计算机思维与编程

1、无处不在的计算

认识了计算机的工作原理，了解了计算机的发展史，不难得出结论，那就是计算机对于信息进行的所有操作和处理都离不开：计算！

计算问题，什么是计算机中的计算呢？它是指一种应用比较复杂的法则与逻辑，用来解答某个困难的问题，它的过程较复杂，也不一定与数字有关。我们知道，计算机的运算器只有一个加法器，而计算机能够进行的“计算”任务不仅包含数值运算，也包含了在这个加法器上实现的更高阶的计算，人心包括了大量的法则和逻辑等复杂的过程。

为什么要讲计算问题呢？因为下面我们会讲到可计算机性，指一个现实中的实际问题能否使用计算机来解决。我们不可能期待计算机能够解决世界上所有的难题，所以分析某个问题的可计算机性到头重要，使得我们不必浪费时间在不可能解决的问题上，集中精力与时间在可以解决的问题上。

2、计算思维(ComputationalThinking)

著名的计算机科学家、图灵奖获得者Edsger Dijkstra在1972年曾经说过这样一句话，“我们所使用的工具影响着我们的思维方式与思维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维能力”。

计算思维，顾名思义，就是指计算机、软件及相关学科中的专家和工程技术人员的思考问题的模式。2006年，美国计算机科学教授周以真提出了“计算思维（Computational Thinking）”的概念，并指出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。计算思维是如同人们日常生活中读，写，算能力一样，是新世纪必须具备的思维能力；计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由机器执行。后来的研究者 Selby 和 Woollard 认为计算思维应包含以下五个核心的概念：算法思想（Algorithmic thinking），评价（Evaluation），分解（Decomposition），抽象化（Abstraction），归纳（Generalization）。

计算思维的本质是：抽象与自动化

抽象：完全超过物理的时空观，并完全用符号来表示，但数学抽象是特例。

自动化：机械地一步一步自动执行，其基础和前提是抽象。

人类一直在探索自动计算的奥秘，70年来计算机科学深刻地改变着世界。计算机技术在现代社会的发展中发挥着越来越大的作用，计算已经成为继理论和实验之后的第三种科学方法。

计算思维是涵盖计算机科学的一系列思维活动，而计算机科学是计算的学问（什么是计算，怎样去计算），故计算思维有以下特点：

计算思维是概念化而不是程序化的。

计算思维是根本而不是一成不变的技能。

计算思维是人而不是计算机的思维方式。

计算思维是数学和工程学的互补与融合。

计算思维是思想而不是人造物。

计算思维是面向所有人。

举例:现实生活中算法的应用

像Bing和Google的搜索引擎，主要使用了搜索算法（策略）帮助我们对搜索内容进行检索分类，然后呈现给用户，用户一般就选择头几条结果看一下。

计算课程中，算法如何学习问题：

计算类课程，要求学员在第一阶段了解算法概念，以及算法如何在程序设计或者数字设备中使用。

(1) 作为起步阶段，可以使用积木块编程工具，帮助理解问题求解与指令的概念。下图是编写代码绘制正方形。

（2）对问题分析后，可以写出伪代码（类似人类语言）,下面是教师在课堂提出10个问题，操作指令。

（3） 绘制程序流程图来分析程序执行流程。

问题分解

问题分解如何在现实生活中应用

分解问题就是把问题分解成立若干个小的部分，每人小部分是唯一不重复，且可计算的。问题分解在工程、设计与项目管理领域应用广泛。

Organise for the pupils to tackle a largescale programming project, such as making a computer game, through decomposition. Even for a relatively simple game the project would typically be decomposed as follows: planning,

design, algorithms, coding, animation, graphics,sound, debugging and sharing. A project like this would lend itself to a collaborative, team-based

approach, with development planned over a number of weeks.

以处理一个较大的编程项目为例，如何制作一个电脑游戏，我们就会使用问题分解。即使制作一个简单的游戏项目，也会把任务分解成如下几个环节：策划、设计，算法、编码、动画、图形设计、音效、调试和共享。一般项目在运行中，还要有合作、团队协助，开发过程一般会持续数周时间。

抽象方法

如何处理复杂的问题

美国计算机科学家Jeanette Wing认为，抽象是计算思维的核心内容。

抽象的过程：决定那个细节应该保留，哪些细节应该被突略。