第1章 计算、计算机和计算思维

我们毕业啦其实是答辩的标题地方TaiyuanUniversityofTechnology大学计算机基础计算机科学与技术学院

计算机基础教学部15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部21.1计算1.2计算机1.3计算模型1.4计算机系统1.5计算思维本章总结第一章计算、计算机与计算思维15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部31.1计算公元480年7位15世纪初15位1610年35位1948年808位1950年2037位1955年3089位1989年4.8亿位2011年10万亿位15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部41.1.1计算的基本概念15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部5

很多自然的、人工的和社会的系统中的过程自然而然是计算的，计算就是执行信息变换。这是广义的计算，即对信息进行加工和处理。1985年图灵奖的获得者RichardM.Karp的观点：

计算是依据一定的法则对有关符号串进行变换的过程，即计算是从已知的符号开始，按照规则一步一步地改变符号串，经过有限的步骤，最终得到一个满足预定条件的符号串的过程。计算理论观点：复杂计算问题的解决方法15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部6设计一些简单的规则，让机器通过重复执行来完成计算，也就是使用机器来代替人进行自动计算。知道计算规则，但超出人的计算能力，无法获得计算结果：研究简化规则。如一元二次方程解的公式。复杂计算问题：利用机器进行自动计算需要思考和研究的问题：15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部7计算复杂性理论。“汉诺塔问题”2.可计算问题的计算代价有多大？可计算性理论的研究。“理发师悖论”1.是不是所有的问题都可以通过自动计算来解决？将问题的求解算法用程序表示，规模数据用数据库管理4.如何方便有效地利用计算系统进行计算？构建一个低成本、高效率的通用的计算系统。3.如何实现自动计算？在计算机及网络技术的支持下，构建并行计算、分布式、云计算环境5.如何使计算“无所不能”、“无所不在”？1.1.2计算工具的探索15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部8计算工具电子计算机机电式计算机机械式计算工具手动式计算工具算盘15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部9

提供了计算过程中存储数的手段提供了一套计算规则(口诀)人按照规则进行计算九层算盘

一、加法

直加满五加进十加

一:一上一一下五去四一去九进一

二:二上二二下五去三二去八进一

三:三上三三下五去二三去七进一

四:四上四四下五去一四去六进一

五:五上五五去五进一

六:六上六六去四进一六上一去五进一

七:七上七七去三进一七上二去五进一

八:八上八八去二进一八上三去五进一

九:九上九九去一进一九上四去五进一

二、减法

直减破五减退位减

一一下一一上四去五一退一还九

二二下二二上三去五二退一还八

三三下三三上二去五三退一还七

四四下四四上一去五四退一还六

五五下五五退一还五

六六下六六退一还四六退一还五去一

七七下七七退一还三七退一还五去二

八八下八八退一还二八退一还五去三

九九下九九退一还一九退一还五去四

珠算珍品帕斯卡加法器----第一台机械计算机15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部10

BlaisePascal(1623～1662),法国科学家。1642年，研制成功---帕斯卡机。齿轮传动。低位的齿轮每转动10圈，高位上的齿轮只转动1圈。可以进行8位数的加法运算。

帕斯卡：人的某些思维过程与机械过程没有差别，因此可以设想用机械模拟人的思维活动。

意义：首次确立了计算机器的概念，开辟了自动计算的道路。莱布尼茨15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部11

GottfriedWilhelmLeibniz(1646～1716)，德国数学家。。莱布尼茨机：一种能够进行连续十进制运算（加、减、乘、除）的机器，在进行乘法运算时采用进位-加的方法，后来演化为二进制，被现代计算机所采用。意义：提出了“可以用机械代替人进行繁琐重复的计算工作”的重要思想。其他重要工作15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部12

蕴含着程序控制思想的萌芽。1805年：法国机械师杰卡德（J.Jacquard）根据布乔“穿孔纸带”的构想完成了“自动提花编织机”的设计制作----用连接按序的穿孔卡控制编织的样式，实践了数据的输入手段问题。1834年：巴贝奇设计了差分机、分析机。

