淺談?dòng)?jì)算機(jī)與計(jì)算思維

門(mén)澤霖 黃子坤

摘 要：作為大學(xué)生，在我看來(lái)，計(jì)算機(jī)無(wú)處不在且時(shí)刻被需要著，而計(jì)算思維又時(shí)時(shí)刻刻地被我們無(wú)意識(shí)地運(yùn)用著。那么和我們緊密相連的計(jì)算機(jī)到底是什么呢？它是如何出現(xiàn)在世界上的？它能做什么又不能做什么？而看似抽象的計(jì)算思維是否只是“計(jì)算”數(shù)據(jù)那么簡(jiǎn)單呢？它到底是一個(gè)怎樣的思維？又有著什么用處呢？……一切的一切我將在下面展開(kāi)自己的淺談。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)思維；體系結(jié)構(gòu)；程序

半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)龐大的家族，盡管計(jì)算機(jī)各式各樣，但是它們的基本組成結(jié)構(gòu)和工作原理確實(shí)相同的。這里，我們就不得不提兩位被譽(yù)為計(jì)算機(jī)之父的計(jì)算機(jī)雛形理論奠基人：圖靈和馮·諾依曼。

在電子計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)未問(wèn)世之前，英國(guó)數(shù)學(xué)家圖靈就先知先覺(jué)，已經(jīng)想到所謂“可計(jì)算機(jī)”的問(wèn)題，他用超過(guò)了一般數(shù)學(xué)家的思維范疇，完全拋開(kāi)數(shù)學(xué)上定義新概念的傳統(tǒng)方式，獨(dú)辟蹊徑，構(gòu)造出一臺(tái)完全屬于想象中的“計(jì)算機(jī)”，數(shù)學(xué)家們把它稱(chēng)為“圖靈機(jī)”。圖靈機(jī)的模型給計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)靈感，被公認(rèn)為是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的理論原型，也可以說(shuō)，圖靈啟發(fā)與影響了他之后的整個(gè)計(jì)算機(jī)發(fā)展史。而后，美籍匈牙利科學(xué)家馮·諾依曼提出了“存儲(chǔ)程序”的概念和“二進(jìn)制”的原理，并由此設(shè)計(jì)出了“馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)”計(jì)算機(jī)。它必須有一個(gè)存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器、輸入和輸出設(shè)備，它的工作原理是：計(jì)算機(jī)能夠自動(dòng)完成運(yùn)算或處理信息的基礎(chǔ)，是先將解決問(wèn)題的具體處理步驟（算法）以程序代碼的方式存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，然后計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀取程序代碼，并嚴(yán)格依照程序指令的控制逐步進(jìn)行整個(gè)工作過(guò)程，可概括為：存儲(chǔ)程序、程序控制。一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。作為計(jì)算機(jī)的“靈魂”，計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)控制、管理和指揮計(jì)算機(jī)工作和解決各類(lèi)應(yīng)用問(wèn)題的所有程序與數(shù)據(jù)的總和。而現(xiàn)在我們所使用的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一直遵循著馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)。（如下圖為：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）

大致了解了計(jì)算機(jī)的形成過(guò)程，那么所謂的計(jì)算機(jī)到底是什么呢？大多人以為計(jì)算機(jī)就等同于電腦，在我上這個(gè)計(jì)算機(jī)導(dǎo)論課之前其實(shí)也這么以為，但是現(xiàn)在在我看來(lái)，生活中使用的電腦只是計(jì)算機(jī)大家族中的一個(gè)成員。在查閱各種資料，依照“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)架、計(jì)算機(jī)的工作原理、計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)以及計(jì)算機(jī)的信息處理功能”這幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)后我們大概可以這么定義：計(jì)算機(jī)是由高科技電子元器件、線路和機(jī)械裝置等部件或設(shè)備構(gòu)成的，在計(jì)算機(jī)軟件（程序）的控制下，依照存儲(chǔ)程序和程序控制的工作原理，能夠告訴、有效地完成人們制定的對(duì)信息進(jìn)行各種操作的自動(dòng)化綜合系統(tǒng)。

