1.1计算思维概述1.5
919141-C语言程序设计教程——面向计算思维和问题求解-第1章-新
常用的计算方法： 离散化方法：通过极限方法、逼近方法
等基本思想和方法，把连续的数学问题转 化为离散问题来处理。
递推方法：构造关于离散变量之间的计
算公式，并由某个离散变量的值逐步推 导出所有离散变量的值。
1.2 计算原理与模型
1.2.3 数值计算
常用的计算方法： 逼近方法：是指用四则运算来进行计算
语言程序设计教程
面向计算思维和问题求解
第1章 计算思维与程序设计
【本章要点】
计算思维 计算原理与模型 计算思维与问题求解 C语言求解问题初步
著名的计算机科学家、1972年图灵奖得 主Edsger Dijkstra说过的一句话“我们所使 用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯， 从而也将深刻地影响着我们的思维能力。”
➢ 计算思维建立在计算过程的能力和限制之上， 由人和机器执行；
➢ 计算思维中的抽象完全超越物理中的时空观， 以致完全用符号来描述。
计算思维本质：
基于可计算的、以定量化方式求解问题的一种思维过程；是通过约简、 嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题重新描述成一个成熟的解决 方案和求解它的思维方法。
1.1 计算思维
1.2 计算原理与模型
1.2.1 计算原理
可计算性理论的特点：
➢ 确定性，对给定的初始条件，一定会有相 应的输出结果。
➢ 能在有限时间内，在有限设备上执行。 ➢ 每一个计算过程的执行都是“构造性”的，
且可以被精确的描述。 ➢ 计算过程可以用数学语言和自然语言来描
述。
1.2 计算原理与模型
1.2.2 计算模型
思维的三大特征：
➢ 概括性：将一类事物的共同、本质的特征和 规律抽象出来，加以归纳与概括。
1、了解计算思维与程序设计2、认识程序的三种基本结构
等都作为运算符处理。数据结构丰富，C 的数据类型有整型、实型、字符型、数组类型、 指针类型、结构体类型、共用体类型等，能实现各种复杂数据类型的运算。并引入了指针 的概念，使程序效率更高。
4）编程效率高、应用范围广 C 语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作；C 语言程序生成代码 质量高，程序执行效率高；C 语言适用范围大，可移植性好。
c=2*PI*r;
s=PI*r*r; printf("circum=%f\n",c); printf("area=%f\n",s); C 程序结构说明：
（1）C 源程序 用 C 语言编写的程序称为 C 语言源程序（Source Program），C 语言源程序文件的后 缀为“.c”。 （2）C 函数(Function) 函数是构成 C 源程序的基本单位。一个函数由函数首部（Head）和函数体(Body)两 部分组成。 （3）主函数(main) 任何一个 C 程序中有且只能有一个 main 函数，也称为主函数。C 程序总是从主函数 开始执行，并且结束于主函数。 （4）语句和输出语句 C 语句以分号(;)作为结束标志。 printf(“...\n”);是一个输出语句。实现程序的输出。 （5）头文件包含与标准库函数 #include <stdio.h>是一个头文件包含命令。 （6）注释 “/*……*/”是注释符号，必须成对出现。两者之间的所有字符（可以是多行）均为注 释文字。注释增加程序的可读性，不作为程序代码运行。 （7）C 语言程序严格区分大、小写英文字母。 （8）输入函数
CH1计算机与计算思维概述
二、存储器
• 存储器(memory)是用来存储程序和数据的部件。 对存储器既可以进行“读”（取数）、“写” （存数）操作。 • 衡量存储器的性能指标有： 存储容量 存储速度 价格 • 存储器技术在不断发展，存储器容量越来越大、 存取速度越来越快、价格越来越低、体积越来越 小、耗电越来越省，就连使用寿命也越来越长。
?有的电磁感应笔其基板能感应出用户写字过程中在笔尖上用力的变化并将压力的大小例如分为512级传送给主机主机就能在荧屏上显示出笔迹的粗细这样就更接近于真正的笔在书写时的感觉这就是所谓的压力感应笔它在签名识别绘画中很有用
第1章 计算机与计算思维概述
1.1 计算机系统组成
• 硬件系统 • 软件系统
硬件系统
安腾(Itanium)处理器： 64位开拓者 瞄准高端企业市场，运行的系统一般是UNIX系统 高性价比，性能卓越，更低功耗
Itanium 2被大量用在需要计算的超级电脑上， 以及大型公司的Байду номын сангаас据库系统
Intel Atom是Intel历史 上体积最小和功耗最小 的处理器。 下一代ATOM芯片： 进军移动通讯领域
取 出 指 令
操 作 信 号
反 馈 信 号
一、 CPU
• 运算器和控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。 • 它是计算机的核心部件。 • CPU的具体任务是执行指令，它按照指令 的要求完成对数据的基本运算和处理。 • CPU主要由运算器、控制器、寄存器和高 速缓冲存储器（cache）等组成。
三、输入设备
