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从计算思维到计算文化

已有 24518 次阅读 2007-9-30 20:52 |个人分类:随思走笔|系统分类:科研笔记|关键词:计算思维,计算文化,文化能计算吗?| 计算思维, 计算文化

From Computational Thinking to Computational Culture
 
王飞跃
 
去年刚读美国卡内基梅隆大学(CMU)Jeannette M. Wing (周以真)教授的《Computational Thinking(计算思维)》[1]时,一丝淡淡的共鸣在脑中闪过,但并没有引起太多的思索,毕竟自己不在计算机教学的一线上工作。年初去西安交通大学与软件学院的老师商谈发展规划和教学工作时,认为有必要在软件学院引入一门面向新生的关于计算方法与软件系统的通识课。讨论中我突然想起了Wing 的“计算思维”一文,因此建议院里研究开设一门一个或二个学时的讲座课,就叫《计算思维与计算文化》,并希望这一尝试能得到有关基金的支持。
 
这一时的闪念迫使我回头再次细读Wing的“计算思维”,开始感到这短短三页纸的学科观点不但散发着“科技散文”的优雅,而且对未来计算机科学的发展和转型可能还真正具有“根本的重要性”(英文为“Fundamental Importance”,一般情况下,应译为“基础的重要性”)。
 
2005年夏,自己曾作为访问教授赴CMU计算机系工作,Wing时任系主任,但我并不知道她如此关注计算机的基础教育,印象中CMU计算机系就是研究、研究、再研究。为此我特地与同在CMU计算机系任教的同事和朋友谈起此文,他们向我进一步说明了Wing写此文的动机和目的,并告知CMU即将举办“Symposium for Computational Thinking”同时与微软联合成立“计算思維研究中心”之事。此时恰逢Wing被聘为美国基金会(NSF)计算机和信息科学与工程(CISE)主任­­­­,而我已被邀参加今春NSF机器人与智能系统领域的专家评审。原想赴美时与Wing面谈,但到了NSF方知她要到七月才上任。只好又约六月中旬在CMU见面,因届时我要赴Pittsburg参加IEEE TAB会议。到了五月,才发现IEEE TAB会议是在同州的Philadelphia开,相距CMU很远,只好取消会面。好在Wing六月初来北京,终于见了面,但会谈时间太短,又多为ACM北京分会之事,无法深入细谈计算思维之事,只是向她表明希望将来中美基金能够联合资助这方面的教学实践尝试。此事真是一波三折,但愿是“好事多磨”。
 
“计算思维”到底讲了什么,大家可看原文并参考中译文。对我而言,计算思维的重要性在于它关系到我们对计算机科学的转型与发展之基本认识。计算机最初作为一种计算工具出现到今天,已逾半个世纪,接下来如何进一步发展,是每个信息研究者都应考虑的问题。对此,我们可在两个层面上思考:一是基本和哲学的,二是需求和现实的。
 
在第一个方面,我们不妨回忆一下著名的计算机科学家、1972年图灵奖得主Edsger Dijkstra说过的一句话“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯,从而也将深刻地影响着我们的思维能力。”今年五月底,我曾与中科院研究生院的邓勇教授发起并主持了中国科协第七期新观点新学说学术沙龙,主题就是《可以看见的未来:信息技术与教学教育创新》,而且主要是围绕着计算机技术与教学教育创新展开的。其中的一个话题就是电动机的出现引发了自动化的思维,而计算机的出现催生了并将进一步地发展智能化的思维,与Dijkstra的说法不谋而合且更具体化了。Wing更是把计算机这一从工具到思维的发展提炼到与“3R(读、写、算)”同等的高度和重要性,成为适合于每一个人的“一种普遍的认识和一类普适的技能”。一定程度上,这也意味着计算机科学从前沿高端到基础普及的转型。
 
