第1章 计算思维-导论
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计算思维导论Chapter
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陈俊文 ✓ E-mail：A719526860@
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赵惜墨
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教学内容
Chapter 1. 引论 Chapter 2. 计算系统的基本思维 Chapter 3. 问题求解框架 Chapter 4. 典型的计算思维：算法与复杂性 Chapter 5. 典型的计算思维：数据抽象、设计与挖掘 Chapter 6. 典型的计算思维：互联网与网络化思维
End
1.1 什么是计算？
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1.1 什么是计算？----让我们重新审视这个古老的问题
✓简单的算术计算：如“3 + 2 = 5”、“3 *2 = 6”等。 ✓ 广义的计算：如对数与指数、微分与积分等。
归纳起来，计算是指“数据”在“运算符”的操作下，按“规则”进行的数
据变换。 为此，人们想到设计一些简单的规则，让机械来重复的执行完成计算。这促
“计算机科学”：是研究计算机理论方面的学科，包括硬件、软件等计算系 统的设计和建造，在硬件、软件、互联网等方面研究使用计算机的新方式和新 方法等。
“计算手段”：当前，计算手段已发展为与理论手段和实验手段并存的科学 研究的第三种手段 。计算手段是指科学家通过建立仿真的分析模型和有效的算 法，利用计算工具来进行规律预测和发现。目前依靠计算手段发现和预测规律 成为不同学科的科学家进行研究的重要手段。 “计算科学”：计算手段与各学科结合形成了所谓的计算科学，如计算物理 学、计算化学、计算生物学、计算经济学等。
End
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
[计算机导论——基于计算思维视角(第4版)][王玉龙,等] 笫1章 计算思维概述
![[计算机导论——基于计算思维视角(第4版)][王玉龙,等] 笫1章 计算思维概述](https://img.taocdn.com/s3/m/341780ffb04e852458fb770bf78a6529647d35a0.png)
应用
数据处理、工业控制、科学计算
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第1章 计算思维概述
3. 第三代电子计算机
特点
使用中、小规模集成电路作为逻辑开关元件； 开始使用半导体存储器。辅存仍以磁盘,磁带为主； 外部设备种类和品种增加； 开始走向系列化、通用化和标准化； 操作系统进一步完善，高级语言数量增多。 计算机的体积、重量进一步减小，运算速度和可靠性进一步提高
晶体管
第1章 计算思维概述
1. 第一代电子计算机
特点
采用电子管作为逻辑开关元件； 存储器使用水银延迟线、静电存储管、磁鼓等； 外部设备采用纸带、卡片、磁带等； 使用机器语言，50年代中期开始使用汇编语言，但没有操作系统 体积庞大 、笨重 、耗电多、 可靠性差、 速度慢、 维护困难
典型机器
ENIAC、EDVAC、UNIVAC、 IBM 701、 IBM 650
按应用
通用计算机 (General Purpose Computer) 专用计算机 (Special Purpose Computer)
综合性能指标
巨型机 （Super Computer） 大型机 （Main Frame Computer） 小型机（MiniComputer） 微型机（MicroComputer） 工作站（Workstation） 服务器（Server） 网络计算机 （Net Computer）
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第1章 计算思维概述
现代计算机发展的杰出人物
图灵对现代计算机贡献：建立了图灵机的理论模型，发展了可计算 性理论；提出了定义机器智能的图灵测试。 冯·诺依曼贡献：建立现代计算机基本结构，即冯·诺依曼结构。
