大學(xué)計算機基礎(chǔ)（第6版）（微課版） 課件 第1章 計算機與計算思維

大學(xué)計算機基礎(chǔ)

第1章計算機與計算思維大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程組2022年4月主要內(nèi)容計算機引論1計算機概述2計算思維32主要內(nèi)容計算機引論1計算機概述2計算思維33為什么要學(xué)習(xí)計算機計算機學(xué)什么為什么要學(xué)習(xí)計算機計算與計算機無處不在計算機在科學(xué)研究中的應(yīng)用4人造衛(wèi)星軌跡房屋抗震強度天氣預(yù)報為什么要學(xué)習(xí)計算機計算與計算機無處不在計算機在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用5農(nóng)業(yè)環(huán)境檢測智慧農(nóng)業(yè)為什么要學(xué)習(xí)計算機計算與計算機無處不在計算機在工業(yè)中的應(yīng)用6工業(yè)設(shè)計無人生產(chǎn)線為什么要學(xué)習(xí)計算機計算與計算機無處不在計算機在商業(yè)金融中的應(yīng)用7全球電子商務(wù)網(wǎng)上銀行為什么要學(xué)習(xí)計算機計算與計算機無處不在計算機在教育中的應(yīng)用8在線課堂為什么要學(xué)習(xí)計算機計算與計算機無處不在計算機在軍事中的應(yīng)用9為什么要學(xué)習(xí)計算機計算與計算機無處不在計算機在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用10為什么要學(xué)習(xí)計算機計算與計算機無處不在計算機在日常生活中的應(yīng)用11為什么要學(xué)習(xí)計算機計算機是解決復(fù)雜工程問題和突破重大科技創(chuàng)新的重要工具聚變能源地球模擬生物醫(yī)藥石油勘探腦科學(xué)人工智能FAST宇宙科學(xué)……12計算機學(xué)什么13人類對計算的探索歷程手動計算手指/繩子/石子算籌/算盤/計算尺/加法器差分機/分析機上古結(jié)繩而治計算機學(xué)什么14人類對計算的探索歷程自動計算Mark-I（馬克1號）ENIAC（埃尼阿克）EDVAC（埃德瓦克）首臺電子計算機1946年2月，美國賓夕法尼亞大學(xué)為奧伯丁武器實驗場計算導(dǎo)彈軌道而設(shè)計

ENIACElectronicNumericIntegratorAndCalculator(電子數(shù)字積分計算機）第一臺計算機

占地--170平方米電子管--18800個繼電器--1500個重量--30噸耗電–150千瓦運算速度--5000次/秒存儲方式--十進制運行需20名工程師第一臺計算機馮.諾依曼的貢獻

美籍匈牙利人馮.諾依曼（VonNemann）研究了ENIAC的缺陷，于1946年提出了以二進制和存儲程序為工作原理的現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)。馮.諾依曼的理論，奠定了現(xiàn)代計算機的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在的計算機仍采用馮.諾依曼的體系結(jié)構(gòu)計算機科學(xué)奠基人英國科學(xué)家阿蘭.圖靈建立圖靈機模型，奠定了可計算理論的基礎(chǔ)提出圖靈測試，闡述了機器智能的概念

美國計算機學(xué)會(ACM)1966年設(shè)立圖靈獎主要貢獻：計算機之父--查爾斯·巴貝奇(CharlesBabbage)和他研制的差分機和分析機

電子計算機之父：美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮.諾依曼主要貢獻：與同事研制人類第二臺計算機EDVAC“存儲程序”概念馮·諾依曼計算機奠定了現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)和工作原理最早的計算機