• 输入(Input)设备能把程序、数字、图形、图像、 声音、控制现场的模拟量等数据，通过输入接口 转换成计算机可以接收的电信号。 • 常用的输入设备有键盘、鼠标器、操纵杆、卡片 输入机、纸带输入机、光笔、语音识别装置、数 字化仪、扫描仪、条形码阅读器、磁墨水字符阅 读机、光学字符阅读机(Optical Character Reader,OCR)、调制解调器(modem)及各种模/数 (A/D)转换器等。
山东专升本计算机(2024新版大纲新增)--计算思维(程序设计)
计算思维的基本特征是数学和工程思维的互补与融合计算机科学本质上源自数学思维和工程思维，像其它，计算机系统的目标是创造能与现实世界互相的系统。是思想，不是人造物计算思维不只是我们生产的软硬件以物理形式到处呈现并时刻触及 我们的生活，更重要的是还体现了人类用以接近和求解问题，管理日常 生活、与他人交流互动的计算思想。
1.2 计算思维在社会生活中的应用准备去旅行时，提前将所需的衣物、洗漱用品等放入行李箱，这就是一种预置行为预置；当你使用手机或电脑浏览网页时，浏览器会将已经访问过的网页内容暂时存储在缓存中，以便下次再次访问相同的网页时能够更快地加载。这就是一个日常生活中常见的缓存；当你在迷宫中迷路时，你可能会使用回溯策略来找到出口；在超市付账时，你应该选择哪个队伍排队，可以涉及到计算思维中的“最优化” ；当你对智能手机说出指令或问题时，比如“设置提醒我明天早上8点起床”，智能手机的语音识别系统会录下你的声音并将其转换成文本。在这个过程中，神经网络可能会用于语音的识别和理解；
2.4 典型问题求解策略3、递归算法递归算法是把问题转化为规模缩小了的同 类问题的子问题，然后通过递归调用函数或过程来表示问题的解。递归算法是一个程序或函数直接或间接调 用自己本身。示例：汉诺塔问题斐波拉契数列
计算思维导论01-计算思维和计算
计算与自动计算
2．计算科学的基本问题 计算科学的基本问题是“什么能够被有效地自动计算， 什么不能被有效地自动计算？” (1)哪些问题可以在有限时间和有限空间内自动计算，计 算的时间和空间复杂度怎样？ (2)通过人类的各种思维模式，如何设计有效的计算方法 ，以减少计算的时间和空间复杂度。
1.3 计算工具的发展史
2．计算机的雏形——机械式计算器
1. 机械式计算器可以自动完成计算，操作者不需要了解 算法.
2. 1642年，帕斯卡加法器 3. 1673年，莱布尼兹乘法器 4. 1822年，差分机 5. 库塔（Curta）
3．电子计算机
1. 电子计算机能够自动自动存储数据，能够理解和自动 执行任意的复杂规则，能进行任意形式的计算。
1 计算思维和计算
天津科技大学 计算机公共基础系
1
目录
1.1 计算思维概述 1.2 计算与自动计算 1.3 计算工具的发展史
1.1计算思维概述
计算思维是指计算机、软件以及计算相关学科的科学家 和工程技术人员的思维方法。
计算思维定义
美国CMU大学周以真教授： 计算思维是运用计算科学的基础概
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。
1.3.2 元器件的发展
1. 元器件发展中经历了电子管、晶体管、集成电路三个 阶段
第1章 计算、计算机与计算思维
第12次人口普查共做了6300万人的调查登记，1个
月就完成了统计制表工作。 制表机穿孔卡第一次把数据转变成了二进制信息。 被称为“数据处理”之父。 创办CTR公司，后改名为国际商用机器公司IBM。
河北农业大学 信息科学与技术学院
第24页
2. 机电式计算机---艾肯的继电器计算机
1937年，哈佛大学博士艾肯（1900-
河北农业大学 信息科学与技术学院
第16页
2. 圆周率的计算史
（6）总结
Π值
计算 方法
相辅相成
共同促进
计算机
河北农业大学 信息科学与技术学院
第17页
1.2 计算机
计算机的发展历程
手动式 计算工具 电子 计算机
计算 工具
机械式 计算工具 机电式 计算机
河北农业大学 信息科学与技术学院
第18页
1.2.1 计算机文化
1991年，为纪念巴贝奇诞辰 200周年，伦敦科学博物馆采 用18世纪的技术设备，制作了 完整的差分机。
河北农业大学 信息科学与技术学院
第23页
2. 机电式计算机---霍列瑞斯的制表机
起因：1880年，美国举行全国性人口普查。手摇计 算机“摇”得满头大汗，一天也算不出几张表格。 这次人口调查统计制表工作花了7年半的时间。 1888年，霍列瑞斯发明了他的制表机。1890年的
Π =3. 14159265358979323846264338327950288419716939937510 58209749445923078164062862089986280348253421170679 82148086513282306647093844609550582231725359408128 48111745028410270193852110555964462294895493038196 44288109756659334461284756482337867831652712019091 45648566923460348610454326648213393607260249141273 72458700660631558817488152092096282925409171536436 78925903600113305305488204665213841469519415116094 3305727036575959195309………….
