计算机与计算思维.ppt

大学计算机基础上课信息第一大班：经济第一大班：经济1114 讲课：周一讲课：周一 7、8节节 周四周四1、2节节 上机：周四上机：周四 9、10节（节（19：0021：00）第二大班第二大班:经济经济1518 讲课：周一讲课：周一5、6节节 周四周四5、6节节 上机：周四上机：周四7、8节节机器安排机器安排1教师：教师：贾应智贾应智 E-Mail:ying.zhi.交作业服务器：交作业服务器：用户名：用户名：student 口令：口令：ctec2大学计算机基础大学计算机基础3计算意义与计算思维计算意义与计算思维计算科学方法概论计算科学方法概论可计算性与计算过程可计算性与计算过程计算思维的跨学科交融计算思维的跨学科交融计算机学科的核心概念计算机学科的核心概念与问题求解与问题求解计算思维的技能计算思维的技能科学思维科学思维逻辑思维逻辑思维算法思维算法思维效率思维效率思维创新思维创新思维伦理思维伦理思维4计算思维（计算思维（Computational thinking,CT）由美国）由美国 Carnegie Mellon 大学计算机科学教授周以真女士大学计算机科学教授周以真女士于于2006年提出年提出她认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念她认为，计算思维是运用计算机科学的基础概念进行进行问题求解问题求解、系统设计系统设计、以及、以及人类行为理解人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动思维活动计算思维代表着计算思维代表着一种普遍的态度一种普遍的态度和和一类普适的技一类普适的技能能，每一个人都应热心于它的学习和运用，每一个人都应热心于它的学习和运用5是是概念化的抽象思维而概念化的抽象思维而不只是不只是程序设计程序设计是是基本的而基本的而不是不是死记硬背的技能死记硬背的技能是是人的而人的而不是不是计算机的思维方式计算机的思维方式是是数学和工程思维的互补与融合数学和工程思维的互补与融合是是思想而思想而不是不是人造品人造品面向面向所有的人和所有地方所有的人和所有地方关注依旧亟待理解和解决的智力上极有挑战性关注依旧亟待理解和解决的智力上极有挑战性并且引人入胜的科学问题并且引人入胜的科学问题6Computation 是可用是可用数学表示数学表示的任何形式的信息处理的任何形式的信息处理的概念，它包括简单的计算和人的思维（的概念，它包括简单的计算和人的思维（human thinking）所以，计算思维无论是由人或机器执行，都是建立在计算处理的能力和限制之上的Computing 意味着任何面向目标的需要、受益于和创意味着任何面向目标的需要、受益于和创造造计算机的活动计算机的活动,包括包括用于广泛目的的软件和硬件系统的设计、建造；用于广泛目的的软件和硬件系统的设计、建造；各种信息的处理、规范和管理；各种信息的处理、规范和管理；用计算机开展的科研活动；用计算机开展的科研活动；使计算机系统具有智能行为；使计算机系统具有智能行为；创建和使用通信和娱乐媒体；创建和使用通信和娱乐媒体；寻找和收集与任何目的有关的信息等寻找和收集与任何目的有关的信息等7本章涉及的本章涉及的“计算计算”包含了包含了computation和和computing的内容的内容对于计算机基础学习而言，了解对于计算机基础学习而言，了解计算思维的宏观计算思维的宏观特性特性，对于个人专业发展具有重要意义，对于个人专业发展具有重要意义8通过网络可以求解的问题通过网络可以求解的问题信息查询信息查询交流与沟通交流与沟通资源的发布与共享资源的发布与共享9移动通信与地理信息移动通信与地理信息系统的结合，产生了系统的结合，产生了新的计算模式：新的计算模式：与位与位置有关的计算置有关的计算利用利用GPS定位，可以找定位，可以找到周边的服务设施到周边的服务设施通过移动信号基站，发通过移动信号基站，发现客户所需要的服务：现客户所需要的服务：天气、旅游、购物等天气、旅游、购物等移动通讯设备的广泛应用，催生了诸多新型的商业应用模式10计算思维的信息化促进了计算思维的信息化促进了政务、