大计第1章电子教案

1、1、 计算、计算工具的历史沿革计算、计算工具的历史沿革 人类进行运算时所运用的工具，也经历了由简单到复人类进行运算时所运用的工具，也经历了由简单到复杂，由低级向高级的发展变化。计算的需求推动着计算工杂，由低级向高级的发展变化。计算的需求推动着计算工具的发展，计算工具的发展使得计算更科学、更先进。反具的发展，计算工具的发展使得计算更科学、更先进。反映了人类认识世界、改造世界的艰辛历程和广阔前景。映了人类认识世界、改造世界的艰辛历程和广阔前景。结绳、算筹结绳、算筹算盘算盘纳皮尔算筹纳皮尔算筹计算尺计算尺机械计算机、帕斯卡加法器、乘法器机械计算机、帕斯卡加法器、乘法器雅各织布机、差分机、分析机雅各织

2、布机、差分机、分析机ENIAC计算机计算机计算与学科渗透计算与学科渗透 随着当代科学技术的发展，不同学科之间的相互渗透、交随着当代科学技术的发展，不同学科之间的相互渗透、交叉和综合已成为当今科技发展的一个重要趋势。当代科学叉和综合已成为当今科技发展的一个重要趋势。当代科学既高度分化又高度综合的发展趋势，将交叉学科推向了科既高度分化又高度综合的发展趋势，将交叉学科推向了科技大潮的前沿，使其成为知识创新的主要领域之一。学科技大潮的前沿，使其成为知识创新的主要领域之一。学科的交叉、渗透、融合和创新，是科学综合和分化趋势的重的交叉、渗透、融合和创新，是科学综合和分化趋势的重要特征，也是学科发展的必然趋

3、势。计算机科学无疑在学要特征，也是学科发展的必然趋势。计算机科学无疑在学科融合、渗透中独占鳌头。科融合、渗透中独占鳌头。人工智能人工智能 1 人工智能的起源人工智能的起源 2 图灵测试与博弈图灵测试与博弈1.2.2在计算机上进行化学实验在计算机上进行化学实验 化学研究的核心在于化学研究的核心在于“化化”字，即分子之间的相互转化，字，即分子之间的相互转化，旧化学键断裂、新化学键生成。只有这样，才能创造出新旧化学键断裂、新化学键生成。只有这样，才能创造出新材料，设计出新药物。可是，分子之间的转化经常发生得材料，设计出新药物。可是，分子之间的转化经常发生得很快，在毫秒瞬间，电子便从一个原子核跃迁到另

4、一个，很快，在毫秒瞬间，电子便从一个原子核跃迁到另一个，传统的化学方式已很难捕捉这个过程，必须借助计算机这传统的化学方式已很难捕捉这个过程，必须借助计算机这一工具。时至今日，计算机对化学家的作用已经和化学实一工具。时至今日，计算机对化学家的作用已经和化学实验手段一样重要。因为计算机对化学反应的模拟能够非常验手段一样重要。因为计算机对化学反应的模拟能够非常逼真，化学家们已经能够通过计算机预测传统实验的结果逼真，化学家们已经能够通过计算机预测传统实验的结果了。了。1.2.3 生物信息学生物信息学 20世纪后期，生物科学技术迅猛发展，无论从数量上还是世纪后期，生物科学技术迅猛发展，无论从数量上还是从

5、质量上都极大地丰富了生物科学的数据资源。数据资源从质量上都极大地丰富了生物科学的数据资源。数据资源的急剧膨胀迫使人们寻求一种强有力的工具去组织这些数的急剧膨胀迫使人们寻求一种强有力的工具去组织这些数据，以利于储存、加工和进一步利用。而海量的生物学数据，以利于储存、加工和进一步利用。而海量的生物学数据中必然蕴含着重要的生物学规律，这些规律将是解释生据中必然蕴含着重要的生物学规律，这些规律将是解释生命之谜的关键，人们同样需要一种强有力的工具来协助人命之谜的关键，人们同样需要一种强有力的工具来协助人脑完成对这些数据的分析工作。另一方面，以数据分析、脑完成对这些数据的分析工作。另一方面，以数据分析、处

