计算思维是一种解决问题的方法论,它不是指编程，而是像计算机科学家一样思考，它的核心是将一个复杂的大问题，分解成一系列可以解决的小问题，然后一步步找到解决方案。
（图片来源网络，侵删）
计算思维的四大核心支柱是：
- 分解：将复杂问题拆解成更小、更易于管理的部分。
- 模式识别：在各个部分之间寻找相似性、规律或趋势。
- 抽象：专注于重要的信息，忽略不相关的细节，建立模型。
- 算法设计：为解决问题设计出一步步、清晰的指令。
下面我将通过几个不同领域的例子,来详细展示计算思维是如何应用的。
制作一个生日蛋糕（生活化例子）
问题： 如何为朋友准备一个完美的生日派对，其中最关键的是制作一个美味的生日蛋糕？
分解
我们把“制作生日蛋糕”这个复杂任务分解成一系列小任务：
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- 任务1：准备材料和工具
- 列出清单：面粉、鸡蛋、糖、黄油、可可粉、牛奶、泡打粉、香草精等。
- 准备工具：烤箱、搅拌碗、电动打蛋器、模具、量杯、量勺等。
- 任务2：制作蛋糕坯
- 干性材料混合（面粉、可可粉、泡打粉）。
- 湿性材料混合（黄油、糖、鸡蛋、牛奶、香草精）。
- 将干湿材料混合均匀。
- 倒入模具,送入烤箱烘烤。
- 任务3：制作奶油霜
- 准备奶油、糖粉、香草精。
- 用打蛋器打发至蓬松。
- 任务4：蛋糕装饰
- 蛋糕完全冷却后,脱模。
- 将奶油霜均匀涂抹在蛋糕表面和侧面。
- 用水果、巧克力屑等进行装饰。
- 任务5：派对准备
布置场地、准备饮料、邀请客人等。
模式识别
在分解的过程中,我们识别出一些可以复用的模式：
- “混合”模式：无论是制作蛋糕坯还是奶油霜，都遵循“混合材料”这一基本模式，只是混合的材料和顺序不同。
- “准备”模式：在开始任何步骤前，都有“准备材料/工具”的模式，这能保证后续流程顺畅。
- “等待”模式：烘烤蛋糕和等待蛋糕冷却都需要时间，这个模式提醒我们需要提前规划时间，不能所有事情都挤在一起做。
抽象
我们忽略掉不重要的细节,专注于核心步骤：
- 忽略：具体使用哪个品牌的面粉、烤箱的品牌、搅拌碗的颜色。
- 关注：关键数据和步骤，烤箱温度（180°C）、烘烤时间（30分钟）、材料配比（1杯面粉、2个鸡蛋）。
- 建立模型：我们脑子里有一个“蛋糕制作流程图”，它包含了上述分解后的核心步骤，而不是记住每一个琐碎的动作，这个流程图就是我们的抽象模型。
算法设计
我们将所有步骤整理成一个清晰、有顺序的指令列表，这就是一个“蛋糕制作算法”：
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- 开始
- 查看食谱,准备材料清单。
- 准备好所有工具。
- 如果 需要制作巧克力蛋糕，则 添加可可粉到干性材料中。
- 按照指定顺序混合干性材料和湿性材料。
- 将混合物倒入模具。
- 将烤箱预热至180°C。
- 将蛋糕放入烤箱,烘烤30分钟。
- 检查：用牙签插入蛋糕中心，如果 牙签干净，则 蛋糕烤好了；否则，继续烘烤5分钟，然后重复检查。
- 将烤好的蛋糕从烤箱取出,放在架子上冷却至少2小时。
- 在蛋糕冷却期间,制作奶油霜。
- 将奶油霜涂抹在蛋糕上并进行装饰。
- 结束
规划一次周末自驾游（规划类例子）
问题： 如何从北京出发，规划一个为期两天的周末自驾游路线？
分解
将“规划自驾游”分解为：
- 任务1：确定目标和约束
- 目标：去哪里？（承德避暑山庄）
- 约束：预算、时间（2天1夜）、人数、车型。
- 任务2：规划路线
- 使用地图App查找从北京到承德的路线。
- 选择最佳路线（高速为主，距离最短或时间最短）。
- 任务3：预订住宿
- 在预订平台查找承德市区的酒店。
- 根据预算和评价筛选,并预订。
- 任务4：安排行程
- 第一天：几点出发？预计几点到达？下午游览哪里？晚上吃什么？
- 第二天：上午游览哪里？几点返程？预计几点到家？
- 任务5：准备物品
