20141215-大学计算机第1讲-计算机-计算-计算思维
0501战德臣《大学计算机-计算思维导论》大学计算机第1讲-计算机-计算-计算思维共71页
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services,
Harbin Institute of Technology
为什么要学习和怎样学习大学计算机课程? (1) 计算学科的供需关系--需要大学计算机
计算辅助工具
计算与自动计算 (5) 小结
战德臣 教授
电子自动计算-元器件
战德臣
哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员
OK Z hanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services,
a1x2+a2x=c
机器-自动计算： 规则可能很简单, 但计算量却 很大 机器也可以采用人所使用的 计算规则 一般性的规则，可以求任意:
a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c
计算与自动计算 (3)自动计算需要解决什么问题?
自动计算要解决的几个问题: 表示-存储-执行 “数据”的表示 “计算规则”的表示：程序 数据与计算规则的“自动存储” 计算规则的“自动执行”
计算机是什么? (1) 计算机与各种设备中的计算机?
形形色色的计算机
战德臣 教授
பைடு நூலகம்
传统“计算机器” 多样化的“计算机器”，各种设备的“大脑”系统
计算机是什么? (2) 各种应用中的计算机?
形形色色的计算机
战德臣 教授
计算机是什么? (3)计算机除了硬件，还包括软件?
形形色色的计算机
马克.安德森 ---前Netscape公司创始人，现风险投资人
《大学计算机基础与计算思维》课后习题参考答案.doc
《大学计算机基础与计算思维》课后习题参考答案第1章计算、计算机与计算思维............................. 第2章数据的计算基础计算机硬件系统第4章操作系统基础 (11)第5章算法与数据结构 (13)第6章程序设计及软件工程基础 (17)第7章数据库技术 (19)第8章计算机网络 (22)第9章信息安全与职业道德 (24)第10章计算软件第11章办公软件Office 2010算机科学与技术学院计算机基础教学部28 292015年9月第1章计算、计算机与计算思维1.1举例说明可计算性和计算复杂性的概念。
答：对于给定的一个输入，如果计算机器能在有限的步骤内给出答案，这个问题就是可计算的。
数值计算、能够转化为数值计算的非数值问题（如语咅、图形、图像等）都是可计算的。
汁算复杂性从数学上提出计算问题难度大小的模型，判断哪些问题的讣算是简单的，哪些是困难的，研究计算过程屮时间和空间等资源的耗费情况，从而寻求更为优越的求解复杂问题的有效规则，例如著名的汉诺塔问题。
1.2列举3种电子计算机岀现之前的计算工具，并简述其主要特点。
答:（1）算盘通过算法口诀化，加快了计算速度。
（2）帕斯卡加法器通过齿轮旋转解决了自动进位的问题。
（3）机电式计算机Z・l,全部采用继电器，第一次实现了浮点记数法、二进制运算、带存储地址的指令等设计思想。
1.3简述电子计算机的发展历程及各时代的主要特征。
答：第一代一一电子管计算机（1946—1954年）。
这个时期的计算机主要釆用电子管作为运算和逻辑元件。
主存储器采用汞延迟线、磁鼓、磁芯，外存储器采用磁带。
在软件方面，用机器语言和汇编语言编写程序。
程序的编写与修改都非常繁琐。
计算机主要用于科学和工程计算。
第二代一一晶体管计算机（1954—1964年）。
计算机逻辑元件逐步由电子管改为晶体管, 体积与功耗都有所降低。
主存储器采用铁脸氧磁芯器，外存储器釆用先进的磁盘，汁算机的速度和可靠性有所提高。
大学计算机基础课件第1章 计算机与计算思维
1.3 计算思维
1.3.3计算思维的基本问题
什么是计算? 什么是可计算? 什么是可行计算?
