計算思維導論（第2版）課件：計算思維概述

計算思維緒論1.1思維科學思維思維計算思維思維的形式什么是思維什么是思維思維是人腦對客觀事物的間接的、概括的反映。思維以感知為基礎又超越感知的界限。思維涉及所有的認知或智力活動。思維探索與發(fā)現(xiàn)事物的內部本質聯(lián)系和規(guī)律性，是認識過程的高級階段。思維的形式……判斷證明假說推理概念思維的基本形式包括:

概念、判斷和推理科學研究科學科學達爾文∶“科學就是整理事實，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，做出結論”?！掇o?！罚骸翱茖W是關于自然、社會和思維體系的知識體系”。科學的重要性在于，它具有一種內在動力，推動著人類文明進步和科技的發(fā)展?？茖W研究科學研究的基本任務就是探索、認識未知和創(chuàng)新描述解釋預測假設理論事實進一步事實演繹驗證歸納計算思維科學思維科學思維科學思維是大腦對信息的加工活動，是對感性階段獲取的大量材料進行整理和改造，形成概念、判斷和推理，從而反映事物的本質和規(guī)律的認識過程。理論思維計算思維實驗思維科學思維思維的定義思維的形式科學的定義科學研究的任務科學思維包括什么從科學到科學思維什么是思維？1.2計算無所不在計算器數(shù)學電腦計算無所不在什么是計算？什么是計算？幼兒園階段：

數(shù)數(shù)小學：

四則運算計算的初級階段狹義的計算中學階段：

加入了數(shù)學符號

公式推導和證明計算的中級階段狹義的計算大學階段：

計算機計算

輸入、算法、輸出

狀態(tài)1

狀態(tài)2計算的高級階段狹義的計算廣義的計算：

自然界

輸入輸出

存在的變量

信息石子與湖水間的計算計算的理解廣義的計算：2016年3月15日

AlphaGo與李世石

棋局和博弈策略無所不知的ChatGPT計算的理解計算無所不在馬克·維瑟施樂帕克研究中心accessAnybodyAnythingatAnytimeviaAnydeviceviaAnywhere計算無所不在普適計算：任何人在任何時間、地點，可以通過任何設備訪問任何事物馬克觀點狹義的計算理解廣義的計算理解計算無所不在五個any計算無所不在什么是計算？1.3計算思維概述(1)路徑檢索(2)路徑推薦(4)調整路徑(3)路徑選擇(5)歸納整理路徑案例Step5Step4自動化功能路徑檢索決策分析路徑選擇最優(yōu)化問題路徑調整抽象問題路徑的歸納整理Step3Step2算法模型路徑推薦Step1案例什么是計算思維？計算思維示例什么是計算思維？周以真觀點計算思維：是運用計算機科學的基礎知識進行問題求解、系統(tǒng)設計、和讓計算機理解人類行為等涵蓋計算機科學廣度的一系列思維活動。抽象：算法思維角度合理抽象，高效算法自動：工程思維角度合理建模，高效實施自動抽象計算思維示例哥尼斯堡城地處東普魯士，位于普雷格爾河的兩岸及河中心的兩個島上，城市各部分由七座橋與兩岸連結起來。多年來，當?shù)鼐用窨傆幸粋€愿望：從家里出去散步，能否通過每座橋恰好一次，再返回家中？但是任何人也沒有找到這樣一條理想的路徑。幾何圖是封閉聯(lián)通的幾何圖中的奇點(與奇數(shù)條邊相連的點)個數(shù)為0或2sugarmilkcoffeecoffee1234取咖啡問題階乘問題f(n)=n!=1ⅹ2ⅹ…ⅹn方法1f(n)=n!=nⅹ(n-1)!=nⅹ(n-1)ⅹ(n-2)!方法2計算n的階乘1342是思想，非人造品計算機思維是一種思想，而非具體應用或操作技能。概念化，非程序化計算思維是概念化，而非程序化。是人思維，非機器思維計算思維是人類求解問題的一條途徑，是人的思維，而非機器的思維。是能力，非技能計算思維是分析解決問題的能力，而非刻板的操作技能。身邊的計算思維最短路徑回溯查找……博弈背包問題計算思維舉例計算思維與我們緊密相連計算思維概念計算思維的本質計算思維示例計算思維的特征計算思維示例什么是計算思維？1.4計算工具與計算機今天的我們身處在信息化時代在我們周圍，有各式各樣的計算機還有很多不叫計算機的“計算機”機械計算工具電子計算工具手工計算工具手工計算工具1621年：英國數(shù)學家埃德蒙·岡特制造出對數(shù)計算尺，方便了乘除計算。1621-1622年：英國數(shù)學家奧特瑞德設計了直尺計算尺和圓形計算尺，不僅可以進行加、減、乘、除、乘方和開方運算，還能計算三角函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和對數(shù)函數(shù)；奧特瑞德埃德蒙·岡特機械計算工具帕斯卡加法器巴貝奇差分機1642年1673年電子計算工具1939年10月，美國愛荷華州立大學的約翰