6、理为本质的计算机科学技术和网络技术迅猛发展并日益处理为本质的计算机科学技术和网络技术迅猛发展并日益渗透到生物科学的各个领域。渗透到生物科学的各个领域。计算机技术与艺术设计计算机技术与艺术设计 社会和科技的发展同样也意味着艺术的发展社会和科技的发展同样也意味着艺术的发展, 在科学技术在科学技术进步的同时也将带来艺术的重大变革进步的同时也将带来艺术的重大变革, 计算机数字艺术便计算机数字艺术便是伴随计算机技术的发展和普及而诞生和发展的。数字技是伴随计算机技术的发展和普及而诞生和发展的。数字技术在艺术领域的应用是艺术和科技之间的革命术在艺术领域的应用是艺术和科技之间的革命, 在当今已在当今已经波及到

7、所有艺术领域。经波及到所有艺术领域。 计算机将人从许多复杂的、重复性的、繁琐的体力劳动中计算机将人从许多复杂的、重复性的、繁琐的体力劳动中解放出来解放出来, 把精力集中于创意和设计本身把精力集中于创意和设计本身, 同时同时, 艺术的概艺术的概念也发生了改变。念也发生了改变。大数据预测大数据预测 美国总统奥巴马成功击败对手罗姆尼、再次赢得美国总统美国总统奥巴马成功击败对手罗姆尼、再次赢得美国总统选举的当天，选举的当天，时代时代杂志撰写了一篇文章，描述了奥巴杂志撰写了一篇文章，描述了奥巴马总统获胜背后的秘密马总统获胜背后的秘密数据挖掘。以竞选工作组发言数据挖掘。以竞选工作组发言人人 Ben LaB

8、olt 的话来形容：奥巴马团队拥有的话来形容：奥巴马团队拥有“核代码核代码”，数据是能够击败罗姆尼的最根本优势！数据是能够击败罗姆尼的最根本优势！1.3 当前热点计算当前热点计算 云计算云计算云计算（云计算（cloud computing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。美国国家标准与技术研究院（资源。美国国家标准与技术研究院（NIST）定义：云计算是一种按使）定义：云计算是一种按使用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按

9、需的网络访问，用量付费的模式，这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问，进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用进入可配置的计算资源共享池（资源包括网络，服务器，存储，应用软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作软件，服务），这些资源能够被快速提供，只需投入很少的管理工作，或与服务供应商进行很少的交互。旨在使个人和企业能够通过终端，或与服务供应商进行很少的交互。旨在使个人和企业能够通过终端设备更加智能和快速地处理复杂的计算任务，设备更加智能和快速地处理复杂的计算任务，“云云”指的是通过互联指的是通过互联网实现超级计算能力的资源网实现超级计算能力的资源,

10、 未来服务信息的存储方式将打破目前依未来服务信息的存储方式将打破目前依赖于个人电脑和服务器的现状赖于个人电脑和服务器的现状, 软件和数据将主要存放在网络中软件和数据将主要存放在网络中;由于由于云计算是开放的标准，任何个人和企业用户都可以利用云计算是开放的标准，任何个人和企业用户都可以利用“云云”端的计端的计算和存储能力来完成自己的应用和数据存储，以及在云上做算和存储能力来完成自己的应用和数据存储，以及在云上做“二次开二次开发发”。因此。因此, 云计算在近年来赢得了众多厂商和企业的关注并得到长云计算在近年来赢得了众多厂商和企业的关注并得到长足的发展。足的发展。 物联网物联网 “物联网物联网”（I

