1、思維與科學思維

1.1 思維的基本概念

思維是思維主體處理信息及意識的活動，從某種意義上來說，思維也是一種廣義的計算。

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地球上百花芬芳，爭奇斗艷。然而，無論什么樣的花朵，都沒有人類的思維之花那樣美麗，正如恩格斯在《自然辯證法導言》中所說的，思維是精神“地球上最美麗的花朵”。

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那么，什么是思維呢？思維作為一種心理現(xiàn)象，是認識世界的一種高級反映形式。具體地說，思維（Thinking）是人腦對客觀事物的一種概括的、間接的反映，它反映客觀事物的本質(zhì)和規(guī)律。思維是在人的實踐活動中，特別是在表象的基礎上，借助于語言，以知識為中介來實現(xiàn)。實踐活動是思維的基礎，表象是對客觀事物的直接感知過渡到抽象思維的一個中間環(huán)節(jié)，語言是思維活動的工具。

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思維是由思維原料、思維主體和思維工具等組成。自然界提供思維的原料，人腦作為思維的主體，認識的反映形式形成了思維的工具，三者具備才有思維活動。

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思維具有概括性、間接性和能動性等特征。思維是在人的感性基礎上，將一類事物的共同、本質(zhì)的特征和規(guī)律抽取出來，加以概括，這就是思維的概括性。感覺和知覺只能反映事物的個別屬性，而思維則能反映一類事物的本質(zhì)和事物之間的規(guī)律性聯(lián)系。例如，通過感覺和知覺，只能感知太陽每天從東方升起，又從西方落下。通過思維，則能揭示這種現(xiàn)象由于地球自轉的結果。

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思維的間接性是指非直接的、以其他事物做媒介來反映客觀事物。思維是憑借知識和經(jīng)驗對客觀事物進行的間接反映。例如，醫(yī)生根據(jù)醫(yī)學知識和臨床經(jīng)驗，通過病史詢問以及一定程度的體檢和輔助檢查，就能判斷病人內(nèi)臟器官的病變情況，并確定其病因、病情和做出治療方案。

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思維的能動性是一個重要的特征，它不僅能認識和反映客觀世界，而且還能對客觀世界進行改造。例如，人的肉眼看不到DNA分子，但人的思維卻揭示了DNA分子的雙螺旋結構，從而揭示了大自然潛藏的遺傳密碼。再如，人類不僅認識到物體離開地球所需的宇宙速度，還制造出了地球衛(wèi)星和宇宙飛船飛向太空。

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思維有多種類型。按照思維的進程方向，思維可分為橫向思維、縱向思維與發(fā)散思維、收斂思維等；按照思維的抽象程度，思維可分為直觀行動思維、具體形象思維和抽象邏輯思維；按照思維的形成和應用領域，思維可分為科學思維與日常思維。所謂科學思維是指形成并運用于科學認識活動的、人腦借助信息符號對感性認識材料進行加工處理的方式與途徑。一般來說，科學思維比日常思維更具有嚴謹性與科學性。

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1.2 科學思維

科學思維是認識自然界、社會和人類意識的本質(zhì)和客觀規(guī)律性的思維活動，其思維內(nèi)涵主要表現(xiàn)在：高度的客觀性，圍繞求得科學答案而展開的思維以及采取理論思維的形式。下面是科學思維的幾種定義。

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科學思維（ScientificThinking）通常是指理性認識及其過程，即經(jīng)過感性階段獲得的大量材料，通過整理和改造，形成概念、判斷和推理，以便反映事物的本質(zhì)和規(guī)律。

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科學思維是指人腦對自然界中事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及自然界中事物之間的聯(lián)系和相互關系所做的有意識的、概括的、間接的和能動的反映，該反映以科學知識和經(jīng)驗為中介，體現(xiàn)為對多變量因果系統(tǒng)的信息加工過程。簡而言之，科學思維是人腦對科學信息的加工活動。

