第一章 什么是中小學(xué)計(jì)算思維

一、計(jì)算思維的起源

（一）什么是計(jì)算

計(jì)算是一個(gè)我們并不陌生的概念。從借助木棒數(shù)數(shù)來(lái)做加減法到現(xiàn)在利用機(jī)器人解決人類(lèi)都難以解決的問(wèn)題，都屬于計(jì)算。

橋梁工程專(zhuān)家在設(shè)計(jì)橋梁時(shí)需要參考百年來(lái)洪水、暴雨、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的趨勢(shì)，估算可能的最高水位、最大流量和最大風(fēng)速；商店的老板打烊后開(kāi)始盤(pán)算一天的結(jié)余；人們使用各類(lèi)App線上購(gòu)物、吃飯，通過(guò)電子支付完成消費(fèi)結(jié)算……計(jì)算無(wú)處不在，計(jì)算極大地影響了我們的生活。

1.計(jì)數(shù)與計(jì)算

（1）數(shù)與計(jì)數(shù)的概念。

“數(shù)”（shù）是數(shù)出來(lái)的。這句話闡述了數(shù)的概念產(chǎn)生的緣由。最早的人類(lèi)因?yàn)橘Y源匱乏，數(shù)數(shù)是沒(méi)有必要的。大約距今一萬(wàn)年前，人類(lèi)進(jìn)入了農(nóng)業(yè)社會(huì)后，得靠天吃飯，因而十分關(guān)心日月星辰的運(yùn)行和季節(jié)的變化、糧食的種植和儲(chǔ)藏、土地的劃分和糧食的分配，以及隨之而來(lái)的商貿(mào)和賦稅，這些都促使“計(jì)數(shù)”成為人類(lèi)生活中必不可少的技能，這也為“數(shù)”和“計(jì)數(shù)”概念的產(chǎn)生提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。

“數(shù)”（shǔ）是建立物體集合之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在計(jì)數(shù)的活動(dòng)中，我們不僅可以比較兩個(gè)集合元素的多和少，還可以發(fā)現(xiàn)相等的關(guān)系，即所謂的“等數(shù)性”。在人類(lèi)發(fā)展的歷史過(guò)程中，計(jì)數(shù)也促使人們采取某種特定的方式利用等數(shù)性來(lái)反映集合元素的多少。

（2）計(jì)數(shù)方法的發(fā)展歷史。

古人使用“具象化”的計(jì)數(shù)方法。根據(jù)考古資料，遠(yuǎn)古時(shí)期的人們使用“等數(shù)性”來(lái)計(jì)數(shù)的方法有很多，比如“實(shí)物計(jì)數(shù)法”“刻痕計(jì)數(shù)法”以及“結(jié)繩計(jì)數(shù)法”。人們利用小石頭、貝殼、果核、樹(shù)枝等實(shí)物與被計(jì)數(shù)對(duì)象建立等數(shù)性關(guān)系，這種方法被稱(chēng)為“實(shí)物計(jì)數(shù)法”。在我國(guó)的甲骨文中發(fā)現(xiàn)，人們會(huì)在獸骨或者石板上刻畫(huà)痕跡用于計(jì)數(shù)，這就是“刻痕計(jì)數(shù)法”。古人還會(huì)為了統(tǒng)計(jì)每人每天打了多少獵物，通過(guò)打繩結(jié)的方式來(lái)計(jì)數(shù)，即“結(jié)繩計(jì)數(shù)法”。相傳古波斯王曾命令手下兵馬守一座橋，要守60天。為了讓將士們不少守一天也不多守一天，波斯王拿來(lái)一根長(zhǎng)長(zhǎng)的皮條，在上面系了60個(gè)繩結(jié)。他對(duì)守橋的將士說(shuō)：“我走后你們一天解一個(gè)繩結(jié)，什么時(shí)候解完了，你們就可以回家了。”這些計(jì)數(shù)方式在現(xiàn)在看來(lái)不是真正的、抽象的，而是集合的一類(lèi)性質(zhì)，是數(shù)量特征的形式轉(zhuǎn)移。

后來(lái)，古人們逐漸開(kāi)始使用一些比較容易攜帶的物品，比如小木棒來(lái)進(jìn)行計(jì)數(shù)，這些小木棒被稱(chēng)為“算籌”，多用竹子制成，也有用木頭、獸骨、象牙或金屬等材料制成的。人們將它們放在一個(gè)布袋中，系在腰部隨身攜帶。但在面對(duì)日益頻繁和復(fù)雜的計(jì)算時(shí)，數(shù)量眾多的算籌攜帶起來(lái)非常不方便，計(jì)算難度大的缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)，因此算籌難以肩負(fù)龐大而復(fù)雜的計(jì)算，于是算盤(pán)應(yīng)運(yùn)而生。

現(xiàn)代產(chǎn)生了新的計(jì)數(shù)方式。當(dāng)人們領(lǐng)悟到可以使用人類(lèi)天生的計(jì)算器——“自己的手指”時(shí)，計(jì)數(shù)方式的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍。屈指計(jì)數(shù)有兩個(gè)發(fā)展分支。一個(gè)是探求手指計(jì)數(shù)更理想的表達(dá)方式，即使用手勢(shì)來(lái)計(jì)數(shù)。例如籃球場(chǎng)上，裁判員用右手食指舉起，手腕向下彎曲一次表示計(jì)1分；右手食指和中指舉起，手腕向下彎曲一次計(jì)2分；左右手同時(shí)舉起，則表示三分球投籃成功，計(jì)3分……在海外的證券交易中，為保留傳統(tǒng)，交易員依然會(huì)使用手勢(shì)來(lái)表示交易價(jià)格。屈指計(jì)數(shù)的另一個(gè)發(fā)展分支是將屈指計(jì)數(shù)和實(shí)物計(jì)數(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造出進(jìn)位計(jì)數(shù)制以及完整的數(shù)的概念。

