什么是计算思维

5 2015/23中国信息技术教育●想了解什么是计算思维，首先要了解的是思维. 经典的说法是思维是人脑对客观事物的间接和普遍的反映. 首先，思维是人脑对客观事物的反映，也就是说，思维的主体是人，而不是他人. 思维必须指人类拥有的东西. 计算思维也必须是人类思维，而不是计算机思维，因为计算机不能成为思维的主体. 至少到目前为止，还没有证据表明计算机可以思考. 至于计算思维中的目标，即目标是什么，将在本文的第二部分中进行讨论. 第二，思维具有两个主要特征: 普遍性和间接性. 思维是基于人脑对各种器官获得的知觉材料，并提取和总结了一类事物的共同本质特征的规则. 这是思维的普遍性. 例如，“笔”包括铅笔，钢笔和圆珠笔，并且它们的外部特征（例如颜色，形状和材料）可能会有所不同，“笔是人为书写而专门创造的工具”是其基本特征的总结. . 同样，我们将人们的加，减，乘，除运算以及对值和字符的计算机处理总结为根据某些规则的符号字符串转换过程，即计算概念. 思维的普遍性是指从某些事物相互联系的事实中找到普遍或不可避免的联系，并将其扩展到相似属的膨胀和收缩之间的关系，以及计算机的特性对社会生产，学习和生活的影响.

间接性是思维的另一个特征. 思维取决于感知知识，但它远远超出了感知知识的范围，无法识别无法直接感知或无法感知的事物，并预测和推断事物的进展. 例如，人们无法感知恐龙的生活场景，但是考古学家可以从化石中推测出这是思维的间接性. 类似地，人们不能直接观察计算机内部计算单元的当前变化，但是通过输出间接信息，可以得出结论，计算单元正在执行某种操作. 第三，我们说思维是人脑对客观事物的普遍而间接的反映. 需要说明的是，这里的反思不仅是静态的结果，而且实际上是一个过程. 思维的本质是思维主体即人脑的运动. 思维是指人脑有意识地连续获取各种环境信息. 人脑对获得的环境信息和现有经验信息（或称为完成操作的结果）执行一系列操作，以获得对环境更改程序运动的响应. 在此，操作包括最简单和基本操作的传输，提取，存储，删除，比较，安排和组合. 学生的学习是通过感知和认识事物的个体属性和外部联系来获得感知知识，并且还需要在感知知识的基础上通过复杂的思维活动来理解事物的本质和规律，以获得理性的知识. 因此，学生的学习过程就是人脑对客观事物的本质和规律的概括和间接反映的过程，即思考的过程.

●计算思维是关于计算学科的思维. 每个学科都有不同的学科思维. 各个学科的思想有一个共同点，但不同学科要解决的基本问题不同，研究方法也不同，因此思维特征必然有所不同. 数学思维是人脑与数学对象交互并根据一般思维规则认识数学规律的过程. 具体地说，数学思维是一种以数字和形状及其结构关系为思维对象，数学语言和符号为思维载体，以及理解和发现数学定律的目的的思维. 逻辑思维是一种典型的数学思维，其中逻辑推理是对其进行判断的重要工具. 在逻辑思维中，您首先需要具有一组称为公理的命题，然后有一个推理规则. 严格使用来自公理的推理规则，可以得出相应的结论或定理. 经验思维是物理学代表的典型思维形式. 什么是计算思维？王荣亮华东师范大学的理论解释Teacher@chinaitedu.cn主题6中国信息技术教育2015/23在积极的思维方式下，人们观察和实验得出一些揭示客观世界的结论，这些结论是最重要的. 部分都是法律形式. 我们现在使用的是基于伽利略，牛顿，爱因斯坦和其他科学家的物理科学系统. 在这个系统中，我们建立了一个框架，从一些法律解释整个客观世界. 其中，经验证据是经验思维的核心.

