第1章 計算機與計算思維

1、大學計算機基礎(chǔ)課程簡介課程內(nèi)容：相對穩(wěn)定的、基礎(chǔ)性的計算機知識以及計算機新技術(shù)的發(fā)展方向與應用領(lǐng)域。思維教育：強調(diào)計算機知識的內(nèi)在統(tǒng)一性與外在差異性，了解計算思維。能力培養(yǎng)：基本的信息素養(yǎng)與能力，初步的計算思維能力。計算文化 計算科學 計算思維 學科交叉是創(chuàng)新的源泉 學科交叉重構(gòu)： XComputer Computer-based + X “多學科交叉融合是創(chuàng)新的源泉，推動了科學研究的重大突破與高新技術(shù)的產(chǎn)生。” 構(gòu)建基本的信息素養(yǎng)與學習能力，能夠“自覺”的學習計算機的相關(guān)技術(shù)和知識，以達到有興趣和會用計算機來解決問題，終身受益。 學會像計算機科學家那樣思考 學會用計算機處理各種問題1.1 計

2、算技術(shù)的發(fā)展 計算技術(shù)和計算工具的發(fā)展 計算機的發(fā)展 微型計算機的發(fā)展 計算技術(shù)在中國的發(fā)展 計算機的發(fā)展方向計算技術(shù)和計算工具的發(fā)展1642 Blaise Pascal加法器Charles Babbage1822 差分機1834 分析機MARK IENIAC電子計算機時代計算機的發(fā)展第一代第二代第三代第四代1946-19581959-19631964-19711972-現(xiàn)在主機電子器件電子管晶體管中小規(guī)模集成電路大規(guī)模/超大規(guī)模集成電路內(nèi)存水銀延遲線磁芯存儲器半導體存儲器半導體存儲器外存儲器穿孔卡片，紙帶磁帶，磁盤磁帶，磁盤磁盤、光盤等大容量存儲器處理速度(指令數(shù)/秒)幾千條幾百萬條幾千萬條

3、數(shù)億條以上電子管電子管晶體管晶體管集成電路集成電路大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路微型計算機的發(fā)展微型計算機的換代，通常是按其CPU字長和功能來劃分的 第一代(19711973)：4位或低檔8位微處理器和微型機 第二代(19741978)：中檔的8位微處理器和微型機 第三代(19781985)：16位微處理器和微型機 第四代(19851993)：32位高檔微型機 第五代(1993至今)：64位微處理器與20世紀70年代的大中型機功能相當。計算技術(shù)在中國的發(fā)展 十進制記數(shù)方法、算籌、珠算盤、指南車、水運渾象儀、記里鼓車、提花機等 國防科技大學計算機研究所研制的“銀河”系列 中科院計算技術(shù)研究所研制的

4、“曙光”系列 國家并行計算機工程技術(shù)中心研制的“神威”系列 聯(lián)想集團研制的“深騰”系列計算機的發(fā)展方向 巨型化 微型化 網(wǎng)絡(luò)化 智能化Altair 8800計算機發(fā)展微型化計算機不再是單一的計算機器，而是一種信息機器，一種個人的信息機器。計算機發(fā)展巨型化運算速度可達每秒幾百億次運算的1975年世界上第一臺超級計算機“Cray-I”超級計算機應用：天氣預報、地震機理研究、石油和地質(zhì)勘探，衛(wèi)星圖像處理等大量科學計算的高科技領(lǐng)域。中國超級計算機：國防科技大學研制的“銀河1號”、 “銀河2號”和“銀河3號”國家職能計算機中心推出的“曙光1000”和“曙光200I”計算機發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化計算機技術(shù)與通信技術(shù)結(jié)

5、合的產(chǎn)物。使用遠程資源，共享程序、數(shù)據(jù)和信息資源，網(wǎng)絡(luò)用戶的通訊和合作。計算機發(fā)展智能化“總有一天，人類會造出一些舉止跟人一樣的沒有靈魂的機械來”。 笛卡爾（1637）人類第一個“工業(yè)機器人”：一頭在紡織機上挑紗的“驢”（1742年）第一代機器人機械手（1962年出現(xiàn)）第二代機器人具有“感覺”的機器人第三代機器人裝有啟發(fā)式計算機的“智能機器人”未來的計算機 光子計算機 生物計算機 量子計算機 納米計算機 1.3 信息技術(shù)與普適計算各種事物的變化和特征的反映信息的載體信息數(shù)據(jù)信息與數(shù)據(jù) 例如：數(shù)值、文字、語言、圖形、圖像等。 17 信息技術(shù)（Information Technology，IT）