進(jìn)位計(jì)數(shù)制

數(shù)制是使用一組固定的數(shù)字和一套統(tǒng)一的規(guī)則來(lái)表示數(shù)值的方法。按照進(jìn)位方式計(jì)數(shù)的數(shù)制叫“進(jìn)位計(jì)數(shù)制”。在采用進(jìn)位計(jì)數(shù)制的數(shù)字系統(tǒng)中，如果用R個(gè)基本符號(hào)（如0，1，2，3，…，R-1）表示數(shù)值，則稱(chēng)其為R進(jìn)制，R稱(chēng)為進(jìn)制的基。R進(jìn)制數(shù)中可將數(shù)字符號(hào)稱(chēng)為數(shù)碼，R進(jìn)制共R個(gè)數(shù)碼。數(shù)碼在一個(gè)數(shù)中所在的位置稱(chēng)為數(shù)位。一個(gè)數(shù)在某個(gè)位置上所代表的數(shù)值大小稱(chēng)為位權(quán)，位權(quán)的大小是以基數(shù)為底，以數(shù)碼所在的位置（即位數(shù)）的序號(hào)為指數(shù)的整數(shù)次冪。整數(shù)部分最低的位權(quán)是R0，次低的位權(quán)為R1；小數(shù)點(diǎn)后第1位的位權(quán)為R-1，第2位的位權(quán)為R-2，依次類(lèi)推。（萬(wàn)珊珊、呂橙、邱李華等《計(jì)算思維導(dǎo)論》）

目前，人們廣泛使用十進(jìn)制，但在數(shù)的概念形成的初期，人類(lèi)還使用了二進(jìn)制、五進(jìn)制、二十進(jìn)制和六十進(jìn)制。據(jù)說(shuō)二進(jìn)制是最古老的計(jì)數(shù)制，甚至早于屈指計(jì)數(shù)。五進(jìn)制也是一種古老的進(jìn)制計(jì)數(shù)制，它的出現(xiàn)是因?yàn)槿藗冊(cè)谟?jì)數(shù)的過(guò)程中伸出一只手比較方便。當(dāng)人們手指和腳趾并用時(shí)，二十進(jìn)制就誕生了。遠(yuǎn)古時(shí)期的某些部落利用手指上的關(guān)節(jié)來(lái)計(jì)數(shù)，大拇指作為計(jì)數(shù)器，一只手除了大拇指以外就有12個(gè)關(guān)節(jié)，這樣就產(chǎn)生了十二進(jìn)制。因?yàn)?2有4個(gè)約數(shù)（2、3、4、6），而10只有兩個(gè)約數(shù)（2、5），因此不少數(shù)學(xué)家認(rèn)為十二進(jìn)制比十進(jìn)制使用起來(lái)更加方便。在我們生活中，大多數(shù)度量衡中仍然沿用十二進(jìn)制。比如1打等于12個(gè)，1英尺等于12英寸，1先令等于12便士。

各種常用的數(shù)制以及它們的特點(diǎn)如表1-1所示。

（3）從計(jì)數(shù)到計(jì)算。

先有數(shù)，才有算。計(jì)數(shù)是計(jì)算中的最基礎(chǔ)部分。“計(jì)數(shù)”是求出事物的個(gè)數(shù)或種類(lèi)的過(guò)程，一般指的是我們所說(shuō)的數(shù)數(shù)，其目的是求出事物的個(gè)數(shù)和種類(lèi)?！坝?jì)算”是根據(jù)“計(jì)數(shù)”得出的已知量算出未知量的過(guò)程。計(jì)算通過(guò)各種法則和原理來(lái)進(jìn)行演算，是一個(gè)求解問(wèn)題的過(guò)程。隨著科技與社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的問(wèn)題需要用計(jì)算來(lái)解決，因而也使得計(jì)算的難度不斷增加，進(jìn)而促進(jìn)了計(jì)算工具的發(fā)展。

2.計(jì)算定義的探究

計(jì)算究竟是什么？從詞源上看，它無(wú)疑是一個(gè)數(shù)學(xué)用語(yǔ)。英語(yǔ)中的計(jì)算（compute）一詞來(lái)源于拉丁文com + pulare，意思為用數(shù)學(xué)的手段確定或得出某些東西。我國(guó)的漢語(yǔ)詞典則把“計(jì)算”定義為“根據(jù)已知數(shù)，使用數(shù)學(xué)方法求得未知數(shù)”。（王榮良《計(jì)算思維教育》）由此可見(jiàn)，計(jì)算的本意是使用數(shù)學(xué)的方法來(lái)求值。隨著社會(huì)科學(xué)的發(fā)展，最原始的計(jì)算的本意已經(jīng)不能詮釋隱含的科學(xué)與技術(shù)的內(nèi)涵，也無(wú)法涵蓋計(jì)算在自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、人文科學(xué)或日常生活中的種種用法。事實(shí)上，進(jìn)入信息社會(huì)后，計(jì)算的概念內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了根本性的變化，而這種變化的產(chǎn)生與計(jì)算理論研究的運(yùn)用、計(jì)算工具特別是計(jì)算機(jī)的問(wèn)世和廣泛使用有著密切的關(guān)系。

（1）計(jì)算的概念和本質(zhì)。

從借助木棒數(shù)數(shù)來(lái)進(jìn)行加減到現(xiàn)在利用智能機(jī)器人解決人類(lèi)難以解決的問(wèn)題，這些都屬于計(jì)算。計(jì)算以各種形式存在于我們身邊。計(jì)算實(shí)質(zhì)上是對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到一定輸出結(jié)果的過(guò)程。抽象地說(shuō)，計(jì)算就是從一個(gè)狀態(tài)變換到另一個(gè)狀態(tài)。（萬(wàn)珊珊、呂橙、邱李華等《計(jì)算思維導(dǎo)論》）

狹義計(jì)算是關(guān)于具體數(shù)狀態(tài)的改變。人們對(duì)狹義計(jì)算的理解經(jīng)歷了初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)階段，如表1-2所示。

廣義計(jì)算，是指大自然中存在的一切具有狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。它將所有自然界存在的過(guò)程都抽象為一種輸入輸出系統(tǒng)，所有自然界存在的變量都被看作是信息。簡(jiǎn)單地理解，廣義計(jì)算就是信息的加工。由此可見(jiàn)，廣義計(jì)算無(wú)處不在。

