计算机文化与计算机思维基础

1、大学计算机李君阳447222141第一章 计算机与信息社会 1.1 引言引言1.2 计算机的诞生与发展计算机的诞生与发展 1.3 计算思维基础计算思维基础教学说明教学说明 1. 1. 学时：学时：0 0学时学时 以自学为主或者根据各校情况简要介绍以自学为主或者根据各校情况简要介绍 2. 2. 内容：内容：计算机的发展计算机的发展计算机的发展、分代、分类、新技术、新型计算机计算机的发展、分代、分类、新技术、新型计算机信息技术概念信息技术概念现代信息技术的定义、内容、特点现代信息技术的定义、内容、特点 计算机的应用计算机的应用在各行各业中的应用、应用的类型在各行各业中的应用、应用的类型 3. 3.

2、 考核：选择题、填充题考核：选择题、填充题 1.1 引言引言 算算 筹筹 春秋战国时代，世界上最早的计算工具春秋战国时代，世界上最早的计算工具 算算 盘盘 中国唐代中国唐代 第一种手动式计数器第一种手动式计数器人类在进化过程中，发明和改进了许许多多的计算工人类在进化过程中，发明和改进了许许多多的计算工具。具。 计算尺 1622年，英国William Oughtred手动式、减、乘、 除、指数和三角函数运算 加法器 1642年，法国Blaise Pascal机械式，只能做加法 计算器 1673年，德国Gottfried Leibniz机械式，加、减、乘、除和开方 差分机 1812年，英国Char

3、les Babbage分析机 1834年，英国Charles Babbage现代通用计算机的雏形1.2计算机的诞生和发展在以机械方式运行的计算机诞生百年之后，随着电子技术的突飞猛进，计算机开始了有机械向电子的进化1.2.1 计算机的诞生1.2.2 计算机的分代1.2.3 计算机的分类1.2.4 计算机的应用1.2.5 计算机文化计算机科学奠基人计算机科学奠基人英国科学家英国科学家 阿兰阿兰. .图灵图灵1.2.1 1.2.1 计算机的诞生计算机的诞生1. 图灵机图灵机姚期智姚期智(Andrew Chi-Chih Yao)，2000年图灵奖得主，美国科学年图灵奖得主，美国科学院院士，美国科学与艺

4、术学院院士，中国科学院外籍院士，清院院士，美国科学与艺术学院院士，中国科学院外籍院士，清华大学高等研究中心教授华大学高等研究中心教授主要贡献：主要贡献： 建立图灵机模型，奠定可计算建立图灵机模型，奠定可计算理论基础理论基础 提出图灵测试，阐述了机器智提出图灵测试，阐述了机器智能的概念能的概念美国计算机学会美国计算机学会(ACM)1966年设立图灵奖年设立图灵奖（计算机界的诺贝尔）（计算机界的诺贝尔）图灵机模型：图灵机模型：由无限长纸带和读写头组成纸带用于无限存储，由无限长纸带和读写头组成纸带用于无限存储，读写头可读、写和左右移动。读写头可读、写和左右移动。图灵机具有最强大的计算能力，其功能与高

5、级程图灵机具有最强大的计算能力，其功能与高级程序设计语言等价。序设计语言等价。如果电脑能在如果电脑能在5 5分钟内回答由人类测试者提出的一分钟内回答由人类测试者提出的一系列问题，且其超过系列问题，且其超过30%30%的回答让测试者误认为是人类的回答让测试者误认为是人类所答，则电脑通过测试。所答，则电脑通过测试。回答了什么样的机器具有智能，回答了什么样的机器具有智能，奠定了人工智能的基础奠定了人工智能的基础。在在英国雷丁大学的英国雷丁大学的“图灵测试图灵测试2014”中，电脑程序中，电脑程序“尤金尤金古斯特古斯特曼曼”成功成功“伪装伪装”成一名成一名13岁男孩，岁男孩，通过了图灵测试通过了图灵测

6、试机械姬机械姬图灵测试：图灵测试：2. 2. 世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机-ENIAC-ENIAC19461946年年2 2月由宾夕法尼亚大学研月由宾夕法尼亚大学研制制ENIACENIAC标志着电子计算机时代标志着电子计算机时代的到来的到来 Electronic Numerical Integrator And Calculator电子数字积分计算机电子数字积分计算机每秒每秒5 5千次加减运算千次加减运算没有存储器没有存储器采用十进制采用十进制长长30.4830.48米，宽米，宽6 6米，高米，高2.42.4米，米，占地面积约占地面积约170170平方米，耗电量平方米，耗电量1