商务、教育和社会政务、商务、教育和社会的信息化的信息化小学校园的门禁系统与移动小学校园的门禁系统与移动通信结合，产生学生在校、通信结合，产生学生在校、离校信息服务离校信息服务信用卡消费信息与移动通信信用卡消费信息与移动通信和因特网结合，产生实时消和因特网结合，产生实时消费报告和无纸化账单报告费报告和无纸化账单报告校园一卡通校园一卡通11中国经济发展正在向服务中国经济发展正在向服务型经济转型型经济转型计算机科学与技术及信息计算机科学与技术及信息技术则是现代服务型经济技术则是现代服务型经济发展的根本保障发展的根本保障Software as a service(SaaS)和服务计算（和服务计算（service computing）正在引起关注）正在引起关注云计算模型示意12计算思维的智能化促进计算思维的智能化促进了交通管理的智能化、了交通管理的智能化、业务流程的智能化、电业务流程的智能化、电子服务的智能化子服务的智能化电子服务和社会生活的电子服务和社会生活的智能化的需求反过来促智能化的需求反过来促进计算思维智能化的进进计算思维智能化的进一步发展一步发展智能化能够缓解交通拥堵？13计算思维从计算理论、计算计算思维从计算理论、计算技术、计算工程、计算工具、技术、计算工程、计算工具、计算服务和计算应用的转化计算服务和计算应用的转化就是计算思维的工程化就是计算思维的工程化计算思维的工程化促进了诸计算思维的工程化促进了诸如计算机、手机、平板电脑如计算机、手机、平板电脑等计算工具和系统的发展，等计算工具和系统的发展，后者反过来促进了计算思维后者反过来促进了计算思维的工程化的工程化14计算思维的人性化促进计算思维的人性化促进了人机交互的人性了人机交互的人性化、计算工具的人性化、计算工具的人性化和社会的进步化和社会的进步计算和信息技术对人类计算和信息技术对人类产生的负面影响同样产生的负面影响同样不可小视不可小视信息社会中的信息社会中的“宅人宅人”数码相机数码相机 vs.胶片工业胶片工业数字印刷数字印刷 vs.铅字印刷铅字印刷人性化设计人性化设计 笔记本电脑支架笔记本电脑支架15层次化源于社会组织和分工层次化源于社会组织和分工计算思维的层次包括计算理论思维、计算技术思计算思维的层次包括计算理论思维、计算技术思维、计算工程思维、计算工具思维、计算服务维、计算工程思维、计算工具思维、计算服务思维和计算应用思维六个层次思维组成思维和计算应用思维六个层次思维组成 它们分别对应计算理论、计算技术、计算工程、它们分别对应计算理论、计算技术、计算工程、计算工具、计算服务和计算应用计算工具、计算服务和计算应用每个层次上的思维都至少包含许多不同的思维过每个层次上的思维都至少包含许多不同的思维过程、思维模式和思维规律程、思维模式和思维规律16结构化源于软件开发结构化源于软件开发的结构化系统分析、的结构化系统分析、结构化设计和结构结构化设计和结构化程序设计化程序设计重要的案例重要的案例计算机体系结构计算机体系结构多核多核CPUGPGPU（通用图形处（通用图形处理器）理器）网络体系结构网络体系结构ISO/OSI 参考模型参考模型TCP/IP模型模型Intel Core 2 Duo Processor17计算思维源于并服务计算思维源于并服务于由计算理论、计于由计算理论、计算技术、计算工程、算技术、计算工程、计算工具、计算服计算工具、计算服务和计算应用构成务和计算应用构成的计算思维生存周的计算思维生存周期期这一生存周期以计算这一生存周期以计算理论为始点，以计理论为始点，以计算应用为终点算应用为终点18“计算思维计算思维”是面向所有的人，所有学科的，应是面向所有的人，所有学科的，应当具有普适性，但这种普适的内部是有差异的当具有普适性，但这种普适的内部是有差异的计算机科学是新兴学科，其内容日新月异，以及计算机科学是新兴学科，其内容日新月异，以及人的智力水于有高低之分，人们已掌握的计算人的智力水于有高低之分，人们已掌握的计算机知识各有差异，不同人的计算思维具有很大机知识各有差异，不同人的计算思维具有很大差别，因此差别，因此计算思维具有层次性计算思维具有层次性只要具有思维品质中的独创性，就能创造性地解只要具有思维品质