计算思维案例及平时成绩讨论题

1.5本章计算思维的典型案例
案例1：
计算作为人类文明的开端，从最远古的手指计数到中国古代的算盘计算到近代西方的纳皮尔算筹及帕斯卡机械式电脑，至当前的电子电脑的高速度计算，不管是计算方法还是计算工具都有了变革性的创新，计算也作为一种思维方式存在，并成为人类科学思维的重要一员。

从算盘到电脑的发展过程是计算思维内容不断拓展的过程。

现今，我们面临着一个问题：电脑能不能再快些？我们还能不能依靠单一的电子器件加快我们的“大脑”？从历史来看，机械到电子不但是材料的进步，也是思维方式的进步。

电脑发展，归根结底是计算思维的传承和发扬光大。

电脑的历史就像一个孩子的成长史，它已经经历了少年时期的疯长，进入了青年时期。

它还会有下一轮的飞速成长，但是要靠人类的智慧作为营养哺育它。

在不久的将来，我们会将电脑变成一个众多学科交叉结合而成的精灵。

而到那时，我们相信那个精灵传承和发扬的仍然是计算思维。

案例2：
抽象就是忽略一个主题中与当前问题(或目标)无关的那些方面，以便更充分地注意与当前问题(或目标)有关的方面。

通过抽象，人们可以从众多的事物中抽取出共同的、本质性的特征，舍弃其非本质的特征。

抽象是一种从个体把握一般、从现象把握本质的认知过程和思维方法。

在本章中介绍了图灵机模型，它是一个抽象的计算模型。

图灵把他的计算模型抽象成一种非常精简的装置：一条无限长的纸带、一个读写头、一套控制读写头工作的规则、一个状态寄存器。

有了图灵机这一抽象模型，我们可以得到很多本质的规律，通过抽象我们能够抽取事物的本质特性、忽略烦琐的细节，在抽象的模型上进行科学研究，有助于发现事物的内在规律。

虽然图灵机是现代电脑的数学模型，但它不等同于实际的电脑，如何设计实际可用的电脑系统，也需要抽象的思维。

在第3章中介绍的冯·诺依曼体系结构就是对现代电脑体系结构的一种抽象认识。

本章小结与思考
本章通过对计算技术的发展起到关键作用的人物和事件的介绍，回忆了电脑的发展简史。

从电脑的起源开始，介绍电脑系统的发展历程及未来可能的发展趋势。

介绍了科学技术的发展特别是电子器件的发展在电脑发展中的重要作用。

了解了电脑的“存储程序方式”和采用二进制思想。

电脑是20世纪最伟大的发明之一。

计算技术从简单到复杂，经历了漫长的发展过程，但最近20余年却取得了飞速的进展。

这里面蕴含了其自身的规律性，值得深刻领悟。

电脑及电脑网络的应用己使人类社会的各个领域都发生了翻天覆地的变化，计算和电脑的应用己经无处不在。

信息作为继物质和能源之后的第三类资源，它的价值日益受到人们的重视。

在电脑渗透到社会各行各业的今天，每一名大学生都应该接受信息技术教育，应该具有“获取信息、分析信息、加工信息”的基础知识和实际能力。

计算思维是运用电脑科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它包括了涵盖电脑科学之广度的一系列思维活动。

计算思维的本质是抽象和自动化。

计算思维代表
着一种普遍的认识和一类普适的技能，因此每个人都应热心于计算思维的学习和应用。

电脑作为一种工具，既然为人类所广泛使用，它必将对人类的思维产生影响。

电脑赖以运行的思想和方法也将从后台进入前台，走进人类的生活，成为人类工作和生活有力助手。

如同所有其他学科一样，计算学科也有自己的认识和处理世界事物的方法学。

未来，计算思维必将随着计算学科的发展而不断丰富和完善。

学习完本章后，请思考并讨论以下提出的几个问题：
1．你认为一个学生应具有什么样的信息素养，才能在未来的职业生涯中具有较强的竞争力？这些竞争力表达在哪些方面？
2．结合你所学的专业谈谈计算思维对本学科研究领域的影响和应用。

3．新一代电脑的发展趋势是什么？谈谈你对未来电脑发展及应用的看法。

2.4本章计算思维的典型案例
案例1：
现实世界可以表示为0 和1→用0 和1 可进行逻辑与算术运算→0 和1 可以用电子技术实现→用二极管、三极管等实现基本门电路→组合逻辑电路实现→芯片〔复杂组合逻辑电路〕。