廣義計(jì)算需關(guān)注兩個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題——明確什么是信息。人們?cè)谡J(rèn)知和實(shí)踐活動(dòng)中慢慢地體會(huì)到世界的重要組成部分是“信息”，在不同的語(yǔ)境中，它被賦予了不同的含義。第二個(gè)問(wèn)題——計(jì)算過(guò)程中用什么方法，即用什么算法。許多問(wèn)題的計(jì)算，既可以用類(lèi)似于計(jì)算函數(shù)的方法來(lái)進(jìn)行，也可以用查表的方法來(lái)進(jìn)行，還能用邏輯公式演繹推導(dǎo)的方式來(lái)進(jìn)行。長(zhǎng)期以來(lái)，由于數(shù)學(xué)研究中分析技術(shù)發(fā)達(dá)，人們常常習(xí)慣于使用演算的方法來(lái)進(jìn)行而忽視了算法的思想。直到計(jì)算機(jī)科學(xué)之父阿蘭·麥席森·圖靈采用了算法的思想來(lái)研究并描述計(jì)算的過(guò)程，人們才意識(shí)到算法的重要性。圖靈進(jìn)一步解釋了計(jì)算的概念，他指出計(jì)算的本質(zhì)包括了計(jì)算的過(guò)程、是否可計(jì)算以及算法思想實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

（2）計(jì)算的演變。

計(jì)算的淵源可以追溯到數(shù)學(xué)和工程。計(jì)算作為數(shù)學(xué)的主要對(duì)象已有幾千年了，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究，人們發(fā)現(xiàn)生活中的自然現(xiàn)象可以用計(jì)算來(lái)解讀，并慢慢推導(dǎo)出其模型，用于預(yù)言那些自然現(xiàn)象。計(jì)算的演變，其實(shí)也是人類(lèi)文明史中一部分工具的進(jìn)化史。在遠(yuǎn)古時(shí)期，人類(lèi)的始祖和其他動(dòng)物一樣必須依靠自己的肢體，付出體力來(lái)獲取食物和其他生存資源。當(dāng)人類(lèi)進(jìn)入了文明時(shí)代，人們發(fā)明了刀斧、弓箭之類(lèi)的工具。工具的物理特性大大提高了人類(lèi)獲取生存資源的能力。當(dāng)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展到工業(yè)文明時(shí)代，人們發(fā)明了蒸汽機(jī)、電動(dòng)機(jī)等通過(guò)能量轉(zhuǎn)化的方式實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)行的動(dòng)力設(shè)備。到了19世紀(jì)，機(jī)械計(jì)算機(jī)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)得到發(fā)展，此時(shí)物化延伸的不僅是人類(lèi)的肢體，還有人類(lèi)的大腦。讓人類(lèi)從單調(diào)、重復(fù)、枯燥的活動(dòng)中解放出來(lái)，成為計(jì)算演變的需求根源。自此，以計(jì)算機(jī)為中心的計(jì)算概念被拓展了，計(jì)算逐漸從我們熟知的元指令集的加減乘除，發(fā)展成圖靈機(jī)意義下的算法處理，計(jì)算正不斷被賦予新的含義，影響著我們看待世界和解決問(wèn)題的觀念和行為方式。計(jì)算成了自然的、人工的和社會(huì)的三大系統(tǒng)各個(gè)領(lǐng)域的基本處理過(guò)程。與此同時(shí)，計(jì)算環(huán)境的變革帶來(lái)了一場(chǎng)計(jì)算技術(shù)的革命以及思維的革新。接下來(lái)我們從計(jì)算工具和計(jì)算技術(shù)的演變兩方面，來(lái)進(jìn)一步研究計(jì)算的演變過(guò)程（如圖1-1所示）。

（3）現(xiàn)代計(jì)算工具的演變。

隨著大工業(yè)時(shí)代的到來(lái)，人類(lèi)對(duì)計(jì)算的復(fù)雜度和精準(zhǔn)度的要求不斷提高。在新問(wèn)題和新需求的不斷沖擊下，人們意識(shí)到必須盡快改進(jìn)數(shù)值計(jì)算，縮短計(jì)算的時(shí)間，提高計(jì)算的精準(zhǔn)度。機(jī)械式計(jì)算技術(shù)的發(fā)展使得機(jī)械式計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

帕斯卡加法器和萊布尼茲乘法器

在1642年，法國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和思想家帕斯卡（Pascal）借助精密的齒輪傳動(dòng)原理發(fā)明了第一臺(tái)能運(yùn)行加法和減法的計(jì)算器。這是人類(lèi)歷史上第一臺(tái)機(jī)械式計(jì)算器，是人類(lèi)在計(jì)算工具上的新突破。這臺(tái)計(jì)算器的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其使用價(jià)值。它告訴人們用機(jī)械裝置可以代替人的思維和記憶。從此，歐洲興起了“大家來(lái)造思維工具”的熱潮。

1674年，德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茲（Leibniz）發(fā)明了乘法器。乘法器是一臺(tái)可以運(yùn)行完整四則運(yùn)算，有較高的使用價(jià)值的計(jì)算器。萊布尼茲同時(shí)還提出了“可以用機(jī)械代替人進(jìn)行煩瑣重復(fù)的計(jì)算工作”的偉大思想，這一思想至今仍鼓舞人們探求新的計(jì)算工具。

（唐培和、徐奕奕《計(jì)算學(xué)科導(dǎo)論》）

進(jìn)入了19世紀(jì)蒸汽時(shí)代后，人類(lèi)對(duì)自然界中的電磁現(xiàn)象進(jìn)行了探索和研究，并掌握了電能和各種能量之間轉(zhuǎn)化的技術(shù)。人們希望利用電力代替人力作為計(jì)算機(jī)的動(dòng)力，這樣的計(jì)算機(jī)稱(chēng)為機(jī)電式計(jì)算機(jī)。

機(jī)電式計(jì)算機(jī)