当然，并不是说数学仅具有逻辑思维，而物理学仅具有经验思维. 在数学上也有观察. 在经验思维模式下，还需要通过数学方法分析通过观察获得的数据以形成模型. 不同学科的不同思维方式和实现方法重叠，但这不能改变两个不同学科的两种不同思维的不同核心思维方式. 综上所述，上述两种思维具有这样的思维特征: 第一，思维活动以语言和文字作为载体来表达；其次，思维表达必须遵循一定的格式，并且必须满足一定的语法和语义规则. 第三，以合理的方式表达可以使他人相信结论而无需重复思考过程. 这三个特征也是一般科学思维的基本特征. 当然，并非所有思维都具有这些特征. 人类活动还涉及其他思维方式，例如类比，联想和启发. 这些思维不仅伴随人类活动的整个过程，而且还伴随着许多创新思想的产生. 但是，计算思维就像逻辑思维和经验思维一样，是具有上述特征的典型科学思维. 作为计算思维，主题必须是人和人的大脑. 对象（即客观事物）应该是计算，计算规则和过程以及支持计算的设备. 要理解计算思想，我们必须首先知道什么是计算，什么是计算过程以及什么是计算设备. 两个数字相加就是计算，而人类的大脑就是计算设备. 当然，计算不仅是算术运算. 仔细分析计算过程. 两个数的加法是加数，加法数由计算装置（即人脑）根据规则进行转换，以获得计算和.

如果所有操作数都抽象为字符串，则计算可描述为: 计算从现有符号开始，并逐步更改符号字符串. 在有限的步骤之后，最终获得满足预定条件的符号串. “受限”在这里很重要. 如果未指定限制步骤，则无法保证计算. 表达人脑的计算过程并使用非人脑设备执行计算是一项艰巨的任务. 早期的机械计算器执行算术运算（例如，两个数字相加），并通过使用尺寸和齿轮之间的关系来表示操作规则. 可以逐步执行计算. 这称为机械计算. 当今的计算机尽管用电子设备代替了机械设备，但就其与人脑​​的关系而言，它们类似于机械设备，因此也称为机械计算. 计算思维必须是人脑的思维，这是人脑对计算，计算规则和过程以及计算设备的普遍和间接反映. 这里的计算应指代可以用文字和字符表示的计算，以及可以由机械（电子）设备实现的计算. 研究类别是机械计算. 关于人脑计算的研究，其机制十分复杂，属于脑科学与心理学研究的范畴. 根据国际计算机协会（ACM）给出的定义，计算学科是对描述和转换信息的算法过程的系统研究，包括理论，分析，设计，效率，实现和应用. 计算学科包括对计算过程的分析以及计算机的设计和使用. 可以看出，计算学科的研究内容是计算思维的对象，计算思维必须是对计算学科的思考.

当然，计算思维并不是计算学科中的唯一思维方式. 在数学发展的历史上，笛卡尔使用坐标技术以代数语言描述几何，然后成功地将许类思维活动归因于计算. 从那时起，数学家希尔伯特（Hilbert）提出该思想可用于解决一个程序包中的所有数学问题，即设计一个完整的算法A. 对于任何给定的数学问题，A都会进行有限数量的机械计算，并且会停止并给出了问题. 正确答案. 这就是著名的“希尔伯特程序”，其核心是将数学还原到有限的过程. 尽管最终无法实现该程序，但相关研究的工作确实弄清了什么是计算和什么是算法计算思维的特性，并深入揭示了计算思想所涵盖的主要概念. 计算思维表达了这样一个过程: 用代数语言（或其他公认的标准语言）形式表达问题，然后根据预设规则进行有限数量的字符串转换，最后获得问题的解决方案. 与物理学科中研究自然法则的经验方法和数学学科中的逻辑推理方法不同，计算学科强调建构性. 在数学中，相应的存在性证明是存在性证明，这是数学中一种常用的证明方法，例如在一定数量的轴间隔内存在实数解的证明，函数是可派生的. 建构主义更加强调通过一系列步骤赋予对象，或者赋予对象的计算方法. 因此，在计算领域，重点是如何构建计算模型和算法，然后逐步解决.

