计算思维导论课件 第1章
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计算思维ppt
我们应当传播计算机科 学的快乐、崇高和力量， 致力于使计算思维成为 常识。
谢 谢 观 看
计算思维
目
Contents
第一章 第二章 第三章 第四章
录
LOGO 总定义
概述
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。
LOGO 优点内容
优点
计算思维建立在 计算过程的能力和限 制之上，由人由机器 执行。计算方法和模 型使我们敢于去处理 那些原本无法由个人 独立完成的 问题求解 和系统设计。
是人的，不是 计算机的思维 方式 概念化，不是 程序化
01
LOGO 总结
智力上的挑战和引人入 胜的 科学问题依旧亟待 理解和解决
计算机科学的教授应当为大学新生开一 门称为“怎么像计算机科学家一样思维” 的课程，面向所有专业，而不仅仅是计 算机科学专业的学生。
我们应当设法激发公众 对计算机领域科学探索 的兴趣，而不是悲叹对 其兴趣的衰落或者哀泣 其研究经费的下降。
内容
计算思维中的 抽象完全超越物理 的时空观，并完全 用符号来表示，其 中，数字抽象只是 一类特例。
SWTO
LOGO 计算思维
1
3 计算思维是一种递归思维
操作模式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2
4
计算思维用途
抽象和分解
LOGO 特性
是思想，不是 人造物
数学和工程思 维的互补与融 合
05 04 03 02
根本的，不是 刻板的技能
计算机基础思维课件-第1章 计算机与计算思维
计算的本质是基于规则的符号串变换，更广义 的说，计算是基于规则的物理状态的变换。
• 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。
• 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。
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
计算思维概述 ppt课件
④ ICER Final Report of the Northwest Regional Meeting • 内容及建议
以上四个文件分析了美国计算教育出现的问题，报告建议在美国国家科学基金的资助下全面 改革美国的计算教育。以下两个问题和一个建议值得我们注意： ① 大学第一年计算机课程的构建问题； ② 多学科的融合问题； ③ 报告建议加强美国中小学学生抽象思维与写作能力的训练，目的，使学生平稳过渡到
（3）“讨论”出服务排队的核心方法：
–先来先服务（FCFS) –短任务优先（SJF) –最短剩余时间优先（SRTF) –优先级调度（HPF) –时间片轮转（RR)
例4 装箱问题模拟
问题：用尽可能少的箱子装下若干物体
#include <stdio.h> main() {
int i, j, Cur, N, Max=0; static int S[1001]; scanf("%d", &N); for(i=1; i<=N; i++) {
科学的美不逊于艺术的美。
1.1 科学与科学思维
1. 科学的概念
词源
“science”来源于拉丁文”scientia”, 意为“知识 与学问”。
达尔文
“科学就是整理事实，从中发现规律，作出结 论。”
科学是运用范畴、定理和定律等思维形式反映现 实世界中各种现象的本质和运动规律的知识体系。
1.1 科学与科学思维
2. 科学的分类 广义科学
自然科学：以自然界为主要研究对象，运用实证、理性和 臻美等方法，解释自然的奥秘。
人文科学：以人类为主要研究对象，，运用实地考察、诠 释和启示等方法，认识人、人性和人生的意义，提升人的精 神素质和思想境界。
以上四个文件分析了美国计算教育出现的问题，报告建议在美国国家科学基金的资助下全面 改革美国的计算教育。以下两个问题和一个建议值得我们注意： ① 大学第一年计算机课程的构建问题； ② 多学科的融合问题； ③ 报告建议加强美国中小学学生抽象思维与写作能力的训练，目的，使学生平稳过渡到
（3）“讨论”出服务排队的核心方法：
–先来先服务（FCFS) –短任务优先（SJF) –最短剩余时间优先（SRTF) –优先级调度（HPF) –时间片轮转（RR)
例4 装箱问题模拟
问题：用尽可能少的箱子装下若干物体
#include <stdio.h> main() {
int i, j, Cur, N, Max=0; static int S[1001]; scanf("%d", &N); for(i=1; i<=N; i++) {
科学的美不逊于艺术的美。
1.1 科学与科学思维
1. 科学的概念
词源
“science”来源于拉丁文”scientia”, 意为“知识 与学问”。
达尔文
“科学就是整理事实，从中发现规律，作出结 论。”
科学是运用范畴、定理和定律等思维形式反映现 实世界中各种现象的本质和运动规律的知识体系。
1.1 科学与科学思维
2. 科学的分类 广义科学
自然科学：以自然界为主要研究对象，运用实证、理性和 臻美等方法，解释自然的奥秘。
人文科学：以人类为主要研究对象，，运用实地考察、诠 释和启示等方法，认识人、人性和人生的意义，提升人的精 神素质和思想境界。
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
计算机计算与计算思维ppt课件
为什么要学习和怎样学习 大学计算机课程
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
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
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
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
