大学计算机-第1章

1课程定位

计算机公共教学核心课程

大学通识教育类核心课程教学目标

培养学生信息素养培养学生计算思维传授计算科学知识授课对象

非计算机类各专业本科生课程设置简介—新梦想、新生活、新课程—大学计算机-计算思维的视角©

2014-2020PoweredbyJollyseen第1章计算与计算思维概述1.1计算与计算机科学1.1.1计算概述1、什么是计算？2、如何理解计算？1.1.2计算机科学1、计算机与信息社会2、计算机科学3、计算科学1.2理解计算思维1.3计算思维的方法2014年8月8日-美国《科学》杂志介绍美国IBM公司新近研发的一种模拟人脑神经元结构的计算机芯片“TrueNorth”第1章计算与计算思维概述1.1计算与计算机科学1.1.1计算概述思考和发现计算之美、感悟计算的力量1、什么是计算？简单：基于计算规则的数值的变换过程2、如何理解计算？计算简单、朴素而又复杂、深奥（1）数与计算：数学学科建立、计算的复杂与内容延伸（2）数学与计算：数学与计算机之密切、华罗庚的国际视野：

—纯数学、应用数学、计算技术（含计算数学和计算机技术）（3）计算规则与计算：算法、某类问题与具体问题可计算性（4）计算工具与计算：关系计算效率、计算工具的故事（5）计算机与计算：自动计算梦想的实现、计算模式的发展（6）互联网与计算：新的计算模式、未来计算？第1章计算与计算思维概述1.1.2计算机科学科学技术是推动人类文明进步的根本动力1、计算机与信息社会（1）计算机（Computer）：是一种现代化的信息处理工具，它对信息进行处理，并提供所需结果，其结果（输出）取决于所接收的信息（输入）及相应处理算法—计算机科学技术百科全书（第二版）（2）信息社会：是以信息技术为基础，以信息产业为支柱，以信息价值的生产为中心，以信息产品为标志的社会；信息社会中，信息产业高度发展并在产业结构（农业、工业、服务业等）中占优势后工业社会：电子计算机的发明成为其标志。1964年，日本的文化人类学家梅棹忠夫第一次使用了信息社会这一概念。以微电子、计算机以及通信技术为主的信息技术（InformationTechnology，IT）飞速发展理解信息社会以及人的能力结构信息社会之不同的年代特征（还有信息社会之经济领域特征、信息之社会文化、生活、观念方面的特征，影响之深刻。详见教材）20世纪60年代：通信技术、微电子技术和计算机技术20世纪80年代：“3C”社会（通讯化、计算机化和自动控制化），“3A”社会（工厂自动化、办公室自动化、家庭自动化）。20世纪90年代：多媒体技术和计算机网络技术21世纪：智能终端，普适计算，物联网，智慧城市，数字地球21世纪信息社会之人的能力结构：基本学习技能、终身学习能力、信息素养、创新思维能力、人际交往与合作能力等。大力强化信息素养（信息意识、信息知识、信息能力和信息道德四个方面）培养第1章计算与计算思维概述1.1计算与计算机科学1.1.2计算机科学自然科学脱胎于哲学，哲学脱胎于宗教1、计算机与信息社会2、计算机科学：研究计算机和可计算系统理论方面的学科，它包括计算机硬件、软件等计算系统的设计和建造，发现并提出新的问题求解策略和算法，在硬件和软件、互联网方面发现并设计使用计算机的新方式和新方法等-《战德臣大学计算机-计算思维导论》计算机科学技术：是研究计算机的设计与制造和利用计算机进行信息的获取、表示、储存、处理、控制等理论、原则、方法和技术的学科-源于《计算机科学技术百科全书》的定义计算机科学与技术的科学性、工程性

