认识计算机与计算―4

主题四无处不在的计算•关于计算的理解•普适计算•无处不在的计算–基础学科计算–高精学科计算–机构群体计算–智能科技计算关于“计算”的理解•我们不如从“计算”的英文单词来理解，也许更为直观确切些。•英语关于“计算”的单词有两个：–一个是Calculation，Calculation是一种将“单一或复数之输入值”转换为“单一或复数之结果”的一种思考过程。根据已知量算出未知量，也称运算。–一个是Computation。Computation是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。关于“计算”的理解•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”却不仅仅是对数值的简单运算，实际上在计算机软硬件的配合下，使用这个加法器能够实现更高阶的计算，这其中包括了大量的法则和逻辑等复杂的过程。•所以计算机的英文称谓为Computer而不是Calculator（计算器）。关于“计算”的理解•所以我们所指的“计算”是一种广义的计算，包括：–数学计算，逻辑推理，文法的产生式，集合论的函数，组合数学的置换，变量代换，图形图像的变换，数理统计等；–还有人工智能解空间的遍历，问题求解，图论的路径问题，网络安全，代数系统理论，上下文表示感知与推理，智能空间等；–甚至包括数字系统设计（例如逻辑代数），软件程序设计（文法），机器人设计和建筑设计等设计问题。关于“计算”的理解•可计算性（Calculability）是指一个实际问题是否可以使用计算机来解决。•可计算性通常指这一类问题是否可以用计算机“计算”。事实上，很多非数值问题（比如文字识别，图像处理等）都可以通过转换，变为数值问题来交给计算机“计算”。关于“计算”的理解•但是一个可以使用计算机来“计算”的问题必须是被定义为“可以在有限步骤内被解决的问题”。•这样，问题又回归到了图灵对“可计算性”的定义，即：凡是能用计算算法解决的问题，也一定能用图灵机解决；凡是图灵机解决不了的问题，任何算法也解决不了。而图灵机正是现代计算机的理论基础。关于“计算”的理解•可计算性理论是研究计算的可行性和函数算法的理论。又称算法理论。它是算法设计与分析的基础，也是计算机科学的理论基础。•可计算性是函数的一个特性。设函数f的定义域是D，值域是R，如果存在一种算法，对D中任意给定的x，都能计算出f（x）的值，则称函数f是可计算的。关于“计算”的理解•虽然自然界中的问题纷繁复杂，但基本上可以划分为三大类：–可计算性问题：是指符合图灵的可计算性定义的问题。如对N个数的排序和查找问题等。–不可计算性问题：是指不符合图灵的可计算性定义的问题。如证明哥德巴赫猜想（输入数据的无限性问题）等。–可计算性但太复杂的问题：是指符合图灵的可计算性定义的问题，但是算法的复杂度太高，以致计算机“计算”的时间和空间都超出了人机可以承受的范围。如旅行商问题（穷举组合路径爆炸问题）等。关于“计算”的理解•所以我们没有任何理由期待计算机能解决世界上所有的问题。•分析某个问题的可计算性意义重大，它使得我们不必浪费时间在不可能解决的问题上（因而可以尽早转而使用除计算机以外更加有效的手段），集中资源在可以解决的问题上。关于“计算”的理解•随着计算机技术的发展，计算也经历了大致四代的漫长进化和蜕变革命的过程。–第一代，主机型计算（MainframeComputing），很多人共享一台大型机；–第二代，个人机计算（PersonalComputing），一个人在一台电脑上；–第三代，网络计算（InternetComputing），一个人使用在互联网上的很多服务；–第四代，普适计算（PervasiveComputing），许许多多的设备通过全球网络为许多人提供人格化（个性化）的服务。关于“计算”的理解主题四无处不在的计算•关于计算的理解•普适计算•无处不在的计算–基础学科计算–高精学科计算–机构群体计算–智能科技计算普适计算•无处不在计算(UbiquitousComputing--普适计算)是美国施乐公司PARC研究中心的MarkWeiser，1991年在ScientificAmerican杂志上发表的题为TheComputerforthe21stCentury的文章中首次提出来的理念。•无处不在计算的本质就是要创造一个与人们的生活完美结合并具备计算和通信能力的环境。普适计算普适计算普适计算MainframeComputingDesktopComputingUbiquitousComputing普适计算•user-centeric–以人为中心的计算，使计算机的使用符合人的习惯•invisibility–不可见的计算，将计算机自然、合理地嵌入到人们日常工作和生活环境（办公室、家庭）中，使其从人们的视线中消失。人们通过新一代自然交互界面，进行自然、方便的交互•accessanythingbyanybodyviaanydevices,anywhereanytime–在任何时间和地点，人们通过任何设备和网路，访问任何信息普适计算•hundredsofhandheldandwearablecomputers–许多手持式和可穿戴式计算机•invisibilityhundredsofwirelesscomputingdevicesperpersonperoffice,ofallscales–大量遍布在每个办公室、每个人的，各种规格的无线计算设备•hundredsofdevicestosenseandcontrolappliances–许多传感设备和控制设备普适计算•普适计算的含义十分广泛，所涉及的技术包括：–移动通信技术–小型计算设备制造技术–小型计算设备上的操作系统技术及软件技术等•普适计算技术在现在的软件技术中将占据着越来越重要的位置，其主要应用方向有：–嵌入式技术（除笔记本电脑和台式电脑外的具有CPU能进行一定的数据计算的电器如手机，MP3等都是嵌入式技术研究的方向）–网络连接技术（包括3G，4G，ADSL等网络连接技术）–基于Web的软件服务构架（即通过传统的B/S构架，提供各种服务）。