7、50150千瓦千瓦。包含了包含了1746817468根真空根真空管管72007200根水晶二极管，根水晶二极管，1500 1500 个个中转，中转，7000070000个电阻器，个电阻器，1000010000个电容器，个电容器，15001500个继电器，个继电器，60006000多个开关多个开关阿塔纳索夫阿塔纳索夫- -贝瑞计算机贝瑞计算机（Atanasoff-Berry Atanasoff-Berry ComputerComputer，简称，简称ABCABC）缺点一：一：没有存储器没有存储器二：二：布线接板控制布线接板控制三：三： 除了体积大，耗电多以外，除了体积大，耗电多以外，电子管易于损

8、电子管易于损坏，坏，1 18 8万多个电子管万多个电子管电子计算机之父：电子计算机之父：美籍匈牙利数学家美籍匈牙利数学家 冯冯. .诺依曼诺依曼3. 3. 冯冯. .诺依曼体系结构计算机诺依曼体系结构计算机冯冯. .诺依曼体系计算机的特点诺依曼体系计算机的特点 采用二进制表示数据；采用二进制表示数据； 存储程序；存储程序； 由运算器、控制器、存储器、由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。输入设备和输出设备五部分组成。主要贡献：主要贡献： 与同事研制人类第二台计算机与同事研制人类第二台计算机EDVAC “存储程序存储程序”概念概念 冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机 奠定现代计算机体

9、系结构和工作原理奠定现代计算机体系结构和工作原理1.2.2 计算机的分代计算机的分代(按物理器械按物理器械)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时代年份器件软件运算速度应用一一 46-5846-58电子管电子管机器语言汇编语机器语言汇编语言言 几千次几千次科学计算科学计算二二58-6458-64晶体管晶体管高级语言高级语言几十万次几十万次数据处理数据处理工业控制工业控制 三三64-7164-71集成电路集成电路操作系统操作系统几百万次几百万次文字处理文字处理图形处理图形处理四四7171年迄今年迄今大规模集成电路大规模集成电路 数据库、网络等数据库、网络等 亿亿次

10、亿亿次社会的各个社会的各个领域领域1.2.3 1.2.3 计算机的分类计算机的分类 按综合性能指按综合性能指标分类标分类高性能计算机（巨型机或大型机）：高性能计算机（巨型机或大型机）： 速度最快、处理能力最强速度最快、处理能力最强工作站工作站：介于介于PCPC与小型机之间高档微机系统与小型机之间高档微机系统 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强高分辨率、大容量内外存，图形功能较强微型计算机微型计算机： 台式机、笔记本、平板计算台式机、笔记本、平板计算机等机等服务器：网络环境中为多个用户提供服务器：网络环境中为多个用户提供服服 务的计算机系统务的计算机系统按用途分类按用途分类通用机通用机专用机专

11、用机嵌入式计算机：嵌入式计算机： 嵌入到应用系统中的计算机，应用最嵌入到应用系统中的计算机，应用最广泛，数量超过广泛，数量超过PCPC。“天河二号天河二号”是由国防科大研是由国防科大研制的超级计算机系统，以峰值制的超级计算机系统，以峰值计算速度每秒计算速度每秒5.495.49亿亿次、持亿亿次、持续计算速度每秒续计算速度每秒3.393.39亿亿次双亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居精度浮点运算的优异性能位居榜首，以高于亚军美国榜首，以高于亚军美国“泰坦泰坦”一倍之多的浮点运算性能第一倍之多的浮点运算性能第五次成为全球最快超级计算机五次成为全球最快超级计算机天河二号超级计算机系天河二号超级计算机系

12、统由统由170170个机柜组成，个机柜组成，占地面积占地面积720720平方米，平方米，内存总容量内存总容量14001400万亿字万亿字节，存储总容量节，存储总容量1240012400万亿字节，最大运行功万亿字节，最大运行功耗耗17.817.8兆瓦。兆瓦。费用费用3030万万一天一天科学计算又称数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数又称数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。学问题的计算。电子计算机的重要应用领域。电子计算机的重要应用领域。科学计算的特点是计算量大且数值变化范围大。科学计算的特点是计算量大且数值变化范围大。主要应用于天文学、量子化学、空气动力学、