1889年，第一臺(tái)電動(dòng)式計(jì)算機(jī)由美國(guó)人霍勒里斯（Herman Hollerith）制成。這臺(tái)以穿孔卡片來(lái)存儲(chǔ)資料并排序的計(jì)算機(jī)，大大減輕了統(tǒng)計(jì)工作人員的工作量。原來(lái)需耗時(shí)10多年才能完成的人口普查統(tǒng)計(jì)工作，在當(dāng)時(shí)只需耗費(fèi)2年多。

同一時(shí)期，英國(guó)大數(shù)學(xué)家查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）認(rèn)為人為的疏忽太多（如計(jì)算錯(cuò)誤、抄寫(xiě)錯(cuò)誤、校對(duì)錯(cuò)誤、印刷錯(cuò)誤等），便提出帶有程序控制的完全自動(dòng)的計(jì)算機(jī)思想，用蒸汽機(jī)作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)大量的齒輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，最終他發(fā)明了差分機(jī)。這臺(tái)計(jì)算機(jī)除了“程序內(nèi)存”外，已具備了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)，并且已經(jīng)可以進(jìn)行開(kāi)平方運(yùn)算，專(zhuān)門(mén)用于航海和天文計(jì)算。

在巴貝奇研制差分機(jī)的過(guò)程中，被譽(yù)為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域“第一位軟件工程師、第一位程序員”的艾達(dá)·奧古斯塔（Ada Augusta）的貢獻(xiàn)是巨大的。差分機(jī)是一種自動(dòng)機(jī)械計(jì)算器，用來(lái)計(jì)算多項(xiàng)式函數(shù)。在1937年她設(shè)計(jì)了分析機(jī)——一種通用計(jì)算機(jī)，其邏輯結(jié)構(gòu)與目前的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)基本相同，分析機(jī)現(xiàn)在被廣泛認(rèn)為是計(jì)算機(jī)的早期模型。

1941年，德國(guó)人朱斯（K.Zuse）在巴貝奇研究的基礎(chǔ)上研制了第一臺(tái)以繼電器為主要元件的機(jī)電式計(jì)算機(jī)。該機(jī)器可以執(zhí)行8種指令，包括四則運(yùn)算和求平方根。

1944年，美國(guó)人艾肯（Aiken）在IBM公司的資助下制成了機(jī)電式計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)性能有了較大的改善。此時(shí)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)能完成相當(dāng)廣泛的數(shù)學(xué)計(jì)算工作，如編制各種數(shù)字用表，求任意階的微分、數(shù)值積分、最小二乘法計(jì)算、逐次逼近計(jì)算等。但是，受限于機(jī)械制造工藝，機(jī)械部分的存在使得計(jì)算機(jī)的速度無(wú)法提升，如繼電器舌簧的運(yùn)動(dòng)頻率很難超過(guò)10次/秒，更重要的是其可擴(kuò)展性、可編程性受到了極大的限制，機(jī)電式計(jì)算機(jī)無(wú)法再進(jìn)一步發(fā)展。

（萬(wàn)珊珊、呂橙、邱李華等《計(jì)算思維導(dǎo)論》）

20世紀(jì)40年代，人類(lèi)的社會(huì)實(shí)踐向計(jì)算工具提出了新的要求，例如，計(jì)算量越來(lái)越大，要求計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行各種復(fù)雜的計(jì)算，有較大的存儲(chǔ)容量、更高的計(jì)算精度、更快的計(jì)算速度。大規(guī)模生產(chǎn)和科研的管理工作，還需要計(jì)算機(jī)滿足“信息處理”的要求。為了滿足以上需求，圖靈提出了“圖靈機(jī)”的概念。后來(lái)在“圖靈機(jī)”的基礎(chǔ)上，馮·諾依曼作了進(jìn)一步改進(jìn)（見(jiàn)圖1-2），才有了現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的雛形。

從1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC誕生，僅短短的70多年，計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)有了飛速的發(fā)展，人們根據(jù)計(jì)算機(jī)主要邏輯元器件的不同將電子計(jì)算機(jī)劃分為四代（如圖1-3所示）。

第五代計(jì)算機(jī)目前還在研制和設(shè)想中，主要有以下幾種設(shè)想：一些人按照前四代電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展規(guī)律推斷，認(rèn)為第五代電子計(jì)算機(jī)將是超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)，即由集成度超過(guò)萬(wàn)個(gè)門(mén)或超過(guò)10萬(wàn)個(gè)元件的“集成電路組裝的電子計(jì)算機(jī)”。也有人認(rèn)為第五代電子計(jì)算機(jī)將在結(jié)構(gòu)形式的元器件上有一個(gè)較大的飛躍，即“光計(jì)算機(jī)”。“生物計(jì)算機(jī)”的研制工作也取得了很大的進(jìn)展。目前“生物計(jì)算機(jī)”的研制工作正沿著兩個(gè)不同的方向進(jìn)行。第一個(gè)方向，是在傳統(tǒng)數(shù)字式計(jì)算技術(shù)的軌道上發(fā)展起來(lái)的，其主攻的是用某種有機(jī)物分子取代半導(dǎo)體元器件，因此這種生物計(jì)算機(jī)也被稱(chēng)為“分子計(jì)算機(jī)”。第二個(gè)方向，是設(shè)想計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由蛋白質(zhì)（酶）來(lái)承擔(dān)，這種生物計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過(guò)程實(shí)際上是蛋白質(zhì)分子與周?chē)h(huán)境相互作用的過(guò)程?！吧镉?jì)算機(jī)”在圖像識(shí)別和“感知”化學(xué)物質(zhì)等方面將可能優(yōu)于現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)。另外一些專(zhuān)家對(duì)第五代電子計(jì)算機(jī)主要是從功能方面提出了設(shè)想。他們認(rèn)為，第五代電子計(jì)算機(jī)除了在高速度、大容量方面繼續(xù)保持發(fā)展勢(shì)頭外，在功能方面應(yīng)從以計(jì)算為主過(guò)渡到以推理、聯(lián)想和學(xué)習(xí)為主，它處理的對(duì)象應(yīng)從以數(shù)據(jù)為中心過(guò)渡到以知識(shí)為中心。它的工作方式應(yīng)對(duì)用戶(hù)更為“友好”，用戶(hù)可以使用自然語(yǔ)言、圖像、聲音等各種手段與它打交道，第五代電子計(jì)算機(jī)應(yīng)該被稱(chēng)為“知識(shí)信息處理系統(tǒng)”。

