计算思维与大学计算机课程改革的基本思路(2)

　　（4）云计算环境。云计算环境通常由高性能计算结点（多CPU）和大容量磁盘存储结点所构成。为充分利用计算结点和存储结点，其能够按使用者需求动态配置形成所谓的“虚拟机”和“虚拟磁盘”，而每一个虚拟机和虚拟磁盘则像一台计算机一个磁盘一样来执行程序或存储数据。一个计算/存储结点可按照使用者需求动态的配置成多个虚拟机/虚拟磁盘等。它体现的是按需索取、按需提供、按需使用的一种服务化的思维。
　　通用计算环境的进化思维体现了不同抽象层面的计算系统的基本思维，其核心和本质是“抽象”与“自动化”特征，即：机器层面——协议（抽象）与编码器/解码器（自动化），解决机器与机器之间的交互问题；人—机层面——语言（抽象）与编译器（自动化），解决人与机器之间的交互问题；业务层面——模型（抽象）与执行引擎（自动化），解决业务系统与计算系统之间的交互问题。
　　3.“计算之树”的树枝——计算与（社会/自然）环境的融合思维
　　计算之树的树枝体现的是计算学科的各个分支研究方向，如智能计算、普适计算、个人计算、社会计算、企业计算、服务计算等；也体现了计算学科与其他学科相互融合产生的新的研究方向，如计算物理学、计算化学、计算语言学、计算经济学等。由树干到树枝，我们可将其划分为三个层次：（1）“计算机”层次。着重于计算机器（含系统软件等）的设计、建造、开发和应用研究。（2）“计算机科学”层次。着重于计算机和可计算系统的研究。（3）“计算科学”层次。着重于面向社会各个领域以及面向各个学科融合的计算手段的研究及其应用。
　　由计算机到计算科学体现了计算技术与社会/自然环境的融合，体现了由狭义的计算机的研究发展为更广泛的面向社会/自然问题的计算技术的研究，体现了计算学科是由计算机学科与其他学科相互融合所形成的具有更广泛研究对象的学科。
　　由树干到树枝，我们还可将其划分为另外三个层次：（1）“计算机网络”层次。着重在局域网、广域网的技术及其应用，强调机器之间互联互通。（2）“互联网”层次。着重在信息互联层次，互联网被看做是拥有无限广义资源的网络，强调信息之间的互联互通。（3）“未来互联网”或“智慧网络”层次。今天的网络技术发展已由单纯的计算机网络、信息网络，发展为感知与连接各个物理对象的“物联网”、连接不同数据/知识载体的知识与数据网、连接不同服务组织所提供不同类别服务的服务网络以及连接不同组织和人员的社会/社交网络等，未来互联网将社会/自然环境变成了一个大规模网络化的环境，像水网、电网一样，网络化改变着人们的工作与生活环境，也改变着人们的思维方式。
　　由树枝到树干，体现了社会/自然的计算化，即社会/自然现象的计算的表达与推演，着重强调利用计算手段来推演/发现社会/自然规律。而由树干到树枝，体现了计算/求解的自然化，着重强调用社会/自然所接受的形式或者说与社会/自然相一致的形式来展现计算及求解的过程与结果。
　　4.“计算之树”交替促进与共同进化的问题求解思维——算法与系统
　　利用计算手段进行面向社会/自然的问题求解思维，主要包含交替促进与共同进化的两个方面：算法和系统。
　　（1）算法。算法被誉为计算系统之灵魂，算法是一个有穷规则之集合，它用规则规定了解决某一特定类型问题的运算序列，或者规定了任务执行或问题求解的一系列步骤。问题求解的关键是设计算法，设计可实现的算法，设计可在有限时间与空间内执行的算法，设计尽可能快速的算法。
　　（2）系统。尽管系统的灵魂是算法，但仅有算法是不够的，系统是计算与社会/自然环境融合的统一体，它对社会/自然问题，提供了泛在的、透明的、优化的综合解决方案，系统是由相互联系、相互作用的若干元素构成且具有特定结构和功能的统一整体。设计和开发计算系统（如硬件系统、软件系统、网络系统、信息系统、应用系统等）是一项综合的复杂的工作。如何对系统的复杂性进行控制，化复杂为简单？如何使系统相关人员理解一致，采用各种模型（更多的是非数学模型，用数学化的思维建立起来的非数学的模型）来刻画和理解一个系统？如何优化系统的结构（尤其是整体优化），保证可靠性、安全性、实时性等系统的各种特性？这些都需要“系统”或系统科学思维。
　　算法和系统就好比是：系统是“龙”，而算法是“睛”，画龙要点睛。
　　二、计算思维对非计算机专业人才思维的影响：一个案例剖析
　　前面介绍了计算思维的知识空间。接下来我们要分析一下，哪些计算思维对非计算机专业人才会产生重要影响呢？或者说非计算机专业人才对计算思维的需求是怎样的呢？我们从一个成功案例来谈。
　　1.John Pople——因计算机应用于化学领域而获得诺贝尔化学奖
　　有很多非计算机专业人才基于计算思维取得成功的案例。本文仅举一个案例，就是1998年诺贝尔化学奖的获得者波普（John Pople），他获得诺贝尔奖是因为“作为把计算机应用于化学研究的主要科学家，其建立了可用于化学各个分支的一整套量子化学方法，把量子化学发展成一种工具，并已为一般化学家所使用，以便在计算机里模拟分子赋予它们异种特性的方法，研究分子间如何相互发生作用并如何随环境而改变，从而使化学迈向用实验和理论共同研究探索分子体系各种性质的新时代”。这个工具就是“Gaussian量子化学综合软件包”，它可实现如下方面的研究：分子能量和结构，键和反应能量，分子轨道，多重矩，原子电荷和电势，振动频率，红外和拉曼光谱，核磁性质，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径计算等。它已成为研究许多化学领域课题的重要工具，例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能、周期体系的能量预测，结构和分子轨道等。

     2.从Gaussian工具看到的计算思维的影响
　　从波普所开发的Gaussian软件包，我们可以看出计算思维对其是有很大影响的。例如：
　　（1）符号化、计算化、可视化思维的影响。如何将分子及其特性表达为计算机可以处理、可以显示的符号，将分子及其对象转化为“计算对象”。 (责任编辑：论文发表网)转贴于八度论文发表网: http://www.8dulw.com(论文网__代写代发论文_论文发表_毕业论文_免费论文范文网_论文格式_广东论文网_广州论文网)