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現(xiàn)代科學思維就是指主體思維的科學化，也就是與現(xiàn)代科學發(fā)展相適應的最佳的思維結構，與現(xiàn)實系統(tǒng)發(fā)展相一致的合理的邏輯過程，能夠迅速、準確地反映客體的優(yōu)化的思維方式，這三者的有機統(tǒng)一，就構成現(xiàn)代科學思維。

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上述各種定義雖不太一樣，但都有其共同的理解。一般說來，科學思維是主體對客體理性的、邏輯的、系統(tǒng)的認識過程，是人腦對客觀事物能動的和科學的反映。從西方的發(fā)展歷程來看，科學思維的主要表現(xiàn)有以下幾個方面：

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科學的理性思維

理性思維是在直觀感性的基礎上，經(jīng)過界定概念、客觀推理、科學判斷后形成的正確反映客觀世界的本質(zhì)和規(guī)律的認識過程。科學和理性的思維，其基本前提是：承認客觀世界的存在是不以人的主觀意志為轉移的，但認識主體可以通過直觀感性處理后獲得客觀世界內(nèi)在的、本質(zhì)的信息。

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人的認識可分為感性認識和理性認識，感性認識與人的直覺思維相聯(lián)系，理性認識則與人的理性思維相關聯(lián)。感性認識是理性認識的基礎，理性認識是感性認識的深化。作為科學思維的表現(xiàn)方式之一的理性思維，其主要意義在于為認識主體認識客觀事物的內(nèi)在規(guī)律和本質(zhì)提供手段。

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科學的邏輯思維

邏輯思維是人類特有的一種思維方式，它是利用邏輯工具對思維內(nèi)容進行抽象的思維活動。邏輯思維過程得以形式化、規(guī)則化和通用化，就是要求創(chuàng)造出與科學相適應的科學邏輯，如形式邏輯、數(shù)理邏輯和辯證邏輯等。

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科學的系統(tǒng)思維

系統(tǒng)思維是指考慮到客體聯(lián)系的普遍性和整體性，認識主體在認識客體的過程中，將客體視為一個相互聯(lián)系的系統(tǒng)，以系統(tǒng)的觀點來考察研究客體，并主要從系統(tǒng)的各個要素之間的聯(lián)系、系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用中，綜合地考察客體的認識心理過程。

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科學的創(chuàng)造性思維

創(chuàng)造性思維指的是在科學研究過程中，形成一種不受或者較少受傳統(tǒng)思維和范式的束縛，超越常規(guī)思維、構筑新意、獨樹一幟、捕捉靈感或相信直覺，用以實現(xiàn)科學研究突破的一種思維方式?？茖W思維不僅是一切科學研究和技術發(fā)展的起點，而且始終貫穿于科學研究和技術發(fā)展的全過程，是創(chuàng)新的靈魂。

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總之，科學思維是關于人們在科學探索活動中形成的、符合科學探索活動規(guī)律與需要的思維方法及其合理性原則的理論體系?？茖W思維的方式還包括歸納分類、正反比較、聯(lián)想推測、由此及彼、刪繁就簡和啟發(fā)借用等，而科學思維能力應包括審視能力、判誤能力、浮想能力、綜合能力和歸納能力等。

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1.3 科學思維的分類

如果著眼于科學思維的具體手段及其科學求解功能，那么科學思維可分為發(fā)散求解思維、邏輯解析思維、哲理思辨思維等。

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發(fā)散求解思維是指人們在科學探索中不受思維工具或思維定式的制約，從多方面自由地思考問題答案，其中包括求異思維、形象思維和直覺思維等。

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邏輯解析思維是指人們在科學探索中自覺運用邏輯推理工具去解析問題，并由此推得問題解的思維方法，其中包括類比思維、隱喻思維、歸納思維、演繹思維和數(shù)理思維等。

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哲理思辨思維是指人們在科學探索中運用不同程度的思辨性哲學思維去尋求問題答案，其中包括次協(xié)調(diào)思維、系統(tǒng)思維和辯證思維等。

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如果從人類認識世界和改造世界的思維方式出發(fā)，科學思維又可分為理論思維、實驗思維和計算思維三種。一般來說，理論思維、實驗思維和計算思維分別對應于理論科學、實驗科學和計算科學。當然，還有本文要介紹的數(shù)據(jù)思維，及其對應的數(shù)據(jù)科學。