（4）現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的研究和發(fā)展。

并行與分布式計(jì)算是在基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)的計(jì)算系統(tǒng)構(gòu)建中發(fā)展起來(lái)的。網(wǎng)絡(luò)作為重要的系統(tǒng)性、開(kāi)創(chuàng)性創(chuàng)造，可追溯到20世紀(jì)中期東西方壁壘森嚴(yán)的“冷戰(zhàn)”時(shí)期。自1969年互聯(lián)網(wǎng)發(fā)明后，處于特權(quán)地位的中心被解構(gòu)了。取而代之的是每個(gè)中心點(diǎn)，這些點(diǎn)既是重要的，也是不重要的。1997年，微軟（Microsoft）公司總裁比爾·蓋茨（Bill Gates）先生在演說(shuō)中提出“網(wǎng)絡(luò)才是計(jì)算機(jī)”，引起了全世界共鳴。人們改變了觀念，進(jìn)入了嶄新的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。

在Web應(yīng)用和信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，一方面互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境日趨復(fù)雜，大數(shù)據(jù)、高維文件激增；另一方面，伴隨著手機(jī)等移動(dòng)終端的普及，用戶(hù)對(duì)資源的共享需求成為常態(tài)。如何應(yīng)對(duì)壓力，以及滿足用戶(hù)按其喜好和需求索取和使用計(jì)算、存儲(chǔ)能力，是現(xiàn)在面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2006年8月9日，谷歌首席執(zhí)行官埃里克·施密特（Eric Schmidt）在搜索引擎大會(huì)（SES San Jose 2006）第一次正式提出“云計(jì)算”的概念。世界上已知最早使用“云計(jì)算”（Cloud Computing）一詞的印刷物是1996年康柏公司（Compaq）內(nèi)部的一份商業(yè)計(jì)劃書(shū)——他們將互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的未來(lái)稱(chēng)為“云計(jì)算”，這算是現(xiàn)代意義上的“云計(jì)算”的首次現(xiàn)身?！昂Ｓ?jì)算”這個(gè)概念是2009年提出來(lái)的。海計(jì)算是一種新型物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算模型，通過(guò)把客觀世界中的物體融入計(jì)算、存儲(chǔ)、通信能力和智能算法，實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)，通過(guò)多層次組網(wǎng)、多層次處理原始信息，將原始信息盡量留在前端，提高信息處理的實(shí)時(shí)性，緩解網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)壓力。

云計(jì)算和海計(jì)算

云計(jì)算的正式流行始于谷歌、IBM、亞馬遜等公司對(duì)云計(jì)算相關(guān)業(yè)務(wù)的大力投入。2007年10月，谷歌與IBM開(kāi)始在美國(guó)大學(xué)校園，包括卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)柏克萊分校及馬里蘭大學(xué)等，推廣云計(jì)算計(jì)劃。這項(xiàng)計(jì)劃希望能降低分布式計(jì)算技術(shù)在學(xué)術(shù)研究方面的成本，并為這些大學(xué)提供相關(guān)的軟、硬件設(shè)備及技術(shù)支持（包括數(shù)百臺(tái)個(gè)人電腦及BladeCenter與System x服務(wù)器，這些計(jì)算平臺(tái)將提供1 600個(gè)處理器，支持包括Linux、Xen、Hadoop等開(kāi)放源代碼平臺(tái)）。而學(xué)生則可以透過(guò)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)各項(xiàng)以大規(guī)模計(jì)算為基礎(chǔ)的研究計(jì)劃。云計(jì)算運(yùn)行示意圖如圖1-4所示。

2015年1月30日，我國(guó)出臺(tái)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)云計(jì)算創(chuàng)新發(fā)展培育信息產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)的意見(jiàn)》，提出了云計(jì)算是推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全新業(yè)態(tài)，是信息化發(fā)展的重大變革和趨勢(shì)。

海計(jì)算是基于物聯(lián)網(wǎng)的，把智能推向前端的計(jì)算。智能化的前端具有存儲(chǔ)、計(jì)算和通信能力，能在局部場(chǎng)景空間內(nèi)前端之間進(jìn)行協(xié)同感知和判斷決策，對(duì)感知事件及時(shí)作出響應(yīng)，具有高度自治性。海計(jì)算為用戶(hù)提供基于互聯(lián)網(wǎng)的一站式服務(wù)，是一種最簡(jiǎn)單可依賴(lài)的互聯(lián)網(wǎng)需求交互模式。用戶(hù)只要在海計(jì)算輸入服務(wù)需求，系統(tǒng)就能夠明確識(shí)別這種需求，并將需求分配給最優(yōu)的應(yīng)用或內(nèi)容資源提供商處理，最終返回給用戶(hù)匹配的結(jié)果。例如，高通公司研發(fā)的智能燈泡，就是一種海計(jì)算的應(yīng)用產(chǎn)品，它通過(guò)Wi-Fi與移動(dòng)設(shè)備或家用電器連接，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)異常，通過(guò)顏色變化嚇跑小偷，并把溫度、濕度、安全異常信息發(fā)送到主人的手機(jī)。

早在1979年，美國(guó)著名的計(jì)算機(jī)專(zhuān)家魏澤爾在《科學(xué)美國(guó)人》上發(fā)表的文章The Computer for 21st Century中說(shuō)到，文字是人類(lèi)社會(huì)最古老，也是最好的信息技術(shù)。文字可以存儲(chǔ)信息，也可以傳播信息，文字非常易于使用，當(dāng)你使用它時(shí)，不會(huì)意識(shí)到在使用它。因此，這個(gè)世界到處充滿文字。他大膽地預(yù)言：未來(lái)技術(shù)將具有文字的特征——為人類(lèi)使用，但不為人所知，且無(wú)處不在。他還專(zhuān)門(mén)創(chuàng)造了一個(gè)當(dāng)時(shí)看來(lái)有些生僻的詞語(yǔ)“Ubiquitous Computing”，即“普適計(jì)算”，意為計(jì)算無(wú)處不在。