及机构设置模式科学性：计算机学院OR计算机科学与技术学院：如清华大学计算机科学与技术系、山东大学计算机科学与技术学院。美国卡内基梅隆大学（CMU）拥有全美顶级（也是全美第一所）计算机学院，英文全称为SchoolofComputerScience，通常简称为CS工程性：美国斯坦福大学在工程（Engineering）学院下设计算机科学系，麻省理工学院（MIT）同样在工程学院之下设置电子工程与计算机科学系——MIT’sElectricalEngineeringandComputerScienceDepartment

providesanin-deptheducationinengineeringprinciplesbuiltonmathematics,computation,andthephysicalandlifesciences.软件工程专业与研究方向的崛起：并作为专业或学院建制与计算机科学与技术分离。如山东大学软件学院（山东大学齐鲁软件学院）。最有名的是美国卡内基梅隆大学计算机学院下设软件研究院（InstituteforSoftwareResearch），关注"Software，Systems，andSociety”，含软件工程专业和研究方向（softwareengineering）。卡内基梅隆大学软件工程专业在国际软件业界拥有极高的声誉，目前流行的CMM（CapabilityMaturityModelforSoftware）即软件生产能力成熟度模型正是该校软件研究院为主研发制定的，最新体系为CMMI，成为全球软件行业最新和最高标准。计算机科学与技术学科相关的知识体系示意图（见教材）3、计算科学（ComputationalScience）计算科学：是与理论科学和实验科学并存的科学的第三种方法，源于数学、由计算机科学推动并不断渗透到其他学科中。理论科学（理论思维、理论方法）以数学学科为代表，通过构建分析模型、推理和演绎进行科学规律预测和发现。实验科学（实验思维、实验方法）以物理学科为代表，通过直接观察和实验手段获取数据，对数据进行分析并发现规律美国前副总统戈尔“数字地球-认识21世纪我们这颗星球”演讲：P5“在计算机出现以前，实验和理论这两种创造知识的方法一直受到限制。所以科学家面对的研究对象太困难，不是太大就是太小，不是太快就是太慢…”，“随着高速计算机的使用，我们才能模拟那些不容易被观察到的现象。正因为如此，计算科学突破了实验科学和理论科学的局限性”美国总统信息技术资讯委员会（PITAC）：《计算科学：确保美国竞争力》—“21世纪科学上最重要的、经济上最有前途的前沿研究都有可能通过熟练地掌握先进的计算技术和运用计算科学而得到解决，计算科学具有促进其他学科发展的重要作用计算科学：以计算机学科为代表，通过设计和构造，建立仿真分析模型和有效的算法，利用计算机进行规律预测和发现以及问题求解（1）计算不断渗透到社会/自然各个领域，计算机科学与其他学科相互融合，现已发展为更为广泛的面向社会/自然问题的计算技术的、具有更为广泛的研究对象的计算科学（2）普适计算、社会计算、企业计算、个人计算等都是计算科学的研究方向，计算物理学、计算化学、计算生物学、计算经济学、计算语言学（ComputationalLinguistics）等都是计算科学与其他科学相互融合而产生的新的研究方向和学科结束语：计算的力量ACM，AssociationforComputingMachinery：theworld’slargesteducationalandscientificcomputingsociety,deliversresourcesthatadvancecomputingasascienceandaprofession.ACMprovidesthecomputing

field‘spremierDigitalLibraryandservesitsmembersandthecomputingprofessionwithleading-edgepublications,conferences,andcareerresources.——翻译的力量第1章计算与计算思维概述1.1计算与计算机科学1.2计算思维及其理解1.3计算思维的主要方法计算机求解问题的过程计算思维的主要方法1、抽象2、分解