类别 自然科学、社会科学、思维科学
科学的种类：
不同分类方式 按照研究对象的不同
按照与实践联系的不同 理论科学、技术科学、应用科学
按照人类对自然规律利 自然科学、实验科学 用的直接程度 按照人类目标的不同 广义的科学、狭义的科学
广义的科学概念是自然科学、人文科学和社会科学等所有 学科的总称，狭义的科学概念则专指自然科学，有时甚至 直指基础理论科学。
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
1993 ：高性能计算与通信 --HPCC计划 2005 ：计算科学 --确保美国的竞争力报告建议：应将计 算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位。 1996：加速战略计算创新--ASCI计划
题的学科，已经成为对科学领导力、经济竞争力以及国 家安全都至关重要的一门科学。
计算科学是运用高级计算能力来理解和处理复杂问 2002 ：高性能计算系统--HPCS计划
我们相信计算科学是21世纪最重要的技术领域之一， 因为它对整个社会的进步都是十分重要的。计算科学为 研究者提供了一个独特的窗口，他们可以通过它来研究 那些不切实际或很难解决的问题，为高经济效益提供高 级工业方法，如高效设计比价格昂贵又费时的风洞试验 更有效的机翼计算试验。
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
计算学科是在数学和电子科学基础上发展起 来的一门新兴学科，它既是一门理论性很强的学 科，又是一门实践性很强的学科。
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
三、计算机科学与计算机学科
计算机科学/Computer Science：研究计算机及 其周围各种现象和规律的科学。 分类：理论计算机科学、应用计算机科学。 计算机学科/Computer Discipline：即计算机科 学与技术，它是研究计算机的设计与制造和利用计算 机进行信息获取、表示、储存、处理、控制等的理论、 原则、方法和技术的学科。 计算机科学侧重研究现象与揭示规律。计算机技 术侧重研制计算机及使用计算机进行信息处理的方法 和技术手段。
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计算思维 基础知识
1.3 计算思维的概念
②设计系统中的计算思维 R.Karp认为：任何自然系统和社会系统都可 视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量 和信息的交换，这种交换可以映射为符号变换， 使之能用计算机进行离散的符号处理。 当动态演化系统抽象为离散符号系统后，就 可以采用形式化的规范描述，建立模型、设计算 法和开发软件来揭示演化的规律，实时控制系统 的演化并自动执行。
计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
一、科学的概念 达尔文对科学定义：科学就是整理事实，从 中发现规律并做出结论。
达尔文的定义指出了 科学的内涵，即事实与规 律。科学要发现人所未知 的事实，并以此为依据， 实事求是。至于规律是指 客观事物之间内在的本质 的必然联系。
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计算思维 基础知识
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计算思维 基础知识
1.2 思维与科学思维
一、思维的概念 思维是精神地球上最美丽的花朵。 1.思维的定义 思维是人脑对客观事物的一种概括的、间 接的反映，它反映客观事物的本质和规律。 2.思维的组成 思维原料(自然界)、思维主体(人脑) 思维工具(认识的反映形式)
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计算思维 基础知识
1.3 计算思维的概念
针对上述定义解释如下： ①求解问题中的计算思维 利用计算手段求解问题的过程是：首先要把 实际的应用问题转换为数学问题，可能是一组偏 微分方程，其次将PDE离散为一组代数方程组， 然后建立模型、设计算法和编程实现，最后在实 际的计算机中运行并求解。 前两步是计算思维中的抽象，后两步是计算 思维中的自动化。
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
类别 解释或说明
自然科学 Natural Science
人文科学 humanities 社会科学 Social Science
以自然界为主要研究对象，运用实证、理性 和臻美等方法，揭示自然的奥秘，获取自然 的真知。 以人类作为主要研究对象，运用实地考察、 诠释和启示等方法，认识人、人性和人生的 意义，提升人的精神素质和思想境界。 以社会领域为主要研究对象，运用调查、统 计和归纳等方法，把握社会规律，解决社会 问题，促进社会进步。
二、科学思维 科学思维：指理性认识及其过程，即经过感 性阶段获得的大量材料，通过整理和改造，形成 概念、判断和推理，以便反映事物本质和规律。
简而言之，科学思维是人脑对科学信息的加工活动。 科学思维的主要表现： ①科学的理性思维 ②科学的逻辑思维 ③科学的系统思维 ④科学的创造性思维
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计算思维 基础知识
1.2 思维与科学思维
3.思维的特征
特征 解释或说明
概括性 思维是在人的感性基础上，将一类事物的共 同本质的特征和规律抽取出来，加以概括。 如人们感知(日出东方、日落西山)，通过思 维概括揭示是地球自转的结果。 间接性 指非直接的，以其它事物做媒介来反映客观 事物。如根据医学知识和临床经验，医生询 问病史和辅助检查，判断病情，作出治疗。 能动性 不仅能认识和反映世界，而且还能对客观世 界进行改造。如人们不仅能认知宇宙速度， 还能制造宇宙飞船飞向太空。