11、nternet of Things，IoT）概念是）概念是2005 年在突年在突尼斯举行的信息社会世界峰会上正式确立的。狭义的物联尼斯举行的信息社会世界峰会上正式确立的。狭义的物联网只是物与物互联，不包括人在内；广义的物联网则是物网只是物与物互联，不包括人在内；广义的物联网则是物与物之间、物与人之间、人与环境之间可以实现交互，将与物之间、物与人之间、人与环境之间可以实现交互，将信息技术融入社会行为之中，达到人类社会综合应用信息信息技术融入社会行为之中，达到人类社会综合应用信息技术的更高境界。广义的物联网定义，认为物联网是在互技术的更高境界。广义的物联网定义，认为物联网是在互联网的基础上，借助各

12、种信息传感设备，通过各种接入网联网的基础上，借助各种信息传感设备，通过各种接入网络，实现物体与互联网连接，形成人与物、物与物互联的络，实现物体与互联网连接，形成人与物、物与物互联的巨大智能网络。巨大智能网络。大数据大数据当我们对当我们对“云计算云计算”、“物联网物联网”等概念还感觉模糊的时候，等概念还感觉模糊的时候，“大数大数据据”横空出世且其发展呈燎原之势。为了减少火车脱轨造成的伤亡，横空出世且其发展呈燎原之势。为了减少火车脱轨造成的伤亡，交通系统变得更加智能。火车上安装了各种传感器来收集各个部位运交通系统变得更加智能。火车上安装了各种传感器来收集各个部位运行情况的数据，以此来检测存在安全隐

13、患的器件，当然，这些还远不行情况的数据，以此来检测存在安全隐患的器件，当然，这些还远不能称为能称为“智能智能”，要对铁轨乃至整个交通系统都能够进行实时的数据，要对铁轨乃至整个交通系统都能够进行实时的数据采集，甚至对影响交通的天气情况都要考虑在内，现在把这些信息加采集，甚至对影响交通的天气情况都要考虑在内，现在把这些信息加入到火车的承载量、出发以及到达等数据里，一个大数据问题就出现入到火车的承载量、出发以及到达等数据里，一个大数据问题就出现了。了。我们身处数据的海洋，几乎所有事物都与数据有关，环境、金融、医我们身处数据的海洋，几乎所有事物都与数据有关，环境、金融、医疗疗我们每天都在产生数据，打电

14、话、发短信、进地铁站安检、进我们每天都在产生数据，打电话、发短信、进地铁站安检、进办公楼刷卡、在办公楼刷卡、在QQ 上聊天、上淘宝网购物上聊天、上淘宝网购物大量数据实时地影响我大量数据实时地影响我们的工作、生活乃至社会发展。数据成为与自然资源、人力资源同样们的工作、生活乃至社会发展。数据成为与自然资源、人力资源同样重要的战略资源，引起了科技界和企业界的高度重视。重要的战略资源，引起了科技界和企业界的高度重视。可穿戴计算可穿戴计算 可穿戴计算技术是可穿戴计算技术是20 世纪世纪60 年代由美国麻省理工学院媒年代由美国麻省理工学院媒体实验室提出的创新技术，利用该技术可以把多媒体、传体实验室提出的创

15、新技术，利用该技术可以把多媒体、传感器和无线通信等技术嵌入人们的衣着中，可支持手势和感器和无线通信等技术嵌入人们的衣着中，可支持手势和眼动操作等多种交互方式。它主要探索和创造能直接穿在眼动操作等多种交互方式。它主要探索和创造能直接穿在身上、或是整合进用户的衣服或配件的设备的科学技术。身上、或是整合进用户的衣服或配件的设备的科学技术。 可穿戴计算技术只是概念层面的表述，在此我们还要提及可穿戴计算技术只是概念层面的表述，在此我们还要提及可穿戴计算机（可穿戴计算机（Wearable Computer，简写为，简写为WearComp），所有可穿戴产品都是通过可穿戴计算机来实现的。可穿，所有可穿戴产品都