计算思维导论
第1章引论本章要点：1.什么是计算；2.计算机科学与计算科学的区别；3.来自计算机发展史的启示；4.计算机应用；5.计算机发展趋势。
1.1 什么是计算？简单计算，如我们从幼儿就开始学习和训练的算术运算，如“3 + 2 = 5”“3 2 = 6”等，是指“数据”在“运算符”的操作下，按“规则”进行的数据变换。
我们不断学习和训练的是各种运算符的“规则”及其组合应用，目的是通过计算得到正确的结果。
广义地讲，一个函数如“”把x变成了f(x)就可认为是一次计算，在高中及大学阶段我们不断学习各种计算“规则”并应用这些规则来求解各种问题，得到正确的计算结果。
如对数与指数、微分与积分等。
“规则”可以学习与掌握，但应用“规则”进行计算则可能超出了人的计算能力，即人知道规则但却没有办法得到计算结果。
如何解决呢？一种办法是研究复杂计算的各种简化的等效计算方法(数学)使人可以计算，另一种办法是设计一些简单的规则，让机械来重复的执行完成计算，即考虑能否用机械来代替人按照“规则”自动计算。
例如：能否机械地判断方程“a1x1b1+a2x2b2+…+a n x n b n = c”是否有整数解?”，即机械地证明一个命题是否有解? 是否正确?类似的上述问题，促进了计算机科学和计算科学的诞生和发展，促进了人们思考：◆什么能够被有效地自动计算？现实世界需要计算的问题是很多的，哪些问题是可以自动计算的，哪些问题是可以在有限时间有限空间内自动计算的？这就出现了计算及计算复杂性问题。
以现实世界的各种思维模式为启发，寻找求解复杂问题的有效规则，就出现了算法及算法设计与分析问题。
例如观察人的思维模式而提出的遗传算法、观察蚂蚁行动的规律而提出的蚁群算法等。
◆如何低成本、高效地实现自动计算？如何构建一个高效的计算系统：计算机器的构建问题和软件系统的构建问题。
◆如何方便有效地利用计算系统进行计算？利用已有计算系统，面向各行各业的计算问题求解。
什么能、且如何被有效地自动计算问题就是计算学科的科学家不断在研究和解决的问题。
计算思维概述
计算思维概述计算思维是一种以计算机科学为基础的思维方式。
它强调问题的分解、抽象和模式识别能力。
通过将复杂的问题分解为更小的子问题，然后通过抽象和模式识别找到问题的规律和解决方法，计算思维能够帮助我们更高效地解决问题。
与传统的思维方式相比，计算思维更注重算法和逻辑的运用，能够帮助我们从更科学的角度思考和解决问题。
计算思维具有以下几个重要特点。
首先，它强调问题的分解和抽象能力。
通过将复杂的问题分解为更小的子问题，然后通过抽象将问题简化为更易于理解和解决的形式，计算思维能够帮助我们更好地理解和解决问题。
其次，计算思维注重算法和逻辑的运用。
通过运用算法和逻辑的方法，我们可以找到问题的规律和解决方法。
再次，计算思维强调模式识别能力。
通过识别问题中的模式和规律，我们可以更好地理解问题和找到解决方法。
最后，计算思维注重问题的优化和效率。
通过运用计算思维的方法，我们可以寻找问题的最优解和最高效的解决方法。
计算思维在各个领域中都有着重要的应用。
在计算机科学领域中，计算思维是培养程序设计和算法分析能力的基础。
通过运用计算思维的方法，我们可以更好地理解和解决计算机科学中的各种问题。
在日常生活中，计算思维可以帮助我们更好地理解和解决各种问题。
比如，在解决实际问题时，我们可以通过分解问题、抽象问题和运用算法和逻辑的方法，找到问题的解决方案。
在其他学科中，计算思维也有着广泛的应用。
比如，在数学中，我们可以通过计算思维的方法，更好地理解和解决数学问题。
在自然科学中，计算思维可以帮助我们更好地理解和解决科学问题。
计算思维的重要性不仅在于它能够帮助我们解决问题，更重要的是它能够培养我们的逻辑思维和创新能力。
计算思维需要我们运用逻辑和算法的方法来解决问题，这不仅可以提高我们的逻辑思维能力，还可以培养我们的创新能力。
通过分解和抽象问题，我们可以找到问题的规律和解决方法，从而培养我们的创新能力。
此外，计算思维还可以帮助我们培养解决问题的耐心和毅力，提高我们的问题解决能力。
第一讲 计算思维概述
问题求解中的计算思维
实用文档
• 有铺一座路城问市题需
要铺路，不仅 每栋房子都能 沿着铺好的道 路到达其他所 有的房子，而 且用的石砖最 少。
• 设有三栋房子
和三条路，哪
些路是必须要
铺上石砖的？
பைடு நூலகம்
实用文档
• 如果是5栋房子？
1
2
3
4
5
实用文档
B
A
C
D 1E
实用文档
警察抓小偷
警察局抓了a，b，c，d四名偷窃嫌疑犯，其 中只有一人是小偷，审讯记录如下：
•“计算思维”是美国卡内基梅隆大学周以真教授提出的一种 理论。 •周以真认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解 问题、设计系统和理解人类行为，它涵盖了计算机科学的一 周M系以. 列W真i思n（g维英，文活）名，动J美e。a国nn计e算tte
机科学家。卡内基-梅隆大 学教授。美国国家自然基金 会计算与信息科学工程部助 理部长。ACM和IEEE会士。
实用文档
计算思维的特性
4 数学和工程思维的互补与融合。
计算机科学在本质上源自数学思维，构建虚拟世界的自 由使我们能够超越物理世界去打造各种系统。
实用文档
计算思维的特性
5 是思想，不是人造品。
面向所有的人，所有地方
不只是我们生产的软件、硬件等人造品将以物理形式 到处呈现并时时刻刻触及我们的生活，更重要的还有将我 们用以接近和求解问题、管理日常生活、与他人交流和互 动时计算性的思想；而且，面向所有的人，所有地方。
