、计算复杂性理论等。 高等逻辑：包括模型论（研究逻辑系统的语义，构造形式系统模型）和非经典逻辑（研究时序逻辑、模态逻辑、概率逻辑、模糊逻辑、归纳逻辑、非单调逻辑等）。 形式语言与自动机：包括形式语言（研究语言的语法(词法和文法)和构造性结构）和自动机（研究各种能自动处理符号的数学机器）。 形式语义学：主要指用数学方法研究计算机程序设计语言的语义（包括操作语义、指称语义、公理语义和代数语义等）。 计算机科学的数学基础：离散数学 数理逻辑：包括命题逻辑的概念、等

28、值演算与推理，一阶逻辑的概念、等值演算与推理等。 集合论：包括集合代数，二元关系，函数和集合的基数等。 代数系统：包括代数系统群、环、域，格与布尔代数等。 图论：包括图的基本概念（通路、回路、连通性、矩阵表示等）、欧拉图与哈密尔顿圈，树，平面图及图的着色，支配集、覆盖集、独立集与匹配等。,22,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(12),算法基础 算法的历史 算法的定义和特征 定义（求解问题的方法和步骤） 特征（确定性、有穷性、可行性、输入/输出量等） 基本的表达 自然语言、流程图、伪代码、程序语言 算法的设计 数值算法与非数值算法的设计，确定性算法与随机算法的设计 算法的分析 复杂度度量（

29、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、精确界函数）,23,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(13),通用程序设计语言 目的与作用： 体现算法的原理，表述算法的实现步骤。 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。 具有描述算法实现最基本的语句：赋值语句、循环控制语句、基本运算语句等。 Bare Bones基本语言 具有最基本的运算语句：清零、增一、减一、循环控制等语句。 具有通用性：能表示图灵可计算函数，根据丘奇-图灵论题，任何可计算函数均可用Bare Bones语言编写程序。 Haskell纯函数

30、语言 不同于描述计算如何进行的命令式（Imperative）语言（C、Java、ada、pascal ）。 函数式语言（Functional Language）（ Lisp 、Haskell、Ocam）是定义如何将输入数据转换为输出数据的计算什么的语言。,24,命令式语言 Haskell语言 total = 0 for (i=1; i=10; i+) sum110 total += i,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(14),计算机硬件基础 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 各种数制的转换 数据的存储与表示 存储容量单位 ASCII码 原码、反码和补码 计算机组成

31、 CPU 主存、外存和存储体系 I/O设备 指令系统及执行,25,三、计算思维是大学计算教育振兴的途径(15),计算机软件基础 软件分类 操作系统 操作系统的定义和功能 操作系统的历史、分类和常见操作系统 竞争控制 数据库系统 数据库系统基础 关系模型 数据挖掘入门 办公软件简介 Word Excel PowerPoint Access 教学环节 课堂讲授：自编参考教材 课堂练习：不掉电的计算机科学 课堂讨论：拓展知识、前沿 课程考核：笔试 口试 小论文,26,四、计算思维与科学发现和技术创新(1),美国NSF的EHR&CISE学部： 美国NSF的EHR(Education & Human R

32、esources)局的使命 为21世纪培养和造就科学家、技术人员、工程师、数学家和教育工作者等范围广泛的、训练有素的劳动大军，以及具有科学素质的、能够把握科学技术的思想和工具的现代公民。 支持所有科学与工程领域中的教育、研究以及基础设施（Infrastructure）的开发。 提升全体公民的生活质量，提升国家的健康、繁荣、福祉和安全。 美国NSF的CISE(Computer & Information Science & Engineering)局的使命 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。 促使理解和利用先进的计算机、通信和信息系统，为全社会提供服务。,27,四、计算思维与科

33、学发现和技术创新(2),对计算思维的进一步理解： 计算思维是利用泛指的计算（CS、CE、C、IS、IT等）的基础概念，求解问题、设计系统、理解人类行为的一种方法（Approach），是一类Analytical Thinking。它合用（Share）了数学思维（求解问题的方法）、工程思维（设计、评价大型复杂系统）和科学思维（理解可计算性、智能、心理 和人类行为）。 计算时的抽象概念比数学、物理科学中的意义要丰富和复杂；抽象是分层的（为此要定义介面和关系）；抽象最终要在受限的物理世界中实现的；Abstractions are the mental tools of computing. The p

