计算机与计算思维2概要
计算思维视角（第2版）
计算思维视角（第2版）•内容简介:从计算思维视角出发，重新组织大学计算机入门教材，主要内容包括：计算机基础知识，计算理论与计算模型，算法与程序设计基础，计算机硬件和软件基础，以及IT新技术和计算机素质教育等。
以计算思维为主线，着重培养学生的问题求解能力、系统设计能力和人类行为理解能力。
《大学计算机：计算思维视角（第2版）/教育部大学计算机课程改革项目规划教材》力求做到传承计算文化、弘扬计算科学、培养计算思维，使读者体验计算的愉悦、感悟计算之美。
•作者简介:陈国良，中国科学技术大学／深圳大学教授，中国科学院院士。
主要研究领域为并行算法和高性能计算及其应用等。
先后承担了国家863计划、国家973计划、国家攀登计划、国家自然科学基金等10多项科研项目，发表论文200多篇.出版学术著作和教材10多部。
曾获得国家科技进步二等奖、教育部科技进步一等奖、水利部大禹一等奖、中国科学院科技进步二等奖和自然科学三等奖、国家级教学成果二等奖、首届全国高等学校教学名师奖、CCF杰出教育奖、安徽省重大科技成就奖等共20多项奖项，并获安徽省劳动模范称号。
陈国良院士是我国非数值并行算法研究的学科带头人，他率先创建的第一个国家高性能计算中心是我国并行算法研究、环境科学与工程计算软件的重要基地，在学术界和教育界有一定的影响和地位。
王志强，深圳大学教授。
主要研究领域为多媒体信息处理和计算机教育等。
先后承担了省部级研究项目7项，发表论文80多篇，出版著作或教材20余部。
曾获得普通高等教育“十一五”国家级规划教材1部，广东省精品教材1部，广东省高等教育教学成果一等奖2次、二等奖3次，广东省精品课程2门。
•目录:第1章计算机基础知识1.1计算机概述1.1.1计算机的定义1.1.2计算机的分类1.1.3计算机的特点1.1.4计算机的应用领域1.2计算机运算基础1.2.1数制及其转换1.2.2存储单位及地址1.2.3数值型数据表示1.2.4字符型数据编码1.2.5多媒体信息编码1.3计算机工作原理1.3.1指令和指令系统1.3.2计算机程序设计1.3.3计算机程序执行1.4计算学科的典型问题1.4.1排序问题1.4.2汉诺塔问题1.4.3国王的婚姻1.4.4旅行商问题本章小结思考题参考文献第2章计算理论与计算模型2.1计算的几种视角2.1.1计数与计算2.1.2逻辑与计算2.1.3算法与计算2.2计算理论2.2.1计算与问题求解2.2.2可计算性理论2.2.3停机问题2.2.4计算复杂性理论2.2.5公钥密码学2.3计算模型2.3.1图灵机2.3.2冯·诺依曼机*2.3.3量子计算机*2.3.4生物计算机*2.4计箅科学的数学基础2.4.1数理逻辑2.4.2集合论2.4.3代数系统2.4.4图论本章小结思考题参考文献第3章算法基础3.1算法的概念3.1.1算法的起源3.1.2算法的定义和特征3.2算法的描述3.2.1自然语言3.2.2流程图3.2.3伪代码3.2.4程序语言3.3算法的设计3.3.1穷举法3.3.2回溯法3.3.3递归3.3.4分治法3.3.5贪心法3.3.6动态规划*3.4算法的评价和分析3.4.1算法的正确性3.4.2算法的复杂度*3.5算法中的常用数学工具3.5.1求和3.5.2递归方程求解本章小结思考题参考文献第4章程序设计基础4.1程序设计的概念4.1.1什么是程序4.1.2程序设计4.2程序设计语言4.2.1机器语言4.2.2汇编语言4.2.3高级语言4.2.4第四代语言4.3Raptor编程基础4.3.1什么是Raptor4.3.2Raptor的符号4.3.3变量和常量4.3.4输入语句4.3.5赋值语句4.3.6输出语句4.4Raptor控制结构4.4.1顺序结构4.4.2选择结构4.4.3循环结构4.5调用语句与子图本章小结思考题参考文献第5章计算机硬件基础5.1计算机硬件系统5.1.1计算机硬件的组成5.1.2中央处理器5.1.3存储器系统5.1.4输入设备5.1