基于计算学科的结构性质，计算思维的标志是有限性，确定性和机制. 表达计算思维的方式必须是有限的形式. 表达计算思维的语义必须是明确的，在对Teacher@chinaitedu.cn的理解上，人与环境之间不应有差异. 主题7中国信息技术教育2015/23计算思维体现了一种机械方式，可以通过机械步骤来实现. ●计算思维是一种技术思维技术，是人们使用现有事物形成新事物或改变现有事物的功能和性能的一种方法. 创造技术来弥补人类自身生理的不足. 作为人类自然生理缺陷的补充，技术体现在人类的经验和认知中. 技术通常以工具的形式存在并服务于人类. 当人类与动物世界分离时，它们与技术形成了不解之缘. 特别是在现代科学诞生之后，技术和科学已成为一体，使技术的效力更加明显. 技术的发展历史表明，它的发展是沿着从肢体到躯干再到大脑的扩展逻辑进行的，与计算学科相对应的计算工具的研究正沿着这一道路发展. 随着社会活动领域的不断扩大，人类面临着越来越多的问题，越来越复杂计算思维的特性，技术在解决这些问题中的作用越来越重要. 因此，技术思维占据了人类的思维: 最后，所有问题都只是技术问题，所有问题都可以通过技术解决.

人类通过技术思维创造了巨大的物质财富. 技术思维是一种基于标准化模型的思维方式，其基本目的是控制外部性质和追求最佳效率，并以实现最大的物质利益为目标. 计算思维具有技术思维的一般特征. 计算思维与技术思维相同，其原始逻辑是数学. 数学的清晰度，严谨性和确定性基于具体分析内容的纯形式的抽象性和规律性，世界仅局限于其定量和形式方面. 在数学和逻辑分析的基础上，一切都自然地被量化和形式化，并且可以根据公理和规则被精确地定量计算. 计算思维与技术思维一样，旨在征服和改造自然并控制外部自然. 计算思想的目的是通过控制计算规则和计算设备来完成计算过程. 根据计算思维的思维方式，人们不仅可以设计和控制机械计算设备，而且可以像运行计算机一样组织，协调和管理人们. 计算思维与技术思维一样，反映了效率的逻辑，始终以最佳手段和最佳结果作为价值标准. 一旦发明了一项技术，它将吸引人们采用并适应其“效率”和“舒适”功能. 与计算思维相对应的计算学科正是利用此功能来指导人们进行科学预测，权衡利弊，合理设计计划或程序，发明新技术并开发新产品.

计算思维与技术思维相同. 它使用标准化方法来标准化技术，追求利益和控制自然. 标准化促进了现代技术的有效发展. 计算思维作为一种技术思维，可以在其形式表达，系统设计，产品制造，工具使用和其他活动中找到标准化的作用. 尽管业界仍然对技术思维在人类发展中的作用尚存争议，但将计算思维与技术思维进行标准化，自然控制和追求最大效率方面的比较有助于理解计算思维. 计算思想不是纯粹的理论思想或纯粹的工程思想，而是在理论指导下具有明显技术特征的建设性思想. ●计算思维是连接现实世界和计算机世界的思维. 在计算机出现之前，人类面临的现实世界主要是物理世界. 人们每天要处理大量的物理量，并进行生产，生活和学习活动. 有了计算机，计算机便构成了一个独特的世界. 它按照人类的规定以有限的方式反映了现实世界，模仿了人类来处理现实世界的物理量，并且构建了与现实世界不同的时空观. 我们称其为计算机世界，那么人，现实世界和计算机世界之间的关系是什么？显然，人们可以根据预设的目标和要求通过对现实世界的分析来计划，设计和构建计算机世界. 在规划，设计和构建计算机世界的过程中，隐含着人们的计算思想. 周以zhen教授讨论了计算思维的本质，即2A，即抽象和自动化.

