第八章大学计算机素质教育

第八章大学计算机素质教育2一、计算文化与专业素质

1.文化与计算文化

文化是人类社会历史实践过程中所创造的物质财富和精神财富的总和与积淀。8.1计算文化文化的作用有：①整合功能②导向功能③维持秩序的功能④传续功能3

计算文化就是计算思想、精神、方法、观点等形成和发展的演变史。是人类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崭新文化形态，这种崭新的文化形态可以体现为：①计算机理论及其技术对自然科学、社会科学的广泛渗透，丰富了人类文化的精神文化内涵。②计算机的软、硬件设备，作为人类所创造的物质设备，丰富了人类文化的物质文化品种。③计算机应用介入人类社会的方方面面，从而创造和形成的计算思维、科学思想、科学方法、科学精神、价值标准等成为一种崭新的文化观念。8.1计算文化4

2.素质与专业素质

狭义的素质概念是生理学和心理学意义上的素质概念，即“遗传素质”。广义的素质则指的是教育学意义上的素质概念，指“人在先天生理的基础上在后天通过环境影响和教育训练所获得的、内在的、相对稳定的、长期发挥作用的身心特征及其基本品质结构，通常又称为素养。

素质又可以分为基本素质和专业素质。基本素质是指作为基本社会人的身体素质和心理素质。专业素质则指的是从事社会职业活动所必备的专门知识、技能。8.1计算文化5

3.

计算文化教育

计算文化作为当今最具活力的一种崭新文化形态，加快了人类社会前进的步伐，其所产生的思想观念、所带来的物质基础条件以及计算文化教育的普及有利于人类社会的进步、发展。同时，计算文化教育也带来了人类崭新的学习观念。8.1计算文化6

4.

计算文化素养

主要包括如下五个方面：①能准确、简明、规范地用计算机科学语言表述给定问题。②能运用计算与计算机概念、原理和思维方法求解给定问题。③能对现实世界中的现象和过程寻找问题，运用计算机科学进行建模和模拟仿真。④具有良好的科学态度与创新精神，敏感新思想、新概念、新方法，紧跟学科发展前沿，把握学科动向。⑤能在使用计算机技术过程中恪守社会道德准则，树立高尚人格，为社会带来积极影响和正面作用。8.1计算文化7

5.崇尚计算科学

计算之美是科学之美的重要组成部份，只有崇尚计算科学的有心人才能发现，没能掌握计算思维的人是很难发现科学之美的。

《伟大的计算原理》（GreatPrinciplesofComputing）一文，阐述了计算科学的中心舞台在于“计算”，而非冰冷的机器组成原理和乏味的技术操作。8.1计算文化8二、人类对计算本质的认识

1.计算手段器械化

8.1计算文化92.计算过程形式化

（1）形式化方法

集合论

罗素悖论

希尔伯特纲领

（2）图灵计算模型

8.1计算文化103.计算执行自动化

第一台计算机ENIAC

冯·诺依曼机器8.1计算文化11三、计算机文化历史：其人其事

1.计算机发明先驱

布莱士·帕斯卡8.1计算文化12戈特弗里德·威廉·莱布尼兹8.1计算文化13查尔斯·巴贝奇8.1计算文化14范内瓦·布什8.1计算文化15康拉德·朱斯8.1计算文化162.计算机科学的奠基者：阿兰•图灵

8.1计算文化173.存储程序概念的代表者：冯•诺依曼

8.1计算文化18达尔文对科学定义：科学就是整理事实，从中发现规律并做出结论。8.2计算科学达尔文的定义指出了科学的内涵，即事实与规律。科学要发现人所未知的事实，并以此为依据，实事求是。至于规律是指客观事物之间内在的本质的必然联系。

19爱因斯坦认为：设法将人们杂乱无章的感觉经验加以整理，使之符合逻辑一致的思想系统，就叫科学。科学作为一种存在的事物和完整的事物，是人类认知的事物中最客观的。但科学在形成过程中，作为追求的目的，却如同人类的其他认知一样，是主观的也是受心理制约的。

8.2计算科学20

美国能源部报告认为：高端计算目前已经与理论研究、实验手段一起，成为获得科学发现的三大支柱。因此，理论科学、实验科学和计算科学是推动人类文明进步和科技发展的重要途径。8.2计算科学21一、计算科学与计算学科