整个系统是由五大基本部件组成，即由运算器、控制器、存储器、输入设备、 输出设备组成； 采用二进制，使用机器语言,指令通过操作码来完成简单的 操作； 采用存储程序的思想，对计算进行集中的顺序控制。
数据处理、工业控制、科学计算
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第1章 计算思维概述
3. 第三代电子计算机
特点
使用中、小规模集成电路作为逻辑开关元件； 开始使用半导体存储器。辅存仍以磁盘,磁带为主； 外部设备种类和品种增加； 开始走向系列化、通用化和标准化； 操作系统进一步完善，高级语言数量增多。 计算机的体积、重量进一步减小，运算速度和可靠性进一步提高
晶体管
第1章 计算思维概述
1. 第一代电子计算机
特点
采用电子管作为逻辑开关元件； 存储器使用水银延迟线、静电存储管、磁鼓等； 外部设备采用纸带、卡片、磁带等； 使用机器语言，50年代中期开始使用汇编语言，但没有操作系统 体积庞大 、笨重 、耗电多、 可靠性差、 速度慢、 维护困难
典型机器
ENIAC、EDVAC、UNIVAC、 IBM 701、 IBM 650
按应用
通用计算机 (General Purpose Computer) 专用计算机 (Special Purpose Computer)
综合性能指标
巨型机 （Super Computer） 大型机 （Main Frame Computer） 小型机（MiniComputer） 微型机（MicroComputer） 工作站（Workstation） 服务器（Server） 网络计算机 （Net Computer）
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第1章 计算思维概述
现代计算机发展的杰出人物
图灵对现代计算机贡献：建立了图灵机的理论模型，发展了可计算 性理论；提出了定义机器智能的图灵测试。 冯·诺依曼贡献：建立现代计算机基本结构，即冯·诺依曼结构。
整个系统是由五大基本部件组成，即由运算器、控制器、存储器、输入设备、 输出设备组成； 采用二进制，使用机器语言,指令通过操作码来完成简单的 操作； 采用存储程序的思想，对计算进行集中的顺序控制。
计算思维导论01-计算思维和计算
1. 计算和自动计算时需要考虑以下4个问题： （1）数据的表示。 （2）数据的存储及自动存储。 （3）计算规则的表示。 （4）计算规则的执行与自动执行。 提示： 计算工具的发展过程就是人们不断追求计算的机械化、自 动化和智能化，尝试各种计算工具，实现数据的表示、存 储和自动存储数据、计算规则的表示、执行和自动执行计 算规则的过程。
计算与自动计算
2．计算科学的基本问题 计算科学的基本问题是“什么能够被有效地自动计算， 什么不能被有效地自动计算？” (1)哪些问题可以在有限时间和有限空间内自动计算，计 算的时间和空间复杂度怎样？ (2)通过人类的各种思维模式，如何设计有效的计算方法 ，以减少计算的时间和空间复杂度。
1.3 计算工具的发展史
2．计算机的雏形——机械式计算器
1. 机械式计算器可以自动完成计算，操作者不需要了解 算法.
2. 1642年，帕斯卡加法器 3. 1673年，莱布尼兹乘法器 4. 1822年，差分机 5. 库塔（Curta）
3．电子计算机
1. 电子计算机能够自动自动存储数据，能够理解和自动 执行任意的复杂规则，能进行任意形式的计算。
1 计算思维和计算
天津科技大学 计算机公共基础系
1
目录
1.1 计算思维概述 1.2 计算与自动计算 1.3 计算工具的发展史
1.1计算思维概述
计算思维是指计算机、软件以及计算相关学科的科学家 和工程技术人员的思维方法。
计算思维定义
美国CMU大学周以真教授： 计算思维是运用计算科学的基础概
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。
1.3.2 元器件的发展
1. 元器件发展中经历了电子管、晶体管、集成电路三个 阶段
计算与自动计算
2．计算科学的基本问题 计算科学的基本问题是“什么能够被有效地自动计算， 什么不能被有效地自动计算？” (1)哪些问题可以在有限时间和有限空间内自动计算，计 算的时间和空间复杂度怎样？ (2)通过人类的各种思维模式，如何设计有效的计算方法 ，以减少计算的时间和空间复杂度。
1.3 计算工具的发展史
2．计算机的雏形——机械式计算器
1. 机械式计算器可以自动完成计算，操作者不需要了解 算法.
