计算机前沿技术
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2023年3月3日发(作者：画函数的软件)计算思维与信息技术前沿技术及应用
摘要：计算思维不仅渗透到每个人的生活，对人们的生活产生深刻的影响，而且在经济、
生物计算、专家系统等学科领域产生了重大影响，在科技创新与教育教学中起着非常重要的
作用。研究和思考计算思维与信息技术前沿技术及应用尤其在大数据、物联网、人工智能、
物联网等信息技术前沿技术是创新人才的基本要求和专业素质，也是信息社会中的创新需
要。
关键词：计算思维大数据物联网人工智能
绪论：计算思维和信息技术前沿技术及应用的研究在国内外均已展开并取得了一定的成
果。2007年卡内基·梅隆大学和微软公司宣布建立“微软——卡内基梅隆计算思维中心”，
该中心致力于计算机科学新兴领域的研究，特别是那些能够对其他学科的思维产生影响的领
域。美国国家计算机科学技术教师协会围绕“计算思维”，帮助美国继续在自然科学、教育、
医疗卫生、工程技术等领域创造更多的技术成果。国内一些专家学者也在计算思维与信息技
术前沿技术应用研究方面做出了一些颇有成效的研究，李国杰指出计算思维是应用计算机科
学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系
列思维活动。此外，我国在大数据、云计算、人工智能、物联网等信息技术前沿方面也表现
出了敏感度，着力推进和发展此类科学技术，并不断应用创新。
一、计算思维的概念及特性
计算思维就是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为的涵盖
了计算机科学之广度的一系列思维活动。它将计算任务分布在大量计算机构成的资源池上，
使各种应用系统能够根据需要获取计算力、存储空间和信息服务。
计算思维是一种递归思维，是并行处理。计算思维评价一个程序时，除了对准确度和效
率等角度进行考虑，也对是否符合美学标准进行评价，而涉及到统计的设计，还必须考虑是
否简洁等因素。计算思维应用抽象和分解来应对大型复杂的任务或系统。它注重问题的分
离，即选择合适的方式去描述一个问题，或者对该问题中相关联的方面建模让问题易于处理。
计算思维的特性一是概念化，不是程序化。计算机科学不仅仅是计算机编程，计算思维
也不是如何进行计算机编程，而是一种思维、一种概念，计算思维还要求人们能够在抽象
的多个层次上思维；二是个根本的，不是刻板的技能。计算思维是一种根本的技能，而非刻
板的机械重复。计算思维是每个人在现代社会生活中必须掌握的一种技能，它帮助我们快速、
高效地解决实际问题；三是计算思维是人的，而非计算机的思维。计算思维是人类求解问题
的一条途径，但并非让人类像计算机那样思考。人类富有智慧和想象力，赋予计算机强大的
功能。计算机仅仅给予人类强大的计算能力，帮助人类处理各种大量计算问题；四是数学和
工程思维的互补与融合。计算机科学本质上来源于数学，它的形式化基础建筑于数学之上。
计算机科学实际上又含有工程思维，因为我们的目的就是通过计算机建立起人与现实世界
进行互动的系统。即设计思维实际上是数学和工程思维的互补与融合。
二、大数据思维和应用
随着电子计算机领域的迅猛发展,如今我们所处的信息时代正孕育着改变,互联网的大面
积普及和使用给人类社会带来了空前的数据量,学界称之为大数据。在大数据时代，大数据
思维问题时这个时代的核心问题。2014年1月，中国工程院院士邬贺铨在《大数据思维》
文章中揭示大数据思维概念，强调大数据思维是一种方法论，系统论述了大数据思维在各行
业的应用，其中包含宏观经济管理、制造业、农业、商业、金融业、交通运输、外贸、医疗
卫生、机器翻译、体育训练、政治、军事等14个热点领域。它具有五大特征：巨量、多样、
高速、真实及低价值密度。
从20世纪中叶电子计算机出现到21世纪初互联网迅速发展，短短五十年的现代科技革
命给人类社会带来的变化比第一次工业革命以来的两百年巨大的多。随着集成电路、计算机
技术的大幅进步，PC与移动通信设备的差别越来越小，基于移动互联的即时通信服务，如
QQ、微信等，地理信息系统服务，以百度地图、高德导航为代表正在为生活提供便利。一
个典型的应用是谷歌的流感预防项目，2008年，谷歌在美国发布了“流感预测项目”（GFT），
通过收集数十亿次的谷歌搜索要求，该项目试图对美国和全球其他地区的流感爆发做出精准
预测，目前已经在超过25个国家和地区提供服务。该项目通过对其全球各地区用户在谷歌
关于健康的点击、搜集数据，处理收集的这些庞大数据后可以发现人群中流感流行的趋势。
在地图上，谷歌通过不同的颜色来表示不同地区流感的可能流行程度。企业或机构用以分析
的数据越全面，分析的结果就越接近于真实。大数据分析意味着企业能够从这些新的数据中
获取新的洞察力，并将其与已知业务的各个细节相融合。
三、物联网模式与应用
作为信息技术前沿技术应用之一的物联网，就是物物相连的互联网的简称，是一个基于
互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的
网络。
和传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。首先，它是各种感知技术的广泛应用。
物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所
捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采
集环境信息，不断更新数据。其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术
的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实
时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极
其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种
异构网络和协议。还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的
能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识
别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意
义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。
物联网原理是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个
覆盖世界上万事万物的“InternetofThings”。在这个网络中，物品(商品)能够彼此进行“交
流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网实现物
品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。而RFID，正是能够让物品“开口说话”的一种技
术。在“物联网”的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据
通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别，进而通过开放性的计算
机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。
物联拥有业界最完整的专业物联产品系列，覆盖从传感器、控制器到云计算的各种应用。
产品服务智能家居、交通物流、环境保护、公共安全、智能消防、工业监测、个人健康等各
种领域。构建了“质量好、技术优、专业性强，成本低，满足客户需求”的综合优势，持续
为客户提供有竞争力的产品和服务。例如对象的智能标签。通过二维码，RFID等技术标识
特定的对象，用于区分对象个体，例如在生活中我们使用的各种智能卡，条码标签的基本用
途就是用来获得对象的识别信息；此外通过智能标签还可以用于获得对象物品所包含的扩展
信息，例如智能卡上的金额余额，二维码中所包含的网址和名称等。
四、人工智能
人工智能——是一门研究如何构造智能机器、智能系统，使它能模拟、拓展、延伸人类
智能的学科。它虽然是一门很年轻的新兴学科，但其应用领域却十分广泛，包括问题求解、
模式识别、符号运算、自然语言理解、智能检索、机器证明、专家系统、机器人学等几个方
面，人工智能技术正在发挥着特殊而重要的作用。
人工智能的产生是人类科学技术进步的结果，是机器进化的结果。人类为了解决生理机
能与劳动对象之间的矛盾，生产更多的财富，就要使其生产工具不断向前发展。人工智能，
是随着科学技术的发展，在人们创造了各种复杂的机器设备，大大延伸了自己的手脚功能之
后，为了解决迫切要延伸思维器官和放大智力功能的要求而产生和发展起来的。
人工智能离不开大数据，更是基于云计算平台完成深度学习进化。物联网将会产生非常
有价值的大数据，这些数据可以帮助城市预测事故与犯罪；让医生实时查看病患的心脏起搏
器和生物芯片中的信息；通过预测性维护设备和机械，可以让工业产量最佳化；由于连接物
联网的设备与传感器还会继续快速扩张，而由这些设备产生的数据总量将会增长到一个难以
置信的等级。这些数据拥有着极大的价值，可以让我们洞察出哪些是有用的，哪些是没用的。
但最大的问题将是寻找一种方式来分析由这些设备产生的数量极多的数据和信息。对人类而
言，要审查并了解所有这些数据根本不可能做到，如果用传统方法这么做的话，即使减少样
本大小，仍然需要花费很多时间。人的精力是有限的，复杂繁多的数据会让我们耗费大量的
时间和人力，并且还不能保证数据处理的准确性。唯一一种可以跟上物联网产生数据的速度，
并可以挖掘数据中拥有的隐藏信息的方法就是利用机器学习能力。
人工智能的实际应用如：生活：普通家庭应用AI，可以自动调节室温（空调），自动
开关灯，当联网获取天气情况后，可以自动提醒你多穿衣。目前的人工智能，还只是主要应
用在游戏、电商、广告等商业模式上的，未来会有更广阔的应用，比如金融，房产，汽车医
疗餐饮等，还有一些我们现在也还没想象到的领域。随着科学技术的发展，人工智能各个领
域之间会互相渗透，使得相互联系更加紧密，这种融合与渗透，必将促进人工智能研究的进
一步发展。
进入新世纪，世界上创新型国家几乎都将发展信息技术作为国家战略重点。随着信息技
术的迅速发展和应用的普及，信息产业已成为我国的支柱产业，在这当中计算思维与信息技
术前沿技术及应用研究将会发挥巨大作用，乘着互联网时代的巨船，计算思维与前沿信息技
术将在众多领域取得进展和创新。