美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家周以真：使計(jì)算思維成為常識(shí)

計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，周以真（Jeannette M. Wing）是以倡導(dǎo)計(jì)算思維而聞名于世，她認(rèn)為：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。

這位亞裔科學(xué)家1979年獲得麻省理工學(xué)院（MIT）的電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)士和碩士學(xué)位，1983年獲得MIT計(jì)算機(jī)科學(xué)的博士學(xué)位。她的主要研究領(lǐng)域是形式方法、可信計(jì)算、分布式系統(tǒng)、編程語(yǔ)言等。1993年她與圖靈獎(jiǎng)得主芭芭拉·利斯科夫合作，提出了著名的Liskov代換原則，是面向?qū)ο蠡驹瓌t之一。2004至2007年她曾擔(dān)任卡內(nèi)基梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院院長(zhǎng)；2013年1月加入微軟研究院，擔(dān)任微軟全球資深副總裁，負(fù)責(zé)微軟研究院全球各核心研究機(jī)構(gòu)及微軟研究院學(xué)術(shù)合作部的工作。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)前校長(zhǎng)Jared L Cohon評(píng)價(jià)說(shuō)：“周以真是當(dāng)今世界上最有創(chuàng)新精神、最具原創(chuàng)力的計(jì)算機(jī)科學(xué)家之一。她在科研、教學(xué)和行政上均作出了重大貢獻(xiàn)。NSF不可能找到一個(gè)比周以真更好的人選?！?/p>

在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，周以真的嚴(yán)厲也讓她在學(xué)生中聞名。一個(gè)學(xué)生叫她“Dragon Lady”——這個(gè)不太友好的詞本用于形容強(qiáng)大神秘、盛氣凌人的東方女子，但周以真接受了這個(gè)稱呼。最讓周以真感到滿足的事情，莫過(guò)于看到學(xué)生在被復(fù)雜概念折騰得死去活來(lái)之后，最終掌握她所傳授的知識(shí)。在卡內(nèi)基梅隆大學(xué)，“Dragon Lady”漸漸成為飽含學(xué)生敬意的昵稱。

這位既醉心教研，又不懈學(xué)習(xí)其他知識(shí)的科學(xué)家在計(jì)算機(jī)科學(xué)之外的領(lǐng)域同樣多才多藝。她曾在中國(guó)研習(xí)舞劍，也學(xué)習(xí)武術(shù)，是唐手道黑帶四段。此外，周以真還有扎實(shí)的芭蕾舞功底，也跳過(guò)探戈、現(xiàn)代舞、爵士舞乃至踢踏舞。她所掌握的才藝如此之多，人們不禁要問(wèn)她是怎么擠出時(shí)間學(xué)這么多東西的?！叭粘瘫戆?。”她說(shuō)。周以真的青春活力數(shù)十年不減，究其原因，她說(shuō)那不過(guò)是因?yàn)椤疤煨詷?lè)觀，過(guò)著簡(jiǎn)單的生活”。

在周以真的眾多成就中，她于2006年發(fā)表的《計(jì)算思維》（Computational thinking）是最為人稱道的成果之一。周以真倡導(dǎo)運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念解決問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)并理解人類行為的思維方式。這一理念推動(dòng)了計(jì)算機(jī)科學(xué)在全球教育領(lǐng)域的發(fā)展。她期盼所有年輕人都能從計(jì)算思維中獲益，并鼓勵(lì)他們張開(kāi)懷抱去擁抱跨學(xué)科研究的新理念?！叭绻覀兿Ｍ鑫磥?lái)的弄潮兒，我們就需要去創(chuàng)造未來(lái)。”她說(shuō)。

留學(xué)生：什么是計(jì)算思維？

周以真：簡(jiǎn)而言之，計(jì)算思維就是像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思考。當(dāng)然，這并不是個(gè)令人滿意的回答，因?yàn)槲疫€得解釋什么是計(jì)算機(jī)科學(xué)。計(jì)算機(jī)科學(xué)是計(jì)算的學(xué)問(wèn)——什么是可計(jì)算的，怎樣去計(jì)算。

實(shí)際上，計(jì)算思維是一種思考方式，是用計(jì)算機(jī)所能有效執(zhí)行的方式來(lái)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行表述并提出解決方案——這里所說(shuō)的“計(jì)算機(jī)”既可以指機(jī)器，也可以指人。換句話說(shuō)，計(jì)算思維也是一種解決問(wèn)題的方式。

留學(xué)生：計(jì)算思維可以做什么？

周以真：計(jì)算思維是每個(gè)人的基本技能，不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家。我們應(yīng)當(dāng)使每個(gè)孩子在培養(yǎng)解析能力時(shí)不僅掌握閱讀、寫(xiě)作和算術(shù)（3R），還要學(xué)會(huì)計(jì)算思維。正如印刷出版促進(jìn)了3R的普及，計(jì)算和計(jì)算機(jī)也以類似的正反饋促進(jìn)了計(jì)算思維的傳播。

計(jì)算思維涉及運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題、設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類的行為。它包括了涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)。

