20141001-计算机专业导论第1讲-计算机-计算-计算思维
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。
计算思维导论
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
从头学习计算机之计算思维（第一讲计算，计算机与计算思维）
从头学习计算机之计算思维（第一讲计算，计算机与计算思维）计算，计算机与计算思维1.计算思维的提出缘由-学科的发展，知识的膨胀周以真教授提出计算思维，Dennis提出计算的伟大原理。
《computational Thinking》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。
计算思维的本质就是抽象（abstraction）与自动化（Automation）即在不同层面进行抽象，以及将这些抽象自动化。
计算思维是人类应具备的第三种思维（实验思维，理论思维，计算思维->计算科学）实验思维：实验-》观察-》发现、推断与总结。
---观察与归纳理论思维：假设、预设-》定义/性质/定理-》证明。
---推理和演绎计算思维：设计，构造与计算。
--设计与构造计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分当前环境下，理论与实验手段在棉铃大规模数据的情况下，不可避免的要用计算手段来辅助进行。
（1）计算之树的第一个维度-计算技术的奠基性思维“0和1”思维—符号化-》计算化-》自动化0和1是实现任何计算的基础；社会/自然与计算融合的基本手段；0和1是连接硬件与软件的纽带；0和1是最基本的抽象与自动化机制“程序思维”—千变万化复杂功能的构造、表达与执行程序是基本动作（指令）的各种组合，是控制计算系统的基本手段“递归”思维—无限食物及重复过程的表达与执行方法递归是最典型的构造程序的手段；递归函数是可计算函数的精确的数学描述；递归函数是研究计算学科理论问题的基础。
（2）计算指数的第二个维度-通用计算环境的进化思维（3）计算指数的第三个维度-交替促进与共同进化的问题求解思维“算法”问题的求解的一种手段—构造与设计算法算法是计算的灵魂；算法强调数学建模；算法考虑的是可计算性与计算复杂性；算法研究通常被认为是计算学科的理论研究“系统”问题的求解的一种手段—构造与设计系统系统是改造自然的手段；系统号强调非数学建模；系统考虑的是如何化复杂为简单（使其能够被做出来）；系统还强调结构性、可靠性、安全性等。
计算机计算与计算思维ppt课件
2.1 为什么要学习大学计算机？
计算学科的供需关系
计算科学 与 信息探索科学
各学科人才的计算思维/计算能力需求
计算思维
计算思维/计算能力
的学习和
训练
应用计算
支持各学 手段进行
计算机及 其通用计 算手段的
知识/技能 Gap
科研究创 新的新型 计算手段
各学科研 究和创新
莱布尼茨机的意义：连续重复自动执行。 提出了二进制数及其计算规则； 数理逻辑的创始人
是基于十进制设计机器，还是基于二进制设计机 器？ 如果基于二进制设计机器，那其处理规则又是怎 样的呢？
其他重要工作
1805年： 杰卡德(J.Jacquard)，打孔卡， 实践了输入手段问题。 1834年：巴贝奇(Charles Babbage)，分 析机的概念----可执行程序的机器。 1854 年 ： 布 尔 创 立 布 尔 代 数 ， 为 数 字 计算机的电路设计提供了理论基础。
1999 2005
八核-十核 CORE i 系列
2010
5.3 怎样解决大规模快速存储问题？
存储设备
发
展
水 平
纳米存储/量子存储
固态硬盘
USB Removable disk
FlashRAM
光盘存储(CD-ROM, CD R/W, DVD)
•体积越来越小 •容量越来越大 •访问速度越来越快 •可靠性越来越高 •功耗越来越低 •持久性越来越好
器获得计算结果
a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c
3.2 人计算与机器计算的差别?
“人”计算 vs. “机器”计算
例如：求ax2+bx+c=0的根
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怎样学? (3)知识 vs. 思维 vs. 能力?
视野： 宽度---知识面宽，前沿性 深度---贯通性，深入性
企业资源规划 与供应链管理
战德臣 教授
能力
(Ability & Capability)
知识与视野拓展 Knowledge Expansion
云计算与云服务
打通知识脉络， 融贯各门课程， 内功强化基础， 外功灵活应变。
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 nplus1
square_ square_ square_ alpha_ alpha_n beta_n nminus1 nminus1 n
2
9
4 9 16 25 36
1 4 9 16 25
3 5 7 9
1 3 5 7 9
机， 物物
机-
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 与数据库 数据仓库
个人计 算环境
编译器
社会计算 计算广告学 媒体计算
数据 事务管理 数据分析与 数据聚集 化
与大数据
0和1
程序
Theory
Biology 创造性思维 Comp. Economics
Geometric Comp.