它什么樣?計算機學(xué)什么26學(xué)習(xí)計算機就是學(xué)習(xí)計算思維計算機只是一種工具，它的偉大之處在于它促使人們借此發(fā)展了思考問題的方式——計算思維。計算思維是數(shù)字化時代，實施自動計算的產(chǎn)物學(xué)習(xí)計算機就是學(xué)習(xí)計算思維，即學(xué)習(xí)如何運用計算解決社會發(fā)展、人類生存的諸多問題。計算機學(xué)什么27學(xué)習(xí)計算機就是學(xué)習(xí)計算思維數(shù)字時代，計算已經(jīng)成了各行各業(yè)的組成部分?！队嬎憧茖W(xué)：確保美國競爭力》中曾預(yù)測：21世紀科學(xué)上最重要的、經(jīng)濟上最有前途的前沿研究都有可能通過先進的計算技術(shù)和計算科學(xué)而得到解決。主要內(nèi)容計算機引論1計算機概述2計算思維328計算機的概念計算機的歷史計算機的特點計算機的分類計算機的應(yīng)用計算機的未來我國的計算機計算機的概念計算機的定義計算機是電子數(shù)字計算機的簡稱，俗稱電腦。它是一種能夠依據(jù)預(yù)先存儲在其內(nèi)部的程序控制，自動地對輸入設(shè)備接收的各種信息進行高速、準確的處理，并把處理結(jié)果通過輸出設(shè)備輸出或通過存儲器存儲起來的現(xiàn)代化電子設(shè)備。計算機本質(zhì)上就是一種具有高速運算、自動控制和數(shù)據(jù)存儲的能力的計算工具。29

計算機的概念計算機的功能30

自動控制數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)輸入/輸出功能計算機的歷史31大/超大規(guī)模集成電路晶體管計算機中/小規(guī)模集成電路電子管計算機NO.2NO.1NO.3NO.4劃分依據(jù)：邏輯器件（元件）計算機的歷史第一代：電子管計算機（1946年-1957年)邏輯元件:電子管（又稱為真空管）；存儲器：光屏管或汞延時電路；輸入/輸出:穿孔卡片或紙帶；軟件:機器語言和匯編語言；特點:體積大、功耗高、可靠性差、速度慢；應(yīng)用：軍事和科學(xué)計算；代表機型：ENIAC、IBM650(小型機）、IBM709(大型機）等。32

ENIACIBM650IBM709計算機的歷史第二代：晶體管計算機（1957年-1964年)邏輯器件：晶體管；存儲器：磁芯作為主存，外存多用磁盤；軟件：Fortran等計算機高級語言；特點：速度提高，質(zhì)量/體積/功耗/成倍減少；應(yīng)用：科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理和工業(yè)控制等方面；代表機型：IBM7090、IBM7094、CDC7600等。33

IBM7090TRADIC計算機的歷史第三代：中小規(guī)模集成電路計算機（1964年-1970年)邏輯元件：中小規(guī)模集成電路；存儲器：半導(dǎo)體存儲器(內(nèi))，磁帶或磁盤(外)；軟件：高級語言；特點：體積小、耗電少、速度快、容量大、可靠性強；應(yīng)用:科學(xué)計算、信息管理、自動控制等；代表機型:IBMSystem/360。34

IBMSystem/360計算機的歷史第四代：大/超大規(guī)模集成電路計算機（1970年至今）邏輯元件：大/超規(guī)模集成電路；存儲器：半導(dǎo)體存儲器(內(nèi))，磁盤(外)；軟件：操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件；特點：更加強大、靈活、高效；應(yīng)用:以網(wǎng)絡(luò)、多媒體為特征；代表機型:微型機、巨型機等35

