計算思維概論

第一篇基礎(chǔ)篇計算本質(zhì)、計算工具計算理論基礎(chǔ)（第1章）計算機系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)（第2~4章）導(dǎo)出計算模型、計算復(fù)雜性、經(jīng)典范型計算機中信息表示計算機的硬件組成（馮諾依曼）計算機軟件系統(tǒng)理解計算機的理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用計算機的平臺基礎(chǔ)（第1~4章）第1章:計算思維概論計算與計算思維的概念計算工具的發(fā)展計算理論基礎(chǔ)可計算的典型問題計算文化計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域第1章計算思維引論思維就是一種廣義的計算：是人腦對客觀事物概括的和間接的反映思維過程就是對信息的處理過程計算的含義科學(xué)思維的內(nèi)涵計算思維相關(guān)概念一、

計算與計算思維1.計算的含義例如：使用各種計算方法（常用的有加、減、乘、除等）所進行的簡單“算術(shù)”（例如：將7乘以8）。計算也有較為抽象的定，例如：某一場競爭中有關(guān)“策略的計算”。無論是加、減、乘、除等“算術(shù)”計算，或者是有關(guān)“策略的計算”，計算都是一種思考過程。計算的定義有多種使用方式，有相當(dāng)精確的定義。一、計算與計算思維1.計算的含義1.1計數(shù)與計算遠古時代的人類祖先利用石頭、手指計數(shù)，石頭、手指就是遠古人類的計算工具。英文中的Digit就同時含有“數(shù)字”和“手指”的含意。手工計算圓周率的計算：祖沖之(公元429—500年)計算到了小數(shù)點后第7位阿德里恩（荷蘭）1593年計算到小數(shù)點后第15位1948年，費格森（英）和倫奇（美）計算到了小數(shù)點后第808位1949年，第一臺電子計算機ENIAC精確計算到了小數(shù)點后2037位1983年，利用計算機精確計算到了小數(shù)點800萬位以后2011年9月，使用家用計算機計算到了小數(shù)點后10萬億位計算機計算1.2邏輯與計算邏輯(Logic)的含義：客觀事物的規(guī)律、某種理論或觀點、思維規(guī)律或邏輯規(guī)則、邏輯學(xué)或邏輯知識等“正如算術(shù)學(xué)者教人數(shù)字的加與減；幾何學(xué)家教人在線、形、角、比例、快速程度、力等方面進行加與減；邏輯學(xué)家則教人在字（詞）的推論方面進行加與減……一切思維不過是加與減的計算。”

———霍布斯（英國）推理和計算是相通的：數(shù)理邏輯在計算科學(xué)發(fā)展過程中不但提供了重要思維方法，也已成為了計算科學(xué)重要的研究工具。一、

計算與計算思維1.計算的含義邏輯學(xué)創(chuàng)始人亞里士多德：邏輯學(xué)是一切科學(xué)的工具，提出了三段論（大前提、小前提和結(jié)論），由此可把推理看成是對符號的操作，即符號演算。布爾提出了邏輯代數(shù)：符號語言與運算可用來表示任何事物，使邏輯學(xué)由哲學(xué)變成了數(shù)學(xué)。利用數(shù)學(xué)方法研究邏輯推理的規(guī)律稱為數(shù)理數(shù)輯，其中的命題演算與謂詞演算在計算科學(xué)中有巨大作用和深遠影響。1.2邏輯與計算數(shù)理邏輯研究成果應(yīng)用于計算科學(xué)，計算科學(xué)深入研究推動數(shù)理邏輯的發(fā)展。一、

計算與計算思維1.計算的含義算法是一組確定的、有效的、有限的解決問題的步驟。1.3.算法與計算《周髀算經(jīng)》和《九章算術(shù)》中“術(shù)”的概念，即算法?！毒耪滤阈g(shù)》中給出了四則運算、最大公約數(shù)、最小公倍數(shù)、開平方根、開立方根、求素數(shù)等各種算法。英文Algorithm來源于公元9世紀的“波斯教科書”(PersianTextbook)數(shù)值計算類算法：例如：數(shù)值積分、線性方程求解等。非數(shù)值計算類算法：如信息管理、文字處理、圖像分類、檢索等。一、