關于數(shù)據(jù)科學，可以參考一文。

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理論思維（TheoreticalThinking）又稱邏輯思維，是指通過抽象概括，建立描述事物本質(zhì)的概念，應用科學的方法探尋概念之間聯(lián)系的一種思維方法。它以推理和演繹為特征，以數(shù)學學科為代表。理論源于數(shù)學，理論思維支撐著所有的學科領域。正如數(shù)學一樣，定義是理論思維的靈魂，定理和證明是它的精髓，公理化方法是最重要的理論思維方法。

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實驗思維（ExperimentalThinking）又稱實證思維，是通過觀察和實驗獲取自然規(guī)律法則的一種思維方法。它以觀察和歸納自然規(guī)律為特征，以物理學科為代表。實驗思維的先驅是意大利科學家伽利略，他被人們譽為“近代科學之父”。與理論思維不同，實驗思維往往需要借助某種特定的設備，使用它們來獲取數(shù)據(jù)以便進行分析。

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計算思維（ComputationalThinking）又稱構造思維，是指從具體的算法設計規(guī)范人手，通過算法過程的構造與實施來解決給定問題的一種思維方法。它以設計和構造為特征，以計算機學科為代表。計算思維就是思維過程或功能的計算模擬方法論，其研究的目的是提供適當?shù)姆椒?，使人們能借助現(xiàn)代和將來的計算機，逐步實現(xiàn)人工智能的較高目標。諸如模式識別、決策、優(yōu)化和自控等算法都屬于計算思維范疇。

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數(shù)據(jù)思維（Data Thinking），這個概念雖然很早就有，但直到近幾年，隨著大數(shù)據(jù)技術的飛速發(fā)展，重新又回到了思維認識的高度。實際上，數(shù)據(jù)思維一直是人類的一種思維方式之一，而且應該比科學思維形成得更早，也更樸實?？茖W思維應該是在數(shù)據(jù)思維之上產(chǎn)生的，而且科學思維中應該也包括了數(shù)據(jù)思維，如一些基于統(tǒng)計的學科，其實就是大數(shù)據(jù)思維的體現(xiàn)和應用。

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2、計算思維

計算思維作為人類科學思維的基本方式之一，應屬于思維科學的一個專門領域。目前國際上廣泛使用的計算思維概念是由美國卡內(nèi)基·梅隆大學周以真教授提出的，即計算思維是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統(tǒng)和理解人類行為的涵蓋了計算機科學之廣度的一系列思維活動。

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上述定義主要有以下三點內(nèi)涵：

• 求解問題中的計算思維。利用計算手段求解問題的過程是：首先要把實際的應用問題轉換為數(shù)學問題，可能是一組偏微分方程（Partial Differential Equations，PDE），其次將PDE離散為一組代數(shù)方程組，然后建立模型、設計算法和編程實現(xiàn)，最后在實際的計算機中運行并求解。前兩步是計算思維中的抽象，后兩步是計算思維中的自動化。

• 設計系統(tǒng)中的計算思維。R.Karp認為：任何自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)都可視為一個動態(tài)演化系統(tǒng)，演化伴隨著物質(zhì)、能量和信息的交換，這種交換可以映射為符號變換，使之能用計算機實現(xiàn)離散的符號處理。當動態(tài)演化系統(tǒng)抽象為離散符號系統(tǒng)后，就可以采用形式化的規(guī)范來描述，通過建立模型、設計算法和開發(fā)軟件來揭示演化的規(guī)律，實時控制系統(tǒng)的演化并自動執(zhí)行。

• 理解人類行為中的計算思維。王飛躍認為：計算思維是基于可計算的手段，以定量化的方式進行的思維過程。計算思維就是能滿足信息時代新的社會動力學和人類動力學要求的思維。在人類的物理世界、精神世界和人工世界等三個世界中，計算思維是建設人工世界所需要的主要思維方式。

