前 言
思維本身讓人沉醉。
計算思維除了給計算機技術帶來變革，還讓人們在探索它的過程中體驗到和諧、對稱、完備、簡潔等美學屬性。
科學的美不遜于藝術的美。
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，在吸收計算學科豐碩成果的基礎上，更側重于哲學的角度，從辨證法、認識論、邏輯學的角度去理解，在更廣泛的領域去應用，從而在體系、內容和研究方法等方面更具實踐性、科學性和時代性。
狹義計算思維，則從計算學科的方法論出發(fā)，討論借助于計算機這一特定的工具如何求解客觀世界的實際問題。這里面涉及到特定的思想、方法、理論與技術。
作為大學生的入門教材，如果過份追求廣義計算思維，將會變成一本有點空泛的關于哲學方法論的書籍；如果完全傾向狹義的計算思維，又將是一本計算學科方法論的書籍。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，畢竟學習《計算思維導論》的首要目的是利用計算及計算機技術更好地解決將來所面臨的各種實際問題。
縱觀現(xiàn)在的計算機基礎教育，不斷遭人質疑，特別是《計算機文化基礎》、《大學計算機基礎》等已陷入“狹義工具論”的境地——該課程除了介紹計算機技術的基本概念、基本知識外，剩下的差不多就是微軟公司的產品說明書了，與一門大學課程有點不太相稱（筆者也主編過2本《大學計算機基礎》教材，在此無意貶低他人）。
有言曰：起點決定終點，思路決定出路。因此《計算思維導論》旨在給學生學習計算機基礎知識時站在更高的起點，擁有更開闊的視野。
這樣一來，《計算思維導論》是不是很難理解、很難教、很難學呢？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)展開問題的討論，涉及到的理論與技術，盡量以淺顯易懂的方式講解。書中穿插了大量生活中的故事、案例或哲理，應該是大學生能夠接受的。至少可以這么說：《計算思維導論》在理論深度上比《高等數(shù)學》、《大學物理》等課程要淺顯得多。
正是由于《計算思維導論》的定位與《大學計算機基礎》完全不一樣，別指望學習《計算思維導論》能夠起到立竿見影的實用效果。說的更具體一點，學習《計算思維導論》后，別指望學生立即通過現(xiàn)今流行的計算機等級考試。這正所謂“授人以魚不如授人以漁”，“授人以魚”立即可以食用，但吃了上頓未必有下頓；而“授人以漁”雖然無法立即填飽肚子，但從長遠來說早晚無憂。
盡管計算思維已成為近年來教育界研討的熱點，但仍處于討論、探索階段。在這里，不妨借前言來談談本書的觀點。
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(yǎng)學生的思想、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，指的是求解實際問題的思想和方法；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(yǎng)專業(yè)能力就不是什么大問題了。
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，算法的學習重在思想和方法，而不是表示和實現(xiàn)。至于算法的實現(xiàn)，應該是《程序設計語言》、《程序設計方法》之類課程的任務。在沒有教授C語言等高級程序設計語言之前，在《計算思維導論》里面講算法，會不會有困難？其實這種擔心是多余的，因為：一是在《計算思維導論》里面講算法，講的是解決問題的思想和方法，而不是程序設計。二是算法比程序更加簡潔，針對同一問題時，算法比程序更容易閱讀。三是掌握了算法設計與描述后，再學習具體的高級程序設計語言更容易一些。
第三，“計算思維”教育及其推廣是毋庸懷疑的，那么推動“計算思維”教育的最大障礙究竟是什么？我們最值得關注的是教師，而不是學生或相關領導。教師的思想不統(tǒng)一、業(yè)務水平不提升，“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)教師對大學計算機基礎教學做出了巨大貢獻的前提下，必需看到存在的問題，歸納起來有：一是從事計算機基礎教學的師資隊伍非常龐大和復雜，學什么專業(yè)的老師都有（沒聽說過學什么專業(yè)的老師都可以給大學生講授《大學外語》，而講授《大學計算機基礎》卻非常普遍），年齡跨度很大，職稱結構、學歷結構等不太合理，統(tǒng)一思想都非常困難，更不用說別的了；二是學校之間也有較大的層次差異，師資隊伍的專業(yè)水平差異很大（在一些條件艱苦的學校，剛畢業(yè)不久的非計算機專業(yè)的本科生都上講臺講授《大學計算機基礎》了），師資培養(yǎng)的力度及其成長環(huán)境各不相同；三是人類本身的惰性，從事了多年計算機基礎教學后，教學內容、教案、考試方式等都已經(jīng)比較成熟了，誰又愿意改變呢？靠自覺行嗎？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，也要充滿信心，勇敢地去面對，相信不久的將來，大家都能接受計算思維的洗禮！
