淺談計算機與計算思維

門澤霖 黃子坤

摘 要：作為大學(xué)生，在我看來，計算機無處不在且時刻被需要著，而計算思維又時時刻刻地被我們無意識地運用著。那么和我們緊密相連的計算機到底是什么呢？它是如何出現(xiàn)在世界上的？它能做什么又不能做什么？而看似抽象的計算思維是否只是“計算”數(shù)據(jù)那么簡單呢？它到底是一個怎樣的思維？又有著什么用處呢？……一切的一切我將在下面展開自己的淺談。

關(guān)鍵詞：計算機思維；體系結(jié)構(gòu)；程序

半個多世紀(jì)以來，計算機已經(jīng)發(fā)展成為一個龐大的家族，盡管計算機各式各樣，但是它們的基本組成結(jié)構(gòu)和工作原理確實相同的。這里，我們就不得不提兩位被譽為計算機之父的計算機雛形理論奠基人：圖靈和馮·諾依曼。

在電子計算機遠(yuǎn)未問世之前，英國數(shù)學(xué)家圖靈就先知先覺，已經(jīng)想到所謂“可計算機”的問題，他用超過了一般數(shù)學(xué)家的思維范疇，完全拋開數(shù)學(xué)上定義新概念的傳統(tǒng)方式，獨辟蹊徑，構(gòu)造出一臺完全屬于想象中的“計算機”，數(shù)學(xué)家們把它稱為“圖靈機”。圖靈機的模型給計算機的設(shè)計靈感，被公認(rèn)為是現(xiàn)代計算機的理論原型，也可以說，圖靈啟發(fā)與影響了他之后的整個計算機發(fā)展史。而后，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼提出了“存儲程序”的概念和“二進(jìn)制”的原理，并由此設(shè)計出了“馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)”計算機。它必須有一個存儲器、控制器、運算器、輸入和輸出設(shè)備，它的工作原理是：計算機能夠自動完成運算或處理信息的基礎(chǔ)，是先將解決問題的具體處理步驟（算法）以程序代碼的方式存儲到計算機的存儲器中，然后計算機自動讀取程序代碼，并嚴(yán)格依照程序指令的控制逐步進(jìn)行整個工作過程，可概括為：存儲程序、程序控制。一個完整的計算機系統(tǒng)是由計算機的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。作為計算機的“靈魂”，計算機的軟件系統(tǒng)控制、管理和指揮計算機工作和解決各類應(yīng)用問題的所有程序與數(shù)據(jù)的總和。而現(xiàn)在我們所使用的計算機硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一直遵循著馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。（如下圖為：現(xiàn)代計算機硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）

大致了解了計算機的形成過程，那么所謂的計算機到底是什么呢？大多人以為計算機就等同于電腦，在我上這個計算機導(dǎo)論課之前其實也這么以為，但是現(xiàn)在在我看來，生活中使用的電腦只是計算機大家族中的一個成員。在查閱各種資料，依照“計算機系統(tǒng)的構(gòu)架、計算機的工作原理、計算機的特點以及計算機的信息處理功能”這幾個關(guān)鍵點后我們大概可以這么定義：計算機是由高科技電子元器件、線路和機械裝置等部件或設(shè)備構(gòu)成的，在計算機軟件（程序）的控制下，依照存儲程序和程序控制的工作原理，能夠告訴、有效地完成人們制定的對信息進(jìn)行各種操作的自動化綜合系統(tǒng)。