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利用計算手段來研究人類的行為，可視為社會計算（Cyber-Society Computing），即通過各種信息技術手段，設計、實施和評估人與環(huán)境之間的交互。社會計算涉及人們的交互方式、社會群體的形態(tài)及其演化規(guī)律等問題。研究生命的起源與繁衍、理解人類的認識能力、了解人類與環(huán)境的交互以及國家的福利與安全等，都屬于社會計算的范疇，這些都與計算思維密切相關。

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計算思維的詳細描述是：計算思維就是通過約簡、嵌入、轉化和仿真等方法，把一個看來困難的問題重新闡釋成一個人們已知其解決方案的問題。

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計算思維是一種遞歸思維，是一種并行處理，既能把代碼譯成數(shù)據(jù)又能把數(shù)據(jù)譯成代碼，是一種多維分析推廣的類型檢查方法。計算思維是一種采用抽象和分解來控制龐雜的任務或進行巨大、復雜系統(tǒng)設計的方法，是一種基于關注點分離的方法。計算思維是一種選擇合適的方式去陳述一個問題，或對一個問題的相關方面建模并使其易于處理的思維方法。計算思維是按照預防、保護及通過冗余、容錯和糾錯方式，從最壞情況進行系統(tǒng)恢復的一種思維方法。計算思維是利用啟發(fā)式推理尋求解答，也即在不確定情況下的規(guī)劃、學習和調(diào)度的思維方法。計算思維是利用海量數(shù)據(jù)來加快計算，在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行折中的思維方法。

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計算思維的其他解釋還有：

• Wikipedia（維基百科）計算思維是一種新的計算機科學技術廣泛使用的問題求解方法，它利用算法可以高效率地求解大規(guī)模復雜問題。

• R. Karp計算透鏡觀點：在自然的、工程的和社會的系統(tǒng)中，很多過程都是自然計算的，它執(zhí)行信息的變換，計算作為一種通用的思維方式。

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計算思維的本質(zhì)是抽象（Abstract）和自動化（Automation）。它反映了計算的根本問題，即什么能被有效地自動進行。計算是抽象的自動執(zhí)行，自動化需要某種計算機去解釋抽象。從操作層面上講，計算就是如何尋找一臺計算機去求解問題，隱含地說就是要確定合適的抽象，選擇合適的計算機去解釋執(zhí)行該抽象，后者就是自動化。

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計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，可以完全用符號來表示，其中，數(shù)字抽象只是一類特例。與數(shù)學相比，計算思維中的抽象顯得更為豐富，也更為復雜。數(shù)學抽象的特點是拋開現(xiàn)實事物的物理、化學和生物等特性，僅保留其量的關系和空間的形式，而計算思維中的抽象卻不僅僅如此。堆棧是計算學科中常見的一種抽象數(shù)據(jù)類型，這種數(shù)據(jù)類型就不可能像數(shù)學中的整數(shù)那樣進行簡單的“加”運算。算法也是一種抽象，也不能將兩個算法簡單地放在一起構建一種并行算法。

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抽象層次是計算思維中的一個重要概念，它使人們可以根據(jù)不同的抽象層次，進而有選擇地忽視某些細節(jié)，最終控制系統(tǒng)的復雜性。在分析問題時，計算思維要求將注意力集中在感興趣的抽象層次或其上下層，還應當了解各抽象層次之間的關系。

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計算思維中的抽象最終是要能夠機械地一步一步自動執(zhí)行的。為了確保機械地自動化，就需要在抽象過程中進行精確、嚴格的符號標記和建模，同時也要求計算機系統(tǒng)或軟件系統(tǒng)生產(chǎn)廠家能夠向公眾提供各種不同抽象層次之間的翻譯工具。

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計算思維雖然具有計算機的許多特征，但是計算思維本身并不是計算機的專屬。實際上，即使沒有計算機，計算思維也會逐步發(fā)展，甚至有些內(nèi)容與計算機沒有關聯(lián)。但是，正是由于計算機的出現(xiàn)，給計算思維的研究和發(fā)展帶來了根本性的變化。