世界上第一臺MCS-4計算機的歷史微型計算機的發(fā)展36年代微處理器型號第一代（1971-1973年）4位和低檔8位第二代（1973-1978年）中高檔8位第三代（1978-1980年）16位第四代（1983-1993年）32位第五代（1993-2005年）64位第六代（2005年至今）多核心、64位劃分依據(jù)：微處理器型號，尤其以Intel的產(chǎn)品為代表。計算機的特點運算速度快運算速度是重要性能指標之一（單位：MIPS）每秒可完成幾億次~百億億次運算極大地提高了工作效率，解放了體力和腦力勞動2021年，四川大學(xué)華西醫(yī)院、華為、賽樂基因科技聯(lián)合發(fā)布多組學(xué)數(shù)據(jù)加速分析平臺，將人類全基因組測序時間從24小時縮短至7分鐘。這是全球首次將人類全基因組分析推進至分鐘級，具有跨時代的意義。37計算精度高十幾位、幾十位有效數(shù)字計算精度在理論上不受限制尖端技術(shù)的發(fā)展離不開高精度計算計算機的特點英國數(shù)學(xué)家威康?尚克斯曾經(jīng)花了15年，才將圓周率算到第707位，而使用計算機能計算到小數(shù)點后200萬位。38存儲容量大計算機具有超強“記憶”功能目前，一般微機的容量已達TB級，超算的容量也已超過PB級1TB=210GB1PB=210TB計算機的存儲容量從理論上來說幾乎沒有限制。計算機的特點39具有邏輯判斷能力計算機具有邏輯運算功能，是計算機模擬人類智能的前提和基礎(chǔ)是延伸人類腦力的有力助手計算機的特點40自動化程度高按照預(yù)先編好的程序，連續(xù)、自動地工作是由馮?諾依曼提出的，被稱為“存儲程序和程序控制”的思想計算機的特點41通用性強各行、各業(yè)、各個領(lǐng)域都能用到幾乎能求解科學(xué)中的一切問題計算機是解決人類社會中的一切疑難問題有力工具計算機的特點42計算機的分類按處理數(shù)據(jù)的類型不同數(shù)字計算機模擬計算機混合計算機處理數(shù)字信號，即用“0”和“1”來表示信息；基本運算部件是數(shù)字邏輯電路；精度高、存儲量大、通用性強；是計算機中的主流。43計算機的分類按處理數(shù)據(jù)的類型不同數(shù)字計算機模擬計算機混合計算機處理的是模擬信號，即用電壓來表示信息；基本運算部件以電子線路構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜；精度不高、不易存儲、通用性差，抗干擾能力極差；一般只用在科學(xué)研究或特定的領(lǐng)域中。44計算機的分類按處理數(shù)據(jù)的類型不同數(shù)字計算機模擬計算機混合計算機處理數(shù)字和模擬兩種信號綜合數(shù)字計算機運算精度高和模擬計算機運算速度快適用于一些嚴格要求實時性的復(fù)雜系統(tǒng)的仿真，例如在導(dǎo)彈系統(tǒng)仿真中。45計算機的分類按用途不同通用計算機專用計算機面向多種應(yīng)用領(lǐng)域，為能解決各種問題而設(shè)計的計算機。其特點是功能齊全，適應(yīng)性強，應(yīng)用范圍廣。一般的計算機多屬此類。46計算機的分類按用途不同通用計算機專用計算機針對某一特定應(yīng)用領(lǐng)域或面向某種算法，為解決某一特定問題而專門設(shè)計的計算機。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，體積較小，使用簡便，但速度更快、可靠性更高。此類計算機大多用于過程控制。如煉鋼廠里軋鋼控制計算機，銀行的ATM提款機等。47計算機的分類按性能高低巨型計算機大/中型計算機小型計算機微型計算機又稱高性能計算機或超級計算機(Supercomputer，簡稱超算)。性能最高、功能最強、速度極快、存儲量巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴的一類計算機。超算一般用在國家高科技領(lǐng)域和國防尖端技術(shù)中。超算是國家科技發(fā)展水平和綜合國力的重要標志。48計算機的分類按性能高低巨型計算機大/中型計算機小型計算機微型計算機國外習(xí)慣上將其稱為主機系統(tǒng)(Mainframe)，是計算機中性能僅次于巨型機的一類計算機。一般用在大型企業(yè)、金融系統(tǒng)、高校、科研院所等。在大中型機的制造企業(yè)中，IBM處于霸主地位。49計算機的分類按性能高低巨型計算機大/中型計算機小型計算機微型計算機兩類:一類是采用多處理機結(jié)構(gòu)和多級存儲系統(tǒng)，另一類是采用精簡指令系統(tǒng)。既提高了運算速度，又降低了成本。性能較好、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、使用和維護方便，備受中小企業(yè)歡迎，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。在中國，小型機習(xí)慣上用來指UNIX服務(wù)器。50計算機的分類按性能高低巨型計算機大/中型計算機小型計算機微型計算機微型機的核心是微處理器。以其設(shè)計先進、軟件豐富、功能齊全、體積小、價格便宜、靈活性好等優(yōu)勢而擁有廣大的用戶。是應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛、發(fā)展最快、人們最感興趣的一類計算機。微型機中最有代表性的當屬個人計算機，又稱PC（PersonalComputer，即個人計算機）機。51計算機的分類對各類計算機進行組合使用工作站服務(wù)器嵌入式計算機一種高端的通用微型計算機，提供比個人計算機更強大的性能。用于圖像處理、計算機輔助設(shè)計等領(lǐng)域。52計算機的分類對各類計算機進行組合使用工作站服務(wù)器嵌入式計算機在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為網(wǎng)上多個用戶提供資源共享、數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N服務(wù)的一種配置相對較高的計算機。人們往往會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上被服務(wù)的用戶多少，選擇不同性能的服務(wù)器。53計算機的分類對各類計算機進行組合使用工作站服務(wù)器嵌入式計算機即嵌入式系統(tǒng)，是指嵌入對象體系中，實現(xiàn)對象體系智能化控制的專用計算機系統(tǒng)。一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序4個部分組成。在智能化的今天，嵌入式計算機無處不在。