大学计算机-面向计算思维（微课+慕课版）

大学计算机课程精品系列

普通高等院校新形态一体化“十三五”规划教材

河南省首批精品在线开放课程配套教材

大学计算机—面向计算思维

（微课+慕课版）

夏敏捷 齐 晖◎主 编

金 秋 孔梦荣 周雪燕 杨要科◎副主编

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内 容 简 介

本书依据教育部大学计算机课程教指委发布的《高等学校计算机基础课程教学基本要求》，结

合计算机最新技术以及高等学校计算机基础课程改革的最新动向编写而成。本书基于新工科理念，

阐述如何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，重点培养学生利

用计算思维解决系统性、工程性问题的能力，为后续程序设计课程、信息系统开发以及专业课程的

学习奠定坚实基础。全书内容包括计算、计算机与计算思维，数据的计算基础，计算系统与机器级

程序的执行，计算思维与管理，万物互联，数据库与大数据技术，算法与程序设计基础，人工智能

技术和信息素养。本书结构严谨、叙述准确，按照计算思维能力培养的要求，由浅入深，由易到

难，系统展开。

本书适合作为高等院校非计算机专业“大学计算机”课程的教材，也可作为计算机技术培训

教材和自学参考书。

图书在版编目（CIP）数据

大学计算机：面向计算思维：微课+慕课版/夏敏捷,齐晖主编.—

北京：中国铁道出版社有限公司,2020.8

大学计算机课程精品系列普通高等院校新形态一体化

“十三五”规划教材

ISBN978-7-113-27179-4

Ⅰ.①大…Ⅱ.①夏…②齐…Ⅲ.①电子计算机-

高等学校-教材Ⅳ.①TP3

中国版本图书馆CIP数据核字(2020)第153108号

书名：大学计算机—面向计算思维（微课+慕课版）

DAXUEJISUANJI——MIANXIANGJISUANSIWEI(WEIKE+MUKEBAN)

作者：夏敏捷 齐 晖

策  划：韩从付编辑部电话：（010）51873202

责任编辑：刘丽丽 彭立辉

封面设计：刘 颖

责任校对：张玉华

责任印制：樊启鹏

出版发行：中国铁道出版社有限公司（100054，北京市西城区右安门西街8号）

网址：/51eds/

印刷：河北省三河市燕山印刷有限公司

版次：2020年8月第1版2020年8月第1次印刷

开本：787 mm×1 092 mm1/16印张：17字数：406千

书号：ISBN978-7-113-27179-4

定价：49.80元

版权所有侵权必究

凡购买铁道版图书，如有印制质量问题，请与本社教材图书营销部联系调换。电话：（010）63550836 

打击盗版举报电话：（010）51873659

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前言

2006年，周以真教授在美国ACM刊物上发表文章，提出计算思维的概念，激发和

推进了学术界和社会对于计算思维的普遍关注和热烈探讨。概括地讲，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。在面向信息社会的教育教学改革中，计算思维能力的培养已

成为新工科建设的重点内容与核心观念，作为新工科建设的基础课程，“大学计算机”