计算科学/ComputationalScience：一种与数学模型构建、定量分析方法以及利用计算机来分析和解决科学问题的研究领域。(计算视角)8.2计算科学

计算科学/ComputingScience：应用高性能计算能力预测和了解实际世界物质运动或复杂现象演化规律的科学，包括数值模拟、工程仿真高效计算机系统和应用软件等。(计算机视角)22

1993：高性能计算与通信--HPCC计划

1996：加速战略计算创新--ASCI计划

2002：高性能计算系统--HPCS计划8.2计算科学2005：计算科学--确保美国的竞争力报告建议：应将计算科学长期置于国家科学与技术领域中心的领导地位。计算科学是运用高级计算能力来理解和处理复杂问题的学科，已经成为对科学领导力、经济竞争力以及国家安全都至关重要的一门科学。我们相信计算科学是21世纪最重要的技术领域之一，因为它对整个社会的进步都是十分重要的。计算科学为研究者提供了一个独特的窗口，他们可以通过它来研究那些不切实际或很难解决的问题，为高经济效益提供高级工业方法，如高效设计比价格昂贵又费时的风洞试验更有效的机翼计算试验。23

学科：指高校中讲授或研究知识的分科

计算学科/ComputationalDiscipline:利用计算科学对其他学科中的问题进行计算机模拟或者其他形式的计算而形成的诸如计算物理、计算化学等学科统称为计算学科。(计算视角)8.2计算科学

计算学科/ComputingDiscipline:是对描述和变换信息的算法过程进行系统的研究，它包括算法过程的理论、分析、设计、效率分析、实现和应用等。(计算机视角)24

计算学科是在数学和电子科学基础上发展起来的一门新兴学科，它既是一门理论性很强的学科，又是一门实践性很强的学科。

8.2计算科学25二、计算机科学与计算机学科8.2计算科学计算机科学/ComputerScience：研究计算机及其周围各种现象和规律的科学。分类：理论计算机科学、应用计算机科学。

计算机学科/ComputerDiscipline：即计算机科学与技术，它是研究计算机的设计与制造和利用计算机进行信息获取、表示、储存、处理、控制等的理论、原则、方法和技术的学科。计算机科学侧重研究现象与揭示规律。计算机技术侧重研制计算机及使用计算机进行信息处理的方法和技术手段。26三、近代计算机发展历史代别第一代1946-1958第二代1959-1964第三代1965-1970第四代1971-现在电子器件电子管晶体管集成电路大规模和超大规模集成电路存储器水银延迟线磁鼓、磁芯磁芯、磁鼓磁盘、磁带半导体存储器磁盘、磁带半导体存储器磁盘、光盘运算速度5000-几万几十万-百万百万-几百万几百万-几亿处理方式机器语言汇编语言算法语言操作系统实时处理分时处理网络操作系统应用领域科学计算数据处理实时控制各行各业典型机种ENIACEDVACIBM7090CDC6600IBM360PDP-IIVAX-IIIBMPC/Apple8.2计算科学27第五代计算机是把信息采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。它具有推理、联想和自学习能力，能帮助人们进行决策、开拓未知领域和获得新知识，人机之间可以直接通过自然语言(声音、文字)或图形图象交换信息。1981年10月，日本就提出研制第五代计算机，并于1982年4月制订为期10年的第五代计算机技术开发计划,总投资为1000亿日元，目前完成第一阶段规定的任务。替换器件：生物器件、量子器件、光器件。

第五代计算机(新一代计算机)8.2计算科学28四、计算机发展给我们的启示

8.2计算科学29四、计算机发展给我们的启示

从最原始的伏羲八卦、算盘、Pascal加法器，到差分机、电子计算机，再到晶体计算机，是人类从人工机械到动力机械再到电子器械的跃进。而现在，我们仍面临一个问题。我们的计算机能不能再快些？我们还能不能依靠单一的电子器件加快我们的“大脑”？从历史来看，机械到电子不但是材料的进步，也是思维方式的进步。计算机发展，归根结底是计算思维的传承和发扬光大。8.2计算科学30

思维是精神地球上最美丽的花朵。8.3计算思维

思维的组成思维原料(自然界)、思维主体(人脑)思维工具(认识的反映形式)

思维的定义

思维是人脑对客观事物的一种概括的、间接的反映，它反映客观事物的本质和规律。31一、计算思维的定义计算思维(ComputationalThinking，CT)