6、信息和通信技術(shù)（Information and Communication Technology, ICT） 通信技術(shù) 計算機技術(shù) 現(xiàn)代信息技術(shù)（群）1.2 普適計算 又稱普存計算、普及計算（pervasive computing，ubiquitous computing） 強調(diào)和環(huán)境融為一體的計算，人們能夠 在任何時間 在任何地點 以任何方式進行信息的獲取與處理。信息技術(shù)的應用科學計算 數(shù)據(jù)處理 電子商務 過程控制 4123CAD/CAM 多媒體技術(shù) 虛擬現(xiàn)實 人工智能 85671.3 人與計算機 人與計算機的對弈 人類思維形式 科學研究方法 計算機的局限性人與計算機的對弈 AlphaGo是

7、一款圍棋人工智能程序。它的主要工作原理是“深度學習”。 人類的潛在創(chuàng)造性和自我學習的能力以及非公式化的經(jīng)驗積累，是現(xiàn)代計算機無法比擬的。人類思維形式 思維 “人腦對客觀事物的本質(zhì)屬性和事物之間內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)律性所作出的概括與間接的反映”。 錢學森教授認為人類思維的基本形式 形象思維 邏輯思維 創(chuàng)造思維 人腦的思維方式并不是計算機一朝一夕能夠模擬的?？茖W研究方法 科學研究 為了增進知識包括關(guān)于人類文化和社會的知識以及利用這些知識去發(fā)明新的技術(shù)而進行的系統(tǒng)的創(chuàng)造性工作。 科學研究方法 理論 實驗 計算計算機的局限性 計算機只能做可計算性問題，不能做那些不可計算的問題 現(xiàn)代計算機發(fā)展所遵循的基本結(jié)構(gòu)形

8、式始終是馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)。 計算機所做的一切都是按照人的指令來進行的。 計算機只不過是一個處理指令的機器，即使有“智慧”，也是人賦予的。 不可計算性問題 被處理的信息無法表示為0或1的二進制狀態(tài)； 需要計算的數(shù)據(jù)無法表示為有限的和確定的； 數(shù)據(jù)的大小和精度無法表示在固定的范圍； 問題的處理方法無法表示為無二義性的形式化算法，無法在有限步驟內(nèi)完成等。1.4 計算思維我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習慣，從而也將深刻的影響著我們的思維能力。（工具影響思維）Edsger_DijkstraJeannette M. Wing 周以真卡內(nèi)基-梅隆大學教授 Computational think

9、ing will be a fundamental skill used by everyone in the world by the middle of the 21st Century.計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動 2021/7/25吉林師范大學計算機學院27 實驗和理論思維無法解決的問題 大量復雜問題求解、宏大系統(tǒng)建立、大型工程組織都可通過計算模擬 核爆炸、蛋白質(zhì)生成、大型飛機、艦艇設(shè)計 美科學家Stephen Wolfram： A New Kind of Science 傳統(tǒng)的科學建立在數(shù)學基礎(chǔ)上 新的

10、科學建立在計算機程序上計算思維能力的培養(yǎng)計算思維（Computational Thinking，CT）是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、和理解人類行為等涵蓋計算機科學廣度的一系列思維活動。 計算思維-理解人類行為 計算思維-問題求解 計算思維-系統(tǒng)設(shè)計計算思維-理解人類行為29引入：人是如何處理事務的引入：人是如何處理事務的接收信息接收信息完成結(jié)果完成結(jié)果計算計算控制眼睛、手控制眼睛、手記憶數(shù)據(jù)記憶數(shù)據(jù)圖靈機圖靈機計算思維的特點 概念化，不是程序化。 基礎(chǔ)的，不是機械的技能。 人的，不是計算機的思維。 數(shù)學和工程思維的互補與融合。 面向所有的人，所有地方。 是思想，不是人造品。 計算思維最根本的內(nèi)容，即其本質(zhì)是抽象（Abstraction）和自動化（Automation） 計算思維能力 狹義的計算思維 廣義的計算思維面對一個新問題，運用所有資源將其解決的能力。 計算思維能力的核心: 問題求解的能力 發(fā)現(xiàn)問題 尋求解決問題的思路 分析比較不同的方案 驗證方案計算思維能力的培養(yǎng) 深入掌握計算機解決問題的思路，更好地用好計算機; 把計算機處理問題的方法用于各個領(lǐng)域; 推動在各個領(lǐng)域中運用計算思維，更好地與信息技術(shù)相結(jié)合。計算思維能力是跨學科、跨領(lǐng)域合