當(dāng)我們必須求解一個(gè)特定的問(wèn)題時(shí)，首先會(huì)問(wèn)：解決這個(gè)問(wèn)題有多么困難？怎樣才是最佳的解決方法？ 計(jì)算機(jī)科學(xué)根據(jù)堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)來(lái)準(zhǔn)確地回答這些問(wèn)題。表述問(wèn)題的難度的基本能力。必須考慮的因素包括機(jī)器的指令系統(tǒng)、資源約束和操作環(huán)境。

為了有效地求解一個(gè)問(wèn)題，我們可能要進(jìn)一步問(wèn)：一個(gè)近似解是否就足夠了，是否可以利用一下隨機(jī)化，以及是否允許誤報(bào)和漏報(bào)？計(jì)算思維就通過(guò)約簡(jiǎn)、嵌入、轉(zhuǎn)化和仿真等方法，把一個(gè)看來(lái)困難的問(wèn)題重新闡釋成一個(gè)我們知道怎樣解決的問(wèn)題。

計(jì)算思維是一種遞歸思維。它是并行處理。它是把代碼譯成數(shù)據(jù)又把數(shù)據(jù)譯成代碼。它是由廣義量綱分析進(jìn)行的類型檢查。對(duì)于別名或賦予人與物多個(gè)名字的做法，它既知道其益處又了解其害處。對(duì)于間接尋址和程序調(diào)用的做法，它既知道其威力又了解其代價(jià)。它評(píng)價(jià)一個(gè)程序時(shí)，不僅僅根據(jù)其準(zhǔn)確性和效率，還有美學(xué)的考量，而對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還考慮簡(jiǎn)潔和優(yōu)雅。

留學(xué)生：有沒(méi)有什么用計(jì)算思維解決問(wèn)題的例子？

周以真：舉個(gè)例子，如果你要做一頓飯，既要煮飯又要炒青菜炒肉，但又不能做好菜了但飯還沒(méi)煮熟，要怎么做？這三項(xiàng)任務(wù)都需要花費(fèi)資源和時(shí)間。在做飯這件事上，你就相當(dāng)于一個(gè)操作系統(tǒng)。我們?cè)谟?jì)算機(jī)科學(xué)中所學(xué)習(xí)的，正是如何調(diào)配有限的資源，完成所有任務(wù)。

一般來(lái)說(shuō)，計(jì)算思維中最重要的幾個(gè)思維過(guò)程是抽象、分解以及組合。所謂“抽象”，是指忽略所有不相關(guān)的復(fù)雜細(xì)節(jié)，而只專注于問(wèn)題關(guān)鍵部分的能力。你會(huì)注意到，我剛剛并沒(méi)有提及“鍋是啥顏色的”，“廚房有多熱”，因?yàn)檫@些都是不相關(guān)的細(xì)節(jié)。

“分解”能讓我們將問(wèn)題分割成一個(gè)一個(gè)小的部分，我們將這些小部分各個(gè)擊破，最終通過(guò)“組合”將各部分重整起來(lái)，形成一個(gè)針對(duì)原問(wèn)題的解決方案。

這種解決問(wèn)題的方式是可以規(guī)?；?，遠(yuǎn)超人手可及的范疇——當(dāng)你在用筆記本電腦的時(shí)候，有上千個(gè)進(jìn)程同時(shí)在占用上千種不同的資源，但你還是可以用它完成工作。因?yàn)樗谟糜?jì)算思維解決問(wèn)題。

留學(xué)生：這樣看來(lái)，計(jì)算思維不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家？

周以真：許多人將計(jì)算機(jī)科學(xué)等同于計(jì)算機(jī)編程。有些家長(zhǎng)為他們主修計(jì)算機(jī)科學(xué)的孩子看到的只是一個(gè)狹窄的就業(yè)范圍。許多人認(rèn)為計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)研究已經(jīng)完成，剩下的只是工程問(wèn)題。當(dāng)我們行動(dòng)起來(lái)去改變這一領(lǐng)域的社會(huì)形象時(shí)，計(jì)算思維就是一個(gè)引導(dǎo)著計(jì)算機(jī)教育家、研究者和實(shí)踐者的宏大愿景。

我們特別需要走進(jìn)大學(xué)之前的聽(tīng)眾，包括老師、父母、學(xué)生，向他們傳送下面兩個(gè)主要信息：智力上的挑戰(zhàn)和引人入勝的科學(xué)問(wèn)題依舊亟待理解和解決。這些問(wèn)題和解答僅僅受限于我們的好奇心和創(chuàng)造力；同時(shí)一個(gè)人可以主修計(jì)算機(jī)科學(xué)而從事任何行業(yè)。一個(gè)人可以主修英語(yǔ)或者數(shù)學(xué)，接著從事各種各樣的職業(yè)。計(jì)算機(jī)科學(xué)也一樣。一個(gè)人可以主修計(jì)算機(jī)科學(xué)，接著從事醫(yī)學(xué)、法律、商業(yè)、政治，以及任何類型的科學(xué)和工程，甚至藝術(shù)工作。

