什么是计算思维(什么是计算思维的本质)

今天我想谈谈一个具有广泛意义的问题:什么是计算?要回答这个问题,我们先从一个简单的数学题开始:17+25=?面对这样的问题,我们是如何来处理的呢?我们只需要在大脑中按照加法的运算法则,个位与个位相加,十位与十位相加,进位,等等,得出结果

今天我想谈谈一个具有广泛意义的问题:什么是计算?

要回答这个问题,我们先从一个简单的数学题开始:17 + 25 = ?

面对这样的问题,我们是如何来处理的呢?

我们只需要在大脑中按照加法的运算法则,个位与个位相加,十位与十位相加,进位,等等,得出结果。

这个过程看起来,简单且顺其自然。

我们把像上面做整数加法那样的,大脑思考的过程,称为计算。

现在,如果问题变得复杂,例如,做四位数的加法,8196 + 256,我们如何做呢?

则我们可能会使用到工具,纸、笔,等等。在纸上列出竖式,根据加法的运算法则,各位相加、进位,等等,得出结果。很明显,这是一个计算的过程,因为大脑在思考(按照上面计算的定义)。在这个过程中,参与计算的不只是大脑,还有纸、笔、手等。因此,我们对计算的定义,做一个扩展:

通过大脑的思考、指挥,借助特定工具,解决问题的过程,称为计算。

计算的对象,可以是数字,也可以是一些更复杂的问题,例如:

1.给一个城市修路,如何做到既可以到达每一个小区,又使成本最低(路的总长度最短);

2.画一个人物素描;

3.我的电脑坏了,怎样把它修好;

4.家里的家具、物品如何摆放,才能既整洁、又合理利用空间;

5. 给今年做一个规划;

6.妈妈不高兴,我怎样才能让她高兴起来;

7.中国男足什么时候能够打进世界杯。

可以发现,计算的对象可以是任意的。要实现这些计算,我们不仅需要大脑,还需要借助其他工具。

从上面的例子,我们发现,在计算的过程中,大脑起到了关键作用,因为在每一个问题中,大脑都在指挥整个计算过程。

现在我们来思考另一个问题:

如果,在某些场合,用机器来代替大脑,指挥“计算”过程,这种“计算”过程,还是计算吗?

例如,用计算器做加法是计算吗?是的,在这里计算器代替了大脑。

用计算机处理图片是计算吗?是的,计算机代替了大脑、手,等等。

用冰箱冷藏食品是计算吗?是的,冰箱里有控制温度的芯片,代替了大脑。

飞机运输旅客是计算吗?是的,驾驶员和飞机的控制系统代替了大脑。

挖掘机施工是计算吗?是的,驾驶员和挖掘机控制系统代替了大脑。

因此,我们要对计算进行进一步扩展:

在一个控制系统的指挥下,借助特定辅助工具,对事物进行一定的操作的过程,称为计算。

因此,我们可以对生活中的计算过程进行一个抽象(更形式化的表述)。

例如,做算术运算,可以抽象为,在大脑、计算器、计算机等控制系统的指挥下,对数字进行操作。

计算处理图片可以抽象为,在计算机软件的控制下,对图片进行操作。

冰箱冷藏食品,可以看成,在冰箱芯片的控制下,对食品进行操作。

飞机运输旅客,可以看成,在驾驶员和飞机控制系统的控制下,对旅客进行操作。

挖掘机施工,可以看成,在驾驶员和挖掘机控制系统的控制下,对土地进行操作。

等等。

因此,我们可以建立一个计算的模型。

它主要包括三个部分:控制器、辅助工具、计算对象。

当我们做某件事情的时候,存在是否能够成功的问题。例如,上面的例1,通常是可以做到的,因为,现在具有成熟的理论(图论)来处理这个问题。例3,通常也是可以做到的,因为即使我修不好,也可以找一个专业人员来修理。然而有些问题,却并不一定能够做到,例如例7,我们永远也不知道是否可以走做到。

我们把能否得到预期结果,称为可计算性,研究计算问题的理论,称为计算理论。

在我们的生活中,机器越来越多的替代了人力来完成计算。你能举出哪些例子?

思考:我们最近常听的“云计算”是计算吗?

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