美國計算機科學家周以真：使計算思維成為常識

來源：留學生雜誌

計算機科學領域，周以真（Jeannette M. Wing）是以倡導計算思維而聞名於世，她認為：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。

這位亞裔科學家1979年獲得麻省理工學院（MIT）的電子工程和計算機科學學士和碩士學位，1983年獲得MIT計算機科學的博士學位。她的主要研究領域是形式方法、可信計算、分散式系統、編程語言等。1993年她與圖靈獎得主芭芭拉·利斯科夫合作，提出了著名的Liskov代換原則，是面向對象基本原則之一。2004至2007年她曾擔任卡內基梅隆大學計算機學院院長；2013年1月加入微軟研究院，擔任微軟全球資深副總裁，負責微軟研究院全球各核心研究機構及微軟研究院學術合作部的工作。

卡內基梅隆大學前校長Jared L Cohon評價說：「周以真是當今世界上最有創新精神、最具原創力的計算機科學家之一。她在科研、教學和行政上均作出了重大貢獻。NSF不可能找到一個比周以真更好的人選。」

在卡內基梅隆大學，周以真的嚴厲也讓她在學生中聞名。一個學生叫她「Dragon Lady」——這個不太友好的詞本用於形容強大神秘、盛氣凌人的東方女子，但周以真接受了這個稱呼。最讓周以真感到滿足的事情，莫過於看到學生在被複雜概念折騰得死去活來之後，最終掌握她所傳授的知識。在卡內基梅隆大學，「Dragon Lady」漸漸成為飽含學生敬意的昵稱。

這位既醉心教研，又不懈學習其他知識的科學家在計算機科學之外的領域同樣多才多藝。她曾在中國研習舞劍，也學習武術，是唐手道黑帶四段。此外，周以真還有紮實的芭蕾舞功底，也跳過探戈、現代舞、爵士舞乃至踢踏舞。她所掌握的才藝如此之多，人們不禁要問她是怎麼擠出時間學這麼多東西的。「日程表啊。」她說。周以真的青春活力數十年不減，究其原因，她說那不過是因為「天性樂觀，過著簡單的生活」。

在周以真的眾多成就中，她於2006年發表的《計算思維》（Computational thinking）是最為人稱道的成果之一。周以真倡導運用計算機科學的基礎概念解決問題、設計系統並理解人類行為的思維方式。這一理念推動了計算機科學在全球教育領域的發展。她期盼所有年輕人都能從計算思維中獲益，並鼓勵他們張開懷抱去擁抱跨學科研究的新理念。「如果我們希望做未來的弄潮兒，我們就需要去創造未來。」她說。

留學生：什麼是計算思維？

周以真：簡而言之，計算思維就是像計算機科學家一樣思考。當然，這並不是個令人滿意的回答，因為我還得解釋什麼是計算機科學。計算機科學是計算的學問——什麼是可計算的，怎樣去計算。

實際上，計算思維是一種思考方式，是用計算機所能有效執行的方式來對問題進行表述並提出解決方案——這裡所說的「計算機」既可以指機器，也可以指人。換句話說，計算思維也是一種解決問題的方式。

留學生：計算思維可以做什麼？

周以真：計算思維是每個人的基本技能，不僅僅屬於計算機科學家。我們應當使每個孩子在培養解析能力時不僅掌握閱讀、寫作和算術（3R）,還要學會計算思維。正如印刷出版促進了3R的普及，計算和計算機也以類似的正反饋促進了計算思維的傳播。

計算思維涉及運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和理解人類的行為。它包括了涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。

當我們必須求解一個特定的問題時，首先會問：解決這個問題有多麼困難？怎樣才是最佳的解決方法?計算機科學根據堅實的理論基礎來準確地回答這些問題。表述問題的難度就工具的基本能力。必須考慮的因素包括機器的指令系統、資源約束和操作環境。

為了有效地求解一個問題，我們可能要進一步問：一個近似解是否就足夠了，是否可以利用一下隨機化，以及是否允許誤報(false postive)和漏報(false negative)?計算思維就通過約簡、嵌入、轉化和模擬等方法，把一個看來困難的問題重新闡釋成一個我們知道怎樣解決的問題。

計算思維是一種遞歸思維。它是並行處理。它是把代碼譯成數據又把數據譯成代碼。它是由廣義量綱分析進行的類型檢查。對於別名或賦予人與物多個名字的做法，它既知道其益處又了解其害處。對於間接定址和程序調用的做法，它既知道其威力又了解其代價。它評價一個程序時，不僅僅根據其準確性和效率，還有美學的考量，而對於系統的設計，還考慮簡潔和優雅。

留學生：有沒有什麼用計算思維解決問題的例子？

周以真：舉個例子，如果你要做一頓飯，既要煮飯又要炒青菜炒肉，但又不能做好菜了但飯還沒煮熟，要怎麼做？這三項任務都需要花費資源和時間。在做飯這件事上，你就相當於一個操作系統。我們在計算機科學中所學習的，正是如何調配有限的資源，完成所有任務。