具体来说，0 和1 的思维蕴含着：信息表示。

数值信息和非数值信息均可用0 和1 表示，均能够被计算；符号化数字化。

物理世界/语义信息→符号化→0和1〔进位制与编码〕→数字计算〔算术运算，逻辑运算〕→硬件与软件实现。

即任何事物只要能表示成信息，也就能够表示成0 和1，也就能够被计算，也就能够被电脑所处理。

案例2：
递归是计算思维的方法之一。

当我们通过键盘将字母“A”输入到电脑，在电脑内部它将以二进制代码形式存储，但从显示器或打印机输出的依然是字母“A”,由此表达了一种递归的方式。

究竟什么是递归呢？其实，递归就是大鱼吃小鱼，就是一条蛇咬住自己的尾巴。

递归是指一样东西自己包含了自己。

例如，当两面镜子相互之间近似平行时，镜中嵌套的图像是以无限递归的形式出现的。

递归在数学与电脑科学中，是指在函数的定义中使用函数自身的方法。

递归一词还较常用于描述用相似方法重复事物的过程。

案例3：
当数据被储存在硬盘或传送到网络上时，它们一般是不会发生改变的．不过，有时候一些故障也会导致数据值突然改变，比方电子干扰。

而防止这类事件的发生至关重要。

利用类似奇偶校验的方法，可以保护电脑中几乎所有的数据。

数据硬盘、CD、DVD、闪存、网络下载、电子邮件和网页都在数据中添加了你看不到的校验码。

一旦系统中个别比特发生错误，电脑就会在你不知情的情况下自动恢复原始数据。

这充分表达了计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。

奇偶校验是一种校验代码传输正确性的方法。

根据被传输的一组二进制代码的数位中“1”的个数是奇数或偶数来进行校验。

采用奇数的称为奇校验，反之，称为偶校验。

采用何种校验是事先规定好的。

通常专门设置一个奇偶校验位，用它使这组代码中“1”的个数为奇数或偶数。

假设用奇校验，则当接收端收到这组代码时，校验“1”的个数是否为奇数，
从而确定传输代码的正确性。

在本章中，介绍了ASCII码为7位编码，占1个字节，空出来的最高位通常为0。

但在需要传输数据时可以用作奇偶校验的校验位。

例如偶校验时，假设7位ASCII码中“1”的个数为偶数，则校验位置为“0”；假设7位ASCII码中“1”的个数为奇数，则校验位置为“1”。

这样就可以保证传送数据满足偶校验的要求。

在接收方收到数据时，将按照奇校验的要求检测数据中“1”的个数，如果是偶数，表示传送正确，否则表示传送错误。

奇偶校验位是最简单的错误检测码。

案例4：
对中国汉字的信息处理就是一种典型的计算思维应用，蕴含了构造原理。

电脑是西方人发明的，他们用了近40年的时间发展了一整套技术来实现对西文的处理。

而汉字是一种象形文字，字种繁多，字形复杂，汉字的信息处理与通用的西方简单的字母数字类信息处理有很大差异，一度成为棘手问题。

然而，近几十年来，汉字信息处理研究得到飞跃式的发展。

这其中，让电脑能表示并处理汉字要解决的首要的问题就是要对汉字进行编码，即确定每个汉字同一组通用代码集合的对应关系。

这样，在输入设备通过输入法接收汉字信息后，即按对应关系将其转换为可由一般电脑处理的通用字符代码，然后再利用传统电脑的信息处理技术对这些代码信息的组合进行处理，如信息的比较、分类合并、检索、存储、传输和交换等。

处理后的代码组合，再通过汉字输出设备，按照同样的对应关系转换为汉字字形库的相应字形序号，输出设备将处理后的汉字信息直观地显示或打印出来。

本章小结与思考
本章主要介绍了电脑基本信息表示方法，所谓基本信息，是指数值信息和字符信息。

其中二进制的概念是十分重要的，因为二进制是电脑信息表示的基础，在电脑内部的底层，任何类型的信息都用二进制编码，还因为在计算领域，很多术语直接与二进制相联系，不懂得二进制，就不能很好理解这些术语。

