前 言
思維本身讓人沉醉。
計(jì)算思維除了給計(jì)算機(jī)技術(shù)帶來(lái)變革，還讓人們?cè)谔剿魉倪^(guò)程中體驗(yàn)到和諧、對(duì)稱、完備、簡(jiǎn)潔等美學(xué)屬性。
科學(xué)的美不遜于藝術(shù)的美。
計(jì)算思維可分為廣義計(jì)算思維和狹義計(jì)算思維。
廣義計(jì)算思維，在吸收計(jì)算學(xué)科豐碩成果的基礎(chǔ)上，更側(cè)重于哲學(xué)的角度，從辨證法、認(rèn)識(shí)論、邏輯學(xué)的角度去理解，在更廣泛的領(lǐng)域去應(yīng)用，從而在體系、內(nèi)容和研究方法等方面更具實(shí)踐性、科學(xué)性和時(shí)代性。
狹義計(jì)算思維，則從計(jì)算學(xué)科的方法論出發(fā)，討論借助于計(jì)算機(jī)這一特定的工具如何求解客觀世界的實(shí)際問(wèn)題。這里面涉及到特定的思想、方法、理論與技術(shù)。
作為大學(xué)生的入門教材，如果過(guò)份追求廣義計(jì)算思維，將會(huì)變成一本有點(diǎn)空泛的關(guān)于哲學(xué)方法論的書籍；如果完全傾向狹義的計(jì)算思維，又將是一本計(jì)算學(xué)科方法論的書籍。因此，作者以為《計(jì)算思維導(dǎo)論》應(yīng)該以狹義計(jì)算思維為主，廣義計(jì)算思維為輔。這就是折衷的結(jié)果，畢竟學(xué)習(xí)《計(jì)算思維導(dǎo)論》的首要目的是利用計(jì)算及計(jì)算機(jī)技術(shù)更好地解決將來(lái)所面臨的各種實(shí)際問(wèn)題。
縱觀現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育，不斷遭人質(zhì)疑，特別是《計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)》、《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》等已陷入“狹義工具論”的境地——該課程除了介紹計(jì)算機(jī)技術(shù)的基本概念、基本知識(shí)外，剩下的差不多就是微軟公司的產(chǎn)品說(shuō)明書了，與一門大學(xué)課程有點(diǎn)不太相稱（筆者也主編過(guò)2本《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》教材，在此無(wú)意貶低他人）。
有言曰：起點(diǎn)決定終點(diǎn)，思路決定出路。因此《計(jì)算思維導(dǎo)論》旨在給學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)站在更高的起點(diǎn)，擁有更開闊的視野。
這樣一來(lái)，《計(jì)算思維導(dǎo)論》是不是很難理解、很難教、很難學(xué)呢？應(yīng)該不是！《計(jì)算思維導(dǎo)論》更多地是從思想、方法的角度出發(fā)展開問(wèn)題的討論，涉及到的理論與技術(shù)，盡量以淺顯易懂的方式講解。書中穿插了大量生活中的故事、案例或哲理，應(yīng)該是大學(xué)生能夠接受的。至少可以這么說(shuō)：《計(jì)算思維導(dǎo)論》在理論深度上比《高等數(shù)學(xué)》、《大學(xué)物理》等課程要淺顯得多。
正是由于《計(jì)算思維導(dǎo)論》的定位與《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》完全不一樣，別指望學(xué)習(xí)《計(jì)算思維導(dǎo)論》能夠起到立竿見影的實(shí)用效果。說(shuō)的更具體一點(diǎn)，學(xué)習(xí)《計(jì)算思維導(dǎo)論》后，別指望學(xué)生立即通過(guò)現(xiàn)今流行的計(jì)算機(jī)等級(jí)考試。這正所謂“授人以魚不如授人以漁”，“授人以魚”立即可以食用，但吃了上頓未必有下頓；而“授人以漁”雖然無(wú)法立即填飽肚子，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)早晚無(wú)憂。
盡管計(jì)算思維已成為近年來(lái)教育界研討的熱點(diǎn)，但仍處于討論、探索階段。在這里，不妨借前言來(lái)談?wù)劚緯挠^點(diǎn)。