Comp. Bio.
Eco nom
ics
Algorithms
复合性思维
学什么？
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 ZhanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology
思维：好奇、思考、联想、贯通
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 ZhanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology
机器-求解 (1)从-n到n，产 生x的每一个整 数值； (2)将其依次代 入到方程中计 算; (3)如果其值使 方程式成立， 则即为其解； 否则不是
利用上述公式 计算得到x值
人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器? 一阶差分 n = n2-(n-1)2 二阶差分 n = n - n-1
学什么? (1)课程内容组织的基本脉络?
1、针对具体的自然/社会问题如何计算? 2、计算如何与社会/自然进行融合?
战德臣 教授
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
1、可求解 vs.难求解? 2、如何降低计算量：计算vs.算法? 3、怎样研究算法?
计算机、计算与计算思维 课程引语及本讲学习什么?
战德臣 教授
高度决定词
专业：计算机科学与技术？
为什么要学？
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 ZhanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology
为什么要学? (1)为什么要学习计算机科学与技术专业?
战德臣 教授
为什么要学? (2)为什么要学本门课程？
战德臣 教授
理论 实验 思维E ElectricService Computing 思维
ngin e
Distributed Systems Networking
Soc ics iolo t s i t g S er v a y iceo & Database & Data mining St logy
怎样学? (1)知识构建次序
社会计算 计算语言学 计算广告学
嵌入计算 移动计算 普适计算
企业计算 服务计算 云计算
战德臣 教授
符号化-计算化自动化(0和1) 构造之基本 组合-抽象与 自动化手段：迭代 构造：程序 与递归 与系统 抽象
计算农林学
面向某类学科 /方向的计算 …计算或计算…
计算生物学 医药学计算
递归
怎样学？
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 ZhanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology
人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器? /*类C语言表达的计算规则—程序 Main() { int k, n, square[ ], alpha[ ], beta[ ]; input k; 输入不同的初 square[0]=0; 始值便可计算 square[1]=1; 不同的一元二 square[2]=4; 次多项式的值 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]; }
怎样学? (0)本门课程与其它课程的关系示意
社会/自 然问题
战德臣 教授
集合论与图论
…… 图的性质及证明 树的性质及证明 关系的性质及证明
数据结构
…… 图的存储与操纵 树的存储与操纵 链表的存储与操纵
算法设计与分析
…… 分治法 贪心法 动态规划法
然问题的 结果
计算机专业导论 社会/自 大学计算机-计算思维导论
本讲学习什么?
---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 ZhanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology
2 2 2 2
3 16 4 25 5 36
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 nplus1
square_ square_ square_ alpha_ alpha_n beta_n nminus1 nminus1 n
2
9
4 9 16 25 36
1 4 9 16 25
1、程序是如何被机器自动执行的：程序vs.系统? 2、如何编写机器可以执行的程序：语言vs.编译? 3、怎样构造求解问题的算法：问题算法程序?
学什么? (2)计算(机)科学有哪些计算思维需要学习?
社会/自然 的计算化 算法 移动计算 云计算 环境 并行分 布环境 系统
战德臣 教授
的 然现 表 达 象的 计算物理学 与 推 计算 计算化学 演
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
例如：求ax2+bx+c=0的根 人-求解
人进行计算： 一条规则可能很复杂, 但计算 量却可能很小 人需要知道具体的计算规则 特定规则，只能求: a1x2+a2x=c 机器-自动计算： 每条规则可能很简单, 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
3 5 7 9
1 3 5 7 9
2 2 2 2
3 16 4 25 5 36
机器自动计算需要解决的问题？
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 ZhanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology
计算经济学 计算统计学 计算金融学
人计算 机 -计 算 业务
生物计算 计算生物学 自 计算语言学
量子计算/ 光子计算
计算/求解 的自然化
智能计算 纳米计算 神经计算
抽象
模型 语言 协议
自动化
的 受 果 接 所 及结 企业计算 然 算 自 / 计算工程学 会 现计 社 用 式体 服务计算 形 云计算
系统 编解 码器
Robotics Machine Learning s istic Systems AI Natural Language
al Hardware erin g
Lingu
计算思维
y Ps olo h c gy
A rt
Design Security
HCI：Human Computer Interaction Graphics
自动计算需要解决的问题? (1)自动计算需要解决的问题?
战德臣 教授
计算