的教育必须始终贯彻这一理念。对大学生计算思维能力的培养，与数学和物理学的思维

能力一样，在人才培养中都具有核心价值。

以往对学生科学思维能力的培养，基本都是依靠数学和物理学两大类课程训练。学

习数学培养严谨的逻辑思维能力，学习物理学培养理性的实证能力，对于通过学习计算

机应用培养计算思维能力重视不足，总体比重偏低，成为三大思维能力培养的短板。随

着电子商务、数字媒体、智慧城市、网络安全等新概念应时而起，人类已经进入大数据

时代，出现了数据密集型科学，产生了许多颠覆性的创新。计算思维在理解复杂的社会

问题、经济运行以及人类行为方面，提供了一种描述现实世界的新的、有用的概念范型。

由于信息技术已经渗透到工科的所有领域，传统的数学和物理思维能力培养已无法满足

信息社会的发展要求，计算思维能力培养的重要性日益突显。

在此背景下，如何在全面培养学生的科学思维能力和综合素质基础上，进一步加强

计算思维能力培养，已成为“大学计算机”教育教学的新课题。当然，对计算思维能力

的培养，既不能片面理解为教会学生“各种计算机软硬件的应用”，也不能狭义地理解

为“计算机语言程序设计”等细枝末节的东西，而是着眼于培养学生的思维意识，全面

提高学生利用计算机技术解决问题的思维能力和研究能力，以及在此基础上的系统分析

能力，包括培养学生在面对问题时具有计算思维的主动意识，以及应用计算思维解决问

题的良好习惯。

本书就是基于培养高校学生计算思维能力而编写的一门大学计算机基础教材，按照

计算思维能力培养的逻辑顺序，由浅入深，由易到难，系统展开。本书建议教学学时为

45学时，其中理论课程为35学时，实践课程为10学时，各学校在教学过程中可根据

专业类别、学生层次和学时的不同，选择书中的内容组织教学，应以实践为主线安排教

学进度。

全书共分9章，主要内容如下：

第1章计算、计算机与计算思维，首先带领读者走进计算机，讲述计算、计算机、

计算思维的基本概念，以及计算工具的发展、计算机的基础知识，从计算模型着手，讲

解计算机的工作原理和整体结构，以及基于计算机进行问题求解的一般过程。

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第2章数据的计算基础，主要介绍语义符号化、常用计数制及其转换、各种信息的

编码，计算机中常见逻辑运算、对应门电路以及加法器的实现，从而帮助读者建立0、1

思维，理解计算机能够进行自动计算的原理。

第3章计算系统与机器级程序的执行，讲解计算系统的核心是指令、程序及其自动

执行，介绍冯·诺依曼计算机、机器指令与机器级程序、程序的自动存取与自动执行的

基本原理，以及机器指令与机器级程序的执行过程。

第4章计算思维与管理，讲述操作系统的概念、操作系统的基本功能、分类及发展，

理解存储体系和现代计算机的工作过程，并以Windows10操作系统为例，介绍如何

使用操作系统管理和控制计算机的软硬件资源，包括处理机管理、文件与磁盘管理和设

备管理。

第5章万物互联，介绍构成网络化社会的核心—互联网，以及网络化社会的基

础—物联网，同时介绍了目前信息网络中信息的组织、传播、搜索方式，并通过经典

案例讨论了基于互联网的思维模式的转变与创新。

第6章数据库与大数据技术，介绍数据管理技术的发展、数据库的基础知识、数据

库的基本模型和关系模型；了解大数据相关的计算思维以及数据库设计的一般步骤和大

数据基础知识。

第7章算法与程序设计基础，从算法的角度介绍程序设计，同时介绍目前常用的两

种程序设计方法—结构化程序设计与面向对象程序设计，以及使用Raptor编程设计

程序。

第8章人工智能技术，介绍人工智能的基本概念、发展史及具体应用领域。同时对

人工智能的研究分支—机器学习、知识图谱和知识推理、自然语言处理进行介绍，以

增强读者对人工智能技术的切身体验。

第9章信息素养，介绍在Office2010环境下，信息排版和电子表格处理方面的知

识，这是和人们学习生活更为贴近的一种能力，是必备的信息素养。

本书由夏敏捷、齐晖任主编，金秋、孔梦荣、周雪燕、杨要科任副主编，李枫、潘惠勇、

刘姝、胡海燕参与编写。其中：第1章由杨要科编写，第2章由金秋编写，第3章由齐晖、

李枫编写，第4章由孔梦荣编写，第5章由周雪燕编写，第6章由潘惠勇编写，第7章

由胡海燕（郑州轻工业大学）编写，第8章由夏敏捷编写，第9章由刘姝编写，高丽平

老师参与本书视频录制工作。全书由夏敏捷、齐晖审阅并统稿。

本书是一本侧重培养大学生计算机思维能力，重点讲解计算科学思想和方法的大学

计算机教材，但由于新生的计算机基础水平参差不齐，“大学计算机”这门课教学内容

的选取及相应教材的编写依然是难点。鉴于这样的特殊性，加之编者学识水平所限，书

中疏漏和不妥之处在所难免，恳请广大师生不吝指正。

编 者

2020年5月

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目录

第1章 计算、计算机与计算思维................................................................................................1

