计算思维导论教材课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章,计算思维基础知识,2,/30,一、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。,1.1,科学与计算科学,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。,3,/30,爱因斯坦,：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。,1.1,科学与计算科学,4,/30,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,：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。,1.1,科学与计算科学,5,/30,二、科学的分类,分类方式,种类,按照研究对象的不同,自然科学、社会科学、思维科学,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用的直接程度,自然科学、实验科学,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。,1.1,科学与计算科学,6,/30,分类,描述或说明,自然科学,Natural 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。,人文科学,humanities,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。,社会科学,Social Science,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。,1.1,科学与计算科学,7,/30,美国能源部发布的报告,：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。,1.1,科学与计算科学,8,/30,三、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,),1.1,科学与计算科学,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,),9,/30,1993,：高性能计算与通信,HPCC,计划,1996,：加速战略计算创新,ASCI,计划,2002,：高性能计算系统,HPCS,计划,2005,：,“,计算科学,-,确保美国竞争力,”,报告,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。,1.1,科学与计算科学,10,/30,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,),1.1,科学与计算科学,计算学科的基本问题：什么能被（有效地）自动进行。,11,/30,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。,1.1,科学与计算科学,12,/30,四、计算机科学与计算机学科,1.1,科学与计算科学,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,：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，计算机技术则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。,13,/12,Computer Science 2008,代码,知识领域,代码,知识领域,DS,离散结构,HC,人机交互,PF,程序设计基础,GV,图形学和可视化计算,AL,算法与复杂度,IS,智能系统,AR,计算机体系结构与组织,IM,信息管理,OS,操作系统,SP,社会与职业问题,NC,网络计算,SE,软件工程,PL,程序设计语言,CN,数值计算科学,14,/12,Software Engineering 2004,计算机基础,数学和工程基础,职业实践,软件建模与分析,软件设计,软件验证与确认,软件进化,软件过程,软件质量,软件管理,软件工程专业教育包括,10,个知识领域,学科中的最基本的科学问题,5 Deep Questions in Computing,P=NP?,What is computable?,What is intelligence?,What is information?,(How)can we build complex systems simply?,1.,论语,宪问,子曰：“骥不称其力，称其德也。”,或曰：“以德报怨，何如？”子曰：“,何以报德？以直报怨，以德报德。,”,如何,证明,孔子的说法是正确的？,请,计算,孔子的说法是正确的,囚徒,困境,两个罪犯准备抢劫银行，但作案前失手被擒。警方怀疑他们意图抢劫，苦干证据只够起诉非法持有枪械，于是将其分开审讯。,为离间双方，警方分别对两人说：,若都保持沉默,(“,合作,”,),，则一同入狱,1,年,；,若是互相检举,(,互相“,背叛,”,),，则一同入狱,5,年,若你认罪并检举对方,(“,背叛,”对方,),，他保持沉默，他入人狱,10,年,，你可以,获释,(,反之亦然,),结果两人都选择了,招供（最希望的结果）。,prisoners dilemma,情况分析,孤立地看，这是最符合个体利益的,“,理性,”,选择。以,A,为例：若,B,招供，,A,自己招供获刑,5,年，不招供获刑,10,年；若,B,不招供，自己,招供,可以免刑，不招供获刑,1,年。,两种情况下，选择,招供,都更有利，事实上却比两人都拒不招供的结果糟。,由囚徒困境可知，,公共生活中，如果每个人都从眼前利益、个人利益出发，结果会对整体的利益,(,间接对个人的利益,),造成伤害。,为解决“囚徒困境”难题，美国曾组织竞赛，要求参赛者根据“重复囚徒困境”,(,双方不止一次相遇，“背叛”可能在以后遭到报复,),来设计程序。,将程序输入计算机反复互相博弈，以最终得分评估优劣,(,双方合作各得,3,分；双方背叛各得,1,分；一方合作一方背叛，合作方得,0,分，背叛方得,5,分,),；,有些程序采用“,随机,”对策；,有些采用“,永远背叛,”对策；,有些采用“,永远合作,”对策；,结果，加拿大多伦多大学的,阿纳托尔,拉帕波特,教授的“,一报还一报,”策略夺得了最高分。