能够按照设计者的旨意，自动处理不同函数的处理过程。他的助手、英国著名诗人拜伦的独生女阿达.奥古斯塔（AdaAugusta）为分析机编制了人类历史上第一个计算机程序。1854年：布尔创立布尔代数，为百年后出现的数字计算机的开关电路设计提供了重要的理论基础。巴贝奇差分机自动提花编织机机电式计算机15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部13把电器元件应用到了计算工具上，拉开了另一条实现自动计算过程的途径。1938年，德国科学家朱斯（KonradZuse）成功制造了世界上第一台二进制计算机Z-1；Z-3型计算机是世界上第一台通用程序控制的机电式计算机。它全部采用继电器，第一次实现了浮点记数法、二进制运算、带存储地址的指令等设计思想。1944年，美国科学家艾肯（HowardAiken）成功研制了自动顺序控制计算机MARK-Ⅰ。它使用了3000多个继电器，各种导线总长达800km以上。1947年艾肯又研制出速度更快的机电式计算机MARK-Ⅱ。Z-1计算机自动顺序控制计算机MARK-Ⅰ电子计算机15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部14

1946年2月15日，世界公认的第一台“电子数字积分式计算机”ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorandCalculator）在美国的宾夕法尼亚大学研制成功。高速是ENIAC最突出的优点。采用电子器件代替了机械齿轮或电动机械来执行算术运算、逻辑运算和存储信息。ENIAC不能存储程序，需要用连线的方法来编辑程序，计算速度的优势被过长的准备时间抵消了。18800个电子真空管、1500个继电器及其它电子元器件，总重量近30t，占地约170m2，耗电为150KW，运算速度可达每秒5000次加法或400次乘法运算，相当于手工计算的20万倍或者继电器计算机的1000倍。15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部151.2计算机2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.1计算机的发展162023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部第一代——电子管计算机（1946—1954年）内存延迟线或磁芯外存纸带、卡片或磁带工作速度几千～一万次／秒软件机器语言或汇编语言应用科学计算代表机型ENIAC特点体积庞大，运算速度低，成本高2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部第二代——晶体管计算机（1954—1964年）物理元件晶体管内存磁芯外存磁带或磁盘工作速度几十万次／秒软件高级算法语言应用事务管理及工业控制代表机型IBM7000系列优点体积小，寿命长，速度快，能耗少，可靠性高世界上第一台全晶体管计算机TRADIC，1953人类第一只晶体管(真空二极管),19472023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部第三代——集成电路计算机（1964—1970年）物理元件中小规模集成电路（硅）内存半导体存储器外存磁带或磁盘工作速度几十万～几百万次/秒软件高级算法语言、操作系统应用计算、管理及控制代表机型IBMSystem/360优点体积更小、速度更快、能耗更小、寿命更长发展特点计算机设计出现了标准化、通用化、系列化的局面IBMSystem/360大型机2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部第四代——大规模集成电路计算机（1970年至今）物理元件（超）大规模集成电路内存半导体存储器外存磁盘和光盘工作速度几百万～几千万次／秒软件操作系统和应用软件应用以计算机网络为特征第四代计算机—个人计算机,1981VLSI芯片及其封装的内部电路摩尔定律----每18个月芯片能力增长一倍2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部我国计算机的发展历程类型时间代表机型重要意义电子管计算机1958—1964年小型电子管通用计算机103机我国第一台电子计算机晶体管计算机1965—1972年大型晶体管计算机109乙、109丙主要用于两弹试验集成电路计算机1973年—20世纪80年代初1974年集成电路小型计算机DJS-130掌握集成电路小型机技术1977年微型计算机DJS-050我国第一台微型计算机1983年银河-I巨型机我国能够独立设计和制造巨型机的标志大规模超大规模集成电路计算机20世纪80年代中期至今1985年长城0520CH微机系列微机产业化的里程碑1992年起银河系列巨型计算机我国超级计算机技术已经处于世界领先地位1993年起曙光系列超级计算机1999年神威I超级计算机2009年起天河系列超级计算机2010年起星云超级计算机2001年起“龙芯”微处理器芯片及其系列我国第一款通用CPU芯片2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部我国巨型机机微处理器的发展“龙芯”3号天河二号2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.2计算机基础知识23（1）运算速度快（2）计算精度高（3）具有记忆能力（4）具有逻辑判断能力（5）具有自动执行能力1.计算机的特点2.计算机的分类2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部24（1）高性能计算机（2）微型计算机（3）工作站（4）服务器（5）嵌入式计算机3.计算机的应用--科学计算2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部25科学计算也称为数值计算,对科学研究和工程技术中提出的数学模型进行求解计算。数学模型：几十阶微分方程组、几百个线性联立方程组、大型矩阵等依据卫星云图进行气象预报3.计算机的应用----数据处理2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部26利用计算机技术解决企业内部、企业之间的业务管理与协同问题。企业资源规划(ERP)供应链管理(SCM)物流管理(Logistics)人力资源管理(HRM)项目管理(PM)客户关系管理(CRM)数据库系统和软件工程是数据处理的重要基础。3.计算机的应用----过程控制2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部27过程控制是指利用计算机进行生产过程中的自动控制或实时控制。3.计算机的应用--计算机辅助系统2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部28以计算机为工具，通过配备专用软件辅助人们完成特定的工作，以提高工作质量和工作效率的系统。CAD、CAM、CIMS、CAI等。包括建立几何模型、工程分析与计算、动态模拟仿真、自动绘制工程图纸等。断层图像序列输入轮廓提取轮廓数据重构轮廓数据后处理3.计算机的应用--人工智能2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部29使计算机具有类似人的智能搜索技术非经典逻辑和非经典推理机器学习自然语言理解和口语理解定理机器证明知识工程计算机视觉遗传算法及演化计算分布式人工智能数据挖掘与知识发现人工生命机器人AI语言97年卡斯帕罗夫在与超级电脑“深蓝”对弈