1.1 计 算........................................................................................................................1

1.1.1计算的基本概念........................................................................................................1

1.1.2计算工具的探索........................................................................................................2

1.2 计算机........................................................................................................................2

1.2.1计算机的发展............................................................................................................3

1.2.2计算机基础知识........................................................................................................4

1.2.3计算机新技术............................................................................................................6

1.3 计算模型..................................................................................................................11

1.3.1图灵机模型..............................................................................................................11

1.3.2冯·诺依曼计算机模型..........................................................................................12

1.4 计算机系统...............................................................................................................13

1.4.1计算机系统的组成..................................................................................................13

1.4.2计算机系统的层次结构..........................................................................................16

1.4.3计算机的基本工作原理..........................................................................................17

1.5 计算思维概述...........................................................................................................18

1.6 计算机安全基础........................................................................................................20

1.6.1基本概念..................................................................................................................20

1.6.2信息安全..................................................................................................................21

1.6.3计算机病毒与防治..................................................................................................24

1.6.4防火墙技术..............................................................................................................25

习题..................................................................................................................................26

第2章 数据的计算基础..............................................................................................................28

2.1 语义的符号表示........................................................................................................28

2.1.1自然现象用符号表示..............................................................................................28

2.1.2思维逻辑用符号表示..............................................................................................29

2.2 计算机中的数制与运算.............................................................................................31

2.2.1常用计数制..............................................................................................................31

2.2.2数制与数制间的转换..............................................................................................31

2.2.3二进制数的运算......................................................................................................34

2.2.4机器数的表示和运算..............................................................................................35

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大学计算机——面向计算思维（微课+慕课版）

2.3 信息编码..................................................................................................................36

2.3.1数值信息的表示......................................................................................................37

2.3.2字符信息的编码......................................................................................................37

2.3.3汉字信息的编码......................................................................................................38

2.3.4多媒体信息的编码..................................................................................................40

2.4 逻辑代数基础...........................................................................................................42

2.4.1关于逻辑..................................................................................................................42

2.4.2基本逻辑运算..........................................................................................................42

2.4.3其他逻辑运算..........................................................................................................43

2.5 电子元器件与基本门电路.........................................................................................43

2.5.1二极管和三极管的开关特性..................................................................................44

2.5.2简单的与门电路......................................................................................................45

2.5.3简单的或门电路......................................................................................................45

2.5.4简单的非门电路......................................................................................................45

2.5.5加法器......................................................................................................................46

习题..................................................................................................................................49

第3章 计算系统与机器级程序的执行...................................................................................53

3.1 计算系统与程序........................................................................................................53

3.1.1计算系统的构造......................................................................................................53

3.1.2程序的构造..............................................................................................................55

3.2 图灵机模型...............................................................................................................61

3.2.1图灵机的基本思想..................................................................................................61

3.2.2图灵机模型程序的表达及其执行..........................................................................62

3.3 冯·诺依曼计算机....................................................................................................65

3.3.1冯·诺依曼计算机的基本原理..............................................................................65

3.3.2冯·诺依曼计算机的基本结构..............................................................................66

3.3.3存储器......................................................................................................................67

3.3.4运算器和控制器......................................................................................................68

3.4 机器级算法与程序....................................................................................................69

3.4.1问题求解与机器级算法..........................................................................................70

3.4.2机器指令与机器程序..............................................................................................70

3.4.3机器程序的存储与执行..........................................................................................71

习题..................................................................................................................................74

第4章 计算思维与管理..............................................................................................................76

4.1 计算机的神经中枢—操作系统..............................................................................76

4.1.1操作系统的概念......................................................................................................76

II

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目 录

4.1.2操作系统分类..........................................................................................................78

4.2常用操作系统简介....................................................................................................80

4.2.1Windows操作系统..................................................................................................80