計算與計算思維1.計算的含義1.3.算法與計算算法中的基本操作步驟對應(yīng)計算機的操作指令?？傊?，問題的求解就是計算，求解算法中的每一步驟也是計算。計算的過程是算法，算法又由計算步驟構(gòu)成，計算的目的由算法實現(xiàn)，算法的執(zhí)行由計算完成。從這個意義上說計算機科學(xué)本質(zhì)上是算法科學(xué)。一、計算與計算思維1.計算的含義算法的三個基本要素：①數(shù)據(jù)對象②基本運算和操作（算術(shù)運算、邏輯運算、關(guān)系運算和數(shù)據(jù)傳輸）③控制結(jié)構(gòu)（順序、分支、循環(huán)）算法的功能結(jié)構(gòu)取決于所選用的操作和各操作之間的執(zhí)行順序。算法只是說明按什么樣的操作才能得到問題的解,不會給出問題解的具體結(jié)果。什么是思維？思維是主體對信息進行處理以及主體意識的能動活動。例如：對信息進行采集、傳遞、存儲、提取、刪除、對比、篩選、判別、排列、分類、變相、轉(zhuǎn)形、整合、表達等。思維具有概括性、間接性和能動性等特征。人的思維過程：信息內(nèi)容的接收、加工、儲備與傳遞的4個過程。一、計算與計算思維2.思維概述思維是一種信息處理過程，從某種意義上來說，也是一種廣義的計算。接收過程：接收的信號中讀取信息內(nèi)容；加工過程：對信息進行感覺格式化的過程；儲備過程：進行情感信息資料，以作備用的過程；傳遞過程：使用信息內(nèi)容的過程?？茖W(xué)思維及類別科學(xué)思維：通常指理性認識及其過程，是人腦對科學(xué)信息的加工活動。一、計算與計算思維2.思維概述科學(xué)思維包括理論思維、實驗思維和計算思維?？煞謩e對應(yīng)于理論科學(xué)、實驗科學(xué)和計算科學(xué)。科學(xué)思維三個基本原則：①在邏輯上嚴密，達到歸納和演繹的統(tǒng)一；②在方法上要求辯證地分析和綜合兩種思維方法；③在體系上，實現(xiàn)邏輯與歷史的一致，達到理論與實踐的具體的歷史的統(tǒng)一?？茖W(xué)思維及類別理論思維：又稱邏輯思維，是指借助于概念、判斷、推理等思維形式能動地反映客觀現(xiàn)實的理性認識過程。理論思維以推理和演繹為主要特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表。一、計算與計算思維2思維概述實驗思維：又稱實證思維，是指通過觀察和實驗獲取自然規(guī)律法則的一種思維方法。實驗思維以觀察和歸納自然規(guī)律為主要特征，以物理科學(xué)為代表。計算思維：又稱構(gòu)造思維，是指從具體的算法設(shè)計規(guī)范入手，通過算法過程的構(gòu)造與實施對問題進行求解。計算思維以設(shè)計和構(gòu)造為主要特征，以計算機科學(xué)為代表?？茖W(xué)思維及類別計算機不僅為不同專業(yè)提供了解決專業(yè)問題的有效方法和手段，而且提供了一種處理問題的構(gòu)造思維方式。熟悉使用計算機及互聯(lián)網(wǎng)，為人們終身學(xué)習(xí)提供了廣闊的空間以及良好的學(xué)習(xí)工具與環(huán)境。這正是信息時代大學(xué)生必須掌握的信息素質(zhì).了解計算系統(tǒng)的思維——學(xué)習(xí)計算機工作原理，理解計算系統(tǒng)的功能如何能夠越來越強大；利用計算系統(tǒng)的思維——理解結(jié)合計算系統(tǒng)如何控制和處理，滿足數(shù)字化生存與發(fā)展的需求。一、計算與計算思維2.思維概述提出模型制作模型解釋結(jié)果測試理論提出理論數(shù)據(jù)生產(chǎn)模型驗證建模過程提出實驗數(shù)據(jù)分析驅(qū)動裝置大型計算計算思維理論思維實驗思維解釋結(jié)果生產(chǎn)模型精確計算驗證理論生產(chǎn)數(shù)據(jù)提出理論三種思維的關(guān)系：概念計算思維是運用計算機科學(xué)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(xué)之廣度的一系列思維活動?！芤哉嬉?、計算與計算思維3.計算思維概念計算思維的概念中主要強調(diào)：第一，問題求解中的計算思維。第二，設(shè)計系統(tǒng)中的計算思維。第三，理解人類行為中的計算思維。計算思維概念要點一、計算與計算思維3.計算思維概念第一，問題求解中的計算思維。利用計算手段進行問題求解時，首先將實際的應(yīng)用問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)問題，然后建立模型、設(shè)計算法和編程實現(xiàn)，最后在實際的計算機中運行并求解。在這個過程中，前兩步是計算思維中的抽象，后兩步是計算思維中的自動化。計算思維概念要點一、計算與計算思維3計算思維概念R.Karp認為，任何自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)都可看作為一個動態(tài)演化系統(tǒng)，演化過程中伴隨著物質(zhì)、能量和信息的交換，而這種交換可以映射為符號變換，使之能用計算機實現(xiàn)離散的符號處理。當(dāng)動態(tài)演化系統(tǒng)抽象為離散的符號系統(tǒng)后，可以采用形式化的規(guī)范對其進行描述，通過建立模型、設(shè)計算法和開發(fā)軟件來揭示演化的規(guī)律，對系統(tǒng)演化進行實時控制并自動執(zhí)行。第二，設(shè)計系統(tǒng)中的計算思維。計算思維概念要點一、計算與計算思維3.計算思維概念計算思維是基于可計算的手段，以定量化方式進行的思維過程，能滿足信息時代新的社會動力學(xué)和人類動力學(xué)要求。利用計算手段進行人類行為研究，即通過各種信息技術(shù)手段，設(shè)計、實施和評估人與環(huán)境之間的交互。研究生命的起源與繁衍、理解人類的認識能力、了解人類與環(huán)境的交互以及國家的福利與安全等，都屬于該范疇，都與計算思維密切相關(guān)。在人類的物理世界、精神世界和人工世界這三個世界中，計算思維是建設(shè)人工世界所需要的主要思維方式。第三，理解人類行為中的計算思維。計算思維概念總結(jié)一、計算與計算思維3.計算思維概念計算思維的本質(zhì)是抽象與自動化。計算思維是具有形式化、程序化、機械化特征的人類思維活動方式，計算思維的活動過程并不是某些特定的、程序化的思維過程，并不意味著就是進行計算機程序設(shè)計，更為主要的是要求能夠在抽象的多個層面上進行思維。計算思維中的抽象超越了物理的時空觀，物理世界中的問題可以完全用符號進行表示，抽象結(jié)果最終需要能夠機械地一步一步自動執(zhí)行。計算思維是人類本身的一種根本的思維技能，是人類解決各種問題的一條途徑，借助于計算機的強大計算能力，人類可以更好的解決各類需要進行大量計算的問題。二、計算工具及發(fā)展傳統(tǒng)計算工具計算機器雛形現(xiàn)代化的計算工具二、計算工具的發(fā)展1.傳統(tǒng)計算工具遠古時代：石子、結(jié)繩、木棒、手指、結(jié)繩打結(jié)。算籌：算盤：算盤式計算工具：沙盤類，算板類，穿珠算盤類。2.計算機器雛形思維機器：雷蒙德?露利發(fā)明了一種稱為“旋轉(zhuǎn)玩具”的思維機器。齒輪傳動的機械鐘：可看作是用于計時的計算機器。“機械化”計算尺：英國數(shù)學(xué)家奧特雷德發(fā)明。第一臺加法機：法國數(shù)學(xué)家帕斯卡發(fā)明，只能做加、減法。萊布尼茲計算機：德國數(shù)學(xué)家萊布尼茲發(fā)明，能做加、減、乘、除運算。分析機：英國數(shù)學(xué)家巴貝奇，能計算對數(shù)、三角函數(shù)以及其他算術(shù)函數(shù)。電子模擬計算機

