Вычислительное мышление: Метод решения сложных задач
Шрифт:
Настоящая сила этой идеи в том, что следование алгоритму обеспечивает решения для целой группы задач, а не только для одного примера. Алгоритм для решения кроссвордов позволит решить много кроссвордов. Алгоритм для арифметических действий справится с любым расчетом. Когда мы воспринимаем задачи и решения таким образом, это называется алгоритмическое мышление.
Например, недостаточно знать, что 20 + 22 равно 42. Специалисту по информатике нужен алгоритм, который будет складывать два числа. На самом деле все мы в начальной школе изучаем этот алгоритм именно для того, чтобы решать примеры и не углубляться в его составление самим! Подобным образом, во все компьютеры встроена инструкция по сложению – вот насколько она важна! Компьютер действует только как калькулятор, только
Изменить мир
Однако речь здесь идет не только о вычислениях. Алгоритмы можно использовать в самых разных целях. Мыслите алгоритмически, и у вас появится мощный способ изменить мир. Если записать алгоритмы в виде программ, то они будут слепо выполнять все что угодно. Сегодня банки вместо людей используют алгоритмы, чтобы торговать ценными бумагами – покупать, продавать и получать миллионные прибыли. НАСА использует их, чтобы запускать корабли на Марс. Вы пользуетесь алгоритмами, чтобы слушать музыку и смотреть видео. Алгоритмы управляют самолетами, помогают хирургам и позволяют нам делать покупки, сидя у себя в гостиной или в вагоне поезда. Они водят машины и даже создают произведения искусства. Сейчас алгоритмы присутствуют во всех аспектах нашей жизни. Алгоритмы уже преобразили нашу жизнь и продолжают это делать. Поэтому важно понимать, что такое алгоритмическое мышление. Так же, как мы изучаем физику, чтобы понимать физический мир, и биологию – чтобы понимать живой мир, всем нам необходимо в какой-то мере освоить информатику, чтобы понять виртуальный мир, который тихо захватил нашу жизнь.
Научное мышление
Алгоритмическое мышление – это не просто способ решать задачи. Оно открывает новые пути для понимания мира. В традиционной науке используются эксперименты. Биологи ставят эксперименты на крысах и обезьянах, на клеточных культурах. Медики проводят испытания лекарственных препаратов. Физики ставят эксперименты над самим миром. Однако, если мыслить алгоритмически, возможен другой вариант. Если существует теория, объясняющая некое явление, будь то воздействие радиации на поверхность планеты, формирование экосистемы или развитие злокачественной опухоли, мы можем создать алгоритмы, работающие подобным образом. Мы можем создать вычислительную модель – программу, которая должна симулировать интересующие нас феномены, и проводить эксперименты на модели, а не в реальном мире. Если мы правильно понимаем явление, то программа будет вести себя как объект моделирования. Если этого не произойдет, значит, с нашей теорией что-то не так. Обдумывая, что пошло не так, мы обнаружим, чт'o надо изменить в теории, и, таким образом, будем лучше понимать явление. Вполне вероятно, что изучение модели выведет нас на новые предположения, которые можно проверить уже в реальном мире.
Вычислительное мышление
Вычислительное мышление подразумевает не только поиск решений в виде алгоритмов. Это целый набор приемов, который обеспечивает нам эффективный способ улучшения жизненных условий и осмысления мира. Но мы не будем погружаться в специфические термины, а продемонстрируем эти методы на примере задач как серьезных (например, помощь инвалидам), так и развлекательных (игры, головоломки и фокусы).
Глава 2
В поисках способа говорить
Одним из самых тяжелых патологических состояний, какие только можно вообразить, является синдром «запертого человека». Человек в таком состоянии полностью парализован и в лучшем случае в состоянии только моргать. Разум заключен в тюрьму бесполезного тела. Человек воспринимает все вокруг, но не может передавать информацию. Тем, кто хотел бы помочь людям с таким синдромом, очевидно, нужно учиться на медиков. Но может ли что-нибудь сделать программист?
