第一講 計算思維概述

1、精選pptComputational Thinking精選ppt計算不再只和計算機有關，它和我們的生活息息相關。一、計算改變了什么？二、什么是計算？三、什么是計算思維？計算思維引言計算思維引言精選ppt一、計算改變了什么一、計算改變了什么計算改變了科學家的思考方式 計算生物學改變著生物學家的思考方式 數(shù)學機械化改變著數(shù)學家的思考方式 計算博弈理論改變著經(jīng)濟學家的思考方式 社會計算改變社會學家的思考方式精選ppt計算生物學改變計算生物學改變著著生物學家的思考方式生物學家的思考方式最典型的案例：人類的基因工程-耗時10年，耗資數(shù)百億美元。散彈槍算法提出來后，用于基因測序-耗時幾天，耗資千把美元就能

2、測一個基因。（因為大量的繁雜的工作由計算機完成，大大解放了生物學家，從而改變著生物學家的思考方式）精選ppt數(shù)學機械化數(shù)學機械化改變著改變著數(shù)學家數(shù)學家的思考方式的思考方式數(shù)學機械化，就是刻板化和規(guī)格化。-吳方法（吳文?。?shù)學問題的機械化，就是要求在運算或證明過程中，每前進一步之后，都有一個確定的、必須選擇的下一步，這樣沿著一條有規(guī)律的、刻板的道路，一直達到結論。吳文俊吳文俊-中科院資深院士中科院資深院士吳先生創(chuàng)立了初等幾吳先生創(chuàng)立了初等幾何定理證明的機械化何定理證明的機械化方法，國際上稱方法，國際上稱“吳吳方法方法”，首次實現(xiàn)了，首次實現(xiàn)了高效的幾何定理的機高效的幾何定理的機器證明。器證明。

3、精選ppt計算博弈理論改變著經(jīng)濟學家計算博弈理論改變著經(jīng)濟學家思考方式思考方式u博弈論指的是研究人與人之間行為互動的一般理論。所謂社會，就是互動。u1943年，馮諾依曼博弈論和經(jīng)濟行為著作首次介紹了博弈論。u博弈論：兩人以上參與，雙方通過不同策略相互競爭的游戲。u博弈：一方采用的策略會對另一方的行為產(chǎn)生影響。u計算思想在諾貝獎獲獎理論中占到70%以上的比例。精選ppt社會計算改變社會學家社會計算改變社會學家的思考方式的思考方式根據(jù)社會科學理論，以計算技術為工具，可以：研究人類社會的組成、關系、結構、層次、行為、運動等問題；研究社會媒體，促進社會人群的交流與合作。精選ppt一、計算改變了什么一、

4、計算改變了什么計算改變了工作方式 數(shù)字化會議 數(shù)字化醫(yī)療 數(shù)字化教學 數(shù)字化制造精選ppt數(shù)字化會議精選ppt數(shù)字化醫(yī)療精選ppt數(shù)字化教學精選ppt數(shù)字化制造精選ppt13 美國學者尼葛洛龐帝在其 1996年出版的數(shù)字化生存一書中提出的，按照他的解釋，計算不再只與計算機有關，它決定我們的生存。尼葛洛龐帝尼葛洛龐帝（Negroponte）為美國麻）為美國麻省理工學院教授及媒體實驗室的創(chuàng)辦人。省理工學院教授及媒體實驗室的創(chuàng)辦人。西方媒體推崇他為電腦和傳播科技領域西方媒體推崇他為電腦和傳播科技領域最具影響力的大師之一，最具影響力的大師之一， 1996年年7月被月被時代時代周刊列為當代最重要的未來學

5、周刊列為當代最重要的未來學家之一。家之一。精選ppt二、什么是計算計算是指運用事先規(guī)定的規(guī)則，將一組數(shù)值變換為另一計算是指運用事先規(guī)定的規(guī)則，將一組數(shù)值變換為另一( (所需所需的的) )數(shù)值的過程。數(shù)值的過程。對某一類問題，如能找到一組確定的規(guī)則，當給出這類問題中的任一具體問題后，按規(guī)則可以完全機械地在有限步內(nèi)求出結果，則說這類問題是可計算的。這種規(guī)則就是。精選ppt 猜數(shù)游戲：有自然數(shù)1-1000，隨機選取其中的一個數(shù)，請大家猜數(shù)。 回答10次是與否，就可以猜出該數(shù)字。精選ppt二分查找法二分查找法精選ppt3.計算思維的特征計算工具與思維方式的相互影響計算工具與思維方式的相互影響家迪科斯徹

6、：我們使用的工具影響著我們的我們使用的工具影響著我們的思維方式和思維習慣，從而也將深刻地影響思維方式和思維習慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力著我們的思維能力。計算思維是各個專業(yè)求解問題的基本途徑。精選ppt3. 計算思維的特征計算思維的定義計算思維的定義“計算思維”是美國卡內(nèi)基梅隆大學周以真教授提出的一種理論。周以真認為：計算思維計算思維是運用計算機科學的基礎概念去是運用計算機科學的基礎概念去求解求解問題問題、設計系統(tǒng)設計系統(tǒng)和和理解人類行為理解人類行為，它涵蓋了計算機科學的一，它涵蓋了計算機科學的一系列思維活動系列思維活動。周以真周以真（英文名Jeannette M. Wing，），美