3.计算机的应用--网络通信2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部30现在的计算机网络是集文本、数据、声音、视频与图像等多媒体信息于一体的全球性的信息资源系统，可在全世界范围内提供信息、软硬件资源的共享。如基于Internet的电子商务、电子政务、网络电话及微博微信等应用。移动电话PCsTVsPDAsGPS导航汽车电子设备智能家电iPhoneDCs传感器。。。2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.3计算机新技术311.计算机的发展趋势---巨型化可进行大规模、复杂计算2010.11,超级计算机500强第一名：天河一号A

--中国14336颗IntelXeonX56702.93GHz六核心处理器2048颗我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理器7168块NVIDIATeslaM2050高性能计算卡总计:186368个核心,224TB内存。实测运算速度可以达到每秒2570万亿次(这意味着，它计算一天，相当于一台家用电脑计算800年)2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.3计算机新技术321.计算机的发展趋势---微型化可嵌入、可携带世界上最小台式电脑----如同拇指大小平板电脑-AppleIPAD智能手机平板电脑-AppleIPAD2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.3计算机新技术331.计算机的发展趋势---智能化理解自然语言，具有自适应性，自主完成复杂功能汽车生产线上的机器人水下机器人2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.3计算机新技术34计算机的发展趋势---网络化InternetofServicesInternetofNetworksInternetofThingsInternetof3DWorldsForpeopleandenterprises机-机相联物-物相联物-人相联人-人相联2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.3计算机新技术352.新型计算机——量子计算机量子计算机是一种基于量子理论的计算机。量子比特（quantumbit），可以同时处在多个状态，在量子计算机中，运算的对象是量子比特序列。2007年，加拿大计算机公司D-Wave展示了全球首台量子计算机“Orion（猎户座）”量子计算机量子处理器承载16个量子位的硅芯片2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.3计算机新技术362.新型计算机——生物计算机以生物芯片取代集成了数以万计晶体管的半导体硅片涉及到了计算机科学、脑科学、神经生物学、分子生物学、生物物理、生物工程、电子工程、物理学和化学等众多学科。生物计算机分子在酵母细胞中“运行”生物计算机DNA2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.3计算机新技术372.新型计算机——光子计算机光子计算机由光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备组成。有模拟式与数字式两类光子计算机。2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.3计算机新技术383.计算机应用的新模式——云计算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、应用软件、服务等），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。30年前，电脑被送进千家万户……20年前，网络被送进千家万户……现在，服务被送进千家万户……2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.3计算机新技术393.计算机应用的新模式——移动互联网

移动通信技术与互联网的技术、平台、商业模式和应用相结合的产物。2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.2.3计算机新技术403.计算机应用的新模式——物联网

物联网就是物物相连的互联网。该解释具有两层含义：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；其二，物联网的用户端发生了延伸和扩展，任何物品与物品之间都可以进行通信和信息交换。互动调查及课后思考-2人类会被计算机取代吗？15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部421.3计算模型2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.3.1图灵机模型43“计算机界诺贝尔奖”——图灵奖阿兰•图灵（AlanTuring）“计算机科学的奠基人”、“人工智能之父”英国著名数学家、逻辑学家、密码学家提出了“图灵机”和“图灵测试”图灵机2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部44由三部分组成：一条纸带，一个读写头和一个控制装置