現(xiàn)在，這個(gè)世界似乎正沿著魏澤爾所預(yù)言的軌跡變化：光纖通信和移動(dòng)通信加速寬帶化，物聯(lián)網(wǎng)正逐步成熟，智能終端的大范圍普及，智能手表等智能穿戴設(shè)備隨處可見(jiàn)，我們正在走向一個(gè)機(jī)器與人共生共享的社會(huì)，走向一個(gè)“連接一切”的社會(huì)，走向一個(gè)雖然瞬息萬(wàn)變，但一切趨于結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)化、可管理化的社會(huì)。

（二）科學(xué)思維的興起

科學(xué)是人們對(duì)自身及周?chē)陀^世界的規(guī)律性的認(rèn)知。隨著各種認(rèn)知活動(dòng)的不斷豐富和深化，逐漸形成了對(duì)某些事物比較完整且系統(tǒng)的知識(shí)，科學(xué)由此產(chǎn)生。一種思維模式實(shí)際上就是一種看待世界和認(rèn)識(shí)世界的方法和觀點(diǎn)，也就是我們所說(shuō)的世界觀，任何思維都是以產(chǎn)生某種結(jié)論為目標(biāo)的。對(duì)于結(jié)論的判斷標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)成了思維模式的獨(dú)有特質(zhì)?？茖W(xué)思維是指在人類(lèi)科學(xué)活動(dòng)中所使用的思維方式，人類(lèi)在認(rèn)識(shí)世界和改造世界的活動(dòng)中離不開(kāi)思維活動(dòng)，因而科學(xué)思維孕育而生，并逐漸形成和發(fā)展起來(lái)。

1.什么是科學(xué)思維

（1）思維的概念。

思維是一種心理現(xiàn)象，也是一種反映，它是認(rèn)識(shí)世界的一種高級(jí)的反映形式。具體說(shuō)，思維是人腦對(duì)客觀事物的一種概括的、間接的反映，它反映客觀事物的本質(zhì)和規(guī)律；思維是在人的實(shí)踐活動(dòng)中，在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，借助于語(yǔ)言，且以知識(shí)為中介而實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐活動(dòng)是思維的基礎(chǔ)，表象是對(duì)客觀事物的直接感知過(guò)渡到抽象思維的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，語(yǔ)言是思維活動(dòng)的工具。（王榮良《計(jì)算思維教育》）思維的發(fā)展歷程是從原始思維到抽象思維，再到科學(xué)思維的萌芽以及發(fā)展的過(guò)程。

思維的發(fā)展歷程

關(guān)于“思維”的探討，可以追溯到原始社會(huì)時(shí)期，但到目前為止，人類(lèi)學(xué)家們并沒(méi)有形成一致的認(rèn)識(shí)。法國(guó)社會(huì)人類(lèi)學(xué)家列維·布留爾將“原始思維”的具體特征概括為“集體表象”“前邏輯”和“互滲律”三個(gè)互相聯(lián)系的概念。“集體表象”是指一個(gè)群體共有并世代相傳的那些神秘的觀念，其中雖有“整體印象”的智力成分，但感情或運(yùn)動(dòng)因素很多，因而主觀色彩很濃。這些表象的聯(lián)結(jié)與活動(dòng)不受邏輯規(guī)律的支配而靠“神秘的互滲”起作用。例如有些“野蠻人”宣稱(chēng)，他們的圖騰動(dòng)物就是他們自己，他們自己也是圖騰動(dòng)物。尤其是這種思維完全不關(guān)心矛盾（它可以容許同一實(shí)體在同一時(shí)間存在于兩個(gè)或幾個(gè)地方，容許單數(shù)與復(fù)數(shù)同一、部分與整體同一等）。所以從表象關(guān)聯(lián)的性質(zhì)上看，列維·布留爾又把這種思維叫作“原邏輯的思維”。概言之，在布留爾看來(lái)“原始人”的思維就是以受互滲律支配的集體表象為基礎(chǔ)的神秘的、原邏輯的思維。（列維·布留爾《原始思維》）

我們?cè)诔姓J(rèn)原始思維的神秘性、混沌性的同時(shí)還應(yīng)注意到它實(shí)在性的一面。況且人類(lèi)思維能力是不斷進(jìn)化的，隨著原始人改造自然的能力不斷加強(qiáng)，其思維也由低級(jí)向高級(jí)不斷進(jìn)化，考古學(xué)證明人類(lèi)的抽象思維能力在舊石器時(shí)代中晚期就已形成。

正如英國(guó)人類(lèi)學(xué)家馬林諾夫斯基所說(shuō)：“倘若科學(xué)是一套規(guī)則與概念，以經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，以邏輯的推論為起點(diǎn)，包括在物質(zhì)的成就與固定的傳統(tǒng)里面，用某種社會(huì)組織來(lái)延續(xù)——倘若科學(xué)是這樣，則最低的野蠻社會(huì)也毫無(wú)疑義地具有科學(xué)的起點(diǎn)，不管是怎樣初始的起點(diǎn)。”（馬林諾夫斯基《巫術(shù)科學(xué)宗教與神話》）