一般來說，計算思維中最重要的幾個思維過程是抽象、分解以及組合。所謂「抽象」，是指忽略所有不相關的複雜細節，而只專註於問題關鍵部分的能力。你會注意到，我剛剛並沒有提及「鍋是啥顏色的」，「廚房有多熱」，因為這些都是不相關的細節。

「分解」能讓我們將問題分割成一個一個小的部分，我們將這些小部分各個擊破，最終通過「組合」將各部分重整起來，形成一個針對原問題的解決方案。

這種解決問題的方式是可以規模化的，遠超人手可及的範疇——當你在用筆記本電腦的時候，有上千個進程同時在佔用上千種不同的資源，但你還是可以用它完成工作。因為它在用計算思維解決問題。

留學生：這樣看來，計算思維不僅僅屬於計算機科學家？

周以真：許多人將計算機科學等同於計算機編程。有些家長為他們主修計算機科學的孩子看到的只是一個狹窄的就業範圍。許多人認為計算機科學的基礎研究已經完成，剩下的只是工程問題。當我們行動起來去改變這一領域的社會形象時，計算思維就是一個引導著計算機教育家、研究者和實踐者的宏大願景。

我們特別需要走進大學之前的聽眾，包括老師、父母、學生，向他們傳送下面兩個主要信息：智力上的挑戰和引人入勝的科學問題依舊亟待理解和解決。這些問題和解答僅僅受限於我們的好奇心和創造力；同時一個人可以主修計算機科學而從事任何行業。一個人可以主修英語或者數學，接著從事各種各樣的職業。計算機科學也一樣。一個人可以主修計算機科學，接著從事醫學、法律、商業、政治，以及任何類型的科學和工程，甚至藝術工作。

計算機科學的教授應當為大學新生開一門稱為「怎麼像計算機科學家一樣思維」的課程，面向所有專業，而不僅僅是計算機科學專業的學生。我們應當使入大學之前的學生接觸計算的方法和模型。我們應當設法激發公眾對於計算機領域中的科學探索之興趣，而不是悲嘆對其興趣的衰落或者哀泣其研究經費的下降。所以，我們應當傳播計算機科學的快樂、崇高和力量，致力於使計算思維成為常識。

留學生：你認為哪個學科會因計算機科學而發生最大的變化？

周以真：我相信所有學科都能從計算機科學的進步中獲益，反過來，計算機科學也能從所有其他學科的發展中得到好處。所以要從那麼多學科里挑一個是很難的，不過要是硬要選的話，目前我會選生物。

一方面，計算機科學向生物學提供了許多形式模型來表現或解釋複雜系統在互動時的動態變化——畢竟操作系統本身就是一個由交互過程組成的複雜系統。另一方面，計算機科學家發明了能分析大量數據的技術，機器學習也讓我們得以揭示隱藏在大數據中的規律。

反過來，生物學也在推動計算機科學的進步。任何生物系統中發生的相互作用，無論是規模還是本質都遠超當今計算方法所能企及的地步。更遠地看，生物系統可以被看做信息處理系統。我們或許能利用自然或者合成的生物系統的計算能力。

留學生：近年來人工智慧和虛擬現實發展飛快，在你看來，計算機科學的未來將是怎樣的？

周以真：現在是所謂「人工智慧的春天」。計算機視覺、語音、機器翻譯和自然語言處理領域，各自經過了數十年緩慢而持續的發展。到現在，我們已有能力將它們融合起來。微軟正將這些人類智能中的不同子任務整合起來，希望讓計算機看得見、聽得懂、說得出、學得會。

我們也正置身於一個「移動為先，云為先」的時代。這意味著無論何時何地，每個人都能通過小型設備獲取海量數據與巨大的計算能力。所謂「普適」，就是指任何人在任何時間地點都能計算。當然，現實還是會給我們的熱情潑冷水，我們仍面臨著種種重大的技術難題。

留學生：機器學習取得了前所未有進步，面對可能隨之而來的道德問題，比如隱私問題，我們做好準備了嗎？

周以真：當前，互聯網的規模讓第三方得以輕易地獲取我們的個人信息，數據挖掘和機器學習又進一步讓推斷我們的個人習慣和偏好變得簡單，使第三方與我們的互動更加個人化：向我們推薦書籍啊，提醒我們朋友的生日啊什麼的。不管是心甘情願或是毫不知情地，人們都在用部分隱私換取更多效用。

因此，我們需要更好更公開地交流個人隱私問題：企業與消費者、政府與公民、技術人員與政策制定者、計算機科學家與社會科學家、科學家與倫理學家之間，都需要進行溝通。我們應該開發新的技術讓人了解他人知道自己的哪些信息，也應該有新的政策則應促進某種隱私保護技術的推廣，使它更加具有影響力。

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