计算机科学方法论及其计算方式的研究

摘要：计算机科学与技术的方法论和计算思维是不同内容的具体学科，但二者之间有着千丝万缕的联系以及影响。二者的研究内容和相互补充，并各自推进对方的发展。本文研究计算机科学技术方法论和计算思维之间的关系，介绍我国计算机科学技术方法论的发展情况，对于国外研究计算思维也作一定的介绍，旨在加深对两个学科的见解以便开展更

1 计算思维的含义阐述

计算思维在本文中是指周以真老师定义的一个概念，是一种以计算科学为理论基础解决问题以及进行设计等行为运用的思维，是一种涵盖面极广的思维。另一种更易懂的解释为，将一个复杂问题通过转化简约等方式重新定义，使人们找到解决方法的思维；可通过分解来设计繁杂的系统；是运用适合的方法对问题建模随后处理的思维；是一种启发式的求解过程，是用以解决问题的科学思维方法。

计算思维可以由人或机器完成，通过建立一定的模型利用具体的算法完成原本复杂的问题。计算思维的本质是抽象以及自动化，抽象是以符号为表达方式，超时空性的，具有不同于数学科学和物理的复杂性，如堆栈和算法，并不是如数学中那样简单的数据相加组合，而是一种复杂的运算过程。抽象在计算思维中还需要现实的参与完成，所以就必须预估可能出现的错误，并了解处理问题的方法。计算思维还包含一个重要的问题就是抽象层次，这是一种通过层次了解复杂的方法，各层次间有着具体的联系，在执行某复杂机械系统时，通过各层次的建模来保证机械自动的运行。

周教授提出的计算思维具体有六个特点：

（1）计算思维不只是有关计算机的思维，而是一个思维概念，范围广博。

（2）是一种在社会中发挥主观能动性所必须的根本性的灵活技能。

（3）不是机器的，而是人类的解决问题的思维。

（4）计算思维涵盖着工程思维、数学思维等科学思维的内容和方法。

（5）不是创造出的一个物品，而是一种思想，是人们可以利用解决问题，相互交流的思维方式。

（6）计算思维是解决问题的重要途径，应当被所有的学科运用。

周教授最初提出计算思维时，获得了美教育界的积极响应，不久便提出计算思维融入计算机专业相关课程的提议，并专门对计算思维做了总结性的报告。英国教育界也对计算思维有着积极地相应，不只是计算机专业，各学科都对计算思维做了研究和讨论。值得一提的是，计算思维也是NSF重要基金项目的促成者，有着重要的意义。

2 计算机科学与技术的方法论阐述

计算机科学技术的方法论是董荣胜和古天龙老师构建的方法论体系，主要研究对象是计算的性质特点及计算方法等。该方法论体系是以《计算作为一门学科》中计算学科的定义矩阵为理论基础的，这个定义矩阵具有高度的概括性，其本质也就是计算学科的本质。对于定义矩阵的要点把握，可以通过横向、纵向的具体内容来把握。横向的内容包括抽象和理论以及设计三方面的联系，是计算机方法论最关键的部分，是推动学科发展的力量。纵向的内容是分支学科中共通的反映计算学科的内容，是帮助人们认识计算学科以及利用方法论完成任务的重要助力。纵向各分支学科的关系主要有以下方面：

（1）各领域研究的内容部分一致。

（2）计算学科的具体内容在各分支中均有体现，各分支是计算总学科的体现。

通过计算机方法论学科的具体组成，除了语言的定义以外，还有形式化的定义。因此董教授和古教授又对增加了对方法论的定义又形成了“计算教育哲学”这门新的学科。此后董教授在教育领域不断推荐这种理论体系，并与古教授一起编写了相关的教材。二人合编的著作目前已在我国多所高校使用。不仅在国内，国外也有许多学者对计算机方法论有着浓厚的兴趣，不断有相关的会议召开讨论这一理论。

3 计算机科学与技术的方法论和计算思维之关系探讨

计算思维和计算机科学与技术的方法论在研究内容上，与数学科学有着相同的地方。国内主要研究方法论，国外则主要研究计算思维。但与数学学科相比，方法论在研究理论的体系构件上，已经有已有的成果，在研究时也可以借鉴国外的许多优秀理论。计算思维与方法论虽然有着不同的研究角度，但都是对计算学科本质内容的研究，一个从思维角度研究计算学科一个从方法论角度研究计算学科。计算思维透过学科的思维本质进行研究，并能对其他学科产生影响，不仅是一种计算的思维，也是一种普遍的，有助于任何人完成任务的灵活思维方式，应成为新实际的必备技能。针对计算思维与其他学科的结合，很多学科的教师会有着对计算思维的疑问，对此有关的研究总结了适用于计算思维研究的问题特点：

（1）问题的表述要清晰，对于此问题解决后能从中得到的好处，必须要清楚。

（2）解决某一问题的方案以及问题解决带来的进步要能够测试。

（3）所研究的问题能够分成不同的层次和步骤完成。这样有利于通过一小步的完成看到相关的进步。

计算机科学技术方法论是对学科构建的理论体系的相关研究，是研究一门学科理论进化过程的。在体系构建过程中，利用一般的方法论结合着计算学科的基本概念，由理论到实际的构建体系。在体系的框架完成之后，再填入具体的实质内容。关于理论体系中内容的填充，注意的方面主要有两点：一是学科有着深刻的理解，能划分其概念；二是分析了解计算学科发展的一般规律。计算机科学技术的方法论一般利用例证来解决学科的问题，为学习者未来的事业之路打下良好的基础。方法论的基本概念主要有抽象以及理论设计，这也是方法论教学中最容易教授的概念。科学与研究掌握计算机方法论则有利于在其指导下有条不紊地展开研究。

综上所述，计算思维和方法论虽然各有自己的研究对象与研究特色，但二者之间有着很强的关联性，二者相互补充相互提高，对于学生和研究者来说，培养计算思维，利用方法论，对于学习和研究都是非常有益的。

参考文献：

[1] Wing J M. Computational Thinking. Communications of the ACM， 2006， 49（3）.

[2]中国计算机科学与技术教程2002研究组.中国计算机科学与技术学科教程2002.北京：清华大学出版社，2002 [3]周以真.计算思维.中国计算机学会通讯，2007，3（11）.

[4]王飞跃.从计算思维到计算文化.中国计算机学会通讯.2007，3（11）.

[5]董荣胜.向学术界推荐一个认知计算学科的工具——计算机科学与技术方法论（大会报告）.上海：新世纪计算机教育及CC2001研讨会，2001.7.

作者简介：

李祥（1993—），男，汉族，河南郑州市人，郑州大学水利与环境学院，水利水电工程。