第一，《計(jì)算思維導(dǎo)論》的定位或者要達(dá)到的目標(biāo)是什么？我們始終認(rèn)為，該課程應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的思想、方法、意識(shí)、興趣和能力，而不是灌輸一大堆概念與知識(shí)。這里提到的思想和方法，指的是求解實(shí)際問(wèn)題的思想和方法；至于意識(shí)和能力，我們認(rèn)為二者都重要。有了良好的意識(shí)和興趣，培養(yǎng)專業(yè)能力就不是什么大問(wèn)題了。
第二，算法是計(jì)算機(jī)的靈魂，當(dāng)然也是狹義計(jì)算思維的靈魂。在《計(jì)算思維導(dǎo)論》里面，算法的學(xué)習(xí)重在思想和方法，而不是表示和實(shí)現(xiàn)。至于算法的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)該是《程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言》、《程序設(shè)計(jì)方法》之類課程的任務(wù)。在沒(méi)有教授C語(yǔ)言等高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之前，在《計(jì)算思維導(dǎo)論》里面講算法，會(huì)不會(huì)有困難？其實(shí)這種擔(dān)心是多余的，因?yàn)椋阂皇窃凇队?jì)算思維導(dǎo)論》里面講算法，講的是解決問(wèn)題的思想和方法，而不是程序設(shè)計(jì)。二是算法比程序更加簡(jiǎn)潔，針對(duì)同一問(wèn)題時(shí)，算法比程序更容易閱讀。三是掌握了算法設(shè)計(jì)與描述后，再學(xué)習(xí)具體的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言更容易一些。
第三，“計(jì)算思維”教育及其推廣是毋庸懷疑的，那么推動(dòng)“計(jì)算思維”教育的最大障礙究竟是什么？我們最值得關(guān)注的是教師，而不是學(xué)生或相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)。教師的思想不統(tǒng)一、業(yè)務(wù)水平不提升，“計(jì)算思維”教育及其推廣是值得懷疑的。在大家充分肯定廣大從業(yè)教師對(duì)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)做出了巨大貢獻(xiàn)的前提下，必需看到存在的問(wèn)題，歸納起來(lái)有：一是從事計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的師資隊(duì)伍非常龐大和復(fù)雜，學(xué)什么專業(yè)的老師都有（沒(méi)聽說(shuō)過(guò)學(xué)什么專業(yè)的老師都可以給大學(xué)生講授《大學(xué)外語(yǔ)》，而講授《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》卻非常普遍），年齡跨度很大，職稱結(jié)構(gòu)、學(xué)歷結(jié)構(gòu)等不太合理，統(tǒng)一思想都非常困難，更不用說(shuō)別的了；二是學(xué)校之間也有較大的層次差異，師資隊(duì)伍的專業(yè)水平差異很大（在一些條件艱苦的學(xué)校，剛畢業(yè)不久的非計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科生都上講臺(tái)講授《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》了），師資培養(yǎng)的力度及其成長(zhǎng)環(huán)境各不相同；三是人類本身的惰性，從事了多年計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)后，教學(xué)內(nèi)容、教案、考試方式等都已經(jīng)比較成熟了，誰(shuí)又愿意改變呢？靠自覺(jué)行嗎？可以想像，推廣計(jì)算思維教育的難度將很大！跨出第一步將很困難！盡管如此，也要充滿信心，勇敢地去面對(duì)，相信不久的將來(lái)，大家都能接受計(jì)算思維的洗禮！
從內(nèi)容安排上來(lái)說(shuō)，本書由7章組成。
第一章主要介紹計(jì)算思維的基本概念，學(xué)習(xí)計(jì)算思維的目的和意義，國(guó)內(nèi)外研究計(jì)算思維的基本情況，側(cè)重于知識(shí)的“寬度”。