科學(xué)作為人類(lèi)認(rèn)識(shí)自然的活動(dòng)，是對(duì)自然界客觀規(guī)律如實(shí)正確的反映。原始人的日常生產(chǎn)活動(dòng)水平雖然極其低下，但古代人類(lèi)要獲取食物、在惡劣的自然環(huán)境中求得生存繁衍就必須去認(rèn)識(shí)自然，因而必然逐步積累了關(guān)于自然的正確認(rèn)識(shí)。“人渴望知道眼前發(fā)生的每一件事的動(dòng)因，渴望知道他所觀察的事物的某種狀態(tài)是這樣，而不是那樣的原因。這種渴望不是高級(jí)文化的產(chǎn)物，而是在最低級(jí)文化階段上業(yè)已表現(xiàn)出來(lái)的人類(lèi)特征。在粗野蒙昧的人中，精神需要就已經(jīng)出現(xiàn)了。為了滿足這種需要，人們費(fèi)去了除戰(zhàn)爭(zhēng)、操練、飲食、睡眠之外的大部分時(shí)間。即使是在博托庫(kù)多人或澳大利亞人當(dāng)中，他們每天的經(jīng)驗(yàn)都帶有‘科學(xué)思維’的萌芽：他們學(xué)會(huì)了為獲得某種結(jié)果而完成某種動(dòng)作，學(xué)會(huì)了觀察在其他情況下動(dòng)作和某種結(jié)果的一貫性，學(xué)會(huì)了由結(jié)果再返回到引出這個(gè)結(jié)果的原因來(lái)作結(jié)論，以及用事實(shí)來(lái)證明自己的結(jié)論。”（泰勒《原始文化》）

（2）思維的特質(zhì)。

人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷史是人們不斷創(chuàng)新的歷史。科學(xué)的發(fā)明和創(chuàng)造，是靠人的思維來(lái)實(shí)現(xiàn)的。思維存在于人腦之中，可以用文字、符號(hào)來(lái)表征。思維最初是人腦借助語(yǔ)言對(duì)事物的概括和間接的反映過(guò)程。思維以感知為基礎(chǔ)，又超越感知的界限。通常意義上的思維，涉及所有的認(rèn)知或智力活動(dòng)。它探索與發(fā)現(xiàn)事物內(nèi)部的本質(zhì)聯(lián)系和規(guī)律性，是認(rèn)識(shí)過(guò)程的高級(jí)階段。思維對(duì)事物的間接反映，是指它通過(guò)其他媒介作用認(rèn)識(shí)客觀事物，以及借助已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)、已知的條件來(lái)推測(cè)未知的事物。

思維的特質(zhì)包括：

①概括性。

思維的概括性表現(xiàn)在它對(duì)一類(lèi)事物非本質(zhì)屬性的摒棄和對(duì)其共同本質(zhì)特征的反映。思維是在人的感性材料基礎(chǔ)上，把一類(lèi)事物的共同本質(zhì)特征的規(guī)律抽取出來(lái)加以概括。（王榮良《計(jì)算思維教育》）概括性是思維最顯著的特點(diǎn)。感覺(jué)、知覺(jué)只能反映個(gè)別事物或事物的個(gè)別屬性，而思維則能反映一類(lèi)事物的本質(zhì)和事物之間的規(guī)律性聯(lián)系。思維主要是通過(guò)抽象的過(guò)程，在思想上區(qū)分出事物的本質(zhì)和非本質(zhì)屬性，從而提煉出本質(zhì)屬性，舍去非本質(zhì)屬性，同時(shí)區(qū)分出某種事物的一般的、共同的屬性或特征，從而將區(qū)分出的某事物的本質(zhì)屬性或特征推廣為同類(lèi)事物的本質(zhì)屬性和特征。例如，“筆”有鉛筆、鋼筆、毛筆、馬克筆、畫(huà)筆、彩筆、粉筆等，具有不同的形狀、長(zhǎng)短、粗細(xì)、顏色、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)等外部特征，但是“筆是人類(lèi)創(chuàng)造的專(zhuān)門(mén)用來(lái)書(shū)寫(xiě)的工具”就是筆所具有的概括性特質(zhì)。

②間接性。

所謂的間接性，是指非直接地、以其他事物作為媒介來(lái)反映客觀事物。思維是憑借知識(shí)經(jīng)驗(yàn)對(duì)客觀事物進(jìn)行的間接反映。例如，醫(yī)生在看病的時(shí)候，會(huì)根據(jù)病史間接了解病人的具體情況，結(jié)合醫(yī)學(xué)知識(shí)和臨床經(jīng)驗(yàn)，對(duì)病人的現(xiàn)狀作出判定并給出治療方案。思維還可以憑借著知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)沒(méi)有直接作用于感覺(jué)器官的客觀事物加以反映。例如，考古學(xué)家通過(guò)現(xiàn)存的古跡遺址、古董物件、古文記載推測(cè)古代王朝的經(jīng)濟(jì)情況、生活情境。

③問(wèn)題性。

思維指向解決某個(gè)任務(wù)或問(wèn)題。當(dāng)人們?cè)趯?shí)踐活動(dòng)中接觸到某種新的、不能理解的事物時(shí)，會(huì)因?yàn)楹闷嫘亩鲃?dòng)認(rèn)識(shí)它，或者因其他客觀原因被迫去揭示和理解它，從而達(dá)到解決問(wèn)題的目的。思維過(guò)程主要是解決問(wèn)題的過(guò)程，在因果關(guān)系上，它受人類(lèi)認(rèn)識(shí)未知事物的程度所限制。

④能動(dòng)性。

思維是客觀世界在人腦中的主觀反映，但是思維不是被動(dòng)的，它具有能動(dòng)性。首先思維能認(rèn)識(shí)和反映世界，這種反映和認(rèn)識(shí)是有選擇的。其次，思維能動(dòng)性的主要表現(xiàn)是思維對(duì)客觀世界的改造。思維能動(dòng)性不僅在于主動(dòng)地、有選擇地認(rèn)識(shí)世界，也不僅在于認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)和固有規(guī)律，更在于通過(guò)實(shí)踐對(duì)世界的認(rèn)識(shí)和對(duì)世界的改造，把思想化為行動(dòng)，使得世界符合人的目的，使得世界打上人類(lèi)意志的烙印。最后，思維的能動(dòng)性表現(xiàn)在思維對(duì)人的大腦和生理的作用。

（3）思維的過(guò)程。

思維是人類(lèi)所具有的高級(jí)認(rèn)識(shí)活動(dòng)。按照信息論的觀點(diǎn)，思維是對(duì)新輸入的信息與腦內(nèi)儲(chǔ)存的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行一系列復(fù)雜的心智操作的過(guò)程。馬克思在談到人類(lèi)思維的起源和發(fā)展過(guò)程時(shí)指出：“思維過(guò)程本身是在一定的條件中生長(zhǎng)起來(lái)的，它本身是一個(gè)自然過(guò)程。”（馬克思、恩格斯《馬克思恩格斯選集》）