16、是通过可穿戴计算机来实现的。可穿戴计算机特别适合室外和机动场合下应用。可穿戴计算机戴计算机特别适合室外和机动场合下应用。可穿戴计算机是指包容于用户个人空间、被穿戴者所控制，同时具有持是指包容于用户个人空间、被穿戴者所控制，同时具有持续操作、持续交互能力的计算机。麻省理工学院将可穿戴续操作、持续交互能力的计算机。麻省理工学院将可穿戴计算机定义为：可穿戴计算机总是可以随身携带，易于使计算机定义为：可穿戴计算机总是可以随身携带，易于使用，十分方便，且和衣服一样与人附为一体。用，十分方便，且和衣服一样与人附为一体。智慧城市智慧城市 智慧城市包含智慧技术、智慧产业、智慧应用、智慧服务智慧城市包含智慧技术

17、、智慧产业、智慧应用、智慧服务、智慧治理、智慧人文、智慧生活等内容。其中与百姓生、智慧治理、智慧人文、智慧生活等内容。其中与百姓生活最为息息相关的智慧应用主要体现在交通、电网、物流活最为息息相关的智慧应用主要体现在交通、电网、物流、医疗、食品系统、药品系统、环保、水资源管理、气象、医疗、食品系统、药品系统、环保、水资源管理、气象、企业、银行、政府、家庭、社区、学校、建筑、楼宇、企业、银行、政府、家庭、社区、学校、建筑、楼宇、油田、农业等诸多方面，给人类生活带来的改变可以想见油田、农业等诸多方面，给人类生活带来的改变可以想见。1.4 思维与计算思维思维与计算思维 思维活动的具有三个关键特点：思维

18、活动的具有三个关键特点： 1）思维活动的载体是语言和文字，不通过语言和文字表）思维活动的载体是语言和文字，不通过语言和文字表达出来的思维是无意义的。达出来的思维是无意义的。 2）思维的表达方式必须遵循一定的格式，需要符合一定）思维的表达方式必须遵循一定的格式，需要符合一定的语法和语义规则。只有符合语法和语义规则的表达才能的语法和语义规则。只有符合语法和语义规则的表达才能被其他人所理解。被其他人所理解。 3）为了使别人相信自己的思维结论，必须采取合理的表）为了使别人相信自己的思维结论，必须采取合理的表达方式，说明获得结论的理由，以使别人不去重复思维的达方式，说明获得结论的理由，以使别人不去重复思

19、维的过程而相信你的结论。这就是思维逻辑。过程而相信你的结论。这就是思维逻辑。 符合这样三条原则的思维模式大体上可以分为三种：符合这样三条原则的思维模式大体上可以分为三种： 1）以观察和归纳自然（包括人类社会活动）规律为特征）以观察和归纳自然（包括人类社会活动）规律为特征的实证思维。的实证思维。 2）以推理和演绎为特征的逻辑思维。）以推理和演绎为特征的逻辑思维。 3）以抽象化和自动化为特征的计算思维。计算思维中的）以抽象化和自动化为特征的计算思维。计算思维中的抽象化与数学（逻辑思维）的抽象化有不同的含义。抽象化与数学（逻辑思维）的抽象化有不同的含义。 计算思维的抽象化不仅表现为研究对象的形式化表

20、示，也计算思维的抽象化不仅表现为研究对象的形式化表示，也隐含这种表示应具备有限性、程序性和机械性。有的学者隐含这种表示应具备有限性、程序性和机械性。有的学者也把形式化、程序化和机械化作为计算思维的特征。这三也把形式化、程序化和机械化作为计算思维的特征。这三种思维模式各有特点，相辅相成，共同组成了人类认识世种思维模式各有特点，相辅相成，共同组成了人类认识世界和改造世界的基本科学思维内容。界和改造世界的基本科学思维内容。 实证思维起源于物理学的研究，集大成者的代表是伽利略实证思维起源于物理学的研究，集大成者的代表是伽利略、开普勒和牛顿。开普勒是现代科学中第一个有意识地将、开普勒和牛顿。开普勒是现代