7、國計算機科學家?？▋?nèi)基-梅隆大學教授。美國國家自然基金會計算與信息科學工程部助理部長。ACM和IEEE會士。 精選ppt問題求解中的計算思維精選ppt 有一座城市需要鋪路，不僅每棟房子都能沿著鋪好的道路到達其他所有的房子，而且用的石磚最少。 設有三棟房子和三條路，哪些路是必須要鋪上石磚的？鋪路問題精選ppt 如果是5棟房子？12345精選ppt22精選ppt警察抓小偷警察局抓了a，b，c，d四名偷竊嫌疑犯，其中只有一人是小偷，審訊記錄如下：A說：我不是小偷B說：c是小偷C說：小偷肯定是dD說：c在冤枉人四個人中，三個人說的是真話，一個人說的是假話，請問誰是小偷？精選ppt問題分析精選ppt數(shù)學

8、建模精選ppt計算精選ppt編程實現(xiàn)For x=1 to 4 If (x1+(x=3)+(x=4)+(x4)=3) then Print xNext x精選ppt百元買白雞 公雞每只5元，母雞每只3元，小雞一元3只，一百元買一百只雞，問有幾種買法？問題分析：問題分析：X+Y+Z=100X+Y+Z=1005X+3Y+Z/3=1005X+3Y+Z/3=100精選ppt編程 計算思維能夠反映人類思維活動，高效執(zhí)行。For x=1 to 100 For y=1 to 100 Z=100-x-y If 5*x+3*y+z/3=100 then Print x,y,z End if Next forNex

9、t for精選ppt計算機解題方法 計算機解決問題步驟： 理解問題，尋找解決問題的條件； 從問題抽象出適當?shù)臄?shù)學模型，然后設計解決這個數(shù)學模型的算法； 按照算法編寫程序，并調(diào)試、測試、運行程序，得到最終解答。精選ppt系統(tǒng)設計中的計算思維 將系統(tǒng)中的變換過程映射為符號變換形式化，然后就可以用計算機進行處理。精選ppt重要理論計算思維的本質(zhì)：計算思維的本質(zhì)： 抽象、自動化（程序、算法）抽象、自動化（程序、算法）計算思維能力：計算思維能力： 建立起利用計算機技術解決問題的思路，并理解建立起利用計算機技術解決問題的思路，并理解問題的可求解性。問題的可求解性。 問題抽象、模型建立、算法設計、實現(xiàn)問題抽

10、象、模型建立、算法設計、實現(xiàn)抽象自動化精選ppt囚徒困境博弈策略建模囚徒困境問題描述囚徒困境問題描述警方逮捕了A、B兩名嫌疑犯，但沒有足夠證據(jù)指控二人有罪。于是警方分開囚禁嫌疑犯，并向雙方提供以下相同的選擇（如表所示）：（1）如果一人認罪并檢控對方（背叛），而對方保持沉默，則此人將獲釋，沉默者將判監(jiān)禁10年。（2）如果二人都保持沉默（合作），則二人同樣判監(jiān)1年。（3）如果二人都互相檢舉（背叛），則二人同樣判監(jiān)8年。B沉默（合作）二人同服刑1年A即時獲釋；B服刑10年B認罪（背叛）A服刑10年；B即時獲釋 A和B二人同服刑8年精選ppt囚徒困境博弈策略建模囚徒的策略選擇囚徒的策略選擇困境困境兩名

11、囚徒的選擇：（1）若對方沉默，背叛會讓我獲釋，所以我會選擇背叛。（2）若對方背叛我，我也要指控對方才能得到較低刑期，所以選擇背叛。結果：兩人都選擇背叛，結果二人服刑8年。如果兩個囚徒合作保持沉默，總體如果兩個囚徒合作保持沉默，總體利益會更高。利益會更高。而兩個囚徒追求個人利益，選擇背而兩個囚徒追求個人利益，選擇背叛時，總體利益較低叛時，總體利益較低。這就是困境所在。這就是困境所在。精選ppt囚徒困境博弈策略建模囚徒困境的數(shù)學建模囚徒困境的數(shù)學建模（1）策略的符號化將囚徒各種選擇獲得的收益和支付轉(zhuǎn)換為數(shù)值，獲得表所示符號表。符號分數(shù)英文中文說明Temptation 背叛收益單獨背叛成功所得Rew

12、ard合作報酬共同合作所得Punishment 背叛懲罰共同背叛所得Suckers受騙支付被單獨背叛所獲精選ppt囚徒困境博弈策略建模（2）建立收益和支付矩陣 根據(jù)以下規(guī)則確定博弈雙方的收益和支付： 一人背叛，一人合作時，背叛者得5分（背叛收益），合作者得0分（受騙支付）； 二人都合作時，雙方各得3分（合作報酬）； 二人都背叛時，各得1分（背叛懲罰）。 從表可見：5310，得出：TRPS。策略A合作A背叛策略A合作A背叛B合作A=3，B=3 A=5，B=0B合作R，RT，SB背叛A=0，B=5 A=1，B=1B背叛S，TP，P符號分數(shù)精選ppt囚徒困境博弈策略建模（3）建立數(shù)學模型 A=R，B

