計算機科學方法論及其計算方式的研究

摘要：計算機科學與技術(shù)的方法論和計算思維是不同內(nèi)容的具體學科，但二者之間有著千絲萬縷的聯(lián)系以及影響。二者的研究內(nèi)容和相互補充，并各自推進對方的發(fā)展。本文研究計算機科學技術(shù)方法論和計算思維之間的關(guān)系，介紹我國計算機科學技術(shù)方法論的發(fā)展情況，對于國外研究計算思維也作一定的介紹，旨在加深對兩個學科的見解以便開展更

1 計算思維的含義闡述

計算思維在本文中是指周以真老師定義的一個概念，是一種以計算科學為理論基礎(chǔ)解決問題以及進行設(shè)計等行為運用的思維，是一種涵蓋面極廣的思維。另一種更易懂的解釋為，將一個復雜問題通過轉(zhuǎn)化簡約等方式重新定義，使人們找到解決方法的思維；可通過分解來設(shè)計繁雜的系統(tǒng)；是運用適合的方法對問題建模隨后處理的思維；是一種啟發(fā)式的求解過程，是用以解決問題的科學思維方法。

計算思維可以由人或機器完成，通過建立一定的模型利用具體的算法完成原本復雜的問題。計算思維的本質(zhì)是抽象以及自動化，抽象是以符號為表達方式，超時空性的，具有不同于數(shù)學科學和物理的復雜性，如堆棧和算法，并不是如數(shù)學中那樣簡單的數(shù)據(jù)相加組合，而是一種復雜的運算過程。抽象在計算思維中還需要現(xiàn)實的參與完成，所以就必須預估可能出現(xiàn)的錯誤，并了解處理問題的方法。計算思維還包含一個重要的問題就是抽象層次，這是一種通過層次了解復雜的方法，各層次間有著具體的聯(lián)系，在執(zhí)行某復雜機械系統(tǒng)時，通過各層次的建模來保證機械自動的運行。

周教授提出的計算思維具體有六個特點：

（1）計算思維不只是有關(guān)計算機的思維，而是一個思維概念，范圍廣博。

（2）是一種在社會中發(fā)揮主觀能動性所必須的根本性的靈活技能。

（3）不是機器的，而是人類的解決問題的思維。

（4）計算思維涵蓋著工程思維、數(shù)學思維等科學思維的內(nèi)容和方法。

（5）不是創(chuàng)造出的一個物品，而是一種思想，是人們可以利用解決問題，相互交流的思維方式。

（6）計算思維是解決問題的重要途徑，應(yīng)當被所有的學科運用。

周教授最初提出計算思維時，獲得了美教育界的積極響應(yīng)，不久便提出計算思維融入計算機專業(yè)相關(guān)課程的提議，并專門對計算思維做了總結(jié)性的報告。英國教育界也對計算思維有著積極地相應(yīng)，不只是計算機專業(yè)，各學科都對計算思維做了研究和討論。值得一提的是，計算思維也是NSF重要基金項目的促成者，有著重要的意義。

2 計算機科學與技術(shù)的方法論闡述

計算機科學技術(shù)的方法論是董榮勝和古天龍老師構(gòu)建的方法論體系，主要研究對象是計算的性質(zhì)特點及計算方法等。該方法論體系是以《計算作為一門學科》中計算學科的定義矩陣為理論基礎(chǔ)的，這個定義矩陣具有高度的概括性，其本質(zhì)也就是計算學科的本質(zhì)。對于定義矩陣的要點把握，可以通過橫向、縱向的具體內(nèi)容來把握。橫向的內(nèi)容包括抽象和理論以及設(shè)計三方面的聯(lián)系，是計算機方法論最關(guān)鍵的部分，是推動學科發(fā)展的力量?？v向的內(nèi)容是分支學科中共通的反映計算學科的內(nèi)容，是幫助人們認識計算學科以及利用方法論完成任務(wù)的重要助力?？v向各分支學科的關(guān)系主要有以下方面：

（1）各領(lǐng)域研究的內(nèi)容部分一致。

（2）計算學科的具體內(nèi)容在各分支中均有體現(xiàn)，各分支是計算總學科的體現(xiàn)。

通過計算機方法論學科的具體組成，除了語言的定義以外，還有形式化的定義。因此董教授和古教授又對增加了對方法論的定義又形成了“計算教育哲學”這門新的學科。此后董教授在教育領(lǐng)域不斷推薦這種理論體系，并與古教授一起編寫了相關(guān)的教材。二人合編的著作目前已在我國多所高校使用。不僅在國內(nèi)，國外也有許多學者對計算機方法論有著濃厚的興趣，不斷有相關(guān)的會議召開討論這一理論。

3 計算機科學與技術(shù)的方法論和計算思維之關(guān)系探討

計算思維和計算機科學與技術(shù)的方法論在研究內(nèi)容上，與數(shù)學科學有著相同的地方。國內(nèi)主要研究方法論，國外則主要研究計算思維。但與數(shù)學學科相比，方法論在研究理論的體系構(gòu)件上，已經(jīng)有已有的成果，在研究時也可以借鑒國外的許多優(yōu)秀理論。計算思維與方法論雖然有著不同的研究角度，但都是對計算學科本質(zhì)內(nèi)容的研究，一個從思維角度研究計算學科一個從方法論角度研究計算學科。計算思維透過學科的思維本質(zhì)進行研究，并能對其他學科產(chǎn)生影響，不僅是一種計算的思維，也是一種普遍的，有助于任何人完成任務(wù)的靈活思維方式，應(yīng)成為新實際的必備技能。針對計算思維與其他學科的結(jié)合，很多學科的教師會有著對計算思維的疑問，對此有關(guān)的研究總結(jié)了適用于計算思維研究的問題特點：

（1）問題的表述要清晰，對于此問題解決后能從中得到的好處，必須要清楚。

（2）解決某一問題的方案以及問題解決帶來的進步要能夠測試。

（3）所研究的問題能夠分成不同的層次和步驟完成。這樣有利于通過一小步的完成看到相關(guān)的進步。

計算機科學技術(shù)方法論是對學科構(gòu)建的理論體系的相關(guān)研究，是研究一門學科理論進化過程的。在體系構(gòu)建過程中，利用一般的方法論結(jié)合著計算學科的基本概念，由理論到實際的構(gòu)建體系。在體系的框架完成之后，再填入具體的實質(zhì)內(nèi)容。關(guān)于理論體系中內(nèi)容的填充，注意的方面主要有兩點：一是學科有著深刻的理解，能劃分其概念；二是分析了解計算學科發(fā)展的一般規(guī)律。計算機科學技術(shù)的方法論一般利用例證來解決學科的問題，為學習者未來的事業(yè)之路打下良好的基礎(chǔ)。方法論的基本概念主要有抽象以及理論設(shè)計，這也是方法論教學中最容易教授的概念。科學與研究掌握計算機方法論則有利于在其指導下有條不紊地展開研究。

綜上所述，計算思維和方法論雖然各有自己的研究對象與研究特色，但二者之間有著很強的關(guān)聯(lián)性，二者相互補充相互提高，對于學生和研究者來說，培養(yǎng)計算思維，利用方法論，對于學習和研究都是非常有益的。

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作者簡介：

李祥（1993—），男，漢族，河南鄭州市人，鄭州大學水利與環(huán)境學院，水利水電工程。