.5输出设备5.2计算机系统结构5.2.1并行处理的概念5.2.2流水线处理机5.2.3并行处理机5.2.4多处理机系统5.2.5机群系统5.3嵌入式系统基础5.3.1嵌入式系统的应用5.3.2嵌入式系统的定义5.3.3嵌入式系统的特点5.3.4嵌入式系统的组成5.3.5嵌入式操作系统5.4多媒体系统基础5.4.1多媒体技术的基本概念5.4.2多媒体系统的层次结构5.4.3多媒体系统的基本组成5.4.4多媒体系统的应用领域5.5计算机网络基础5.5.1网络的基本概念5.5.2网络体系结构5.5.3互联网及其应用5.5.4网络安全技术本章小结思考题参考文献第6章计算机软件基础6.1计算机软件概述6.1.1计算机软件的定义……第7章IT新技术第8章大学计算机素质教育。
大学计算机第1章 计算思维与计算机
5
1.1.2 思维概述
1. 思维与思维过程
① 分析与综合 ② 比较 ③ 抽象与概括
2. 三种科学思维
① 实证思维：实验思维 ② 逻辑思维：理论思维 ③ 计算思维：构造思维
6
1.1.3 计算思维的引入
1. 计算思维的含义
① 机器人、专家系统、模式识别、智能检索
6. 网络应用 7. 多媒体技术的应用
19
1.3 高性能计算机 1.3.1 并行计算 1.3.2 分布式计算 1.3.3 集群计算 1.3.4 云计算
20
1.3.1 并行计算
1. 并行计算（Parallel Computing）：
指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程。
① 计算思维是概念化思维，不是程序化思维。 ② 计算思维是基础的技能，不是机械的技能。 ③ 计算思维是人的思维，不是计算机的思维。 ④ 计算思维是思想，不是人造品。 ⑤ 计算思维是数学和工程互补的思维，不是数学性的思维。 ⑥ 计算思维面向所有的人，所有领域。7源自1.1.3 计算思维的引入
2. 计算思维的特点
① 算盘时代 ② 机械时代 ③ 机电时代
加法器
差分机
制表机
12
1.2.1 计算机的发展
2. 计算机的诞生
1946年2月14日诞生，是美国宾夕法尼亚大学研制的 “电子数值积分计算机”（ENIAC）。
1. 5000次加法/秒 2. 保存80个字节 3. 体重28吨 4. 占地170m2 5. 18800只电子管 6. 1500个继电器 7. 功率150KW 13
三级分层：云软件、云平台、云设备。
教学课件：《大学计算机—计算思维视角》(第2版)陈国良
1.1 计算机概述
• 1.1.4 计算机的应用领域 • 1.科学计算或数值计算 • 利用计算机来完成科学研究和工程技术
中提出的数学问题的计算。 • 实际问题→数学模型→计算量大。 • 2.数据处理或信息处理 • 指对数据进行收集、存储、整理、分类、
统计、加工、检索和传播等一系列活动的 统称。 7• 信息时代海量数据的管理和有效利用。
• 5.人工智能
• 利用计算机模拟或部分模拟人的智能活
动，如感知、判断、理解、学习、图像识
别等。
• 实用技术：智能机器人、专家系统
• 6.通信网络
• Internet→网上银行、网上订票
•
网上教学、网上医疗
•
网上税收、网上出版
9
1.2 计算机运算基础
• 1+1 =10
• 6+3 =11
二进制数 八进制数 十六进制
唯一
31
00000000
00000000
1.2 计算机运算基础
• 1.2.4 字符型数据编码 • 1.ASCII码 • American Standard Code for
1.1 计算机概述
• 3.按规模和处理能力分类(IEEE) • 巨型机：超级计算机,功能最强,价格最贵。 • 小巨型机：与巨型机相比，价格大幅降
低。 • 大型机：主机，具有很强的管理和处理
数据的能力，在大企业、银行等单位使用。 • 小型机：中小企业，VAX-II, DJS-2000。 • 工作站：高档微机，具有很强的图形处
十进制数：512D或512 1011B 八进制数：127Q