除了枚举算法，还有遗传算法、蚁群算法等， 目前，比较新的进展是，英国伦敦大学皇家霍洛韦 学院等机构研究人员报告说，小蜜蜂显示出了轻而 易举破解这个问题的能力，因为它们总可以找到在 不同花朵间飞行的最短路径，如果能理解蜜蜂的解 决方式，将能更好的解决旅行商问题。
4.现实问题的延伸
多旅行商问题，指多个旅行商从同一地点或 不同地点出发，分别走一条线路，使得每个地点 有且只有一个旅行商经过（出发地点除外）且总 路程最短
1.1.3 新型计算机的发展
生物计算机（DNA计算机） 采用生物芯片，由生物工程技术产生的蛋白质分 子构成。由于蛋白质分子能自由组合，再生新的微型 电路，使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能 发挥生物体本身的调节机能从而自动修复芯片发生的 故障，还能模仿人脑的思考机制。 集成度高、速度快、存储容量大、功耗低。
社会的各个领域
集成电路（ Integrated Circuit，IC）
以半导体晶体材料为基片，经平面工艺加工制造， 将许多电子元件、有源器件和互连线集成在基片内 部、表面或基片之上，执行某种电子功能的微型化 电路或系统.
芯片的集成度
集成电路每个芯片上所包含 的电子元器件（如晶体管、电 阻等）个数。
编码； 4. 现实问题的延伸，即拓展思维。
旅行商问题（Traveling Saleman Problem）
假设某快递公司的快递员小张每天需要开车从快递公司（A） 向三个快递点（B、C、D）运送快件
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。
计算机基础思维课件-第1章 计算机与计算思维
• 1+3+4这样的数学运算可以说是我们最容易认同 的计算；
• 而将一段中文文章翻译成英文也就是计算，因为 其实质是在保持语义不变的前提下，将一串中文 符号变换成对应的英文符号；
• 任何给定一定的输入，经过处理和变换，得到期 望的输出的过程都可以称为计算。
• 计算机的出现，给计算思维的研究和发展带来了 根本性的变化，计算机所具有的对信息和符号的 快速处理能力，使得许多原本只是理论可以实现 的处理过程变成了可以实现的过程。
• 例如，海量数据的处理、复杂系统的模拟、大型 工程的组织等，借助计算机可以实现从想法到产 品整个过程的自动化、精确化和可控化，大大拓 展了人类认知世界和解决问题的能力和范围。
第1章 计算机与计算思维
计算机对我们产生了什么影响？
• 无处不在 • 工作助手 • 生活伙伴
最直观的感受
•深刻影响着人们的思维方式 •影响着很多学科的研究和发展
事实上
1.1计算与计算科学
• 1.1.1 计算与数字化
“计算不再只和计算机有关，它决定着我们的生存”------尼葛洛庞帝 《数字化生存》 该书成为了二十世纪九十年代纽约时报排行榜中的畅销书。
1.1.2 计算科学
• 计算科学是研究计算技术的一门科学，它 具有促进其他科学门类发展的重要作用。 计算技术发展到当今，其特征日益体现 出以下特点：
• 计算手段的器械化， • 计算过程的形式化， • 计算执行的自动化， • 计算对象的泛在化。
• 计算过程的形式化是计算自动执行的前提。 人们首先需要对于计算问题进行抽象，对 其实现形式化的表示；
• 社会计算学科根据社会科学理论，以计算技术为 工具，研究人类社会的组成、关系、结构、层次、 行为、运动等问题，研究社会媒体，促进社会人 群的交流与合作。
大学计算机基础-01-计算机与计算思维
大学计算机基础-01-计算机与计算思维在当今的数字化时代，计算机已经成为我们生活中不可或缺的一部分。
无论是工作、学习还是娱乐，我们几乎每天都会与计算机打交道。
而要真正理解计算机的运行原理和应用，就必须掌握计算思维。
接下来，让我们一起走进计算机与计算思维的奇妙世界。
计算机，这个看似复杂的设备，实际上是由一系列硬件和软件组成的。
硬件包括中央处理器（CPU）、内存、硬盘、显示器、键盘等组件，它们协同工作，使得计算机能够执行各种任务。
软件则是指安装在计算机上的程序和操作系统，如 Windows、Mac OS、Linux 等。
这些软件为我们提供了与计算机交互的界面和工具，让我们能够轻松地完成文档编辑、图像处理、游戏娱乐等各种活动。
计算机的发展经历了几个重要的阶段。
从最初的大型机到个人电脑的普及，再到如今的智能手机和平板电脑，计算机的体积越来越小，性能却越来越强大。
早期的计算机主要用于科学计算和军事领域，而随着技术的进步，计算机逐渐走进了千家万户，成为了人们日常生活和工作的得力助手。
