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发布时间:2020-06-20 03:47:06

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作者:王永全 单美静

出版社:人民邮电出版社

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计算思维与计算文化

计算思维与计算文化试读:

前言

随着科学技术的不断进步,信息技术在社会各领域被广泛运用、集成和融合,特别是互联网的普及,以及世界各国“云计算”“大数据”“移动互联网”“物联网”等战略规划目标的实施,人类社会已经进入“智慧时代”。

当前,创新已成为“智慧时代”经济社会发展的重要驱动力,知识创新则是国家竞争力的核心要素。这些都离不开复合型和创新型卓越人才的培养。而这类人才的培养,其基础和关键在于人才的“科学思维”培养。因为“科学思维不仅是一切科学研究和技术发展的起点,而且始终贯穿于科学研究和技术发展的全过程,是创新的灵魂”。一般认为,科学方法分为“理论方法”“实验方法”“计算方法”三大类。与三大科学方法相对应的是三大科学思维,即“理论思维”“实验思维”“计算思维”。理论思维以数学为基础,实验思维以物理等学科为基础,计算思维则以计算机科学为基础。三大科学思维构成了科技创新的三大支柱。作为科学思维三大支柱之一,且具有鲜明时代特征的计算思维,尤其应当引起高度重视,特别是在“智慧时代”,培养人们的“计算思维”并作为其基本的认知能力,提升人们的“计算文化”并作为其基本的信息素养,具有重要意义。

自2006年美国计算机科学家Jeannette M.Wing(周以真)在《美国计算机学会通信》上发表了《计算思维》(Computational Thinking)一文,并将计算思维作为一种基本技能和普适思维方法提出以来,从2007年开始,美国的许多大学面向全体学生开设了“计算思维”等基础课程,以增强人才的创新意识和创新能力。我国一些高等院校也逐步认识到在“智慧时代”开设“计算思维与计算文化”(Computational Thinking and Computational Culture)等相关课程对各专业领域复合型和创新型卓越人才培养的重要作用。2010年以来,国内一些高等院校也先后将“计算思维”课程作为全校通识类课程进行建设并适时开设,包括自然科学和社会科学等各类专业学生都踊跃学习,因而具有及时性、先进性和前瞻性,这也非常符合现代信息技术发展在培养人才的科学思维,特别是计算思维方面(对各专业领域人才)所提出的基本素质要求。

在此背景下,为切合当今时代发展对人才培养的客观要求,引导人们自觉地将计算思维的思想贯穿于今后的学习、工作和研究过程之中,促使人们比较深入地理解计算在延伸人的想像力、创造力以及理解力方面的巨大作用,力图使计算思维方法真正成为人们基本素质中的一个要素,为今后持续性地运用计算思维分析并解决各专业领域的具体实际问题提供基础,我们编写了《计算思维与计算文化》一书。

本书内容全面系统、构思新颖,具有基础性、融合性、趣味性、实践性和前沿性等特点,适用面广。不仅可作为高等院校各专业,特别是作为非计算机专业学生开设《计算思维与计算文化》等相关课程的教材或教学参考书使用,同时也可供社会各领域工作者了解和学习计算思维与计算文化等相关知识参考或使用。

本书从知识和技能、素养和能力等方面,对计算思维与计算文化涉及的基本概念、基本知识、基本技能和基本能力进行了较为详尽地梳理、介绍、讨论和分析。主要包括计算思维和计算文化的基本概念及基础知识、信息与信息处理技术、数学与数学模型、计算与计算方法、程序设计思想与算法基础、网络与网络通信、互联网与新型网络、数据分析与科学决策、人工智能与智能计算等知识和内容。不仅将计算文化贯穿于全书的各章内容之中,还在介绍计算思维各相关专业知识的同时,让读者能够领略到这些专业知识中所渗透的计算文化的内容。

全书由王永全和单美静任主编,并拟定编写大纲和统稿;杨年华、陈德强和刘洋任副主编。主编在统稿和审阅过程中,还对一些章节的内容做了合理的修改和整合处理。

本书撰写人员的分工如下(以撰写章节为序)。

第1章:单美静;

第2章:刘琴、宋蕾;

第3章:陈德强;

第4章:孙华;

第5章:廖根为、程燕;

第6章:杨年华、刘洋、王弈;

第7章:王学光;

第8章:唐玲、程燕;

第9章:焦娜、刘洋、王永全;

第10章:王永全、刘洋;

第11章:陈海燕。

本书在撰写过程中,作为通识教育核心课程建设项目的成果之一,得到了华东政法大学以及各参编人员所在单位或部门领导的关心、帮助和大力支持,在此表示衷心感谢!同时,本书的撰写还参考引用了相关学者的资料或研究成果,但难免挂一漏万,在此,也一并表示衷心感谢!

由于时间紧迫以及作者水平所限,书中缺点和错误在所难免,恳请专家和广大读者不吝指正。作者2016年8月28日第1章计算思维概述

本章重点内容

首先介绍科学思维及其分类;然后详细介绍计算思维的定义和各种解释,以及计算思维的详细描述、特征和本质;最后介绍计算思维在不同学科领域的应用,特别是在法学、公安学以及司法鉴定方面的应用。通过具体实例来说明计算思维在各个领域中的渗透和应用。

本章学习要求

掌握计算思维的基本概念、特征和本质;了解计算思维的不同解释;了解计算思维在实践中的应用。

云计算、物联网、移动互联网、社交网络、大数据,所有的事物都开始了数字化。计算思维一词的产生,实际上是计算机学科发展和现实世界所需求的必然产物,是将多年来计算机学科所形成的解决问题的思维模式和方法渗透到各个学科。1.1 三大科学思维

什么是科学?达尔文曾经将其定义:“科学就是整理事实,从中发现规律,做出结论”。科学包括自然科学、社会科学和思维科学。科学的重要性在于,它是真理,推动着人类文明进步和科技的发展。

什么是思维?思维是跟大脑有关的。思维是高级的心理活动,是认识的高级形式;思维是人脑对现实事物的概括、加工、揭露本质特征。人脑对信息的处理包括分析、抽象、综合、概括等。