在第二个方面,涉及计算机的发展,看法也只能“发散”了。但我们还是可以再借鉴一下电动机的例子,来说明计算机的问题。一定程度上,电机就是计算机的“近祖”。因此,一定意义上,电机的历史和命运之轨迹,也会折射出计算机的历史和命运之轨迹。社会上,明天之计算机,是不是就是今日之电机?甚至还不如?因为计算机将变得更加普遍和普通。大学里,明天之计算机系,是不是就是今日之电机系?甚至还不如?因为想教能教计算方法和应用的系要远比想教能教电机的系多得多。催生大学计算机系的IBM公司早已开始“鼓吹”不要多久今天的计算机系将“消失”,并被服务科学(Services Science)系取而代之[2]。此话尽管“危言耸听”,但发人深省。刚刚兴起的万维学(Web Sciences)更是希望通过将人文社会等“软”科学知识融入计算机科学,利用社会计算,在“虚”的万维空间(Web Spaces)里开拓出实实在在的新且有价值的领地[3,4]。显然,这将促进实现Wing提出的目标:“一个人可以主修计算机科学,接着从事医学、法律、商业、政治,以及任何类型的科学和工程,甚至是艺术工作。”而且,正如Wing自己所指出的:“当我们行动起来去改变这一领域的社会形象时,计算思维就是一个引导着计算机教育家、研究者和实践者的宏大愿景。”
 
两种考虑的结合,或许表明了计算机科学将发生“涅磐”般的“重生”,而计算思维的提出,就是未来升华的前奏?
 
显然,并不是所有的计算机科学工作者都认同对计算思维的这种看法。以研发Algol 60而著名,2005年图灵奖的获得者Peter Naur教授为代表的欧洲学派的观点尤其值得我们重视。虽然Naur得的是图灵奖,但他半个世纪有关人的相对于计算机的思维研究使他坚信人之思维的神经系统与计算机的根本没有相同之处(“no similarity whatever”)[5]。因此,他几乎完全拒绝图灵关于智能的想法,特别是Turing Test所隐含的思想,认为图灵的整个论证都是站不住脚的,原因是他关于思维的想法是建立在错误的概念之上的,与心理学家William James所阐述的第一心理学事实,即“思维是一种延续的东西(thinking is something that goes on)”相悖[6]。为此,Naur还建立了自己的神经系统的神经生理学描述(a neurophysiological description of the nervous system),称之为“The Synapse-State Theory of Mental Life”[5]。但Naur的观点和成果有时被视为“离经叛道”,其有关文章也曾数次被主流杂志(包括CACM)退稿。
 
与本文直接相关的是Naur的一个“大胆”且关键性的结论:他认为,就科学和学术活动而言,计算只是作为一种描述形式才有意义,而有关逻辑和方法的话题是不相关的(“as far as the activity of science and scholarship is concerned, computing makes sense as a form of description, while issues of logic or method are irrelevant”)。Naur进一步推断:尽管计算机这种形式能够描述世上非常多种类的现象,但人的思维不在其中(“This form is very useful for describing a great variety of phenomena of this world, but human thinking is not one of them”)。原因?人的思维基本上是神经系统中元素的可塑性之事,然而计算机—图灵机器并无塑性元素(“human thinking basically is a matter of the plasticity of the elements of the nervous systems, while computers – Turing machines – have no plastic elements. ”)。那如何才能描述人的思维?Naur并没有真正地回答,只是说:为了描述人的思维,我们需要一种非常不同的、非数字的形式, 如他的Synapse-State Theory所显示的(“For describing human thinking one needs a very different, non-digital form, as demonstrated by the Synapse-State Theory”)[5]。更具有杀伤力的是Naur声称这一切都已经由有关编程活动中应用形式描述的经验性研究所确认,毕竟他是这方面世界上最有权威的专家之一,也是最有资格发言的人之一。
 