2. 1642年，帕斯卡加法器 3. 1673年，莱布尼兹乘法器 4. 1822年，差分机 5. 库塔（Curta）
3．电子计算机
1. 电子计算机能够自动自动存储数据，能够理解和自动 执行任意的复杂规则，能进行任意形式的计算。
1 计算思维和计算
天津科技大学 计算机公共基础系
1
目录
1.1 计算思维概述 1.2 计算与自动计算 1.3 计算工具的发展史
1.1计算思维概述
计算思维是指计算机、软件以及计算相关学科的科学家 和工程技术人员的思维方法。
计算思维定义
美国CMU大学周以真教授： 计算思维是运用计算科学的基础概
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。
1.3.2 元器件的发展
1. 元器件发展中经历了电子管、晶体管、集成电路三个 阶段
第1章 计算思维-导论
或
计算机算法的特性
（1）有穷性：一个算法在执行有穷步之后必须结束。也就是 说，一个算法，它所包含的计算步骤是有限的。 （2）确定性：算法的每一个步骤必须要确切地定义。即算法 中所有有待执行的动作必须严格而不含混地进行规定，不能 有歧义性。 （3）输入：算法有零个或多个的输入，即在算法开始之前， 对算法最初给出的量。 （4）输出：算法有一个或多个的输出，即与输入有某个特定 关系的量，简单地说就是算法的最终结果。 （5）可操作性：算法上描述的操作在计算机上都是可以实现 的。
个 数
10个 2个 8个 16个 R个
进位值
10 2 8 16 R
权
(1999)10= 1×103 + 9×102 + 9× 101 + 9× 100
基数
权
(101.11)2= 1×22 + 0×21 + 1× 20 + 1× 2-1 + 1× 2-2
十进制数转换为Ｒ进制数
整数：除Ｒ取余法(先得最低位，后得最高位） 小数：乘Ｒ取整法(先得最高位，后得最低位）
三、什么是计算思维
笛卡尔（Rene Descartes）：解析几何之父 我思故我在 思维是对某个问题或事物的思考过程以及产生的想法 或见解 思维是人脑对客观现实概括的和间接的反映，它反映 的是事物的本质和事物间规律性的联系
思维是与时俱进的
人类的思维水平也必然随着认识工具 的进步而逐步地由浅入深、由单纯到 复杂、由片面至全面发展 我们所使用的工具影响着我们的思维 方式和思维习惯，从而也将深刻地影 响着我们的思维能力
程序设计
程序设计(Programming)是给出解决特定问题 程序的过程，是软件构造活动中的重要组成部分。
第1章计算思维
南华大学计算机科学与技术学院
一、对信息科学技术的新认知
需要在全社会传播和普及“计算思维” （Computational Thinking) 计算思维是一种普适思维，计算是每个人的基本 技能 计算思维强调一切皆可计算，从物理世界到人类 社会模拟，再到智能活动，都可计算 计算思维是概念化思维，不是纯数学思维；是面 向所有人的思维，不仅仅是计算机科学家的思维
直观地说，所谓计算就是计算者（人或机器）对一条两端 可无限延长的纸带上的一串0和1执行指令，一步一步地 改变纸带上的0或1，经过有限步骤，最后得到一个满足 预先规定的符号串的交换过程。
算法或程序的执行和操作就是计算。 计算是基于规则的符号串的变换过程。从一个已知的符号 串开始，按照一定的规则，一步一步地改变符号串，经过 有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号串，这种变 换过程就是计算。 比如，从1+1变换成2，就是一个加法计算；从x3变换 为3x2就是微分计算。按这个定义，定理证明，文字翻译 等也都是计算，因为它们都是一种符号串变换过程。
如果我们把一切都看作是信息，那么更精确的讲，计 算就是对信息的变换。你会发现，其实自然界充满了 计算！
南华大学计算机科学与技术学院
计算无处不在
如果我们把一个小球扔到地上，小球又弹起来 了，那么大地就完成了一次对小球的计算。因 为你完全可以把小球的运动都抽象成信息，它 无非是一些比如位置、速度、形状等等能用信 息描述的东西嘛，而大地把小球弹起来就无非 是对小球的这些信息进行了某种变换，因而大 地就完成了一次计算！ 你可以把整个大地看作是一个系统，而扔下去 的小球是对这个系统的输入，那么弹回来的小 球就是该系统的输出。
计算本质
人类对计算本质的认识过程
一、对信息科学技术的新认知
需要在全社会传播和普及“计算思维” （Computational Thinking) 计算思维是一种普适思维，计算是每个人的基本 技能 计算思维强调一切皆可计算，从物理世界到人类 社会模拟，再到智能活动，都可计算 计算思维是概念化思维，不是纯数学思维；是面 向所有人的思维，不仅仅是计算机科学家的思维
直观地说，所谓计算就是计算者（人或机器）对一条两端 可无限延长的纸带上的一串0和1执行指令，一步一步地 改变纸带上的0或1，经过有限步骤，最后得到一个满足 预先规定的符号串的交换过程。
算法或程序的执行和操作就是计算。 计算是基于规则的符号串的变换过程。从一个已知的符号 串开始，按照一定的规则，一步一步地改变符号串，经过 有限步骤，最后得到一个满足预先规定的符号串，这种变 换过程就是计算。 比如，从1+1变换成2，就是一个加法计算；从x3变换 为3x2就是微分计算。按这个定义，定理证明，文字翻译 等也都是计算，因为它们都是一种符号串变换过程。
如果我们把一切都看作是信息，那么更精确的讲，计 算就是对信息的变换。你会发现，其实自然界充满了 计算！