：20世紀20年代，美國人萬尼瓦爾?布什研制,能解一般微分方程組古代中國的“算法化”思想：對于一個數(shù)學(xué)問題，只有當(dāng)確定了可以用算盤解算它的規(guī)則時，這個問題才算可解。直到中世紀，哲學(xué)家們才提出能否用機械來實現(xiàn)人腦活動的功能？圍繞該問題，試圖從某個前提出發(fā)機械地得出正確的結(jié)論，即思維機器的制造。二、計算工具的發(fā)展機械鐘帕斯卡加法器萊布尼茲計算機巴貝奇分析機計算尺二、計算工具的發(fā)展1、1946年2月，第一臺電子計算機：埃尼亞克（ENIAC)。17000多只電子管、10000多只電容器、7000只電阻、1500多個繼電器，耗電功率150KW，占地160m2，重30t的。每秒加法運算5000多次。3.現(xiàn)代化的計算工具埃尼亞克(ENIAC)現(xiàn)代電子計算機是20世紀科學(xué)技術(shù)最為卓越的成就之一，是一種能夠自動、高速、正確地完成數(shù)值計算、數(shù)據(jù)處理、實時控制等功能的電子設(shè)備。現(xiàn)代計算機誕生初期，三臺典型的現(xiàn)代計算機2、1949年5月，第一臺實現(xiàn)內(nèi)存儲程序式的電子計算機埃德沙克(EDSAC)，由英國劍橋大學(xué)威爾克斯根據(jù)馮·諾依曼的指導(dǎo)思想設(shè)計。二、計算工具的發(fā)展3.現(xiàn)代化的計算工具埃德沙克(EDSAC)現(xiàn)代計算機誕生初期，三臺典型的現(xiàn)代計算機3、1952年，第一臺具有內(nèi)部存儲程序功能的計算機埃德瓦克(EDVAC)研制成功。由運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設(shè)備5部分組成。采用二進制模擬開關(guān)電路的兩種狀態(tài)。二、計算工具的發(fā)展3.現(xiàn)代化的計算工具埃德瓦克(EDVAC)現(xiàn)代計算機誕生初期，三臺典型的現(xiàn)代計算機二、計算工具的發(fā)展第一代：電子管時代（1946年~20世紀50年代末期）主要特點:采用了電子管作為基本器件，運算速度達到了每秒數(shù)千次至數(shù)萬次，軟件方面確定了程序設(shè)計的概念，由代碼程序發(fā)展到了符號程序，出現(xiàn)了高級語言的雛形?，F(xiàn)代計算機發(fā)展4階段（依據(jù)：主要元件）3現(xiàn)代化的計算工具第二代：晶體管時代（20世紀50年代中期~60年代末期）主要特點：基本器件為晶體管，縮小了體積，提高了運算速度和可靠性（一般每秒10萬次，可高達300萬次），出現(xiàn)了磁芯存儲器。軟件方面出現(xiàn)了高級程序語言，提出了操作系統(tǒng)的概念。第三代：中、小規(guī)模集成電路時代（20世紀60年代中期~70年代初期）主要特點：采用中、小規(guī)模集成電路（IC）作為基本器件，體積更小，壽命更長，計算機的功耗、價格進一步下降，而速度和可靠性相應(yīng)地有所提高，計算機的應(yīng)用范圍進一步擴大。在軟件方面出現(xiàn)了操作系統(tǒng)，軟件出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化、模塊化程序設(shè)計方法?，F(xiàn)代計算機發(fā)展4階段第四代：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代（20世紀70年代初期至今）主要特點：采用超大規(guī)模集成電路（VLSID）和極大規(guī)模集成電路（ULSID）、中央處理器CPU高度集成化。二、計算工具的發(fā)展3.現(xiàn)代化的計算工具第一、處理的對象上不再局限于數(shù)值信息，包括數(shù)值、文字、符號、圖形、圖像，聲音、視頻等一切可以用數(shù)字加以表示的信息?，F(xiàn)代計算機6特點第二不僅可以進行數(shù)值計算處理，也能進行非數(shù)值處理，例如進行信息檢索、圖形處理等，不僅可以進行加、減、乘、除算術(shù)運算，還可以做是、非邏輯判斷。第三在處理方式上，只要人們把處理的對象和處理問題的方法步驟表示成以計算機可以識別和執(zhí)行的“語言”，并事先存儲到計算機中，計算機就可以對這些數(shù)據(jù)進行完全自動的處理。二、計算工具的發(fā)展3.現(xiàn)代化的計算工具第四、在處理速度上，目前一般計算機的處理速度都可以達到每秒百萬次以上的運算，而巨型機的速度已達到了每秒數(shù)千萬億次以上運算。現(xiàn)代計算機6特點現(xiàn)代計算機6特點現(xiàn)代計算機6特點第五、現(xiàn)代計算機可以存儲大量數(shù)據(jù)。目前一般微型機都可以存儲幾十萬、幾百萬、幾千萬到上億個數(shù)據(jù)。計算機存儲的數(shù)據(jù)量越大，可以記住的信息量也就越大。需要時，計算機可以從浩如煙海的數(shù)據(jù)中找到這些信息，這也是計算機能夠進行自動處理的原因之一。第六、多臺計算機可以借助于通信網(wǎng)絡(luò)互連互通，超越地理界限，實現(xiàn)遠程信息和資源共享。二、計算工具的發(fā)展3.現(xiàn)代化的計算工具1958年8月1日，第一臺小型電子管數(shù)字計算機103機誕生，每秒能運算30次。1959年9月，第一臺大型電子管計算機104機研制成功，每秒運算1萬次，1964年，我國第一臺大型通用電子管計算機119機，在該機器上完成了我國第一顆氫彈研制的計算任務(wù)。1973年，每秒運算100萬次的集成電路計算機（150型計算機）研制制成功，并運行了我國自行設(shè)計的操作程序。20世紀80年代以后，研制了高端計算機，如銀河系列、神威系統(tǒng)、曙光系列等。

其中的“天河二號”運算速度世界第1(2013年6月17日)4.現(xiàn)代化計算機在中國的發(fā)展機器研制方面二、計算工具的發(fā)展103機(1958年)104機(1959年)119機(1964年)曙光4000L(2003年)天河二號(2013年)計算機軟件方面在計算機軟件方面，我國的研究是和計算機硬件同步的，1959年，同步104機研制成功了自主設(shè)計的FORTRAN編譯程序。20世紀80年代以后，我國計算機軟件開發(fā)主要轉(zhuǎn)向了軟件開發(fā)環(huán)境、中間件、構(gòu)件庫等，其中影響較大的是北大青鳥系統(tǒng)。20世紀90年代以后，以UNIX和Linux為基礎(chǔ)，開發(fā)出了COSIX和麒麟操作系統(tǒng)，同時，國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)也開始占領(lǐng)市場。漢字激光照排系統(tǒng)：開創(chuàng)了漢字印刷的一個嶄新時代，引發(fā)了我國報業(yè)和印刷出版業(yè)“告別鉛與火，邁入光與電”的技術(shù)革命，被譽為“漢字印刷術(shù)的第二次發(fā)明”。其他重大成果：可執(zhí)行的持續(xù)邏輯語言、區(qū)段演算理論等。4.現(xiàn)代化計算機在中國的發(fā)展二、計算工具的發(fā)展三、計算理論計算的本質(zhì)與計算模型問題的可計算性計算復(fù)雜性問題求解過程三、計算理論1.計算模型計算模型：是指用于刻畫計算概念的抽象形式系統(tǒng)或數(shù)學(xué)系統(tǒng)。計算模型可為各種計算提供了硬件和軟件界面，在模型的界面約定下，設(shè)計者可以開發(fā)整個計算機系統(tǒng)的硬件和軟件支持，從而提高整個計算系統(tǒng)的性能。早在現(xiàn)代計算機出現(xiàn)之前，英國著名數(shù)學(xué)家圖靈(AlanTuring)對計算本質(zhì)進行了研究，給出了計算的精確定義。1936年他發(fā)表了著名論文《論可計算數(shù)及其在判定問題中的應(yīng)用》，第一次把計算過程和自動機建立對應(yīng)，提出了最原始的計算模型。模型結(jié)構(gòu)簡單，用它可以確切地表達任何運算，被稱為圖靈機模型，為計算機的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。圖靈關(guān)于計算的定義圖靈揭示了計算過程的本質(zhì)特征。直觀地說，計算過程就是計算者(人或機器)對一條兩端可無限延長帶子上的一串0、1輸入串執(zhí)行指令操作，經(jīng)過有限步驟而一步步地改變帶子上的0、1狀態(tài)，得到滿足預(yù)先規(guī)定的符號串的變換過程。三、計算理論1.計算模型人計算時把符號寫在紙上，按以下計算步驟做計算動作并計算結(jié)果。人的計算過程例如，人在進行算式計算時，首先在紙上寫出計算式子，根據(jù)乘法的計算規(guī)則，按照逐位相乘、錯位相加的規(guī)則得到了計算結(jié)果，計算結(jié)果的產(chǎn)生是人執(zhí)行相應(yīng)計算動作（如乘法計算動作、記錄數(shù)據(jù)動作、加法計算動作）過程中出現(xiàn)的符號變化。