那么，什么是计算思维呢？简单来说，计算思维是一种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。
它不仅仅是关于编程和算法，更是一种解决问题的方式和思维模式。
计算思维具有几个重要的特点。
首先是抽象。
在面对复杂的问题时，我们需要将其抽象为简单的模型，以便更好地理解和解决。
例如，在设计一个在线购物系统时，我们可以将用户、商品、订单等元素抽象为数据结构，并通过算法来处理这些数据。
其次是逻辑。
计算思维要求我们遵循严格的逻辑规则，确保我们的解决方案是正确和有效的。
无论是编写程序还是设计系统，逻辑的严密性都是至关重要的。
此外，计算思维还强调分解和组合。
我们可以将一个大问题分解成若干个小问题，分别解决后再将它们组合起来，形成最终的解决方案。
计算思维在各个领域都有着广泛的应用。
在科学研究中，科学家们利用计算思维来模拟自然现象、分析实验数据，从而推动科学的进步。
第一章 计算机与计算思维概述
教学进度
1.1 计算机基础知识
(2) 机械式计算机
大学计算机基础
钟表业，特别是齿轮传动装置技术的发展，诞生了最早 的机械式计算机。 下面我们通过介绍几位对计算机发展有过突出贡献的早 期历史人物，阐述计算发展的历程。
帕斯卡
莱布尼茨
巴贝奇
爱达
机械式计算机时代的代表人物
教学进度
1.1 计算机基础知识
法 国 物 理 学 家 帕 斯 卡 (1623-1662) ： 在 1642年发明了第一台机械式加法机。该机由 齿轮组成，靠手摇发条驱动Leabharlann 用专用的铁笔 来拨动转轮以输入数字。
1.2.1 计算机硬件系统
大学计算机基础
以最为常见的台式机为例，从外观上看，台式机由几个 部件构成：显示器、键盘、机箱、鼠标等。实际上这些并不 是计算机最重要的部分。计算机最主要的工作实际上是由那 些被机箱遮盖住的部件完成的，它们才是计算机系统中最重 要的部分。 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设 备五大部分组成。(详见第三章介绍)
第四代计算机 采用集成电路的第三代电 子计算机IBM360型 1971年至今 以大规模/超大集成电路为主要元件 巨型机、大型机、小型机、微型机以及便携机
第一讲：计算,计算机与计算思维
名词计算：不同于数学计算自动计算：规则可能很简单但计算量却很大，也可采用人的规则，一般性的规则可以推广应用。
元器件：晶体管用于储存0和1（ENIAC）集成电路：将一个电路的大量元器件（晶体管，电阻，电容，电感，布线等）集合于一个单晶片上制成的器件。
晶体管：泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括半导体二极管，半导体三极管，场效应管，可控硅等。
有时多指三极管。
二极管：一个PN结；三极管：两个很近的PN结。
计算机：台式机，便携机，嵌入在各种机器中的芯片，软件均属于计算机。
计算机包括软件和硬件。
计算机系统：包括输入，输出，控制器，运算器，存储器。
计算思维:蕴含在计算学科知识背后的具有贯通性和联想性的内容。
计算之树：见后面名言计算思维是运用计算机科学的基本概念去求解问题，设计系统和理解人类行为，其本质是抽象和自动化。
~周以真思维是创新的源头，技术与知识是创新的支撑。
~战老师的课件你行的，你一定行！你懂的，你会懂的！~战老师重点1。
自动计算需要解决的问题：数据和计算规则（程序）的表示，存储以及程序的自动执行。
2。
机械计算发展历程：计算辅助工具（算盘等）--帕斯卡机械计算机（实现自动计算，但有固定的计算规则）--巴贝奇机械计算机（可有限变化的计算规则，即特定程序）--现代计算机（任意可变的计算规则，即一般程序）。
3。
摩尔定律：每十八个月芯片集成晶体管的能力增长一倍，其计算能力也增长一倍。
4。
元器件历程：电子管--晶体管--集成电路--超大规模集成电路（VLSI）特点：体积变小，速度变快，规模变大，可靠性变高，功能变强大。
5。
微处理器发展历程：字长（8-16-32-64），主频（几MHz-几百万MHz-几GHz)，晶体管数量（几万-几百万-几亿颗），功能（微处理器-微加协浮点运算-微加图GPU-微加3D-多媒体处理器-多核微处理器）6。
存储设备历程：汞延迟线-磁带磁芯磁鼓-半导体储存即ROM与RAM-磁盘即硬盘与软盘-光盘-固态硬盘-纳米存储与量子存储。
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学生不会编程序，不一定是语言没学好，而可能是未理解为什么要研究算法
课程导引 (2)课程内容选择与划分?