二进制数： 十六进制：A8H
20
1.2 计算机运算基础
4.计算机为什么采用二进制
计算思维与大学计算机基础第2章中文版Windows 7操作系统
按所支持的用户数和任务数分类
(1)单用户单任务操作系统 在单用户单任务操作系统下，一台计算机只能有一个用户
使用，且一次只能运行一个程序。
(2)单用户多任务操作系统 在单用户多任务操作系统下，一台计算机只能有一个用户 使用，但可以同时运行多个程序。 (3)多用户多任务操作系统
在单用户多任务操作系统下，一台计算机可以有多个用户
3.文件管理
4.设备管理
5.用户接口
存储器管理
存储器管理的主要任务是负责内存分配、内存 保护、内存扩充。合理地为程序分配内存，保证程 序间不发生冲突和相互破坏。 存储器管理应实现下述主要功能： (1)内存分配：按一定的策略为每道程序分配内 存。 (2)内存保护：保证各程序在自己的内存区域内 运行而不相互干扰。 (3)内存扩充：借助虚拟存储技术获得增加内存 效果。
2.1.3
操作系统的分类
按使用环境和作业处理方式分类 按所支持的用户数和任务数分类 按计算机体系结构分类
按使用环境和作业处理方式分类
(1)批处理操作系统 用户将作业交给系统操作员，系统操作员将许多用户的作 业组成一批作业，之后输入到计算机中，在系统中形成一个 自动转接的连续的作业流；然后启动操作系统，系统自动、 依次执行每个作业；最后由操作员将作业结果交给用户。 (2)分时操作系统 分时系统的计算机借助于通信线路，连接着若干个终端。 分时系统工作时，轮流地为每一个终端服务一个时间片。对 每个终端用户来说，好像是自己独占了整台计算机。 (3)实时操作系统 实时操作系统是指使计算机能及时响应外部事件的请求， 在规定的严格时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时 设备和实时任务协调一致工作的操作系统。实时操作系统追 求的目标是对外部请求在严格时间范围内做出反应，有高可 靠性和完整性。
计算机-计算与计算思维
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计算机-计算与计算思维
contents
目录
• 计算与计算思维概述 • 计算机基础知识 • 计算思维的核心概念 • 计算思维在各领域的应用 • 计算思维的培养与教育
01 计算与计算思维概述
计算的定义与历史
定义
计算是指通过某种方式将输入转换为输出的过程，通常涉及信息的处理和转换。
历史
计算的历史可以追溯到古代的算盘和计数系统，而现代计算机的发展则始于20 世纪初，经历了从机械式、电子管式、晶体管式到集成电路、超大规模集成电 路等阶段。
建筑设计
在建筑设计中，计算思维 用于模拟建筑结构的受力、 热传导等物理过程，实现 绿色、节能的设计。
电子设计
在电子设计中，计算思维 用于设计和优化电路板、 集成电路等，提高电子设 备的性能和稳定性。
商业决策
数据分析
通过计算思维，商业分析师可以 处理和分析大量的业务数据，为
决策者提供有价值的洞察。
供应链管理
数据清洗、处理和分析是数据建模的 关键步骤。
系统设计与评估
系统是由相互关联的组件组成的整体。
系统设计需要考虑整体的功能、性能和安全性。
系统评估是对系统性能、可靠性和安全性的评估 和测试。
04 计算思维在各领域的应用
科学计算
物理模拟
通过计算思维，科学家可以使用 计算机模拟复杂的物理现象，如
气候变化、材料力学等。
在工程学领域中，计算思维有助于解决复 杂的系统设计和优化问题，如机械设计、 航空航天工程等。
02 计算机基础知识
计算机硬件组成
01
02
03
04
中央处理器
第六章 计算与计算思维
• 如果我们真的建立了宇宙的模型，一切都可计算，那么全 部物理问题就还原成了数学。
1-22
大学计算机基础与计算思维
Copyright © SWFU-BD&IE, 2018. All rights reserved.