Сидром «запертого
Синдром «запертого человека» – это полный паралич тела после инсульта. Вы продолжаете думать, видеть, слышать. Вы так же разумны, как и прежде. Это может случиться с каждым. Лечения этого заболевания нет, поэтому максимум, что могут сделать медики, – позаботиться об удобстве пациента. Но возникает важный вопрос: как помочь пациентам с синдромом «запертого человека» «разговаривать». Как им общаться с врачами, семьей и друзьями? Очевидно, специалист по информатике мог бы изобрести новую технологию, которая была бы полезна в этой ситуации. Однако благодаря вычислительному мышлению мы можем предложить способ гораздо лучше, чем просто «полезная технология».
«Скафандр и бабочка» – невероятно жизнеутверждающая книга. Это автобиография Жан-Доминика Боби, которую он написал после того, как очнулся в больнице полностью парализованным. Он рассказывает о жизни с синдромом «запертого человека». То есть у него был способ общения, который позволил не только разговаривать с медиками, друзьями и семьей, но и написать книгу. Боби сделал это, вообще не прибегая к технике. Но как?
Представьте себя в его положении – очнулись на больничной койке. Как вы могли бы общаться? Как могли бы написать книгу? Только человек с ручкой и бумагой смотрит на вас, готовый записывать слова. Вы из тех, кому повезло, – вы можете моргать одним глазом, но это все. Это единственное движение, которое вам доступно. Значит, разговаривать вы не в состоянии. Однако вы видите и слышите.
Теперь представьте, что вы врач такого пациента и вам необходимо придумать способ общения с ним.
Просто как A, B, C
Вам нужно условиться о способе превратить моргание (все, что доступно пациенту) в буквы. Возможно, сначала вам придет в голову такой вариант: когда он моргнет раз, это будет означать «А», два раза – «В» и так далее. Тогда помощнице останется посчитать, сколько раз моргнул пациент, и записать соответствующие буквы.
Предложив такую идею, мы уже рассуждаем как программисты. То, чем мы занимаемся, лежит в основе вычислительного мышления – это алгоритмическое мышление. Мы придумали серию шагов, которым могут следовать больной и его помощница, чтобы гарантированно передать и понять нужные буквы. В информатике такой способ коммуникации называют алгоритмом. Он представляет собой серию шагов, которые необходимо пройти в заданном порядке, чтобы достичь определенной цели (в данном случае – передать буквы и слова). Алгоритмическое мышление необходимо, чтобы разрабатывать алгоритмы для решения задач.
Красота алгоритмов в том, что им следуют, не имея представления, чт'o именно они значат. В случае с нашим алгоритмом помощница предположительно знает, что и для чего она делает, но книга все равно была бы написана, даже если бы она ничего не понимала. Все, что нужно делать, – считать моргания и записывать буквы в соответствии с полученными инструкциями. Мы могли бы дать помощнице таблицу, чтобы сверять по ней буквы, и тогда работа выполнялась бы без какого-либо ее осмысления вообще. Красота алгоритмов заключается в возможности действовать механически, и в этом их смысл – ведь компьютеры тоже слепо выполняют инструкции. Это умеют абсолютно все компьютеры.
Наш алгоритм общения на деле состоит из двух частей. Одну часть выполняет Боби (моргнуть нужное количество раз), а другую – помощница (сосчитать, сколько раз моргнул Боби, и записать соответствующую букву, когда моргание прекратится). Более того, в информатике есть специальное название для алгоритма, при помощи которого делятся между собой информацией два человека или компьютера, – он называется протокол. Если оба человека выполнят свою часть протокола, то слова, которые задумал Боби, окажутся записанными на бумаге. Если кто-то сделает ошибку – например, собьется со счета и таким образом отойдет от протокола, – то сообщение не будет доставлено. В компьютерах хорошо то, что они не делают таких ошибок, каждый раз точно выполняют инструкции. Коль скоро инструкции верны, машины-то уж точно их верно выполнят.