通过建立指令、程序以及通用机器执行程序的理论模型，证明了可以制造一种通用的机器计算所有能想象得到的可计算函数，这种理论上的计算机后来被命名为“图灵机”。图灵机2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部45读入一系列的“0”和“1”，就实现了某一基本动作；将多个最简单的图灵机进行组合，就可以实现复杂的动作。在这个过程中对基本动作的控制就成为指令，而指令的有序组合就构成了程序。数据、指令和程序都用0和1表示。把程序看作是将输入数据转换为输出数据的一种变换函数，变换函数一步一步地实现，进而复杂系统也就实现了。按照“程序”控制“基本动作”的思维，可以模拟其他任何解决特定问题的图灵机，即“通用图灵机”，也就是“通用计算机”的模型。2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.3.2冯•诺依曼计算机模型46冯·诺依曼（JohnvonNeumann，1903~1957）美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家、化学家。在现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等诸多领域内有杰出建树的最伟大的科学全才之一，被后人称为“计算机之父”和“博弈论之父”。六岁时能心算八位数除法，八岁时掌握微积分，十岁时读完了四十八卷的世界史，十二岁读懂领会了波莱尔的大作《函数论》要义。2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.3.2冯•诺依曼计算机模型47冯•诺依曼提出的计算机设计思想概括起来有下面三个要点。（1）采用二进制形式表示数据和指令。数据和指令在外观形式上并没有区别，只是各自代表的含义不同。（2）采用程序存储方式。存储程序和程序控制是冯•诺依曼计算机的主要思想。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据，通过一定方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机运行时能自动地逐一取出程序中的一条条指令，加以分析并执行规定的操作。（3）计算机由运算器、控制器、存储器、输入和输出设备5大部件组成，并且确定了这5个部件的基本功能。2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.3.2冯•诺依曼计算机模型48粗线代表数据流，指计算机运行时的原始数据、中间结果、结果数据及程序等，它们在程序运行前已经预先送至存储器中，而且都是以二进制形式编码的，在程序运行时数据被送往运算器，程序指令被送往控制器。细线代表控制流，是由控制器根据指令的内容发出的控制命令，用来指挥计算机各部件协调统一地执行指令规定的各种操作或运算，并对执行流程进行控制。冯•诺依曼计算机的结构2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.3.2冯•诺依曼计算机模型49冯•诺依曼瓶颈：单纯地依靠提高CPU速度和扩大存储器容量无法改变CPU与存储器之间通路太窄的阻碍。指令执行时的串行顺序工作方式影响了系统执行的速度，即便相关数据已经准备好，也必须逐条执行指令。“非冯•诺依曼化”：（1）多处理部件流水处理、阵列机结构，使得单指令流多于数据流。（2）由多个冯•诺依曼计算机组成多机系统，形成多指令流多数据流，支持并行算法结构。（3）否定冯•诺依曼计算机的控制流驱动方式，设计数据流驱动工作方式的数据流计算机。为并行处理指出了新的方向。（4）彻底跳出电子的范畴，以其它物质作为信息载体和执行部件，如光子、生物分子、量子等。冯•诺依曼计算机的局限性2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.3.3哈弗结构模型50是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。这是一种并行体系结构，目的是减轻程序运行时CPU和存储器信息交换的瓶颈。程序和数据存储在两个分开的物理空间中，因此取址和执行能够完全重叠。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部511.4计算机系统2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.4.1计算机系统的组成52系统软件包括操作系统、编译系统和系统工具软件等。支撑软件包括数据库管理系统、网络软件、中间件及各种接口软件，如ODBC接口、ADO接口、网络接口，以及工具包，如图形软件开发包等。用户程序如各种人事管理软件、财务管理软件、进销管理软件、工业实时控制软件等。2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.4.2计算机系统的层次结构53系统软件包括操作系统、编译系统和系统工具软件等。支撑软件包括数据库管理系统、网络软件、中间件及各种接口软件，如ODBC接口、ADO接口、网络接口，以及工具包，如图形软件开发包等。用户程序如各种人事管理软件、财务管理软件、进销管理软件、工业实时控制软件等。通常计算机系统的用户可以分为普通终端用户、程序开发人员和系统设计人员三类。2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.4.3计算机的基本工作原理54指令就是指挥计算机完成某个基本操作的命令，它完全由二进制数0和1编码构成，其操作由硬件电路来实现。一台计算机上所有指令的集合构成了该计算机的指令系统。指令系统是一台计算机能够直接执行的全部基本操作。为了实现特定的目标将一系列的指令进行有序的组合就形成了程序。任何复杂的问题在计算机中都会被分解为一系列的指令，一个指令规定计算机执行一个基本操作，一个程序规定计算机完成一个完整的任务。2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.4.3计算机的基本工作原理55计算机的工作过程就是程序执行的过程。