计算机科学概论（微课版）· 第1章 绪论 · 教学课件

高等学校计算机专业核心课程精品系列教材计算机科学概论（微课版）第1章绪论计算机学科·计算的起源·计算工具·计算机应用世界上第一台通用计算机ENIAC（1946年）教材图1-1，见教材第3页第1章·绪论本章学习目标与知识地图本章介绍计算机学科、计算、计算工具等的形成与发展，帮助你初步建立计算机学科的知识体系，了解这门学科的核心内容。学完本章，你能够01了解计算的起源、计算工具的发展02了解计算机在日常生活中的应用领域03了解计算机发展带来的社会影响达成以上目标后，你将初步认识计算机学科的知识体系，为后续深入学习「数据表示」「数据存储」「算法」等章节打下坚实基础。本章知识导图（教材第2页）计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论02第1章·绪论本章内容结构1.1计算机学科形成与发展｜学科的本质｜知识体系｜核心内容1.2计算的起源计算历史｜计算思维与算法1.3计算工具手动计算工具｜机械式｜机电式｜电子计算机｜超级计算机1.4计算机应用科学计算｜数据处理｜辅助技术｜过程控制｜人工智能｜网络应用章末1.5小结·1.6拓展知识·1.7习题教学建议：本章约1.5学时；可结合「计算思维与算法」「计算机发展里程碑成果」两个研讨点组织课堂讨论（各0.5学时）。计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论03章首导入案例一张射表「算」出了第一台通用计算机背景二战期间，美国陆军军械部设立弹道研究实验室，要求每天提供6张射表；每张射表要计算几百条弹道，每条弹道都是一个无法精确求解的非线性方程组，只能用数值方法近似计算。困境计算工具落后：雇用200多名计算员夜以继日，完成一张射表仍需约两个月。转机1942年，莫希利提出「高速电子管计算装置」设想，军方拨款支持；冯·诺依曼带着原子弹研制中的计算问题加入研制小组，1945年共同发表EDVAC「存储程序通用电子计算机方案」。诞生1946年2月14日，世界上第一台通用计算机ENIAC（电子数字积分计算机）在美国宾夕法尼亚大学诞生——计算机科学的大门就此打开。图1-1ENIAC（教材第3页）思考：计算的「速度瓶颈」如何推动计算工具不断革新？带着这个问题进入本章。计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论041.1计算机学科1.1.1学科的形成与发展：从借鉴体系到自主建设国际上，计算机科学与技术专业的人才培养起步于20世纪50年代的美国，60年代专业教育逐步进入科学研究轨道；此后包括中国在内的其他国家，教学计划基本参考美国体系。我国计算机学科发展时间线1956「十二年科技规划」将计算技术列为重大科技任务1956中科院计算所筹委会成立，华罗庚任主任1958第一台通用数字电子计算机103机研制成功1959104机诞生，亮相国庆游行，用于国家重大工程1998教育部颁布本科专业目录，统一计算机科学与技术专业2012新版专业目录：计算机科学与技术（080901）延伸阅读：1995年教育部启动面向21世纪课程体系改革，提出分类、分层次培养思路；20世纪90年代末启动35所重点大学示范性软件学院建设。据《电脑迷》2017年第3期：未来十年我国计算机专业人才需求预计仍以每年约100万人的速度增加。计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论051.1计算机学科1.1.2—1.1.3学科的本质与知识体系学科的本质：培养什么样的人培养具有扎实的数学、自然科学、工程基础与计算机专业知识，创新精神与实践能力强，系统能力与工程实践能力突出，兼具人文素养、大工程观、团队精神与国际视野的人才——能从事计算机领域的研究、设计、开发与管理工作，能解决计算机领域复杂工程问题。知识体系的建立路径三个核心原则组合与抽象（程序与系统）；符号化—计算化—自动化（0和1）；基本构造手段：迭代与递归计算系统进阶冯·诺依曼计算机→个人计算机→并行分布式计算环境→云计算环境问题求解手段掌握算法与程序设计，形成网络化思维、数据化思维跨学科融合将计算运用到计算生物学、计算金融学、智能计算等多领域中图1-2计算机学科知识体系（教材第4页）计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论061.1计算机学科1.1.4核心内容：体系结构·系统软件·应用软件图1-3计算机学科的核心内容（教材第5页）自下而上的四个层级④应用程序最上层，直接面向用户任务③数据库系统·编程语言系统软件层②操作系统硬件之上的第一层软件①计算机硬件设备整个体系的底层纵横两个维度纵向（技术）：硬件技术↔软件技术横向（内容）：体系结构↔系统软件↔应用软件三个部分共同构成计算机学科完整的核心内容。记忆锚点：「硬→操→系→应」四层叠加，软硬两条技术线贯穿其中。计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论071.2计算的起源两万年前，人类已经开始计数史前时代的算术可由人造物品确认：最著名的是在非洲发现的伊尚戈骨头，距今约两万年——骨头上的划痕被认为是记数的符号。