南华大学计算机科学与技术学院
计算无处不在
如果我们把一个小球扔到地上，小球又弹起来 了，那么大地就完成了一次对小球的计算。因 为你完全可以把小球的运动都抽象成信息，它 无非是一些比如位置、速度、形状等等能用信 息描述的东西嘛，而大地把小球弹起来就无非 是对小球的这些信息进行了某种变换，因而大 地就完成了一次计算！ 你可以把整个大地看作是一个系统，而扔下去 的小球是对这个系统的输入，那么弹回来的小 球就是该系统的输出。
计算本质
人类对计算本质的认识过程
第一章计算思维与计算机概论
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2018/11/26
1.2.2 计算机的发展
计算机的发展趋势
计算机科学是有史以来发展最快的学科，为了迎合社会 对计算机不同层次的应用需求，计算机正朝着巨型化、 微型化、网络化和智能化方向发展。 计算机按其规模、速度和功能等可分为巨型机、大型机、 中型机、小型机、微型机及单片机等等。这些类型之间 的基本区别通常在于其体积大小、结构复杂程度、功率 消耗、性能指标、数据存储容量、指令系统和设备、软 件配置等的不同。
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第一章 计算机基础知识
1.1
计算思维 1.2 计算机概述 1.3 计算机系统的运算基础 1.4 计算机系统的构成 1.5 微型计算机硬件组成
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1.1 计算思维
1.1.1 1.1.2 1.1.3
什么是计算思维 计算思维与计算机 应用计算思维求解
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1.1.3 应用计算思维求解问题的一 般过程
国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教师协会（CSTA） 指出计算思维是一个用来解决问题的过程，该过程包括以 下六个步骤。 （1）制定问题，能够使用外界工具如计算机和其他工具等帮 助解决这个问题； （2）组织和分析数据，要符合逻辑； （3）通过抽象，如模型、仿真等，重现数据； （4）通过一系列有序的步骤也就是算法思想，支持自动化的 解决方案； （5）识别、分析和实施可能的解决方案，找到最有效的方案， 并且有效结合这些步骤和资源； （6）将该问题的求解过程进行推广并移植到更广泛的问题中。
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1.2 计算机概述
1.2.1 1.2.2 1.2.3
什么是计算机 计算机的发展 计算机的分类
计算思维导论
0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0
图模型：顶点表示“原岸的状态”，两点之间有边当且仅当一次合理的渡河 “操作”能够实现该状态的转变。 起始状态是“人狼羊菜”，结束状态是“空”。“允许状态”只有10个。 问题的解：找到一条从起始状态到结束状态的尽可能短的通路。
人羊狼菜 人狼菜 人羊狼 人羊菜 人羊
狼菜
狼
菜
羊
空 (成功 )
问题编码
上述关系可以用一个布尔矩阵表示： 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
我只想证明你想过了。
根据教务管理部 门要求： 第一堂课上提醒 同学两周之内可 以决定是否选本 课程。 以上三张ppt试图 帮组你做决定。 下面言归正传。
竞争优势的软件基础
技能 知识
能力
意识
为什么要提出这个概念?
However, despite the dizzying speed with which some of the technological innovations become obsolete and are replaced by new ones, the fundamentals of the science of computation, and hence many of the basic concepts that are considered important in a computer science 本课程教学参考书 : curriculum, change slowly, at all. David Harel: Algorithmics - the if Spirit of
图模型：顶点表示“原岸的状态”，两点之间有边当且仅当一次合理的渡河 “操作”能够实现该状态的转变。 起始状态是“人狼羊菜”，结束状态是“空”。“允许状态”只有10个。 问题的解：找到一条从起始状态到结束状态的尽可能短的通路。
人羊狼菜 人狼菜 人羊狼 人羊菜 人羊
狼菜
狼
菜
羊
空 (成功 )
问题编码
上述关系可以用一个布尔矩阵表示： 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0
我只想证明你想过了。
根据教务管理部 门要求： 第一堂课上提醒 同学两周之内可 以决定是否选本 课程。 以上三张ppt试图 帮组你做决定。 下面言归正传。
竞争优势的软件基础
技能 知识
能力
意识
为什么要提出这个概念?