囚徒困境——博弈策略建模
石头剪刀布游戏的博弈模型
•石头剪刀布是一种相互制约的多元博弈游戏，它是最平衡
的游戏。
简述计算思维的概念
简述计算思维的概念计算思维是指运用计算机科学原理和方法，以逻辑思维为基础，利用计算机和信息技术解决问题的一种思维方式。
计算思维强调通过分析、抽象、建模和算法设计等方法，将问题分解为一系列可计算的步骤，从而寻求解决问题的有效策略。
计算思维具有广泛的应用领域，不仅仅局限于计算机科学领域，适用于各个学科和领域。
计算思维的核心是分析和抽象能力。
分析能力是指将复杂问题分解为简单的子问题，以便于逐步解决。
抽象能力是指将问题抽象成通用的模型或概念，以便进行问题的建模和算法设计。
在计算思维中，分析和抽象相辅相成，帮助我们更好地理解问题的本质和结构，并找到解决问题的方法和策略。
计算思维还强调算法设计能力。
算法是一系列解决特定问题的步骤和规则，可以用来实现其中一种功能或达到一些目标。
通过学习和掌握算法设计的基本思想和技巧，我们可以更好地解决各种实际和抽象的问题。
算法设计能力涉及到问题的建模、选择合适的数据结构和算法、考虑边界条件和复杂度等方面，是计算思维中的重要组成部分。
在计算思维中，还有一项重要的概念是信息处理。
信息处理是指利用计算机和信息技术来处理和管理信息，包括获取、存储、传输和分析等方面。
计算机作为信息处理的工具，可以帮助我们更好地处理和利用大量的信息，提高工作效率和决策质量。
信息处理能力是计算思维中必不可少的一项技能，对于解决实际问题和提高工作效率具有重要意义。
计算思维的培养与发展是一个系统的过程。
在教育领域，计算思维已成为一个重要的教学目标。
通过系统的计算思维教育，可以培养学生的逻辑思维、创造力、问题解决能力和合作精神等综合素质。
同时，计算思维的培养也需要结合具体的学科和领域，将计算思维与学科知识相结合，形成综合的学习和应用能力。
计算思维的应用广泛，适用于各个领域和学科。
在自然科学领域，计算思维可以帮助科学家进行数据分析、模拟实验和建立模型，推动科学研究的进展。
在工程领域，计算思维可以用于设计和优化复杂系统、解决实际工程问题，提高工程项目的效率和质量。
1 计算思维概述
国内计算思维的研究
2010年，成立了九校联盟，发表了C9联盟声明
召开各种规模的、各种形式的论坛、报告会 院士、专家挂帅进行研讨，请来了周以真做报告
2012年教育部设立了以计算思维为切入点的“大学计算机课程改革项 目”
2013.7第二届计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会
哈尔滨会议，教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会 发布“计算思维教学改革白皮书(征求意见稿)”
1.1 科学与科学思维
2）科学思维的分类 对应的三大科学研究的思维是理论思维、实验思维和计算思维。 理论思维： 又称推理思维，以推理和演绎为特征，以数学学科为代表。 实验思维： 又称实证思维，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： 又称构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。
例4 装箱问题模拟
问题：用尽可能少的箱子装下若干物体
#include <stdio.h> main() { int i, j, Cur, N, Max=0; static int S[1001]; scanf("%d", &N); for(i=1; i<=N; i++) { scanf("%d", &Cur); for(j=1; j<=N; j++) if (S[j]+Cur <=100) break; S[j] += Cur; if (j>Max) Max=j; printf("%d %d\n", Cur, j); } printf("%d\n", Max); }
名 人 名 言 马克思：一门学科，只有运用了数学才算是成熟了的学科。 H.Davy：没有什么比应用新工具更有助于知识的发现。在 不同的时期，人们的业绩不同，与其说是他们天赋智能所 致，倒不如说是他们所拥有的工具和软资源不同所致。
计算思维基础知识 第一章
计算思维 基础知识
1.3 计算思维的概念
②设计系统中的计算思维 R.Karp认为：任何自然系统和社会系统都可 视为一个动态演化系统，演化伴随着物质、能量 和信息的交换，这种交换可以映射为符号变换， 使之能用计算机进行离散的符号处理。 当动态演化系统抽象为离散符号系统后，就 可以采用形式化的规范描述，建立模型、设计算 法和开发软件来揭示演化的规律，实时控制系统 的演化并自动执行。
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
计算学科是在数学和电子科学基础上发展起 来的一门新兴学科，它既是一门理论性很强的学 科，又是一门实践性很强的学科。
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
三、计算机科学与计算机学科
计算机科学/Computer Science：研究计算机及 其周围各种现象和规律的科学。 分类：理论计算机科学、应用计算机科学。 计算机学科/Computer Discipline：即计算机科 学与技术，它是研究计算机的设计与制造和利用计算 机进行信息获取、表示、储存、处理、控制等的理论、 原则、方法和技术的学科。 计算机科学侧重研究现象与揭示规律。计算机技 术侧重研制计算机及使用计算机进行信息处理的方法 和技术手段。
