计算与人工智能应用新医科版课件 第1章 计算与计算思维

第1章计算与计算思维计算与人工智能应用（新医科版）计算工具的发展历程第1节计算机系统第2节计算思维第3节学习目标知识1了解计算工具的发展历程、计算机的分类、计算机的应用；掌握计算机的硬件系统、软件系统、计算思维技能2计算工具发展需掌握技术演进脉络；计算机系统需理解硬件组成与软件运行；计算思维需培养抽象建模与算法设计能力。素质3学计算工具发展历程要具历史视野；探计算机系统需有系统思维；育计算思维要强逻辑与创新及问题解决素质。导入计算与计算思维是两个既相关又有所区别的概念。计算支持着现代社会的信息化进程，是推动科技进步和经济发展的重要力量。计算思维则强调从具体问题中抽象出通用模式和算法，实现问题的通用解决方案。计算思维的发展离不开计算技术的支持，计算技术的不断进步为计算思维提供了更强大的工具和平台，使得计算思维能够处理更复杂的问题和实现更高效的应用。计算思维作为一种问题求解和系统设计的思维方式，对计算技术的发展具有重要推动作用，促使人们不断探索新的计算方法和算法设计，推动计算技术向更高层次发展。第1节计算工具的发展历程一、计算的相关概念（一）计算计算是通过对符号、数据或信息进行系统性操作、转换或处理，以解决问题、推导结论或实现特定目标的过程。它是人类认知和技术发展的核心能力，贯穿于数学、科学、工程、计算机科学乃至日常生活各个领域。计算的广义定义是任何通过规则或算法对输入进行处理并产生输出的过程。例如：数学计算、逻辑推理、物理模拟等。从计算机科学的角度给出计算的狭义定义是通过算法和程序，利用计算机硬件对数据进行自动化处理的过程。计算的核心要素是输入、处理与输出。输入数据是原始未经加工的数据或信息，如数字、文本、传感器信号等。处理是通过算法或逻辑规则对输入数据进行操作，如加、减、乘、除、排序、模式识别等。输出数据则是处理后的结果，如计算结果、决策、可视化图表等。一、计算的相关概念（二）计算机计算机是一种能够按照预先存储的指令（程序）自动、高速处理数据并输出结果的电子设备。它通过硬件和软件的协同工作，完成信息处理、计算、存储和通信等任务。1.基本组成一个完整的计算机系统通常由硬件系统和软件系统两大部分组成。计算机的硬件系统是计算机的物理基础，由一系列电子元件和机械部件组成，负责数据的输入、处理、存储和输出。计算机的软件系统是指所有程序、数据和文档的集合，它控制计算机的操作并实现特定功能。2.工作原理现代计算机通过二进制代码（0和1）表示数据和指令，CPU根据程序逻辑逐条执行运算、数据比较、条件判断等操作。计算机的工作原理本质是通过二进制编码和逻辑电路，实现指令的自动化执行。其核心流程可概括为：输入→存储（内存）→处理（CPU取指令→译码→执行→回写）→输出二、计算工具的演变历程计算工具的演变历程是一部人类智慧不断突破、文明持续进步的历史，反映了人类对高效计算的不懈追求，经历了从简单到复杂、从低级到高级、从原始的手工计数到现代超级计算机的转变，大致可分为以下几个阶段：（一）早期手动计算工具（史前—公元前）（二）机械式计算工具（公元前—19世纪）（三）机电式计算工具（19世纪—20世纪中期）（四）电子计算工具（20世纪40年代至今）二、计算工具的演变历程表1−1电子计算机发展的四个阶段性能指标第一阶段第二阶段第三阶段第四阶段起始年代1946—19581958—19641964—19701970—现在主要电子元件电子管晶体管中小规模集成电路大规模、超大规模集成电路内存汞延迟线磁芯半导体存储器半导体存储器外存穿孔卡片、纸带磁带磁带、磁盘磁盘、光盘处理方式机器语言、汇编语言作业连续处理、编译语言多道程序实时、分时处理网络运算速度几千条/秒几万～几十万条/秒几十万～几百万条/秒千万～万亿条/秒主要特点体积大、耗电大、可靠性差、价格高、维修复杂体积减小、重量减轻、耗电减小、可靠性较高小型化、耗电少、可靠性高微型化、耗电更少、可靠性更高主要应用科学计算数据处理广泛应用于商业、教育、科研等领域互联网服务、移动智能终端、云计算、人工智能等二、计算工具的演变历程（五）计算机未来发展趋势随着科技的飞速进步，计算机已从最初的庞大计算工具演变为推动社会变革的核心动力。