什么是科学思维?从人类认识世界和改造世界的思维方式出发,科学思维可分为理论思维(Theoretical Thinking)、实验思维(Experimental Thinking)和计算思维(Computational Thinking)3种。其中,理论思维又称逻辑思维,是以推理和演绎为特征的推理思维;实验思维又称实证思维;计算思维又称构造思维。一般来说,理论思维、实验思维和计算思维分别对应于理论科学、实验科学和计算科学。理论科学、实验科学、计算科学被称为推动人类文明进步和科技发展的三大科学,或者叫三大支柱。科学思维的含义和重要性在于它反映的是事物的本质和规律。

计算思维是人类科学思维活动固有的组成部分。人类在认识世界、改造世界过程中表现出了3种基本的思维特征:以观察和总结自然规律为特征的实证思维(以物理学科为代表);以推理和演绎为特征的推理思维(以数学学科为代表);以设计和构造为特征的计算思维(以计算机学科为代表)。随着计算机技术的出现及广泛应用,更进一步强化了计算思维的意义和作用。

计算思维不仅反映了计算机学科最本质的特征和最核心的方法,也映射了计算机学科的3个不同领域,包括理论、设计和实现。

实证思维、逻辑思维和计算思维各具特点,所有的思维都是这3种思维的混合,其中的比例会有所不同,但不存在纯粹的实证思维、逻辑思维和计算思维,这种分类是为了研究的方便,以及对学生思维训练的需要。

计算思维已经与理论科学、实验科学并列,共同成为推动社会文明进步和促进科技发展的三大手段。现在,几乎所有领域的重大成就无不得益于计算科学的支持。计算思维已经与逻辑思维、实证思维一样,成为现代人必须掌握的基本思维模式。1.2 计算思维初探

在研究计算思维的理论之前,首先试着回答下面的问题,也就是几个计算思维的实例。

计算机科学是关于什么的科学?

计算机怎么计算?

人如何指挥计算机进行计算?

计算机解决问题有没有通用的方法?

到底是计算机出错还是人出错?

什么是计算机解题的“代价”?

对计算机而言,什么样的问题是“很难”?

计算机什么问题都能解吗?

计算的本质复杂吗?

如何让计算机同时处理多个事件?

碰运气也能算是一种解题方法吗?

怎么能不让别人“窥视”自己的隐私?

如何能解“大问题”?

计算机会比人聪明吗?

在这一节中,主要讲述计算思维一词的由来,从不同角度解读计算思维一词,以及狭义和广义的定义;然后对计算思维的本质、思想和基本内涵进行阐述。1.2.1 计算思维概念

2006 年 3 月,美国卡内基梅隆大学计算机系周以真教授在美国计算机权威杂志 ACM《Communication of the ACM》上发表并定义了计算思维(Computational Thinking)。她指出,计算思维是每个人的基本技能,不仅属于计算科学家,要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,成为适合与每一个人的“一种普遍的认识和一类普适的技能”。这在一定程度上,意味着计算机科学从前沿高端到基础普及的转型。近年来,计算思维这一概念得到国内外计算机界、社会学界以及哲学界学者和教育者的广泛关注,并进行了深入的研究和探讨。

目前,国际上广泛使用的计算思维概念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一种方法,是一类解析思维。它合用了数学思维(求解问题的方法)、工程思维(设计、评价大型复杂系统)和科学思维(理解可计算性、智能、心理和人类行为),涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。

当人们必须求解一个特定的问题时,首先会问:解决这个问题有多么困难?怎样才是最佳的解决方法?计算机科学根据坚实的理论基础来准确地回答这些问题。表述问题的难度就是工具的基本能力,必须考虑的因素包括机器的指令系统、资源约束和操作环境。

计算思维的详细描述还包括如下内容。(1)计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法,把一个看似困难的问题重新阐释成已知其解决方案的问题。(2)计算思维是一种递归思维,是一种并行处理,是一种把代码译成数据又能把数据译成代码,是一种多维分析推广的类型检查方法。(3)计算思维是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计的方法,是基于关注点分离的方法(So C方法)。(4)计算思维是一种选择合适的方式去陈述一个问题,或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法。(5)计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式,从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。(6)计算思维是利用启发式推理寻求解答,即在不确定情况下规划、学习和调度的思维方法。(7)计算思维是利用海量数据来加快计算,在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折衷的思维方法。1.2.2 计算思维特征

周以真教授认为计算思维的内容,本质是抽象和自动化,特点是形式化、程序化和机械化。周教授同时给出了计算思维的6个特征。(1)概念化,不是程序化。

计算机科学不是计算机编程,像计算机科学家那样去思维意味着远不止于计算机编程,还要求能够在抽象的多个层次上思维。(2)根本的,不是刻板的技能。

根本技能是每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的;刻板技能意味着机械地重复。(3)是人的,不是计算机的思维方式。

计算思维是人类求解问题的一条途径,并不是要使人类像计算机那样去思考。计算机枯燥且沉闷,人类聪颖且富有想象力,是人类赋予了计算机激情。(4)数学和工程思维的互补和融合。

计算机科学在本质上源自数学思维,因为像所有的科学一样,其形式化基础建于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维,基本计算设备的限制迫使计算机科学家必须计算性地思考,不能只是数学性地思考。(5)是思想,不是人造物。

不只是软件、硬件等人造物以物理形式到处呈现并时时刻刻触及人们的生活,更重要的是接近和求解问题、管理日常生活、与他人交流和互动,计算的概念无处不在。(6)面向所有的人,所有地方。

当计算思维真正融入人类活动,以至于不再表现为一种显式哲学时,它将成为一种现实。1.2.3 计算思维内涵

对于计算思维的内涵解读有很多。创新这些观点包括ACM/IEEE提出的计算作为一门学科所具有的30个核心技术;周以真教授提出计算思维就是自动化抽象的过程;De Souza等认为计算思维是从自然语言描述开始,不断对其进行精化,最后得到可计算模型或代码;Kuster等理解的计算思维内涵是数据分析、算法设计与实现以及数学建模等技术的一个综合体。Engelbart认为计算思维的内涵分为3个层次:使用计算机的基本能力、理解计算机系统的熟练能力和计算思维能力。Peter Denning提出了计算的几大原则,从知识体系的角度对计算思维的内涵进行了解释。1.3 计算思维的广泛应用