二、科学思维 科学思维：指理性认识及其过程，即经过感 性阶段获得的大量材料，通过整理和改造，形成 概念、判断和推理，以便反映事物本质和规律。
简而言之，科学思维是人脑对科学信息的加工活动。 科学思维的主要表现： ①科学的理性思维 ②科学的逻辑思维 ③科学的系统思维 ④科学的创造性思维
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计算思维 基础知识
计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
计算机思维基础-计算思维概述
《计算思维基础》第1章 计算思维概述 山东省临沂第一中学&临沂大学信息科学与工程学院联合开发内容提要1计算工具与思维方法2计算思维的发展3计算思维的概念4计算思维的结构5学习计算思维的必要性人类进行运算时所运用的工具，也经历了由简单到复杂，由低级向高级的发展变化。
计算的需求推动着计算工具的发展，计算工具的发展使得计算更科学、更先进。
反映了人类认识世界、改造世界的艰辛历程和广阔前景。
算盘纳皮尔算筹计算尺机械计算机 帕斯卡加法器 机械计算机 帕斯卡加法器乘法器雅各织布机差分机分析机1.4 思维与计算思维•思维活动的具有三个关键特点：•1）思维活动的载体是语言和文字，不通过语言和文字表达出来的思维是无意义的。
•2）思维的表达方式必须遵循一定的格式，需要符合一定的语法和语义规则。
只有符合语法和语义规则的表达才能被其他人所理解。
•3）为了使别人相信自己的思维结论，必须采取合理的表达方式，说明获得结论的理由，以使别人不去重复思维的过程而相信你的结论。
这就是思维逻辑。
•符合这样三条原则的思维模式大体上可以分为三种：•1）以观察和归纳自然（包括人类社会活动）规律为特征的实证思维。
•2）以推理和演绎为特征的逻辑思维。
•3）以抽象化和自动化为特征的计算思维。
计算思维中的抽象化与数学（逻辑思维）的抽象化有不同的含义。
• 计算思维的抽象化不仅表现为研究对象的形式化表示，也隐含这种表示应具备有限性、程序性和机械性。
有的学者也把形式化、程序化和机械化作为计算思维的特征。
这三种思维模式各有特点，相辅相成，共同组成了人类认识世界和改造世界的基本科学思维内容。
• 实证思维起源于物理学的研究，集大成者的代表是伽利略、开普勒和牛顿。
开普勒是现代科学中第一个有意识地将自然观察总结成规律，并把这种规律表示出来。
伽利略建立了现代实证主义的科学体系，强调通过观察和实验（实验是把自然现象单纯化，以保证可以仔细研究其中的一个局部）获取自然规律的法则。
计算思维概述
7
1.1.1 计算工具的国内起源
• 现代计算思维最集中体现和最典型特征之一，就是“完备 的计算系统必须是软硬件结合的系统”，计算机如此，手 机也如此。而早在几千年前，中国的先民们就掌握了这一 思想。人们通过熟记相关口诀，然后以古算具为工具，来 进行一些简单的数学计算。这个阶段的计算思维被称之为 中国古代计算思维。如中国唐末盛行的珠算就是这样的计 算系统：算盘即硬件，珠算口诀即软件。 • 当然，体现计算思维这一思想的不仅仅是珠算，还包括更 早的中国古算具——算筹。
8
祖冲之与最古老的计算工具——算筹和算盘，以及记载有算筹和算盘口诀算法的《数术记遗》
9
• 算盘结合了十进制计数法和一整套计算口诀。明朝以后， 算盘传至日本、朝鲜，继而在世界各地流传开来，并出现 了许多变种。珠算被称之为我国“第五大发明”，至今仍 在加减运算和教育启智领域发挥着电子计算机无法替代的 作用。吴文俊院士认为：“数学机械化思想来源于中国古 算”。对筹算而言，珠算可以更加突出我国古代数学算法 机械化特色。珠算充分利用汉语单字发音特点，将几个计 算步骤概括为若干字一句的珠算口诀，计算时呼出口诀即 可拨出计算结果，整个计算过程类似于计算机通过已编好 的程序来执行计算的过程，所以吴文俊教授将算盘算筹称 为“没有存储设备的简易计算机”。我们把中国古代计算 思维认为是处于萌芽时期的计算思维，这个阶段的计算思 维仅仅应用于解决数值计算问题，还未涉及到逻辑计算等 其他计算问题，而且还未建立起系统的理论和方法体系。
• 1.1 计算工具的发展
• 1.2 计算思维概述 • 1.3 计算思维案例分析
5
1.1 计算工具的发展
• 计算思维可以通过计算工具来实现。1972年图灵奖得 主Edsger Dijkstra说过：我们所使用的工具影响着我 们的思维方式和思维习惯，从而也深刻影响着我们的 思维能力。 • 一般而言，计算工具的目标是要实现快速计算、自动 计算。要实现此目标，需要解决4个问题：①数据的表 示；②数据的自动存储；③计算规则的表示；④计算 规则的理解和自动执行。所以，一个完备的计算系统 必须是软硬件结合的可快速自动化计算的系统。
第一章计算机与计算思维概述
第一章计算机与计算思维概述计算机与计算思维是现代社会中不可或缺的重要组成部分。
计算机科学的快速发展和计算机技术的广泛应用在很大程度上改变了人们的生活方式、思维方式和工作方式。
计算机可以被视为一种能够执行指令和处理数据的自动化机器。
它可以在极短的时间内完成复杂的计算和处理任务。
计算机的核心是中央处理器（CPU），它负责执行计算和控制计算机的各种操作。
计算机还包括内存、硬盘、输入输出设备等各种组件，这些组件协同工作，使得计算机可以完成各种任务。