从互联网的普及到人工智能的崛起，计算机技术不断突破边界。展望未来，其发展趋势将呈现多元化、智能化与深度融合的特征。1.巨型化与微型化并行推进2.网络化迈向“万物智联”新时代3.智能化成为核心驱动力4.新型计算模式孕育革命性突破三、计算机的分类计算机可以根据不同的分类标准进行多种划分，以下是常见的分类方式。（一）按规模与性能分类计算机的规模与性能用计算机的一些主要技术指标来衡量，如精度、运算速度、存储容量、输入输出能力等。目前一般把计算机分为巨型机、大型机、小型机、微型机和工作站等。（二）按用途分类根据用途的不同，计算机可分为通用计算机和专用计算机两种。四、计算机的应用计算机的应用已经渗透到人类社会的各个领域，极大地改变了人们的生活方式、工作模式和社会结构。以下是计算机在不同领域的主要应用。（一）科学计算（二）数据处理（三）医疗健康（四）教育娱乐五、新一代信息技术与未来发展趋势新一代信息技术以人工智能、云计算、大数据、物联网、区块链、6G通信、量子计算为核心，正通过技术融合与场景创新重塑全球经济、社会和生活模式，其发展趋势呈现多技术融合、智能化升级、场景化落地的特点，同时伴随安全、伦理与区域发展不平衡等挑战。以下是新一代信息技术主要技术方向及未来趋势。（一）人工智能（二）大数据（三）物联网（四）云计算（五）区块链（六）“信创”战略（七）量子计算（八）6G通信第2节计算机系统一、图灵机（一）图灵机的定义图灵机，又称图灵计算机，是一个抽象的机器。它是由英国数学家艾伦・麦席森・图灵于1936年提出的一种抽象的计算模型，它模拟了人类使用纸笔进行数学运算的过程，用于研究计算问题的可计算性。它是计算机科学的理论基础之一，被认为是现代计算机的雏形。（二）图灵机的组成图灵机是一种假想的计算装置，它由无限长的纸带、读写头、状态寄存器、控制规则几个部分组成。纸带被划分为一个个小方格，每个方格可以包含一个来自有限字母表的符号，如0、1或空白，纸带右端可以无限延伸，为计算提供无限的存储空间。读写头可以在纸带上左右移动，能够读取当前所指格子上的符号，并根据程序修改该符号。状态寄存器用于保存图灵机当前所处的状态。而控制规则根据当前机器状态和读写头所指格子上的符号，确定读写头的下一步动作。一、图灵机（三）图灵机的特性图灵机是一种通用计算模型，能够模拟任何现代计算机的运算过程。对于任意一个图灵机，因为其描述是有限的，因此总可以用某种方式将其编码为字符串，并构造出一个能够模拟其运作的特殊图灵机——通用图灵机。现代电子计算机实际上就是通用图灵机的一种模拟。一、图灵机（四）图灵机的意义图灵提出图灵机模型的意义有如下几点：1.它证明了通用计算理论，肯定了计算机实现的可能性，同时给出了计算机应有的主要架构。2.图灵机模型引入了读写、算法与程序语言的概念，极大地突破了过去的计算机器的设计理念。3.图灵机模型理论是计算学科最核心的理论，因为计算机的极限计算能力就是通用图灵机的计算能力，很多问题可以转化到图灵机这个简单的模型来考虑。4.图灵机的思想对现代计算机的设计和发展产生了深远影响。二、冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。冯·诺依曼体系结构是由数学家冯·诺依曼及其同事在1945年提出的计算机设计理论，至今仍是现代计算机的基础架构。