程序在运行前先由输入设备及操作系统调入内存储器中，当机器进入运行状态后，就从内存储器中取出第一条指令以实现其基本操作。一条指令执行完后，又自动地开始取下一条指令，重复进行，直至遇到结束指令为止。在具体执行计算机指令时，每一条指令都需要包含几个基本的步骤：取指令、分析指令和执行指令。2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部56在一个简化的计算机模型中将存储器中的数据取出和累加器中的数据相加假定这台计算机存储一条指令需要一个存储单元。指令的操作码和操作数各是4位二进制数。约定使用操作码0001表示将存储器中的数据与累加器中的数据相加。15/1/2023太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部571.5计算思维2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部58理论科学、实验科学和计算科学作为科学发现三大支柱，正推动着人类文明进步和科技发展。1.人类科学发现的三大支柱科学界一般认为，科学方法分为理论、实验和计算三大类，与三大科学方法相对的是三大科学思维。逻辑思维：以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。实证思维：以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。计算思维：以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。2.人类认识世界和改造世界的三种思维2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部59我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻的影响着我们的思维能力。Edsger_Dijkstra人工智能四大先驱之一现代编程语言的主要贡献者之一第七位图灵奖获得者2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.5.1计算思维概述60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。问题求解中的计算思维系统设计中的计算思维人类行为理解中的计算思维1.什么是计算思维（ComputationalThinking）计算思维如同所有人都具备“读、写、算”（简称3R）能力一样，成为适合于每个人的一种普遍的认识和一类普适的技能。JeannetteM.Wing周以真卡内基-梅隆大学教授2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.5.1计算思维概述61抽象：有选择地忽略某些细节，控制系统的复杂性；完全超越物理的时空观，符号化；抽象是在不同的层次上完成的。自动化：机械地一步一步地自动执行，选择合适的计算机解释执行问题的抽象。2.计算思维的本质——抽象和自动化在哥尼斯堡城的普莱格尔河上有7座桥，将河中的两个岛和河岸连结，问能否一次走遍7座桥，而每座桥只允许通过一次，最后仍然回到起始地点。2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.5.1计算思维概述62计算思维是人的思想和方法，是人类求解问题的一条途径。计算思维是像计算机科学家而不是计算机那样去思维。计算思维建立在计算机的能力和限制之上，因而用计算机解决问题时既要充分考虑利用计算机的计算和存储能力，又不能超出计算机的能力范围，必须考虑机器的指令系统、资源约束和操作环境。计算思维融合了数学和工程等其他领域的思维方式。3.计算思维的特征2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.5.2计算思维的方法63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。它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（SoC方法）。1.计算思维的方法2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.5.2计算思维的方法64计算思维是一种选择合适的方式去陈述一个问题（程序设计语言），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，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。1.计算思维的方法2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.5.2计算思维的方法65（1）菜谱——算法；勾芡——模块；同时做多个菜——并行。（2）根据书籍的目录快速找到所需要的章节——索引技术。（3）沿原路边往回走边寻找丢失的东西——回溯。（4）只把当天使用的书本放入书包内——预置和缓存。（5）选择去排哪个队——多服务器系统的性能模型。（6）停电时电话仍然可以用——失败的无关性和设计的冗余性。2.计算思维的案例2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.5.3计算思维的实现661.计算系统计算思维在计算系统中的实现2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.5.3计算思维的实现672.问题求解使用计算机进行问题求解的计算思维实现过程2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.5.3计算思维的实现683.具有规模数据的复杂问题求解具有规模数据的复杂问题求解的计算思维实现过程2023/1/15太原理工大学.计算机科学与技术学院.计算机基础教学部1.5.3计算思维的实现694.计算环境计算环境演化中计算思