计算思维是人们在解决问题时使用的一种思维方式。
它通过将问题分解为更小的子问题，利用逻辑推理和数学方法进行分析和解决。
计算思维强调思考问题的方法，而不是具体的处理结果。
计算思维的核心是算法，即一系列明确的步骤，用于解决特定问题。
计算机和计算思维的发展离不开数学的支持。
数学是计算机科学的基础，它提供了抽象和逻辑推理的方法。
数学的概念和方法在计算机科学中得到广泛的应用，如数据结构、算法设计等。
计算机和计算思维对人们的生活和工作产生了深远的影响。
计算机的广泛应用使得信息的获取和传递更加便捷和高效，人们可以通过互联网获取各种信息。
计算机还在生产和服务行业中得到广泛应用，如自动化生产线和机器人技术，它们提高了生产效率和质量。
计算机还为人们提供了很多娱乐和社交的方式，如电子游戏、社交网络等。
计算思维也对人们的思维方式产生了深刻的影响。
计算思维强调问题的分解和抽象，培养了人们的逻辑思维和系统思维能力。
计算思维还注重解决问题的方法和过程，强调探索和创新。
计算思维的培养有助于提高人们的问题解决能力和创新能力。
在现代社会中，计算机和计算思维已经成为一个国家和组织的核心竞争力。
各国政府和组织都在积极推动计算机科学的发展和计算思维的培养。
许多国家将计算机科学纳入教育体系，培养学生的计算思维能力。
许多技术公司也在积极开展相关的研究和开发工作，推动计算机技术的发展。
然而，计算机和计算思维也面临一些挑战和问题。
1.1计算思维概述1.5
14
EDVAC
大学计算机基础 培养计算思维
在ENIAC还没有完成时，1944年，它的设计
者们就开始了新的计算机的设计
1945年，冯•诺依曼提给出了“EDVAC报告的 第一份草案”(First Draft of a Report on the EDVAC)。确定了新机器有五个构成部分：
4
1.1什么是计算
大学计算机基础 培养计算思维
【讨论】什么是计算？
【例1-1】杂货店老板上个月的结余是多少？ 【例1-2】去年的平均气温是多少？ 【例1-3】有四个嫌疑人：
a说："我不是小偷。" b说："c是小偷。" c说："小偷肯定是d。" d说："c冤枉人！" 四人中有三人说的是真话，问到底谁是小偷？
算用于求解问题的函数。 y=f(x)
能不能确定，怎样确定加工过程，如何实现加工过程?
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2.可计算和不可计算
大学计算机基础 培养计算思维
如果一个函数，可以依据输入值和一定的计算 步骤，来确定其输出值，则称其为可计算的 （computable）；
而如果根据其输入找不到定义好的、一步一步 的过程来确定其输出值，这样的函数称为不可 计算的(uncomputable)
大学计算机基础 培养计算思维
1.什么是计算 2.计算工具的发展和电子计算机 3.计算科学 4.计算思维
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教学目标
大学计算机基础 培养计算思维
掌握如下概念和知识点
什么是计算？ 什么是可计算的，什么是不可计算的？ 历史上的计算工具与电子计算机有哪些共同的思想? 计算科学的根本问题有哪些？ 计算科学与计算思维对我们有什么影响？
计算机计算思维考试提纲知识点总结(青岛理工大学)
大学计算机考试知识点分布1.0第1章计算思维与计算机1.1计算思维概论1)了解科学研究的三大方法理论、实验、计算2)了解计算思维的本质抽象、自动化1.2计算机概述1)了解计算机发展的4个阶段及各阶段采用的主要逻辑部件电子管计算机时代（电子管）晶体管计算机时代（晶体管）中、小规模集成电路计算机时代（中、小规模集成电路）大规模和超大规模集成电路计算机时代（大规模集成电路）2)了解计算机的发展趋势巨型化、微型化、网络化、人工智能化、多媒体化3)掌握计算机的6个特点○1计算速度快○2计算精度高○3可靠性高○4具有逻辑判断功能、逻辑性强○5存储容量大○6自动化程度高1.3计算机存储程序工作原理1)了解指令的组成格式、指令的执行过程指令包括操作码和地址码。
操作码：表示一条指令的操作特性和功能，即指出进行什么操作地址码：规定操作数的值或地址、操作结果的地址及下一条指令的地址等指令的执行过程可分为取指令、分析指令、执行指令三个阶段。
一系列指令的执行过程实际上就是不断重复这三个阶段。
2)掌握计算机硬件系统的5个组成部分、各部分的组成和作用运算器：计算机中执行各种算术运算和逻辑运算的部件，也叫算术逻辑部件控制器：计算机的神经中枢和指挥中心，是指挥整个计算机各功能部件协调一致动作的部件存储器：计算机中具有记忆功能的部件，用于存储程序和数据，分为主存储器和辅助存储器输入设备：用于将程序和数据输入到计算机中的设备，如键盘、鼠标输出设备：用来将计算机处理的结果进行表示的设备，如显示器、打印机3)掌握存储程序的工作原理在计算机中设置存储器，将程序和数据存放到存储器中，计算机按照程序指定的逻辑顺序依次取出存储器中的内容进行处理，直到得出结果。
第2章计算机中的信息表示2.2信息在计算机中的表示1）掌握不同数制间数的转换（包括小数的转换和整数的转换）2）掌握信息的存储单位（位、字节，千字节(KB)、兆字节(MB)、吉字节(GB)、太字节(TB)，拍字节(PB)）以及之间的换算。
计算思维的基础知识
➢ 计算思维是利用启发式推理寻求解答,也即在不 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.