周以真认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。8.3计算思维32针对上述定义解释如下：

①求解问题中的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，可能是一组偏微分方程，其次将PDE离散为一组代数方程组，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。8.3计算思维33

②设计系统中的计算思维

R.Karp认为：任何自然系统和社会系统都可视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量和信息的交换，这种交换可以映射为符号变换，使之能用计算机进行离散的符号处理。当动态演化系统抽象为离散符号系统后，就可以采用形式化的规范描述，建立模型、设计算法和开发软件来揭示演化的规律，实时控制系统的演化并自动执行。8.3计算思维34

③理解人类行为中的计算思维中科院王飞跃认为：计算思维是基于可计算的手段，以定量化的方式进行的思维过程。计算思维就是应对信息时代新的社会动力学和人类动力学所要求的思维。在人类的物理世界、精神世界和人工世界等三个世界中，计算思维是建设人工世界需要的主要思维方式。利用计算手段来研究人类的行为，可视为社会计算，即通过各种信息技术手段，设计、实施和评估人与环境之间的交互。8.3计算思维35

计算思维的详细描述计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个人们知道怎样解决的问题。计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。计算思维是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是一种基于关注点分离的方法。8.3计算思维36计算思维是一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模并使其易于处理的思维方法。计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错和纠错方式，从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。计算思维是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储容量之间进行折中的思维方法。8.3计算思维37二、计算思维的特征

1.概念化，不是程序化

计算机科学不是计算机编程。像计算机科学家那样去思维意味着远远不仅限于计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思维。计算机科学不只是关注计算机，就像音乐产业不只是关注麦克风一样。

2.根本的，不是刻板的技能

计算思维是一种根本技能，是每一个人为了在现代社会中发挥职能所必须掌握的。刻板的技能意味着简单的机械重复。8.3计算思维38

3.是人的，不是计算机的思维计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非要使人类像计算机那样地思考。计算机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。是人类赋予计算机激情。计算机赋予人类强大的计算能力，人类应该好好的利用这种力量去解决各种需要大量计算的问题。

4.是思想，不是人造物不只是将生产的软硬件等人造物到处呈现给我们的生活，更重要的是计算概念，它被人们用来问题求解、日常生活的管理，以及与他人进行交流和互动。8.3计算思维39

5.数学和工程思维的互补与融合计算机科学在本质上源自数学思维，它的形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维，因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统。所以设计思维是数学和工程思维的互补与融合。

6.面向所有的人，所有地方当计算思维真正融入人类活动的整体时，它作为一个问题解决的有效工具，人人都应当掌握，处处都会被使用。8.3计算思维40三、计算思维的本质

抽象(Abstract)、自动化(Automation)。它反映了计算的根本问题，即什么能被有效的自动进行。

计算是抽象的自动执行，自动化需要某种计算机去解释抽象。从操作层面上讲，计算就是如何寻找一台计算机去求解问题，隐含地说就是要确定合适的抽象，选择合适的计算机去解释执行该抽象，后者就是自动化。

8.3计算思维41一、计算思维的应用领域

1.生物学计算机科学许多领域渗透到生物信息学中的应用研究，包括数据库、数据挖掘、人工智能、算法、图形学、软件工程、并行计算和网络技术等都被用于生物计算的研究。从各种生物的DNA数据中挖掘DNA序列自身规律和DNA序列进化规律，可以帮助人们从分子层次上认识生命的本质及其进化规律DNA序列实际上是一种用四种字母表达的“语言”。8.3计算思维42

2.脑科学脑科学是研究人脑结构与功能的综合性学科它以揭示人脑高级意识功能为宗旨，与心理学、人工智能、认知科学和创造学等有着交叉渗透。美国神经生理学家罗杰·斯佩里进行了裂脑实验，提出大脑两半球功能分工理论。他认为：大脑左右半球完全可以以不同的方式进行思维活动，左脑侧重于抽象思维，如逻辑抽象、演绎推理和语言表达等；右脑侧重于形象思维，如直觉情感、想象创新等。8.3计算思维43

3.化学计算机科学在化学中的应用包括：化学中的数值计算、化学模拟、化学中的模式识别、化学数据库及检索、化学专家系统等。基于非结构网格和分区并行算法，为求解多组分化学反应流动守恒方程组开发了单程序多数据流形式的并行程序，对己有的预混可燃气体中高速飞行的弹丸的爆轰现象进行了有效的数值模拟。8.3计算思维44