图1-4伊尚戈骨头（教材第5页）1.2.1计算历史：早期文明的计算证据图1-5（a）罗马式算盘：辅助罗马数字的复杂计算图1-5（b）计算板：十进制、但非进位制图1-6巴比伦楔形泥板（约公元前1850年）图1-7莱因德数学纸草书（约公元前1650年）公元前2000年，埃及人与巴比伦人已使用四则运算；古埃及象形数字与罗马数字均由记数符号演变而来，采用十进制但非进位制；巴比伦在公元前1850年已有初等算术知识；乘法与单位分数约出现于公元前1650年。计算的历史，同时也是人类科技与文化的发展史。计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论081.2计算的起源1.2.2计算思维：从导航问题到「3A」方法一个生活案例：路径规划/导航没有导航软件的时代，人们借助地图解决出行问题：①用地图确定目的地；②简化抽象地图、排除干扰因素；③对抽象后的问题选用合适的算法（最短/最便捷路径）；④执行方案，解决实际问题。这一常见过程，正蕴含着计算思维的全部要素。计算思维的四个特征分解·模式识别·抽象·算法设计分解问题→用数据表示法定义变量→创建算法→得出通用解决方案2006年3月，卡内基·梅隆大学周以真（JeannetteM.Wing）教授提出并倡导「计算思维」：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的一系列思维活动。计算思维是一种普适的思维方法和基本技能，所有人都应学习使用，而非仅限于计算机科学家。计算思维=「3A」迭代过程A1抽象Abstraction问题表示从原始地图中把出发地、目的地和关键地点抽象出来，用更简单的图表示。A2自动化Automation解决方案表达选择合适的行走路径，让解法可以被「自动」执行。A3分析Analysis解决方案执行和评估执行选定的方案，并评估所选路径的优劣性。计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论091.3计算工具：从算盘到超算的五次跨越从数千年前的手工计算算盘，到如今每秒12.5亿亿次计算的「神威·太湖之光」，计算工具不断为人类解决日趋复杂的计算问题，也成为生活中不可或缺的工具。手动计算工具算盘·算筹数千年前的手工智慧机械式计算器杠杆与齿轮模拟与乘除运算机电式计算器继电器驱动Z-3·MARK系列电子计算机真空管→晶体管→集成电路超级计算机亿亿次级算力国家战略重器本节将沿这条演进链，逐一认识每一代计算工具的代表、原理与局限——理解「为什么每一代新工具都会取代上一代」，是理解计算机发展的关键线索。101.3计算工具1.3.1手动计算工具：算盘与算筹算盘：流传最广的手动计算工具据考证，公元前2400年的巴比伦可能已有算盘；公元前五世纪，希腊的希罗多德记录了埃及人使用算盘。中国、北非的古埃及、中亚的俄罗斯、中古欧洲，都有使用算盘的记载。算筹：源自中国的「筹算」算筹又称筭子、算子，起源于中国商朝占卜时用的小木棍——这就是最早的算筹，用算筹计算的方法称为「筹算」。算筹一般布置在地面、桌上运算；南宋黄伯思《燕几图》描述布算桌「长7尺，宽5尺许」。清代劳乃宣：「盖古者席地而坐，布算于地，后世施于几案。」共同点：都依赖人手工操作完成计算，效率受限于人的速度。图1-8中式算盘（教材第7页）图1-9汉朝骨制算筹复制品计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论111.3计算工具1.3.2机械式计算器：齿轮与杠杆的时代更复杂的计算任务超出了手动工具的能力，人们开始研制由杠杆、齿轮等机械部件（而非电子部件）构成的计算工具。两类形态模拟计算机：用平滑构件的移动计算（如弧形板、计算尺）；齿轮式计算机：常见为加法器、机械计数器，复杂者可做乘除。重要应用构成复杂投弹瞄准器的基础：诺顿瞄准器、美国海军鱼雷计算器、英国皇家海军火控台；1961—2002年，载人航天器配备Globus仪器，以机械方式指示航天器位移与经纬度。退出舞台机械式计算器在20世纪70年代逐渐消失，80年代绝迹——被更出色的机电式、电子式工具取代。观察点：机械部件让计算「自动化」了一小步，但速度与复杂度仍受物理结构限制。图1-10HamannManusR机械式计算器（教材第7页）计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论121.3计算工具1.3.3机电式计算器：继电器驱动通用计算德国·朱斯（Zuse）的Z系列1938年，朱斯制成第一台二进制Z-1型计算器，此后研制Z系列。Z-3是世界第一台通用程序控制的机电式计算器：全部采用继电器，并采用浮点记数法、带数字存储地址的指令形式。图1-11科学家Zuse与Z-3型计算器（教材第8页）美国·艾肯的MARK系列（MIT）1944年MARK-Ⅰ「自动顺序控制计算器」研制成功；1947年MARK-Ⅱ，运算速度更快；1949年MARK-Ⅲ，采用当时已获重大进步的电子管技术。