中的独创性，就能创造性地解决问题决问题不同层次上的计算机思维均可得到不同层次上的计算机思维均可得到同质性的发展同质性的发展19科学界一般认为，科学科学界一般认为，科学方法分为理论、实验方法分为理论、实验和计算三大类和计算三大类与三大科学方法相对的与三大科学方法相对的是三大科学思维，理是三大科学思维，理论思维以数学为基础，论思维以数学为基础，实验思维以物理等学实验思维以物理等学科为基础，计算思维科为基础，计算思维以计算机科学为基础以计算机科学为基础20理论源于数学，理论理论源于数学，理论思维支撑着所有的思维支撑着所有的学科领域。正如数学科领域。正如数学一样，定义是理学一样，定义是理论思维的灵魂，定论思维的灵魂，定理和证明则是它的理和证明则是它的精髓精髓公理化方法是最重要公理化方法是最重要的理论思维方法，的理论思维方法，科学界一般认为，科学界一般认为，公理化方法是世界公理化方法是世界科学技术革命推动科学技术革命推动的源头。的源头。21实验思维方法可以分为以下实验思维方法可以分为以下三个步骤：三个步骤：先提取出从现象中获得的先提取出从现象中获得的直观认识的主要部分，用直观认识的主要部分，用最简单的数学形式表示出最简单的数学形式表示出来，以建立量的概念；来，以建立量的概念；再由此试用数学方法导出再由此试用数学方法导出另一易于实验证实的数量另一易于实验证实的数量关系；关系；然后通过实验证实这种数然后通过实验证实这种数量关系量关系对于实验思维来说，最为重对于实验思维来说，最为重要的事情就是设计、制造要的事情就是设计、制造实验仪器和追求理想的实实验仪器和追求理想的实验环境验环境22计算思维最根本的内容，即其本质是抽象计算思维最根本的内容，即其本质是抽象（Abstraction）与自动化（）与自动化（Automation）计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，并完计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，并完全用符号来表示，其中，数字抽象只是其中的全用符号来表示，其中，数字抽象只是其中的一类特例一类特例计算思维中的抽象最终是要能够利用机器的一步计算思维中的抽象最终是要能够利用机器的一步步自动执行。为了确保机器的自动化，就需要步自动执行。为了确保机器的自动化，就需要在抽象的过程中进行精确和严格的符号标记和在抽象的过程中进行精确和严格的符号标记和建模建模还要求计算机系统或软件系统生产厂家能够向公还要求计算机系统或软件系统生产厂家能够向公众提供各种不同抽象层次之间的翻译工具众提供各种不同抽象层次之间的翻译工具23计算机科学在本质上源自数学思维，因为像所有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，它的形式化基础建筑于数学之上的科学一样，它的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算设备的限制迫使计算机科学家必须计算性地思考，而不能只是数学性地思考思考，而不能只是数学性地思考构建虚拟世界的自由使我们能够超越物理世界的构建虚拟世界的自由使我们能够超越物理世界的各种系统各种系统数学和工程思维的互补与融合很好的体现在抽象、数学和工程思维的互补与融合很好的体现在抽象、理论和设计三个学科形态（或过程）上理论和设计三个学科形态（或过程）上24计算理论是研究使用计算机解决计算问题的数学计算理论是研究使用计算机解决计算问题的数学理论理论有三个核心领域：自动机理论、可计算性理论和有三个核心领域：自动机理论、可计算性理论和计算的复杂性理论计算的复杂性理论自动机将离散数学系统的构造，作用和关系作为研究自动机将离散数学系统的构造，作用和关系作为研究对象的数学理论（描述通用计算机计算能力的对象的数学理论（描述通用计算机计算能力的图灵机图灵机模型模型）可计算性理论的中心问题是建立计算的数学模型，进的中心问题是建立计算的数学模型，进而研究哪些是可计算的，哪些是不可计算的而研究哪些是可计算的，哪些是不可计算的计算的复杂性理论研究算法的时间复杂性和空间复杂研究算法的时间复杂性和空间复杂性性25计算机学科的方法论有三个过程：抽象、理论和计算机学科的方法论有三个过程：抽象、理论和自动化设计及实现自动化设计及实现最根本的问题在于：问题如何进行描述？