34、ower of the mental tools is amplified by the power of metal tools。 计算是抽象的自动执行；自动化隐含着需要某类计算机（可以是机器或人，或两者的组合）去解释抽象。 从操作侧面上，计算涉及到回答“如何寻找一台计算机去求解问题？”隐含地回答此问题就是确定合适的抽象，选择合适的某类计算机去解释执行该抽象，后者的过程就是自动化。所以计算思维的本质是抽象与自动化（2A）。 计算的三种驱动力是科学、技术和社会，三者互相作用影响：科学的发现催生技术发明促进社会应用；反之，技术发明产生新的社会应用促进新的科学发现。,28,四、计算思维与科学发现和

35、技术创新(3),问题求解、系统设计和行为理解中的计算思维 求解问题中的计算思维 利用计算的手段求解问题的过程 首先要把实际应用问题转换为数学问题（可能是一组PDE） 其次将PDE方程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 最后在具体的计算机上运行求解 计算求解问题过程中的计算思维 中的前两步可谓是计算思维中的抽象(Abstract) 中的后两步可谓是计算思维中的自动(Atomation) 设计系统中的计算思维 Karp的观点：任何自然系统和社会系统都可视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量和信息的交换，这种交换可映射（也就是抽象）为符号变换，使之能利用计算机进行离散的符号

36、处理。 当动态演化系统抽象为离散符号系统之后，就可采用形式化的规范描述，建立模型、设计算法、开发软件，来揭示演化的规律，并实时控制系统的演化，自动执行，这就是计算思维中的自动化。,29,四、计算思维与科学发现和技术创新(4),理解人类行为中的计算思维（利用计算基础概念-计算机网络科学去理解人在网络环境下的行为） 人类所处的环境变迁与人类行为表现 封建社会自给自足的封闭式环境 资本主义社会的开放环境 近代社会的网络环境 利用计算的手段来研究人类的行为，可视为社会计算(Cyber-Society Computing)，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。 社会计算涉及到人们

37、的交互方式、社会群体的形态及其演化规律等问题。研究生命的起源与繁衍，理解人类的认识能力，了解人类与环境的交互，研究传染病毒的结构与传播以及国家的福利与安全等等都属社会计算的范畴，这些都与（计算）思维科学密切相关。 使用计算思维的观点对当前社会计算中的一些关键问题进行分析与建模，尝试从计算思维的角度重新认识社会计算，找出新问题、新观点和新方法等。,30,四、计算思维与科学发现和技术创新(5),美国CISE局启动的CDI( Cyber-Enabled Discovery and Innovation)计划 目的、项目与财年 2008 年NSF启动了“通过网络实现的科学发现与技术创新”(CDI)的5

38、年研究计划，是实现计算思维的第一个美国NSF重大计划。 目的：通过计算思维的创新和进步（包括概念、方法、模型、算法、工具和系统等），对科学与工程领域产生新理解、新模式，创造革命性的研究成果。 项目与财年：2008 年批准了共72 个项目，经费为4200 万美元；2009 年投入了3300 万美元；2010年预算为5000万美元，后增加了1637万美元。 2010年度的CDI计划 “网络物理系统”（CPS）：CPS包括自动汽车、智能的高效能建筑物、嵌入式医疗设备、辅助老年人的技术、提高生活质量的机器人等。 数据密集型计算 探索新的基础数学和计算抽象科学以表征和管理数据。 支持科学与工程应用中的数

39、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发布工具的基础科学研究。 新兴的数据密集型计算模式云计算的研究。,31,四、计算思维与科学发现和技术创新(6),CDI计划支持的三大主题 从数据到知识（From Data to Knowledge）：增进人类的认识和从丰富的异构数字化的数据中产生新的知识。 理解自然、人工和社会系统的复杂性（Understanding Complexity in Natural, Built, and Social Systems）：对此三大系统产生根本性的认识。 虚拟组织（Virtual Organizations, VO）：将不同结构、不同地域和

