張先休　張保杰　楊儀

【摘 要】 首先簡單介紹了計(jì)算思維的有關(guān)概念，并對它進(jìn)行了分析。然后闡述了計(jì)算思維的應(yīng)用。最后指出如何培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

【關(guān)鍵詞】 計(jì)算思維 程序 抽象

一 計(jì)算思維的簡介及分析

計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為。它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。當(dāng)我們必須求解一個(gè)特定的問題時(shí)，首先會(huì)問：解決這個(gè)問題有多么困難？怎樣才是最佳的解決方法？計(jì)算機(jī)科學(xué)根據(jù)堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)來準(zhǔn)確地回答這些問題。 [1]

在實(shí)際生活中，我們所做的工作往往是為了解決某個(gè)實(shí)際問題！要解決這個(gè)實(shí)際問題，先做什么，后做什么，對于大型復(fù)雜問題的解決必須有個(gè)程序！怎樣才能得到這個(gè)程序？需要對實(shí)際問題抽象和分解。選擇合適的方式去陳述一個(gè)問題，或者是選擇合適的方式對一個(gè)問題的相關(guān)方面建模使其易于處理。就是利用不變量簡明扼要且表述性地刻畫系統(tǒng)的行為。它使我們在不必理解每一個(gè)細(xì)節(jié)的情況下就能夠安全地使用、調(diào)整和影響一個(gè)大型復(fù)雜系統(tǒng)的信息。然后對這個(gè)問題進(jìn)行分解，分解得到的每一步都是可執(zhí)行的！再來設(shè)計(jì)問題的求解程序。計(jì)算思維就是通過抽象、約簡、分解和轉(zhuǎn)化等方法，把一個(gè)看來困難的復(fù)雜問題重新闡釋成一個(gè)能夠設(shè)計(jì)程序解決的問題。

計(jì)算思維的本質(zhì)是抽象和自動(dòng)化。計(jì)算是抽象的自動(dòng)執(zhí)行，自動(dòng)化需要某種計(jì)算機(jī)去解釋抽象。[2]在現(xiàn)實(shí)生活中，我們學(xué)習(xí)各種知識(shí)，經(jīng)常涉及“抽象”，如數(shù)學(xué)和物理的學(xué)習(xí)。數(shù)學(xué)抽象的特點(diǎn)是拋開現(xiàn)實(shí)事物的材料、顏色等物理和化學(xué)特性，而僅僅考慮事物的數(shù)量關(guān)系和空間位置關(guān)系。與數(shù)學(xué)和物理科學(xué)相比，計(jì)算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為復(fù)雜。計(jì)算思維中的抽象最終是要能夠機(jī)械地一步一步自動(dòng)執(zhí)行。計(jì)算思維最基本的問題就是：什么是可計(jì)算的？

二 計(jì)算思維的應(yīng)用

眾所周知，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)已經(jīng)比較發(fā)達(dá)了，很多疑難病癥都能診治，這在古代是難以想象的事情！不是現(xiàn)代醫(yī)生本領(lǐng)大了，而是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的檢測工具先進(jìn)了，有些病癥只要用先進(jìn)的醫(yī)學(xué)工具一檢測，結(jié)果差不多就出來了！同樣的道理，當(dāng)今計(jì)算機(jī)科學(xué)發(fā)展非?？欤呀?jīng)成為一個(gè)強(qiáng)大的工具，任何一門科學(xué)用上這個(gè)工具，都會(huì)得到極大的發(fā)展！

生物、物理、化學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合，分別誕生了計(jì)算生物學(xué)、計(jì)算物理學(xué)、計(jì)算化學(xué)、計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)。計(jì)算思維在這些學(xué)科中大放異彩！

目前，生物學(xué)數(shù)據(jù)量和復(fù)雜性日益增長，“數(shù)據(jù)爆炸”光靠觀察和實(shí)驗(yàn)的方法難以處理，必須依靠計(jì)算技術(shù)從海量序列數(shù)據(jù)中搜索尋找有用的信息。這也帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)中許多領(lǐng)域滲透到生物信息學(xué)中的應(yīng)用研究，像數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、數(shù)據(jù)庫和并行計(jì)算等都被應(yīng)用于生物計(jì)算的研究。可以說計(jì)算生物學(xué)正悄悄地改變著生物學(xué)家的思維。

計(jì)算物理學(xué)利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量大和計(jì)算速度快的有利條件，將物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué)和工程學(xué)中的多因素相互復(fù)雜作用的過程，通過計(jì)算機(jī)來模擬。計(jì)算物理學(xué)與理論、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)一起開拓人類認(rèn)識(shí)自然的新方法。類似地，計(jì)算化學(xué)正改變著化學(xué)家的思考方式，計(jì)算經(jīng)濟(jì)學(xué)正改變著經(jīng)濟(jì)學(xué)家的思考方式。

計(jì)算思維的新思想、新方法將會(huì)促進(jìn)自然科學(xué)、工程技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的成果，是創(chuàng)新人才的基本要求和專業(yè)素質(zhì)。我們每一個(gè)人都應(yīng)該掌握計(jì)算思維的方法，而不僅僅限于科學(xué)家。普適計(jì)算之于今天就如計(jì)算思維之于明天。普適計(jì)算是已成為今日現(xiàn)實(shí)的昨日之夢，而計(jì)算思維就是明日現(xiàn)實(shí)[1]。

三 計(jì)算思維的培養(yǎng)

科學(xué)研究的三大思維：理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維，構(gòu)成了科技創(chuàng)新的三大支柱。特別是計(jì)算思維，是當(dāng)今數(shù)字時(shí)代人人都應(yīng)具備的基本技能。那么如何培養(yǎng)計(jì)算思維，我認(rèn)為可以通過建模與仿真培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。計(jì)算思維與數(shù)學(xué)建模思維，物理學(xué)科的模型構(gòu)建思維結(jié)合起來，可以提高解決現(xiàn)實(shí)社會(huì)中各類問題的能力。在計(jì)算機(jī)算法與編程的課程中，可以通過建模仿真實(shí)際問題充分激發(fā)學(xué)生興趣，并培養(yǎng)其問題解決的思維方法與能力。另外還可通過開源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，甚至可通過游戲軟件培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維[3]。

【參考文獻(xiàn)】

[1] https：//baike.baidu.com/item/%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%80%9D%E7%BB%B4/4689456？fr=aladdin.

[2] 曾俊. 大學(xué)計(jì)算機(jī)教程[M].北京郵電大學(xué)出版社，2018.

[3] https：//wenku.baidu.com/view/51c723f87dd184254b35eefdc8d376eeafaa1797.html

[4] 劉智遠(yuǎn). 現(xiàn)代大學(xué)的使命與現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)步[J]. 中國高等教育. 2005/21. 45-46.

【基金項(xiàng)目】本文由重慶高校市級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金 （[2017]3）、重慶市發(fā)改委基金（2017[1007]）、重慶三峽學(xué)院基金資助。