However, despite the dizzying speed with which some of the technological innovations become obsolete and are replaced by new ones, the fundamentals of the science of computation, and hence many of the basic concepts that are considered important in a computer science 本课程教学参考书 : curriculum, change slowly, at all. David Harel: Algorithmics - the if Spirit of
计算思维导论
第1章引论本章要点：1.什么是计算；2.计算机科学与计算科学的区别；3.来自计算机发展史的启示；4.计算机应用；5.计算机发展趋势。
1.1 什么是计算？简单计算，如我们从幼儿就开始学习和训练的算术运算，如“3 + 2 = 5”“3 2 = 6”等，是指“数据”在“运算符”的操作下，按“规则”进行的数据变换。
我们不断学习和训练的是各种运算符的“规则”及其组合应用，目的是通过计算得到正确的结果。
广义地讲，一个函数如“”把x变成了f(x)就可认为是一次计算，在高中及大学阶段我们不断学习各种计算“规则”并应用这些规则来求解各种问题，得到正确的计算结果。
如对数与指数、微分与积分等。
“规则”可以学习与掌握，但应用“规则”进行计算则可能超出了人的计算能力，即人知道规则但却没有办法得到计算结果。
如何解决呢？一种办法是研究复杂计算的各种简化的等效计算方法(数学)使人可以计算，另一种办法是设计一些简单的规则，让机械来重复的执行完成计算，即考虑能否用机械来代替人按照“规则”自动计算。
例如：能否机械地判断方程“a1x1b1+a2x2b2+…+a n x n b n = c”是否有整数解?”，即机械地证明一个命题是否有解? 是否正确?类似的上述问题，促进了计算机科学和计算科学的诞生和发展，促进了人们思考：◆什么能够被有效地自动计算？现实世界需要计算的问题是很多的，哪些问题是可以自动计算的，哪些问题是可以在有限时间有限空间内自动计算的？这就出现了计算及计算复杂性问题。
以现实世界的各种思维模式为启发，寻找求解复杂问题的有效规则，就出现了算法及算法设计与分析问题。
例如观察人的思维模式而提出的遗传算法、观察蚂蚁行动的规律而提出的蚁群算法等。
◆如何低成本、高效地实现自动计算？如何构建一个高效的计算系统：计算机器的构建问题和软件系统的构建问题。
◆如何方便有效地利用计算系统进行计算？利用已有计算系统，面向各行各业的计算问题求解。
什么能、且如何被有效地自动计算问题就是计算学科的科学家不断在研究和解决的问题。
计算机思维导论PPT
3. 两种解决方法：
计算与自动计算
1. 两种解决方法
（1）通过数学上的规则推导，获得等效的计算方法，从
而完成计算。
n
【例1.2】计算 i 1 2 3 ...... n
i 1
通过数学推导可得 计算
n
i
i பைடு நூலகம்1
n *(1 2
n)
，人们可以轻松的完成
计算与自动计算
（2）另一种办法是设计简单的规则，让机器重复执行， 进行自动计算。
1.1.2 计算思维与各学科的关系
1．应用计算手段促进各学科的研究和创新 2．各学科创新自己的新型计算手段 3．计算思维可以帮助培养各专业的人才
1.2 计算与自动计算
1. 计算是指数据在运算符的操作下，按照规则进行数据 变换。
2. 有时候虽然人们知道了计算的规则，但是因为计算过 于复杂，超过了人的计算能力，所以无法计算得到结 果。
本质是抽象和自动化，即在不同层 面进行抽象，以及将这些抽象机器化。
目的是希望所有人都能像计算机科 学家一样思考，将计算技术与各学科理论 、技术与艺术进行融合实现新的创新。
计算思维的基本内容
计算思维包括多项基本内容。 1. 二进制0和1的基础思维。 2. 指令和程序的思维 3. 递归的思维 4. 计算机系统发展的思维 5. 问题求解的思维 6. 网络化的思维
学习要求
1. 学生应掌握计算思维的基本概念。 2. 掌握计算的有关概念，计算工具的发展，元器件的发
展等。 3. 阅读教材 4. 完成书后习题。
2计算机系统的基本思维
22
目录
2.1 0和1的思维 2.2 二进制与数据编码 2.3 图灵机与冯•诺依曼计算机
2.1 0和1的思维
计算与自动计算
1. 两种解决方法
（1）通过数学上的规则推导，获得等效的计算方法，从
而完成计算。