3、递归4、算法5、程序

6、仿真7、网络

8、系统9、计算思维的拓展1.2计算思维及其理解1、计算思维的一般理解：基本理解、你的理解2、美国CMU大学周以真：大师解读计算思维3、计算思维是除了理论思维、实验思维之外的第三大思维4、计算思维是计算机与计算科学不断发展和广泛应用的必然产物5、计算思维对其他学科的影响（学科交叉与融合）（1）其他学科借助计算思维与计算科学求解问题：P23-24（2）计算思维有助于对各学科学生的创造性思维的培养拓展内容：计算工具对于思维的影响力，荷兰计算机科学家、1972年-“图灵奖”得主艾兹格.W.迪科斯彻（EdsgerWybeDijkstra）曾说：“我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻影响着我们的思维能力”迪科斯彻是第一个Algol60编译器设计者和实现者。ALGOL是“算法语言”，ALGOrithmicLanguage的缩写，它不是计算机公司为特定机器设计，是纯粹面向描述计算过程、面向算法描述的，没被广泛使用，但它是许多现代程序语言的概念基础。1.3计算思维的主要方法计算机求解问题基本过程：问题定义及形式化—>建立问题逻辑模型（建立IPO）—>算法设计—>编程—>运行和维护计算思维方法的基本理解：教材内容基本认知与解读1、抽象：首先是思维的基本方法，也是计算思维基本方法，计算机问题求解之抽象结果-系统需求报告2、分解：解决复杂问题和设计复杂系统常用、模块化3、递归：从后向前的倒推的计算方法、基于调用-返回的计算模式-借鉴数学的迭代法（从前向后计算方法），用有限的步骤（代码）描述和实现近于无限功能的方法4、算法（计算系统的灵魂；正确性、有限时间和空间内执行及效率等）、程序（基本动作及组合、执行次序）5、仿真：计算机实验性的模拟（simulation）技术6、网络：是指计算机网络，并非现实、数学意义下的网络7、系统：“系统”是指“计算系统”，包括硬件系统、软件系统（系统软件平台）、网络系统、应用系统等。计算思维的本质-抽象和自动化，自动化即构建计算机应用系统进行计算；8、计算环境（模式）进化的思维个人计算、集中式计算、并行计算与分布式计算、云计算9、计算与社会/自然环境的融合思维社会/自然的计算化、计算/求解（结果展示）的社会/自然化（简略描述）“这个过程是物理和现实世界、自然系统与计算机软件世界的一种逻辑映射，计算机及其运行的软件系统模拟了自然系统，成为问题求解的手段和工具。”P21美国卡普——理查德•卡普（RichardKarp）：1935年-。在哈佛大学时文理兼修—哈佛文学学士、理科硕士、应用数学博士，之后进入IBM沃森研究中心，在那里工作近10年。IBM作为美国乃至世界最大计算机厂商，集中了大批最优秀的研究人员。现任美国加州大学伯克利分校计算机科学讲座教授，是美国科学院院士及美国工程院、美国艺术与科学院、欧洲科学院院士，曾获过图灵奖、冯诺依曼奖、美国国家科学勋章、哈佛大学百年奖章等奖项。本章拓展了解内容1、科学及其分类2、科学研究及其分类、科学方法3、了解并思考宗教、哲学与科学的关系4、人类思维与逻辑学概述5、批判性思维6、了解哲学、数学、物理学、计算机科学以及其他人文、科技相关的历史人物及其主要贡献人类社会发展阶段回顾古代社会古代社会通常是从人类出现算起，在距今大约500～700万年之间原始社会大约始于5万年前，即原始人狩猎捕鱼的初始时期，称为原始社会农业社会始于公元前4000年，以农牧业为主的开垦荒地、种植谷物的农业经济。工业社会第一次工业革命，蒸汽时代（18世纪60年代~19世纪40年代）1765年英国工人詹姆斯·哈格里夫斯发明珍妮纺纱机，揭开了工业革命的序幕。1769年英国人瓦特改良蒸汽机第二次工业革命，电气时代（19世纪60年代~20世纪40年代）19世纪60、70年代，电力和电器的发明和广泛使用，人类社会进入电气时代信息社会1946年，电子计算机问世，标志着计算机时代的来临，并进入后工业社会农业社会与工业社会的特征农业社会以农牧业为主的开垦荒地、种植谷物的农业经济。生产力低下，生产以体力劳动为主。随着社会的逐步发展，人类开始越来越多的使用机械，比如：铁器、翻车、曲辕犁、纺纱机等手工业生产方式工业社会蒸汽时代，第一次工业革命机器代替手工劳动，蒸汽动力被广泛使用工厂制代替了手工工场生产关系的变革，依附于落后生产方式的自耕农阶级消失，工业资产阶级和工业无产阶级形成电气时代，第二次工业革命19世纪60、70年代开始，出现了一系列电器发明。1866年德国人西门子制成发电机，1870年比利时人格拉姆发明电