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1、 .计算思维与信息技术课程的发展 (2012-02-12 23:58:34)最近，一些从事信息技术教学的中小学教师向我咨询，未来信息技术课程改革与发展的方向和趋势是什么，如何提高信息技术课程的教学质量？关于信息技术课程发展的方向，可以参考周以真教授提出的“计算思维”，并结合自己学校的实际情况来考虑。据美国自然科学基金官方消息，卡基-梅隆大学计算机学院院长、亚裔女性周以真（Jeannette Wing）将出任NSF计算机与信息科学与工程部（CISE）副部长。她将于2007年7月1日上任。周以真将负责管理美国NSF在信息科学和计算机研究领域的基金。CISE每年的预算高达五亿两千七百万美元，CISE
2、提供的经费占整个美国联邦政府对计算机科学研究经费的86。卡基梅隆大学的校长Jared L Cohon评价说：“周以真是当今世界上最有创新精神、最具原创力的计算机科学家之一。她在科研、教学和行政上均做出了重大贡献。NSF不可能找到一个比周以真更好的人选了。”以下有关“计算思维”的容转引自华南师大学附小吴向东老师博客，吴老师早在2007年就开始关注计算思维与科学教学改革的问题，blog.iiris/post/1191.html周以真：计算思维Jeannette M. Wing (周以真）翻译：徐韵文，王飞跃 校对：王飞跃中国计算机学会通讯 2007年第十一期计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，
3、由人由机器执行。计算方法和模型使我们敢于去处理那些原本无法由任何个人独自完成的问题求解和系统设计。计算思维直面机器智能的不解之谜：什么人类比计算机做得好？什么计算机比人类做得好？最基本的问题是：什么是可计算的？迄今为止我们对这些问题仍是一知半解。计算思维可以做什么？计算思维是每个人的基本技能，不仅仅属于计算机科学家。我们应当使每个孩子在培养解析能力时不仅掌握阅读、写作和算术（Reading, wRiting, and aRithmetic3R），还要学会计算思维。正如印刷出版促进了3R的普与，计算和计算机也以类似的正反馈促进了计算思维的传播。计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系
4、统和理解人类的行为。它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。当我们必须求解一个特定的问题时，首先会问：解决这个问题有多么困难？怎样才是最正确的解决方法？计算机科学根据坚实的理论基础来准确地回答这些问题。表述问题的难度就是工具的基本能力，必须考虑的因素包括机器的指令系统、资源约束和操作环境。为了有效地求解一个问题，我们可能要进一步问：一个近似解是否就够了，是否可以利用一下随机化，以与是否允许误报（false positive）和漏报（false negative）？计算思维就是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问题。计算思维是一种递归思维
5、。它是并行处理。它是把代码译成数据又把数据译成代码。它是由广义量纲分析进行的类型检查。对于别名或赋予人与物多个名字的做法，它既知道其益处又了解其害处。对于间接寻址和程序调用的方法，它既知道其威力又了解其代价。它评价一个程序时，不仅仅根据其准确性和效率，还有美学的考量，而对于系统的设计，还考虑简洁和优雅。计算思维采用了抽象和分解来迎接庞杂的任务或者设计巨大复杂的系统。它是关注的分离（SOC方法）。它是选择适宜的方式去述一个问题，或者是选择适宜的方式对一个问题的相关方面建模使其易于处理。它是利用不变量简明扼要且表述性地刻画系统的行为。它是我们在不必理解每一个细节的情况下就能够安全地使用、调整和影响
6、一个大型复杂系统的信息。它就是为预期的未来应用而进行的预取和缓存。计算思维是按照预防、保护与通过冗余、容错、纠错的方式从最坏情形恢复的一种思维。它称堵塞为“死锁”，称约定为“界面”。计算思维就是学习在同步相互会合时如何避免“竞争条件”（亦称“竞态条件”）的情形。计算思维利用启发式推理来寻求解答，就是在不确定情况下的规划、学习和调度。它就是搜索、搜索、再搜索，结果是一系列的网页，一个赢得游戏的策略，或者一个反例。计算思维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权衡。考虑下面日常生活中的事例：当你女儿早晨去学校时，她把当天需要的东西放进背包，这就是预置和缓存；当你儿子
7、弄丢他的手套时，你建议他沿走过的路寻找，这就是回推；在什么时候停止租用滑雪板而为自己买一付呢？这就是在线算法；在超市付帐时，你应当去排哪个队呢？这就是多服务器系统的性能模型；为什么停电时你的仍然可用？这就是失败的无关性和设计的冗余性；完全自动的大众图灵测试如何区分计算机和人类，即CAPTCHA注1程序是怎样鉴别人类的？这就是充分利用求解人工智能难题之艰难来挫败计算代理程序。计算思维将渗透到我们每个人的生活之中，到那时诸如算法和前提条件这些词汇将成为每个人日常语言的一部分，对“非确定论”和“垃圾收集”这些词的理解会和计算机科学里的含义驱近，而树已常常被倒过来画了。我们已见证了计算思维在其他学科中
8、的影响。例如，机器学习已经改变了统计学。就数学尺度和维数而言，统计学习用于各类问题的规模仅在几年前还是不可想象的。各种组织的统计部门都聘请了计算机科学家。计算机学院（系）正在与已有或新开设的统计学系联姻。近来，计算机学家们对生物科学越来越感兴趣，因为他们坚信生物学家能够从计算思维中获益。计算机科学对生物学的贡献决不限于其能够在海量序列数据中搜索寻找模式规律的本领。最终希望是数据结构和算法（我们自身的计算抽象和方法）能够以其表达自身功能的方式来表示蛋白质的结构。计算生物学正在改变着生物学家的思考方式。类似地，计算博弈理论正改变着经济学家的思考方式，纳米计算改变着化学家的思考方式，量子计算改变着物