哪些部分能最根本的问题在于：问题如何进行描述？哪些部分能够被自动化？如何进行自动化描述？够被自动化？如何进行自动化描述？建立物理符号系统并对其实施等价变换是计算机建立物理符号系统并对其实施等价变换是计算机学科进行问题描述和求解的重要手段。学科进行问题描述和求解的重要手段。“可行性可行性”所要求的所要求的“形式化形式化”及其及其“离散特征离散特征”使得数学成为重要的工具使得数学成为重要的工具而计算模型无论从方法还是工具等方面，都表现而计算模型无论从方法还是工具等方面，都表现出它在计算机上科学中的重要作用（参见出它在计算机上科学中的重要作用（参见1.3节）节）26科学：关于自然、社关于自然、社会和思维的发展与变会和思维的发展与变化规律的知识体系，化规律的知识体系，其核心是其核心是发现发现技术：根据实践经验根据实践经验和科学原理而发展形和科学原理而发展形成的各种工艺操作方成的各种工艺操作方法、技能和技巧，其法、技能和技巧，其核心是核心是发明发明工程：将科学原理应将科学原理应用到生产实践中，是用到生产实践中，是某种形式的科学应用，某种形式的科学应用，其核心是其核心是建造建造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 Edsger Dijkstra27霍夫曼编码使用霍夫曼编码使用变长编变长编码表码表对源符号（如文对源符号（如文件中的字母）进行编件中的字母）进行编码码变长编码表通过评估来变长编码表通过评估来源符号出现概率的方源符号出现概率的方法得到的，概率高的法得到的，概率高的字母用较短的编码，字母用较短的编码，出现概率低的则用较出现概率低的则用较长的编码长的编码使编码之后的字符串的使编码之后的字符串的平均长度、期望值平均长度、期望值降降低低，从而达到，从而达到无损压无损压缩数据的目的缩数据的目的四个状态的霍夫曼编码过程28设信号源为设信号源为X=、a、e、I、m、t、c、h、r。对应的概率为对应的概率为 p=0.22、0.22、0.14、0.07、0.07、0.07、0.07、0.07、0.07,试给出该信源的霍夫曼试给出该信源的霍夫曼编码方案。编码方案。解：解：若传送一个串字符串若传送一个串字符串“I am a teacher”，共，共14个字个字符。若用符。若用ASCII传送，每个字符传送，每个字符8位，共需位，共需112位。位。该字符串中有该字符串中有9个不同的符号，至少需要个不同的符号，至少需要4位二进位二进制才能表示，这样传送该字符串也要制才能表示，这样传送该字符串也要56位。若用位。若用计算的计算的Huffman编码，只需要编码，只需要42位。位。霍夫曼编码举例29霍夫曼编码过程 可以得到：a的编码00 e的编码 111 I的编码1101 m的编码1100 t的编码1011 c的编码 1010 h的编码1001 r的编码 1000原字符串（二进制）长度：=112（148）位Huffman编码长度：=42位 （01 00 111 1101 1100 1011 1010 1001 1000）30在数论中，在数论中，反运算反运算的问题往往是极难求解的，或的问题往往是极难求解的，或者说极难计算的者说极难计算的离散对数和整数因式分解问题就属于困难的计算数论离散对数和整数因式分解问题就属于困难的计算数论问题问题如果给出两个素数如果给出两个素数p和和q，要求两者的乘积，即使，要求两者的乘积，即使p和和q很大，那计算它们的乘积仍然是可行的很大，那计算它们的乘积仍然是可行的但反过来，给出但反过来，给出N，要求，要求p和和q就就极为困难极为困难了了利用反计算的难度，对数据进行加密，是现代密利用反计算的难度，对数据进行加密，是现代密码学的基础码学的基础计算机通讯中的公开密钥加密算法，就是利用了计算机通讯中的公开密钥加密算法，就是利用了数论的这个原理数论的这个原理31密钥举例：在马丁在马丁加德纳的数学游戏一书中，报告了加德纳的数学游戏一书中，报告了1977年由年由RSA（Rivest,shamir和和Adleman）悬赏）悬赏100美元求解对一个美元求解对一个密钥的破解问题。