计算思维导论Chapter
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平时出勤很重要。 实验成绩会及时公示。
任课教师简介
刘远超，男，博士，副教授，哈尔滨工业大学计算机学院教师。
联系方式：E-mail: ycliuharbin@163.com Micro-blog ：http://weibo.com/u/1461892242（Recommended）
教学经历：曾承担《大学计算机》、《AIX》、《E-business》、《Linux》、《中文信息处
二、减法 直减 破五减 退位减 一 一下一 一上四去五 一退一还九 二 二下二 二上三去五 二退一还八 三 三下三 三上二去五 三退一还七 四 四下四 四上一去五 四退一还六 五 五下五 五退一还五 六 六下六 六退一还四 六退一还五去一 七 七下七 七退一还三 七退一还五去二 八 八下八 八退一还二 八退一还五去三 九 九下九 九退一还一 九退一还五去四
自动计算要解决数据的自动存、自动取以及随规则自动变化的问 题，如何找到能够满足这种特性的元器件便成为电子时代研究者 不断追求的目标。
元器件发展可分为4个时代： 1. 电子管时代（1946-1959） 2. 晶体管时代（1959-1964） 3. 集成电路时代（1964-1972） 4. 超大规模集成电路时代（1972至今）
End
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1.3.2 来自元器件发展的启示
电子管时代（1946-1959） 电子管计算机的发明……
1946年：美国宾西法尼亚大学摩尔学院教授莫契利（J. Mauchiy）和埃克特（J.Eckert）共同研制成功了ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) 计算机, 被公认为世界上第一台计算机。 其主要器件就是电子管。电子管计算机体积大，发热量 大，容易损坏。 17468只电子管, 70000多电阻器, 10000多 只电容器和 6000只继电器, 占地面积为170平方米左右，总重量达到 30吨，运算速度达到每秒钟5000次加法, 可以在3/1000秒 时间内做完两个10位数乘法。
“计算机科学”：是研究计算机理论方面的学科，包括硬件、软件等计算系 统的设计和建造，在硬件、软件、互联网等方面研究使用计算机的新方式和新 方法等。
“计算手段”：当前，计算手段已发展为与理论手段和实验手段并存的科学 研究的第三种手段 。计算手段是指科学家通过建立仿真的分析模型和有效的算 法，利用计算工具来进行规律预测和发现。目前依靠计算手段发现和预测规律 成为不同学科的科学家进行研究的重要手段。 “计算科学”：计算手段与各学科结合形成了所谓的计算科学，如计算物理 学、计算化学、计算生物学、计算经济学等。
End
本课程学时安排、考试要求
授课学时：30 学时（15次：单周1次，双周2次） 实验学时：12学时（4次即6-9周，每次结束提交大作业） 考试基本要求
✓ 考试以学生完成实验环节及提交大作业为必要条件
✓ 期末考试采用笔试。
本课程实行累积式教学
本课程成绩评定由两部分组成：期末考试成绩占总成绩 的50%（闭卷）；实验成绩占总成绩的50%。
计算思维导论Chapter
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教学目标
理解计算机基本原理 培养利用计算机/计算技术进行问题求解的能力 理解典型的计算思维，并通过实践操作验证及强化学习 培养使用计算机/网络的意识
End
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教学手段
课堂讲解、互动 软件演示、视频展示 上机亲自动手实践 建有课程网站---乐学网，进行互动交流 乐学网上提供有大量相关的课外参考资料 主动思考—不妨偶尔“穿越”一下时空
助教TA简介
陈俊文 ✓ E-mail：A719526860@qq.com
孔行 ✓ E-mail：447181609@qq.com
赵惜墨
✓ Mobile：13263690926 张瑞鹏
✓ Mobile：15777616396
也可以通过乐学网给我或者助教发信息。
教学内容
Chapter 1. 引论 Chapter 2. 计算系统的基本思维 Chapter 3. 问题求解框架 Chapter 4. 典型的计算思维：算法与复杂性 Chapter 5. 典型的计算思维：数据抽象、设计与挖掘 Chapter 6. 典型的计算思维：互联网与网络化思维
End
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1.2计算机科学与计算科学 ----计算思维
计算思维(Computational Thinking)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一系列思维活动的统称。 它是如同所有人都具备“读、写、算”能力一样，都必须具备的思维能力， 计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由人通过机器执行。 培养计算思维模式，对于所有学科的人员建立复合型的知识结构，进行各种 新型计算手段研究以及基于新型计算手段的学科创新都有重要的意义。
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1.3.2 来自元器件发展的启示
电子管时代（1946-1959） 电子管的发明……