思維作為人腦的機(jī)能，當(dāng)然有其自然的方面。同時(shí)，思維又和人類(lèi)的實(shí)踐活動(dòng)密切聯(lián)系。從發(fā)生上說(shuō)，思維起源于勞動(dòng)。勞動(dòng)創(chuàng)造了人類(lèi)，也創(chuàng)造了人的思維。正是在勞動(dòng)的過(guò)程中，人的抽象和推理能力才能發(fā)展起來(lái)。每一個(gè)個(gè)體的思維活動(dòng)，都是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。實(shí)踐為思維提供了感性材料，事物的本質(zhì)也是在實(shí)踐中逐步顯露出來(lái)，從而被人類(lèi)所認(rèn)識(shí)。也就是說(shuō)人的思維所服從的規(guī)律和規(guī)則，也是從實(shí)踐中產(chǎn)生出來(lái)的。這些規(guī)律和規(guī)則是實(shí)踐活動(dòng)中所顯示出來(lái)的客觀現(xiàn)實(shí)關(guān)系的概括化反映。

2.三大科學(xué)思維

從科學(xué)發(fā)展的歷史來(lái)看，理論科學(xué)和實(shí)驗(yàn)科學(xué)是兩個(gè)典型的學(xué)科類(lèi)，同時(shí)也形成了獨(dú)特的學(xué)科形態(tài)。數(shù)學(xué)是理論科學(xué)中的典型學(xué)科，對(duì)應(yīng)的是數(shù)學(xué)思維或理論思維。物理是實(shí)驗(yàn)科學(xué)中的典型學(xué)科，對(duì)應(yīng)的是物理思維或?qū)嶒?yàn)思維。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科的研究與應(yīng)用的深化，計(jì)算開(kāi)始作為理論與實(shí)驗(yàn)之外的第三種學(xué)科類(lèi)，成為第三種從事一類(lèi)學(xué)科研究與發(fā)展的文化方式。

目前，自然科學(xué)領(lǐng)域公認(rèn)的三大科學(xué)方法是：理論方法、實(shí)驗(yàn)方法與計(jì)算方法。而每一種科學(xué)方法都可被劃分為思想方法與操作方法兩個(gè)層面，如果說(shuō)其中思想方法層面大致被視為是思維方法層面的話，則與三大科學(xué)方法相對(duì)應(yīng)，有三大科學(xué)思維，即理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維。

（1）理論思維。

理論思維即人們運(yùn)用概念、判斷、推理等把感性認(rèn)識(shí)抽象成理性認(rèn)識(shí)。我國(guó)當(dāng)代著名的認(rèn)識(shí)論專(zhuān)家馮契先生認(rèn)為理論思維就是“用概念來(lái)摹寫(xiě)和規(guī)范現(xiàn)實(shí)，化所與為事實(shí)，揭示事物之間的本質(zhì)聯(lián)系”。

（2）實(shí)驗(yàn)思維。

在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之前，科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)主要依靠實(shí)驗(yàn)或試驗(yàn)來(lái)提供數(shù)據(jù)，計(jì)算處于輔助地位。實(shí)驗(yàn)思維起源于物理研究。實(shí)驗(yàn)思維形成的過(guò)程是從物理視角探索客觀事物的本質(zhì)、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)過(guò)程，也是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過(guò)程；是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化過(guò)程，也是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理，對(duì)不同觀點(diǎn)的結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑、批判、檢驗(yàn)和修正的過(guò)程。

（3）計(jì)算思維。

計(jì)算思維作為一種與計(jì)算機(jī)及其特有的問(wèn)題求解緊密相關(guān)的思維形式，讓人們可以根據(jù)自己的工作和生活需要，在不同的層面上利用這種思維方法去解決問(wèn)題。早在20世紀(jì)下半葉，因?yàn)槭苡?jì)算機(jī)等同于編程的觀念的影響，那時(shí)的學(xué)者認(rèn)為計(jì)算思維與計(jì)算機(jī)編程密切相關(guān)，將計(jì)算思維等同于程序思維和算法思維。

3.三大思維的關(guān)系

20世紀(jì)80年代關(guān)于理論思維和實(shí)驗(yàn)思維的主題有很多，存在很多的方法論。從理論思維落實(shí)到實(shí)驗(yàn)思維，中間經(jīng)歷了很多轉(zhuǎn)化，中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)化依賴(lài)于計(jì)算思維將復(fù)雜問(wèn)題分離成合理的部分，從而有助于學(xué)習(xí)者習(xí)得問(wèn)題解決、算法設(shè)計(jì)、軟件與項(xiàng)目設(shè)計(jì)等內(nèi)容，從而完成理論思維到實(shí)驗(yàn)思維的轉(zhuǎn)變、實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

理論思維是系統(tǒng)化的理性認(rèn)識(shí)思考，實(shí)現(xiàn)理論思維到實(shí)驗(yàn)思維的應(yīng)用，中間包含了許多黑盒式的轉(zhuǎn)化，同理，從實(shí)驗(yàn)思維到理論思維，也存在黑盒式的轉(zhuǎn)化。理論思維和實(shí)驗(yàn)思維的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程被忽視，計(jì)算思維剛好成為兩者的中間過(guò)程。

三大思維都受到目標(biāo)的支配。從理論思維到實(shí)驗(yàn)思維，實(shí)驗(yàn)思維蘊(yùn)含和吸收理論思維；從實(shí)驗(yàn)思維到理論思維，理論思維有機(jī)兼容與主動(dòng)投射實(shí)驗(yàn)思維，計(jì)算思維成為聯(lián)結(jié)兩者的中間環(huán)節(jié)（如圖1-5所示）。三大思維的統(tǒng)一性將為解決理論思維與實(shí)驗(yàn)思維的交互共生形態(tài)問(wèn)題提供新方法。