它的核心思想是“存储程序”，即程序和数据存储在同一存储器中，计算机按顺序执行指令。（一）冯·诺依曼体系的五大核心组成部分表1−2冯·诺依曼计算机的组成部件及功能组件功能运算器（ALU）执行算术运算（加、减、乘、除）和逻辑运算（与、或、非）控制器（CU）从内存读取指令，解码并控制其他部件执行存储器（Memory）用于存储程序和数据（如RAM、ROM）输入设备接收外部数据（如键盘、鼠标）输出设备输出运算结果（如显示器、打印机）二、冯·诺依曼体系结构（二）冯·诺依曼体系计算机的工作过程计算机工作过程以冯·诺依曼体系结构为基础，遵循存储程序、程序控制的核心原理，通过循环执行取指令、分析指令、执行指令的步骤完成数据处理。1.取指令控制器通过程序计数器从内存中获取下一条指令地址，将指令从存储器传送到控制器的指令寄存器中。2.分析指令对指令寄存器中存放的指令进行分析，生成控制信号以协调各部件工作。3.执行指令根据分析的结果，由控制器发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去执行该指令所要求的操作。4.更新状态上述步骤完成后，程序计数器自动递增或跳转至新指令地址，为执行下一条指令做好准备，寄存器更新运算结果状态，以上四步循环执行。二、冯·诺依曼体系结构（三）冯·诺依曼体系的优缺点冯·诺依曼体系计算机的优点是使用存储程序，使程序和数据以二进制形式存储在内存中，计算机可自动读取并执行，无需人工干预，适合通用计算。计算机可通过修改存储的程序执行不同任务，无需改变硬件结构；这种设计使计算机硬件结构简单，降低了实现难度，便于大规模计算。冯·诺依曼体系的局限性，称为“冯·诺依曼瓶颈”。主要问题是CPU与内存之间通过单一总线传输数据，导致CPU速度快而内存速度慢，二者速度不匹配，成为性能瓶颈。可以通过采用缓存（Cache）、多核并行、多级存储体系等方案进行解决。另一个问题是由于程序顺序执行限制，致使冯·诺依曼体系结构难以高效处理并行任务，现代计算机通过超线程、多核技术优化来解决此问题。三、计算机硬件系统一台完整的计算机应该由硬件系统和软件系统组成，硬件系统是计算机的物质基础。计算机的硬件系统主要包括中央处理器、存储器、输入设备、输出设备以及主板、扩展卡、总线等物理组件。（一）中央处理器（CPU）中央处理器作为计算机的“大脑”，由运算器和控制器组成，它的关键指标有主频、核心数、缓存容量等。1.运算器（AU）运算器也叫算术逻辑部件（ALU），是计算机中执行各种算术运算和逻辑运算操作的部件。运算器由加法器、寄存器和累加器组成。运算器也是衡量整个计算机性能的重要因素之一，它的主要性能指标包括字长和运算速度。2.控制器（CU）控制器是计算机的指挥中心，它统一控制计算机的各个部件协调运转。计算机运行时，控制器根据指令计数器中指定的地址从内存中取出一条指令，并对操作码进行译码，再根据译码结果，有序地控制计算机的各个部件完成操作码规定的操作。控制器由指令寄存器、指令译码器、操作控制器和程序计数器组成。三、计算机硬件系统（二）存储器（Memory）存储器分为主存储器（内存）和辅助存储器（外存）两种。主存储器主要用于临时存储运行中的程序和数据，断电后内容丢失，它的特点是速度快，直接影响计算机性能。辅助存储器的主要用于长期保存数据和程序，断电后数据不会丢失，虽然速度慢，但容量大。（三）输入设备（InputDevices）输入设备是将外部信息转换为计算机能处理的数字信号的外部设备。常见的输入设备有键盘、鼠标、触摸屏、扫描仪、摄像头、麦克风，以及一些新兴的设备如温度传感器、条形码扫描器、VR手柄、眼动追踪仪等。（四）输出设备（OutputDevices）输出设备是将计算机处理的结果转换为人类可感知形式的外部设备。