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计算思维 基础知识
计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
一、科学的概念
达尔文对科学定义：科学就是整理事实,从中 发现规律并做出结论.
达尔文的定义指出了 科学的内涵，即事实与规 律。科学要发现人所未知 的事实，并以此为依据， 实事求是。至于规律是指 客观事物之间内在的本质 的必然联系。
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
计算学科是在数学和电子科学基础上发展起 来的一门新兴学科,它既是一门理论性很强的学 科,又是一门实践性很强的学科.
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计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
三、计算机科学与计算机学科
计算机科学/Computer Science：研究计算机及 其周围各种现象和规律的科学.
实验思维又称实证思维,它以观察和总结自然规律 为特征,以物理学科为代表.
计算科学←→计算思维
计算思维又称构造思维,它以设计和构造为特征,以 计算机学科为代表.
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计算思维 基础知识
1.3 计算思维的概念
一、计算思维的定义
计算思维<Computational Thinking,CT>
周以真认为：计算思维是运用计算机科学的 基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为 的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动.
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第一章 信息技术与计算思维概述
华东师范大学计算中心 2013
补充讲义 1
第一节 计算思维概述
补充讲义下载地址： /test/ 课程：大学计算机 NO3_1概述
本章内容
大学计算机基础 培养计算思维
1.什么是计算 2.计算工具的发展和电子计算机 3.计算科学 4.计算思维
计算思维与问题求解
计算思维求解问题的手段： 抽象和自动化。 问题求解的步骤
大学计算机基础 培养计算思维
问题抽象化的描述，问题表示(如何建立模型) 寻找解决方案，问题求解（如何设计算法） 计算机实现过程，效率（如何有效地求解） 现实问题的延伸
计算思维与问题求解
大学计算机基础 培养计算思维
literacy, i.e., how to use Word and Excel or even Google programming, Programming 101 i.e., beyond Java
课程中的计算思维举例
大学计算机基础 培养计算思维
（1）计算机与信息社会 ◆从算盘到计算机的发展过程 是计算思维内容不断拓展的过程（从口诀到使用规则 ） ◆展示计算机的应用，培养计算思维的意识 了解计算机能做什么？只有想不到的，没有做不到的 （2）计算机系统 ◆用抽象和分解来控制庞杂的任务和设计复杂的系统 ◆Cache:预置和缓存的典型案例 ◆多核处理器：并行编程的典型案例 （3）数据在计算机中的表示 ◆ 计算机中表示问题的方法 （4）操作系统基础 ◆ 计算思维解决了计算机自身问题的同时； 也可解决各种应用问题。
计算机问题求解与程序设计课程
(1)学习程序设计方法是理解计算机的最好途径 。 (2)程序设计课程的内容也最能够体现语言级的 问题求解方法。是计算思维能力培养的重要内 容。 (3)对大多数非计算机专业的学生而言，学习程 序设计的目的是学习计算机分析和解决问题的 基本过程和思路。
计算思维不仅仅是程序设计
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教学目标
大学计算机基础 培养计算思维
掌握如下概念和知识点
什么是计算？ 什么是可计算的，什么是不可计算的？ 历史上的计算工具与电子计算机有哪些共同的思想? 计算科学的根本问题有哪些？ 计算科学与计算思维对我们有什么影响？
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1.1什么是计算
大学计算机基础 培养计算思维
图灵奖介绍
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1.2 计算工具的发展和电子计算机的诞生
大学计算机基础 培养计算思维
1.手工计算工具 算筹
算盘 计算尺 纳皮尔筹
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2.机械式计算工具
大学计算机基础 培养计算思维
盘式计算机 莱布尼茨计算机 巴贝奇的差分机 和分析机
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大学计算机基础 培养计算思维
巴贝奇的差分机和分析机 把多项式数值表的复杂算式转化为差分运算， 用简单的加法代替平方运算。
预置和缓存
大学计算机基础 培养计算思维
小学生早晨去学校时，她把当天需要的东西放进 背包； 回推 小男孩弄丢他的手套时，你建议他沿走过的路回 寻； 多服务器系统的性能模型 在超市付账时你应当去排哪个队呢？ 失败的无关性和设计的冗余性 为什么停电时你的电话仍然可用？
计算思维的应用领域
这一结构被称为冯•诺依曼结构，有此结构的 计算机统称为冯•诺依曼计算机。
提出：程序存储与程序运行的思想
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冯.诺依曼结构
大学计算机基础 培养计算思维
现代计算机的体系结构
命令和数据以二进制的形式存储在存储器中 五大模块
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大学计算机基础 培改进：