图1-12MARK-Ⅰ型与MARK-Ⅲ型计算器（教材第8页）承上启下：继电器的引入让计算器具备了「程序控制」能力，为电子计算机的诞生铺平了道路。计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论131.3计算工具1.3.4电子计算机：从真空管到大规模集成电路1941年，阿塔纳索夫-贝瑞计算机诞生：真空管、二进制数值、可复用内存；1943年英国「巨像」计算机证明真空管可靠且可电气化再编程；ENIAC小组改进设计，形成今天熟知的冯·诺依曼结构（程序存储体系结构）——当今所有计算机的基础；最早运转的实验机为SSEM，实用机代表为EDSAC。图1-13阿塔纳索夫-贝瑞计算机复制品图1-14哈佛一型计算机图1-15罗伯特·诺伊斯：1958年领导发明集成电路整个20世纪50年代，真空管计算机居统治地位；60年代晶体管取而代之：体积更小、速度更快、价格更低、性能更可靠，可商品化生产；70年代集成电路大幅降低成本，计算机走向千家万户；80年代微机普及，进入学校和家庭。代际时期核心器件代表与特征第一代20世纪50年代真空管ENIAC、SSEM、EDSAC第二代1959—1964晶体管更小、更快、更便宜，可商品化第三代1964—1972集成电路典型机型IBM360系列第四代1972年以后大规模/超大规模集成电路微型计算机普及计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论141.3计算工具1.3.5超级计算机：算力巅峰的中国力量图1-16「天河一号」超级计算机（教材第10页）「天河一号」每秒可执行超过10亿亿次浮点运算；平台包括英特尔公司提供的约10万颗中央处理器。图1-17「神威·太湖之光」超级计算机（教材第10页）「神威·太湖之光」（2016年）落户无锡中国国家超级计算机中心；浮点运算速度达9.3亿亿次/秒，为「天河二号」的2倍；2017年登顶ISC全球超算500强榜单，核心处理器实现全国产化。「神威·太湖之光」的成功，标志着我国超级计算机研制能力已位居世界领先水平，计算工具的发展历史也因此被改写。计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论151.4计算机应用计算机应用：六大领域渗透生产与生活计算机已不仅是功能单一的计算工具，更是推动多领域发展的助推器。2022年《政府工作报告》提出：促进数字经济发展，加强数字中国建设整体布局——发展计算机技术已成为国家重要发展目标。01科学计算（数值计算）解决科研与工程中的数学问题。案例：国家超算无锡中心完成C919大飞机多种飞行状态模拟，网格规模提升至两亿，计算时间缩至10小时以内，大大减少风洞试验次数。02数据处理（信息处理）80%以上的计算机用于数据处理，决定计算机应用的主导方向。经历三阶段：EDP电子数据处理→MIS管理信息系统→DSS决策支持系统。03辅助技术（辅助设计与制造）CAD计算机辅助设计（飞机、汽车、建筑等）；CAM计算机辅助制造（控制生产、降本增效）；CAI计算机辅助教学。04过程控制（实时控制）提高控制的自动化水平、及时性与准确性，改善劳动条件、提高产品质量，已广泛用于机械、冶金、石油、化工、纺织、水电、航天等部门。05人工智能（智能模拟）模拟人类的感知、判断、理解、学习、问题求解与图像识别。案例：ChatGPT可以自然对话交互，自动完成文本生成、自动问答、编写与调试程序等复杂任务。06网络应用解决计算机之间的通信与软硬件资源共享问题，大大促进国际间文字、图像、视频、音频等各类数据的传输与处理。计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论161.5小结本章小结：从ENIAC到量子计算的八十年01计算工具的飞跃从为计算导弹弹道而生的ENIAC，到IBM发布最大量子计算机处理器Osprey，计算机的计算性能已提升亿万倍；短短八十年，人类掌握的计算工具从ENIAC演变为超级计算机。02学科体系的成熟计算机学科逐渐发展成熟：以「组合与抽象、符号化—计算化—自动化、迭代与递归」为核心原则，形成体系结构、系统软件、应用软件三大核心内容。03应用价值的升华随着计算性能的革命性提升，计算机从辅助计算的工具，变成引领人类探索发现的灯塔，被应用到多个领域，为不同方向的难题求解提供帮助，与人们的生活息息相关。下一章预告第2章「计算机发展与概述」：图灵模型、冯·诺依曼体系结构、计算机硬件与软件、计算机的类型与性能评估。计算机科学概论（微课版）｜第1章绪论171.6拓展知识拓展知识：计算机科学的广度与未来①现代计算机技术的多元化发展人工智能与机器学习：机器学习、深度学习、自然语言处理、计算机视觉，正在改变医疗、金融、自动驾驶；大数据与数据科学：数据存储、处理、分析与可视化；物联网：智能家居、智慧城市；区块链：数字身份认证、供应链管理。②计算与其他学科的交叉融合生物信息学：基因测序、蛋白质结构预测、分子动力学模拟；量子计算：量子比特有望解决大数分解、分子模拟等传统计算机无法处理的问题；计算社会科学：社交网络分析、社交媒体数据挖掘。③计算机科技与伦理隐私