表面上,Naur的观点与Wing在“计算思维”中阐述的思想直接冲突。特别是Naur的文章在Wing一文发表后不久就在计算机科学界同一重要杂志上登出,自然容易引起人们的遐想。其实不然,Wing在文中特别强调:“人的,不是计算机的思维(A way that humans, not computers, think) ”。Wing进一步指出:“计算思维是人类求解问题的一条途径,但决非试图使人类像计算机那样的思考。”而且,“计算机枯燥且沉闷;人类聪颖且富有想象力。我们人类赋予计算机以激情。配置了计算设备,我们就能用自己的智慧去解决那些计算时代之前不敢尝试的问题,就能建造那些其功能仅仅受制于我们想象力的系统。”
 
关于这两篇文章的思想和观点在深层次上的异同,无法在此详细展开,但有两点,应当说明。其一就是Naur对他的计算思维观点之界定,即:是“就科学和学术活动而言”的;其二就是Wing对她的计算思维目标之定位,即:使其与“3R(读写算)”同等重要和普及。显然,“读写算”远远超出了“科学和学术活动”的范围,是对今日之现代人最基本的素质要求,已属基础文化技能的范畴。清楚地认识这两点,明确“科学和学术活动”与“文化和素质培养”的不同和关联,是正确地解读这两篇文章之间关系的关键。
 
不过,我对Naur的断言有所保留,因为人类的工具使用对人类的思维发展之影响,是人类自己难以预知的。前面已提过计算大师Dijkstra“工具影响思维”之断言,更有说服力的是达尔文的进化论和马克思关于劳动工具在从猿到人的过程中起关键作用的论断。机器最终能否描述人的思维,似乎不是今日人类可以知道甚至理解的。就像不论是远古还是今天的猿猴都根本无法明白当年的木棍石器怎么能把它们的猴脑猴思维变成现代的人脑人思维一样,今日之人及其子孙可能也无法明白眼前的计算机因特网会把他们的人脑人思维再演化成何脑何思维。如果将来我们的后代能弄明白,那是万幸,说明进化论没有把未来的人类演变成今日之猿猴(相对而言,但也十分可怕)。如果一定要在今天弄个明白,那只好再用Dijkstra的话来回答:“机器能否思维的问题 …… 这个问题差不多与潜艇能否游泳的问题一样相关(The question of whether Machines Can Think ... is about as relevant as the question of whether Submarines Can Swim。)”我自己更赞同Wing的想法:“当计算思维真正融入人类活动的整体以致不再是一种显式之哲学的时候,它就将成为现实。”而且,届时计算思维也就必然是计算文化了。
 
 
说到此,我们就不得不提一下计算主义(Computationalism)。计算主义的“野心”远比计算思维要大,极端的计算主义者把人脑也当作一种生物计算机,计算人的思维自然就不在话下。它的基本思想就是:智能和认知的实质是计算,心理活动、心理过程、心理状态就是计算活动、计算过程、计算状态。计算主义的历史比计算机本身还长,十七世纪的英国哲学家霍布斯就曾有“思想就是计算”的断言,有些近代哲学家更是把计算主义等同于关于心灵的计算机理论(The computer theory of minds)。迄今为止,从动态主义(Dynamicism)到联结主义(Connectionism),已有十多种不同的计算主义理论问世,都是围绕着“计算”及其“实现”这两个核心概念展开的。
 
图灵的计算理论刚刚提出时,曾被看作是前无古人后也不需来者的“绝响”,因为图灵证明了任何一个计算都可以用形式系统或图灵机来刻画。但歌德尔定理表明,人类心灵的能力不能被任何一致的形式系统所刻画,因此计算主义是错误的[7]。可人类能否判断一个复杂的形式系统是否一致,又成了另一个层次上无法说清的问题。除了数学上的否定之外,还有从人文精神方面对计算主义的“攻击”,如自主、多样、创造性等的计算与表达以及J. R. Searle关于意义的汉字屋思想实验[8]。科学哲学家H. Putnam关于实现的任意性讨论更使计算主义沦为泛计算主义,即任何一切物理系统都是计算系统;再加上“心灵算法”,则一切物理系统就都具有“心灵”了,计算主义又进一步陷入泛心灵主义,转眼成了一种空洞乏物的心灵理论[9]。
 