那么它能做些什么呢？玩游戲？聽歌看電影？……上述的都是我們生活中對電腦某些娛樂性功能的片面理解，當(dāng)然了，這些也是計算機的用途，但我要說的是它能自動完成人無法在短時間內(nèi)完成的工作、自動完成可靠、精準(zhǔn)的科學(xué)數(shù)據(jù)的運算、自動記憶和檢索人腦無法承載的海量信息并長久存儲……似乎所有目光都提留在“自動”二字，它之所以如此“自覺、強大”，簡單來說，就是因為它具有：快、準(zhǔn)、海量存儲、邏輯判斷能力、自動信息處理能力、網(wǎng)絡(luò)通信能力、穩(wěn)定、可靠和通用等功能特點。計算機看似已經(jīng)“完美”，但是其作為人類制造出的機器，也有著它的弱點。比如面對無法表示為有限的和確定的需要計算的數(shù)據(jù)、大小和精度無法表示在固定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)……計算機會無能為力。簡言之，計算機不能解決那些不可計算性的問題。

歷經(jīng)四代計算機的發(fā)展，當(dāng)前計算機發(fā)展的趨勢是由大到巨、由小到微、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，但是迄今還沒出現(xiàn)第五代計算機，我對此也是拭目以待，生活、工作、整個社會都將由此改變。談了對于計算機的淺顯理解，現(xiàn)在談?wù)勈裁词怯嬎闼季S吧。

結(jié)合課本，計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動，它是算法思維、協(xié)議思維、計算邏輯思維、計算系統(tǒng)思維、三元計算思維（人、機、物）的結(jié)合。不僅僅屬于計算機科學(xué)家，我們每個人都應(yīng)該具備這種基本技能。那么為什么呢？它有什么必要性或者說好處呢？首先，我們在生活中會遇到各種難題，有的不是靠我們自己簡單的判斷、思考就能解決的，而計算思維運用計算機科學(xué)堅實的理論基礎(chǔ)可以準(zhǔn)確回答難題中的一些特定問題，比如“有多難？怎樣才是最佳的解決辦法？等等”。計算思維可以化繁為簡、化難為易；它是一種遞歸和并行處理；計算思維采用了抽象和分解；計算思維是恢復(fù)的一種思維；計算思維利用啟發(fā)式推理。

那么接下來就是課堂和課本希望在思考的問題了：如何培養(yǎng)和訓(xùn)練計算思維？我們可以結(jié)合生活實例，淺顯地表達(dá)。比如：在超市結(jié)賬時，你選擇去排哪個隊伍？早晨去上課時，你會把那些東西放入書包？……這些問題都可以利用計算思維來解決。很簡單，我會選擇排短的隊伍，這就是多服務(wù)器系統(tǒng)的性能模型；會把平時要用的物品（手機、校園卡、鑰匙、充電寶……）以及當(dāng)天要用到的課本放到書包里，這就是預(yù)置和緩存。所以說，其實計算思維并不是高高在上，而是和我們緊密相連。我們可以通過以下幾點來逐漸養(yǎng)成計算思維：①首先是相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)該對整個計算機科學(xué)有一個整體的認(rèn)知，去理解計算機科學(xué)的概念、思想和基本方法，在對專業(yè)內(nèi)涵和方法論有所了解后再進(jìn)一步明確學(xué)習(xí)的目標(biāo)；②要意識到計算思維不僅僅是程序化的，而是在抽象的多個層次上進(jìn)行思維，這就要求我們利用自己的想象力和創(chuàng)造力去分析和解決問題，注意培養(yǎng)自己嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某橄笏季S能力；③加強學(xué)習(xí)實踐，在此過程中激發(fā)我們對計算機科學(xué)領(lǐng)域的好奇心，以及培養(yǎng)懷疑精神和求異思維。

總而言之，計算機和計算思維之間相互支撐又相互制約，我們應(yīng)該通過本課程學(xué)習(xí)到關(guān)于計算機和計算思維的專業(yè)知識，并進(jìn)一步理解其內(nèi)涵，探索計算機科學(xué)領(lǐng)域，關(guān)注計算機的發(fā)展甚至為其做工下，進(jìn)而為生活和社會發(fā)展做貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭艷華，馬海燕.計算機與計算機思維導(dǎo)論

（作者單位：中國計量大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院）