21、科学中第一个有意识地将自然观察总结成规律，并把这种规律表示出来。伽利略建自然观察总结成规律，并把这种规律表示出来。伽利略建立了现代实证主义的科学体系，强调通过观察和实验（实立了现代实证主义的科学体系，强调通过观察和实验（实验是把自然现象单纯化，以保证可以仔细研究其中的一个验是把自然现象单纯化，以保证可以仔细研究其中的一个局部）获取自然规律的法则。牛顿把观察、归纳和推理完局部）获取自然规律的法则。牛顿把观察、归纳和推理完美地结合起来，形成了现代科学大厦的整体框架。美地结合起来，形成了现代科学大厦的整体框架。 以现在普遍的观点，实证思维要符合三点原则：第一是可以现在普遍的观点，实证思维要符合三点原

22、则：第一是可以解释以往的实验现象；第二是逻辑上自洽，即不能自相以解释以往的实验现象；第二是逻辑上自洽，即不能自相矛盾；第三是能够预见新的现象。即思维结论必须经得起矛盾；第三是能够预见新的现象。即思维结论必须经得起实验的验证。这三条是比较苛刻的，比如爱因斯坦的狭义实验的验证。这三条是比较苛刻的，比如爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论发表以后，尽管理论上是十分完美的相对论和广义相对论发表以后，尽管理论上是十分完美的，而且也能够解释当时物理学中一些困惑的问题，但是由，而且也能够解释当时物理学中一些困惑的问题，但是由于其预言的现象未能观测到，因此在很长一段时间，没有于其预言的现象未能观测到，因此在很长一

23、段时间，没有成为一个真正公认的物理学理论。成为一个真正公认的物理学理论。 计算思维是人类科学思维中，以抽象化和自动化，或者说计算思维是人类科学思维中，以抽象化和自动化，或者说以形式化、程序化和机械化为特征的思维形式。尽管与前以形式化、程序化和机械化为特征的思维形式。尽管与前两个思维一样，计算思维也是与人类思维活动同步发展的两个思维一样，计算思维也是与人类思维活动同步发展的思维模式，但是计算思维概念的明确和建立却经历了较长思维模式，但是计算思维概念的明确和建立却经历了较长的时期。的时期。 从人类思维产生的时候，形式、结构、可行这些意识就已从人类思维产生的时候，形式、结构、可行这些意识就已经存在于

24、思维之中，而且是人类经常使用和熟悉的内容，经存在于思维之中，而且是人类经常使用和熟悉的内容，但是作为一种科学概念的提出应该是在莱布尼茨、希尔伯但是作为一种科学概念的提出应该是在莱布尼茨、希尔伯特之后。莱布尼茨提出了机械计算的概念，而希尔伯特更特之后。莱布尼茨提出了机械计算的概念，而希尔伯特更是建立了机械化推理的基础。这些工作把原来思维中属于是建立了机械化推理的基础。这些工作把原来思维中属于形式主义和构造主义的部分明晰地表达出来，使之明确成形式主义和构造主义的部分明晰地表达出来，使之明确成为人类思维一种模式。希尔伯特给出了现在称为为人类思维一种模式。希尔伯特给出了现在称为“希尔伯希尔伯特纲领特纲

25、领”的数学构造框架，试图把数学还原为一种有限过的数学构造框架，试图把数学还原为一种有限过程。尽管这个纲领并没有最后实现，但是与此相关的工作程。尽管这个纲领并没有最后实现，但是与此相关的工作却真正弄清楚了什么是计算，什么是算法，什么是证明，却真正弄清楚了什么是计算，什么是算法，什么是证明，什么是推理，这就把计算思维里面所涵盖的主要成分逐一什么是推理，这就把计算思维里面所涵盖的主要成分逐一进行了深入的揭示，计算思维一些主要特征从实证思维和进行了深入的揭示，计算思维一些主要特征从实证思维和逻辑思维中独立出来，不再是前两者的附属，而成为与前逻辑思维中独立出来，不再是前两者的附属，而成为与前两者齐驱并驾的第三种思维模式。两者齐驱并驾的第三种思维模式。计算思维的标志是有限性，确定性和机械性。因此计算思维表达结论计算思维的标志是有限性，确定性和机械性。因此计算思维表达结论的方式必须是一种有限