4.经济学计算博弈论正在改变人们的思维方式。

囚徒困境是博弈论专家设计的典型示例，但是囚徒困境博弈模型可以用来描述两家企业的价格大战等许多经济现象。百事可乐可口可乐高价低价低价高价10606010303050508.3计算思维45

5.艺术计算机艺术是科学与艺术相结合的一门新兴的交叉学科，它包括绘画、音乐、舞蹈、影视、广告、书法模拟、服装设计、图案设计、产品和建筑造型设计以及电子出版物等众多领域。8.3计算思维466.其他领域工程学(电子、土木、机械、航空航天等)：计算高阶项可以提高精度,进而降低重量、减少浪费并节省制造成本；波音777飞机完全是采用计算机模拟测试的，没有经过风洞测试。社会科学：社交网络是MySpace和YouTube等发展壮大的原因之一；统计机器学习被用于推荐和声誉服务系统,例如Netflix和联名信用卡等。地质学、天文学、数学、医学、法律、娱乐、体育等8.3计算思维47一、道德和职业道德道德：是一种社会意识形态，是人们共同生活及其行为的准则和规范。8.4计算机职业道德教育主要功能：（1）认识功能（2）调节功能（3）教育功能（4）评价功能（5）激励功能48一、道德和职业道德职业道德：就是同人们的职业活动紧密联系的符合职业特点所要求的道德准则、道德情操与道德品质的总和。涵义包括八个方面：职业道德是一种职业规范，受社会普遍的认可职业道德是长期以来自然形成的职业道德没有确定形式，通常体现为观念、习惯、信念等职业道德依靠文化、内心信念和习惯，通过员工的自律实现职业道德大多没有实质的约束力和强制力职业道德的主要内容是对员工义务的要求职业道德标准多元化，代表了不同企业可能具有不同的价值观职业道德承载着企业文化和凝聚力，影响深远8.4计算机职业道德教育49

计算机职业道德：不同行业有自己的职业道德标准。在计算机的使用中，存在着种种道德问题，所以各个计算机组织都制定了自己的道德规范。美国计算机学会电气电子工程师学会计算机道德学会软件工程师道德规范网络用户道德规范8.4计算机职业道德教育50

美国计算机学会：美国计算机学会（ACM）对其成员制定了《ACM道德和职业行为规范》，要求其成员无论是在本学会中还是在学会外都必须遵守，其中几条基本规范也是所有专业人员必须遵守的。为人类和社会做贡献。不伤害他人。诚实并值得信赖。公正，不歧视他人。尊重产权（包括版权和专利）。正确评价知识财产。尊重他人隐私。保守机密。8.4计算机职业道德教育51计算机道德学会：计算机道德学会成立于20世纪80年代，由IBM公司、Brookings学院及华盛顿神学联盟等共同建立，是一个非盈利组织，旨在鼓励人们从事计算机工作时多多考虑道德方面的问题。不使用计算机伤害他人。不干预他人的计算机工作。不偷窃他人的计算机文件。不使用计算机进行盗窃。不使用计算机提供伪证。不使用自己未购买的私人软件。没有被授权或没有给予适当补偿的情况下，不使用他人的计算机资源。不窃取他人的知识成果。考虑你编写的程序或设计的系统对社会造成的影响。在使用计算机时，替他人设想并尊重他人。8.4计算机职业道德教育52软件工程师道德规范：1998年IEEE-CS（IEEE计算机协会）和ACM联合特别工作组在对多个计算学科和工程学科规范进行广泛研究的基础上提出了《软件工程资格和专业规范》。原则1：公众。原则2：客户和雇主。原则3：产品。原则4：判断。原则5：管理。原则6：职业。原则7：同事。原则8：自身。8.4计算机职业道德教育53网络用户道德规范：Internet成为了一项社会公共设施，与其他公共设施相比，它没有统一的管理机构，没有能力强化某些规则和标准，同时使用它的人们相对匿名，且可能伪装，这就需要制定一些相关的道德规范来规范人们在Internet上的行为。不能利用邮件服务作连锁邮件、垃圾邮件或分发给任何未经允许接收信件的人。不能传输任何非法的、骚扰性的、中伤他人的、辱骂性的、恐吓性的、伤害性的、庸俗性的、淫秽的信息资料不能传输任何教唆他人构成犯罪行为的资料。不能传输道德规范不允许或涉及国家安全的资料。不能传输任何不符合地方、国家和国际法律、道德规范的资料。不得为未经许可而非法进入其他电脑系统。8.4计算机职业道德教育54计算机道德的维护:加强计算机安全技术。完善计算机道德规范。加强计算机道德监督。计算机法律的制定和完善。培养自主道德意识。改变传统的道德教育方式。8.4计算机职业道德教育55计算机专业职位：计算机专业人士常可以从事哪些种类的工作？用人单位对求职者的要求是什么？（1）与计算机专业有关的职位