给出一对整数（密钥的破解问题。给出一对整数（e,N）作为公开钥，）作为公开钥，e=9007，N是一个随机的是一个随机的129位数位数经过它加密后得到的密文经过它加密后得到的密文C是是问问C加密前的明文是什么？加密前的明文是什么？32问题结论这个问题在这个问题在1994年年4月月2日，即相隔了日，即相隔了17年之后由迪里克年之后由迪里克阿特金斯阿特金斯（Derek Atkins），迈克尔），迈克尔克拉弗（克拉弗（Michael Graff）和阿尔金）和阿尔金K廉廉斯特拉（斯特拉（Arjen KLenstra），帕尔），帕尔雷兰德（雷兰德（Panl Leyland）解出，他）解出，他们对上述的们对上述的N成功地进行因式分解，它的两素因子是：成功地进行因式分解，它的两素因子是：和和 在得到了在得到了p和和q后，从密文计算明文的障碍就被克服了，这个明文是后，从密文计算明文的障碍就被克服了，这个明文是它是：它是：THE MAGIC WORDS ARE SQUEAMISH OSSIFRAGE（这些魔术般的（这些魔术般的词是鱼鹰词是鱼鹰。）。）33生物信息学是一门新兴交叉学科，其发展的标志生物信息学是一门新兴交叉学科，其发展的标志便是大量生命科学数据的快速积累以及为处理便是大量生命科学数据的快速积累以及为处理这些复杂数据而设计的新算法的不断涌现这些复杂数据而设计的新算法的不断涌现最常用的数据结构主要包括四种类型：最常用的数据结构主要包括四种类型：1)字符串结构，表示字符串结构，表示DNA，RNA和氨基酸序列；和氨基酸序列；2)树结构，表示各种生物有机体的系统进化树；树结构，表示各种生物有机体的系统进化树；3)三维空间点和连接集合结构，表示蛋白质的三维结三维空间点和连接集合结构，表示蛋白质的三维结构；构；4)图结构，表示代谢和信号传导通路图结构，表示代谢和信号传导通路34计算科学中许多仿生计算算法都是受到生物学中计算科学中许多仿生计算算法都是受到生物学中群体行为的启发而模仿设计出来的群体行为的启发而模仿设计出来的例如，计算科学中的神经网络算法、遗传算法、演化例如，计算科学中的神经网络算法、遗传算法、演化算法、蚁群算法、协同进化算法、粒子群算法、生物算法、蚁群算法、协同进化算法、粒子群算法、生物免疫算法以及突现计算算法等免疫算法以及突现计算算法等计算机病毒的概念与行为也是模仿自然界中的生物病计算机病毒的概念与行为也是模仿自然界中的生物病毒行为提出来的，同样具有潜伏性、流行性、传播性、毒行为提出来的，同样具有潜伏性、流行性、传播性、自复制性、变异性和适应性等特点自复制性、变异性和适应性等特点35计算机学科的核心概念是计算机学科的核心概念是ACM/IEEE-CS制定的制定的CC1991报告首次提出的，是具有普遍性、持久报告首次提出的，是具有普遍性、持久性的重要思想、原则和方法，核心概念具有如性的重要思想、原则和方法，核心概念具有如下基本特征：下基本特征：（1）在学科及各分支学科中普遍出现；）在学科及各分支学科中普遍出现；（2）在理论、抽象和设计的各个层面上都有很多示例；）在理论、抽象和设计的各个层面上都有很多示例；（3）在理论上具有可延展和变形的作用，在技术上有）在理论上具有可延展和变形的作用，在技术上有高度的独立性高度的独立性36通过将一个对象（或事物）与其某种属性相联系，通过将一个对象（或事物）与其某种属性相联系，从而使抽象的概念具体化的过程从而使抽象的概念具体化的过程将一个进程与一个处理机、一个变量与其类型或值分将一个进程与一个处理机、一个变量与其类型或值分别联系起来别联系起来这种联系的建立，实际上就是建立了某种约束这种联系的建立，实际上就是建立了某种约束在数据库中的不同表之间建立在数据库中的不同表之间建立“关系关系”和参照完整性和参照完整性，就是用约束关系来保证数据的完整性。就是用约束关系来保证数据的完整性。