n
【例1.2】计算 i 1 2 3 ...... n
i 1
通过数学推导可得 计算
n
i
i பைடு நூலகம்1
n *(1 2
n)
，人们可以轻松的完成
计算与自动计算
（2）另一种办法是设计简单的规则，让机器重复执行， 进行自动计算。
1.1.2 计算思维与各学科的关系
1．应用计算手段促进各学科的研究和创新 2．各学科创新自己的新型计算手段 3．计算思维可以帮助培养各专业的人才
1.2 计算与自动计算
1. 计算是指数据在运算符的操作下，按照规则进行数据 变换。
2. 有时候虽然人们知道了计算的规则，但是因为计算过 于复杂，超过了人的计算能力，所以无法计算得到结 果。
本质是抽象和自动化，即在不同层 面进行抽象，以及将这些抽象机器化。
目的是希望所有人都能像计算机科 学家一样思考，将计算技术与各学科理论 、技术与艺术进行融合实现新的创新。
计算思维的基本内容
计算思维包括多项基本内容。 1. 二进制0和1的基础思维。 2. 指令和程序的思维 3. 递归的思维 4. 计算机系统发展的思维 5. 问题求解的思维 6. 网络化的思维
学习要求
1. 学生应掌握计算思维的基本概念。 2. 掌握计算的有关概念，计算工具的发展，元器件的发
展等。 3. 阅读教材 4. 完成书后习题。
2计算机系统的基本思维
22
目录
2.1 0和1的思维 2.2 二进制与数据编码 2.3 图灵机与冯•诺依曼计算机
2.1 0和1的思维
关于计算思维-计算机导论
关于计算思维-计算机导论计算思维是一种将计算机科学的思维方法和模式应用于日常问题中的思维方式。
这种思维方式通过分析问题、设计算法和解决复杂难题，使人们能够更加高效地思考和解决问题。
本文将介绍计算思维的概念、重要性以及如何应用计算思维来解决实际问题。
一、引言计算思维作为一种跨学科的思维方式，在当今科技发展迅猛的时代显得尤为重要。
计算机科学不仅仅是一门技术学科，更是一种解决问题的方法论，计算思维正是其中的核心。
二、什么是计算思维计算思维是一种将计算机科学的思维方法和模式应用于日常问题中的思维方式。
它通过将问题抽象成为可以被计算机识别和处理的形式，来解决问题。
计算思维强调对问题的逻辑分析和抽象建模的能力，以及基于模型的算法设计和代码实现的能力。
三、计算思维的重要性1. 提高问题解决能力：计算思维能够帮助人们更加系统和有效地解决问题。
通过抽象问题、设计算法和实现代码等步骤，人们能够更加深入地理解问题，并找到最优解决方案。
2. 培养创新精神：计算思维注重创新和灵活的思维方式。
它不仅仅是一种解决问题的方法，更是一种培养创新精神和创造力的途径。
通过思考问题的不同角度和尝试不同的解决方法，人们可以培养出独立思考和创新的能力。
3. 适应信息化时代：计算思维是适应信息化时代的必备能力。
在当今信息爆炸的社会中，我们需要处理大量复杂的信息，而计算思维能够帮助我们更好地整理和分析信息，从而更好地适应信息化时代的挑战。
4. 增强综合素质：计算思维注重问题的整体把握和综合分析能力。
它强调将问题拆解成为更小的子问题，并通过逻辑推理等方法将这些子问题组合起来解决整个问题。
这种综合思维能力对于解决复杂问题和应对挑战至关重要。
四、计算思维的应用实例1. 算法设计和优化：计算思维可以应用于算法设计和优化领域。
通过将问题抽象成为算法的形式，并采用适当的数据结构和算法设计方法，可以得到高效、准确的解决方案。
2. 数据分析与决策：计算思维可以应用于数据分析和决策过程。
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字（word）：计算机一次存取、加工、
运算和传送的数据长度，一个字的二进 制位数称为字长。字长一般为8的倍数。 1、为什么字长一般为 8的整数倍？
进制是一种“量”的表示方式
十进制
0~9
“逢十进位”的规则和一个小
数点构成了一套完整的进制体系
二进制 据
“逢二进位”的进制 0、1表示数
数制表示
或
计算机算法的特性
（1）有穷性：一个算法在执行有穷步之后必须结束。也就是 说，一个算法，它所包含的计算步骤是有限的。 （2）确定性：算法的每一个步骤必须要确切地定义。即算法 中所有有待执行的动作必须严格而不含混地进行规定，不能 有歧义性。 （3）输入：算法有零个或多个的输入，即在算法开始之前， 对算法最初给出的量。 （4）输出：算法有一个或多个的输出，即与输入有某个特定 关系的量，简单地说就是算法的最终结果。 （5）可操作性：算法上描述的操作在计算机上都是可以实现 的。
800元！ 400元！ 600元！ 高了 低了 高了
参与者
………………….