同一个数可以用不同的进制表示，不同进制表示之间存在等价关系，利用这个等价关系可以在不同的进制之间进行转换。

针对数值的二进制表示，还介绍了如何采用原码、反码和补码的方法解决了带符号数值的处理，以及带小数点的实数表示方法。

掌握这些知识对于理解电脑的运算过程非常重要。

电脑之所以具有逻辑处理能力，是因为电脑中采用了实现各种逻辑功能的电路，这些逻辑电路是由能够实现与、或、非等逻辑运算的基本电路组成的。

而逻辑代数是进行逻辑电路设计的数学基础。

通过组合基本的逻辑电路，可以设计出非常复杂的组合逻辑电路，用于构建电脑系统。

了解电脑信息数据的编码对于电脑信息处理具有很大的帮助。

由于电脑是以二进制方式组织、存放信息的，这就意味着所有需要电脑存储并处理的信息包括都要转换成二进制的形式来表示。

因此，信息编码就是指对输入到电脑中的各种数值和非数值型数据用二进制数进行编码的方式。

对于不同机器、不同类型的数据其编码方式是不同的，编码的方法也很多。

本章主要介绍了常用编码的国家标准或国际标准，如ASCII码、汉字编码等，包括电脑使用这些编码在电脑内部和外部设备之间以及电脑之间是如何进行信息交换的。

学习完本章后，请思考并讨论以下提出的几个问题：
1．假设有两支友邻军队夜间在一条河的两岸并行行军。

为了保持行动一致，他们必须进行通信。

双方预先确定了53条通信密语。

两支军队都没有带通信设备，但带了至少8支手电筒。

请为他们设计一种通信方案。

2．举例说明身边的某一编码，说说其编码方式、规则与取值范围，写出自己的看法与
认识。

3．对以下ASCII码进行译码。

01001110 01101001 01101000 01100001 01101111 00100001
01001010 01101001 01100001 01111001 01101111 01110101 00100001 4．对于下面一组不同编码的数，请按照从小到大的顺序排列。

(+01110)原(01101)补(10110)反(10000)反(10110)原(10010)补
3.7 本章计算思维的典型案例
案例1：
在电脑科学中，抽象是一种被广泛使用的计算思维方法。

在本章中介绍的冯·诺依曼体系结构就是对现代电脑体系结构的一种抽象认识。

在冯·诺依曼体系结构中，电脑由内存、处理单元、控制单元、输入设备和输出设备等五部分组成。

这一体系结构屏蔽了实现上的诸多细节，明确了现代计算应该具备的重要组成部分及各部分之间的关系，是电脑系统的抽象模型，为现代电脑的研制奠定了基础。

案例2：
并行是一种重要的计算思维方法。

并行计算一般是指许多指令得以同时进行的计算模式。

我们在电脑系统的设计中看到了很多运用并行技术提高系统效率的例子，例如，本章介绍的“多核处理器”技术，是从空间的角度，通过硬件的冗余，让不同的处理器并发执行不同的任务。

该种技术表达了运用并行方法解决问题的思路。

在日常生活中也不乏并行思维的例子。

在高速公路收费站服务中也可以经常见到并行。

在车流量多的高峰时段，收费站可以通过增加一些通行通道提高服务的并行度，从而提高服务能力，减少车辆通行的等待时间；而在车流量较少的时候，会通过关闭一些通道降低服务的并行度，在保证通行速度的同时减少高速公路收费站自身的运营成本。

案例3：
缓存也是一种重要的计算思维方法。

缓存是将未来可能会被用到的数据存放在高效存储区域中，使得将来用到这些数据时能够非常快地得到。

在电脑系统中有一个重要的原理，即程序的局部性原理。

程序的局部性原理有两方面的含义：时间局部性和空间局部性。

时间局部性是指，如果一个信息项正在被访问，那么近期它很可能还会被再次访问；空间局部性是指，在最近的将来将用到的信息很可能与现在正在使用的信息在空间地址上是临近的。

因此，在时间和空间上，程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令，其访问行为不是随机的，而是相对集中的。

CPU访问存储器，无论存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。

根据这一原理，电脑系统中采取了层次性的存储体系，包括高速缓存、内存储器、外存储器等。

高速缓存的访问速度最快、容量最小、成本最高，外存储器的访问速度最慢、容量最大、成本最低。

电脑系统充分利用了局部性原理，提高系统在缓存中命中数据的可能性，从而以较多的低速大容量存储器、配合较少的高速缓存，得到速度和高速存储器差异不大的大容量存储器，在存储容量、速度和成本上获得了较好的平衡。

在我们的工作和生活中也存在有缓存思维的例子。

例如，学生上学在书包中通常只放上当天上课需要的书本，而不需要把所有书本都带上；我们的办公桌上总是放上最常用或刚刚看到过的书，而长时间不用的书都转移到书架上，这些都是通过缓存和预取提高效率的例子。