從內容安排上來說，本書由7章組成。
第一章主要介紹計算思維的基本概念，學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基礎。在這里，首先介紹計算機為什么采用二進制而不是十進制？數(shù)據(jù)和符號在機器內部是如何表示的，采用二進制所付出的代價。然后介紹補碼運算的神來之筆。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，本書利用等價傳遞原理給予了很好的闡述。介紹馮諾依曼機時，重點應該放在存儲程序的工作原理，以便很好地理解計算過程，同時指出馮諾依曼機的特點及其局限性，由此引出非傳統(tǒng)的計算方法和技術，如量子計算、分子計算、光計算、并行計算等。面對計算機系統(tǒng)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題，從哲學方法論的角度給予了分析與討論，目的是掌握這些技術的思想，而非技術本身。本章最后通過幾個實例，介紹了可計算性問題與計算復雜性問題，讓大家明白不是什么問題都是可以通過計算機求解的。
第三章專門討論計算思維之邏輯基礎。主要介紹了布爾代數(shù)、命題邏輯、謂詞邏輯以及邏輯演算等，以實例化的形式闡述邏輯思維與計算思維的關系。本來這一章的內容可以并入第二章，但邏輯思維對計算思維來說太重要了，不強化邏輯思維的訓練，恐怕對深入理解計算思維會帶來比較大的困難，因此，特別單列一章。
第四章重點介紹計算思維之方法學。本章首先分析問題求解過程，給出人類解決客觀世界問題的思維過程與借助于計算機的問題求解過程有什么不同與差異，然后從狹義計算思維的問題求解過程出發(fā)，分別討論數(shù)學模型、數(shù)據(jù)存儲結構、程序設計方法論（面向過程的結構化設計方法學、面向對象程序設計方法學）等。對計算機世界中較為重要的時空概念、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說非常重要。
第五章重點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、算法的描述、算法的簡單分析方法等，然后介紹算法設計的基本思想與方法，最后介紹幾個常用的經(jīng)典算法。本章的重點是介紹算法的思想，而不是算法的實現(xiàn)。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生掌握，但領會其思想應該也值得理解。這是培養(yǎng)學生求解問題意識的重要途徑。
第六章專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(xiàn)實世界的問題，必需依據(jù)算法寫出程序，而程序設計過程中涉及很多特定的思想和概念，屬于計算學科特定的思想內涵，應該好好理解和掌握。具體來說，比如數(shù)據(jù)的類型與本質（與已知認知的區(qū)別）、變量的特定含義（與數(shù)學的區(qū)別）、有窮與無窮、程序的基本控制結構、問題求解的本質過程、效率與可讀性、程序的構造特性、上下文無關文法、二義性、嚴謹性（人工機器語言與自然語言的巨大差異）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(shù)值天氣預報、蒙特•卡羅方法、巡航導彈制導乃至《紅樓夢》作者之爭等，這些領域在沒有計算機技術之前，依靠人類本身很難或基本不可能達到目的，而現(xiàn)在卻可以做的很好。這就很好地體現(xiàn)了計算乃至計算思維的現(xiàn)實意義。
另外，為了更好地與原有的大學計算機基礎銜接，實現(xiàn)平穩(wěn)過渡，特意在每一章的后面提供了一些閱讀材料，內容包括計算技術的演化、微型機的硬件組成、計算機軟件及其軟件系統(tǒng)、計算機語言概述等，之外，還特別介紹了MATLAB以及Python語言。需要特別指出的是Python語言與本書所采用的算法描述語言（類C語言）非常相似。