28×32

56

＋84896①將符號（數(shù)據(jù)信息、計算符號）寫在紙上（用紙張存儲信息）。②根據(jù)計算符號，按步驟進行計算動作（計算規(guī)則控制動作）。③計算動作的執(zhí)行導(dǎo)致紙上出現(xiàn)符號變化（執(zhí)行動作獲得結(jié)果）。三、計算理論1.計算模型計算機器是對人的計算行為的模擬過程，不僅要模擬人的行為動作，同時對行為動作規(guī)則進行模擬。圖靈把計算過程和自動機建立對應(yīng)，抽象出如下計算過程。機器模擬人的計算過程用計算機進行問題求解，就是用機器對人類智能行為的模擬。①將運算介質(zhì)確定為線性帶子。帶子可設(shè)想為磁帶，帶被劃為方格，方格放一個符號。②人在運算時一般每次注視5、6個符號，圖靈規(guī)定每次僅注視1個符號，注視由讀寫頭執(zhí)行。③一組運算法則存放在有限狀態(tài)控制器中，根據(jù)磁頭注視的符號及當(dāng)前狀態(tài)決定下一步動作。三、計算理論1.計算模型①兩端無限延伸的帶子：帶子被劃分為若干個相鄰的小格子，每個格子上包含一個來自有限字母表的符號，字母表中有一個表示空白的特殊符號（相當(dāng)于人運算過程中的紙張）。圖靈機模型的構(gòu)成②讀寫頭：讀寫頭可在帶子上左右移動，它能讀出當(dāng)前所指的格子上的符號，并能改變當(dāng)前格子上的符號（讀寫頭同時具有人眼關(guān)注符號和人手書寫或擦除符號的功能）。③控制器（程序和狀態(tài)寄存器）：狀態(tài)寄存器用于保存圖靈機當(dāng)前狀態(tài)，控制器根據(jù)當(dāng)前機器所處的狀態(tài)以及當(dāng)前讀寫頭所指的格子上的符號來確定讀寫頭下一步的動作，并改變狀態(tài)寄存器的值，令機器進入一個新的狀態(tài)。為控制讀寫頭的動作，有一個有限狀態(tài)集合，并包含有一個開始狀態(tài)和一個結(jié)束狀態(tài)。三、計算理論1.計算模型1.3計算理論1.3.1計算模型圖靈機可以模擬人所能進行的各種計算過程，該模型從初始狀態(tài)開始，在計算過程的每一時刻，通過讀寫頭注視帶子某一格子上的符號。根據(jù)當(dāng)前時刻的狀態(tài)和注視的符號，機器執(zhí)行下列動作。圖靈機工作過程（1）根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和讀寫頭所注視的符號，確定讀寫頭操作，并轉(zhuǎn)入新的狀態(tài)；（2）讀寫頭把當(dāng)前狀態(tài)下被注視的符號改寫成新的符號；（3）控制讀寫頭向左或向右移動一格。圖靈機中由狀態(tài)和符號對偶決定的動作組合稱為指令，決定機器動作的所有指令表稱為程序。當(dāng)處于結(jié)束狀態(tài)時圖靈機停機，此時帶子上的內(nèi)容就是圖靈機的輸出。圖靈機模型形式化表示圖靈機模型可以用形式化方式進行嚴格定義，形式化方式也是利用計算思維求解問題時進行問題抽象的主要方法。一個圖靈機模型可形式化表示為一個7元組，其中：是有限狀態(tài)集合；是有限輸入字符集；是有限輸入帶字符集；是狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，其中，L、R表示讀寫頭左移還是向右移；是初始狀態(tài)；是空格符；是有限終結(jié)狀態(tài)集。三、計算理論1.計算模型計算一種函數(shù)：將圖靈機程序P解釋為計算函數(shù)：對于函數(shù)f(x1,x2,…,xn)=y