第二章主要討論狹義計(jì)算思維的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。在這里，首先介紹計(jì)算機(jī)為什么采用二進(jìn)制而不是十進(jìn)制？數(shù)據(jù)和符號(hào)在機(jī)器內(nèi)部是如何表示的，采用二進(jìn)制所付出的代價(jià)。然后介紹補(bǔ)碼運(yùn)算的神來(lái)之筆。面對(duì)圖靈機(jī)，恐怕很多人都難以理解它的計(jì)算能力怎么那么強(qiáng)，本書利用等價(jià)傳遞原理給予了很好的闡述。介紹馮諾依曼機(jī)時(shí)，重點(diǎn)應(yīng)該放在存儲(chǔ)程序的工作原理，以便很好地理解計(jì)算過(guò)程，同時(shí)指出馮諾依曼機(jī)的特點(diǎn)及其局限性，由此引出非傳統(tǒng)的計(jì)算方法和技術(shù)，如量子計(jì)算、分子計(jì)算、光計(jì)算、并行計(jì)算等。面對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之硬件與軟件、內(nèi)存與外存、串行與并行、RISC與CISC、存儲(chǔ)器分級(jí)及其多級(jí)存儲(chǔ)體系等問(wèn)題，從哲學(xué)方法論的角度給予了分析與討論，目的是掌握這些技術(shù)的思想，而非技術(shù)本身。本章最后通過(guò)幾個(gè)實(shí)例，介紹了可計(jì)算性問(wèn)題與計(jì)算復(fù)雜性問(wèn)題，讓大家明白不是什么問(wèn)題都是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)求解的。
第三章專門討論計(jì)算思維之邏輯基礎(chǔ)。主要介紹了布爾代數(shù)、命題邏輯、謂詞邏輯以及邏輯演算等，以實(shí)例化的形式闡述邏輯思維與計(jì)算思維的關(guān)系。本來(lái)這一章的內(nèi)容可以并入第二章，但邏輯思維對(duì)計(jì)算思維來(lái)說(shuō)太重要了，不強(qiáng)化邏輯思維的訓(xùn)練，恐怕對(duì)深入理解計(jì)算思維會(huì)帶來(lái)比較大的困難，因此，特別單列一章。
第四章重點(diǎn)介紹計(jì)算思維之方法學(xué)。本章首先分析問(wèn)題求解過(guò)程，給出人類解決客觀世界問(wèn)題的思維過(guò)程與借助于計(jì)算機(jī)的問(wèn)題求解過(guò)程有什么不同與差異，然后從狹義計(jì)算思維的問(wèn)題求解過(guò)程出發(fā)，分別討論數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、程序設(shè)計(jì)方法論（面向過(guò)程的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法學(xué)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法學(xué)）等。對(duì)計(jì)算機(jī)世界中較為重要的時(shí)空概念、抽象、局部化與信息隱藏、精確、近似與模糊、折衷與中庸之道以及問(wèn)題描述方法等較深入、較寬泛的分析與討論，這些概念對(duì)深入理解計(jì)算思維來(lái)說(shuō)非常重要。
第五章重點(diǎn)介紹計(jì)算思維之算法基礎(chǔ)。算法是程序的靈魂，是計(jì)算機(jī)的靈魂，也是計(jì)算思維的靈魂。本章首先介紹算法的基本概念、算法的性質(zhì)、算法的描述、算法的簡(jiǎn)單分析方法等，然后介紹算法設(shè)計(jì)的基本思想與方法，最后介紹幾個(gè)常用的經(jīng)典算法。本章的重點(diǎn)是介紹算法的思想，而不是算法的實(shí)現(xiàn)。有些算法有難度（打了*號(hào)），但其算法設(shè)計(jì)思想不難，甚至很有趣，如回溯法、蟻群算法、并行算法等。這些算法怎么設(shè)計(jì)不需要學(xué)生掌握，但領(lǐng)會(huì)其思想應(yīng)該也值得理解。這是培養(yǎng)學(xué)生求解問(wèn)題意識(shí)的重要途徑。
第六章專注于討論程序設(shè)計(jì)中的特定思維。只要借助于計(jì)算機(jī)求解現(xiàn)實(shí)世界的問(wèn)題，必需依據(jù)算法寫出程序，而程序設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及很多特定的思想和概念，屬于計(jì)算學(xué)科特定的思想內(nèi)涵，應(yīng)該好好理解和掌握。具體來(lái)說(shuō)，比如數(shù)據(jù)的類型與本質(zhì)（與已知認(rèn)知的區(qū)別）、變量的特定含義（與數(shù)學(xué)的區(qū)別）、有窮與無(wú)窮、程序的基本控制結(jié)構(gòu)、問(wèn)題求解的本質(zhì)過(guò)程、效率與可讀性、程序的構(gòu)造特性、上下文無(wú)關(guān)文法、二義性、嚴(yán)謹(jǐn)性（人工機(jī)器語(yǔ)言與自然語(yǔ)言的巨大差異）等等。深入理解這些內(nèi)容，對(duì)提高程序設(shè)計(jì)能力非常有意義。