傳統(tǒng)意義下，國內的教材都在最求“嚴謹、科學、完全、美”等目標，欠缺的恰恰是對初學者來說非常重要的“詼諧、有趣、直觀、明了”等可讀性好且吸引人的特點。從教學的角度來說，教材不一定非要寫得“很嚴肅”，來點“笑容”未嘗不可，甚至更好，畢竟不是學術專著。課前、課后學生要花很多時間閱讀教材的，如果把教材寫得很枯燥、無趣，難免拒學生于“千里之外”。該書內容豐富，涉及面甚廣，但都力求以生活化、實例化和故事化的方式做到淺顯易懂（以至于同事甚至笑稱“口水話”太多了）。
課堂教學應該在教材的基礎上做“二次開發(fā)”。如果僅僅是在理解教材的基礎上“照本宣科”，注定不會有什么好的教學效果。若能結合CAI軟件、實例演示、程序實現(xiàn)與體驗等，一些看起來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”。教學時應把握一個中心思想——計算思維是一種方法論，從方法論的層面上培養(yǎng)學生求解問題的意識。這樣以來，該課程就會變得生動、有趣，學生也就容易接受了。至于具體的理論與技術并不是不重要，而是當讀者有興趣的時候，自然會去學習與鉆研。多年的教學實踐表明，興趣是第一位的，很多知識也都是靠自學獲得的！本書之所以取名為《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，計算思維在心智上的幫助比它的實際應用更有價值。
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。本書作者認為，周教授的闡述為《計算思維導論》的教學指明了方向。作為一個講授計算思維的教師應該認真體會和理解其含義。計算思維的教學可以是令人生厭的，也可以是最引人入勝的。與其他課程傳授知識為主不同，如何讓學生對計算思維發(fā)生興趣，引導學生象計算機專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(shù)學與工程思維的互補與融合 不是空穴來風
6 面向所有的人、所有的領域 不局限于計算學科
至于實驗教學，作者認為應該參照《大學物理》的做法，單獨設置一門《大學計算機基礎實驗》，教學內容與目前《大學計算機基礎》的實驗內容大致相同，確保學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，影響著一代又一代的大學生，也涉及到一大批從業(yè)的高校教師，每前進一步所產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，“仁則見仁，智者見智”，針對本書，還望站在鼓勵的角度，多提寶貴意見和建議，共同為計算機教育教學改革貢獻大家的智慧和力量。
本書由廣西科技大學（原廣西工學院）計算機學院幾個一線教師共同完成。全書分7章，其中第1章由徐奕奕同志負責撰寫，第3章主要由王日鳳同志負責撰寫，第2章、第4章、第5章、第6章由唐培和同志負責撰寫，第7章的第1節(jié)、第2節(jié)由陳集炎同志負責撰寫，第4節(jié)由李威龍同志負責撰寫，其余3節(jié)由唐培和同志負責撰寫。除Python語言由朱亞超老師負責整理外，其他章節(jié)的閱讀材料由唐培和同志負責整理。全書由唐培和同志負責統(tǒng)籌、安排、協(xié)調、統(tǒng)稿、審核等。另外，徐奕奕同志為每章填詞一首（卜算子）。
本書的出版得到了廣西教育廳特色專業(yè)及課程一體化項目建設經(jīng)費、學?！白吭接媱潯痹圏c建設經(jīng)費以及學校專業(yè)認證試點建設經(jīng)費的資助，學校主管教學的副校長李創(chuàng)第教授對本書的出版給予了大力支持，計算機學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間里就取得了共識，也在特別短的時間里（1個多月）就讓本書呈現(xiàn)在讀者面前。另外，撰寫本書時，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議的報告），有些在參考文獻中提及了，有些沒有提及（多為網(wǎng)絡資料），在此一并感謝。
教學改革不是一朝一夕的事情，需要付出艱辛的努力，且不能“立竿見影”地看到效果。成功了好說，失敗了誤人子弟、“罪莫大焉”！本書是大學計算機基礎教學的改革與探索，期待著能引渠開河，拋磚引玉。由于作者水平有限，加上時間非常倉促，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