如果你是参与者，你接下来会怎么猜？ 主持人：李咏
计算思维的定义
运用计算机科学的思想、方法和技术进行问 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
周以真 （Jeannette M. Wing） 美国计算机科学家 卡内基-梅隆大学教授 ACM与IEEE会士
二、什么是计算
计算是人类文明最古老而又最时新的成就之一
计算方法及计算工具不断地发展，对推动社会进步
发挥了巨大作用
计算的本质就是基于规则的符号串变换
手动计算工具时代
手动式计算工具——算筹图
1.3 手动式计算工具——算盘
机械式计算工具时代
法国著名数学家、物理学家、近代概率论的奠基者和 他的计算工具——帕斯卡加法器1642 年
=38
高级语言
实现一条语句： 例：d=5*6+8 高级语言程序必须经过翻译变成机器语言 程序。翻译有两种做法：编译和解释，相应的 翻译工具分别叫做编译器和解释器。
四
数制转换计算
二进制数的基本单位
位（bit） 字节(byte)：计算机存储容量的基本单位。 计算机内部,一个字节可以表示一个数 据、一个英文字母，两个字节可以表示一 个汉字。 8(Bit)=1(Byte) Byte -- 字节 1024(Byte)=1(Kb) Kb --- 千字节 1024(Kb)=1 (Mb) Mb --- 兆字节 1024(Mb)=1 (Gb) Gb --- 千兆字节
计算 5*6+8 ？
最初的语言是机器语言，是二进制编码，机器 可直接执行。
00000001000000001000 00000001000100001010 00000101000000000001 00000001000100001001 00000100000000000001 00000010000000001110 数据5装入寄存器0 数据6装入寄存器1 寄存器0与1的数据乘 数据8装入寄存器1 寄存器0与1的数据加 保存寄存器0里的数 38
三、什么是计算思维
笛卡尔（Rene Descartes）：解析几何之父 我思故我在 思维是对某个问题或事物的思考过程以及产生的想法 或见解 思维是人脑对客观现实概括的和间接的反映，它反映 的是事物的本质和事物间规律性的联系
思维是与时俱进的
人类的思维水平也必然随着认识工具 的进步而逐步地由浅入深、由单纯到 复杂、由片面至全面发展 我们所使用的工具影响着我们的思维 方式和思维习惯，从而也将深刻地影 响着我们的思维能力
算法效率
算法的效率可以通过复杂度来说明，分为时间复杂 度和空间复杂度。 时间复杂度：执行该算法所需要的计算工作量，一 般用所需基本运算的执行次数来度量。 空间复杂度：执行该算法所需的内存空间，
问题：在 2 4 23 56 76 87 94 129 140 有序数列中 插入数据 90使之依然保持有序需要多 少次？
的一种体现。
什么是程序？
程
序 （Program）
程序一词源于生活。做任何一件事情，都是有 程序的。 例如，颁奖大会的程序；做菜的程序等等。 把做菜的步骤用大家看得懂的方式记录下来， 其他人可以按这些步骤顺序实施就完成了该事情。 程序是为实现特定目标或解决特定问题而用计 算机语言编写的指令序列。平常所说的各种软件就 是由程序和数据构成的。
计算经济学
运用计算思想分析和综合经济问 题 分析、模型、决策 计算思想在诺贝尔奖获奖理论中 占到70%以上的比例
计算考古学--人脸复原
2000年前的马王堆辛追夫人与3500年前的 古埃及最美丽的王妃：妮菲蒂蒂
2.计算改变工作方式：数字化会议
数字化医疗
数字化教学
数字化制造
装配过程仿真
机电计算工具时代
美国哈佛大学应用数学教授霍华德· 艾肯 和他的机电式计算机——MARK I
电子计算机时代
阿塔纳索夫
莫齐利
埃克特
第一台电子数字计算机ENIAC ENIAC的发明人与制作人阿塔纳索夫、莫齐利、埃克特