第七章主要介紹計(jì)算思維在其他學(xué)科中的應(yīng)用。方程求近似根、定積分的近似計(jì)算、計(jì)算圓周率π、有限元分析與計(jì)算、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、蒙特•卡羅方法、巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)乃至《紅樓夢(mèng)》作者之爭(zhēng)等，這些領(lǐng)域在沒(méi)有計(jì)算機(jī)技術(shù)之前，依靠人類本身很難或基本不可能達(dá)到目的，而現(xiàn)在卻可以做的很好。這就很好地體現(xiàn)了計(jì)算乃至計(jì)算思維的現(xiàn)實(shí)意義。
另外，為了更好地與原有的大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)銜接，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡，特意在每一章的后面提供了一些閱讀材料，內(nèi)容包括計(jì)算技術(shù)的演化、微型機(jī)的硬件組成、計(jì)算機(jī)軟件及其軟件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言概述等，之外，還特別介紹了MATLAB以及Python語(yǔ)言。需要特別指出的是Python語(yǔ)言與本書所采用的算法描述語(yǔ)言（類C語(yǔ)言）非常相似。
傳統(tǒng)意義下，國(guó)內(nèi)的教材都在最求“嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)、完全、美”等目標(biāo)，欠缺的恰恰是對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)非常重要的“詼諧、有趣、直觀、明了”等可讀性好且吸引人的特點(diǎn)。從教學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，教材不一定非要寫得“很嚴(yán)肅”，來(lái)點(diǎn)“笑容”未嘗不可，甚至更好，畢竟不是學(xué)術(shù)專著。課前、課后學(xué)生要花很多時(shí)間閱讀教材的，如果把教材寫得很枯燥、無(wú)趣，難免拒學(xué)生于“千里之外”。該書內(nèi)容豐富，涉及面甚廣，但都力求以生活化、實(shí)例化和故事化的方式做到淺顯易懂（以至于同事甚至笑稱“口水話”太多了）。
課堂教學(xué)應(yīng)該在教材的基礎(chǔ)上做“二次開發(fā)”。如果僅僅是在理解教材的基礎(chǔ)上“照本宣科”，注定不會(huì)有什么好的教學(xué)效果。若能結(jié)合CAI軟件、實(shí)例演示、程序?qū)崿F(xiàn)與體驗(yàn)等，一些看起來(lái)深?yuàn)W的知識(shí)也就變得容易了。
作為“導(dǎo)論”教材，應(yīng)側(cè)重于“導(dǎo)”，而非“論”。教學(xué)時(shí)應(yīng)把握一個(gè)中心思想——計(jì)算思維是一種方法論，從方法論的層面上培養(yǎng)學(xué)生求解問(wèn)題的意識(shí)。這樣以來(lái)，該課程就會(huì)變得生動(dòng)、有趣，學(xué)生也就容易接受了。至于具體的理論與技術(shù)并不是不重要，而是當(dāng)讀者有興趣的時(shí)候，自然會(huì)去學(xué)習(xí)與鉆研。多年的教學(xué)實(shí)踐表明，興趣是第一位的，很多知識(shí)也都是靠自學(xué)獲得的！本書之所以取名為《計(jì)算思維導(dǎo)論》，就希望教材和教師多在“導(dǎo)”字上下功夫！有人說(shuō)，計(jì)算思維在心智上的幫助比它的實(shí)際應(yīng)用更有價(jià)值。
周以真教授對(duì)計(jì)算思維是什么、不是什么做了明確的闡述，如下表所示。本書作者認(rèn)為，周教授的闡述為《計(jì)算思維導(dǎo)論》的教學(xué)指明了方向。作為一個(gè)講授計(jì)算思維的教師應(yīng)該認(rèn)真體會(huì)和理解其含義。計(jì)算思維的教學(xué)可以是令人生厭的，也可以是最引人入勝的。與其他課程傳授知識(shí)為主不同，如何讓學(xué)生對(duì)計(jì)算思維發(fā)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生象計(jì)算機(jī)專家一樣思考最為重要。