13、核物力和天气主要应用于天文学、量子化学、空气动力学、核物力和天气预报等领域。预报等领域。1.2.4计算机的应用计算机的应用数据处理也称非数值计算也称非数值计算. .数据处理指对大量的数据进行加工处理，例如，分析、合数据处理指对大量的数据进行加工处理，例如，分析、合并、分类、统计等。并、分类、统计等。与科学计算的不同在于数据处理涉及的数据量一般很大。与科学计算的不同在于数据处理涉及的数据量一般很大。广泛应用于办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索广泛应用于办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等方面。等方面。科研：数据采集、计算分析科研：数据采集、计算分析家庭：家庭信息化家庭：家庭信息化 电

14、子商务利用计算机和网络进行的新型商务活动利用计算机和网络进行的新型商务活动B2BB2B，交易双方是企业与企业。如阿里巴巴，交易双方是企业与企业。如阿里巴巴B2CB2C，交易双方是企业与消费者。如京东，交易双方是企业与消费者。如京东C2CC2C，交易双方是消费者与消费者。如淘宝，交易双方是消费者与消费者。如淘宝商务部公布商务部公布20142014年电子商务交易额年电子商务交易额( (包括包括B2BB2B和和网络零售网络零售) )达到约达到约1313万亿元，同比增长万亿元，同比增长25%25%。应用领域：电子政府应用领域：电子政府过程控制又称实时控制。又称实时控制。指用计算机及时采集现场数据，将数

15、据处理后，指用计算机及时采集现场数据，将数据处理后，再按系统要求迅速的对控制对象进行控制。再按系统要求迅速的对控制对象进行控制。在冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天在冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等部门得到广泛应用。等部门得到广泛应用。计算机辅助系统包括包括CADCAD、CAMCAM、CBECBE等。等。计算机辅助设计计算机辅助设计CADCAD，即利用计算机帮助各类设计人员进，即利用计算机帮助各类设计人员进行设计行设计计算机计算机 辅助制造辅助制造CAMCAM，即用计算机进行生产设备的管理、，即用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的技术。控制和操作的技术。计算机辅助教育计算机

16、辅助教育CBECBE，包括计算机辅助教学，包括计算机辅助教学CAICAI。计算机集成制造系统以计算机为中心的现代化信息技术应计算机集成制造系统以计算机为中心的现代化信息技术应用于企业管理和产品开发制造的新一代制造系统，是用于企业管理和产品开发制造的新一代制造系统，是CADCAD、CAPPCAPP、CAMCAM、CAECAE、CAQCAQ、PDMSPDMS、管理与决策、网络与数据、管理与决策、网络与数据库及质量保证系统等子系统的技术集成库及质量保证系统等子系统的技术集成多媒体技术以计算机技术为核心，将现代声像技术和通信技以计算机技术为核心，将现代声像技术和通信技术融为一体，以追求更自然、更丰富的

17、接口界面术融为一体，以追求更自然、更丰富的接口界面教育：多媒体教育、远程教育教育：多媒体教育、远程教育娱乐：虚拟现实、电影特技娱乐：虚拟现实、电影特技 人工智能人工智能人工智能AIAI，一般指模拟人脑进行演绎推理和采取，一般指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。决策的思维过程。在计算机中存储一些定理和推理规则，然后设计程在计算机中存储一些定理和推理规则，然后设计程序，让计算机自动探索解决的方法。序，让计算机自动探索解决的方法。人工智能是计算机应用研究的前沿科学。人工智能是计算机应用研究的前沿科学。1.2.5 1.2.5 计算机文化计算机文化 人类社会的生存方式因使用计算机而发生根本性人类

18、社会的生存方式因使用计算机而发生根本性变化而产生的一种新文化形态，体现在以下方面：变化而产生的一种新文化形态，体现在以下方面：物质文化：计算机软硬件设备及其使用方法，满物质文化：计算机软硬件设备及其使用方法，满足了人类生存和发展的需要。足了人类生存和发展的需要。非物质文化：新的科学思想、科学方法、科学精非物质文化：新的科学思想、科学方法、科学精神、价值标准等，由此产生新的语言、风俗、道德、神、价值标准等，由此产生新的语言、风俗、道德、法律等。法律等。1.3计算思维基础1.3.1 计算思维概述1.3.2 计算思维内涵1.3.3 计算思维的应用 理论、实验和计算是科学研究的三大方法，对应理论、实验