案例4：
以键盘输入与屏幕显示为例可以感受“信息处理的思维”，即：位置→电信号→编码→存取/ASCII→解码→字形→显示。

理解和掌握这一思维之后，可以很容易地推广至其他语言文字的处理，如汉字等。

更进一步，这一例子蕴含着一种普适的思维——信息处理思维，即：物理对象通过采集设备采集相关信息(物理－信息映射)，然后按一定的编码规则使用编码器进行编码及存储，再按编码规则使用解码器进行解码，识别所需信息并进行显示。

本章小结与思考
本章介绍了电脑中硬件的基本常识。

首先从总体上介绍了其构成和各部分的作用，以及构成的依据一一冯•诺依曼体系结构。

此后，以我们最熟悉的微型电脑为切入占，介绍了CPU 的工作过程、主板的特性。

接着，介绍了存储系统，存储系统的设计原则和工作原理。

然后，介绍了连接电脑硬件系统各分系统的通路——总线，以及连接主机和外部设备之间的部件——接口。

另外，还介绍了常用的外部存储设备，如硬盘、光盘，以及常用的输入输出设备。

最后，介绍了简要地介绍了电脑指令系统。

通过本章学习，应建立起电脑系统的全貌，并对各组成部分的构成和工作原理有一定的认识和理解。

应能从总体上理解一个程序经过外部输入、CPU处理，最后输出结果的整个流程所涉及的硬件及其工作原理。

学习完本章后，请思考并讨论以下提出的几个问题：
1．解释硬盘分区的类别及特点，如果有一个新硬盘你将如何分区。

2．在当地的电脑销售商处收集一些不同品牌、不同配置电脑的宣传单，对收集到的资料按高、中、低档次分别配置一台电脑，列出相关的配置参数。

3．谈谈通过哪些方法可以提高电脑的速度。

4．简述内存与外存的关系。

4.9 本章计算思维的典型案例
案例1：
从裸机到虚拟机是一个用计算思维解决自身问题的典型案例。

一台裸机通过加装软件(操作系统)，并由软件提供与用户的接口，直到用户通过接口
使用这台电脑，是将一台复杂的、几乎不能使用的系统变成使用简单、功能强大的系统。

整个过程拥有极其丰富的计算思维活动。

同样，以分时操作系统为例。

分时操作系统是指在一台主机上连接多个带有显示器和键盘的终端，同时允许多个用户通过主机的终端，以交互方式使用电脑，共享主机中的资源。

分时操作系统是一个多用户交互式操作系统。

分时操作系统将CPU的时间划分成假设
干个片段，称为时间片。

操作系统以时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。

每个用户轮流使用一个时间片而使每个用户并不感到有别的用户存在。

宏观上看是多个人同时使用一个CPU，微观上是多个人在不同时刻轮流使用CPU。

这种时间片轮转思想就是一个古老的、最简单、最公平的思想，它既解决了电脑自身的问题，又能解决实际的问题。

案例2：
操作系统的产生和使用，其本身就充分表达了运用计算思维抽象和分解的方法。

电脑硬件经冯·诺依曼阐述后，划分为五大模块或称电脑的五大组成部分。

而操作系统诞生及其所提供的四大功能，即进程管理、内存管理、文件管理、设备管理则是对硬件的五大模块所涉及的庞大而复杂的工作进行有效的控制和管理。

操作系统架起了硬件与用户之间沟通的桥梁。

案例3：
操作系统对进程的管理采用了多道程序并行处理的方式。

宏观上多个程序同时执行，微观上各程序轮流占用CPU，交替执行，即串行，这就大大提高了系统的资源利用率。

这是将计算思维中使用并行方法解决问题的思路运用到操作系统设计的一个典型实例。

案例4：
内存管理，是指软件运行时对电脑内存资源的分配和使用的技术。

其最主要的目的是如何高效，快速的分配，并且在适当的时候释放和回收内存资源。

虚拟内存是内存管理技术的一个极其实用的创新，当进程建立时，不需要在物理内存件之间搬移数据，数据储存于磁盘内的虚拟内存空间，也不需要为该进程去配置主内存空间，只有当该进程被被调用的时候才会被加载到主内存。

