1.2　计算思维的结构

根据周以真的定义，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等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。

这样，问题来了，这里指的计算机科学的基础概念是什么，其中最为核心的基础概念又是什么？如果回答是“算法”，则有可能将我们又带回传统计算机科学认识的老路，也即计算机科学=程序设计。

美国ACM前主席Denning在《超越计算思维》一文中就是根据这个问题，对周以真教授提出的计算思维给了如下两个否定：

（1）计算思维不是计算机科学独有的特征；

（2）计算思维不能充分地代表计算机科学的特征。

Denning认为，他提出的“伟大的计算原理”能够做到这两点。

近年来，我国教育部高等学校计算机类教学指导委员会力推学生系统能力的培养，也从一个侧面对计算思维的作用隐含地提出了不同意见。的确如此，尽管算法，或者更广泛地说程序设计，对于计算机科学而言非常重要，但只是其中实践方面的一个部分。

Denning认为，系统、模型、创新这些内容也是计算机科学实践方面的重要内容，并与程序设计具有同等的地位，过分地强调程序设计不利于计算机科学的发展。Denning担心，周以真提出的计算思维如果讲不清楚的话，就有可能将我们带回我们曾一直想逃避的老路上去，也即计算机科学=程序设计。

美国国家科学基金会注意到了关于“计算思维”认知的不同意见，2008年春，委托美国国家研究委员会对“计算思维的本质和适用范围”进行研讨，研讨会邀请了包括美国科学院、美国工程院和美国医学院的代表参会，参会人员对计算思维在各自领域的重要作用进行了肯定，2010年4月总结整理后的报告《关于计算思维的本质和适用范围的工作报告》由美国国家科学院出版社出版，报告认为计算思维认知的关键在于确定什么是计算思维的基本元素，元素之间的关系又是如何，从而引出了计算思维的结构问题。

一个领域的结构问题向来就是一个迷人的问题，如果这个结构能用公理系统来描述，就是最理想的了，现在我们知道，根据哥德尔定律，在一个足够复杂的系统中，建立一个绝对完备的系统是不现实的，但这不等于我们不追求这种系统，当然可以对完备性的要求适当地放宽，即使在完备性方面有点“不足”，也是令人神往的。

想必周以真教授也深知其中的道理。2008年7月，周以真教授又在英国著名期刊《英国皇家学会哲学学报》上发表论文《计算思维与关于计算的思维》，对计算思维的本质进行了讨论，给出了抽象（Abstraction）和自动化（Automation）的两个概念，明确了计算思维的本质是抽象和自动化，也就是计算思维中最重要的两个元素，在《关于计算思维的本质和适用范围的工作报告》推出后，周以真教授在其宣讲用的PPT文档中，用抽象（含抽象层次）和自动化构建了计算思维的结构图。

大家注意，Denning的两个“NO”不是说周以真提出的计算思维不好，而是说，Denning自己提出的“伟大的计算原理”更能充分地展示计算机科学的伟大。其实，周以真是从思维这个层面给出计算思维本质的结构，Denning是从原理出发给出计算思维的结构框架，显然，还可以从思想方法这个层面给出计算思维的结构框架，这就是本书推荐的一种有效的计算思维教学框架，也即“计算机方法论”的结构框架。本书认为，周以真给出的计算思维本质结构框架、Denning给出的“伟大的计算原理”结构框架，以及本书推荐的“计算机方法论”的结构框架是三种具有代表性的计算思维结构框架。下面分别简单介绍。

1．计算思维本质的结构框架

2006年3月，周以真发表《计算思维》一文，给出计算思维的定义，并对计算思维的特征进行了描述。2008年7月，周以真发表论文《计算思维与关于计算的思维》，指出计算思维的本质是抽象和自动化。2010年后，她给出了计算思维本质的结构框架图（见图1.1）。

图1.1　计算思维本质的结构框架图

2．“伟大的计算原理”结构框架

2003年11月，Denning在《ACM通讯》杂志上发表文章《伟大的计算原理》，给出了最初的5个伟大原理：计算、通信、协作、自动化、记忆（见图1.2）。2009年6月，他又在《ACM通讯》杂志发表文章《超越计算思维》，增加了评估和设计两个伟大原理，将“抽象”原理放在设计原理之中，Denning认为，“伟大的计算原理”包含了周以真提出的“计算思维”的内容。2015年1月，Denning根据“伟大的计算原理”结构框架（见图1.2）撰写了名为“伟大的计算原理”的教材，并由麻省理工学院出版发行。

图1.2　伟大的计算原理结构框架图

3．计算机方法论的结构框架

2001年7月，在上海召开的CC2001工作研讨会上，本书作者介绍了“计算机科学与技术方法论”，2002年9月出版教材《计算机科学与技术方法论》，并给出了计算机方法论的公理化描述。根据计算机方法论的结构框架，2007年9月撰写出版了教材《计算机科学导论：思想与方法》，2009年，由计算机方法论结构框架构建的“计算机科学导论”课程被评为国家级精品，2011年该教材入选国家“十二五”规划教材，2015年7月该教材第3版出版发行。本书也建立在计算机方法论的结构框架之上，结构基本一致，只是更强调计算思维习惯的养成，以及跨学科的交融（见图1.3）。

图1.3　计算机方法论的结构框架图