37指随着问题规模的增长使问指随着问题规模的增长使问题的复杂性呈非线性增加题的复杂性呈非线性增加的效应的效应这种非线性增加的效应是区这种非线性增加的效应是区分和选择各种现有方法和分和选择各种现有方法和技术的重要因素技术的重要因素几十万考生的高考成绩排序，几十万考生的高考成绩排序，须认真选择排序算法须认真选择排序算法气候变暖对全球经济的影响，气候变暖对全球经济的影响，仿真与模拟仿真与模拟38对一个想法或问题进行形式化、特征化、可视化对一个想法或问题进行形式化、特征化、可视化思维的方法思维的方法数据流图和数据流图和E-R图等都属于概念模型，而逻辑理论、开图等都属于概念模型，而逻辑理论、开关理论和计算理论中的模型大都属于形式模型关理论和计算理论中的模型大都属于形式模型UML，统一建模语言是软件工程中的重要工具和方法，统一建模语言是软件工程中的重要工具和方法39一致性包括用于形式说明的一组公理的一致性、一致性包括用于形式说明的一组公理的一致性、事实和理论的一致性，以及一种语言或接口设事实和理论的一致性，以及一种语言或接口设计的内部一致性计的内部一致性例如，由于计算机资源的部署原因，服务器的例如，由于计算机资源的部署原因，服务器的网络地网络地址址可能发生变化，但由于用户访问的是可能发生变化，但由于用户访问的是域名地址域名地址，只，只要保证正确的映射关系，网络地址的变化不会影响用要保证正确的映射关系，网络地址的变化不会影响用户访问，这就是一致性在发挥作用户访问，这就是一致性在发挥作用40关于时间、空间、人力和财力等资源消耗的度量关于时间、空间、人力和财力等资源消耗的度量在计算机在计算机软软硬硬件的设计中，要充分考虑某种预期件的设计中，要充分考虑某种预期果达到的效率，以及一个给定的实现过程较之果达到的效率，以及一个给定的实现过程较之替代的实现过程的效率替代的实现过程的效率例如，原用于图形显示的图形处理器（例如，原用于图形显示的图形处理器（GPU），现广泛），现广泛应用于数据密集型的高性能计算场合（应用于数据密集型的高性能计算场合（GPGPU，通用，通用图形处理器），而这种应用可以大大节省高性能处理图形处理器），而这种应用可以大大节省高性能处理中的成本和能源消耗中的成本和能源消耗41指系统的结构、状态、特征、行为和功能等随着指系统的结构、状态、特征、行为和功能等随着时间的推移而发生的更改时间的推移而发生的更改从从CLI（命令行界面）到（命令行界面）到GUI（图形用户界面），是计算（图形用户界面），是计算机应用方式演化的里程碑；机应用方式演化的里程碑；而浏览器的出现，结束了桌面系统一统天下的局面而浏览器的出现，结束了桌面系统一统天下的局面最容易使用户最容易使用户受到困扰受到困扰的是软件的是软件无止境的演化无止境的演化，从而，从而预见和适应计算机系统的演化预见和适应计算机系统的演化42所谓科学思维最基本的内容是所谓科学思维最基本的内容是没有证据就不要求没有证据就不要求急于下结论急于下结论：遵循科学的方法来建立新的知识：遵循科学的方法来建立新的知识无论这些知识只是对日常生活中的现象，或是学科的无论这些知识只是对日常生活中的现象，或是学科的前沿发现前沿发现43逻辑思维是从已知的些微逻辑思维是从已知的些微（但非常重要的）信息中（但非常重要的）信息中推导出尽可能多的信息，推导出尽可能多的信息，而不要轻易下结论而不要轻易下结论新的信息收集必须按照确定新的信息收集必须按照确定的规程，你不能仅仅因为的规程，你不能仅仅因为幸运的而走对路幸运的而走对路数独问题求解44有些问题是一次性的，但解决这些问题的方案，有些问题是一次性的，但解决这些问题的方案，则可以不断发展则可以不断发展在同类问题一再出现时，算法思维就可以介入。在同类问题一再出现时，算法思维就可以介入。没有必要重新每次从头思考，而是采用每次都没有必要重新每次从头思考，而是采用每次都行之有效的解决方案行之有效的解决方案囚徒困境（囚徒困境（prisoners dilemma）是博弈论的非零和博）是博弈论的非零和博弈中具代表性的例子，反映个人最佳选择并非团体最弈中具代表性的例子，反映个人最佳选择并非团体最佳选择佳选择虽然困境本身只属模型性质，但现实中的价格竞争、虽然困境本身只属模型性质，但现实中的价格竞争、环境保护等方面，也会频繁出现类似情况环境保护等方面，也会频繁出现类似情况45 两个罪犯准备抢劫银行，但作案前失手被擒。