,我方在第一次相遇时选择“合作”，之后就采取对方上一次的选择。这意味着：,在对方每一次背叛后，我方就“,以牙还牙,”，也背叛一次；,对方每一次合作后，我方就“,以德报德,”一次；,论语,宪问,中，有人问孔子：“以德报怨，何如,?”,孔子反问：“何以报德,?,以直报怨，以德报德。”,该策略,有别于“善良”的“永远合作”或“邪恶”的“永远背叛”对策，及对方一旦“不忠”，我方就不再给机会，长久对抗的策略,。,如果你选择“,永远背叛,”策略，你或许会在第一局拿到最高分，但之后的各局可能都只能拿到低分，最后虽然可能“,战胜,”不少对手，但由于总分很低，最终难逃被淘汰出局的命运。,所以除非很难与对方再次相遇，不用担心其日后的反应，才可选择对抗与背叛；,而在,长期互动、博弈,的关系中，“,一报还一报,”是最佳策略：,它是善意的，从不首先背叛；它不迂腐，不管过去相处多好，仍然对背叛有反应；它是宽容的，不因一次背叛而选择玉石俱焚,。,三字经：人之初，性本善,22,/30,一、思维的概念,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。,1.2,思维与科学思维,2.,思维的组成,思维原料、思维主体、思维工具。,自然界提供思维的原料，人脑成为思维的主体，认识的反映形式形成了思维的工具，三者具备才有思维活动。,23,/30,3.,思维的特征,特征,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。,间接性,指非直接的以其它事物做媒介来反映客观事物。,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。,1.2,思维与科学思维,24,/30,4.,思维的类型,分类方式,种类,按照思维的进程方向,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领域,科学思维,日常思维,1.2,思维与科学思维,25,/30,二、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，科学思维是大脑对科学信息的加工活动。,科学思维的主要表现,：,科学的理性思维,科学的逻辑思维,科学的系统思维,科学的创造性思维,1.2,思维与科学思维,26,/30,三、科学思维的分类,1.2,思维与科学思维,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。,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。诸如模式识别、决策、优化和自控等算法都可以属于计算思维范畴。,27,/30,一般而论，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。,1.2,思维与科学思维,28,/30,一、计算思维的定义,计算思维,(Computational Thinking,，,CT),周以真,：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。,1.3,计算思维的概念,29,/30,针对上述定义解释如下：,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。,1.3,计算思维的概念,30,/30,设计系统中的计算思维,R.Karp,：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。,1.3,计算思维的概念,31,/30,理解人类行为中的计算思维,王飞跃：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。,1.3,计算思维的概念,32,/30,波普尔的三个世界观点,1.3,计算思维的概念,33,/30,二、计算思维的详细描述,计算思维是通过,约简、嵌入、转化,和,仿真,等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个人们知道怎样解决的问题。,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,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。,1.3,计算思维的概念,34,/30,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。,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。,1.3,计算思维的概念,35,/30,三、计算思维的特征,1.3,计算思维的概念,1.,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。,36,/30,3.,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,。,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。,1.3,计算思维的概念,37,/30,5.,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。,1.3,计算思维的概念,38,/30,四、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，即什么能被有效的自动进行。,1.3,计算思维的概念,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。,39,/30,五、计算思维与计算机的关系,1.3,计算思维的概念,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。,什么是计算？什么是可计算？什么是可行计算？计算思维的这些性质得到了前所未有地彻底研究。由此不仅推进了计算机的发展，也推进了计算思维本身的发展。在这个过程中，一些属于计算思维的特点被逐步揭示出来，计算思维与理论思维、实验思维的差别越来越清晰化。,计算思维的几乎所有特征和内容在计算机科学里面得到充分体现，并且随着计算机科学的发展而同步发展。,