前 言
思維本身讓人沉醉。
計算思維除了給計算機技術(shù)帶來(lái)變革，還讓人們在探索它的過(guò)程中體驗到和諧、對稱(chēng)、完備、簡(jiǎn)潔等美學(xué)屬性。
科學(xué)的美不遜于藝術(shù)的美。
計算思維可分為廣義計算思維和狹義計算思維。
廣義計算思維，在吸收計算學(xué)科豐碩成果的基礎上，更側重于哲學(xué)的角度，從辨證法、認識論、邏輯學(xué)的角度去理解，在更廣泛的領(lǐng)域去應用，從而在體系、內容和研究方法等方面更具實(shí)踐性、科學(xué)性和時(shí)代性。
狹義計算思維，則從計算學(xué)科的方法論出發(fā)，討論借助于計算機這一特定的工具如何求解客觀(guān)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(mén)教材，如果過(guò)份追求廣義計算思維，將會(huì )變成一本有點(diǎn)空泛的關(guān)于哲學(xué)方法論的書(shū)籍；如果完全傾向狹義的計算思維，又將是一本計算學(xué)科方法論的書(shū)籍。因此，作者以為《計算思維導論》應該以狹義計算思維為主，廣義計算思維為輔。這就是折衷的結果，畢竟學(xué)習《計算思維導論》的首要目的是利用計算及計算機技術(shù)更好地解決將來(lái)所面臨的各種實(shí)際問(wèn)題。
縱觀(guān)現在的計算機基礎教育，不斷遭人質(zhì)疑，特別是《計算機文化基礎》、《大學(xué)計算機基礎》等已陷入“狹義工具論”的境地——該課程除了介紹計算機技術(shù)的基本概念、基本知識外，剩下的差不多就是微軟公司的產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)了，與一門(mén)大學(xué)課程有點(diǎn)不太相稱(chēng)（筆者也主編過(guò)2本《大學(xué)計算機基礎》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《計算思維導論》旨在給學(xué)生學(xué)習計算機基礎知識時(shí)站在更高的起點(diǎn)，擁有更開(kāi)闊的視野。
這樣一來(lái)，《計算思維導論》是不是很難理解、很難教、很難學(xué)呢？應該不是！《計算思維導論》更多地是從思想、方法的角度出發(fā)展開(kāi)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(shū)中穿插了大量生活中的故事、案例或哲理，應該是大學(xué)生能夠接受的。至少可以這么說(shuō)：《計算思維導論》在理論深度上比《高等數學(xué)》、《大學(xué)物理》等課程要淺顯得多。
正是由于《計算思維導論》的定位與《大學(xué)計算機基礎》完全不一樣，別指望學(xué)習《計算思維導論》能夠起到立竿見(jiàn)影的實(shí)用效果。說(shuō)的更具體一點(diǎn)，學(xué)習《計算思維導論》后，別指望學(xué)生立即通過(guò)現今流行的計算機等級考試。這正所謂“授人以魚(yú)不如授人以漁”，“授人以魚(yú)”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(cháng)遠來(lái)說(shuō)早晚無(wú)憂(yōu)。
盡管計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?shū)的觀(guān)點(diǎn)。
第一，《計算思維導論》的定位或者要達到的目標是什么？我們始終認為，該課程應該注重培養學(xué)生的思想、方法、意識、興趣和能力，而不是灌輸一大堆概念與知識。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；至于意識和能力，我們認為二者都重要。有了良好的意識和興趣，培養專(zhuān)業(yè)能力就不是什么大問(wèn)題了。
第二，算法是計算機的靈魂，當然也是狹義計算思維的靈魂。在《計算思維導論》里面，算法的學(xué)習重在思想和方法，而不是表示和實(shí)現。至于算法的實(shí)現，應該是《程序設計語(yǔ)言》、《程序設計方法》之類(lèi)課程的任務(wù)。在沒(méi)有教授C語(yǔ)言等高級程序設計語(yǔ)言之前，在《計算思維導論》里面講算法，會(huì )不會(huì )有困難？其實(shí)這種擔心是多余的，因為：一是在《計算思維導論》里面講算法，講的是解決問(wèn)題的思想和方法，而不是程序設計。二是算法比程序更加簡(jiǎn)潔，針對同一問(wèn)題時(shí)，算法比程序更容易閱讀。三是掌握了算法設計與描述后，再學(xué)習具體的高級程序設計語(yǔ)言更容易一些。
第三，“計算思維”教育及其推廣是毋庸懷疑的，那么推動(dòng)“計算思維”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。教師的思想不統一、業(yè)務(wù)水平不提升，“計算思維”教育及其推廣是值得懷疑的。在大家充分肯定廣大從業(yè)教師對大學(xué)計算機基礎教學(xué)做出了巨大貢獻的前提下，必需看到存在的問(wèn)題，歸納起來(lái)有：一是從事計算機基礎教學(xué)的師資隊伍非常龐大和復雜，學(xué)什么專(zhuān)業(yè)的老師都有（沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)學(xué)什么專(zhuān)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)計算機基礎》卻非常普遍），年齡跨度很大，職稱(chēng)結構、學(xué)歷結構等不太合理，統一思想都非常困難，更不用說(shuō)別的了；二是學(xué)校之間也有較大的層次差異，師資隊伍的專(zhuān)業(yè)水平差異很大（在一些條件艱苦的學(xué)校，剛畢業(yè)不久的非計算機專(zhuān)業(yè)的本科生都上講臺講授《大學(xué)計算機基礎》了），師資培養的力度及其成長(cháng)環(huán)境各不相同；三是人類(lèi)本身的惰性，從事了多年計算機基礎教學(xué)后，教學(xué)內容、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(mǎn)信心，勇敢地去面對，相信不久的將來(lái)，大家都能接受計算思維的洗禮！