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由于計算機對信息和符號具有快速處理能力，使得許多原本只是理論上可以實現(xiàn)的過程變成了實際可以實現(xiàn)的過程。海量數(shù)據(jù)的處理、復雜系統(tǒng)的模擬和大型工程的組織，都可以借助計算機實現(xiàn)從想法到產(chǎn)品整個過程的自動化、精確化和可控化，大大拓展了人類認知世界和解決問題的能力和范圍。機器替代人類的部分智力活動激發(fā)了人們對于智力活動機械化的研究熱潮，凸顯了計算思維的重要性，推進了對計算思維的形式、內(nèi)容和表述的深入探索。在這樣的背景下，作歲人類思維活動中以形式化、程序化和機械化為特征的計算思維受到人們重視，并且本身作為研究對象也被廣泛和深入地研究著。

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什么是計算，什么是可計算，什么是可行計算，計算思維的這些性質(zhì)得到了前所未有地徹底研究。由此不僅推進了計算機的發(fā)展，也推進了計算思維本身的發(fā)展。在這個過程中，一些屬于計算思維的特點被逐步揭示出來，計算思維與理論思維、實驗思維的差別越來越清晰化。計算思維的內(nèi)容得到不斷的豐富和發(fā)展，例如在對指令和數(shù)據(jù)的研究中，層次性、迭代表述、循環(huán)表述以及各種組織結構被明確提出來，這些研究成果也使計算思維的具體形式和表達方式更加清晰。從思維的角度看，計算科學主要研究計算思維的概念、方法和內(nèi)容，并發(fā)展成為解決問題的一種思維方式，極大地推動了計算思維的發(fā)展。

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計算思維代表著一種普遍的認識和一類普適的技能，它應該像“讀、寫、算”一樣成為每個人的基本技能，而不僅僅限于計算機科學家，因此每一個人都應熱心于計算思維的學習和應用。計算思維這一領域提出的新思想、新方法將會促進自然科學、工程技術和社會經(jīng)濟等領域產(chǎn)生革命性的研究成果，計算思維也是創(chuàng)新人才的基本要求和專業(yè)素質(zhì)。

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3、數(shù)據(jù)思維

我們現(xiàn)在所熱衷談論的大數(shù)據(jù)首先也是一種思維方式，同時也是一種技術，一種工具。當然，這種技術和工具的運用也離不開思維方式的改變。

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從對事物間關系的認識層面看，人的思維方式可以分為兩大類：科學思維和數(shù)據(jù)思維。數(shù)據(jù)思維注重事物間的相關關系；科學思維注重事物間的因果關系。

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這兩種思維方式，一直伴隨著人類的生活和生產(chǎn)，無處不在，缺一不可。因為人類會自覺不自覺地創(chuàng)造一些理論和模型來“解釋”通過大數(shù)據(jù)思維發(fā)現(xiàn)的“結論”，并在此基礎上做進一步的預測和分析?，F(xiàn)代人如此，古人也不例外。

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維克托·爾耶·舍恩伯格在《大數(shù)據(jù)時代:生活、工作與思維的大變革》中最具洞見之處在于，他明確指出，大數(shù)據(jù)時代最大的轉變就是，放棄對因果關系的渴求，而取而代之關注相關關系。也就是說只要知道“是什么”，而不需要知道“為什么”。有人說，這顛覆了千百年來人類的思維慣例，對人類的認知和與世界交流的方式提出了全新的挑戰(zhàn)。這多少有點聳人聽聞，甚至有點孤陋寡聞。

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數(shù)據(jù)思維比科學思維形成得更早，也一直是人類的一種重要的思維方式?？茖W思維應該是在數(shù)據(jù)思維的基礎上發(fā)展出來的，并逐漸出現(xiàn)了統(tǒng)計學這樣的應用學科。因此，很多研究人員還將數(shù)據(jù)思維更進一步細分為統(tǒng)計思維、決策思維、不確定思維、全樣本思維，等等。