4.2.2UNIX操作系统.......................................................................................................81

4.2.3Linux操作系统........................................................................................................82

4.2.4MacOS.....................................................................................................................82

4.2.5苹果移动设备操作系统（iOS）............................................................................82

4.2.6安卓（Android）操作系统.....................................................................................83

4.3 现代计算机的工作过程.............................................................................................84

4.3.1运行BIOS程序.......................................................................................................84

4.3.2读取主启动记录......................................................................................................85

4.3.3加载操作系统..........................................................................................................85

4.4 存储管理—不同性能资源的组合优化思维............................................................86

4.4.1存储体系..................................................................................................................86

4.4.2程序的装入和连接..................................................................................................87

4.4.3地址映射..................................................................................................................87

4.4.4存储扩充..................................................................................................................87

4.4.5存储保护..................................................................................................................88

4.5 处理器管理...............................................................................................................89

4.5.1程序..........................................................................................................................89

4.5.2进程..........................................................................................................................89

4.5.3进程的基本状态......................................................................................................90

4.5.4进程调度..................................................................................................................91

4.5.5线程..........................................................................................................................91

4.6 文件与磁盘管理—化整为零，零存整取................................................................92

4.6.1文件..........................................................................................................................92

4.6.2文件的结构..............................................................................................................93

4.6.3磁盘管理..................................................................................................................95

4.6.4文件存储空间管理..................................................................................................96

4.7 设备管理..................................................................................................................98

4.7.1外围设备分类..........................................................................................................98

4.7.2集中、统一管理......................................................................................................98

习题................................................................................................................................100

第5章 万物互联.........................................................................................................................102

5.1 网络化社会.............................................................................................................102

5.1.1物联网：网络化社会的基础................................................................................102

III

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大学计算机——面向计算思维（微课+慕课版）

5.1.2互联网：物联网技术的核心................................................................................102

5.2 网络的构成.............................................................................................................103

5.2.1机–机互联............................................................................................................103

5.2.2网–网互联............................................................................................................106

5.2.3物–物互联............................................................................................................114

5.3 信息网络................................................................................................................121

5.3.1网络信息资源........................................................................................................121

5.3.2标记语言................................................................................................................123

5.3.3搜索引擎................................................................................................................126

5.4 互联网思维.............................................................................................................129

5.4.1互联网思维体系....................................................................................................129

5.4.2“互联网+”的创新思维.....................................................................................130

习题...............................................................................................................................132

第6章 数据库与大数据技术..................................................................................................134

6.1 数据库的基本概念..................................................................................................134

6.1.1计算机数据管理的发展........................................................................................134

6.1.2数据库系统............................................................................................................136

6.1.3数据库系统的特点................................................................................................137

6.2 数据模型................................................................................................................137

6.2.1数据模型的组成....................................................................................................137

6.2.2数据模型的分类....................................................................................................138

6.2.3E-R模型简介.........................................................................................................139

6.2.4常用数据模型........................................................................................................139

6.3 关系数据库.............................................................................................................140

6.3.1关系数据模型........................................................................................................140

6.3.2关系运算................................................................................................................141

6.3.3关系的完整性........................................................................................................143

6.4 结构化查询语言SQL.............................................................................................143

6.4.1SQL数据定义语言................................................................................................143

6.4.2SQL数据操纵语句................................................................................................144

6.4.3SQL查询语句........................................................................................................145

6.5 数据库设计案例......................................................................................................146

6.5.1数据库设计的一般步骤........................................................................................146

6.5.2Access数据库系统介绍........................................................................................147

6.5.3“学籍管理”数据库的设计................................................................................148

IV

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目 录

6.6 大数据基础知识......................................................................................................154

6.6.1大数据定义............................................................................................................154

6.6.2大数据处理基本流程............................................................................................155

6.6.3大数据处理关键技术............................................................................................155

6.6.4大数据主流框架介绍............................................................................................156

6.6.5NoSQL数据库介绍...............................................................................................158

6.6.6大数据应用............................................................................................................160

习题...............................................................................................................................161

第7章 算法与