從內容安排上來(lái)說(shuō)，本書(shū)由7章組成。
第一章主要介紹計算思維的基本概念，學(xué)習計算思維的目的和意義，國內外研究計算思維的基本情況，側重于知識的“寬度”。
第二章主要討論狹義計算思維的理論與技術(shù)基礎。在這里，首先介紹計算機為什么采用二進(jìn)制而不是十進(jìn)制？數據和符號在機器內部是如何表示的，采用二進(jìn)制所付出的代價(jià)。然后介紹補碼運算的神來(lái)之筆。面對圖靈機，恐怕很多人都難以理解它的計算能力怎么那么強，本書(shū)利用等價(jià)傳遞原理給予了很好的闡述。介紹馮諾依曼機時(shí)，重點(diǎn)應該放在存儲程序的工作原理，以便很好地理解計算過(guò)程，同時(shí)指出馮諾依曼機的特點(diǎn)及其局限性，由此引出非傳統的計算方法和技術(shù)，如量子計算、分子計算、光計算、并行計算等。面對計算機系統之硬件與軟件、內存與外存、串行與并行、RISC與CISC、存儲器分級及其多級存儲體系等問(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，介紹了可計算性問(wèn)題與計算復雜性問(wèn)題，讓大家明白不是什么問(wèn)題都是可以通過(guò)計算機求解的。
第三章專(zhuān)門(mén)討論計算思維之邏輯基礎。主要介紹了布爾代數、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算思維的關(guān)系。本來(lái)這一章的內容可以并入第二章，但邏輯思維對計算思維來(lái)說(shuō)太重要了，不強化邏輯思維的訓練，恐怕對深入理解計算思維會(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(lèi)解決客觀(guān)世界問(wèn)題的思維過(guò)程與借助于計算機的問(wèn)題求解過(guò)程有什么不同與差異，然后從狹義計算思維的問(wèn)題求解過(guò)程出發(fā)，分別討論數學(xué)模型、數據存儲結構、程序設計方法論（面向過(guò)程的結構化設計方法學(xué)、面向對象程序設計方法學(xué)）等。對計算機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，這些概念對深入理解計算思維來(lái)說(shuō)非常重要。
第五章重點(diǎn)介紹計算思維之算法基礎。算法是程序的靈魂，是計算機的靈魂，也是計算思維的靈魂。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，然后介紹算法設計的基本思想與方法，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。有些算法有難度（打了*號），但其算法設計思想不難，甚至很有趣，如回溯法、蟻群算法、并行算法等。這些算法怎么設計不需要學(xué)生掌握，但領(lǐng)會(huì )其思想應該也值得理解。這是培養學(xué)生求解問(wèn)題意識的重要途徑。
第六章專(zhuān)注于討論程序設計中的特定思維。只要借助于計算機求解現實(shí)世界的問(wèn)題，必需依據算法寫(xiě)出程序，而程序設計過(guò)程中涉及很多特定的思想和概念，屬于計算學(xué)科特定的思想內涵，應該好好理解和掌握。具體來(lái)說(shuō)，比如數據的類(lèi)型與本質(zhì)（與已知認知的區別）、變量的特定含義（與數學(xué)的區別）、有窮與無(wú)窮、程序的基本控制結構、問(wèn)題求解的本質(zhì)過(guò)程、效率與可讀性、程序的構造特性、上下文無(wú)關(guān)文法、二義性、嚴謹性（人工機器語(yǔ)言與自然語(yǔ)言的巨大差異）等等。深入理解這些內容，對提高程序設計能力非常有意義。
第七章主要介紹計算思維在其他學(xué)科中的應用。方程求近似根、定積分的近似計算、計算圓周率π、有限元分析與計算、數值天氣預報、蒙特•卡羅方法、巡航導彈制導乃至《紅樓夢(mèng)》作者之爭等，這些領(lǐng)域在沒(méi)有計算機技術(shù)之前，依靠人類(lèi)本身很難或基本不可能達到目的，而現在卻可以做的很好。這就很好地體現了計算乃至計算思維的現實(shí)意義。
另外，為了更好地與原有的大學(xué)計算機基礎銜接，實(shí)現平穩過(guò)渡，特意在每一章的后面提供了一些閱讀材料，內容包括計算技術(shù)的演化、微型機的硬件組成、計算機軟件及其軟件系統、計算機語(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(shū)所采用的算法描述語(yǔ)言（類(lèi)C語(yǔ)言）非常相似。