除了抽象和自动化之外，设计还是一个重要的功能，可以合理地解释现实世界和计算机世界之间计算思维的关系和作用. 下图显示了真实世界，计算机世界与反映计算思想的抽象，自动化和设计之间的关系. 抽象是指在思考过程中去除相似事物的次要和现象方面，并提取主要和共同的方面. 数学抽象的特征是抛开现实世界的物理，化学和生物学特征，仅保留关系和空间的数量Teacher@chinaitedu.cn主题8中国信息技术教育2015/23形式. 计算思维中的抽象比数学抽象中的丰富. 它必须根据计算模型对现实世界中要处理的对象的属性，规则和方法进行抽象和形式化，以为构建计算机世界提供基础. 计算机世界本质上是人造对象. 这种人造物体与现实世界中的其他人造物体的不同之处在于，它具有自动化的特性，即可以根据人类对现实世界的抽象规则自动逐步地自动执行计算机. . 设计是计算思维的重要外在化，反映了计算思维的技术和工程特征. 在将现实世界抽象化为规则之后，它需要经历设计过程，然后才能实现自动化. 设计结果需要在现实世界中进行测试. 因此，计算思维在现实世界和计算机世界之间架起了桥梁. 它可以指导人们构建计算机世界，了解计算机世界，使用计算的原理和思想来理解自然和改造自然.

结论根据思维的定义，当人们面临计算问题时，计算思维是对计算对象的动态，间接和普遍的反映. 从计算的角度来看，计算思想反映了计算的基本问题和基本方法. 从心理学的角度来看，计算思维是人类大脑接收，选择，分析和处理计算及相关信息的高级心理活动. 从教育和教学的角度来看，计算思维是计算机教学和研究中所体现的思想或心理过程的表达. 作为中小学教师，最重要的是计算思维的教学内容和教学方法. 实际上，作为思维过程的计算思维很难以知识描述的方式明确呈现. 工具性能是计算思维的明确形式. 讨论支持计算思维活动的工具和方法是研究计算思维的一种方式. 或者，方法是计算思维的重要组成部分. 计算思维方法可以分为数学方法和工程方法，其中数学方法计算思维. 具有计算思维的人应该具有什么样的能力？这是计算思维的表现. 计算思维能力的表现绝对是复合的，而不是单一的，但与其他学科相比，最鲜明的特征主要是能力的两个方面: 抽象能力和建设性能力. 这里的抽象能力不是对数学抽象的狭义理解，而是旨在解决问题. 它可以从现实世界中的事物或对象中提取特征，属性和规则，而忽略与解决问题无关的细节，从而形成对象的形式化表达.

构造能力也是计算思维所独有的. 它是了解或设计模型，设备或算法以根据已知条件逐步解决问题的能力. 抽象能力侧重于数学和理论，为构造的实现提供基础；构建能力具有技术和工程属性，是计算机和其他人造对象中抽象的具体实现. 严谨，敏锐和务实是计算思维的特征. 严格性是计算思维向数学思维的继承，体现在清晰的概念，正确的判断和推理中，并构造了根据规则解决问题的步骤. 敏锐度是思考的重要素质. 计算思维的敏锐度主要是指能够准确地预测计算和计算过程，发现其中的问题并选择合适的解决方案. 例如，在程序调试过程中，人们需要从计算系统反映的现象中迅速提出错误模型，然后严格地推断出问题，直到最终问题解决为止. 实用主义是典型的技术思维特征. 计算思想追求系统的整体优化. 针对研究对象的具体情况选择合适的工程方法，力求节约，并寻求在最方便，最低成本和最高效率的项目中完成设计. 至于如何进行计算思维教育，这是一项艰巨的任务，需要进一步研究. 除了教授计算思维的基本方法外，计算思维教育还需要培养计算思维能力和探索思维教育过程中的一般问题. 计算思维教育应特别重视对学生的思维训练和良好思维方法的形成，以提高学生的思维质量.

探究式学习强调学生的主动学习，是实华. 技术思想与现代人的生存[J]. 科学，经济与社会，2007（4）. [3]王荣亮. 计算思维: 一种新的学科思维模式[J]. 中国信息技术教育，2013（6）. [4]王荣亮. 计算思维教育[M]. 上海: 上海科学技术教育出版社，2014年，7.teacher@chinaitedu.cn主题

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