1.2.2　计算思维的概念

科学思维是人在社会实践的基础上，对感性材料进行分析和综合，通过概念、判断、推理，形成概念、判断和推理，以反映事物的本质和规律。在科学认识活动中，科学思维必须遵守三个基本原则。在逻辑上要求严密的逻辑性，达到归纳和演绎的统一；在方法上要求辩证地分析和综合两种思维方法；在体系上，实现逻辑与历史的一致，达到理论与实践的具体的、历史的统一。

如果从人类认识世界和改造世界的思维方式出发，科学思维可分为理论思维、实验思维和计算思维三种。一般来说理论思维、实验思维和计算思维分别对应于理论科学、实验科学和计算科学。

①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。理论思维支撑着所有的学科领域。科学界一般认为，公理化方法是世界科学技术革命推动的源头。用公理化方法构建的理论体系称为公理系统，如欧氏几何。

②实验思维：实验思维的先驱应当首推意大利著名的物理学家、天文学家和数学家伽利略，他开创了以实验为基础具有严密逻辑理论体系的近代科学，被人们誉为“近代科学之父”。爱因斯坦为之评论说：“伽利略的发现，以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端。”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（科学工具），并用它们来获取数据以供以后的分析。例如，伽利略就不仅设计和演示了许多实验，而且还亲自研制出不少先进的实验仪器，如温度计、望远镜、显微镜等。以实验为基础的学科有物理、化学、地学、天文学、生物学、医学、农业科学、冶金、机械，以及由此派生的众多学科。

③计算思维：计算思维（Computational Thinking，CT）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。

1.计算思维的概述

计算思维的本质是抽象和自动化。如同所有人都具备“读、写、算”能力一样，计算思维是必须具备的思维能力。

（1）求解问题中的计算思维

利用计算手段求解问题的过程为：首先将实际问题转换为数学问题，然后建立模型、设计计算法和编程实现，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。

（2）设计系统中的计算思维

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，使之能用计算机实现离散的符号处理。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来描述，通过建立模型、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。

（3）理解人类行为的计算思维

利用计算手段来研究人类的行为，可视为社会计算，即通过计算机构建一个人与人之间的沟通的虚拟空间，研究计算机以及信息技术在社会中影响传统的社会行为的过程。近年来蓬勃兴起的微博、百度百科等应用更是强调借助网络工具有效地利用用户群体的智慧。在这样的环境中，计算机成为一项通信工具，而用户利用这一通信工具，构建了自己的人际交互关系。这样，利用这种社会软件提供的便利，用户也被连接在一起，形成了虚拟空间上的社会网络。社会计算通过各种信息技术手段，设计、实施和评估人与社会之间的交互，涉及人们的交互方式、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都属社会计算的范畴，它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。

计算思维就是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释为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，它能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设计的方法，是基于关注点分离的方法。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中的思维方法。

2.计算思维的特征

（1）计算思维是概念化，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。计算机科学不只意味着计算机，就像音乐产业不只意味着麦克风一样。

（2）计算思维是根本的技能，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。

（3）计算思维是人的，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工作。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。计算机赋予人类强大的计算能力，人类应该好好利用这种力量去解决各种需要大量计算的问题。

（4）计算思维是思想，不是产品

不只是将我们生产的软、硬件等产品到处呈现在我们的生活中，更重要的是计算的概念，它被人们用于问题求解、日常生活的管理，以及与他人进行交流和互动。

（5）计算思维是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，因为人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。

（6）计算思维面向所有人、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。