那么它能做些什么呢？玩游戲？聽(tīng)歌看電影？……上述的都是我們生活中對(duì)電腦某些娛樂(lè)性功能的片面理解，當(dāng)然了，這些也是計(jì)算機(jī)的用途，但我要說(shuō)的是它能自動(dòng)完成人無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完成的工作、自動(dòng)完成可靠、精準(zhǔn)的科學(xué)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、自動(dòng)記憶和檢索人腦無(wú)法承載的海量信息并長(zhǎng)久存儲(chǔ)……似乎所有目光都提留在“自動(dòng)”二字，它之所以如此“自覺(jué)、強(qiáng)大”，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是因?yàn)樗哂校嚎臁?zhǔn)、海量存儲(chǔ)、邏輯判斷能力、自動(dòng)信息處理能力、網(wǎng)絡(luò)通信能力、穩(wěn)定、可靠和通用等功能特點(diǎn)。計(jì)算機(jī)看似已經(jīng)“完美”，但是其作為人類(lèi)制造出的機(jī)器，也有著它的弱點(diǎn)。比如面對(duì)無(wú)法表示為有限的和確定的需要計(jì)算的數(shù)據(jù)、大小和精度無(wú)法表示在固定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)……計(jì)算機(jī)會(huì)無(wú)能為力。簡(jiǎn)言之，計(jì)算機(jī)不能解決那些不可計(jì)算性的問(wèn)題。

歷經(jīng)四代計(jì)算機(jī)的發(fā)展，當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)是由大到巨、由小到微、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，但是迄今還沒(méi)出現(xiàn)第五代計(jì)算機(jī)，我對(duì)此也是拭目以待，生活、工作、整個(gè)社會(huì)都將由此改變。談了對(duì)于計(jì)算機(jī)的淺顯理解，現(xiàn)在談?wù)勈裁词怯?jì)算思維吧。

結(jié)合課本，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(lèi)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)，它是算法思維、協(xié)議思維、計(jì)算邏輯思維、計(jì)算系統(tǒng)思維、三元計(jì)算思維（人、機(jī)、物）的結(jié)合。不僅僅屬于計(jì)算機(jī)科學(xué)家，我們每個(gè)人都應(yīng)該具備這種基本技能。那么為什么呢？它有什么必要性或者說(shuō)好處呢？首先，我們?cè)谏钪袝?huì)遇到各種難題，有的不是靠我們自己簡(jiǎn)單的判斷、思考就能解決的，而計(jì)算思維運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)可以準(zhǔn)確回答難題中的一些特定問(wèn)題，比如“有多難？怎樣才是最佳的解決辦法？等等”。計(jì)算思維可以化繁為簡(jiǎn)、化難為易；它是一種遞歸和并行處理；計(jì)算思維采用了抽象和分解；計(jì)算思維是恢復(fù)的一種思維；計(jì)算思維利用啟發(fā)式推理。

那么接下來(lái)就是課堂和課本希望在思考的問(wèn)題了：如何培養(yǎng)和訓(xùn)練計(jì)算思維？我們可以結(jié)合生活實(shí)例，淺顯地表達(dá)。比如：在超市結(jié)賬時(shí)，你選擇去排哪個(gè)隊(duì)伍？早晨去上課時(shí)，你會(huì)把那些東西放入書(shū)包？……這些問(wèn)題都可以利用計(jì)算思維來(lái)解決。很簡(jiǎn)單，我會(huì)選擇排短的隊(duì)伍，這就是多服務(wù)器系統(tǒng)的性能模型；會(huì)把平時(shí)要用的物品（手機(jī)、校園卡、鑰匙、充電寶……）以及當(dāng)天要用到的課本放到書(shū)包里，這就是預(yù)置和緩存。所以說(shuō)，其實(shí)計(jì)算思維并不是高高在上，而是和我們緊密相連。我們可以通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)逐漸養(yǎng)成計(jì)算思維：①首先是相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，應(yīng)該對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)有一個(gè)整體的認(rèn)知，去理解計(jì)算機(jī)科學(xué)的概念、思想和基本方法，在對(duì)專(zhuān)業(yè)內(nèi)涵和方法論有所了解后再進(jìn)一步明確學(xué)習(xí)的目標(biāo)；②要意識(shí)到計(jì)算思維不僅僅是程序化的，而是在抽象的多個(gè)層次上進(jìn)行思維，這就要求我們利用自己的想象力和創(chuàng)造力去分析和解決問(wèn)題，注意培養(yǎng)自己嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某橄笏季S能力；③加強(qiáng)學(xué)習(xí)實(shí)踐，在此過(guò)程中激發(fā)我們對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的好奇心，以及培養(yǎng)懷疑精神和求異思維。

總而言之，計(jì)算機(jī)和計(jì)算思維之間相互支撐又相互制約，我們應(yīng)該通過(guò)本課程學(xué)習(xí)到關(guān)于計(jì)算機(jī)和計(jì)算思維的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并進(jìn)一步理解其內(nèi)涵，探索計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，關(guān)注計(jì)算機(jī)的發(fā)展甚至為其做工下，進(jìn)而為生活和社會(huì)發(fā)展做貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭艷華，馬海燕.計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)思維導(dǎo)論

（作者單位：中國(guó)計(jì)量大學(xué)現(xiàn)代科技學(xué)院）