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解决当代复杂问题的利器

摘要：由于受记忆、分析及快速计算能力等的限制，很多难题利用人脑无法解决，而利用当今先进高效的计算机及信息技术方式能够得到快速解决，这就要求我们学会用“计算思维”的方式去思考，即把当前计算机强大、快速的计算及信息处理能力作为人脑能力的延伸，形成基于“计算思维”的解决方案。计算思维是一种基于计算科学能力和求解方法的思维模式，它的形成与应用对于思考如何解决复杂问题具有重要的意义。作者认为，要建立和养成科学的计算思维模式，需要建立抽象化与自动化的解决问题思路。当下，随着计算机及信息技术的发展，特别是网络及大数据的发展，还需建立类比及互联网跨界思维，建立大数据思维，不断拓展计算思维的深度与广度，这将有利于我们解决和应对各种复杂问题。

中图分类号：G434?文献标识码：A?论文编号：1674-2117（2020）09-0098-04

随着时代的进步，特别是计算机及信息技术的高速发展，计算机及信息技术正深刻地改变着我们当下的这个世界，由于计算机强大、快速的计算能力及信息处理能力，很多人脑无法解决的难题，如吴军博士在数学之美中讲到的当代密码学、大数据处理等[1]，往往需要利用计算机及信息技术方式来解决。这就要求我们在遇到问题时，能突破常规仅依靠人脑解决问题的思维模式，学会用“计算思维”的方式去思考[2，3]，即把当前计算机强大、快速的计算及信息处理能力作为人脑能力的延伸，一并纳入到复杂问题的解决思路中去，充分结合人脑创新能力及计算机准确快速的计算分析处理能力的优势，形成科学的解决方案。要养成计算思维，首先要弄清人脑与计算机各自的优势与不足，要了解当代计算思维的核心要素和当下几种重要的计算思维模式，逐步在大脑中建立这种思维计算模式，并随着计算机及信息技术的发展逐步升级计算思维模式，这将有利于我们解决和应对各种复杂问题。

大脑与计算机的优势与不足

相对于人的大脑，计算机的最大优势在于计算速度快、计算准确性高、存储准确且容量大。在数值运算方面，人类大脑的神经元激活最高频率是每秒1000次，神经元主要在叫做突触的轴突末梢特殊结构上释放化学神经物质，将信息传输至伴侣神经元，最快的传递大约需要1毫秒时间，因此，大脑每秒最多能执行大约1000次基本运算，而目前计算机最快可达每秒几十亿亿次计算[4]，也就是大脑比计算机运输速度慢上亿倍，且计算机还可以不用休息，24小时为人类服务。在计算准确性方面，计算机也大大优于人脑，人脑会容易犯一些错误，而计算机基于硬件可靠的电路设计，出错率极低，不但计算精度可采用增加有效位数的办法提高，而且还可以利用其强大的计算能力，采用冗余等方式进一步改善计算机由于局部硬件故障或信息传输中出错的概率。在存储记忆方面，受生物记忆本身的限制，有的细胞多次受到刺激（干扰），先前存储的生物电信号及化学信号就有可能丢失，过了一段时间就无法再次被调用，特别是一些机械的、无法引起人们兴趣的海量过程信息，而当前计算机存储信息准确丰富，可反复快速调用。

相比计算机，人脑的优势在于创造能力及真正的逻辑思考能力。计算机只能基于人脑设定的流程去做计算与分析，人脑最强大的地方就在于通过思考学习以及强大的创造能力，人类可以创造出新的理论，可以制造出计算机，研究出人工智能，研究出解决问题的办法，但计算机没有创造能力，不可能创造出新的理论，对于完全未知的问题，基于创造及逻辑思考能力，人脑能够不断找到解决问题的思路，而计算机则没有任何办法。

因此，计算思维就是在发挥人脑创造能力及逻辑思考能力的过程中，充分利用计算机计算速度快、计算准确性高、存儲准确且容量大的优势，形成科学高效解决方案的过程。

计算思维的本质

计算思维在学术界有不同的讨论[5，6]，当前“计算思维”的主流定义，是由美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真教授提出的。[7]周教授认为，计算思维是运用计算机科学的基本概念去解决问题、设计系统和理解人类行为等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。Google计算机思维课程进一步将计算思维的基本要素整理为更易理解的方式，即分解、模式识别、抽象和算法开发。分解，就是把数据、过程或问题分解成更小的、易于管理或解决的部分;模式识别，就是观察数据的模式、趋势和规律;抽象，就是识别模式形成背后的一般原理;算法开发，就是为解决某一类问题撰写的一系列详细的指令。

计算思维随着计算机技术的发展而逐步形成和发展的[1，8]，当前计算机及信息技术的发展日新月异，可以预见，计算思维也必将随着计算机技术、互联网技术的发展而不断发展。随着网络技术和大数据的发展，计算思维也应在这两个主要领域不断深化发展，以后随着人工智能、物联网、云计算的发展，相关技术也必将促进计算思维的持续拓展与深化。

抽象化与自动化思维

为了充分利用计算机技术解决实际问题，在思考解决问题的