傳統意義下，國內的教材都在最求“嚴謹、科學(xué)、完全、美”等目標，欠缺的恰恰是對初學(xué)者來(lái)說(shuō)非常重要的“詼諧、有趣、直觀(guān)、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(xiě)得“很?chē)烂C”，來(lái)點(diǎn)“笑容”未嘗不可，甚至更好，畢竟不是學(xué)術(shù)專(zhuān)著(zhù)。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(xiě)得很枯燥、無(wú)趣，難免拒學(xué)生于“千里之外”。該書(shū)內容豐富，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(chēng)“口水話(huà)”太多了）。
課堂教學(xué)應該在教材的基礎上做“二次開(kāi)發(fā)”。如果僅僅是在理解教材的基礎上“照本宣科”，注定不會(huì )有什么好的教學(xué)效果。若能結合CAI軟件、實(shí)例演示、程序實(shí)現與體驗等，一些看起來(lái)深奧的知識也就變得容易了。
作為“導論”教材，應側重于“導”，而非“論”。教學(xué)時(shí)應把握一個(gè)中心思想——計算思維是一種方法論，從方法論的層面上培養學(xué)生求解問(wèn)題的意識。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，而是當讀者有興趣的時(shí)候，自然會(huì )去學(xué)習與鉆研。多年的教學(xué)實(shí)踐表明，興趣是第一位的，很多知識也都是靠自學(xué)獲得的！本書(shū)之所以取名為《計算思維導論》，就希望教材和教師多在“導”字上下功夫！有人說(shuō)，計算思維在心智上的幫助比它的實(shí)際應用更有價(jià)值。
周以真教授對計算思維是什么、不是什么做了明確的闡述，如下表所示。本書(shū)作者認為，周教授的闡述為《計算思維導論》的教學(xué)指明了方向。作為一個(gè)講授計算思維的教師應該認真體會(huì )和理解其含義。計算思維的教學(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為主不同，如何讓學(xué)生對計算思維發(fā)生興趣，引導學(xué)生象計算機專(zhuān)家一樣思考最為重要。
計算思維是什么 計算思維不是什么
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 不是計算機的思維
4 是思想 不是人造物
5 是數學(xué)與工程思維的互補與融合 不是空穴來(lái)風(fēng)
6 面向所有的人、所有的領(lǐng)域 不局限于計算學(xué)科
至于實(shí)驗教學(xué)，作者認為應該參照《大學(xué)物理》的做法，單獨設置一門(mén)《大學(xué)計算機基礎實(shí)驗》，教學(xué)內容與目前《大學(xué)計算機基礎》的實(shí)驗內容大致相同，確保學(xué)生掌握一些基本技能就可以了。
計算機基礎教育的改革牽涉面非常廣，影響著(zhù)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)改革都必須做認真、細致、深入地調查研究和理性分析。面對計算思維，“仁則見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智”，針對本書(shū)，還望站在鼓勵的角度，多提寶貴意見(jiàn)和建議，共同為計算機教育教學(xué)改革貢獻大家的智慧和力量。
本書(shū)由廣西科技大學(xué)（原廣西工學(xué)院）計算機學(xué)院幾個(gè)一線(xiàn)教師共同完成。全書(shū)分7章，其中第1章由徐奕奕同志負責撰寫(xiě)，第3章主要由王日鳳同志負責撰寫(xiě)，第2章、第4章、第5章、第6章由唐培和同志負責撰寫(xiě)，第7章的第1節、第2節由陳集炎同志負責撰寫(xiě)，第4節由李威龍同志負責撰寫(xiě)，其余3節由唐培和同志負責撰寫(xiě)。除Python語(yǔ)言由朱亞超老師負責整理外，其他章節的閱讀材料由唐培和同志負責整理。全書(shū)由唐培和同志負責統籌、安排、協(xié)調、統稿、審核等。另外，徐奕奕同志為每章填詞一首（卜算子）。
本書(shū)的出版得到了廣西教育廳特色專(zhuān)業(yè)及課程一體化項目建設經(jīng)費、學(xué)?！白吭接媱潯痹圏c(diǎn)建設經(jīng)費以及學(xué)校專(zhuān)業(yè)認證試點(diǎn)建設經(jīng)費的資助，學(xué)校主管教學(xué)的副校長(cháng)李創(chuàng )第教授對本書(shū)的出版給予了大力支持，計算機學(xué)院的很多教職工都為之做了應有的貢獻。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，作者與他們在特別短的時(shí)間里就取得了共識，也在特別短的時(shí)間里（1個(gè)多月）就讓本書(shū)呈現在讀者面前。另外，撰寫(xiě)本書(shū)時(shí)，參考了大量的文獻（特別是周以真對計算思維的闡述以及國內若干會(huì )議的報告），有些在參考文獻中提及了，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(jiàn)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(shū)是大學(xué)計算機基礎教學(xué)的改革與探索，期待著(zhù)能引渠開(kāi)河，拋磚引玉。由于作者水平有限，加上時(shí)間非常倉促，疏漏甚至錯誤之處在所難免，不當之處，敬請同行們批評指正。
唐培和 徐奕奕
2012年10月8日
于柳州