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我們來舉幾個例。牛頓發(fā)現(xiàn)了蘋果從樹上掉下來之后，是一定要落到地上的，這一結論的發(fā)現(xiàn)，純粹是數(shù)據(jù)的結果——基于樣本的觀察和分析，無一例外。然后他就開動腦筋去“解釋”這一結論。于是提出了牛頓第一定律，至于這個定律中的“萬有引力”到底是如何產(chǎn)生的，他也不知道。完全是為了“解釋”一個觀察到的現(xiàn)象而已。再此基礎上一系列的定律、理論被提出來了，甚至推動了現(xiàn)代物理學和天文學的飛速發(fā)展……

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說到數(shù)據(jù)思維，不能不提飽受爭議的中醫(yī)。中醫(yī)發(fā)產(chǎn)生和發(fā)展，也是在數(shù)據(jù)思維的推動下，經(jīng)過5000多年，日積月累，逐漸豐富和完善起來的。據(jù)說神農(nóng)嘗百草，日遇72毒，九死一生，發(fā)明了中藥?？v觀中醫(yī)藥發(fā)展史，哪個大醫(yī)不是親自嘗藥，親自體會呢。品嘗之后，實踐之后，經(jīng)過歸納總結，發(fā)明了中藥理論，如四氣五味理論，以及后來的臟腑陰陽理論、歸經(jīng)理論等等。然后再利用這些理論來指導中藥的實踐。雖然中醫(yī)飽受科學特性的指責，但從數(shù)據(jù)思維的角度來看，確實又是有效的。

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大數(shù)據(jù)不僅是一種資源，也是一種方法，伴隨大數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)密集型科學，是繼實驗科學、理論科學和計算科學之后的第四種科學研究模式，這一研究模式的特點表象為不在意數(shù)據(jù)的雜亂，但強調(diào)數(shù)據(jù)的量；不要求數(shù)據(jù)精準，但看重其代表性；不刻意追求因果關系，但重視規(guī)律總結。這一模式不僅用于科學研究，更多的會用到各行各業(yè)，成為從復雜現(xiàn)象中透視本質(zhì)的有用工具。有人擔心從大數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)事物發(fā)展規(guī)律并預測未來的做法強調(diào)了有章可循，可能會妨礙創(chuàng)新。事實上檢驗技術創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新還是管理創(chuàng)新，不是看是否使用新的模式或顛覆性技術，而是看應用領域的開拓和市場上的引領，成功的重要因素正是符合客觀規(guī)律。

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大數(shù)據(jù)還是一個新學科，大數(shù)據(jù)技術是指設計用于高速收集、發(fā)現(xiàn)和分析從多種類型的大規(guī)模數(shù)據(jù)中提取經(jīng)濟價值的新一代技術和體系。涉及數(shù)據(jù)存儲、合并壓縮、清洗過濾、格式轉換、統(tǒng)計分析、知識發(fā)現(xiàn)、可視呈現(xiàn)、關聯(lián)規(guī)則、分類聚類、序列路徑和決策支持等技術。

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看到這里，我們肯定會想到，上面說的計算思維和數(shù)據(jù)思維有些什么關系嗎？肯定是有非常緊密的關系。不過要理清，還得假以時日，畢竟大家計算思維和數(shù)據(jù)思維的認識和爭議才剛開始，特別是大數(shù)據(jù)出來后，大數(shù)據(jù)思維究竟是什么，實際上也還都是一個開放的話題。但毫無疑問，“計算”和“數(shù)據(jù)”這連個信息時代的兄弟，已經(jīng)被越來越多的人們所認識，并在越來越多的行業(yè)展現(xiàn)出威力了。

“計算”和“數(shù)據(jù)”都應該是方法論。

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參考文獻：

李廉, 計算思維——概念與挑戰(zhàn), 中國大學教學, 2012.

鄔賀銓, 大數(shù)據(jù)思維, 《科學與社會》,2014.

陳國良, 計算思維導論, 高等教育出版社, 2012.

注：本文關于計算思維方面的材料部分來源于以上文獻。

本文轉載自王偉科學網(wǎng)博客，轉載目的在于知識分享，本文觀點不代表V-suan云平臺立場。