大学计算机基础及应用（Python篇）课件：计算机与计算思维

计算机与计算思维

学习目标1.1 计算机概述 1.1.1 计算机发展简史 1.1.2 计算机的分类 1.1.3 计算机的特点和应用 1.2 计算思维基础 1.2.1 计算思维的概念 1.2.2 狭义计算思维与广义计算思维 1.2.3 算法设计的基本思想与方法 1、

计算机概述1.1.1计算机发展简史1.电子计算机的产生1946年2月14日，由美国军方定制的世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机”（ENIACElectronicNumericalAndCalculator）在美国宾夕法尼亚大学问世了。ENIAC（中文名：埃尼阿克）是美国奥伯丁武器试验场为了满足计算弹道需要而研制成的，这台计算器使用了17840支电子管，大小为80英尺×8英尺，重达28t（吨），功耗为170kW，其运算速度为每秒5000次的加法运算，造价约为487000美元。2.电子计算机的发展自1946年第一台电子计算机ENIAC诞生，至今，计算机的发展至少经历了四代，并正在向更新一代迈进。（1）第一代计算机：电子管计算机(1946-1957)（2）第二代计算机：晶体管计算机(1958-1964)（3）第三代计算机：中小规模集成电路计算机(1965-1970)（4）第四代计算机：大规模集成电路计算机(1971年至今)（5）第五代计算机1.1.2计算机的分类可以根据信号类型、用途、规模与性能等对计算机进行分类。按所处理信号的不同可以分为数字计算机和模拟计算机。数字计算机处理的是以电压的高低等形式表示的离散的物理信号，该离散信号可以表示0和1组成的二进制数字，即数字计算机处理的是数字信号（0和1组成的数字串）。数字计算机的计算精度高，抗干扰能力强。现在使用的计算机都是数字计算机。模拟计算机处理的是连续变化的模拟量，如电压、电流、温度等物理量的变化曲线。这种计算机精度低，抗干扰能力差，应用面窄。19世纪末到20世纪30年代，模拟计算机的研制曾活跃过一个时期，但最终还是被数字计算机所取代。

按用途的不同可以分为通用计算机和专用计算机。通用计算机硬件系统是标准的，并具有较好的扩展性，可以运行多种解决不同领域问题的软件，现在使用的计算机大多是通用计算机。专用计算机的软硬件全部根据应用系统的要求配置，专门用于解决某个特定问题，如工业控制计算机、飞船测控计算机等。

按规模与性能的不同可以分为超级计算机、大型计算机、小型计算机、工作站和微型计算机，这也是比较常见的一种分类方法。1.1.3计算机的特点和应用

ENIAC诞生后短短的几十年间，计算机的发展突飞猛进。主要电子器件相继使用了真空电子管，晶体管，中、小规模集成电路和大规模、超大规模集成电路，引起计算机的几次更新换代。每一次更新换代都使计算机的体积和耗电量大大减小，功能大大增强，应用领域进一步拓宽。特别是体积小、价格低、功能强的微型计算机的出现，使得计算机迅速普及，进入了办公室和家庭，在办公室自动化和多媒体应用方面发挥了很大的作用。总体来说，计算机具有以下特点：（1）运算速度快（2）计算精确度高（3）逻辑运算能力强（4）存储容量大（5）自动化程度高（6）性价比高2.计算机的应用目前，计算机的应用领域已渗透到社会的各行各业，正在改变着传统的工作、学习和生活方式，推动着社会的发展。计算机的主要应用领域如下：（1）科学计算（2）数据处理（3）计算机辅助技术（4）过程控制（5）人工智能（6）网络应用1.2计算思维基础人类通过思考自身的计算方式，研究是否能由外部机器模拟，代替我们实现计算的过程，从而诞生了计算工具，并且在不断的科技进步和发展中发明了现代电子计算机。在此思想的指引下，还产生了人工智能，即用外部机器模仿和实现人类的智能活动。随着计算机的日益“强大”，它在很多应用领域中所表现出的智能也日益突出，成为人脑的延伸。1.2.1计算思维的概念2006年3月，美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真（JeannetteM.Wing）教授在美国计算机权威期刊《CommunicationsoftheACM》杂志提出：“Computationalthinkinginvolvessolvingproblems,designingsystems,andunderstandinghumanbehavior,bydrawingontheconceptsfundamentaltocomputerscience.Computationalthinkingincludesarangeofmentaltoolsthatreflectthebreadthofthefieldofcomputerscience.”周教授认为：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（智力工具、技能、手段）。1.2.2狭义计算思维与广义计算思维计算思维被称为适合于每个人的“一种普遍的认识和一类普适的技能”，与阅读、写作一样；计算思维旨在教会我们每个人像计算机科学家一样去思考；计算思维的训练、计算能力的提升将会让我们更游刃有余地生活、学习和工作。计算思维的研究包含两层意思——计算思维研究的内涵和计算思维推广与应用的外延两方面。其中，立足计算机学科本身，研究该学科中涉及的构造性思维就是狭义计算思维。在实践活动中，特别是构造高效的计算方法、研究高性能计算机取得计算成果的过程中，计算思维也在不断凸显。下面通过几个比较简单的实例来理解。【例1-1】对函数定义的不同描述。定义1设A、B是两个非空的数集，集合A的任何一个元素在集合B中都与唯一的一个元素与之相对应，从集合A到集合B的这种对应关系称为函数。定义2表示每个输入值对应唯一输出值的一种对应关系。那么在本例中，定义1就是计算思维的定义方式，定义2则不是计算思维的表述方式。原因在于，定义1的描述是确定的、形式化的，定义2的描述比较含糊。下面通过几个比较简单的实例来理解。【例1-1】对函数定义的不同描述。定义1设A、B是两个非空的数集，集合A的任何一个元素在集合B中都与唯一的一个元素与之相对应，从集合A到集合B的这种对应关系称为函数。定义2表示每个输入值对应唯一输出值的一种对应关系。那么在本例中，定义1就是计算思维的定义方式，定义2则不是计算思维的表述方式。原因在于，定义1的描述是确定的、形式化的，定义2的描述比较含糊。【例1-2】中、西医看病。中医：根据经验，对不同的患者采用不同的诊断方法，没有统一的模式。西医：有标准的诊断程序，所有患者根据程序一步一步检查。显然，中医的这种诊疗疾病的方式是根据经验来的，这对不同的医生来说具有不确定性，这就不是计算思维的方式，而西医诊疗疾病的方式确定、机械则体现了计算思维的特点。【例1-3】菜谱材料准备土豆烧鸡：土豆2个（约250克）、跑山鸡半只、干香菇8朵；葱姜八角若干、食用油、耗油、料酒、白砂糖适量。水果沙拉：小番茄60克，苹果丁65克，葡萄30克，新鲜樱桃20克，草莓15克，酸奶50毫升。对照菜谱烹调这样两个菜，显然“土豆烧鸡”就不是计算思维的方式。原因在于“土豆烧鸡”在材料准备上所有材料没有具体化，体积、大小、重量都比较含糊，不符合计算思维的要求；而“水果沙拉”则体现了计算思维的特点。麦当劳的菜谱能让全世界所有的人吃到的汉堡都是一个口味。而中国的名菜千厨千味。这就是“计算思维”方面的差异所致。1.2.3算法设计的基本思想与方法计算机与算法有着不可分割的关系。可以说，没有算法，就没有计算机，或者说，计算机无法独立于算法而存在。从这个层面上说，算法就是计算机的灵魂。但是，算法不一定依赖于计算机而存在。算法可以是抽象的，实现算法的主体可以是计算机，也可以是人。只能说多数时候，算法是通过