计算思维具有广泛的应用领域,创新人才应该学会用计算思维的基本方法处理问题,将专业问题转化为计算机可以处理的形式,将计算思维的基本原则和手段用于面临的工作,将计算思维的基本准则用于理想和品格的塑造。1.3.1 自然科学中的应用

1.3.1.1 计算机科学

随着以计算机科学为基础的信息技术迅猛发展,计算思维对各个学科的影响尤其是对计算机学科的作用日益凸显。二者之间有着密不可分的联系,计算思维促进计算机科学的发展和创新,计算机科学推动计算思维的研究和应用。计算思维的本质是抽象和自动化,核心是基于计算模型和约束的问题求解;而计算机科学恰恰是利用抽象思维建立求解模型并将实际问题转化为符号语言,再利用计算机自动执行。其中,抽象是计算机学科的最基本原理,而自动计算则是计算机学科的最显著特征。计算思维反映的是计算机学科最本质的特征和最核心的方法。计算思维虽不是计算机科学的特有产物,甚至它的出现要先于计算机科学,但是计算机的发明却给计算思维的研究和发展带来根本性变化。计算机在数学计算和信息处理中无可比拟的优势,使原本只有在理论层面可以构造的事物变成了现实世界实现的实物,拓展了人类认知世界和解决问题的能力和范围,推进了计算思维在形式、内容和表述等方面的探索。计算思维示意如图1-1所示。图1-1 计算思维示意

因此,计算机学科是最能反映计算思维能力的学科,将计算思维引入计算机学科教学也是十分有必要的。计算思维能力是计算机专业人才所应具备的最基本和最重要的能力之一。

1.3.1.2 化学与物理

1.计算化学

作为近年来快速发展的一门学科,计算化学是理论化学的一个分支,计算机科学与化学的交叉学科,主要目标是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质(如总能量、偶极矩、四极矩、振动频率、反动活性等),用以解释一些具体的化学问题。利用计算机程序做分子动力学模拟,试图为合成实验预测起始条件,研究化学反应机理、解释反应现象等。

计算机科学与化学结合通常有以下几个研究方向。(1)计算化学中的数值计算。

利用计算数学方法,对化学各专业学科的数学模型进行数值计算或方程求解。例如,量子化学和结构化学中的演绎计算、分析化学中的条件预测、化学过程中的各种应用计算等。(2)化学模拟。

化学模拟包括:数值模拟,如用曲线拟合法模拟实测工作曲线;过程模拟,根据某一复杂过程的测试数据,建立数学模型,预测反应效果;实验模拟,通过数学模型研究各种参数(如反应物浓度、温度、压力)对产量的影响,在屏幕上显示反应设备和反应现象的实体图形,或反应条件与反应结果的坐标图形。(3)模式识别应用。

最常用的方法是统计模式识别法,这是一种统计处理数据、按专业要求进行分类判别的方法,适于处理多因素的综合影响,如根据二元化合物的键参数(离子半径、元素电负性、原子的价径比等)对化合物进行分类,预报化合物的性质。模式识别广泛用于最优化设计,根据物性数据设计新的功能材料。(4)数据库及检索。

化学数据库中存储数据、常数、谱图、文摘、操作规程、有机合成路线、应用程序等。数据库不但能存储大量信息,还可根据不同需要进行检索。根据谱图数据库进行谱图检索,已成为有机化学分析的重要手段,首先将大量的谱图(如红外、核磁、质谱等)存入数据库,作为标准谱图,然后由实验测出未知物的各种谱图,把它们和标准谱图进行比照,就可求得未知物的组成和结构。(5)化学专家系统。

化学专家系统是数据库与人工智能结合的产物,它把知识规则作为程序,让机器模拟专家的分析、推理过程,达到用机器代替专家的效果。例如酸碱平衡专家系统,内容包括知识库和检索系统,当你向它提出问题时,它能自动查出数据,找到程序,进行计算、绘图、推理判断等处理,并用专业语言回答你的问题,如溶液p H值的计算,任意溶液用酸、碱进行滴定时操作规程的设计。

2.计算物理

计算物理学是随着计算机技术的飞跃进步而不断发展的一门学科,在借助各种数值计算方法的基础上,结合了实验物理和理论物理学的成果,开拓了人类认识自然界的新方法。

20世纪50年代初,统计物理学中的一个热点问题:一个仅有强短程排斥力而无任何相互吸引力的球形粒子体系能否形成晶体。计算机模拟确认了这种体系有一阶凝固相变,但在当时人们难于置信。在1957年一次由15名杰出科学家参加的讨论会上,对于形成晶体的可能性,有一半人投票表示不相信。其后的研究工作表明,强排斥力的确决定了简单液体的结构性质,而吸引力只具有次要的作用。

另外一个著名的例子是粒子穿过固体时的通道效应就是通过计算机模拟而偶然发现的。当时,在进行模拟入射到晶体中的离子时,一次突然计算似乎陷入了循环无终止地持续了下去,消耗了研究人员的大量计算费用。之后,在仔细研究了过程后,发现此时离子运动方向恰与晶面几乎一致,离子可以在晶面形成的壁之间反复进行小角碰撞,只消耗很少的能量。

因此,计算模拟不仅是一个数学工具。例如量子计算,其基本原理是量子的重叠与牵连原理产生了巨大的计算能力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数(00、01、10、11)中的一个,而量子计算机中的2位量子位寄存器可同时存储这4个数,因为每一个量子比特可表示两个值。如果有更多量子比特的话,计算能力就呈指数级提高。

量子力学从20世纪20年代诞生至今取得了巨大进展,作为一个成功的物理理论,它的正确性是不可置疑的。量子计算机是利用“隧道效应”等已知的量子力学效应实现的超级并行计算机,最初量子计算机的概念起源于对可逆计算机的研究,主要是为了克服计算机中的能耗问题。量子计算的应用主要在保密通信和量子算法2个方面。

① 保密通信。由于量子态具有事先不可确定的特性,而量子信息是用量子态编码的信息,同时量子信息满足“量子态不可完全克隆定理”,也就是说当量子信息在量子信道上传输时,假如窃听者截获了用量子态表示的密钥,也不可能恢复原本的密钥信息,从而不能破译秘密信息。因此,在量子信道上可以实现量子信息的保密通信。

