科學(xué)不能忽視計(jì)算思維

科學(xué)不能忽視計(jì)算思維

“用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太空已經(jīng)過時(shí)”，這話雖然略有夸張，但不無道理——對(duì)許多天文學(xué)家來說，現(xiàn)在研究的第一步不是“看到”，而是“計(jì)算”。如今，天文學(xué)家已經(jīng)更多利用網(wǎng)絡(luò)來調(diào)度觀測(cè)，遠(yuǎn)程控制位于沙漠或偏遠(yuǎn)地區(qū)的望遠(yuǎn)鏡，下載相關(guān)的觀察結(jié)果，然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。

不僅僅是天文學(xué)，生物信息學(xué)、計(jì)算語(yǔ)言學(xué)以及粒子物理學(xué)等學(xué)科，從某種程度上，都依賴于通過計(jì)算模擬對(duì)世界進(jìn)行建模，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索分析——

今天的科學(xué)正在發(fā)生以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)的深刻轉(zhuǎn)變。

17世紀(jì)的科學(xué)是經(jīng)驗(yàn)主義科學(xué)。其時(shí)，大家普遍認(rèn)為人類可以用感官來收集盡可能多的數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)最終了解整個(gè)世界?；诖?，科學(xué)發(fā)現(xiàn)具有偶然性也被大家廣泛接受。但科學(xué)發(fā)展、新科學(xué)儀器的使用，讓科研數(shù)據(jù)量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。這種情況讓以往的經(jīng)驗(yàn)變得不再適用——

僅靠感官，人類已經(jīng)無法處理和掌握這些數(shù)據(jù)，必須利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析；同時(shí)，探索和挖掘數(shù)據(jù)的方式甚至能夠讓科學(xué)家們“計(jì)劃偶然性”。以天文學(xué)為例，在尋找新的天文現(xiàn)象上，大數(shù)據(jù)極可能會(huì)產(chǎn)生意想不到的結(jié)果：天文學(xué)家鄧肯·洛里默發(fā)現(xiàn)了快速無線電脈沖、本科生克萊·奧法發(fā)現(xiàn)了地球電離層中的等離子管。

當(dāng)今的科學(xué)研究形式是：許多科學(xué)家一起合作，設(shè)計(jì)能夠一次服務(wù)于多種項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試不同的假設(shè)。因此，編程、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)等與計(jì)算機(jī)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)在科學(xué)研究中變得極為重要，例如，為了設(shè)計(jì)合理的實(shí)驗(yàn)，選擇可靠的樣本，科學(xué)家需要優(yōu)秀的統(tǒng)計(jì)學(xué)技能。為了確保數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)和探索是嚴(yán)格的，科學(xué)家們需要掌握足夠的統(tǒng)計(jì)學(xué)內(nèi)容。

不僅如此，科學(xué)家還需要開發(fā)計(jì)算思維。這不僅僅是編碼，科學(xué)家需要?jiǎng)?chuàng)造性地思考和編寫新的算法，并且使用復(fù)雜的技術(shù)來挖掘和收集數(shù)據(jù)。即使擁有 10000個(gè)核心超級(jí)計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，將簡(jiǎn)單的算法應(yīng)用于海量數(shù)據(jù)集仍然是無效的。面對(duì)一個(gè)科研目標(biāo)，從計(jì)算機(jī)科學(xué)到更復(fù)雜的技術(shù)，軟件的運(yùn)行速度需要提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

但與現(xiàn)實(shí)不相符的是，目前許多高中和大學(xué)的科學(xué)、技術(shù)和工程學(xué)科仍然把這些必要的技能作為次要科目。因此，我們或許應(yīng)該考慮如何設(shè)計(jì)新的教學(xué)方法，將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和計(jì)算方法視為當(dāng)代研究的重要工具。

目前，國(guó)外許多大學(xué)已經(jīng)開設(shè)數(shù)據(jù)科學(xué)課程和學(xué)位，將統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)與科學(xué)或商業(yè)相結(jié)合。例如，悉尼大學(xué)副教授塔拉·墨菲推出了一個(gè)關(guān)于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的天文學(xué)在線課程，在天文學(xué)的背景下教授學(xué)生數(shù)據(jù)管理和計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)等技能。新的澳大利亞數(shù)字技術(shù)課程將編碼和計(jì)算思維作為第二年教學(xué)大綱的一部分。這將開發(fā)學(xué)生的重要技能，下一步是將現(xiàn)代方法直接融入科學(xué)課堂。

半個(gè)多世紀(jì)以來，計(jì)算一直是科學(xué)的重要組成部分，數(shù)據(jù)爆炸正在使其變得更為重要。只有認(rèn)真地將計(jì)算思維作為科學(xué)的一部分，才可以確保未來的創(chuàng)新能力，做出更多偉大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

來源：《光明日?qǐng)?bào)》13版

發(fā)布時(shí)間：2017-06-15