“爱迪生效应”：1883年爱迪生发现，碳丝加热后，铜线上竟有微弱的电流通 过。铜线与碳丝并不联接，哪里来的电流？ 原因： 加热碳丝后会有热电子从碳丝里发射出来，然后被阳极电极收集成而 形成电流。 1904年，英国物理学家弗莱明根据“爱迪生效应”发明了电子管。
演示
End
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
早期计算工具（3）--莱布尼茨 手摇计算机
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646～1716)，德国数学家。 1674年改进了帕斯卡机，实现了莱布尼茨机 一种能够进行连续十进制运算的机器，不用手动连加或 连减而直接自动进行乘法和除法运算, “乘法器” 莱布尼茨机的意义：设计了“步进轮” 可实现自动连续 重复的运算, 改进了传动机构，完成了数字的不连续传输 为计算机的设计，系统地提出了二进制及其运算法则
进了计算机科学和计算科学的诞生和发展。其着力解决两类问题： ✓如何低成本、高效地实现自动计算？----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？----面向各行各业的计算问题 求解。
End
1.2 计算机科学与计算科学
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1.2计算机科学与计算科学 ----两个不同的问题
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1.3 来自计算机发展史的启示
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
早期计算工具（1）--算盘
提供了计算过程中存储数的手段 提供了一套计算规则(口诀) 人按照规则进行计算
九层算盘
一、加法 直加 满五加 进十加 一: 一上一 一下五去四 一去九进一 二: 二上二 二下五去三 二去八进一 三: 三上三 三下五去二 三去七进一 四: 四上四 四下五去一 四去六进一 五: 五上五 五去五进一 六: 六上六 六去四进一 六上一去五进一 七: 七上七 七去三进一 七上二去五进一 八: 八上八 八去二进一 八上三去五进一 九: 九上九 九去一进一 九上四去五进一
第1章 引论
要点：
1.1 什么是计算； 1.2 计算机科学与计算科学； 1.3 来自计算机发展史的启示，包括来自计算工具发展的启示，来自元
器件发展的启示，来自计算机硬件发展的启示，来自计算机软件发 展的启示和来自计算机网络发展的启示。 1.4 计算机应用：科学计算、人工智能、嵌入式系统、信息管理、CAX ； 1.5 计算机发展趋势：高性能计算(无所不能)、移动计算(无处不在)、服 务计算(Software AS A Service)、生物计算、智能计算、全球信息 化等。
工程实践经历：指导的学生队伍参加2008中国第二届杰出数据库工程师评选-寻找pure XML
应用之星大赛进入决赛前5名，开发的中文关键词自动抽取系统获2004年度国家863评测第3名。与 IBM、YAHOO中国、阿里巴巴公司等互联网公司有着密切合作关系。获2012年度、2008年度国家 留学基金委和IBM公司联合评选的IBM中国优秀教师奖教金。参与研制项目“网络环境下输入法 技术研究”获黑龙江省高校科学技术奖一等奖。
End
1.1 什么是计算？
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1.1 什么是计算？----让我们重新审视这个古老的问题
✓简单的算术计算：如“3 + 2 = 5”、“3 *2 = 6”等。 ✓ 广义的计算：如对数与指数、微分与积分等。
归纳起来，计算是指“数据”在“运算符”的操作下，按“规则”进行的数
据变换。 为此，人们想到设计一些简单的规则，让机械来重复的执行完成计算。这促
End
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1பைடு நூலகம்3.1 来自计算工具发展的启示
计算工具的发展与演变
End
一般而言，计算与自动计算要解决 以下四个问题： (1)【数据】的表示； (2) 数据的【存储】及自动存储； (3) 【计算规则】的表示 (4) 【计算规则执行】及自动执行。
1.3.2 来自元器件发展的启示
1.3.2 来自元器件发展的启示
多项包括863和国家自然基金等多项国家级课题的研究工作；参加编写专著一部《计算机自然语言 处理》（清华大学出版社，2005年5月）。在国内外学术刊物上发表论文30余篇，包括二篇IF大于 1.0的SCI国际期刊论文，一篇人工智能领域国际顶级会议论文。多次担任《IEEE TKDE》、《计 算机学报》等顶级学术刊物的审稿专家；
一段插曲：
1943年：绰号为“巨人”的用来破译德军密码 的计算机在英国布雷契莱庄园制造成功，此后又 制造多台，为第二次世界大战的胜利立下了汗马 功劳。
End
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
现代计算机的诞生及发展
1946年2月14日，标志现代计算机诞生的ENIAC（Electronic Numerical Intergrator and Computer）在费城公诸于世。 ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑。ENIAC由美国政府和槟夕法尼亚大 学合作开发。1）使用了18000个电子管；2）第一代计算机的特点是操作指令 是为特定任务而编制的；3）每种机器有各自不同的机器语言；4）功能受到限 制；5）速度也慢；6）另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓存储数据。 现代计算机，在借鉴了前人的机械化自动化思想后，设计了能够理解和执行 任意复杂程序的机器，可以进行任意形式的计算，如数学计算、逻辑推理、图 形图像变换、数理统计、人工智能与问题求解等，计算机的能力在不断提高之 中。