常见的输出设备有显示器（LCD、OLED）、打印机、耳机、音箱、投影仪，以及一些新兴的设备如AR眼镜、3D打印机等。三、计算机硬件系统（五）主板（Motherboard）主要用于连接所有硬件设备，提供数据传输通道。主板的关键部件有用于协调CPU、内存和外部设备进行数据传输的芯片组，用于安装显卡、声卡等扩展卡的扩展插槽（如PCIe插槽），提供USB、HDMI、SATA等连接端口的外部接口。（六）扩展卡主要用于增强计算机功能，如图形处理、网络连接等。常见的扩展卡类型有显卡（GPU）、声卡和网卡。（七）总线计算机的硬件系统之间不是孤立存在的，运行过程中需要相互连接以传输数据，总线就是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，负责在CPU、内存、输入/输出设备等硬件之间传输数据信号、地址信号和控制信号。按照计算机所传输的信息种类，计算机的系统总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线。四、计算机软件系统软件是指使计算机运行、管理和维护时所需的各种程序、数据和相关文档的总和。计算机通过程序运行来完成相应的工作流程，按照一定的逻辑功能完成特定的任务。数据是程序处理的对象。而文档是程序设计、使用和维护时用到的相关资料。计算机软件的作用是对计算机硬件进行有效的使用和管理，从而提高计算机资源的使用效率，全面协调计算机各部件的工作，扩展计算机功能，实现各种各样的任务。计算机软件通常分为系统软件和应用软件两大类。四、计算机软件系统（一）系统软件系统软件是指管理、控制和协调计算机及外部设备，支持应用软件开发和运行的系统。系统软件使计算机使用者和其他软件将计算机当作一个整体，而不需要考虑每个硬件和软件是如何工作的。常用的系统软件主要有以下几类：1.操作系统（OperatingSystem，OS）操作系统是一组对计算机资源进行控制和管理的程序集合。主要用于管理计算机的硬件资源，提供用户界面，运行和管理应用程序。常见的操作系统有Windows、麒麟操作系统和鸿蒙操作系统。2.语言处理程序语言处理程序是将用程序设计语言编写的源程序转换成计算机可以识别和运行的二进制目标程序，以便计算机能够识别和运行，从而获得程序预期结果。3.设备驱动程序（DeviceDrivers）设备驱动程序核心功能是作为操作系统与硬件设备之间的桥梁，使操作系统能够识别和控制硬件，如显卡驱动、网卡驱动、打印机驱动等。通常由硬件厂商提供，需与特定操作系统兼容。四、计算机软件系统（一）系统软件4.数据库管理系统（DBMS）数据库管理系统是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库。它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。数据库管理系统是一个能够提供数据录入、修改、查询的数据操作软件，具有数据定义、数据操纵、数据存储与管理、数据维护、通信等功能，且能够允许多用户使用。常用的数据库管理系统有MySQL、OracleDatabase、SQLServer等。5.服务性程序服务性程序也叫支撑软件，是为了帮助用户使用和维护计算机，提供服务性手段的一类程序。服务性程序是一类辅助性的程序，它可以提供辅助维护、优化或保护计算机系统的服务。随着技术的不断进步，应用领域的不断扩大，大量的服务性程序不断更新和涌现，有的还集成为组件或套件。常用的有磁盘工具（如分区工具）、清理工具（如清理垃圾文件工具）、安全工具（如杀毒软件）、备份工具等几种。四、计算机软件系统（二）应用软件应用软件是和系统软件相对应的，是为满足用户不同领域、不同问题的应用需求而提供的那部分软件。