# 前言 2006 年 3 月，美國計算機科學家 Jeannette M. Wing（周以真）在 CACM 上發表文章《計 算思維》（Computational Thinking），主張計算機科學家應該向大學新生講授一門關于如何“像 計算機科學家那樣思考”的課程，這門課并非僅為計算機科學專業學生開設，更重要的是面 向所有非計算機專業的學生，甚至是面向中小學學生。進行計算思維教學的目標是使計算思 維像閱讀、寫字、算術一樣成為每個人的基本技能。 所謂“計算思維”，是指運用計算機科學的基礎概念、思想和方法去解決問題時的思維活 動，涉及如何在計算機中表示問題、如何讓計算機通過執行有效的算法過程來解決問題。計 算機原本只是人們解決問題的工具，但當這種工具在幾乎每一個領域中都得到廣泛使用后， 工具就會反過來影響人們的思維方式。因此，將計算思維向所有人進行普及，使普通人群也 能像計算機科學家那樣利用計算機來解決自己生活、工作中的問題，對于人們適應未來的、 計算機無處不在的社會，具有重要意義。 上海交通大學為全校學生開設一門稱為“程序設計思想與方法”的通識課程已有多年， 從 2010 學年秋季學期開始，我們對該課程進行改革，試圖將它轉變成計算思維課程。由于計 算思維是一門嶄新的課程，國內外都沒有合適的教材，甚至計算思維課程應當講授的內容也 沒有定論，這促使我們按照自己的理解編寫了這本計算思維教材。 目標 本書向計算機專業和非計算機專業的學生介紹計算機科學的基本概念、思想和方法，目 的是使學生理解計算機科學家的思維特點和方式，并最終能夠利用計算機解決自己專業領域 的問題。 內容 本書內容覆蓋利用計算機解決問題的全過程。 第 1 章首先界定“計算”的含義，然后介紹“計算思維”的基本內容。計算是指利用計 算機解決問題的過程，而非傳統意義的數學計算，其實質是“算法化”，即按照一定的步驟執 行基本指令的過程。為了讓學生實踐所學到的計算機問題求解的思想和方法，需要利用某種 編程語言來實現算法，本書采用 Python 語言作為編程的教學工具。 計算機可以看作是信息處理機器，所有問題的解決都是對特定信息進行特定處理的過程。 第 2 章和第 6 章介紹如何在計算機中表示現實世界信息，其中第 2 章介紹簡單信息的表示，包括數值、字符串等；第 6 章介紹復雜信息的表示，包括各種集合體數據和數據結構。 第 3 章介紹如何表示對信息的處理過程，包括順序、條件、循環等控制流程的表示以及結構化編程的思想。第 4 章介紹如何將信息處理過程按照良好的結構組織起來，模塊化編程 和自頂向下設計可以幫助我們建立復雜問題的處理過程。 第 5 章介紹圖形編程。圖形是傳達信息的最高效的手段，在利用計算機解決問題時經常 用圖形來實現可視化計算，因此圖形編程的重要性不言而喻。同時，早早地讓學生學會圖形 編程并編制一些有意思的程序，能夠激發他們的學習興趣。第 8 章介紹的圖形用戶界面是圖 形編程的進一步延伸。 第 7 章詳細介紹當前流行的面向對象編程。面向對象不只是一種編程范型，它還是一種 強大的思維工具，可以說是本書的重點內容。 傳統計算都是確定性的，第 9 章介紹兩個與不確定性打交道的內容。計算機模擬是在各 行各業中廣泛應用的方法，本章介紹如何利用蒙特卡洛方法模擬現實世界中的不確定性。另 外，本章還簡單介紹了多線程并發計算。 第 10 章介紹算法設計和分析。這章內容涉及理論計算機科學，旨在使讀者了解計算機的 計算能力和局限。 第 11 章介紹所謂“計算+X”，說明計算機與各專業的結合能夠形成多種交叉學科，同時 也證明了計算思維課程的重要意義。筆者不可能了解各專業的知識，所以本章只能是淺嘗輒 止。 為什么選用 Python 由于計算思維課程要面向廣大的非計算機專業學生，我們希望他們能夠輕松地學會一種 編程語言，以便動手實踐隨后學到的知識。Python 語言非常簡單，易學易用，可以讓學生在 第一堂課就學會編寫簡單程序。另外，我們希望能用直觀形象的方式來展開課程教學，Python 語言正好能滿足我們的需求。Python 是一種編譯/解釋混合的高級編程語言，這使我們在課堂 上可以通過會話方式來與 Python 解釋器進行交互，即時演示教學內容。最后，Python 語言支 持我們希望在本課程中介紹的各種特性，如結構化編程、面向對象編程、圖形和 GUI 編程多 線程等等，它完全可以用于開發實際的應用程序。 要說明的是，盡管本書介紹了很多 Python 語言的知識，但本書并不是“Python 語言”教 材，沒有像編程語言教材那樣介紹 Python。更多關于 Python 語言的內容，請參考專門的資料。 教學建議 首先，本教材包含的內容適合各專業學生的學習。對于非計算機專業的學生，可以忽略 那些較為深入的、涉及更多技術細節的內容，本書為這樣的內容加上了“*”標記。 其次，在課堂上演示所教內容對于非計算機專業學生來說具有良好的效果，本書在編寫 時充分考慮了這一點。在書中，有許多以下列形式出現的代碼： ``` >>> print "Hello, World!" Hello, World! ``` 其中特意保留了 Python 解釋器提示符“>>>”（并不是自己輸入的），以提醒教師這樣的代碼 可以當場演示。當然，任何閱讀本書的讀者都可以模仿這樣的代碼，邊讀書邊動手實踐。 致謝 上海交大計算機系有許多教師從事《程序設計思想與方法》課程的教學，筆者在與他們 的討論、交流中獲益匪淺。尤其是本課程改革的牽頭人黃林鵬師兄，向筆者提供了很多資料、 建議和外校同行們的做法，非常感謝他的幫助。 感謝來自各專業的學生，他們在課堂內外的表現和提問，使筆者獲得了向非計算機專業 學生講授計算思維課程的經驗。而很多學生在期末大作業中利用所學知識解決自己專業問題， 也令筆者很欣慰，說明本課程確實達到了目的。 為了了解本書是否適合非計算機專業的專業人士閱讀，筆者請好友楊耀志、王愛琴伉儷 閱讀了部分內容，非常感謝他們的反饋意見。 最后要感謝妻子和女兒的支持，忙碌的寫作使筆者有些忽略了對她們的照顧。 由于作者水平有限，書中錯誤一定不少，懇請讀者不吝賜教！