1.4.3　計算思維的概念

1.計算思維產生的背景

2005年6月，美國總統信息技術咨詢委員會給美國總統提交了報告《計算科學：確保美國競爭力》，該報告認為雖然計算本身也是一門學科，但是它具有促進其他學科發展的作用，21世紀科學上最重要的、經濟上最有前途的前沿研究都有可能通過先進的計算技術和運用計算科學來解決。該報告建議將計算科學長期置于美國國家科學與技術領域中心的領導地位。

2006年3月，美國卡內基·梅隆大學計算機科學系系主任周以真（Jeannette M.Wing）教授在美國計算機權威期刊Communications of the ACM雜志上首次提出了計算思維（Computational Thinking）的概念。周教授認為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。

2007年美國國家科學基金會制定了“振興大學本科計算教育的途徑（CPATH）”計劃。該計劃將計算思維的學習融入計算機、信息科學、工程技術和其他領域的本科教育中，以增強學生的計算思維能力，促成造就具有基本計算思維能力的、在全球有競爭力的美國勞動大軍，確保美國在全球創新企業的領導地位。

2011年度美國國家科學基金會又啟動了“21世紀計算教育”計劃，計劃建立在CPATH項目成功的基礎上，其目的是提高中小學和大學一、二年級教師與學生的計算思維能力。

2.計算思維的定義

國際上廣泛認同的計算思維定義來自周以真教授：計算思維是人們運用計算機科學的基思維活動。

計算思維融合了數學思維、工程思維和科學思維。它如同所有人都具備的“讀、寫、算”能力一樣，是必須具備的思維能力。

計算思維本身并不是新的東西，長期以來都在被不同領域的人們自覺或不自覺地采用。

為什么現在需要特別強調？這與人類社會的發展直接相關。我們現在所處的時代，稱為“大數據”時代，人類社會方方面面的活動從來沒有像現在這樣被充分地數字化和網絡化。人們在商場的消費信息，就會實時地在國家信用中心的計算機系統中反映出來。移動通信運營商原則上可以隨時知道每個人的地理位置。呼嘯在京廣線上的高鐵列車的狀態，隨時被傳給指揮控制中心。也就是說，對于任何現實的活動，都伴隨著相應數據的產生。數據成為現實活動所留下的“痕跡”。現實活動難以重演，但數據分析可以反復進行。對數據的分析研究實質上就是計算，這就是計算思維的用武之地。

3.計算思維的特性

計算思維雖然具有計算機的許多特征，但是計算思維本身并不是計算機的專屬。實際上，即使沒有計算機，計算思維也會逐步發展，甚至有些內容與計算機沒有關系。但是，正是由于計算機的出現，給計算思維的發展帶來了根本性的變化。計算思維有如下特征：

（1）計算思維是概念化的，不是程序化的

計算思維不是計算機編程，而是要求能夠在抽象的層次上進行思維活動，用計算思維的概念去思考、解決問題。計算機科學不只是關注計算機，就像音樂產業不只是關注麥克風一樣。

（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，是每一個人在現代社會中所必須掌握的?？贪宓募寄芤馕吨唵蔚臋C械重復，計算思維是靈活的、具有創造性的思維。

（3）計算思維是人類的思維，不是計算機的思維

計算思維是指導人類求解問題的一條途徑，但決非要使人類像計算機那樣思考。計算機枯燥且沉悶，只能機械地執行預先存儲的指令。人類聰穎且富有想象力，其思維千變萬化。

（4）計算思維是思想，不是人造物

計算思維是一種思想，不是工廠的產品，重要的是用計算的概念進行問題求解、對日常生活進行管理，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，它的形式化基礎建于數學之上。計算機科學又從本質上源自工程思維，因為我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）計算思維面向所有的人、所有地方

當計算思維真正融入人類活動的整體時，它作為一個解決問題的有效方法，人人都應當掌握，處處都會使用到。

4.計算思維的本質

抽象和自動化是計算思維的本質。計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，并完全用符號來表示。與數學和物理科學相比，計算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為復雜。

計算思維通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個困難的問題表示為求解它的算法，可以通過計算機自動執行，所以具有自動化的本質。