② 量子算法。大整数素因子的分解问题是著名的公开密钥密码系统RSA安全性的基础,因为对于一个足够大的整数(如500位以上的整数),即使是用高性能超级并行计算机,要在现实的可接受的有限时间内,分解出它是由哪两个素数相乘也是一件十分困难的工作,所以,多年来人们一直认为RSA密码系统在计算上是安全的。1994年,Peter Shor的研究成果Shor算法表明,在量子计算机上只要花费多项式的时间即可以接近于1的概率成功分解出任意的大整数,使RSA密码系统安全性受到极大挑战。可以说,Shor算法的发现给量子计算机的研究注入新活力,并引发了量子计算研究的热潮。

1.3.1.3 生命科学

生命科学是研究生命的产生、发展、本质及其活动规律的科学。用科学思维指导生命科学是学习研究生命科学的唯一正确选择。生命科学和科学思维密不可分,探讨生命科学和科学思维关系需要从思维和生命关系这个源头开始。生命和思维既联系又区别。联系是生命和思维共存于一体,生命系思维的载体,思维系生命的体现;区别是指生命和思维属性不同,生命本质属性是新陈代谢,是物质实体;思维本质属性是人类特有认识活动的过程,是人脑的反映。

生命科学研究数据的快速增长使学术界高度关注计算思维在研究过程中的应用。生命科学带来数据增长的挑战,其数据增长甚至远超摩尔定律的增长,如基因组测序的数据每 12个月就会增长一倍。生命科学领域大量研究数据的产生为计算机科学带来了巨大的挑战和机遇,同时,其数据量的迅猛增长,也受益于数理科学和计算机科学所提供的方法与手段。传统的计算机科学的数据处理能力远远落后,如何存储、处理、检索、查询和更新这些海量数据并非易事。数据库、数据挖掘、人工智能、算法、图形学、软件工程、并行计算和网络技术等都被用于生物计算的研究。计算机科学家运用巧妙的算法,使对人类基因组进行霰弹算法测序成为可能,并使之成为各种基因组测序的通用方法,大大降低了基因组测序的成本,提高了测序的速度。

以计算生物学为例,它是融合了计算机科学、数学等学科与生命科学融合而成的现代生物科学,主要包括以下几方面:生物序列的片段拼接;序列对比;基因识别;种族树的建构;蛋白质结构预测。在做好数据库结构设计的基础上,结合生物学数据的特点,建立生物信息数据库;再依靠大规模的计算模拟技术,利用数据库的常规操作,从海量信息中提取自己需要的生物学数据。数据库技术、数据挖掘与聚类分析方法均应用在蛋白质的结构预测中。1.3.2 人文社会科学中的应用

近年来,社会科学家利用计算思维对社会科学内容进行研究,将计算机科学家解决问题的基本思路与方法用来研究人文社科等领域的内容。不仅将计算思维作为工具,而且在思想与方法论层面与人文社科领域融合,解决更加复杂的问题,解释更加深刻的现象。这将有助于对社会问题的理解与解决,从而也推动该领域的发展。

计算思维在社会科学若干问题的研究进展中已经表现出独特的力量。例如,社会心理学家米尔格拉姆1967年的实验结果(“六度分隔”,Six Digress of Separation),在1998~2000年间得到了具有计算思维风格的理论解释,并在2005年前后得到了进一步大规模验证。通俗地说,“六度分隔”理论指你和任何一个陌生人之间所间隔的人不会超过6个,也就是说,最多通过5个中间人你就能够认识任何一个陌生人,如图1-2所示,也叫小世界理论。

在多品种拍卖匹配市场的研究过程中,利用计算思维不仅将社会最优的实现过程展现得淋漓尽致,而且其结果也广泛用于当前互联网广告拍卖机制的设计中。另外,利用计算思维中的理论对社交网络结构进行研究,从而识别人们的社会关系权力影响到社交网络社区。社会学家在20世纪提出了一套网络交换理论,近年来,通过应用计算思维的方法也得到了重要发展。具有计算思维风格的平衡理论,不仅可以用来解释第一次世界大战时期各国间联盟阵营关系的变化,而且也可以用来理解当今东北亚岛屿问题之争中各方的态度。面对新生事物在社会中不断涌现,计算思维在其分析过程中已经展现出强大的功效。图1-2 “六度分隔”理论模型

计算思维本身并不是新的理论,长期以来不同领域的人们自觉不自觉地都有采用。为什么现在特别强调?这与人类社会的进程直接相关。人类已经步入大数据时代,人类社会方方面面的活动被充分地数字化和网络化。请听下面几个故事,让你真切地感受身边的大数据和计算思维。

故事1:美国的Target百货公司上线了一套客户数据分析工具,可以对顾客的购物记录进行分析,并向顾客进行产品推荐。一次他们根据一个女孩在Target连锁店中的购物记录,推断出这个女孩怀孕了,然后开始通过邮寄购物手册向女孩推荐了一系列孕妇产品。这一做法让女孩的家长勃然大怒,然而事实真相却是女孩隐瞒了自己的怀孕消息。

故事2:全球线下零售业巨头沃尔玛,在对消费者购物行为进行分析时发现,男性顾客在购买婴儿尿片时,常常会顺便购买几瓶啤酒来犒劳自己。于是沃尔玛将啤酒和尿布摆放在一起并捆绑促销。如今这一“啤酒+尿片”的数据分析成果已经成为大数据的经典案例。

故事3:大数据不仅在零售、电子商务等领域广泛应用,而且在影视业也崭露头脚。根据英国同名小说改编的《纸牌屋》是美国一家在线影片租赁提供商Netflix在对大量的用户习惯进行分析后拍摄的。《纸牌屋》在40多个国家和地区大获成功,电影人清晰地看到了“数据”的力量。微软公司通过大数据分析处理,对奥斯卡金像奖作出“预言”,结果除“最佳导演”外,其余13项大奖全部命中。

研究这种数据有助于解释现实活动,这就是计算思维的妙用。在高度信息化的社会中,社会科学家也能像研究自然现象那样,通过“实验—理论—验证”的范式研究社会现象。

正如上述例子中描述的一样,计算思维的运用取决于对计算机或信息技术能力与局限性的理解。例如,目前流行的论文学术不端检测。无论是本科生、研究生的毕业论文,还是投稿到杂志社的各种学术论文,几乎都要进行至少一次学术不端检测。这个系统的初衷其实是很好的,在一定程度上能够对“李鬼论文”一个警示作用:杜绝抄袭,踏实学问。

