第1章 计算机与计算思维

1、大学计算机基础课程简介课程内容：相对稳定的、基础性的计算机知识以及计算机新技术的发展方向与应用领域。思维教育：强调计算机知识的内在统一性与外在差异性，了解计算思维。能力培养：基本的信息素养与能力，初步的计算思维能力。计算文化 计算科学 计算思维 学科交叉是创新的源泉 学科交叉重构： XComputer Computer-based + X “多学科交叉融合是创新的源泉，推动了科学研究的重大突破与高新技术的产生。” 构建基本的信息素养与学习能力，能够“自觉”的学习计算机的相关技术和知识，以达到有兴趣和会用计算机来解决问题，终身受益。 学会像计算机科学家那样思考 学会用计算机处理各种问题1.1 计

2、算技术的发展 计算技术和计算工具的发展 计算机的发展 微型计算机的发展 计算技术在中国的发展 计算机的发展方向计算技术和计算工具的发展1642 Blaise Pascal加法器Charles Babbage1822 差分机1834 分析机MARK IENIAC电子计算机时代计算机的发展第一代第二代第三代第四代1946-19581959-19631964-19711972-现在主机电子器件电子管晶体管中小规模集成电路大规模/超大规模集成电路内存水银延迟线磁芯存储器半导体存储器半导体存储器外存储器穿孔卡片，纸带磁带，磁盘磁带，磁盘磁盘、光盘等大容量存储器处理速度(指令数/秒)几千条几百万条几千万条

3、数亿条以上电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路大规模集成电路大规模集成电路微型计算机的发展微型计算机的换代，通常是按其CPU字长和功能来划分的 第一代(19711973)：4位或低档8位微处理器和微型机 第二代(19741978)：中档的8位微处理器和微型机 第三代(19781985)：16位微处理器和微型机 第四代(19851993)：32位高档微型机 第五代(1993至今)：64位微处理器与20世纪70年代的大中型机功能相当。计算技术在中国的发展 十进制记数方法、算筹、珠算盘、指南车、水运浑象仪、记里鼓车、提花机等 国防科技大学计算机研究所研制的“银河”系列 中科院计算技术研究所研制的

4、“曙光”系列 国家并行计算机工程技术中心研制的“神威”系列 联想集团研制的“深腾”系列计算机的发展方向 巨型化 微型化 网络化 智能化Altair 8800计算机发展微型化计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。计算机发展巨型化运算速度可达每秒几百亿次运算的1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。中国超级计算机：国防科技大学研制的“银河1号”、 “银河2号”和“银河3号”国家职能计算机中心推出的“曙光1000”和“曙光200I”计算机发展网络化计算机技术与通信技术结

5、合的产物。使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。计算机发展智能化“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的没有灵魂的机械来”。 笛卡尔（1637）人类第一个“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）第一代机器人机械手（1962年出现）第二代机器人具有“感觉”的机器人第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人”未来的计算机 光子计算机 生物计算机 量子计算机 纳米计算机 1.3 信息技术与普适计算各种事物的变化和特征的反映信息的载体信息数据信息与数据 例如：数值、文字、语言、图形、图像等。 17 信息技术（Information Technology，IT）

6、信息和通信技术（Information and Communication Technology, ICT） 通信技术 计算机技术 现代信息技术（群）1.2 普适计算 又称普存计算、普及计算（pervasive computing，ubiquitous computing） 强调和环境融为一体的计算，人们能够 在任何时间 在任何地点 以任何方式进行信息的获取与处理。信息技术的应用科学计算 数据处理 电子商务 过程控制 4123CAD/CAM 多媒体技术 虚拟现实 人工智能 85671.3 人与计算机 人与计算机的对弈 人类思维形式 科学研究方法 计算机的局限性人与计算机的对弈 AlphaGo是

7、一款围棋人工智能程序。它的主要工作原理是“深度学习”。 人类的潜在创造性和自我学习的能力以及非公式化的经验积累，是现代计算机无法比拟的。人类思维形式 思维 “人脑对客观事物的本质属性和事物之间内在联系的规律性所作出的概括与间接的反映”。 钱学森教授认为人类思维的基本形式 形象思维 逻辑思维 创造思维 人脑的思维方式并不是计算机一朝一夕能够模拟的。科学研究方法 科学研究 为了增进知识包括关于人类文化和社会的知识以及利用这些知识去发明新的技术而进行的系统的创造性工作。 科学研究方法 理论 实验 计算计算机的局限性 计算机只能做可计算性问题，不能做那些不可计算的问题 现代计算机发展所遵循的基本结构形

8、式始终是冯.诺依曼体系结构。 计算机所做的一切都是按照人的指令来进行的。 计算机只不过是一个处理指令的机器，即使有“智慧”，也是人赋予的。 不可计算性问题 被处理的信息无法表示为0或1的二进制状态； 需要计算的数据无法表示为有限的和确定的； 数据的大小和精度无法表示在固定的范围； 问题的处理方法无法表示为无二义性的形式化算法，无法在有限步骤内完成等。1.4 计算思维我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻的影响着我们的思维能力。（工具影响思维）Edsger_DijkstraJeannette M. Wing 周以真卡内基-梅隆大学教授 Computational think

9、ing will be a fundamental skill used by everyone in the world by the middle of the 21st Century.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 2021/7/25吉林师范大学计算机学院27 实验和理论思维无法解决的问题 大量复杂问题求解、宏大系统建立、大型工程组织都可通过计算模拟 核爆炸、蛋白质生成、大型飞机、舰艇设计 美科学家Stephen Wolfram： A New Kind of Science 传统的科学建立在数学基础上 新的

10、科学建立在计算机程序上计算思维能力的培养计算思维（Computational Thinking，CT）是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、和理解人类行为等涵盖计算机科学广度的一系列思维活动。 计算思维-理解人类行为 计算思维-问题求解 计算思维-系统设计计算思维-理解人类行为29引入：人是如何处理事务的引入：人是如何处理事务的接收信息接收信息完成结果完成结果计算计算控制眼睛、手控制眼睛、手记忆数据记忆数据图灵机图灵机计算思维的特点 概念化，不是程序化。 基础的，不是机械的技能。 人的，不是计算机的思维。 数学和工程思维的互补与融合。 面向所有的人，所有地方。 是思想，不是人造品。 计算思维最根本的内容，即其本质是抽象（Abstraction）和自动化（Automation） 计算思维能力 狭义的计算思维 广义的计算思维面对一个新问题，运用所有资源将其解决的能力。 计算思维能力的核心: 问题求解的能力 发现问题 寻求解决问题的思路 分析比较不同的方案 验证方案计算思维能力的培养 深入掌握计算机解决问题的思路，更好地用好计算机; 把计算机处理问题的方法用于各个领域; 推动在各个领域中运用计算思维，更好地与信息技术相结合。计算思维能力是跨学科、跨领域合