应用软件是为完成特定任务而设计的软件，直接面向用户。常用的应用软件主要有：1.办公软件2.专业图像处理与设计软件3.浏览器与网络工具4.学习与教育软件第3节计算思维一、计算思维（一）计算思维的发展20世纪80年代，麻省理工学院的西摩·帕尔特（SeymourPapert）教授提出了影响深远的“建构主义”学习理论，并为此设计了Logo编程语言。帕尔特洞察到，编程并非仅仅是职业技能，更是一种强大的思维训练工具。他主张，儿童通过向计算机下达指令来创造图形或解决问题时，实际上是在学习如何将一个目标分解为具体的步骤，如何调试错误，以及如何系统性地思考。这种“通过编程来学习思考”的理念，为计算思维作为一种普适性技能的观点埋下了重要的伏笔。2006年，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》上发表了题为《计算思维》的标志性文章，正式将这一概念推向了学术界和公众视野。她明确指出：“计算思维是一种普适思维方法和基本技能，所有人都应该积极学习并使用，而非仅限于计算机科学家。”这一论断极大地拓宽了计算机科学的边界，强调了其思维方式对于所有人的普遍价值。一、计算思维（二）计算思维的定义计算思维（ComputationalThinking，CT）是运用计算机科学领域的基础概念、思想体系与核心方法，进行问题求解、系统设计乃至理解人类复杂行为的一系列高阶思维活动。正如数学家通过逻辑与符号构建严谨的数学思维，工程师凭借约束与优化形成系统的工程思维，计算思维则是计算机科学家在人机交互、利用计算能力解决现实世界挑战时所秉持的独特思维范式与系统方法论。它贯穿于从问题描述、模型构建、算法设计到最终实现与验证的全过程。一、计算思维（三）计算思维的特征计算思维的独特性体现在以下六个互相关联的特征上：1.概念化，而非程序化2.根本的，而非刻板的技能3.人的，而非计算机的思维4.数学与工程思维的互补与融合5.是思想，而非人造品6.面向所有人、所有地方一、计算思维（四）计算思维的本质从本质上看，计算思维是一种超越了简单编程技能的高级认知过程和系统化的问题解决方法论。其核心在于，通过一套结构化、模块化的思考方式，将现实世界中模糊、复杂、非结构化的问题，转化为可定义、可分析、可计算的模型，并最终设计出自动化或半自动化的解决方案。计算思维就像连接人类思维两种极端特性的桥梁：一端是人类特有的、充满模糊性、直觉性和创造性的思考；另一端则是计算机所要求的、绝对精确、形式化和逻辑化的执行。因此，计算思维的本质并非仅仅是“技术”，而是一种“元认知能力”——即“思考如何思考”的能力。它教会我们如何选择合适的抽象层次，如何设计有效的分解策略，如何评估不同算法的优劣，从而系统性地驾驭复杂性。二、问题求解方法计算思维提供了一套系统化、结构化的问题求解框架，其核心在于灵活运用一系列认知策略。接下来，首先对计算思维的问题求解框架进行介绍。然后，为了更具体地理解这些方法，我们将以一个相对复杂的案例来展示这套框架的用法：为社区老人设计并实施一套个性化的防跌倒干预方案。（一）分解分解是应对复杂问题的第一步，其思想源于经典的“分而治之”。它要求我们将一个庞大、令人望而生畏的整体问题，拆分成一系列更小、更易于理解和解决的子问题。每个子问题都应该比原问题更简单，并且可以被独立或半独立地分析和解决。当所有子问题都被解决后，将它们的解决方案组合起来，便构成了对原问题的完整解答。二、问题求解方法（二）抽象抽象的核心是抓住问题的本质，忽略与问题核心无关的细节，从而达到简化问题的目的。抽象具有层次性，在不同的分析层面，我们需要关注的细节程度是不同的。有效的抽象能够帮助我们从海量信息中提炼出关键变量和它们之间的关系。