，程序P總是從輸入帶讀入n個整數(shù)x1,x2,…,xn

，且在輸出帶上寫出一個整數(shù)y后程序終止。則P計算了該函數(shù)且得到函數(shù)值y。圖靈機計算能力以上兩種對圖靈機計算能力的解釋，本質(zhì)上是一致的。識別一種語言：將圖靈機程序P解釋為一個語言接受器：一個字母表是符號的有限集合，而語言是字母表上字符串的集合。字母表中的符號可以用整數(shù)1,2…，k來表示。圖靈機接受語言的方式為：將字符串中的n個字符依次放在輸入帶上的第1到第n個方格中，第n+1個方格中放入字符串結(jié)束標(biāo)志。如果程序P讀了字符串S以及結(jié)束標(biāo)志后，在輸出帶的第1格輸出1并停機，那么程序P接受字符串S。三、計算理論1.計算模型確定性圖靈機：如果執(zhí)行中每次只可能有一個規(guī)則匹配，也就是說所有規(guī)則的左端都不完全相同，圖靈機的每步執(zhí)行是唯一確定的，稱這樣的機器為確定的圖靈機。圖靈機分類圖靈機理論奠定了通用電子計算機設(shè)計的理論基礎(chǔ)，同電子技術(shù)的結(jié)合最終產(chǎn)生了20世紀最偉大的奇跡。非確定性圖靈機：如果執(zhí)行中每次有兩個或更多的規(guī)則匹配，圖靈機的每步執(zhí)行不是唯一確定的，稱這樣的機器為非確定的圖靈機。三、計算理論1.計算模型定義：對于某問題，如果存在一個機械的過程，對于給定的一個輸入，能在有限步驟內(nèi)給出問題答案，那么該問題就是可計算性的?？捎嬎阈远x可計算性理論研究計算的一般性質(zhì)，也稱算法理論或能行性理論。通過建立計算的數(shù)學(xué)模型（例如1.3.1節(jié)中的圖靈機等抽象計算模型），精確區(qū)分哪些問題是可計算的，哪些是不可計算的。對問題的可計算性分析可使得人們不必浪費時間在不可能解決的問題上(或盡早轉(zhuǎn)而使用其他有效手段)，并集中資源在可以解決的那些問題上?？捎嬎阈远x2.可計算性可計算性定義三、計算理論可計算性具有如下幾個特性：可計算性特性①確定性。在初始情況相同時，任何一次計算過程得到的計算結(jié)果都是相同的。②有限性。計算過程能在有限的時間內(nèi)、在有限的設(shè)備上執(zhí)行。③設(shè)備無關(guān)性。每一個計算過程的執(zhí)行都是“機械的”或“構(gòu)造性的”，在不同設(shè)備上，只要能夠接受這種描述，并實施該計算過程，將得到同樣的結(jié)果。④可用數(shù)學(xué)術(shù)語對計算過程進行精確描述，將計算過程中的運算最終解釋為算術(shù)運算。計算過程中的語句是有限的，對語句的編碼能用自然數(shù)表示。2.可計算性三、計算理論同樣一個問題，不同的算法，在機器上運行時所需要的時間和空間資源的數(shù)量時常相差很大。因而需要定義算法的復(fù)雜度來作為度量算法優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)。3.計算復(fù)雜性計算性復(fù)雜性概述①問題規(guī)模表示：復(fù)雜性總是對于特定的問題類進行討論，它包括無窮多個個別問題。把問題編碼的長度n作為衡量該問題大小的尺度，在圖靈機理論中就是計算的輸入字的長度n。例如：矩陣乘法問題中矩陣的階n；圖論問題中頂點數(shù)n等。計算復(fù)雜性的度量標(biāo)準：一是計算所需的步數(shù)或指令條數(shù)（稱為時間復(fù)雜度），二是計算所需的存儲單元數(shù)量（稱為空間復(fù)雜度）。三、計算理論當(dāng)n充分大時，上述不同類型的復(fù)雜度遞增排列的次序為：O(1)<O(logn)<O(n)<O(nlogn)<O(n2)<O(n3)<…<O(nk)<O(2n)計算性復(fù)雜性概述算法的時間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度合稱為算法的復(fù)雜度。②復(fù)雜度表示：當(dāng)給定待計算問題的一個求解算法以后，計算大小為n的問題所需要的時間、空間可以表示為n的函數(shù)。稱此函數(shù)為此算法的時間、空間復(fù)雜度。常見的時間復(fù)雜度：常數(shù)O(1)、對數(shù)階O(logn)、線性階O(n)、線性對數(shù)階O(nlogn)、平方階O(n2)、立方階O(n3)……k次方階O(nk)、指數(shù)階O(2n)，這里的“O”表示數(shù)量級。3.計算復(fù)雜性三、計算理論是不是所有的問題都有算法?問題的算法是否都有效？P與NP問題不同的問題對處理的時間有不同的要求，例如飛機導(dǎo)航等實時系統(tǒng)，需要在毫秒級內(nèi)完成計算；進行電網(wǎng)控制的實時系統(tǒng)，需要在秒級內(nèi)給出計算結(jié)果。因此算法的有效性也是人們非常關(guān)心的問題3.計算復(fù)雜性三、計算理論首先，并不是所有問題都有解決的辦法。例如：“能否通過有限步驟來判定整數(shù)系數(shù)方程是否存在有理整數(shù)根？”——希爾伯特數(shù)學(xué)問題之一經(jīng)過數(shù)學(xué)家的努力，證明這樣的算法是不存在的。P與NP問題希爾伯特數(shù)學(xué)問題：希爾伯特在1900年巴黎國際數(shù)學(xué)家代表大會上的講演中提出了23個數(shù)學(xué)問題，激發(fā)了整個數(shù)學(xué)界的想像力，推動了20世紀數(shù)學(xué)的發(fā)展。3.計算復(fù)雜性三、計算理論其次，有些問題的算法雖然存在，但在實際中卻并不可行的，是無效的。這是因為這些算法所耗費的時間太多或需要耗費的資源太多，在現(xiàn)實中根本不可能進行下去。例如有關(guān)印度國王獎勵象棋發(fā)明人的故事。P與NP問題棋盤第1個小格里，賞給1粒麥子，第2個小格給2粒，第3小格給4粒，以后每一小格都比前一小格加一倍8×8的棋盤,麥子的總粒數(shù)：是264－1估計1公斤麥子大約有4000粒，則1噸麥子有4000000粒，264－1=4626174068165504246粒麥子大概是14065億噸，而2012年全世界小麥總產(chǎn)量約6.9億噸，顯然該問題的數(shù)量巨大，現(xiàn)實中解決不了。3.計算復(fù)雜性三、計算理論一般來說，根據(jù)求解問題所需的時間是否是多項式函數(shù)，將問題分為易處理和難處理兩大類的問題。P與NP問題易處理問題：求解問題時間是關(guān)于問題規(guī)模n的多項式函數(shù)。難處理問題：求解問題時間是關(guān)于問題規(guī)模n的指數(shù)函數(shù)。P類問題：指確定型圖靈機上的具有多項式算法的問題集合，存在多項式時間的算法的一類問題，屬于易處理問題；NP類問題：指非確定型圖靈機上具有多項式算法的問題集合。3.計算復(fù)雜性三、計算理論目前還尚未找到NP類問題確定有效的算法(更確切地說，是目前沒有找到時間復(fù)雜度是多項式的算法)。P與NP問題用現(xiàn)在可用的算法計算該類問題，計算量非常大，對規(guī)模大的該類問題，根本不可行，因為計算時間復(fù)雜度不是多項式函數(shù)，而是指數(shù)函數(shù)，屬于難處理問題。同時，P類問題是NP問題的一個子集。3.計算復(fù)雜性三、計算理論隨著計算科學(xué)的發(fā)展，計算理論與許多其他學(xué)科已相互影響，可用計算機求解問題的領(lǐng)域已非常廣闊，既可求解數(shù)據(jù)處理、數(shù)值分析類問題，也可以求解物理學(xué)、化學(xué)、心理學(xué)等學(xué)科中所提出的問題。４.求解問題過程利用計算機求解問題的4個過程:問題抽象問題映射設(shè)計算法問題求解實現(xiàn)三、計算理論數(shù)學(xué)模型是連接數(shù)學(xué)與實際問題的橋梁，建模過程是從需要解決的實際問題出發(fā)，引出求解該問題的數(shù)學(xué)方法，最后再回到問題的具體求解中去。建立問題數(shù)學(xué)模型的一般步驟如下。建立問題數(shù)學(xué)模型的4個步驟：問題抽象①模型準備階段②模型假設(shè)階段③模型構(gòu)成階段④模型確定階段４.求解問題過程三、計算理論①模型準備階段：觀察問題，了解問題本身所反映的規(guī)律，初步確定問題中的變量及其相互關(guān)系。問題抽象②模型假設(shè)階段：確定問題所屬于的系統(tǒng)、模型類型以及描述系統(tǒng)所用的數(shù)學(xué)工具，對問題進行必要的、合理的簡化，用精確的語言作出假設(shè)。③模型構(gòu)成階段：對所提出的假說進行擴充和形式化。選擇具有關(guān)鍵作用的變量及其相互關(guān)系，進行簡化和抽象，將問題所反映的規(guī)律用數(shù)字、圖表、公式、符號等進行表示，然后經(jīng)過數(shù)學(xué)的推導(dǎo)和分析，得到定量的或定性的關(guān)系，初步形成數(shù)學(xué)模型。４.求解問題過程三、計算理論④模型確定階段：首先根據(jù)實驗和對實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，對初始模型中的參數(shù)進行估計，然后還需要對模型進行檢驗和修改，當(dāng)所建立的模型被檢驗、評價、確認其符合要求后，模型才能被最終確定接受，否則需要對模型進行修改。問題抽象問題抽象實例：