13、=R時，A=3，B=3； A=T，B=S時，A=5，B=0； A=S，B=T時，A=0，B=5； A=P，B=P時，A=1，B=1。精選ppt囚徒困境博弈策略建?！景咐可钪械摹扒敉嚼Ь场爆F(xiàn)象。 幼兒園小朋友互相分享玩具（給他玩，不給他玩）； 夫妻雙方對家庭的態(tài)度（忠誠，背叛）； 公共衛(wèi)生的維持（不扔垃圾，亂扔垃圾）； 老板與下屬的關系（信任，不信任）； 商場上的君子協(xié)定（不違約，違約）； 競爭對手的價格戰(zhàn)（不降價，降價）； 國家之間的對抗（和平，戰(zhàn)爭）等。 雖然括號內(nèi)的前者選擇是大家想要達到的目標，但自私的結果往往是大家要接受后者。精選ppt囚徒困境博弈策略建模石頭剪刀布游戲的博弈模型石頭

14、剪刀布游戲的博弈模型石頭剪刀布是一種相互制約的多元博弈游戲，它是最平衡的游戲。石頭剪刀布不具備數(shù)學上的傳遞性（ab，bc時，則ac）。石頭剪刀布游戲規(guī)則絕對平衡，簡單明了，沒有任何規(guī)則漏洞。游戲過程充滿了“心理博弈”，單次輸贏取決于運氣，多次比賽的話，贏家一定是個心理博弈的高手。對石頭剪刀布游戲建立數(shù)學模型。如表3-4所示。博弈矩陣乙石頭剪刀布甲石頭01-1剪刀-101布1-10精選ppt囚徒困境博弈策略建?！景咐刻锛少愸R的博弈。博弈矩陣齊王田忌勝者第1場上等馬下等馬齊王第2場中等馬上等馬田忌第3場下等馬中等馬田忌精選ppt人類行為理解中的計算思維 計算思維不僅能夠反映人類思維活動，還能夠通

15、過計算手段來研究人類的行為。精選ppt精選ppt精選ppt醫(yī)學中的計算思維計算思維1）多臟器衰竭2）心血管和腦血管同時梗塞3）復雜疑難癥的治療方案的總體設計計算思維（構造思維）的培養(yǎng)，將有助于臨床醫(yī)生提出“整體構架設計解決方案”的治療方案。精選ppt計算思維的特性計算思維的特性1概念化，不是程序化。抽象多層次思維計算機科學不是計算機編程。像計算機科學家計算機科學不是計算機編程。像計算機科學家那樣去思維意味著遠遠不止能為計算機編程。它要那樣去思維意味著遠遠不止能為計算機編程。它要求能夠在抽象的多個層次上思維。求能夠在抽象的多個層次上思維。精選ppt計算思維的特性2基礎的，不是機械的技能?，F(xiàn)代社會

16、每個人都必須掌握的技能基礎的技能基礎的技能是每一個人為了在現(xiàn)代社會中發(fā)揮職能所是每一個人為了在現(xiàn)代社會中發(fā)揮職能所必須掌握的。生搬硬套之機械的技能意味著機械的重復。必須掌握的。生搬硬套之機械的技能意味著機械的重復。精選ppt計算思維的特性3人的，不是計算機的思維。人類賦予計算機以激情創(chuàng)造性的使用計算機計算思維是人類求解問題的一條途徑，人類聰穎且富有計算思維是人類求解問題的一條途徑，人類聰穎且富有想象力，人類賦予計算機以激情。配置了計算設備，就能用想象力，人類賦予計算機以激情。配置了計算設備，就能用自己的智慧去解決那些計算時代之前不敢嘗試的問題。自己的智慧去解決那些計算時代之前不敢嘗試的問題。精選ppt計算思維的特性4數(shù)學和工程思維的互補與融合。計算機科學在本質(zhì)上源自數(shù)學思維，構建虛擬世界的自計算機科學在本質(zhì)上源自數(shù)學思維，構建虛擬世界的自由使我們能夠超越物理世界去打造各種系統(tǒng)。由使我們能夠超越物理世界去打造各種系統(tǒng)。精選ppt計算思維的特性5是思想，不是人造品。面向所有的人，所有地方不只是我們生產(chǎn)的軟件、硬件等不只是我們生產(chǎn)的軟件、硬件等人造品人造品將以物理形式將以物理形式到處呈現(xiàn)并時時刻刻觸及我們的生活，更重要的還有將我到處呈現(xiàn)并時時刻刻觸及我們的生活，更重要的還有將我們用以接近和求解問題、管理日常生活、與他人交流和互們用以接近和求解問題、管理日常生活、與他人交流和互動時動時計