计算思维操作性定义

HPM&S计算思维操作性定义李波[e-mail]/bobbleee计算机教学实验中心高效能建模与仿真研究小组西安交通大学2012年11月HPM&S汇报提纲缘与使命对计算本质认识的变革计算思维主要定义对问题求解的认识引起对计算机教学的再认识计算机学科的本质特点计算思维操作性定义HPM&S缘与使命图灵诞生100周年龙女计算思维西安首届1912年6月23日生于伦敦HPM&SDragonLadyIn1983,IwenttoChinafortwomonthswithaChinese-Americanstudenttourgroup.WespenttwoweeksinXi'an,wherewewereeachhandedasword,andeverymorningwehadtowakeupat5o'clockandweweresupposedtolearnthissworddance.Ireallytooktoit.Tome,itwaslikeballet.DoingaChinesesworddance,whichIlearnedinXi'an,ChinaHPM&S缘与使命图灵诞生100周年龙女计算思维西安首届使命传承计算文化弘扬计算之美培养计算思维HPM&S汇报提纲缘与使命对计算本质认识的变革计算思维主要定义对问题求解的认识引起对计算机教学的再认识计算机学科的本质特点计算思维操作性定义HPM&SPeterJ.DenningCOMMUNICATIONSOFTHEACMJuly2007/Vol.50,No.7HPM&S对计算本质认知的变革•1940s•工具阶段1•1980s•方法阶段2•2000s•基本过程阶段3电子数字计算机时代1.Computationwasseenasatoolforsolvingequations,crackingcodes,analyzingdata,managingbusinessprocesses,runningsimulations,andsolvingmodels.2.Computationsoonestablisheditselfasapowerfultoolthatmadeformerlyintractableanalysestractable.3.Ittookmanytechnologiestonewheights,suchasatomicenergy,advancedaircraftandshipdesign,drugdesign,structuralanalysesofbuildings,andweatherprediction.HPM&S对计算本质认知的变革•1940s•工具阶段1•1980s•方法阶段2•2000s•基本过程阶段3Computationhadadvancedfromatooltoexploitexistingknowledgetoameansofdiscoveringnewknowledge.NobelPhysicsLaureateKenWilsonwasamongthefirsttosaythatcomputationhadbecomeathirdlegofscience,joiningthetraditionsoftheoryandexperiment.Heandotherscoinedtheterm“computationalscience”torefertothesearchfornewdiscoveriesusingcomputationasthemainmethod.HPM&S•1940s•工具阶段1•1980s•方法阶段2•2000s•基本过程阶段3Scientistsfrommanyfieldsweresayingtheyhaddiscoveredinformationprocessesinthedeepstructuresoftheirfields.BiologyNobelLaureateandCaltechPresidentDavidBaltimore“Biologyistodayaninformationscience.Theoutputofthesystem,themechanicsoflife,areencodedinadigitalmediumandreadoutbyaseriesofreadingheads.Biologyisnolongersolelytheprovinceofthesmalllaboratory.Contributionscomefrommanydirections.”(TheInvisibleFuture,Wiley,2001,p.45.)对计算本质认知的变革HPM&SNaturalinformationprocesses.:naturelongagolearnedhowtoencodeinformationaboutorganismsinDNAandthentogenerateneworganismsfromDNAthroughitsowncomputationalmethods.PhysicsPhysicistssaidthatquantumwavescarryinformationthatgeneratesphysicaleffects.Theyhavemadesignificantadvanceswithquantumcomputationandquantumcryptography.NobelLaureateRichardFeynmanbecamefamousforshowingthatquantumelectrodynamics(QED)wasnature’scomputationalmethodforcombiningquantumparticleinteractions.InhisbookANewKindofScience(2002),StephenWolframproclaimedthatnatureiswritteninthelanguageofcomputation,challengingGalileo’sclaimthatitiswritteninmathematics.JeanetteWinghasconcludedthatcomputationalconceptsaredeeplyembeddedintoeverydaythinkinginmanyfields.Computationiseverywhere.HPM&S相关学科发展背景HPM&S中国至2050年信息科技发展路线图发展泛在的信息科学技术，构建泛在的信息网络，重点围绕无处不在的网络信息技术应用，信息基础设施升级换代，信息器件、设备与软件的变革性突破，新信息科学与前沿交叉科学等四个层次进行战略安排。HPM&S2020年前后突破低成本器件和系统设计技术，物理世界的新型感知机理、语义检索和分析技术等。发展可扩展、高可信的下一代互联网和自组织的无线传感网络，积极推进三网融合。按照延续、扩展和跨越摩尔定律三条途径发展微电子技术和新型信息器件，突破多核芯片设计、片上光互联和片上大规模光计算、艾级（1018）超级计算技术等。突破网络科学、分布式交互算法设计理论、大规模工业软件、自然的人机界面、蛋白质结构预测等；构建“平行社会”系统。HPM&S2035年前后突破网络信息理论、网络算法理论、网络计算模型等。建立可持续网络服务体系，突破低功耗芯片和系统设计、实用的知识本体与知识网格技术等。实现超越TCP/IP的未来网络和具有感知与认知能力的无线通信系统，突破分组交换的全光网络技术等。突破纳米、量子等变革性器件和电路技术，实现泽级（1021）超级计算，软件开发成本平均每两年降低50%。突破可信计算系统、情感理解技术等；构建人类基因组差异数据库。HPM&S2050年前后建立普适的信息科学，计算成为自然系统、人造系统、社会系统领域的基本思维方式；构建可持续发展的计算基础设施和应用服务；继计算与网络融合、计算与物理系统融合之后，脑科学与认知科学取得重大突破，实现计算与智能的融合，形成较成熟的信息科学。HPM&SComputationalLensHPM&SHPM&S三栖学者理查德·卡普（RichardKarp）教授现任美国加州大学伯克利分校计算机科学讲座教授，美国科学院、美国工程院、美国艺术与科学院、欧洲科学院院士。因其在计算机科学领域的基础贡献曾获图灵奖、冯诺依曼奖、美国国家科学勋章、哈佛大学百年奖章等奖项，还担任美国科学院会刊（PNAS）等多个国际著名刊物编委。卡普之所以被称为“三栖学者”是因为他知识渊博，贯通多个学科专业，因而同时被加州大学伯克利分校的电气工程和计算机系、数学系以及工业工程和运筹学系三个系聘为教授。卡普被授予图灵奖，是因为他在算法的设计与分析、计算复杂性理论、随机化算法等诸多方面作出了创造性贡献。生物信息学的开创人HPM&SRichardM.Karp提出的“计算透镜”（ComputationalLens）理念被认为是未来二十年计算机科学可能的发展方向之一。其核心理念是将计算作为一种通用的思维方式，通过这种广义的计算（涉及信息处理、执行算法、关注复杂度）来描述各类自然过程和社会过程，从而解决各个学科的问题。这一理念试图将计算机科学由最初的数值计算工具、仿真与可视化技术以及后来基于网络、面向多学科的e-Science平台，变成普遍适用于自然和社会领域的通用思维模式。HPM&SComputationalSocialScience计算社会科学HPM&SComputationalSocialScience6FEBRUARY2009VOL323SCIENCEDavidLazer,AlexPentland,LadaAdamic,SinanAral,Albert-LászlóBarabási,DevonBrewer,NicholasChristakis,NoshirContractor,JamesFowler,MyronGutmann,TonyJebara,GaryKing,MichaelMacy,DebRoy,MarshallVanAlstyneHarvardUniversity,MIT,UniversityofMichigan,NewYorkUniversity,NortheasternUniversity,InterdisciplinaryScientificResearch,NorthwesternUniversity,UniversityofCalifornia–SanDiego,ColumbiaUniversity,CornellUniversity,BostonUniversityHPM&S《Science》2009年2月发表的一篇关于计算社会科学的文章《ComputationalSocialScience》，该文由美国11个大学及研究机构的共15名研究人员共同编写。文章从计算社会科学的数据获取、研究方法、制约因素、人才培养4个方面，描述了计算社会科学的发展、讨论了社会科学研究的特点等。其主要目的是想借此文向广大读者介绍计算社会科学这一学科理念，推动、提高社会科学研究水平，进一步繁荣社会科学研究工作。HPM&S数字印记（DigitalTraces)目前人们广泛地以各种不同形式、方式生活在各种网络中：人们频繁地检查电子邮件和使用搜索引擎随时随地拨打移动电话和发送短信每天刷卡乘坐交通工具经常使用信用卡购买商品。写博客、发微薄、通过SNS来维护人际关系在公共场所，监视器可以记录人们的活动情况在医院，人们的医疗记录以数字形式被保存以上的种种事情都留下了人们的数字印记（踪迹）。HPM&S这些数据中蕴含的关于个人和群体行为的规律可能足以改变我们对个人生活、