·文森特

·

阿塔納索夫教授和他的研究生克里福特

·

貝瑞研制成第一臺完全采用真空管作為存儲與運算元件的第一臺現(xiàn)代電子計算機ABC機。1943年二戰(zhàn)期間，美國陸軍軍械部的“彈道研究實驗室”急需得到彈道射擊表，但是為某一型號、某一口徑的火炮重新編制射擊表，需要一個人用原有機器不吃不喝4-5年才能完成。1944年，美國數(shù)學教授霍華德?艾肯提出設計思想，由IBM承建，設計出“MARKⅠ”計算機。MarkI作為世界上最早的通用型自動程序控制計算機之一。1942年，彈道實驗室的領導人赫爾曼·戈德斯坦推動陸軍軍械部與賓夕法尼亞大學莫爾電氣工程學院聯(lián)合開發(fā)電子計算機。約翰·莫克利和約翰·普雷斯伯·埃克特提交了一份研制電子計算機的設計方案。1944年，美籍匈牙利數(shù)學家約翰·馮·諾依曼偶然參加到電子計算機的開發(fā)中。幫助解決關鍵存儲程序等問題。第一臺通用計算機：ENIAC1946年2月14日研制成功標志著電子計算機時代的到來。每秒只能做5000次加減運算重達30噸，占地170m2啟動功耗150千瓦18000個電子管沒有存儲器，采用十進制ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator電子數(shù)字積分計算機計算機之父美籍匈牙利數(shù)學家約翰·馮·諾依曼1949年，研制第二臺通用計算機：EDVAC，ENIAC的1/3，二進制ElectronicDiscrete

VariableAutomaticComputer電子數(shù)據(jù)計算機杰出貢獻：

存儲程序原理、二進制、

五大部件人工智能之父英國數(shù)學家、邏輯學家阿蘭·麥席森·圖靈提出了一種用于判定機器是否具有智能的試驗方法，即圖靈試驗。此外，圖靈提出的著名的圖靈機模型為現(xiàn)代計算機的邏輯工作方式奠定了基礎。計算機領域的“祖師爺”,是二戰(zhàn)英雄杰出貢獻：機械計算工具帕斯卡：加法器巴貝奇：差分機第一臺計算機ENIAC手工計算工具中國：遠古、春秋

戰(zhàn)國、漢唐國外：埃德蒙·岡特奧特瑞德電子計算機ABC、MARKIENIAC、ENIVAC計算機之父馮?諾依曼杰出貢獻34562都有哪些計算機？臺式機、手機…都會自動"計算"1中國的計算機計算機的局限計算機的發(fā)展與分類計算機的發(fā)展與未來計算機電子管1946-1957晶體管1958-1964集成電路1965-1970超大規(guī)模集成電路1971-至今

巨型機————巨型機主要用于承擔重大的科學研究、國防尖端技術和國民經(jīng)濟領域的大型計算課題及數(shù)據(jù)處理任務。如大范圍天氣預報、整理衛(wèi)星照片、制定國民經(jīng)濟的發(fā)展計劃、研究洲際導彈、宇宙飛船等。大型機————大型機一詞，最初是指裝在非常大的帶框鐵盒子里的大型計算機系統(tǒng)，用來同小型機和微型機有所區(qū)別。大型機的I/O能力、非數(shù)值計算能力、穩(wěn)定性、安全性是微型計算機所望塵莫及的。小型機————小型機是指采用精簡指令集處理器，性能和價格介于PC服務器和大型主機之間的一種高性能64位計算機。在中國，小型機習慣上用來指UNIX服務器。微型機————微型計算機簡稱“微機”，由于其具備人腦的某些功能，所以也稱其為“電腦”。微型計算機是由大規(guī)模集成電路組成的、體積較小的電子計算機。工作站————工作站是一種高端的通用型微機。它為單用戶使用，并提供比微機更強大的性能，尤其是在圖形處理能力、任務并行能力方面。通常配高分辨率的大屏、或多屏顯示器及容量很大的內存和外存。光子量子納米神經(jīng)網(wǎng)絡混合……生物未來的計算機網(wǎng)絡化智能化多媒體化微型化巨型化中國的計算機發(fā)展中國的計算機1958.08第一臺我國工業(yè)計算機發(fā)展歷程中國的計算機萌芽期起步期形成期成長期發(fā)展期中國的計算機董鐵寶(1916.8-1968.10)中國計算機之父計算機應用計算機的局限計算機是萬能的嗎？未來真的會有超人，鋼鐵戰(zhàn)士？計算機不能做什么？——不可計算的不能替人拿主意、定方案...人機界面恰好是“思考”二字。

機器只能執(zhí)行指令，提供決策支持，還需人類決策。計算機能做什么？——可計算的比如，多記一些數(shù)據(jù)、多接收一些信息、算得快一些...還可以，以億次的計算，求解復雜的方程組，描