19、和计算是科学研究的三大方法，对应的三大思维是理论思维、实验思维和计算思维。的三大思维是理论思维、实验思维和计算思维。 计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问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。科学之广度的一系列思维活动。实证思维（重现、自治、预见）实验：物理实证思维（重现、自治、预见）实验：物理逻辑思维（公理、规则、结论）推理：数学逻辑思维（公理、规则、结论）推理：数学计算思维（能行、构造、模拟）使自动：计算机计算思维（能行、构造、模拟）使自动：计算机1,1,本质：抽象、自

20、动化本质：抽象、自动化抽象：完全超越物理的时空观，完全使用符号来表示抽象：完全超越物理的时空观，完全使用符号来表示在哥尼斯堡的一个公园里，有七座桥将普雷格尔河中两个在哥尼斯堡的一个公园里，有七座桥将普雷格尔河中两个岛及岛与河岸连接起来岛及岛与河岸连接起来( (如图如图) )。问是否可能从这四块陆地。问是否可能从这四块陆地中任一块出发，恰好通过每座桥一次，再回到起点？中任一块出发，恰好通过每座桥一次，再回到起点？自动化：机械地一步一步的执行自动化：机械地一步一步的执行1.3.1 1.3.1 计算思维概述计算思维概述 例子：求函数例子：求函数f(x)f(x)的积分。的积分。 高等数学方法：牛顿高等

21、数学方法：牛顿- -莱布尼兹公式。莱布尼兹公式。 计算机方法：黎曼积分方法计算机方法：黎曼积分方法( (区间等分求和区间等分求和) )。计算思维的关键：用计算机模拟现实世界实验和理论思维无法解决的问题实验和理论思维无法解决的问题复杂问题求解、宏大系统建立、大型工程组织都可复杂问题求解、宏大系统建立、大型工程组织都可以通过计算模拟来实现以通过计算模拟来实现核爆炸、蛋白质生成、大型飞机、舰艇设计核爆炸、蛋白质生成、大型飞机、舰艇设计如何使用计算思维利用计算手段求解问题的过程是： 首先要把实际的应用问题转换为数学问题，可能是一组微分方程，然后建立模型、设计算法和编程实现，最后在实际的计算机中运行并求

22、解 前两步是计算思维中的抽象，后两步是计算思维中的自动化2.2.计算思维的特征计算思维的特征 计算思维是人的思维方式；计算思维是人的思维方式； 计算思维的过程可以由人执行，也可计算思维的过程可以由人执行，也可以由计算机执行；以由计算机执行； 计算思维是思想，不是人造物；计算思维是思想，不是人造物； 计算思维是概念化，不是程序化。计算思维是概念化，不是程序化。1.3.2 1.3.2 计算思维的内涵计算思维的内涵 1. 1. 计算思维的基本问题计算思维的基本问题 可计算性：可以使用计算机在有限步内解决的问可计算性：可以使用计算机在有限步内解决的问题。题。 并不是所有问题都是可计算并不是所有问题都是

23、可计算的，如图灵机的停机问题、歌的，如图灵机的停机问题、歌德巴赫猜想等是不可以计算的。德巴赫猜想等是不可以计算的。如何判定：如何判定：邱奇图灵论题邱奇图灵论题一切一切直觉上能行、可计算的函数直觉上能行、可计算的函数都可用图灵机计算，反之亦都可用图灵机计算，反之亦然然 计算复杂性：用计算机求解问题的难易程度，包括时间复计算复杂性：用计算机求解问题的难易程度，包括时间复杂性和空间复杂性。杂性和空间复杂性。 如两个如两个n n阶矩阵相乘的时间复杂性是阶矩阵相乘的时间复杂性是O(nO(n3 3) )。 图灵测试：用以解决机器是否有智能的问题。图灵测试：用以解决机器是否有智能的问题。 结果表明，目前计算机想和人类真正谈话还比较困难。结果表明，目前计算机想和人类真正谈话还比较困难。矩阵相乘：矩阵相乘：nkkjikijbac1nnnnnnBAC根据公式根据公式计算计算C中的一个元素需要中的一个元素需要n次乘法和次乘法和n-1次加法次加法所以计算所以计算C中所有的元素需要中所有的元素需要n3次乘法和次乘法和n*n*（n-1）次加法。执行乘法）次加法。执行乘法所需的时间数倍于加法。所以两个矩阵的时间复杂性记为所需的时间数倍于加法。所以两个矩阵的时间复杂性记为O(n3)2. 2. 计算思维的基本方法计算思维的基本方法 数学和工程的方法数学和工程的方法( (黎曼