計(jì)算機(jī)科學(xué)的教授應(yīng)當(dāng)為大學(xué)新生開(kāi)一門稱為“怎么像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣思維”的課程，面向所有專業(yè)，而不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生。我們應(yīng)當(dāng)使入大學(xué)之前的學(xué)生接觸計(jì)算的方法和模型。我們應(yīng)當(dāng)設(shè)法激發(fā)公眾對(duì)于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的科學(xué)探索之興趣，而不是悲嘆對(duì)其興趣的衰落或者哀泣其研究經(jīng)費(fèi)的下降。所以，我們應(yīng)當(dāng)傳播計(jì)算機(jī)科學(xué)的快樂(lè)、崇高和力量，致力于使計(jì)算思維成為常識(shí)。

留學(xué)生：你認(rèn)為哪個(gè)學(xué)科會(huì)因計(jì)算機(jī)科學(xué)而發(fā)生最大的變化？

周以真：我相信所有學(xué)科都能從計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步中獲益，反過(guò)來(lái)，計(jì)算機(jī)科學(xué)也能從所有其他學(xué)科的發(fā)展中得到好處。所以要從那么多學(xué)科里挑一個(gè)是很難的，不過(guò)硬要選的話，目前我會(huì)選生物。

一方面，計(jì)算機(jī)科學(xué)向生物學(xué)提供了許多形式模型來(lái)表現(xiàn)或解釋復(fù)雜系統(tǒng)在互動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)變化——畢竟操作系統(tǒng)本身就是一個(gè)由交互過(guò)程組成的復(fù)雜系統(tǒng)。另一方面，計(jì)算機(jī)科學(xué)家發(fā)明了能分析大量數(shù)據(jù)的技術(shù)，機(jī)器學(xué)習(xí)也讓我們得以揭示隱藏在大數(shù)據(jù)中的規(guī)律。

反過(guò)來(lái)，生物學(xué)也在推動(dòng)計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步。任何生物系統(tǒng)中發(fā)生的相互作用，無(wú)論是規(guī)模還是本質(zhì)都遠(yuǎn)超當(dāng)今計(jì)算方法所能企及的地步。更遠(yuǎn)地看，生物系統(tǒng)可以被看做信息處理系統(tǒng)。我們或許能利用自然或者合成的生物系統(tǒng)的計(jì)算能力。

留學(xué)生：近年來(lái)人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)發(fā)展飛快，在你看來(lái)，計(jì)算機(jī)科學(xué)的未來(lái)將是怎樣的？

周以真：現(xiàn)在是所謂“人工智能的春天”。計(jì)算機(jī)視覺(jué)、語(yǔ)音、機(jī)器翻譯和自然語(yǔ)言處理領(lǐng)域，各自經(jīng)過(guò)了數(shù)十年緩慢而持續(xù)地發(fā)展。到現(xiàn)在，我們已有能力將它們?nèi)诤掀饋?lái)。微軟正將這些人類智能中的不同子任務(wù)整合起來(lái)，希望讓計(jì)算機(jī)看得見(jiàn)、聽(tīng)得懂、說(shuō)得出、學(xué)得會(huì)。

我們也正置身于一個(gè)“移動(dòng)為先，云為先”的時(shí)代。這意味著無(wú)論何時(shí)何地，每個(gè)人都能通過(guò)小型設(shè)備獲取海量數(shù)據(jù)與巨大的計(jì)算能力。所謂“普適”，就是指任何人在任何時(shí)間地點(diǎn)都能計(jì)算。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)還是會(huì)給我們的熱情潑冷水，我們?nèi)悦媾R著種種重大的技術(shù)難題。

留學(xué)生：機(jī)器學(xué)習(xí)取得了前所未有進(jìn)步，面對(duì)可能隨之而來(lái)的道德問(wèn)題，比如隱私問(wèn)題，我們做好準(zhǔn)備了嗎？

周以真：當(dāng)前，互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模讓第三方得以輕易地獲取我們的個(gè)人信息，數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)又進(jìn)一步讓推斷我們的個(gè)人習(xí)慣和偏好變得簡(jiǎn)單，使第三方與我們的互動(dòng)更加個(gè)人化：向我們推薦書(shū)籍啊，提醒我們朋友的生日啊什么的。不管是心甘情愿或是毫不知情地，人們都在用部分隱私換取更多效用。

因此，我們需要更好更公開(kāi)地交流個(gè)人隱私問(wèn)題：企業(yè)與消費(fèi)者、政府與公民、技術(shù)人員與政策制定者、計(jì)算機(jī)科學(xué)家與社會(huì)科學(xué)家、科學(xué)家與倫理學(xué)家之間，都需要進(jìn)行溝通。我們應(yīng)該開(kāi)發(fā)新的技術(shù)讓人了解他人知道自己的哪些信息，也應(yīng)該有新的政策促進(jìn)某種隱私保護(hù)技術(shù)的推廣，使它更加具有影響力。