计算思维与计算机科学
计算思维以计算机科学为代表，从具体算法设计规范入手，通过算法过程 的构造与实施来解决给定问题的一种思维方法。计算思维与计算机科学紧 密相关。
• 复杂计算：需要研究简化的方法、规则。如一元二次方程解的公 式等。 f(x)，函数，计算规则及其简化计算方法，便于人应用规则进行 计算，获得计算结果
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大学计算机基础与计算思维
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机器计算
知道计算规则，但超出人的计算能力，无法获得计算结果
大学计算机基础与计算思维
西南林业大学 大数据与智能工程学院
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大学计算机基础与计算思维
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第六章 计算与计算思维
1-2
大学计算机基础与计算思维
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本章主要内容
6.1 计算
6.2 计算思维的含义特征、内容
6.3 计算思维的特征
6.4 计算思维
1-3
大学计算机基础与计算思维
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什么是计算？
计算机与计算思维
程序调试
掌握调试技巧，如断点调试、日志调试等，快速定位和解决程序中的错误。
程序调试与优化
代码审查
熟悉并掌握代码审查技巧，发现代码中的潜在错误和缺陷，提高程序的健壮性和可维护性。
性能测试
通过性能测试工具和技术，对程序进行压力测试和性能评估，发现并解决性能瓶颈。
06
计算机与计算思维的发展趋势
随着半导体技术的发展，计算机的处理器速度、存储容量和带宽等硬件性能得到了不断提升，为各种复杂计算提供了强大的基础。
计算机的发展历程
02
计算机硬件系统
CPU是计算机的核心部件，负责执行程序中的指令，处理数据和执行计算。
CPU由数以亿计的晶体管组成，这些晶体管以极其快速的速度开启和关闭，执行各种算术和逻辑操作。
CPU通常被认为是计算机的“大脑”，因为它控制着计算机的所有操作。
中央处理器
存储器
存储器是计算机中用于存储数据的设备。
计算机的应用范围非常广泛，包括科学计算、数据处理、自动化生产、人工智能等领域。
03
根据处理方式的不同，计算机可以分为模拟计算机和数字计算机两种类型。
计算机的分类
01
根据规模和处理能力的不同，计算机可以分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机等不同类型。
02
根据使用范围和用途的不同，计算机可以分为通用计算机和专用计算机两种类型。
人工智能与机器学的快速发展
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计算机硬件性能
操作系统、编译器和编程语言等软件技术的不断进步，使得计算机能够更高效地处理各种复杂任务。
计算机软件性能
计算机性能的不断提升
云计算
通过将计算资源、存储资源和应用程序等服务通过网络提供给用户，云计算实现了计算资源的灵活按需使用，为用户提供了高效、便捷的计算服务。
计算思维导论第002讲
诺贝尔化学奖。
• 计算思维 = “计算+、互联网+、大数据+/信息+、人工智能+”的思维
怎样创新？
计算思维的价值？
9
类比【小白鼠检验毒水瓶】问题求解，做一个发明… 问题：数据传输的检错与纠错。
1101101
1
判断数据传输过程是 否有错误发生？
传输
1001101
1
·“偶校验规则” --使传输前和传输后相关位 1的个数始终为偶数 --偶数个1相加和为0；奇数 个1相加和为1
什么是计算思维？5Fra bibliotek【小白鼠检验毒水瓶】问题求解背后的思维
多种不同的含义均用01串表达
不同的两种状态都可表达为0和1 ---小白鼠-“死”与“活”； ---小白鼠对某瓶水- “喝”与“不喝”； ---水“有毒”与“无毒” 用0/1编码串表示不同的含义 ---000010---对应第(000010的十进制)瓶水 ---000010---第i位对应第i只小白鼠，1喝0不喝； ---000010---第i位对应第i只小白鼠，死1 活0 ；
什么是计算思维？
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什么是计算思维？
•【计算思维】是运用计算科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为。From 周以
真，前卡耐基.梅隆大学计算机系系主任教授、前微软公司高级副总裁、前美国国家科学基金会助理局长。她在世界
范围内推动了计算思维教育，尤其强调在大学低年级以及中学阶段进行计算思维教育，她认为到21世纪中叶计算思
01011010 0 01010100 1
计算思维的价值？
10
类比【小白鼠检验毒水瓶】问题求解，做一个发明…
数据位二 进制编号
数据位 数据
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计算思维对其它学科的影响
7.天文物理
核试验模拟 基于高性能计算机模拟飓风的形成和发展，使得科学家可以 看到飓风的内部 地震的游戏模拟和预测
8. 生物
霰弹枪算法大大提高了人类基因组测序工作的速度 蛋白质相互作者用的动力学行为可以通过计算方法
