1.2.2　計算思維的概念

科學思維是人在社會實踐的基礎上，對感性材料進行分析和綜合，通過概念、判斷、推理，形成概念、判斷和推理，以反映事物的本質和規律。在科學認識活動中，科學思維必須遵守三個基本原則。在邏輯上要求嚴密的邏輯性，達到歸納和演繹的統一；在方法上要求辯證地分析和綜合兩種思維方法；在體系上，實現邏輯與歷史的一致，達到理論與實踐的具體的、歷史的統一。

如果從人類認識世界和改造世界的思維方式出發，科學思維可分為理論思維、實驗思維和計算思維三種。一般來說理論思維、實驗思維和計算思維分別對應于理論科學、實驗科學和計算科學。

①理論思維：理論源于數學，理論思維支撐著所有的學科領域。正如數學一樣，定義是理論思維的靈魂，定理和證明是它的精髓。公理化方法是最重要的理論思維方法。理論思維支撐著所有的學科領域。科學界一般認為，公理化方法是世界科學技術革命推動的源頭。用公理化方法構建的理論體系稱為公理系統，如歐氏幾何。

②實驗思維：實驗思維的先驅應當首推意大利著名的物理學家、天文學家和數學家伽利略，他開創了以實驗為基礎具有嚴密邏輯理論體系的近代科學，被人們譽為“近代科學之父”。愛因斯坦為之評論說：“伽利略的發現，以及他所用的科學推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端。”與理論思維不同，實驗思維往往需要借助于某些特定的設備（科學工具），并用它們來獲取數據以供以后的分析。例如，伽利略就不僅設計和演示了許多實驗，而且還親自研制出不少先進的實驗儀器，如溫度計、望遠鏡、顯微鏡等。以實驗為基礎的學科有物理、化學、地學、天文學、生物學、醫學、農業科學、冶金、機械，以及由此派生的眾多學科。

③計算思維：計算思維（Computational Thinking，CT）是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解的涵蓋了計算機科學之廣度的一系列思維活動。

1.計算思維的概述

計算思維的本質是抽象和自動化。如同所有人都具備“讀、寫、算”能力一樣，計算思維是必須具備的思維能力。

（1）求解問題中的計算思維

利用計算手段求解問題的過程為：首先將實際問題轉換為數學問題，然后建立模型、設計計算法和編程實現，最后在實際的計算機中運行并求解。前兩步是計算思維中的抽象，后兩步是計算思維中的自動化。

（2）設計系統中的計算思維

任何自然系統和社會系統都可視為一個動態演化系統，演化伴隨著物質、能量和信息的交換，這種交換可以映射為符號變換，使之能用計算機實現離散的符號處理。當動態演化系統抽象為離散符號系統后，就可以采用形式化的規范來描述，通過建立模型、設計算法和開發軟件來揭示演化的規律，實時控制系統的演化并自動執行。

（3）理解人類行為的計算思維

利用計算手段來研究人類的行為，可視為社會計算，即通過計算機構建一個人與人之間的溝通的虛擬空間，研究計算機以及信息技術在社會中影響傳統的社會行為的過程。近年來蓬勃興起的微博、百度百科等應用更是強調借助網絡工具有效地利用用戶群體的智慧。在這樣的環境中，計算機成為一項通信工具，而用戶利用這一通信工具，構建了自己的人際交互關系。這樣，利用這種社會軟件提供的便利，用戶也被連接在一起，形成了虛擬空間上的社會網絡。社會計算通過各種信息技術手段，設計、實施和評估人與社會之間的交互，涉及人們的交互方式、社會群體的形態及其演化規律等問題。研究生命的起源與繁衍，理解人類的認識能力，了解人類與環境的交互，研究傳染病毒的結構與傳播以及國家的福利與安全等都屬社會計算的范疇，它些都與計算思維科學密切相關。使用計算思維的觀點對當前社會計算中的一些關鍵問題進行分析與建模，嘗試從計算思維的角度重新認識社會計算，找出新問題、新觀點和新方法等。

計算思維就是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個困難的問題闡釋為如何求解它的思維方法。計算思維是一種遞歸思維，是一種并行處理，它能把代碼譯成數據又能把數據譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法。計算思維是一種采用抽象和分解的方法來控制龐雜的任務或進行巨型復雜系統設計的方法，是基于關注點分離的方法。計算思維是一種選擇合適的方式陳述一個問題，或對一個問題的相關方面建模使其易于處理的思維方法。計算思維是按照預防、保護及通過冗余、容錯、糾錯的方式，并從最壞情況進行系統恢復的一種思維方法。計算思維是利用啟發式推理尋求解答，即在不確定情況下的規劃、學習和調度的思維方法。計算思維是利用海量數據來加快計算，在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行折中的思維方法。

2.計算思維的特征

（1）計算思維是概念化，不是程序化

計算機科學不是計算機編程。像計算機科學家那樣去思維意味著遠遠不止能為計算機編程，還要求能夠在抽象的多個層次上思維。計算機科學不只意味著計算機，就像音樂產業不只意味著麥克風一樣。

（2）計算思維是根本的技能，不是刻板的技能

計算思維是一種根本技能，是每一個人為了在現代社會中發揮職能所必須掌握的。刻板的技能意味著簡單的機械重復。

（3）計算思維是人的，不是計算機的思維

計算思維是人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計算機那樣工作。計算機枯燥且沉悶，人類聰穎且富有想象力。計算機賦予人類強大的計算能力，人類應該好好利用這種力量去解決各種需要大量計算的問題。

（4）計算思維是思想，不是產品

不只是將我們生產的軟、硬件等產品到處呈現在我們的生活中，更重要的是計算的概念，它被人們用于問題求解、日常生活的管理，以及與他人進行交流和互動。

（5）計算思維是數學和工程思維的互補與融合

計算機科學在本質上源自數學思維，它的形式化基礎建筑于數學之上。計算機科學又從本質上源自工程思維，因為人們建造的是能夠與實際世界互動的系統，所以計算思維是數學和工程思維的互補與融合。

（6）計算思維面向所有人、所有地方

當計算思維真正融入人類活動的整體時，它作為一個問題解決的有效工具，人人都應當掌握，處處都會被使用。