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如果一个函数，可以依据输入值和一定的计算 步骤，来确定其输出值，则称其为可计算的 （computable）； 而如果根据其输入找不到定义好的、一步一步 的过程来确定其输出值，这样的函数称为不可 计算的(uncomputable) 如果一个问题是可计算的，不管它有多复杂， 总能制造出一种机器对其进行求解。 而如果问题是不可计算的，意味着它超出了机 器的能力范围。
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大学计算机基础 培养计算思维
ENIAC的最大特点就是采用电子线路来执行算 术运算、逻辑运算和储存信息 ENIAC有如下的缺陷：
第一, 它按照十进制工作而非二进制 第二,它最初是为弹道计算而设计的专用计算机 第三, 它的存储容量太小,至多只能存20个字长10位 的十进制数
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EDVAC
课程中的计算思维举例
大学计算机基础 培养计算思维
（5）计算机网络基础与应用 ◆ 协议分层，域名体系：复杂问题的分解 ◆奇偶校验，csma/cd :冗余设计，系统恢复 ◆ 从买参考书、泡图书馆到网上求解问题答案， 标准的计算思维方法 ◆ 从商店购物到网上购物，从开设实店到网上开 店 （6）数据库技术基础 ◆ 设计一个数据库，本身就是抽象和分解的过程
大学计算机基础 培养计算思维
补充讲义
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计算思维是与形式化问题及其解决方案相关 17 November 2010 her research notes：CT: What and Why? 培养计算思维 大学计算机基础
2010,Jan Cuny, Larry Snyder, and Jeannette M. Wing, “Demystifying 的一个思维过程，其解决问题的表示形式应 CT for Non-Computer Scientists,” work in progress. “CT is the thought processes involved in formulating problems and 该能有效地被信息处理代理执行 their solutions so that the solutions are represented in a form that can be effectively carried out by an information-processing agent .” Informally, CT describes the mental activity in formulating a problem to admit a computational solution. The solution can be carried out by a human or machine, or more generally, by combinations of humans and machines.
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科学思维
大学计算机基础 培养计算思维
(1)科学就是整理事实，从中发现规律，作出结论（达尔文）
(2)理论科学、实验科学和计算科学作为科学发现三大支柱，正 推动着人文明进步和科技发展。
(3)一般而论，三种科学对应着三种思维：
理论科学 ←→ 理论思维： 理论思维又叫推理思维，以推理和演绎为 特征，以数学学科为代表。 实验科学 ←→ 实验思维： 实验思维又叫实证思维，以观察和总结自 然规律为特征，以物理学科为代表。 计算科学 ←→ 计算思维： 计算思维又叫构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表 。
大学计算机基础 培养计算思维
在ENIAC还没有完成时，1944年，它的设计 者们就开始了新的计算机的设计 1945年，冯•诺依曼提给出了“EDVAC报告的 第一份草案”(First Draft of a Report on the EDVAC)。确定了新机器有五个构成部分：
运算器、 控制器、 存储器、 输入和输出装置
大学计算机基础 培养计算思维
ENIAC诞生以来，随着组成逻辑电路的电子元件的发 展，将电子计算机的发展划分为：
第一代电子管时代， 第二代晶体管时代， 第三代集成电路时代， 第四代超大规模集成电路时代。 量子计算机 生物计算机
以后的发展
如今，计算机从体积上趋于小型化，性能上趋于巨型 化，功能上趋于网络化、智能化和综合化。
一是为了充分发挥电子元件的高速度而采用了二进 制； 二是实现了存储程序, 可以自动地从一个程序指令 执行到下一个程序指令, 其作业顺序可以通过一种 称为“条件转移”的指令而自动完成。 存储器和中央处理器之间的通路太狭窄 串行顺序处理的工作机制
冯· 诺依曼计算机也存在局限性
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计算机的发展
计算思维的提出
大学计算机基础 培养计算思维
2006年，美国卡内基· 梅隆大学的Jeannette M. Wing （周以真）教授首先提出计算思维（Computational Thinking）的概念。 定义：运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系 统设计、以及理解人类行为等的一系列思维活动。 观点：源自数学思维和工程思维的计算机思维，与阅 读、写作与算术能力一样，应成为人类的基本技能。 强调：计算思维是“人的，不是计算机的思维”，“ 计算思维是人类求解问题的一条途径，但决非试图使 人类像计算机那样去思考”。
它使每个可能的输入被赋予单一的输出。 对于一个给定的输入，确定其具体输出的值，这一过程称为 函数的计算。 通过对函数的计算，解决问题。 计算机科学的一个基本问题就是找到一种技术，并用其来计 算用于求解问题的函数。 y=f(x)
能不能确定，怎样确定加工过程，如何实现加工过程?
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2.可计算和不可计算
差分机结构和功能 三个寄存器 每个寄存器六位（10万） 自动计算 分析机结构和功能 存储器 运算室 操作控制器 条件转移 卡片输入 打印、制版、卡片
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