計(jì)算思維是什么 計(jì)算思維不是什么
1 是概念化 不是程序化
2 是根本的 不是刻板的技能
3 是人的思維 不是計(jì)算機(jī)的思維
4 是思想 不是人造物
5 是數(shù)學(xué)與工程思維的互補(bǔ)與融合 不是空穴來(lái)風(fēng)
6 面向所有的人、所有的領(lǐng)域 不局限于計(jì)算學(xué)科
至于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，作者認(rèn)為應(yīng)該參照《大學(xué)物理》的做法，單獨(dú)設(shè)置一門《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)》，教學(xué)內(nèi)容與目前《大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容大致相同，確保學(xué)生掌握一些基本技能就可以了。
計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育的改革牽涉面非常廣，影響著一代又一代的大學(xué)生，也涉及到一大批從業(yè)的高校教師，每前進(jìn)一步所產(chǎn)生的影響都非同尋常。由于影響面如此廣泛，使得每一步教學(xué)改革都必須做認(rèn)真、細(xì)致、深入地調(diào)查研究和理性分析。面對(duì)計(jì)算思維，“仁則見仁，智者見智”，針對(duì)本書，還望站在鼓勵(lì)的角度，多提寶貴意見和建議，共同為計(jì)算機(jī)教育教學(xué)改革貢獻(xiàn)大家的智慧和力量。
本書由廣西科技大學(xué)（原廣西工學(xué)院）計(jì)算機(jī)學(xué)院幾個(gè)一線教師共同完成。全書分7章，其中第1章由徐奕奕同志負(fù)責(zé)撰寫，第3章主要由王日鳳同志負(fù)責(zé)撰寫，第2章、第4章、第5章、第6章由唐培和同志負(fù)責(zé)撰寫，第7章的第1節(jié)、第2節(jié)由陳集炎同志負(fù)責(zé)撰寫，第4節(jié)由李威龍同志負(fù)責(zé)撰寫，其余3節(jié)由唐培和同志負(fù)責(zé)撰寫。除Python語(yǔ)言由朱亞超老師負(fù)責(zé)整理外，其他章節(jié)的閱讀材料由唐培和同志負(fù)責(zé)整理。全書由唐培和同志負(fù)責(zé)統(tǒng)籌、安排、協(xié)調(diào)、統(tǒng)稿、審核等。另外，徐奕奕同志為每章填詞一首（卜算子）。
本書的出版得到了廣西教育廳特色專業(yè)及課程一體化項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)費(fèi)、學(xué)校“卓越計(jì)劃”試點(diǎn)建設(shè)經(jīng)費(fèi)以及學(xué)校專業(yè)認(rèn)證試點(diǎn)建設(shè)經(jīng)費(fèi)的資助，學(xué)校主管教學(xué)的副校長(zhǎng)李創(chuàng)第教授對(duì)本書的出版給予了大力支持，計(jì)算機(jī)學(xué)院的很多教職工都為之做了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。在這里，特別感謝廣西師范大學(xué)出版社的方奕華、施東毅、張貽松、張珍珍等同志，作者與他們?cè)谔貏e短的時(shí)間里就取得了共識(shí)，也在特別短的時(shí)間里（1個(gè)多月）就讓本書呈現(xiàn)在讀者面前。另外，撰寫本書時(shí)，參考了大量的文獻(xiàn)（特別是周以真對(duì)計(jì)算思維的闡述以及國(guó)內(nèi)若干會(huì)議的報(bào)告），有些在參考文獻(xiàn)中提及了，有些沒(méi)有提及（多為網(wǎng)絡(luò)資料），在此一并感謝。
教學(xué)改革不是一朝一夕的事情，需要付出艱辛的努力，且不能“立竿見影”地看到效果。成功了好說(shuō)，失敗了誤人子弟、“罪莫大焉”！本書是大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)的改革與探索，期待著能引渠開河，拋磚引玉。由于作者水平有限，加上時(shí)間非常倉(cāng)促，疏漏甚至錯(cuò)誤之處在所難免，不當(dāng)之處，敬請(qǐng)同行們批評(píng)指正。
唐培和 徐奕奕
2012年10月8日
于柳州