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计算思维 基础知识
1.3 计算思维的概念
一、计算思维的定义 计算思维(Computational Thinking，CT) 周以真认为：计算思维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 的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。
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1.3 计算思维的概念
波尔普的三个世界观点
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1.3 计算思维的概念
二、计算思维的详细描述
计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方 法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个人 们知道怎样解决的问题。
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。
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1.3 计算思维的概念
③理解人类行为中的计算思维 王飞跃认为(中科院)：计算思维是基于可计 算的手段，以定量化的方式进行的思维过程。计 算思维就是应对信息时代新的社会动力学和人类 动力学所要求的思维。在人类的物理世界、精神 世界和人工世界等三个世界中，计算思维是建设 人工世界需要的主要思维方式。 利用计算手段来研究人类的行为，可视为社 会计算，即通过各种信息技术手段，设计、实施 和评估人与环境之间的交互。
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，是一种 基于关注点分离的方法。
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1.3 计算思维的概念
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并使其易于处理的 思维方法。 计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错和 纠错方式，从最坏情况进行系统恢复的一种思维 方法。 计算思维是利用启发式推理寻求解答，也即在不 确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。
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1.3 计算思维的概念
3.是人的，不是计算机的思维
计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要 使人类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人 类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情。计算 机赋予人类强大的计算能力，人类应该好好的利用这 种力量去解决各种需要大量计算的问题。
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1.2不同分类方式 按照思维的进程方向 类别 横向思维、纵向思维 发散思维、收敛思维 按照思维的抽象程度 直观行动思维 具体形象思维 抽象逻辑思维 按照思维的形成和应用 科学思维 领域 日常思维
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1.2 思维与科学思维
计算思维 计算思维是思维过程或功能的计算模拟方法论，其 研究目的是提供适当的方法，使人们能借助计算机 逐步达到人工智能的较高目标。
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1.2 思维与科学思维
三种科学对应着三种思维： 理论科学←→理论思维 理论思维又称逻辑思维，它以推理和演绎为特征， 以数学学科为代表。 实验科学←→实验思维 实验思维又称实证思维，它以观察和总结自然规律 为特征，以物理学科为代表。 计算科学←→计算思维 计算思维又称构造思维，它以设计和构造为特征， 以计算机学科为代表。
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中 的思维方法。
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1.3 计算思维的概念
1.概念化，不是程序化
三、计算思维的特征
计算机科学不是计算机编程。像计算机科学家那 样去思维意味着远远不仅限于计算机编程，还要求能 够在抽象的多个层次上思维。计算机科学不只是关注 计算机，就像音乐产业不只是关注麦克风一样。 2.根本的，不是刻板的技能 计算思维是一种根本技能，是每一个人为了在现 代社会中发挥职能所必须掌握的。刻板的技能意味着 简单的机械重复。
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1.1 科学与计算科学
学科：指高校中讲授或研究知识的分科。
计算学科/Computational Discipline:利用 计算科学对其他学科中的问题进行计算机模拟或 者其他形式的计算而形成的诸如计算物理、计算 化学等学科统称为计算学科。(计算视角)
计算学科/Computing Discipline:是对描述 和变换信息的算法过程进行系统的研究，它包括 算法过程的理论、分析、设计、效率分析、实现 和应用等。(计算机视角)