（三）算法设计算法是计算思维的核心环节，它要求为解决问题设计出一系列清晰、明确、无歧义、有序且可执行的步骤。一个完备的算法包含输入、处理过程和输出。其内部逻辑通常由三种基本结构构成：顺序结构（按部就班执行）、选择（分支）结构（根据不同条件执行不同路径，如IF-THEN-ELSE）、循环结构（重复执行某项任务，如FOR、WHILE）。算法的无歧义性确保了任何执行者（人或机器）都能得到相同的结果。二、问题求解方法（四）调试调试是对已设计的解决方案进行系统性检测、验证和修正的过程，其目标是发现并消除其中的错误或低效之处。调试的本质是一种基于证据的批判性反思。它包括静态检查（逻辑审查）和动态测试（实践检验），通过分析预设目标与实际结果之间的偏差来定位问题根源。（五）迭代迭代是一种对解决方案进行持续改进和螺旋式上升的优化过程。通过“设计−执行−调试−修正”的循环，我们设计出的解决方案在正式实施前不断地被完善以得到最佳效果。（六）泛化泛化是对问题求解经验的升华，即在解决具体问题的过程中，发现其内在的共性与规律，并将已有的解决方案或策略推广应用于其他相似问题。二、问题求解方法（七）案例解析为社区老人设计并实施一套个性化的防跌倒干预方案：1.分解任务，形成几个关键的子问题：（1）风险因素评估：识别并量化导致老年人跌倒的个体风险因素；（2）居家环境筛查：系统性地检查老年人居住环境中的潜在危险；（3）个性化干预方案设计：根据评估结果，为每位老人制定个性化的干预措施；（4）健康教育：对老年人及其照护者进行防跌倒知识和技能的培训；（5）实施与追踪监测：执行干预措施，并持续追踪其效果及老人的健康状况；（6）效果评估与数据分析：定期分析数据，评估整个方案的有效性。通过分解，原先模糊的目标变得清晰、可执行，并为跨学科团队的协同工作提供了明确的接口和分工。二、问题求解方法（七）案例解析2.在分解出的子问题风险因素评估中，由于不可能为社区里的每一位老人都从零开始设计一套完全独特的方案，这时就需要抽象。可以根据评估数据，将老年人群体抽象为几个典型的“跌倒风险画像”模型，例如：画像A：“低风险活跃型”，特点为行动自如、无重大慢性病、有定期锻炼习惯；画像B：“中风险居家型”，特点为有骨质疏松或关节炎、视力下降、使用单种降压药、独居；画像C：“高风险复合型”，特点为有跌倒史、患有帕金森或轻度认知障碍、服用多种影响精神状态的药物。通过这些抽象的风险画像，忽略了老人所住楼层、饮食偏好等非核心信息，聚焦于与跌倒风险最直接相关的属性组合，从而使大规模、标准化的干预成为可能。二、问题求解方法（七）案例解析3.为了将评估结果精准地匹配到干预方案上，可以设计一个个性化防跌倒干预方案生成算法见右侧：模型如果出现问题时，要及时修正。当需要开展新项目（老年糖尿病足预防或高血压慢病管理等）时，不必从零开始，而是在这个通用模型的基础上，快速、科学地设计出全新的个性化健康管理方案。算法生成个性化防跌倒干预方案输入老年人评估数据（包含病史、用药、步态、环境等信息）输出个性化干预方案步骤风险分数=根据(老年人评估数据)进行计算(该跌倒风险评估总分30分，按病史（0–14分：跌倒史权重最高并含眩晕/体位低血压与下肢无力加分）、用药（0–8分：≥5种用药与任一高风险药各计1分，最高8分）和环境（0–8分：列举常见居家危险因子逐项1分至8分）三维度计分，分数越高风险越大，并按分数<10、≥10至<25、≥25分为低、中、高风险。)如果风险分数<10：分配画像为"低风险活跃型"否则如果风险分数>=10且风险分数<25：

分配画像为"中风险居家型"

否则

分配画像为"高风险复合型"

结束如果结束如果步骤干预方案=根据所分配的画像生成基础方案如果老年人评估数据包含多重用药情况：

在干预包中额外添加药剂师用药审