为了推动计算思维与社会科学的交叉发展,教育需要承担一定的责任。长期以来,高等教育各学科之间的界限比较分明,即便在有些条件下鼓励学生选学不同学科的课程,但每门课程内容的学科属性依然很明显,其结果是缺乏融会贯通。同时,虽然要求每个社会科学专业的学生学几门计算机课程,但那些课程通常只是工具性的,缺乏对学生计算思维的启迪。教育部最近注意到了这个问题,专门发出大学计算机基础课程改革的通知,鼓励在计算机基础课程中引入跨学科元素是其精神之一。随着人们认识的提高,以及一批鼓舞人心的实践的示范引领,社会科学与计算思维的交叉互动将会成为推动学术发展的一股新风。1.3.3 计算机课程教学中的应用

高等院校的各专业大学生,接受计算机课程的培养不仅是为了学会应用计算机,而且要由此学会一种思维方式。计算机课程教学并非要求每一个学生都能成为计算机科学家,只是期望他们能够正确掌握计算思维的基本方式,这种思维方式对于学生从事任何专业的工作都是大有裨益的。思维的培养有助于造就具有良好知识修养,敢于创新,善于创新的一代新人。

陈国良教授团队设计了大学计算思维课程的总体框架,包含计算理论、算法和通用程序设计语言、计算机硬件和软件最小知识集等知识模块。具体内容规划:计算思维基础知识、计算理论和计算模型、算法基础、通用程序设计语言、计算机硬件基础、计算机软件基础等。

1.3.3.1 计算思维与计算机科学教学

显而易见,计算思维与计算机科学有着密不可分的联系,计算思维促进计算机科学的发展和创新,计算机科学推动计算思维的研究和应用。

计算思维的本质是抽象和自动化,核心是基于计算模型(环境)和约束的问题求解;而计算机科学恰恰是利用抽象思维研究计算模型、计算系统的设计以及如何有效地利用计算系统进行信息处理、实现工程应用的学科,涉及基本模型的研究、软件硬件系统的设计以及面向应用的技术与工程方法研究。其中,抽象是计算机学科的最基本原理,而自动计算则是计算机学科的最显著特征。尽管计算机学科涉及面很广,但其共同特征还是基于特定计算环境的问题求解。例如计算机科学基础理论研究实际上是基于抽象级环境(如图灵机)的问题求解,程序设计是基于语言级的问题求解活动,软件设计是系统级的问题求解。计算机科学教学将计算思维分别应用于计算机学科的3个层次:理论、技术与工程。计算思维能力则是计算机专业人才所应具备的最基本和最重要的能力之一。

1.3.3.2 计算机学科教学现状

目前,计算机学科教学面临一些问题,主要体现在以下几个方面。(1)课程设置无优势。

很多工科院系都开设了与计算机相关的各门课程,制定的课程体系比计算机专业要求还高。在毫无课程优势的条件下,计算机专业学生又缺乏其他学科知识背景,解决特定领域问题时存在沟通和开发障碍。单就从利用计算机解决实际问题的层面看,计算机专业学生与非计算机专业学生相比无明显优势。(2)理论和实践衔接不紧密。

计算机学科具有明显的理工科特征,是一门集科学、工程和应用于一体的学科。在计算机学科中,很多课程都设置有理论教学和配套实验2个环节,但实际教学中存在理论知识和实践内容衔接不紧密,实验案例更新较慢,实验内容的设计难易不均或偏离理论教学等问题,导致学生很难通过实践课程的学习深入理解、掌握和验证所学理论。(3)重教轻育。

目前,很多教师非常重视课程内容的更新、教学方法的改革和授课技能的提高,却时常忽略学生思维和能力的培养。教师只关注如何将知识以成品形式灌输给学生和检验学生对知识“复制”程度等“教”的培养,而缺乏对学生主动获取知识、重新构建知识、再次利用知识等“育”的延伸。现有的教学过程是间断的,没有延续性。在授课学时和课程容量等客观因素限制下,教师传授给学生的是经过抽象、加工和简化后的现成模型和理想化系统,学生所学的学科知识和现实世界的实际应用基本上是脱节的。即便理论知识掌握的再高深和实践技能锻炼的再娴熟,学生依然是纸上谈兵,无法独立解决真实世界中的各种问题。(4)注重计算思维培养。

从上述分析不难看出,教师在计算机学科中加强学生计算思维的培养是基本的,也是必须的要求。那么,如何将计算思维融入计算机学科中,实现思维与教学的无缝衔接呢?

利用实践案例“教”计算思维是一个好办法。有过计算机学科教学经历的教师都有这样的体会,教给学生一门知识或技能相对容易,但教会学生某种能力或思维却很难,原因在于计算机涉及的很多内容都具有非物理特征,如程序执行、系统调用和内存分配等活动都是透明的,无法被感知。学习者不能直接获取感性认识,更难建立起理性认识并指导实践活动。另外,抽象是使用计算机解决实际问题的第一步,但它也是无形之物,是人脑的思考过程。如何找到一个有效载体,将这些“只可意会”的模型和理论赋予其中,让学生更好且更容易地体会计算机系统及其工作原理呢?答案是寓抽象于实践。实践是将思维形象化和具体化的重要手段。在授课过程中,教师应注重理论知识和实践能力的结合,设计各种典型案例并着重讲解如何将实际问题转化成形式化描述的思考过程,加强学生抽象思维和逻辑思维的培养。这就是目前常用的案例化教学模式,而在融入计算思维的前提下,它又要满足更高要求。案例既要源于现实世界,又不能过于复杂和难以理解。教学案例可分为3个层次:底层为现实世界中的事物模型;中层为信息世界中的抽象模型;顶层为机器世界中的数据模型。1.3.4 公检法司等特殊领域中的应用

在计算思维中包含了一个理论是可计算性理论,在可计算性理论的中心问题是建立计算的数学模型,进而研究哪些是可计算的,哪些是不可计算的。这里所提到的可计算性是一种概括性表述,是指通过计算来解决大部分问题,哪怕是通过计算机等辅助工具,其代码本质上也是一种计算。因此,计算思维通常是尽力寻找最简易的办法来达到最大效益,这种思想在法律方面也有所应用。