9、理学家的思考方式。这种思维将成为每一个人的技能组合成分，而不仅仅限于科学家。普适计算之于今天就如计算思维之于明天。普适计算是已成为今日现实的昨日之梦，而计算思维就是明日现实。它是什么，又不是什么？计算机科学是计算的学问什么是可计算的，怎样去计算。因此，计算思维具有以下特性：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。根本的，不是刻板的技能。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。刻板技能意味着机械的重复。具有讽刺意味的是，当计算机像人类一样思考之后，思维可就真的变成机械的了。是人的，不是计算
10、机的思维方式。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地思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情。配置了计算设备，我们就能用自己的智慧去解决那些在计算时代之前不敢尝试的问题，实现“只有想不到，没有做不到”的境界。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，因为像所有的科学一样，其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，因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统，基本计算设备的限制迫使计算机学家必须计算性地思考，不能只是数学性地思考。构建虚拟世界的自由使我们能够设计超越物理世界的各种系统。是思想，不是人造物。不只是我
11、们生产的软件硬件等人造物将以物理形式到处呈现并时时刻刻触与我们的生活，更重要的是还将有我们用以接近和求解问题、管理日常生活、与他人交流和互动的计算概念；而且，面向所有的人，所有地方。当计算思维真正融入人类活动的整体以致不再表现为一种显式之哲学的时候，它就将成为一种现实。许多人将计算机科学等同于计算机编程。有些家长为他们主修计算机科学的孩子看到的只是一个狭窄的就业围。许多人认为计算机科学的基础研究已经完成，剩下的只是工程问题。当我们行动起来去改变这一领域的社会形象时，计算思维就是一个引导着计算机教育家、研究者和实践者的宏大愿景。我们特别需要抓住尚未进入大学之前的听众，包括老师、父母和学生，向他们
12、传送下面两个主要信息：智力上的挑战和引人入胜的科学问题依旧亟待理解和解决。这些问题和解答仅仅受限于我们自己的好奇心和创造力；同时一个人可以主修计算机科学而从事任何行业。一个人可以主修英语或者数学，接着从事各种各样的职业。计算机科学也一样。一个人可以主修计算机科学，接着从事医学、法律、商业、政治，以与任何类型的科学和工程，甚至艺术工作。计算机科学的教授应当为大学新生开一门称为“怎么像计算机科学家一样思维”的课程，面向所有专业，而不仅仅是计算机科学专业的学生。我们应当使入大学之前的学生接触计算的方法和模型。我们应当设法激发公众对计算机领域科学探索的兴趣，而不是悲叹对其兴趣的衰落或者哀泣其研究经费的
13、下降。所以，我们应当传播计算机科学的快乐、崇高和力量，致力于使计算思维成为常识。注释 1. Completely Automated Public Turing Test to Tell Computers and Humans Apart全自动区分计算机和人类的图灵测试，由CMU注册商标。CAPTCHA的目的是开发区分计算机和人类的一种程序算法，这种程序必须能生成并评价人类能很容易通过但计算机却通不过的测试。翻译 王飞跃 徐韵文作者 周以真（Jeannette M. Wing），曾任CMU计算机科学系主任，现任NSF计算机和信息科学与工程部（CISE）主任。于1983年在MIT获得计算机科学
14、博士学位。主要研究方向为并行分布式系统的规和认证以与编程语言。相关资料 2007年3月，CMU和微软宣布建立微软卡基梅隆计算思维中心（Microsoft Carnegie Mellon Center for Computational Thinking）。他们将从事计算机科学新兴领域的研究，尤其是那些能够对其他学科的思维产生影响的领域。该中心将采用一种称为面向问题探索（Problem-Oriented Explorations）的方法进行核心的计算机科学领域的研究。原文 Communications of ACM, Vol.49, No.3, March 2006, Pages 33-35附：
15、卡基梅隆大学计算机系主任周以真演讲tech.sina./it/2005-11-01/1044753310.shtml新浪科技讯 11月1日，第七届“二十一世纪的计算”大型学术研讨会在召开。届时国际著名的计算机大师包括图灵奖获得者、美国国家工程院院士与美国国家科学院院士等多位著名科学家莅临大会。会议由国家自然科学基金委员会、微软亚洲研究院、市人民政府以与大学联合举办。图为：卡基梅隆大学计算机系主任周以真(Jeannette Wing)教授演讲。以下为其演讲全文：Jeannette Wing：大家早晨好！非常荣幸能够今天早上到这里为这么多公众以与非常优秀的人士发言，我想感微软组织了这次会议，也要感大学，以与感地方官员，作为东道主在这个美丽的城市举办这个会议。我保证我要讲的是可预测的软件，这基本上是一个摘要，但是我想借此机会向在座的学生、系主任、校校长、计算机科学的研究人员，本着这次会议的主题，也就是“二十一世纪的计算”来介绍