警方怀两个罪犯准备抢劫银行，但作案前失手被擒。警方怀疑他们意图抢劫，苦干证据只够起诉非法持有枪械，疑他们意图抢劫，苦干证据只够起诉非法持有枪械，于是将其分开审讯。于是将其分开审讯。为离间双方，警方分别对两人说：为离间双方，警方分别对两人说：若都保持沉默若都保持沉默(“合作合作”)，则一同入狱，则一同入狱1年年；若是互相检举若是互相检举(互相互相“背叛背叛”)，则一同入狱，则一同入狱5年年若你认罪并检举对方若你认罪并检举对方(“背叛背叛”对方对方)，他保持沉默，他保持沉默，他入人狱他入人狱10年年，你可以，你可以获释获释(反之亦然反之亦然)结果两人都选择了结果两人都选择了招供（最希望的结果）。招供（最希望的结果）。46 孤立地看，这是最符合个体利益的孤立地看，这是最符合个体利益的“理性理性”选择。以选择。以A A为例：若为例：若B B招供，招供，A A自己招供获刑自己招供获刑5 5年，不招供获刑年，不招供获刑1010年；年；若若B B不招供，自己不招供，自己招供招供可以免刑，不招供获刑可以免刑，不招供获刑1 1年。两年。两种情况下，选择种情况下，选择招供招供都更有利，事实上却比两人都拒都更有利，事实上却比两人都拒不招供的结果糟。不招供的结果糟。由囚徒困境可知，由囚徒困境可知，公共生活中，如果每个人都从眼前利公共生活中，如果每个人都从眼前利益、个人利益出发，结果会对整体的利益益、个人利益出发，结果会对整体的利益(间接对个人间接对个人的利益的利益)造成伤害。造成伤害。47 为解决为解决“囚徒困境囚徒困境”难题，美国曾组织竞赛，要求参赛难题，美国曾组织竞赛，要求参赛者根据者根据“重复囚徒困境重复囚徒困境”(双方不止一次相遇，双方不止一次相遇，“背叛背叛”可能在以后遭到报复可能在以后遭到报复)来设计程序。来设计程序。将程序输入计算机反复互相博弈，以最终得分评估优劣将程序输入计算机反复互相博弈，以最终得分评估优劣(双方合作各得双方合作各得3分；双方背叛各得分；双方背叛各得1分；一方合作一方分；一方合作一方背叛，合作方得背叛，合作方得0分，背叛方得分，背叛方得5分分)；有些程序采用有些程序采用“随机随机”对策；对策；有些采用有些采用“永远背叛永远背叛”对策；对策；有些采用有些采用“永远合作永远合作”对策；对策；结果，加拿大多伦多大学的结果，加拿大多伦多大学的阿纳托尔阿纳托尔拉帕波特拉帕波特教授的教授的“一报还一报一报还一报”策略夺得了最高分。策略夺得了最高分。48 我方在第一次相遇时选择我方在第一次相遇时选择“合作合作”，之后就采取对方上一，之后就采取对方上一次的选择。这意味着：次的选择。这意味着：在对方每一次背叛后，我方就在对方每一次背叛后，我方就“以牙还牙以牙还牙”，也背叛一次；，也背叛一次；对方每一次合作后，我方就对方每一次合作后，我方就“以德报德以德报德”一次；一次；论语论语宪问中，有人问孔子：宪问中，有人问孔子：“以德报怨，何如以德报怨，何如?”孔子反问：孔子反问：“何以报德何以报德?以直报怨，以德报德。以直报怨，以德报德。该策略该策略有别于有别于“善良善良”的的“永远合作永远合作”或或“邪恶邪恶”的的“永永远背叛远背叛”对策，及对方一旦对策，及对方一旦“不忠不忠”，我方就不再给机会，我方就不再给机会，长久对抗的策略长久对抗的策略。49 如果你选择如果你选择“永远背叛永远背叛”策略，你或许会在第一局拿到策略，你或许会在第一局拿到最高分，但之后的各局可能都只能拿到低分，最后虽最高分，但之后的各局可能都只能拿到低分，最后虽然可能然可能“战胜战胜”不少对手，但由于总分很低，最终难不少对手，但由于总分很低，最终难逃被淘汰出局的命运。逃被淘汰出局的命运。所以除非很难与对方再次相遇，不用担心其日后的反应，所以除非很难与对方再次相遇，不用担心其日后的反应，才可选择对抗与背叛；才可选择对抗与背叛；而在而在长期互动、博弈长期互动、博弈的关系中，的关系中，“一报还一报一报还一报”是最佳是最佳策略：策略：它是善意的，从不首先背叛；它不迂腐，不管它是善意的，从不首先背叛；它不迂腐，不管过去相处多好，仍然对背叛有反应；它是宽容的，不过去相处多好，仍然对背叛有反应；它是宽容的，不因一次背叛而选择玉石俱焚因一次背叛而选择玉石俱焚。