1.3.4.1 公安与侦查思维

侦查逻辑思维、侦查直觉思维和侦查形象思维是侦查思维的主要方法。在公安领域中,案件侦查的某些环节和侦破疑难案件时,用侦查思维的创新能够提供良好的侦查途径和侦破方案,为案件的侦破起到关键性的作用。科学的思维方法有利于侦查主体正确地分析研究案件情况,有利于选择最佳的侦查途径开展侦查工作,有利于全面收集犯罪证据、达到及时突破案件的目的。

计算思维的本质是抽象和自动化。侦查主体要保证思维正确,还要学会运用科学的逻辑思维方法,其中包括归纳和演绎、分析和综合、抽象和具体、历史和逻辑的一致等。这些思维方法各有不同的重要作用,侦查主体就针对不同的对象和问题,灵活地运用它们,可以提高思维效率,正确指导侦查实践。要使侦查逻辑思维富有成效,还必须注重辩证思维,尤其要从辩证法中汲取营养。

计算机侦查技术是通过技术手段,找到与案件相关的数据证据。要确保这些证据的合法性和真实性,并得到司法部门的认可,就必须进行电子技术司法鉴定。应对常用取证工具的有效性及可靠性进行检测评估,这将有利于取证工具的开发和应用,提高犯罪侦查技术鉴定的可靠性和准确度,从而进一步推动网络安全技术。

1.3.4.2 法律中的应用

思维逻辑在不同的领域,根据不同需要被划分为经济逻辑学、法律逻辑学、生物逻辑学、物理逻辑学、线性逻辑学等。对于法律从业人员需要重点掌握的是法律逻辑学。法律逻辑学分为:审判逻辑、侦查逻辑、法律思维与司法技术逻辑、法律规范逻辑等。法律逻辑学是研究思维形式的逻辑结构和逻辑规律,并在此基础上探讨法律领域中特有的逻辑现象和逻辑问题的一门科学。

逻辑学运用于法律实践中,要为司法实践服务,具体到检察活动中,它能帮助检察人员正确掌握法律概念,充分运用判断、推理等逻辑思维手段,对指向犯罪嫌疑人的证据进行收集和审查,正确行使法律赋予的法律监督权、侦查权和求刑权,要求人民法院对所指控的犯罪事实予以确认并追究犯罪人刑事责任,实现国家刑罚权,最终达到我国《刑法》所规定的目的。

在法律发现过程中,类型思维的过程是一种综合了类推、设证、归纳与演绎这4个程序性因素的综合论证过程,而此过程的核心是类推。思考与练习

1.科学思维的三大支柱是哪些,如何理解其对推动人类文明进步和科技发展的作用?

2.计算思维的含义和本质是什么?

3.计算思维的特征有哪些?

4.列举计算思维在不同领域的应用。

5.结合自己所学专业,举例说明计算思维在本专业中的体现。第2章信息与信息处理技术

本章重点内容

信息与信息处理的基本概念、发展历程和发展趋势。常用信息处理软件的使用。

本章学习要求

通过本章学习,掌握信息与信息技术的基本概念,理解信息技术发展的历史、现状和发展趋势,熟悉常用信息处理软件的使用。

信息技术的快速发展营造了全新的信息化社会环境。数字化、智能化、网络化等信息化特征不仅改变了人们的生活方式,也转变了人们的认知结构和思维特征。良好的计算思维不仅有利于人们了解信息与信息技术的要素,规范有序地使用信息技术,而且对人们发展与之相适应的思维方法具有重要意义。2.1 信息与信息处理技术概述

计算是人类最需要的一种基本能力,目前存在的两大计算形态就是人脑计算和机械计算。随着大数据时代的到来,机械计算的普及要求越来越高。计算思维就是运用计算机科学的基础概念来求解问题、设计系统和理解人类的行为,是人们用信息技术解决问题的一种能力,通过约简、嵌入、转化和仿真等方法,把看似困难的问题重新阐释成一个知道怎样解决的问题。计算思维很好地从思维的角度把人是如何处理信息,工具是如何处理信息有机地结合起来。那么究竟什么是信息,人通过什么工具(技术)来处理信息呢?2.1.1 信息

2.1.1.1 信息的定义

1.数据

数据是记录客观事物的符号,包括结构化数据(数字、符号等)和非结构化数据(图像、声音、网页等)。所有用来描述客观事物的语言、文字、图画、声音、图形和模型都称为数据。所以,数据是信息的来源,也是信息的基本表现形式。

2.信息

信息是信息论中的一个术语。早在1928年,由美国数学家哈特雷(Hartly)首次在《贝尔系统电话》杂志上提出“信息是选择的自由度”的概念,1948年,C.E.Shabbon香农博士在题为《通信的数学理论》中补充说明“信息是用来消除随机不定性的东西”,并提出信息量的概念和信息熵的计算方法,奠定了信息论的基础。

广义地说,信息的含义是经过加工处理的有用数据,它表现为多种多样的数据形式:声音、文字或图像、动画、气味等,能被观察者所感知、识别、提取、存储、检索与处理,能表达一定意念,并可以传递和共享。

信息是现代社会的一种重要资源,与物质和能源一起构成了客观世界的三大要素,是人类生存和社会进步的必要条件,信息的积累和传播是人类文明进步的基础。世上一切存在都有信息,信息无所不在,也无处不有。