战德臣 教授
数据化： 数据获取数据管理数据分析与运用 网络化：机器网络信息网络群体互动网络网络化社会
第一门课程
大学计算机
计算 与程序 信息 素养
计算 系统
算法 思维
学生不会编程序，不一定是语言没学好，而可能是未理解计算与社会/自然的融
引子—致大学计算机(基础)课程的所有教师 1.《大学计算机》课程的发展历程
战德臣 教授
《大学计算机》是大学教育中 “不可缺少”的独立课程。
大学计算机
计算思维
讲授计算思维----大学生创造性思维培养的重要组成 知识传授与素养培养贯穿于思维教学当中
大学计算机 基础
计算机 应用基础 应用与素养
课堂教学(任务驱动的共性知识讲授)与实验教学 (流行软件产品应用技能训练)的分工
教学内容规划 --课程讲/节的划分及 课程讲/节之间的关联 --100分钟/课程讲 教学内容的分解 --问题小节的分解及问 题小节之间的关联 --8-12分钟/问题小节 问题小节独立问 题小节之间关联课 程节间形成体系
课程导引 (4)课程教学的支持手段?
战德臣 教授
学生
教师
中国大学MOOC课程《大学计算机-计算思维导论》
什么是真正的会“编程序”呢?
引子—致大学计算机(基础)课程的所有教师 5. 对学生的认识是这样的吗?
战德臣 教授
二本/三本的学生是否不需要计算思维? 二本/三本的学生是否理解不了计算思维?
第1讲 计算机、计算与计算思维
战德臣
哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员
OK Z hanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology
课程导引
战德臣
哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员
景的不同要素而提出概念，而不是为概念而概念)
大思维 与 小技巧 可视化可实现的思维，而非实现的细节 宽度与深度相结合 计算思维与科学素养培养
人-计算与机器-计算？
战德臣
哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员
OK Z hanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology
学生不会编程序，不一定是语言没学好，而可能是不理解执行程序的环境
课程导引 (2)课程内容选择与划分?
算法类问题求解框架 问题与数学建模
战德臣 教授
问题
难解问题
算法策略设计
环境 数据结构与控制结构 复杂性与正确性 受限资源约束下的算法 降低计算量的算法 算法
计算
算法
第一门课程
大学计算机
计算 与程序 计算 系统 算法 思维
课程导引 (3)课程内容的章节安排? 第1讲-计算机-计算-计算思维 第2讲-符号化-计算化-自动化
0和1与易经----语义符号化表达与计算 0和1与逻辑----思维方式与逻辑运算，符号表达与计算 0和1与数值----二进制(数值性信息)与算术运算，符号计算 0和1与字母与符号----编码(非数值性信息)，符号计算 0和1与电子元件----基本硬件实现(开关和门电路)，计算自动化 0和1与电路----复杂部件的硬件实现(芯片、主板)，分层构造与构造集成
人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器?
战德臣 教授
n
n2
一阶差分 n = n2-(n-1)2
二阶差分 n = n - n-1
0
0
仅需能够进行加法运算 1 3 5 7 9 2 和减法运算； 其他运算可通过组合加 法与减法运算来实现； 例如: 乘方运算? 多项式运算? 初始值不一样，计算的
战德臣 教授
第3讲-程序与递归-组合-抽象-构造 第4讲-冯-诺依曼计算机器-程序执行 第5讲-现代计算机-复杂环境下程序执行 第6讲-由机器语言到高级语言-程序编写编译 第7讲-算法-程序与计算系统之灵魂 第8讲-怎样研究算法-排序算法研究示例 第9讲-怎样研究算法-遗传算法研究示例 第10讲-怎样管理和利用数据I 第11讲-怎样管理和利用数据II 第12讲-怎样连接和利用网络I 第13讲-怎样连接和利用网络II
社会计算 计算广告学 媒体计算
事务管理 数据分析与 数据聚集 与数据库 数据仓库 与大数据
数据 化
0和1
程序
递归
课程导引 (7)为什么学?