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1.1 科学与计算科学
类别 自然科学、社会科学、思维科学
科学的种类：
不同分类方式 按照研究对象的不同
按照与实践联系的不同 理论科学、技术科学、应用科学
按照人类对自然规律利 自然科学、实验科学 用的直接程度 按照人类目标的不同 广义的科学、狭义的科学
广义的科学概念是自然科学、人文科学和社会科学等所有 学科的总称，狭义的科学概念则专指自然科学，有时甚至 直指基础理论科学。
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1.1 科学与计算科学
1993 ：高性能计算与通信 --HPCC计划 2005 ：计算科学 --确保美国的竞争力报告建议：应将计 算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位。 1996：加速战略计算创新--ASCI计划
题的学科，已经成为对科学领导力、经济竞争力以及国 家安全都至关重要的一门科学。
计算科学是运用高级计算能力来理解和处理复杂问 2002 ：高性能计算系统--HPCS计划
我们相信计算科学是21世纪最重要的技术领域之一， 因为它对整个社会的进步都是十分重要的。计算科学为 研究者提供了一个独特的窗口，他们可以通过它来研究 那些不切实际或很难解决的问题，为高经济效益提供高 级工业方法，如高效设计比价格昂贵又费时的风洞试验 更有效的机翼计算试验。
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1.1 科学与计算科学
计算学科是在数学和电子科学基础上发展起 来的一门新兴学科，它既是一门理论性很强的学 科，又是一门实践性很强的学科。
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1.1 科学与计算科学
三、计算机科学与计算机学科
计算机科学/Computer Science：研究计算机及 其周围各种现象和规律的科学。 分类：理论计算机科学、应用计算机科学。 计算机学科/Computer Discipline：即计算机科 学与技术，它是研究计算机的设计与制造和利用计算 机进行信息获取、表示、储存、处理、控制等的理论、 原则、方法和技术的学科。 计算机科学侧重研究现象与揭示规律。计算机技 术侧重研制计算机及使用计算机进行信息处理的方法 和技术手段。
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1.3 计算思维的概念
②设计系统中的计算思维 R.Karp认为：任何自然系统和社会系统都可 视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量 和信息的交换，这种交换可以映射为符号变换， 使之能用计算机进行离散的符号处理。 当动态演化系统抽象为离散符号系统后，就 可以采用形式化的规范描述，建立模型、设计算 法和开发软件来揭示演化的规律，实时控制系统 的演化并自动执行。
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1.1 科学与计算科学
一、科学的概念 达尔文对科学定义：科学就是整理事实，从 中发现规律并做出结论。
达尔文的定义指出了 科学的内涵，即事实与规 律。科学要发现人所未知 的事实，并以此为依据， 实事求是。至于规律是指 客观事物之间内在的本质 的必然联系。
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1.2 思维与科学思维
一、思维的概念 思维是精神地球上最美丽的花朵。 1.思维的定义 思维是人脑对客观事物的一种概括的、间 接的反映，它反映客观事物的本质和规律。 2.思维的组成 思维原料(自然界)、思维主体(人脑) 思维工具(认识的反映形式)
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1.3 计算思维的概念
针对上述定义解释如下： ①求解问题中的计算思维 利用计算手段求解问题的过程是：首先要把 实际的应用问题转换为数学问题，可能是一组偏 微分方程，其次将PDE离散为一组代数方程组， 然后建立模型、设计算法和编程实现，最后在实 际的计算机中运行并求解。 前两步是计算思维中的抽象，后两步是计算 思维中的自动化。
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1.1 科学与计算科学
类别 解释或说明
自然科学 Natural Science
人文科学 humanities 社会科学 Social Science
以自然界为主要研究对象，运用实证、理性 和臻美等方法，揭示自然的奥秘，获取自然 的真知。 以人类作为主要研究对象，运用实地考察、 诠释和启示等方法，认识人、人性和人生的 意义，提升人的精神素质和思想境界。 以社会领域为主要研究对象，运用调查、统 计和归纳等方法，把握社会规律，解决社会 问题，促进社会进步。
二、科学思维 科学思维：指理性认识及其过程，即经过感 性阶段获得的大量材料，通过整理和改造，形成 概念、判断和推理，以便反映事物本质和规律。
简而言之，科学思维是人脑对科学信息的加工活动。 科学思维的主要表现： ①科学的理性思维 ②科学的逻辑思维 ③科学的系统思维 ④科学的创造性思维
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1.2 思维与科学思维
3.思维的特征
特征 解释或说明
概括性 思维是在人的感性基础上，将一类事物的共 同本质的特征和规律抽取出来，加以概括。 如人们感知(日出东方、日落西山)，通过思 维概括揭示是地球自转的结果。 间接性 指非直接的，以其它事物做媒介来反映客观 事物。如根据医学知识和临床经验，医生询 问病史和辅助检查，判断病情，作出治疗。 能动性 不仅能认识和反映世界，而且还能对客观世 界进行改造。如人们不仅能认知宇宙速度， 还能制造宇宙飞船飞向太空。