54計算機的應(yīng)用科學(xué)計算/數(shù)值計算飛行器控制氣象預(yù)報石油勘探潮汐規(guī)律高能物理地震預(yù)測……大型粒子對撞機55計算機的應(yīng)用數(shù)據(jù)處理/信息處理/非數(shù)值計算科技情報人口普查銀行儲蓄企業(yè)管理辦公學(xué)習(xí)購物娛樂56計算機的應(yīng)用過程控制/實時控制/自動控制導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等飛行器的控制工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動控制鐵路交通上的行車調(diào)度提高了自動化水平和實時控制的準確性57計算機的應(yīng)用計算機輔助計算機輔助設(shè)計（CAD)計算機輔助制造（CAM）計算機輔助教學(xué)（CAI）計算機輔助測試（CAT）58計算機的應(yīng)用人工智能/智能模擬人機博弈專家系統(tǒng)機器人……59計算機的應(yīng)用計算機網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)上購物線上會議在線學(xué)習(xí)遠程醫(yī)療……60計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢61由Intel創(chuàng)始人之一戈登·摩爾提出來的。內(nèi)容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，價格則減一半。這一定律揭示了信息技術(shù)進步的速度。摩爾定律是關(guān)于人類創(chuàng)造力的定律，而不是物理學(xué)定律！50歲的摩爾定律真的要過時了嗎？計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化智能化網(wǎng)絡(luò)化多媒體………不是指計算機的體積日趨巨大，而是其運算速度更快、存儲量更大和功能更強。常用于國家重大工程中的龐大而復(fù)雜的計算問題，是衡量一個國家的科技實力和綜合國力的重要標志。超級計算機的研制是世界各國在高科技領(lǐng)域競爭的熱點，國際上每年2次發(fā)布全球超級計算機500強排名。62計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化智能化網(wǎng)絡(luò)化多媒體………超大規(guī)模集成電路發(fā)展的必然。芯片集成度越來越高，微型化的進程越來越快。體積進一步縮小，價格進一步降低，性能更強、可靠性更高、適用范圍更廣。63計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化智能化網(wǎng)絡(luò)化多媒體………讓計算機具有模擬人的感覺和思維過程的能力。具有思考問題、邏輯推理、自然語言的生成和理解、自我學(xué)習(xí)的功能。64計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化智能化網(wǎng)絡(luò)化多媒體………萬物互聯(lián)的時代。衡量國家現(xiàn)代化程度的重要指標。65計算機的未來計算機的發(fā)展趨勢巨型化微型化智能化網(wǎng)絡(luò)化多媒體………多媒體技術(shù)被認為是20世紀90年代信息領(lǐng)城的一次革命。高效性、交互性、集成性和實時性等特點。隨著5G技術(shù)和智能化技術(shù)的普及，多媒體化也是計算機發(fā)展的必然趨勢之一。66計算機的未來未來的新一代計算機是以量子的狀態(tài)作為計算形式。特點：速度快、超強處置信息能力強、精確度高、應(yīng)用范圍廣等。我國在量子計算機的研究走在世界的前列。未來，量子計算可能顛覆世界，是下一輪科技發(fā)展的“制高點”。量子計算機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機生物計算機光子計算機納米計算機……我國研發(fā)62比特超導(dǎo)量子計算機67計算機的未來未來的新一代計算機量子計算機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機生物計算機光子計算機納米計算機……利用與人腦非常相似的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行信息處理。特點：極強的自學(xué)能力；“智能”好像是自發(fā)產(chǎn)生的，不是嚴格設(shè)計出來的；資料貯存在神經(jīng)元之間的網(wǎng)絡(luò)中。在21世紀，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究將會有新的突破，將滲透到人類生活的各個領(lǐng)域。68計算機的未來未來的新一代計算機又稱為DNA計算機、仿生計算機或分子計算機，生物芯片來替代半導(dǎo)體硅片。特點：運算速度快；存儲容量大；能耗小；自我修復(fù)。量子計算機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機生物計算機光子計算機納米計算機……69計算機的未來未來的新一代計算機以光子代替電子，用光子作為信息載體，光互連代替導(dǎo)線互連、光硬件代替計算機中的電子硬件、光運算代替電運算。特點：并行處理能力很強，具有超高運算速度；光子計算機還具有與人腦相似的容錯性；光傳輸、轉(zhuǎn)換時能量消耗和散發(fā)熱量極低。量子計算機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機生物計算機光子計算機納米計算機……光子芯片70計算機的未來未來的新一代計算機用納米技術(shù)研發(fā)的新型高性能計算機。納米管元件體積小，質(zhì)地堅固，有著極強的導(dǎo)電性；幾乎不需要耗費任何能源，而且其性能強大量子計算機神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機生物計算機光子計算機納米計算機……斯坦福大學(xué)團隊研制碳納米管計算機71我國的計算機第一代：電子管計算機研制（1958年-1964年)1956年，中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所籌備委員會成立，揭開了我國電子計算機研制的序幕。1957年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制中國第一臺模擬式電子計算機1958年，我國第一臺電子計算機——103型計算機1959年，第一臺大型通用電子計算機（即104機）1960年，一臺小型通用電子計算機，即107機1964年，我國第一臺大型通用數(shù)字電子管計算機（119型）72