2.1.1.2 信息的特征和分类

信息是一切物体存在方式和运动状态的反映,它直接或间接描述客观世界,直接影响接收者的行为和决策,具有现实的或长远的使用价值。

与物质和能量相比,信息具有以下特征。(1)可识别性。人类可以通过感觉器官和科学仪器等方式来获取、整理、认知信息。例如通过感官的直接识别和通过各种测试手段的间接识别。(2)可量度性。信息可采用某种度量单位进行度量,并进行信息编码。例如现代计算机使用的二进制。(3)可转换性。信息经过处理后,可以从一种形态转换为另一种形态。例如自然信息可转换为语言、文字和图像等形态,也可转换为电磁波信号和计算机代码。(4)可存储性。信息可以通过各种方法来存储客观世界中的文字、摄影、录音、录像,计算机存储器等都可以进行信息存储。(5)可处理性。人脑就是最佳的信息处理器,可以进行决策、设计、研究、写作、改进、发明、创造等多种信息处理活动。(6)可传递性。信息是可以通过各种媒介在人-人,人-物,物-物等之间传递,语言、表情、动作、报刊、书籍、广播、电视、电话等是人类常用的信息传递方式。(7)可再生性。信息经过处理后,可以以其他形式再生。例如自然信息经过人工处理后,可用语言或图形等方式再生成信息。(8)可压缩性。对信息进行浓缩、综合和概括,舍弃无用或不重要的信息,正确地对信息进行压缩。(9)可共享性。信息共享是信息区别于物质、能量的一个重要特征。在信息的传递过程中,被众多的接收者获取而不会减少信息的信息量。信息具有扩散性,因此可共享。(10)时效性。信息在特定范围内有效,由于信息的动态性,那么一个固定信息的使用价值必然会随着时间的流逝而衰减。时效性实际上是与信息的价值性联系在一起,如果信息没有价值也就无所谓时效。

信息作用于社会生活的每一个领域,伴随着人们进行的一切社会活动,不同的角度有不同的分类方法。按信息重要性可分为战略信息、战术信息和作业信息;按信息的表达形式可分为文献信息、音像信息、电子信息;按事物的运动方式,把信息分为概率信息、偶发信息、确定信息和模糊信息;按信息应用领域可分为工业信息、农业信息、军事信息、政治信息、科技信息、文化信息、经济信息、市场信息和管理信息等;按信息加工的层次可划分为零次信息、一次信息、二次信息、三次信息等。2.1.2 信息处理技术

信息处理指的是与信息的收集(如信息的感知、测量、获取、输入等);信息的加工(如信息的分类、计算、分析、转换等);信息的存储(如信息的书写、摄影、录音、录像等);信息的传递(如邮寄、电报、电话等);信息的使用(如控制、显示等)内容相关的行为和活动。

随着计算机技术的不断发展,计算机已经从初期的以“计算”为主的一种计算工具,发展成为以信息处理为主、集计算和信息处理于一体的与人们的工作、学习和生活密不可分的一个工具或者一种技术。

2.1.2.1 信息技术

信息技术包括计算机技术、通信技术、微电子技术、传感技术光电子技术、人工智能技术、多媒体技术、云计算、物联网技术等,其中计算机技术、通信技术、微电子技术是其核心技术。信息技术的实质就是模拟和扩展人类信息器官的功能,从而快速、准确地处理各种信息。

信息技术是指用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称,即凡是能扩展的信息功能的技术,都是信息技术。它主要是指利用电子计算机和现代通信手段实现对信息的识别、检测、提取、变换、传递、存储、检索、处理、再生、转化以及应用等方面的相关技术。

信息技术是方法和手段的总称,其内涵包括两方面。一是方法,对各种信息进行采集、加工、处理、传输、应用的方法,是一种智能形式的技术;二是手段,即各种信息媒体,是物化形式的技术,如印刷媒体、计算机网络、电子媒体等。随着计算机的普及,信息技术在社会各行各业得到了广泛的渗透,显示出它强大的生命力,从根本上改变着人类社会的生产和生活方式。

信息技术按不同形式会有不同的分类方法。按信息活动的基本流程,信息技术可以划分为信息获取技术、信息处理技术、信息传递技术、信息存储技术、信息检索技术等。信息获取技术是指能够对各种信息进行测量、存储、感知和采集的技术,特别是直接获取重要信息的技术,如气象卫星、行星探测器等。信息处理技术是对信息进行分类、排序、转换、浓缩、扩充的技术。信息传递技术的主要功能是实现信息快速、可靠、安全的转移,各种通信技术都属于这个范畴。信息存储技术是指跨越时间保存信息的技术,主要包括数据压缩技术、缩微存储技术、光盘存储技术等。信息检索是指信息按一定的方式组织起来,并根据信息用户的需要找出有关信息的过程和技术。

2.1.2.2 信息处理技术

信息处理技术是信息技术的一个子集,是指用计算机技术收集、加工、传递信息的过程,主要依赖于计算机高速运行、自动处理海量的信息,并保持极高精确度的特有功能。因此,信息处理技术是以计算机技术为核心,配合数据库和通信网络技术进行分析的技术,其中数据库技术是关键技术,它能整合相关信息,存储有序信息并进行有效利用。

当前,信息处理技术未来发展趋势是面向大规模、多介质的信息,使计算机系统具备更大范围信息处理功能,从典型的技术驱动发展模式到技术驱动与应用驱动相结合的模式转变,主要包括高速大容量、综合集成、平台化、智能化和多媒体化。

现在,以计算机为核心的信息处理技术几乎涉及到人类社会的各个方面,从经济到政治,从生产到消费,从科研到教育,从社会结构到个人生活方式,其影响之广、作用之大,令人惊叹。随着以云计算和移动宽带为突破口的信息处理和传输技术的发展,信息技术及产业正在酝酿一次新的飞跃,以物联网、3D 技术、定位技术和多媒体搜索技术为支柱的新兴信息产业正在兴起,在可预见的未来,信息技术及产业仍有巨大发展空间。

2.1.2.3 信息处理技术的主要类型

1.信息系统技术

人类通过信息系统这个工具来完成对信息的管理和利用,各种软硬件系统也只有集成为综合系统才能充分发挥作用。信息管理是认清不同人员和专门机构所处的各种情况,做出决策,制定行动方案来解决问题。信息系统技术就是管理者要完成管理任务所使用的工具,包括计算机硬件、软件、数据管理技术、网络与电信技术、互联网技术和所需的操作技术。

2.数据库技术

数据库技术是通过研究数据库的结构、存储、设计、管理以及应用的基本理论,然后按一定的数据模型来实现对数据库中的数据进行处理、分析和理解的技术。数据库技术的研究对象是信息处理过程中大量数据有效地组织和存储成数据集合的问题。数据库技术由相关数据集合以及对该数据集合进行统一控制和管理的数据库管理系统构成。它的实现依赖于计算机的超高速运算能力和大容量存储能力。