战德臣 教授
为什么学习计算思维 而不是学习具体软件的应用?
课程导引 (8)各学科人才需要计算思维，以便形成复合型的创造性思维
战德臣 教授
化学学科工作者 利用计算手段进 行本学科的科学 研究 计算思维 的学习和 训练 计算思维/计算能力 应用计算 手段进行 各学科研 究和创新
第一门课程
大学计算机
计算 与程序
学生不会编程序，不一定是语言没学好，而可能是没有理解程序的真谛
课程导引 (2)课程内容选择与划分?
战德臣 教授
程序是如何被执行的？ 如何编写让计算系统 执行的程序？
内存环境下程序的执行 复杂环境下程序的执行 由机器语言到高级语言及其编译
第一门课程
大学计算机
计算 与程序 计算 系统
人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器?
战德臣 教授
/*类C语言表达的计算规则—程序 Main() { int k, n, square[ ], alpha[ ], beta[ ]; square[0] input k; square[1] square[0]=0; square[2] square[3] square[1]=1; square[4] square[2]=4; square[5] alpha[1] = 1; … for n=2 to k-1 { alpha[n] = square[n] - square[n-1]; beta[n] = alpha[n] - alpha[n-1]; square[n+1] = square[n] + alpha[n] + beta[n]; } output square[k]; }
课程导引 (1)课程内容组织的基本脉络?
7、针对具体的自然/社会问题如何计算? 8、计算如自然/社 会问题
计算
自然/社会 问题的求 解结果
人-计算
机器-自动 计算
机器-难于 计算
4、可求解 vs.难求解? 5、如何降低计算量：计算vs.算法? 6、怎样研究算法?
浅/泛 示例不精
面窄/ 无体系
陈旧
概念 化 误“用”
以概念讲概念，以概念讲原理 怎样理解“用”?工具 vs. 思维?
引子—致大学计算机(基础)课程的所有教师 4.学习计算机只是学习“使用吗”?
战德臣 教授
计算机就是用电脑、用软件吗?
计算机就是编程序吗?
编程序就是计算机语言(C语言、Java语言等等)吗?
战德臣 教授
计算/求解 的自然化
智能计算 纳米计算 神经计算
企业计算 计算工程学 服务计算 云计算
抽象
计算经济学 计算统计学 计算金融学
模型 语言 协议
自动化 个人计 算环境
系统
编译器 编解 码器
网络 化
计算机计算机科学计算科学
物联网; 知识网; 服务网; 社会网 互联网： 局域网/广 信息网络/ 域网：机 广义资源 器网络 网络 冯. 诺 依曼机
课程导引 (9)怎样学--贯通的知识才是思维?
战德臣 教授
怎样学习计算思维?
课程导引 (10)怎样学--贯通的知识才是思维?
战德臣 教授
表层 意义
深层 意义
集成 意义
知识
知识的贯通-
思维
语义符号化 符号计算化 计算0(和)1化 0(和) 1自动化 分层构造化 构造集成化；
社会/自然现象 逻辑 二进制 电路 集成电路 计算机 场景的理解(场景问题求解技巧)；场景术语/概念(为区分场
1
2 3 4 5
1
4 9 16 25
2
2 2
(n+1)2 = n2 + n + n
多项式也是不一样的；
人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器?
战德臣 教授
/*类C语言表达的计算规则—程序 Main() { int k, n, square[ ], alpha[ ], beta[ ]; input k; square[0]=0; 输入不同的初 square[1]=1; 始值便可计算 square[2]=4; 不同的一元二 alpha[1] = 1; 次多项式的值 for n=2 to k-1 { alpha[n] = square[n] - square[n-1]; beta[n] = alpha[n] - alpha[n-1]; square[n+1] = square[n] + alpha[n] + beta[n]; } output square[k]; }
人-计算与机器-计算? (1) “人”计算与“机器”计算的差别?
战德臣 教授
什么是机器自动计算?
通过案例理解自动计算与人计算的差别
人-计算与机器-计算? (1) “人”计算与“机器”计算的差别?