- 车辆检查（油、水、轮胎）。
- 个人物品（衣物、身份证、充电器、零食、应急药品）。
模式识别
- “交通模式”：从A点到B点，我们总是依赖导航App，这个模式适用于所有路段。
- “预订模式”：无论是酒店还是餐厅，都遵循“查找 -> 筛选 -> 对比 -> 预订”的模式。
- “时间分配模式”：每天的行程都遵循“上午 -> 中午 -> 下午 -> 晚上”的时间顺序模式。
抽象
- 忽略：具体的天气细节、沿途每一家餐厅的菜单、每一条小路的名字。
- 关注：关键信息：总里程、预计驾驶时间、酒店地址、主要景点的开放时间、每日预算上限。
- 建立模型：一个行程表，上面列出了日期、时间段、活动、地点、预计花费，这个表格就是我们的抽象模型，帮助我们一目了然地掌握整个行程。
算法设计
设计一个“行程规划算法”：
- 开始
- 输入：目的地（承德）、出发地（北京）、天数（2）、预算（2000元）。
- 使用地图App规划路线,记录总里程（约400公里）和单程驾驶时间（约4.5小时）。
- 在预订App中,筛选价格在预算内的酒店，选择评分最高的一个，并预订。
- 规划第一天：
- 08:00 从北京出发。
- 12:30 到达承德，午餐。
- 14:00 - 17:00 游览避暑山庄。
- 18:00 晚餐，入住酒店。
- 规划第二天：
- 09:00 - 11:00 游览普陀宗乘之庙。
- 12:00 午餐。
- 13:00 启程返回北京。
- 17:30 预计到达北京。
- 检查：将所有活动的预计花费相加，如果 总花费 <= 预算，则 计划可行；否则，返回第4步，调整酒店或餐饮选择。
- 输出：详细的行程计划表、路线图、预订确认信息。
- 结束
编写一个“猜数字”小游戏（编程类例子）
问题： 如何让计算机来玩一个猜数字游戏？计算机来猜，你来想（1-100之间）。
分解
将“编写猜数字游戏”分解为：
- 任务1：游戏初始化
- 设定数字范围（1-100）。
- 让玩家心中想一个数字。
- 任务2：计算机猜数字
计算机生成一个猜测的数字。
- 任务3：获取反馈
玩家告诉计算机,猜的数字是“大了”、“小了”还是“猜对了”。
- 任务4：判断游戏状态
- 如果 猜对了，游戏结束，显示成功信息。
- 如果 没猜对，根据反馈调整猜测策略，并返回任务2。
- 任务5：游戏结束
模式识别
- “二分查找模式”：这是最高效的策略，每次都猜当前范围的中间值，第一次猜50，无论大了还是小了，都能立刻排除掉一半的可能性（1-49或51-100），这个模式在后续的每一次猜测中都会重复使用。
抽象
- 忽略：玩家的具体心情、计算机的硬件性能、游戏界面的颜色和字体。
- 关注：核心变量：
min_num(最小值),max_num(最大值),guess(猜测的数字),feedback(玩家反馈)。 - 建立模型：我们用一个数学模型来表示这个游戏过程。
guess = (min_num + max_num) / 2，这个模型就是算法的核心。
算法设计
设计一个“猜数字算法”：
- 开始
- 设置
min_num = 1,max_num = 100。 - 循环 直到猜中为止：
a. 计算
guess = (min_num + max_num) // 2(使用整数除法)。 b. 显示“我猜是：guess”。 c. 获取 玩家的feedback。 d. 如果feedback== "猜对了"： i. 显示“太棒了！我猜中了！” ii. 跳出循环。 e. 否则，如果feedback== "大了"： i. 设置max_num = guess - 1。 f. 否则，如果feedback== "小了"： i. 设置min_num = guess + 1。 - 结束
计算思维无处不在,它是一种强大的思维工具，无论是生活琐事、旅行规划还是软件开发，我们都在不自觉地运用着分解、模式识别、抽象和算法设计，学习计算思维，就是学习如何更清晰、更高效、更有条理地思考和解决我们面临的各种问题。