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1.3 计算思维的概念
一、计算思维的定义 计算思维(Computational Thinking，CT) 周以真认为：计算思维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 的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。
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1.3 计算思维的概念
波尔普的三个世界观点
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1.3 计算思维的概念
二、计算思维的详细描述
计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方 法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个人 们知道怎样解决的问题。
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。
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1.3 计算思维的概念
③理解人类行为中的计算思维 王飞跃认为(中科院)：计算思维是基于可计 算的手段，以定量化的方式进行的思维过程。计 算思维就是应对信息时代新的社会动力学和人类 动力学所要求的思维。在人类的物理世界、精神 世界和人工世界等三个世界中，计算思维是建设 人工世界需要的主要思维方式。 利用计算手段来研究人类的行为，可视为社 会计算，即通过各种信息技术手段，设计、实施 和评估人与环境之间的交互。
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，是一种 基于关注点分离的方法。
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1.3 计算思维的概念
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并使其易于处理的 思维方法。 计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错和 纠错方式，从最坏情况进行系统恢复的一种思维 方法。 计算思维是利用启发式推理寻求解答，也即在不 确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。
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1.3 计算思维的概念
3.是人的，不是计算机的思维
计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要 使人类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人 类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情。计算 机赋予人类强大的计算能力，人类应该好好的利用这 种力量去解决各种需要大量计算的问题。
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1.2不同分类方式 按照思维的进程方向 类别 横向思维、纵向思维 发散思维、收敛思维 按照思维的抽象程度 直观行动思维 具体形象思维 抽象逻辑思维 按照思维的形成和应用 科学思维 领域 日常思维
1-15/45
计算思维 基础知识
1.2 思维与科学思维
计算思维 计算思维是思维过程或功能的计算模拟方法论，其 研究目的是提供适当的方法，使人们能借助计算机 逐步达到人工智能的较高目标。
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1.2 思维与科学思维
三种科学对应着三种思维： 理论科学←→理论思维 理论思维又称逻辑思维，它以推理和演绎为特征， 以数学学科为代表。 实验科学←→实验思维 实验思维又称实证思维，它以观察和总结自然规律 为特征，以物理学科为代表。 计算科学←→计算思维 计算思维又称构造思维，它以设计和构造为特征， 以计算机学科为代表。
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中 的思维方法。
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1.3 计算思维的概念
1.概念化，不是程序化
三、计算思维的特征
计算机科学不是计算机编程。像计算机科学家那 样去思维意味着远远不仅限于计算机编程，还要求能 够在抽象的多个层次上思维。计算机科学不只是关注 计算机，就像音乐产业不只是关注麦克风一样。 2.根本的，不是刻板的技能 计算思维是一种根本技能，是每一个人为了在现 代社会中发挥职能所必须掌握的。刻板的技能意味着 简单的机械重复。
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1.1 科学与计算科学
学科：指高校中讲授或研究知识的分科。
计算学科/Computational Discipline:利用 计算科学对其他学科中的问题进行计算机模拟或 者其他形式的计算而形成的诸如计算物理、计算 化学等学科统称为计算学科。(计算视角)
计算学科/Computing Discipline:是对描述 和变换信息的算法过程进行系统的研究，它包括 算法过程的理论、分析、设计、效率分析、实现 和应用等。(计算机视角)