103型計算機我國的計算機第二代：晶體管計算機研制（1965年-1972年)1964年，哈軍工成功研制了中國第一臺晶體管通用電子計算機441-B機；1965年，中科院研制了晶體管大型通用數(shù)字計算機109乙，該機在國民經(jīng)濟和國防部門得到廣泛應(yīng)用；1967年，推出109丙機，該機運行了15年，有效計算時間在10萬小時以上，在我國兩彈試驗中發(fā)揮了重要作用，被用戶譽為“功勛機”。在晶體管計算機研制時期，中國計算機研制進入高速追趕國際先進水平的階段。73

我國的計算機第三代：中/小規(guī)模集成電路的計算機研制(1973年-80年代初)1968年7月至1971年5月，中科院計算所研制成功中國第一臺小規(guī)模集成電路通用數(shù)字電子計算機111機；1973年-1976年，先后研制成功DJS-130、DJS-140小型機，、013機、655機和151機。1983年，完成我國第一臺大型向量機757機和“銀河-I”巨型計算機。“銀河-I”巨型機填補了國內(nèi)巨型計算機的空白，中國成為繼美國、日本之后，第三個能獨立設(shè)計和制造巨型計算機的國家?！般y河-I”的問世標志著中國進入了世界研制巨型計算機的行列，是我國高速計算機研制的一個重要里程碑。74

“銀河-I”巨型計算機我國的計算機中國計算機研制水平達到國際前沿水平突破發(fā)達國家對中國的技術(shù)封鎖，直至達到國際前沿水平。目前，中國研制出眾多的高性能超級計算機，為國防和科研事業(yè)做出了重要貢獻，并且推動了計算機產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。截至2020年11月，中國廠商聯(lián)想、曙光、浪潮是全球前三的超算供應(yīng)商。與此同時，中國也成為了世界上最大的微機生產(chǎn)基地和主要市場。75