40、不同文化的人群和资源联系在一起，进行科学发现和创新。,32,四、计算思维与科学发现和技术创新(7),研究示例 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的。 需要发展基础理论来开发、理解、建模和分析大规模复杂异构网络的工具。 这样的网络，包括Internet网（跨地域，跨人工、社会和自然系统）、生物网络（对它的理解还很初级）和复杂耦合网络（包括通信系统、人类大脑和社会网络）等。 网络科学覆盖了CDI的三大主题： 大量跨越多时空尺度的网络数据集的知识模式。 人工的、社会的和自然的网络体现了复杂系统的交互。 由网络组成的虚拟组织自身在不同

41、的交互尺度反过来来研究网络。 虚拟实验室（Virtual Laboratory） 高中的老师和学生可以通过所提供的建模与仿真系统的虚拟实验室来共同探索科学。 他们可在虚拟实验室调研有关知识；也可以与远程班级互动。 这种对科学教育的创新方法，有赖于安全的虚拟组织的突破和多学科的交叉方法等。,33,四、计算思维与科学发现和技术创新(8),计算思维研究在我国： 2012年国家科技计划信息技术领域备选项目推荐指南里的“基础研究类”的先进计算中，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的支撑机理”的研究。 中国高等学校计算机基础课程教学指导委员会从2010年下半年开始在合肥、济南、北京、深圳

42、和杭州等会议上分别向教育部、基金委、科技部等建议立项开展“计算思维：确保学生创新能力”和“基于计算思维的复杂计算系统的认知构建”的研究。,34,五、结论(1),科学思维是一切科学研究和技术发展的创新灵魂；科学思维一般包括推理思维、实证思维和计算思维；计算思维不仅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的(Transformative)研究成果。 计算思维能改变大学计算机教育仍然沿袭几十年的教学模式，是大学计算教育振兴(Revitalized)的途径。可培养造就具有计算思维能力的、训练有素的科技人才、劳动大军和现代公民。 通过多学科方法，使用计算思维在计算概念、方法、模型、算法、工

43、具与系统等的创新和进步，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理解、新模式，从而可创造出革命性的研究成果。 计算思维代表着人们的一种普遍的认识和一类普适的能力，不仅仅是计算机科学家，而是每一个人都应该热心地学习和运用它。 计算思维的大学课程，不仅仅是面向计算机科学专业，而是面向所有的专业。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的工作。我们应当激发学生对计算机科学的兴趣、热爱和探索，积极传播计算机科学的快乐、崇高和力量，致力于使计算思维成为公众的常识，真正融入人类的一切活动中。,35,

44、五、结论(2),我们应当积极行动起来，纠正计算机科学等同于计算机编程和认为计算机科学的基础理论已完成剩下的只是工程问题的错误观点，改变我们计算机科学的社会形象。当我们这样做时，计算思维就是引导着计算机教育家、研究者和实践者们的一个宏大愿景！“事在当代，利在千秋”！ 关于计算思维的研究： 计算思维是利用计算的基础概念(Fundamental Concepts)求解问题、设计系统和理解人类行为的一种方法(Approach)。计算思维是人类求解问题的一条途径。尽管对计算思维的理解也有不同的看法，但是我们认为，现在不必过多地讨论、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

45、新发展。要从计算思维的角度，审视我们以前的有关研究工作，以期在此基础上提出新的理论和方法，获得一些用以往研究方法难以取得的突破性研究成果。 在中文里，计算思维不是一个新名词。在我国，从小学到大学的教育中，计算思维经常被朦朦胧胧地使用，我们的老师在传播科学知识时，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颖、明确和系统地进行高度的概括和提升。我们传统的文化中有历史悠久的“算计”文化，褒贬不一。我们希望能借“计算思维”之东风，尽快把传统的世故人情的“算计文化”反正成为现代科学理性的“计算文化”，以提高民族的整体素质（王飞跃语）。,36,五、结论(3),呼吁：计算思维的研究是当今计算学科及其相关交叉学科领域研究的热点，希望充分利用计算思维于各自的教学与科研工作中，期望能像CDI计划那样取得革命性的、突破性的研究成果。 建议：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的发展，参照国外，特别是美国的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的立项研究工作。,37,感谢李廉教授、董荣胜教授和李波教授 的大力帮助！ 恳请大家批评指正！,38,