哥尼斯堡7橋問題地點（島、岸）抽象為頂點橋抽象為頂點間的邊４.求解問題過程三、計算理論客觀世界中的問題都是由實體以及實體之間的關(guān)系構(gòu)成，實體是問題空間或問題域中的對象。問題的映射利用計算機求解問題就是利用某種語言對計算機世界中的實體進行某些操作，用操作結(jié)果映射實際問題的解，計算機中的實體稱解空間。問題映射就是將問題空間映射到解空間，將問題域中的對象映射到解空間中的對象。開發(fā)軟件進行問題求解的過程就是人門使用計算機語言將現(xiàn)實世界映射到計算機世界的過程，即：現(xiàn)實世界問題域→建立模型→編程實現(xiàn)→計算機世界執(zhí)行求解４.求解問題過程三、計算理論計算機求解問題的具體過程可由算法進行精確描述，算法包含一系列求解問題的特定操作，具有如下性質(zhì)：設(shè)計問題求解算法①將算法作用于特定的輸入集或問題描述時，可導(dǎo)致由有限步動作構(gòu)成的動作序列。②該動作序列具有唯一的初始動作。③序列中的每一動作具有一個或多個后繼動作④序列或者終止于某一個動作，或者終止于某一陳述。算法代表了對問題的求解，是計算機程序的靈魂，程序是算法在計算機上的具體實現(xiàn)。４.求解問題過程三、計算理論利用某種計算機語言編寫求解算法的程序，將程序輸入計算機后，計算機將按照程序指令的要求自動進行處理并輸出計算結(jié)果。問題求解實現(xiàn)inputoutput各種結(jié)果形式……程序４.求解問題過程三、計算理論四、可計算的典型問題排序：將一組“無序”的記錄序列調(diào)整為“有序”的記錄序列的過程。四、可計算的典型問題1.排序——數(shù)據(jù)有序排列計算機中進行數(shù)據(jù)處理時，經(jīng)常需要進行查找數(shù)據(jù)的操作，數(shù)據(jù)查找的快慢和數(shù)據(jù)的組織方式關(guān)系密切，排序是一種有效的數(shù)據(jù)組織方式，為進一步快速查找數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)。計算機里的查找算法，也用到排序和索引，實現(xiàn)過程同人查字典一樣，只不過一個是人在查找，一個是計算機查找而已。排列次序是人們在日常生活中頻繁遇到的問題，排序問題在計算學(xué)科中也占有重要地位。例如：字典中查找生詞。如果字典的字是雜亂無章地排列，可從頭到尾地一個個地檢查，但檢查效率很低?，F(xiàn)在的字典中的文字都排了序，另外還有偏旁部首索引，這大大加快了查字典時的查找速度。排序的方法：以冒泡排序和快速排序為例冒泡排序具體過程：思路簡單、效率低，時間復(fù)雜度為O(n2)。①比較表中相鄰的元素。如果第一個比第二個大（逆序）就交換。②對每一對相鄰元素依次作同樣的工作，從開始第一對到表尾的最后一對。得到表尾元素是此次掃描序列中最大的數(shù)。③表長度減1，針對剩余元素構(gòu)成的表重復(fù)以上①②兩步驟。④持續(xù)每次對越來越少的元素重復(fù)上面的步驟，直到?jīng)]有任何一對數(shù)字需要比較。四、可計算的典型問題1.排序——數(shù)據(jù)有序排列序號12345678數(shù)據(jù)3849132749657697序號12345678數(shù)據(jù)4938659776132749序號12345678數(shù)據(jù)3849657613274997序號12345678數(shù)據(jù)3813274949657697序號12345678數(shù)據(jù)1327384949657697序號12345678數(shù)據(jù)3849651327497697序號12345678數(shù)據(jù)1327384949657697序號12345678數(shù)據(jù)1327384949657697初始1趟2趟3趟4趟5趟6趟7趟冒泡排序?qū)嵗焖倥判蚓唧w過程：例如，待排序數(shù)據(jù)[4,1,3,2,6,5,7]，選4作為樞紐元素，則一趟快速排序結(jié)果為[2,1,3]4[6,5,7]快速排序方法的效率較高，時間復(fù)雜度為O(nlog2n)①首先通過一趟排序以將要排序的數(shù)據(jù)的第一個元素（稱樞軸元素）為界，將待排序序列分成兩部分，其中前面部分的所有數(shù)據(jù)均小于樞軸元素，后面所有數(shù)據(jù)都要大于樞軸元素，這個過程為一趟快速排序。②然后按此方法對上一趟劃分出的兩部分數(shù)據(jù)分別再進行快速排序。③重復(fù)以上過程，直到劃分出的每部分數(shù)據(jù)個數(shù)不超過1為止，此時的整個數(shù)據(jù)序列就變成有序序列。四、可計算的典型問題1.排序——數(shù)據(jù)有序排列2.漢諾塔求解——遞歸思想移動金片的規(guī)則：（1）一次只移動一片，且只能在3根寶石針上來回移動。（2）不管在哪根針上，小片必須在大片上面。漢諾塔問題：將A上的金片移動到C四、可計算的典型問題①當(dāng)n=1時，將編號為1的金片從寶石針A直接移到寶石針C上?？蓪?4個金片搬移轉(zhuǎn)化為求解63個金片搬移，如果63個金片搬移能被解決，則可以先將前63個金片移動到第二根寶石針上，再將最后一個金片移動到第三根寶石針上，最后再一次將前63個金片從第二根寶石針移動到第三根寶針上。依此類推，63個金片的漢諾塔問題可轉(zhuǎn)化為62個金片搬移，62個金片搬移可轉(zhuǎn)化為61個金片的漢諾塔問題，直到轉(zhuǎn)換到了1個金片，此時可直接求解。解決策略：具體解決方法：②當(dāng)n>1時，需要利用寶石針B作為輔助，設(shè)法將n?1個較小的金片按規(guī)則移到寶石針B中，然后將編號為n的金片從A寶石針移到C寶石針，最后將n-1個較小的金片移到C寶石針。2.漢諾塔求解——遞歸思想四、可計算的典型問題ABC123ABC123ABC123ABC123ABC123ABC123ABC123ABC123金片數(shù)為3時的移動情況漢諾塔問題是一個典型的可用遞歸方法求解的問題。漢諾塔的求解過程代表了利用遞歸進行問題處理的方法。但對于盤片個數(shù)很多的漢諾塔，但由于時間復(fù)雜度問題，實際求解64個盤片的漢諾塔問題則并不一定可行。當(dāng)n=64時，移動盤片次數(shù)f(64)=264－1=18446744073709551615，移動次數(shù)量巨大。計算機科學(xué)中的遞歸：將一個較大問題歸約為一個或多個子問題的求解，并且這些子問題規(guī)模小于原問題，但結(jié)構(gòu)與原問題相同。2.漢諾塔求解——遞歸思想四、可計算的典型問題3.國王婚姻問題——并行計算很久以前，有一個酷愛數(shù)學(xué)的年輕國王名叫艾述。他聘請了當(dāng)時最有名的數(shù)學(xué)家孔喚石當(dāng)宰相。鄰國有一位聰明美麗的公主，名字叫秋碧貞楠。艾述國王愛上了這位鄰國公主，便親自登門求婚。公主說：“你如果向我求婚，請你先求出48770428433377171的一個真因子，一天之內(nèi)交卷”。解決方法1：艾述國王十分精于計算，能一秒鐘就算完一個數(shù)。他從早到晚，共算了三萬多個數(shù)，最終還是沒有結(jié)果。解決方法2：給全國的老百姓每人分一個數(shù)，同時計算驗證。四、可計算的典型問題方法1：采用了順序求解的計算方式，所耗費的計算資源少，但需要更多的計算時間。并行計算是提高計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速度和處理能力的一種有效手段。并行計算基本思想：用多個處理器來協(xié)同求解同一問題，即將被求解的問題分解成若干個部分，各部分均由一個獨立的處理機來并行計算。并行計算將任務(wù)分離成了離散部分，有助于同時解決，從時間耗費上優(yōu)于普通的串行計算方式，但這也是以增加了計算資源耗費所換得的。方法2：采用了并行計算方式，計算時間短，耗費計算資源多。3.國王婚姻問題——并行計算四、可計算的典型問題4.旅行商問題——最優(yōu)化思想“旅行商問題”也稱為“旅行推銷員問題”，是指一名推銷員要去多個地點推銷貨物時，如何找到在每個地點去過一次且僅去過一次后再回到起點的最短路徑。常規(guī)求解思路(枚舉法)：計算每一條可供選擇的路徑的長度后，選出最短的路徑。這樣的求解思路方法雖然簡單，但當(dāng)城市數(shù)目增多后卻不一定可行。存在組合爆炸問題!假設(shè)有20個地點，則所有可能路徑數(shù)量為(20-1)!≈1.216×1017