模拟
2018/10/25 网络与计算中心 15
9
9
计算思维的概念
计算思维的关键：用计算机模拟现实世界
可计算性：
什么能（有效地）自动进行 什么不能（有效地）自动进行
图灵机：不是一种具体的机器 ,而是一种思想模型,可制造一 算法问题 ：计算过程的可行操作和效率问题 种十分简单但运算能力极强的计算装置,用来计算所有能想像 算法：是指解题方案准确而完整的描述，是一系列解决问 得到的可计算函数。 题的清晰指令或步骤。
运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系 统设计、以及人类行为理解的涵盖了计算机科 学之广度的一系列思维活动。
本质：抽象，自动化
2018/10/25
网络与计算中心
6
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模拟-应用之魂
实验和理论思维无法解决的问题
大量复杂问题求解、宏大系统建立、大型工程组织都可通过 计算模拟 核爆炸、蛋白质生成、大型飞机、舰艇设计…
2018/10/25
网络与计算中心
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2. 经济学
数据挖掘和计算智能方法在电子商务上广泛使用（广告投放， 在线拍卖等） 计量经济学日益受到重视，很多麻省理工学院的计算机博士 在华尔街作金融分析师
2018/10/25 网络与计算中心 12
计算思维对其它学科的影响
3.医疗
医疗信息系统的建设大幅提高了诊断的效率和准确性， 例如远程医疗的发展 可视化技术的发展使得虚拟结肠镜检查成为可能。
Computational Thinking
网络与计算中心 3
计算思维
2006年3月，美国卡内基·梅隆大学计算机科学系 主任周以真（Jeannette M. Wing）教授在美国 计算机权威期刊《Communications of the ACM》杂志上给出，并定义的计算思维 （Computational Thinking）。周教授认为： 计算思维是运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。
Computational thinking will be a fundamental skill used by everyone in the world by the middle of the 21st Century.
Jeannette M. Wing 周以真 卡内基-梅隆大学教授
2018/证明四色定理 密码学
2018/10/25 网络与计算中心 13
计算思维对其它学科的影响
5.化学
用量子计算技术合成新人工化学合成物 用优化和搜索算法寻找最优化学反应条件，提高产量
6. 娱乐
游戏
电影
梦工厂用hp的数据中心进行电影“怪物史莱克”特效渲染 卢卡斯电影公司用一个包含200个节点的数据中心制作电 影“加勒比海盗”
网络通世界 存储知古今
计算机不能干什么？
不能替人拿主意、定方案。。。
计算晓天下
人机分界面恰在于"思考"二字,即把计算机所不具备的直 觉、综合、机敏,甚至艺术家的灵感留给人,由人来创造 性地开发各种所需的算法、模型、方法
计算机是工具，帮助提升人的能力
10/25/2018
2018/10/25 网络与计算中心
计算机与计算思维
计算与计算设备的应用与发展是人类社会文明发 展的必然产物——计算问题不处不在、计 算机“无所不能”
2018/10/25
网络与计算中心
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计算思维的提出
Edsger_Dijkstra 我们所使用的工具影响着我们的思 维方式和思维习惯,从而也将深刻的 影响着我们的思维能力.
人工智能四大先驱之一 现代编程语言的主要贡献者之一 第七位图灵奖获得者
2018/10/25 网络与计算中心 4
科学方法与科学思维
科学方法
实验方法、理论方法、计算方法
科学思维
实证思维（重现、自洽、预见）实验：物理 逻辑思维（公理、规则、结论）推理：数学 计算思维（能行、构造、模拟）使自动：计算机
2018/10/25
网络与计算中心
5
5
科学方法与科学思维
计算思维（能行、构造、模拟）使自动： 计算机
2018/10/25
网络与计算中心
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美科学家Stephen Wolfram 科学巨著:A New Kind of Science
程序代码 =数学 细胞自动机 传统的科学建立在 基础上
新的科学建立在计算机程序上
2018/10/25
网络与计算中心
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计算机能干什么？
。
人类的需要—缺啥补啥！
多记一些数据、多接收一些信息、算得快一些,交流更方便些。。 以亿次的计算,求解繁复的微分方程和方程组,描绘超乎想象的图像, 模拟无法实现或耗资巨大的过程等等
2018/10/25
网络与计算中心
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计算思维理解
用四个字来概括：
抽象、算法
用八个字来概括：
合理抽象、高效算法
2018/10/25
网络与计算中心
11
计算思维对其它学科的影响
1.工程(电子/土木/机械/航天)
复杂计算可以提高设计精度，节省成本，提升质量 波音777完全采用计算机模拟设计和测试的，没有经过现实的 风洞测试