计算机硬件计算机软件/编程计算机网络计算机应用技术硬件工程师电脑维护和管理员计算机维修人员系统分析师系统架构师软件设计师软件评测师程序经理计算机程序员技术文档书写员网络策划师网络工程师网络分析师网站管理员网络管理员计算机辅助设计师嵌入式系统设计师网站设计师单片机应用设计师电子商务设计师信息系统销售/技术支持数字媒体/娱乐人才培养数据库系统工程师信息系统管理工程师信息系统运行管理员信息系统监理师信息系统设计师电话中心支持代表顾客服务代表服务台技术员计算机销售人员产品支持工程师技术部客户经理技术支持工程师多媒体应用设计师多媒体应用制作人员动画制作人计算机平面设计师游戏程序设计师流媒体专家虚拟现实专家学校计算机专业教师计算机认证培训师8.4计算机职业道德教育56计算机专业职位：计算机专业人士常可以从事哪些种类的工作？用人单位对求职者的要求是什么？

（2）用人单位对求职者的要求扎实的专业基础人际交往能力团队协作能力职业道德踏实和诚实正直心理承受能力、抗压能力分析能力自主学习能力灵活性和适应能力创新能力8.4计算机职业道德教育57二、计算机伦理与网络伦理

计算机伦理学(ComputerEthics)：是对计算机行业从业人员职业道德进行系统规范的新兴学科，近年日益引起人们的关注和探讨。计算机伦理主要方面：隐私保护知识产权和盗版计算机犯罪病毒信息和黑客职业伦理和行业行为规范8.4计算机职业道德教育58二、计算机伦理与网络伦理

网络伦理(InternetEthics)：指人们在网络空间中应该遵守的行为道德准则和规范。网络伦理提出

：二战以后的40年，是计算机的发展与成熟阶段。20世纪80年代以后，是计算机技术向其他领域的渗透阶段，网络伦理问题就产生与这一阶段。网络伦理的问题：知识产权问题个人隐私权问题网络信息安全问题信息污染问题网络犯罪问题网络伦理的构建：有效的技术监控加强法律法规建设加强伦理教育8.4计算机职业道德教育59三、网络隐私与自由

隐私（Privacy）：“是一种与公共利益、群体利益无关的，当事人不愿他人知道或他人不便知道的个人信息，当事人不愿他人干涉或他人不便干涉的个人私事和当时人不愿意他人侵入或他人不便侵入的个人领域。（1）隐私权的主体是自然人。（2）隐私的内容包括私人生活安宁和私人生活信息。（3）隐私权是支配和使用权。（4）隐私权的保护要受公共利益的限制。隐私保护的法律基础（1）《世界知识产权组织版权条约》、《美国知识产权与国家信息基础设施白皮书》、《美国个人隐私和国家信息基础设施白皮书》、《欧盟隐私保护指令》及加拿大的《隐私权法》等。（2）《中华人民共和国民法通则》、《关于审理名誉权案件若干问题的解答》等。8.4计算机职业道德教育60

网络隐私（NetworkPrivacy）：包含的主要内容为个人数据、私人信息、个人领域，如姓名、身份、肖像、声音，其他个人资料，个人行为及通信内容等。（1）知情权。（2）选择权。（3）合理的访问权限。（4）足够的安全性。（5）信息控制权。（6）请求司法救济权。8.4计算机职业道德教育61三、网络隐私与自由网络自由和相关国际问题网络言论主要以下几个特点：（1）隐蔽性、匿名性。（2）迅捷性和无限性。（3）多样性。（4）交互性。网络隐私和自由言论是一个国际性的问题，：（1）由于不同国