，枚舉法不可行。四、可計算的典型問題“旅行商問題”的求解方法可應(yīng)用于如下實際問題：如何規(guī)劃最合理高效的道路交通，以減少擁堵；如何更好地規(guī)劃物流，以減少運營成本；如何在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中更好地設(shè)置節(jié)點，以更好地讓信息流動等。最優(yōu)化中的動態(tài)規(guī)劃算法：最優(yōu)化方法用于研究各種有組織系統(tǒng)的管理問題及其生產(chǎn)經(jīng)營活動，對所研究的系統(tǒng)，求得一個合理運用人力、物力和財力的最佳方案，發(fā)揮和提高系統(tǒng)的效能及效益，最終達到系統(tǒng)的最優(yōu)目標(biāo)?！奥眯猩虇栴}”是最優(yōu)化中的線性規(guī)劃問題中的運輸問題。4.旅行商問題——最優(yōu)化思想四、可計算的典型問題2010年10月25日，英國倫敦大學(xué)皇家霍洛韋學(xué)院等機構(gòu)研究人員的最新研究認為，在花叢中飛來飛去的小蜜蜂顯示出了輕易破解“旅行商問題”的能力。研究人員利用人工控制的假花進行了實驗，結(jié)果顯示，不管怎樣改變花的位置，蜜蜂在稍加探索后，很快就可以找到在不同花朵間飛行的最短路徑，這是首次發(fā)現(xiàn)能解決這個問題的動物。研究報告認為，小蜜蜂顯示出了輕而易舉破解這個問題的能力，如果能理解蜜蜂怎樣做到這一點，將有助于人們改善交通規(guī)劃和物流等領(lǐng)域的工作，對人類的生產(chǎn)、生活將有很大幫助。向其它生物學(xué)習(xí)：小蜜蜂解決大問題4.旅行商問題——最優(yōu)化思想四、可計算的典型問題五、計算文化

與計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域文化與計算文化計算機發(fā)展啟示計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域五、計算文化、計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域1.文化與計算文化文化的概念非常廣泛，給它下一個嚴格和精確的定義是一件非常困難的事情。不少哲學(xué)家、社會學(xué)家、人類學(xué)家、歷史學(xué)家和語言學(xué)家一直努力，試圖從各自學(xué)科的角度來界定文化的概念，但迄今為止仍沒有獲得一個公認的、令人滿意的定義。文化的概念籠統(tǒng)地說，文化是一種社會現(xiàn)象，是人們長期創(chuàng)造形成精神的、物質(zhì)的產(chǎn)物，同時又是一種歷史現(xiàn)象，是社會歷史的積淀物。具體地說，文化是指一個國家或民族的歷史、地理、風(fēng)土人情、傳統(tǒng)習(xí)俗、生活方式、文學(xué)藝術(shù)、行為規(guī)范、思維方式、價值觀念等。（1）整合功能：文化的社會整合功能包括價值整合、規(guī)范整合和結(jié)構(gòu)整合。文化的功能（3）認識和解決問題、信息記錄、審美娛樂等功能。（2）導(dǎo)向功能：文化在社會中的導(dǎo)向功能包括：①提供知識；②協(xié)調(diào)社會管理工程；③鞏固成果。1.文化與計算文化五、計算文化、計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域1.文化與計算文化計算文化（ComputationalCulture）就是計算思想、精神、方法、觀點等形成和發(fā)展的演變史。計算文化計算文化是人類社會的生存方式因使用計算機而發(fā)生根本變化所產(chǎn)生的一種嶄新文化形態(tài)。1981年召開的第三次世界計算機教育會議首次使用“計算文化”一詞并將它作為大會的主題，以呼吁人們應(yīng)高度重視計算機知識教育。五、計算文化、計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域計算文化計算文化的體現(xiàn)：計算機的理論與技術(shù)在自然科學(xué)和社會科學(xué)領(lǐng)域廣泛滲透，極大豐富了人類文化的精神文化內(nèi)涵。人類創(chuàng)造的計算機軟、硬件設(shè)備豐富了人類文化的物質(zhì)文化品種。計算機的應(yīng)用已介入到人類社會生活的各個方面，在此過程中所創(chuàng)造的計算思維、科學(xué)思維、科學(xué)方法、科學(xué)精神、價值標(biāo)準等已成為一種嶄新的文化觀念。1.文化與計算文化五、計算文化、計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域計算文化素質(zhì)素質(zhì)通常又稱為素養(yǎng)。主要包括人的道德素質(zhì)、智力素質(zhì)、身體素質(zhì)、審美素質(zhì)和勞動技能素質(zhì)等，大學(xué)教育中的素質(zhì)培養(yǎng)指的是廣義上的素質(zhì)。隨著社會的高度信息化和網(wǎng)絡(luò)化，以計算機為核心的現(xiàn)代信息技術(shù)正在全方位地滲透到現(xiàn)代社會的各個領(lǐng)域，極其深刻地影響著人們的思維、學(xué)習(xí)和工作方式。不僅人們的生產(chǎn)方式、生活方式會發(fā)生巨大變化，而且人們的觀念和意識也必然會發(fā)生巨大變化。適應(yīng)社會變化需求，每個人都應(yīng)該具備基本的計算文化素養(yǎng)。1.文化與計算文化五、計算文化、計算應(yīng)用領(lǐng)域計算文化素質(zhì)（1）能準確、簡明、規(guī)范地采用計算機科學(xué)語言對需要解決的問題進行表述。良好計算文化素養(yǎng)應(yīng)該包括如下5方面：（2）能運用計算與計算機的概念、原理和思維方法求解需要解決的問題。（3）能通過現(xiàn)實世界中的現(xiàn)象和過程發(fā)現(xiàn)問題，并能運用計算機科學(xué)對問題進行建模與仿真。（4）具有良好的科學(xué)態(tài)度與創(chuàng)新精神，對新思想、新概念、新方法敏感，能緊跟學(xué)科的發(fā)展前沿，把握學(xué)科新動向。（5）能在計算機技術(shù)過程中恪守社會道德準則，樹立高尚人格，為社會帶來積極影響和正面作用。1.文化與計算文化五、計算文化、計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域2.計算機發(fā)展啟示算籌、算盤、計算尺等計算工具促使人類希望進一步提升數(shù)學(xué)計算速度，印刷技術(shù)使記憶可獨立于人腦本身，讓人類萌發(fā)現(xiàn)代計算機的最初設(shè)想。創(chuàng)造文字、結(jié)繩記數(shù)方法算籌、算盤、計算尺、印刷術(shù)手搖計算器和穿孔卡片計算器電子管計算機超大規(guī)模集成電路計算機現(xiàn)代計算機使人類掌握了更為先進的大規(guī)模信息存儲記憶技術(shù)。人類歷史上進入了知識爆炸時代，取得了很多重要的科學(xué)成就，對社會發(fā)展起著重大推動作用。計算機技術(shù)對社會進步產(chǎn)生了巨大的推動作用，人類文明的進程正在以大爆炸的加速度向“金字塔”的頂端沖擊。五、計算文化、計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域計算機的發(fā)展，歸根結(jié)底是計算思維的傳承與發(fā)揚。計算機從人工機械方式到動力機械方式，再到現(xiàn)在的電子器械方式，不僅是制造材料的進步，也是思維方式的進步。相信在不久的將來，計算機會成為結(jié)合眾多學(xué)科交叉結(jié)合、繼續(xù)傳承和發(fā)揚計算思維的人類文明精靈，到那時，人類社會的文明程度必將會進入到一個史無前例的高度。2.計算機發(fā)展啟示五、計算文化、計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域4.計算機應(yīng)用領(lǐng)域---生命科學(xué)領(lǐng)域計算機已廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)中的微生物學(xué)、遺傳學(xué)、生態(tài)學(xué)、醫(yī)學(xué)、人口學(xué)、藥物動力學(xué)、生理學(xué)、分子生物學(xué)等領(lǐng)域，在生物信息學(xué)、數(shù)值模型化、最優(yōu)化實驗設(shè)計等生命科學(xué)中顯示出越來越強有力的作用。計算機在生命科學(xué)中的應(yīng)用可分為如下類型：生命科學(xué)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集計算機在生物信息學(xué)中的應(yīng)用計算機在生物制藥方面的應(yīng)用生物芯片技術(shù)生物芯片五、計算文化、計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域數(shù)據(jù)采集生物信息學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)在的生化測量儀器必須應(yīng)用計算機技術(shù)，如色譜儀、質(zhì)譜儀等。生物數(shù)據(jù)量大面廣，人工采集數(shù)據(jù)方法已不能適應(yīng)需求，利用生物物質(zhì)和酶等生物分子間作用產(chǎn)生的光、電、熱、質(zhì)量等可以定量的物質(zhì)進行數(shù)學(xué)定量，研究相互間關(guān)系，通過計算機自動信號處理，測定氨基酸、膽固醇、糖、維生素等的濃度，利用這一原理制成各種酶電極、細胞電極、生物分子電極及其檢測系統(tǒng)。生物信息學(xué)是以計算機為工具對生物信息進行儲存、檢索、傳輸與分析的科學(xué)，涉及對核酸和蛋白質(zhì)序列信息的獲取、分析、存儲，以及數(shù)據(jù)的查詢和校對等。計算機科學(xué)中數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、算法、圖形學(xué)、并行計算、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都滲透到了生物信息學(xué)中，已被用于生物計算方面。例如：“人類基因組計劃”中，計算機霰彈算法測序成為了各種基因組測序的通用方法，大幅度降低了基因組測序的成本，提高了測序效率。沒有計算機的幫助，人類無法完成“基因組計劃”。4.計算機應(yīng)用領(lǐng)域---生命科學(xué)領(lǐng)域五、計算文化、計算技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域在生物制藥方面的應(yīng)用生物芯片技術(shù)新藥物研制過程中，藥物發(fā)揮須通過“配體－受體”相結(jié)合的途徑，其中受體是機體細胞表面或內(nèi)部的特殊大分子物質(zhì)。清晰地揭示受體的結(jié)構(gòu)功能對闡明藥物的作用機制非常重要，利用計算機模擬受體的三維結(jié)構(gòu)，可以計算機模擬方法研究受體與配體的相互關(guān)系，對蛋白質(zhì)以及一些核酸、多糖的三維結(jié)構(gòu)進行精確測定，從而提出更佳的配體設(shè)計方案。基于生物大分子結(jié)構(gòu)知識的