科技是第一生產(chǎn)力主要內(nèi)容計算機引論1計算機概述2計算思維376計算機思維的起源計算機思維的基本概述計算機思維的知識體系計算機思維的應(yīng)用計算思維的起源2006年，美國周以真教授提出了計算思維的概念；2008年，周教授探討了計算思維的本質(zhì)；2010年，周教授給出了計算思維的正式定義；2007年，在美國的教育領(lǐng)域開始實施“計算思維”教學(xué)計劃；2015年，美國總統(tǒng)在白宮簽署了ESSA，將以計算思維培養(yǎng)為核心的計算機科學(xué)提高到與數(shù)學(xué)、英語等同的重要地位，并投入巨資在美國國內(nèi)廣泛推行。計算思維的提出，引起了不少國家教育界的重視。國外發(fā)展77計算思維的起源2010年7月，在九校聯(lián)盟(C9)計算機基礎(chǔ)課程研討上，陳國良院士做了“計算思維能力培養(yǎng)研究”的報告，旗幟鮮明地把“計算思維能力的培養(yǎng)”列為計算機基礎(chǔ)教育的核心任務(wù)；2012年，教育部高教司設(shè)立了“以計算思維為切入點的大學(xué)計算機課程改革項目”；2013年，教育部高等學(xué)校大學(xué)計算機課程教委“計算思維教學(xué)改革宣言”。計算思維的概念及重要性在國內(nèi)科技界和教育界快速傳播。國內(nèi)發(fā)展78計算思維的概述計算思維的概念它運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為的一種方法，是一類解析思維。它結(jié)合了數(shù)學(xué)思維(求解問題的方法)和工程思維(設(shè)計、評價大型復(fù)雜系統(tǒng))，涵蓋了計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動。計算思維是每個人的基本技能，不僅僅屬于計算機科學(xué)家。79

計算思維的概述計算思維的特征概念化，不是程序化。根本的，不是刻板的技能。是人的，不是計算機的思維方式。數(shù)學(xué)和工程思維的互補和融合。是思想，不是人造物。面向所有的人，所有地方。80

計算思維的概述計算思維的過程（核心內(nèi)容）81分解問題模式識別抽象問題算法設(shè)計將一個復(fù)雜的問題拆分成多個簡單問題。泡茶喝=燒水+沖茶+喝茶。99×9=（100-1）×9=900-9=891。

計算思維的概述計算思維的過程（核心內(nèi)容）82分解問題模式識別抽象問題算法設(shè)計觀察數(shù)據(jù)，從中找出相同的模式、趨勢和規(guī)律，識別出它是哪一類問題，找出各個部分之間的異同，幫助我們理解問題，思考解決方案，這個過程就是模式識別。思考：把1到200之間的整數(shù)相加的過程。

計算思維的概述計算思維的過程（核心內(nèi)容）83分解問題模式識別抽象問題算法設(shè)計在模式識別的基礎(chǔ)上找出模式形成背后的反映事物的本質(zhì)的規(guī)律，建立成模型。思考：從把m到n（n>m）之間的整數(shù)相加。

計算思維的概述計算思維的過程（核心內(nèi)容）84分解問題模式識別抽象問題算法設(shè)計算法是為解決某一類問題撰寫一系列詳細步驟，針對這些相似的問題提供逐步解決的方案。把算法設(shè)計過程理解為給某件事情找一個最簡單的步驟，并把它整理成一份手冊，這樣所有人都可以用這份手冊來最快地完成目標任務(wù)。計算思維的概述計算思維的本質(zhì)85

抽象思維最重要的用途是產(chǎn)生各種各樣的系統(tǒng)模型，以此作為解決問題的基礎(chǔ)。計算思維中的抽象完全超越物理的時空觀，可以完全用符號來表示。自動化抽象計算思維的概述計算思維的本質(zhì)86

自動化就是可以按預(yù)先設(shè)計好的程序或系統(tǒng)自動運行；這需要一組預(yù)定義的指令及預(yù)定義的執(zhí)行順序，一旦執(zhí)行，這組指令就可根據(jù)安排自動完成某個特定任務(wù)；自動化技術(shù)正在改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)方式，也正改變著人們的思維方式。自動化抽象計算思維的知識體系計算之樹87