可以想像一个很大的程序，当他执行时被操作系统调用，其运行需要的内存数据都被存到磁盘内的虚拟内存，只有需要用到的部分才被加载到主内存内部运行。

内存管理的设计所用到的预置和缓存技术也是一种重要的计算思维方法。

案例5：
文件管理是操作系统中一项重要的功能。

其重要性在于，在现代电脑系统中，用户的程序和数据，操作系统自身的程序和数据，甚至各种输出输入设备，都是以文件形式出现在操作系统的管理者和用户面前。

文件管理是对文件存储器的存储空间进行组织、分配和回收，负责文件的存储、检索、共享和保护。

从用户角度来看，文件管理主要是实现“按名取存”，用户只要知道所需文件的文件名，就可存取文件中的信息，而无需知道这些文件究竟存放在什么地方。

文件管理的设计运用了存储、检索、共享、保护等多种计算思维的方法，从而实现对信息的有效管理和快速存取。

案例5：
操作系统对设备的管理就是如何有效合理地使用这些设备。

设备管理的功能之一是缓冲管理，即为到达缓解CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾，到达提高CPU和I/O设备利用率，提高系统吞吐量的目的，许多操作系统通过设置缓冲区的方法来实现。

在缓冲管理方面所用到的缓存技术是计算思维的一种重要的方法。

设备驱动程序是设备管理的重要组成部分。

是一种可以使电脑和设备通信的特殊程序，可以说相当于硬件的接口，操作系统只有通过这个接口，才能控制硬件设备的工作，
假设某设备的驱动程序未能正确安装，便不能正常工作。

而电脑中的设备种类繁多，千差万别。

所以编写设备驱动程序就要充分采取抽象、化简、统一的计算思维方法，尽可能实现驱动程序的通用性及程序与设备的无关性。

本章小结与思考(待定)
本章从操作系统是电脑系统管理者的角度，依次介绍了进程管理、存储管理、文件管理、设备管理和用户接口等内容。

在这些内容的介绍中，重点介绍了各项管理功能所针对的对象、采用何种管理策略，即管理谁、怎么管的问题，进一步探讨了这些管理功能是如何支持程序运行的问题。

操作系统是电脑系统的管控中心，它管理电脑系统的所有资源，用户通过操作系统才能间接对电脑进行操作。

程序是实现特定操作的指令集合。

执行的程序被称为进程。

进程是“活”着的程序，有其三命周期和活动规律。

进程管理涉及进程创建、调度、资源分配、运行等一系列操作。

文件是电脑中信息管理的基本单位。

电脑中所有信息(包括操作系统本身〉都是以文的形式存在的。

对电脑的操作实际上是对文件的操作。

为了实现对文件的管理，系统内部设置了文件目录、文件分配表等组织结构。

用户通过文件目录树结构对文件进行操作。

文件因数量巨大所以被组织存放在硬盘中。

文件名是文件存放在电脑中的唯一标识符，文件名包括文件主名、文件扩展名和文件路径。

文件操作包括创建、修改、复制、删除、重命名、共享、隐藏等。

现代电脑系统中包含的外部设备越来越多，处理标准配置的设备〈鼠标、键盘、显示器)外，还包括许多非标配设备(移动硬盘、U盘、打印机、扫描仪等)。

设备管理的任务除了保证这些外部设备本身处于正常的工作状态外，还要保证I/O控制器、通道、设备与CPU之间的信息通信和数据传输、各种设备的排队管理、各种设备的I/O操作等。

存储管理的主要任务是存储分配、地址重定位、存储保护和存储扩充等。

所有程序和数据一般是存放在外存中，执行时才调入内存，这就关系到存储器的分配和管理:程序本身的数据和代码是按逻辑地址存放的，运行时是在物理地址空间，这就涉及地址空间的变换(地址重位);为了解决实际应用中在较小的实存空间中运行大程序的问题，存储管理中引入虚拟存储技术，即将部分外存空间开辟出来作为内存空间的补充，采用软、硬件技术结合的方式，实在的虚拟存储空间和较小的实存储空间的转换。

用户接口是用户操作电脑的界面。

用户接口包括命令方式、系统调用方式和图形窗式等操作界面。

通过本章的学习，应从总体上对操作系统有一个整体认识。

在学习中，要弄清楚电脑系统软硬件是如何配合起来支持程序运行的，要分清楚哪些支持由硬件提供，哪些由软件提供，它们是如何协调一致构成一个整体的。

学习完本章后，请思考并讨论以下提出的几个问题：
1．为什么要使用操作系统平台?而不是让用户直接面对裸机?
2．电脑系统为什么要组织成层次结构?它的实质是什么?
3．同样是设计和开发程序，操作系统的设计和开发者的工作与应用程序员有什么不同?为什么?
4．你对操作系统和用户程序之间的关系有何看法?阐述你的视角。

5．有人说设备管理软件(设备驱动程序)因为经常由第三方提供，因此不应该作为操作系统的一部分，你对此有何看法? 驱动程序的作用是什么?为什么必须为外设安装驱动程序? 什么是设备无关性?为什么要在设备管理中引人设备无关性?。