数据库技术的根本目标是在数据库系统中减少数据存储冗余,实现数据共享,保障数据安全以及高效地检索数据和处理数据。

从某种意义上来说,数据库技术的发展程度甚至能够反映一个国家的信息化水平和科技经济的发达程度,数据库技术已经成为现代智能化城市进步的一个非常重要的推动力。

3.检索技术

信息检索是指按某种方式、方法建立起来的供用户查找相关信息的一种有层次的信息体系,是表征有序的信息特征的集合体,而实现这个过程所用的技术,称为检索技术。检索技术的关键是数据库技术和数据通信技术。当今网络时代,非结构化数据的大量涌现和海量数据的产生,对检索技术提出了完全不同的新需求,对查询速度、查全率、查准率等检索标准有了进一步的提高。

未来的信息检索技术将在理念、技术、人性化、智能化等方面取得全面突破,逐渐适应人脑的思维方式,实现智能、高效、快速而灵活的信息检索,最后达到随心所欲地查找,迅速获取所需信息的水平。当然,这些突破也需要计算机硬软件技术、通信技术、人工智能技术、可视化技术、数据挖掘技术等相关技术支持。

4.人工智能技术

现阶段信息处理技术领域呈现两种发展趋势:一种是面向大规模、多介质的信息,使计算机系统具备处理更大范围信息的能力;另一种是与人工智能进一步结合,使计算机系统更智能化地处理信息。智能信息处理是计算机科学中的前沿交叉学科,是应用导向的综合性学科,其目标是处理海量和复杂信息,研究先进的理论和技术。

人工智能技术在基础理论研究领域,涵盖信息和知识处理的数学理论、复杂系统的算法设计和分析、并行处理理论与算法、量子计算和生物计算等新型计算模式、机器学习理论和算法、生物信息和神经信息处理等;在以互联网应用为主要背景的特定领域智能信息处理,包括大规模文本处理、图像视频信息检索与处理、基于Web的知识挖掘、提炼和集成等;另外还有商务和金融活动中的智能信息处理,包括电子政务、电子商务、电子金融等。总之,人工智能技术在国民经济各领域的应用,努力实现并提高信息处理技术的社会效应和经济效益。

2.1.2.4 信息处理技术的发展变革

信息处理技术经历了五次重大变革。(1)语言和手势最早成为人类交流和传播信息的工具。

远古时代,人类以手势、图符或某种信号(如点燃烽火、敲击硬物等)传递信息,用视觉和听觉器官接受各种信息。在这个不断进化的过程中产生了语言,语言成为人类信息交流的第一载体。语言既是思维的工具,又是人类进行意识交流和传播信息的工具。在这一历史时期,人类依靠大脑存储语言信息的同时也促进了人类信息处理器官——大脑的进一步发展。(2)文字的使用使人类对信息的保存和传播取得重大突破。

语言使用后期出现了文字,文字的发明是人类信息资源的开发和利用的里程碑。这时期除用语言传播信息外,文字成为人类信息交流的第二载体。人类的大脑不仅依靠感觉器官直接与外界保持联系,而且还可以依靠语言和文字间接地与外界保持联系。文字的出现使人类信息的存储与传播方式取得了重大突破,在人类知识积累和文明发展的过程中发挥着十分重要的作用。(3)印刷术使书籍、报刊成为重要的信息存储和传播的媒体。

中国的毕昇发明了活字印刷技术,德国人谷登堡发明了现代印刷技术。文字的发明促进了信息的大量积累,印刷技术的发明则把文字信息的传播推向了新的高度。将实践过程中的认识和经验等信息加以系统化地整理,便形成了知识。印刷技术的使用有利于对文字信息和知识进行大量生产和复制,此后,报刊和书籍成为人类重要的信息存储和传播媒介,极大地推动了思想的传播和人类文明的进步。(4)电报、电话、广播和电视的发明和普及应用,以更快速度推进着人类文明向前发展。

1844年在美国的华盛顿和巴尔的摩之间开通了世界上第一个电报业务;1876年贝尔用自制的电话同他的助手通话;1923年英国广播公司(BBC)在全国正式广播,1925年首次有了电视播映。电磁波的出现使人类不但可以在信息发出的瞬间收听到语言和音响信息,还可以看到图像和文字,于是电磁波便成为人类信息交流的第三载体。与此同时,知识和信息还继续以报纸、杂志、书籍等形式广泛传播,使信息传递普及到整个社会。(5)计算机与通信技术相结合的信息技术的诞生。

计算机正成为现代化产业的重要支柱,而高级计算机技术与先进的通信技术相结合,已引起一场世界性的信息革命。计算机与通信技术的结合不是简单的相加,而是产生了“惊人”的放大效应。计算机、光纤、通信卫星等新的信息运载工具成为新技术革命形势下主要的信息载体。尤其是语音识别和合成技术、图像处理技术、人工神经网络技术、可视化技术的迅速发展,信息处理技术进入了崭新的时代。

计算机技术依赖于计算机的组成,其包括硬件和软件两个部分,下面章节将分别对其进行详述。2.2 计算机硬件组成2.2.1 计算机体系结构

20世纪20年代后,电子技术和电子工业的迅速发展为研制电子计算机提供的物质和技术基础。1946年2月14日,由美国军方定制的世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机”(ENIAC Electronic Numerical And Calculator)在美国宾夕法尼亚大学问世,主要发明人是电气工程师普雷斯波·埃克特(J.Prespen Eckert)和物理学家约翰·莫奇勒博士(John W.Mauchly)。ENIAC(中文名:埃尼阿克)是美国奥伯丁武器试验场为了满足计算弹道需要而研制成的,这台计算器使用了17840支电子管,大小为80英尺×8英尺,重达28吨,功耗为170k W,其运算速度为每秒5 000次的加法运算,造价约为487 000美元。

ENIAC的问世具有划时代的意义,表明电子计算机时代的到来。ENIAC的发明标志着人类计算工具的历史性变革的电子计算机终于试制成功,但同时也存在不足。(1)使用十进制,数据存储十分困难,同时使运算电路复杂,影响计算速度。(2)无程序存储功能,所有计算控制需要通过手工插接完成。(3)存储量小,只有20 byte的寄存器存储数字。(4)功耗大,故障率高,维护量大。ENIAC有近2万支电子管,

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