計算思維的知識體系基礎(chǔ)性計算思維（計算之樹的樹根）“0和1”的思維?，F(xiàn)實世界的各種信息(數(shù)值性和非數(shù)值性)都可被轉(zhuǎn)換成0和1來表示、處理和變換?！俺绦颉钡乃季S。計算機或計算系統(tǒng)就是能夠執(zhí)行各種程序的機器或系統(tǒng)，實現(xiàn)一個系統(tǒng)僅需實現(xiàn)這些基本動作以及實現(xiàn)一個控制基本動作組合的控制指令，指令的各種有序組合就是程序?！斑f歸”的思維。在計算理論領(lǐng)域，已證明了一般的遞歸函數(shù)與圖靈機是等價的，即說明計算系統(tǒng)是一種可遞歸計算的系統(tǒng)，由此可以看出，遞歸對計算技術(shù)與計算系統(tǒng)具有奠基性思維的作用。88

計算思維的知識體系計算環(huán)境的發(fā)展（計算之樹的樹干）馮?諾依曼機。體現(xiàn)了存儲程序與程序自動執(zhí)行的基本思維。個人計算環(huán)境。體現(xiàn)的是存儲體系環(huán)境下，程序如何在操作系統(tǒng)協(xié)助下被硬件執(zhí)行的基本思維。并行與分布計算環(huán)境。體現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境下（多核、多存儲器)，程序如何在操作系統(tǒng)協(xié)助下被硬件并行、分布執(zhí)行的基本思維。云計算環(huán)境。體現(xiàn)的是“按需索取、按需提供、按需使用”的一種計算資源虛擬化服務(wù)的基本思維。89

計算思維的知識體系計算手段（計算之樹的枝杈）

計算手段就是算法和系統(tǒng)，研究的是如何利用兩者對社會、自然問題求解，兩者交替促進，共同進化。算法。算法被譽為計算系統(tǒng)的靈魂，是一個有窮規(guī)則的集合，它用規(guī)則規(guī)定了解決某一特定類型問題的運算序列，或者規(guī)定了任務(wù)執(zhí)行或問題求解的一系列步驟。系統(tǒng)。系統(tǒng)是計算與社會、自然環(huán)境融合的統(tǒng)一體，它對社會、自然問題提供了泛在的、透明的、優(yōu)化的綜合解決方案，是由相互聯(lián)系、相互作用的若干元素構(gòu)成且具有特定結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一整體。90

計算思維的知識體系計算學(xué)科的分支（計算之樹的樹枝）計算學(xué)科的分支是指計算在各學(xué)科、各領(lǐng)域分支的研究方向，體現(xiàn)了計算學(xué)科與其他學(xué)科相互融合產(chǎn)生的新的研究方向。社會、自然的計算化。著重強調(diào)利用計算手段來推演、發(fā)現(xiàn)社會、自然規(guī)律。計算、求解的自然化。著重強調(diào)用社會、自然所接受的形式來展現(xiàn)計算及求解的過程與結(jié)果。91

計算思維的知識體系計算學(xué)科的分支（計算之樹的樹枝）社會、自然的計算化和計算、求解的自然化，本質(zhì)上體現(xiàn)了不同抽象層面的計算系統(tǒng)的基本思維，其根本是“抽象”與“自動化”，可劃分為如下三個層面。機器層面：協(xié)議(抽象)與編碼器、解碼器、轉(zhuǎn)換器等(自動化)，解決機器與機器之間的交互問題。人機層面：語言(抽象)與編譯器、執(zhí)行器(自動化)，解決人與機器之間的交互問題。業(yè)務(wù)層面：模型(抽象)與執(zhí)行引擎、執(zhí)行系統(tǒng)(自動化)，解決業(yè)務(wù)系統(tǒng)與計算系統(tǒng)之間的交互問題。92

計算思維的應(yīng)用化學(xué)中的計算思維——計算化學(xué)數(shù)值計算化學(xué)模擬模式識別數(shù)據(jù)庫檢索化學(xué)專家系統(tǒng)93

計算思維的應(yīng)用物理學(xué)中的計算思維——計算物理學(xué)計算物理學(xué)是利用電子計算機進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)值計算和數(shù)字仿真來發(fā)現(xiàn)和研究物理現(xiàn)象與物理規(guī)律的一門現(xiàn)代交叉學(xué)科。計算物理學(xué)與理論物理學(xué)和實驗物理學(xué)計算物理學(xué)成為物理學(xué)的三大分支。早在第二次世界大戰(zhàn)期