可见,数学上过度的理想化和哲学上空泛的广义化都会把计算主义推进死胡同。有鉴于此,计算思维应把基础和核心建立在经验、实证、教育之上,应关注方法、实践和实效。这也就是本文强调要从计算思维到计算文化的主要目的。
 
在中文里,计算思维不是一个新的名词。在中国,从小学到大学教育,计算思维经常被朦朦胧胧地使用,却一直没有被提高到Wing一文所描述的高度和广度,那样的新颖、明确、系统。至于计算文化(Computational Culture)一词,国际上已开始有少数的学者提起,但还没有与计算思维相联系,也没有达成共识或形成趋势。中文里目前还没见有人明确提出计算文化的概念,与此相关却不同的计算机文化课却在大学里较为普及。不过,我们传统文化中有根深蒂固、历史悠久的“算计”文化。凡是“精明”的人常常被称作是能“算计”,时褒时贬,但一般贬时多于褒时,贬义大于褒义,差不多就是“狡猾”的同义词。希望我们能借“计算思维”之东风,尽快把传统世故人情的“算计文化”反正成为现代科学理性的“计算文化”,以提高民族的整体素质。
 
本来没有打算翻译Wing的“Computational Thinking”。但有一次在网上发现它的一篇中译文,大体正确,却有许多关键性的错误[10]。我不希望这样的文章被如此地传播,故请正在我们社会计算课题组实习的清华大学徐韵文同学帮助重新翻译。几处较难翻译的地方还向周以真教授进行了请教,而且还得到了周以真教授的父亲的帮助,在此深表感谢。
 
译文最后的校对是九月二十三日夜在由深圳飞往成都的CA4312上进行的,当时机上电视上正在播放《太阳照常升起》的宣传片。就在我完成最后的一行,抬眼望着头顶的电视要合上笔记本时,屏幕上的一位女演员突然莫名其妙地说:
 
“我必须告诉你,感情不是计算出来的!”
 
真是“至理名言”,此话应当说给英国《观察报》的科学编辑Robin McKie听才是,此人曾称:对机器的愤怒已死 情感计算万岁!(Machine rage is dead … Long live emotional computing!)。如此之巧合,分明是天意!看来,我根本不必为计算机科学的研究前景担心。就是再过几个有生之年,这将还是一个令人激动使人发狂的高端前沿领域。看看吧,就连不学计算机的演员似乎都明白这个道理:只要感情还没计算出来,研究就必须继续!
 
因此,从计算思维再到计算文化,就更只能是“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索”了。
 
参考文献
 
[1] J. M. Wing, Computational Thinking, Communications of ACM, Vol.49, No.3, March 2007, pp.33-35.
[2] 王飞跃,服务学 个崭新而古老的科学领域,科学时报,2006年12月12日。
[3] 王飞跃,万维学 面向下一代网络世界的新兴科技前沿? 科学时报,2006年11月24日。
[4] Fei-Yue Wang,Toward a Paradigm Shift in Social Computing: The ACP Approach, IEEE Intelligent Systems, Vol. 22, No. 5, pp65-67, 2007.
[5] Peter Naur,Computing Versus Human Thinking, Communications of ACM, Vol.50, No.1, Jan 2007, pp.85-94.
[6] W. James, The Principles of Psychology, New York, NY, USA: Henry Holt and Co., 1890.
[7] J. R. Lucas, Minds, Machines, and Godel, Philosophy, Vol. 36, No.137, pp112-127, 1961.
[8] J. R. Searle, Minds, Brains, and Programs, Behavioral and Brain Sciences, Vol. 3, No. 3, pp417-457, 1980.
[9] H. Putnam, Representation and Reality, Cambridge, MA, USA: MIT Press, 1988.
 
 
2007年9月23日始于成都金牛宾馆,25日成于太平洋上CA983。
 
本文发表于2007年第3卷第11期的中国计算机学会通讯。


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