“天河一号”是我国首台千万亿次超级计算机
计算是基于规则的符号串变换
1+2+3 →（1+2）+3 ：结合律 → 3+3 ：加法口诀，替换规则 →6 ：加法口诀 从一个已知的符号串开始，按照一定的规则 ，一步一步地改变符号串，经过有限步骤， 最后得到一个满足预先规定的符号串，这种 变换过程就是计算。
计算机思维与程序设计（c）
导 论
赵治国
南华大学计算机学院
说明 教材
大学计算机基础 自学为主 大学C/C++语言程序设计 基础
课时
第1学期：2(导论)+26(C、理论)+20(上机)
考试 第1、2学期末分别考试，笔试 成绩 笔试×70%+平时成绩×30%
具体要求 了解计算机的组成、工作原理 了解计算机的软、硬件系统 掌握OS和Office办公软件的使用 掌握一种程序设计语言的语法和基 本的编程方法 掌握一种程序设计工具的应用 了解常用的算法和数据结构 了解软件的基本开发过程和方法
计算生物学改变着生物学家的思考方式
计算博弈理论改变着经济学家的思考方式
纳米计算改变着化学家的思考方式
计算物理学改变着物理学家的思考方式 数学机械化改变数学家的思考方式 社会计算改变社会学家的思考方式 ……
计算生物学
应用数据分析及理论 的方法、数学建模和 计算机仿真技术，来 研究生物学、行为学 和社会群体系统。
程序设计
程序设计(Programming)是给出解决特定问题 程序的过程，是软件构造活动中的重要组成部分。
程序设计往往以某种程序设计语言为工具，给出
这种语言下的程序。
程序设计语言
第一代机器语言； 第二代汇编语言； 第三代高级语言：VB，C，C++，Java； 第四代应用语言：PowerBuilder、 Delphi，INFORMOX-4GL； 第五代自然语言。
十进制转换为二进制
例：将十进制数35.625转换为二进制数
转 换 整 数 部 分
2 35 2 17 2 8 2 4 2 2 2 1
1 最低位 1 0 0 0 1
0 (35)10=(100011)2
数字化生存
计算不再只和计算机有关，它 决定我们的生存
尼葛洛庞帝（Negroponte）：美国麻省理工学 院教授及媒体实验室的创办人。1996年7月被 《时代》周刊列为当代最主要的未来学家之一。
数字化生存的智慧：计算思维
一、计算改变了什么？
二、什么是计算？ 三、什么是计算思维？
1.计算改变科学家的思考方式
个 数
10个 2个 8个 16个 R个
进位值
10 2 8 16 R
权
(1999)10= 1×103 + 9×102 + 9× 101 + 9× 100
基数
权
(101.11)2= 1×22 + 0×21 + 1× 20 + 1× 2-1 + 1× 2-2
十进制数转换为Ｒ进制数
整数：除Ｒ取余法(先得最低位，后得最高位） 小数：乘Ｒ取整法(先得最高位，后得最低位）
第一章 计算思维与程序设计
1.1 1.2
计算数制转换计算
想一想：
某海军陆战队在原始森 林进行为时一个月左右 的生存实验，要求：一， 每个队员除了身上穿的 衣服外，随身只能带三 件物品，每件物品不能 超过二公斤；二，队员 都是由飞机空降到半径 为1000公里原始森林的 中心地带，要求在一个 月时间内从森林里走出 来。问题：队员带哪三 件物品合适？
理想的答案：钢刀、火石、指南针
人类要在世界上生存与发展要获取物质、 能量、信息三大要素。
在农业社会和工业社会中，物质和能源 是主要资源，所从事的是大规模的物质生产。
20世纪50年代，信息赶超上材料、能源 成为影响人类社会发展的决定性力量。 在信息社会中，信息成为比物质和能源 更为重要的资源，生成、发布和使用信息成 为重要的经济和文化行为。
艾兹格· W· 迪科斯彻 （1930~2002） （Edsger Wybe Dijkstra，） 荷兰 计算机 科学家， 荷兰Leiden大学 1972年获得图灵奖
计算无处不在的时代思维：计算思维