普适计算•普适计算把计算和信息融入人们的生活空间，使我们生活的物理世界与在信息空间中的虚拟世界融合成为一个整体。•人们生活其中可随时、随地得到信息访问和计算服务，从根本上改变了人们对信息技术的思考，也改变了我们整个生活和工作的方式。普适计算•在信息时代，普适计算可以降低设备使用的复杂程度，使人们的生活更轻松、更有效率。•实际上，普适计算是网络计算的自然延伸，它使得不仅个人电脑，而且其它小巧的智能设备也可以连接到网络中，从而方便人们即时地获得信息并采取行动。主题四无处不在的计算•关于计算的理解•普适计算•无处不在的计算–基础学科计算–高精学科计算–机构群体计算–智能科技计算无处不在的计算第一讲认识计算机与计算•主题一计算机知多少•主题二计算机能做什么•主题三回眸计算机的发展历程•主题四无处不在的计算•主题五关于计算思维的理解主题五关于计算思维的理解•什么是计算思维•计算思维能做什么•为什么要倡导计算思维•如何培养和训练计算思维计算思维•“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影响着我们的思维能力。”–1972年图灵奖获得者EdsgerDijkstra计算思维•回顾历史，不同的计算工具的发明与使用阶段，都会影响甚至决定这个时期的文化普识教育方向与趋势，都会约束和限制这个时期的科技创新与思维活动的能力，都会在这个时期留下属于这个工具时代的烙痕与印记。计算思维•计算思维（ComputationalThinking）一词引自于2006年3月的美国计算机权威期刊《CommunicationsoftheACM》上，是由美国卡内基•梅隆大学（CarnegieMellonUniversity，CMU）计算机科学系主任周以真（JeannetteM.Wing）教授提出并定义的。计算思维----定义•计算思维（ComputationalThinking）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----定义•计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，它是选择合适的方式去陈述一个问题，对一个问题的相关方面建模并用最有效的办法实现问题的求解，整个过程由人和机器协同配合执行。•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----特征•是概念化而不是程序化的。–计算机科学不仅仅是计算机编程。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；•是根本而不是刻板的技能。–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；计算思维----特征•是人而不是计算机的思维方式。–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机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；计算思维----特征•是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科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；计算思维----特征•是思想而不是人造物。–不仅仅是我们生产的软件硬件等人造物将以物理形式到处呈现，并时时刻刻触及我们的生活，更重要的是还将包含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与思想；计算思维----特征•是面向所有人和所有地方。–当计算思维真正融入人类的各种活动，而不再停留和表现为一种形式上的理论的时候，它就将成为一种现实。计算思维就是一个引导着计算机教育家、研究者和实践者的前沿理念，面向所有专业，而不仅仅是计算机科学专业的学生，引导我们怎么像计算机科学家一样去思维。主题五关于计算思维的理解•什么是计算思维•计算思维能做什么•为什么要倡导计算思维•如何培养和训练计算思维计算思维----能做什么•计算思维是每个人都应该具备的基本技能，不仅仅属于计算机科学家。我们应当在培养个人解析能力的同时，不但要掌握3R（-读Read、写wRite、算aRithmetic），还要学会计算思维。•计算思维将计算机从工具到思维的发展提升到了适合于每一个人的一种普遍的认识和一类普适的技能。在一定程度上，这也意味着计算机科学从前沿高端到基础普及的转型。计算思维----能做什么•计算思维可以化繁为简、化难为易•计算思维是一种递归和并行处理•计算思维采用了抽象和分解•计算思维是恢复的一种思维•计算思维利用启发式推理主题五关于计算思维的理解•什么是计算思维•计算思维能做什么•为什么要倡导计算思维•如何培养和训练计算思维计算思维----时代能力必然趋势•象计算机科学家一样思考问题并解决问题，是当下或即将到来的时代的迫切呼唤与必然趋势。•什么是可计算的？怎么去计算？这些问题将始终萦绕着我们的思绪。•我们必须清楚和明白现有计算工具处理信息的原理、模式和方法，以及它所存在的局限和能力缺陷。•发明创造、科技创新、寻求突破是人类不懈努力的动力与源泉。而培养和具备计算思维似乎成为实现这一切的重要前提和必备条件。主题五关于计算思维的理解•什么是计算思维•计算思维能做什么•为什么要倡导计算思维•如何培养和训练计算思维计算思维----能力培养•计算思维与数学基础构建–计算机科学在本质上源自数学思维，它的形式化解析基础筑于数学之上。•计算思维与计算机科学导论–为了一开始就能对计算机科学的课程体系和知识体系有一个比较清晰的了解，必须站在计算思维的高度和