50计算机科学家效率观念有非常精确的定义，通用计算机科学家效率观念有非常精确的定义，通用的方式是讨论如何尽量减少使用的资源来完成的方式是讨论如何尽量减少使用的资源来完成任务任务可减少资源各有不同，但最重要的往往是可减少资源各有不同，但最重要的往往是时间时间重要的是寻找某种途径，保证能够任务完成而且重要的是寻找某种途径，保证能够任务完成而且使用尽可能少的步骤使用尽可能少的步骤红绿球的换位游戏，如何使完成步骤最少？51计算机科学家是进行系统集成的专家计算机科学家是进行系统集成的专家不只是应用今天的技术，而且还创造明天的技术不只是应用今天的技术，而且还创造明天的技术什么是当今世界的什么是当今世界的10名大的创新？互联网，手机，个名大的创新？互联网，手机，个人计算机，光纤，电子邮件，卫星导航系统，记忆存人计算机，光纤，电子邮件，卫星导航系统，记忆存储磁盘，数码相机和储磁盘，数码相机和RFID标签标签计算机科学家则将它们组合在一起，构建新的系统并计算机科学家则将它们组合在一起，构建新的系统并满足社会的需求满足社会的需求“需要发掘用户需要但无从表达的需求需要发掘用户需要但无从表达的需求 乔布斯乔布斯”实际上是创造用户的需求实际上是创造用户的需求52任何新技术都是一把双任何新技术都是一把双刃剑刃剑+现代计算机系统的成是现代计算机系统的成是带来对数字信息进行分带来对数字信息进行分析、处理和共享的便利析、处理和共享的便利-也存在大量负面的影响也存在大量负面的影响例如，如何处理创建电子例如，如何处理创建电子商务客户联机档案的便商务客户联机档案的便利性与隐私问题之间的利性与隐私问题之间的平衡，是当代信息系统平衡，是当代信息系统引发的伦理问题之一引发的伦理问题之一53弄清事实弄清事实界定冲突或困境并识别有关界定冲突或困境并识别有关的更高序列上的价值理念的更高序列上的价值理念确定利益相关者确定利益相关者理性的选择解决方案理性的选择解决方案确认解决方案可能带来的后确认解决方案可能带来的后果果54计算思维是在计算学科与其他学科思想方法的交计算思维是在计算学科与其他学科思想方法的交互中发展的，比如许多算法的思想来源于人类互中发展的，比如许多算法的思想来源于人类对特定学科研究对象的认识，又反过来作用于对特定学科研究对象的认识，又反过来作用于这些学科和更多学科的发展这些学科和更多学科的发展从计算思维的内涵上讲，它阐述计算的基本思想从计算思维的内涵上讲，它阐述计算的基本思想和方法，究其根源这些思想和方法均来自人类和方法，究其根源这些思想和方法均来自人类的共同智慧，不但有助于计算学科中问题的求的共同智慧，不但有助于计算学科中问题的求解，也与人类在其他领域工作和生活中解决问解，也与人类在其他领域工作和生活中解决问题的方法相通题的方法相通55周以真计算思维中国计算机学会通讯周以真计算思维中国计算机学会通讯J.2007，3(11)王飞跃从计算思维到计算文化王飞跃从计算思维到计算文化J中国计算机学会通讯中国计算机学会通讯2007，3(11)董荣胜计算机科学导论董荣胜计算机科学导论思想与方法思想与方法M高等教育出版社，高等教育出版社，2007董荣胜，古天龙计算机科学与技术方法论董荣胜，古天龙计算机科学与技术方法论M人民邮电出版社，人民邮电出版社，2002张晓如，张再跃张晓如，张再跃.再谈计算机思维再谈计算机思维J.计算机教育计算机教育 2010董荣胜，古天龙计算思维与计算机方法论董荣胜，古天龙计算思维与计算机方法论J计算机科学，计算机科学，2009，36(1)：14王树林，黄德双，骆嘉伟，王树林，黄德双，骆嘉伟，“计算科学与生命科学的相互交融与相互计算科学与生命科学的相互交融与相互启示，启示，”计算机科学计算机科学J，2008年年11月专辑月专辑,vol.35,no.11,pp.31-35.孙兆豪孙兆豪,孙俊卿孙俊卿,郭喜凤郭喜凤.论计算思维和计算机思维论计算思维和计算机思维 BS/OL 程向前等程向前等.计算机应用基础计算机应用基础2011 M.中国人民大学出版社中国人民大学出版社 201056