理》、《操作系统》等课程的任课教师；IBM公司大学合作部兼职讲师，曾在北京大学担任教育 部-IBM公司合作项目Lotus Domino&Notes的T3教师;IBM DB2 UDB、Lotus Domino&Notes、LPI Linux认证专家；
科研经历：主持一项国家863课题“面向大规模文本信息的快速聚类和认知技术研究”。参加
End
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1.2计算机科学与计算科学 ----计算手段
图灵奖得主Edsger Dijkstra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，从而也将深刻地影响着我们的思维能力”。 1998年John Pople因成功地研究出量子化学综合软件包Gaussian而获得诺贝 尔奖，Gaussian已成为研究化学领域许多课题的重要的计算手段。 另一个典型的计算手段是：求解应力或疲劳等结构力学、多物理场耦合的有 限元分析手段。 演示
End
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
早期计算工具（2）--帕斯卡机----(准)第一台机械计算机
Blaise Pascal (1623～1662), 法国科学家。1642年研制 成功一种齿轮式计算机器----帕斯卡机 采用齿轮啮合结构, 用手工操作, 可进行十进制加法和减 法运算, “加法器” 用齿轮来表示十进制各个数位上的数字，通过齿轮的比 来解决进位问题。低位的齿轮每转动10圈，高位上的齿轮 只转动1圈。可以进行8位数的加减运算 帕斯卡机的意义：它告诉人们“用纯机械装置可代替人 的思维和记忆”。开辟了自动计算的道路
教学内容
Chapter 1. 引论 Chapter 2. 计算系统的基本思维 Chapter 3. 问题求解框架 Chapter 4. 典型的计算思维：算法与复杂性 Chapter 5. 典型的计算思维：数据抽象、设计与挖掘 Chapter 6. 典型的计算思维：互联网与网络化思维
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
早期计算工具（4）
1834年：巴贝奇设计出差分机，机器共分为三个部分：堆栈，运算器，控制 器。他的助手， 英国著名诗人拜伦的独生女阿达.奥古斯塔（Ada Augusta）为 分析机编制了人类历史上第一批计算机程序。
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
任课教师简介
刘远超，男，博士，副教授，哈尔滨工业大学计算机学院教师。
联系方式：E-mail: ycliuharbin@163.com Micro-blog ：http://weibo.com/u/1461892242（Recommended）
教学经历：曾承担《大学计算机》、《AIX》、《E-business》、《Linux》、《中文信息处
二、减法 直减 破五减 退位减 一 一下一 一上四去五 一退一还九 二 二下二 二上三去五 二退一还八 三 三下三 三上二去五 三退一还七 四 四下四 四上一去五 四退一还六 五 五下五 五退一还五 六 六下六 六退一还四 六退一还五去一 七 七下七 七退一还三 七退一还五去二 八 八下八 八退一还二 八退一还五去三 九 九下九 九退一还一 九退一还五去四
自动计算要解决数据的自动存、自动取以及随规则自动变化的问 题，如何找到能够满足这种特性的元器件便成为电子时代研究者 不断追求的目标。
元器件发展可分为4个时代： 1. 电子管时代（1946-1959） 2. 晶体管时代（1959-1964） 3. 集成电路时代（1964-1972） 4. 超大规模集成电路时代（1972至今）
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1.3.2 来自元器件发展的启示
电子管时代（1946-1959） 电子管计算机的发明……
1946年：美国宾西法尼亚大学摩尔学院教授莫契利（J. Mauchiy）和埃克特（J.Eckert）共同研制成功了ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) 计算机, 被公认为世界上第一台计算机。 其主要器件就是电子管。电子管计算机体积大，发热量 大，容易损坏。 17468只电子管, 70000多电阻器, 10000多 只电容器和 6000只继电器, 占地面积为170平方米左右，总重量达到 30吨，运算速度达到每秒钟5000次加法, 可以在3/1000秒 时间内做完两个10位数乘法。
“计算机科学”：是研究计算机理论方面的学科，包括硬件、软件等计算系 统的设计和建造，在硬件、软件、互联网等方面研究使用计算机的新方式和新 方法等。
“计算手段”：当前，计算手段已发展为与理论手段和实验手段并存的科学 研究的第三种手段 。计算手段是指科学家通过建立仿真的分析模型和有效的算 法，利用计算工具来进行规律预测和发现。目前依靠计算手段发现和预测规律 成为不同学科的科学家进行研究的重要手段。 “计算科学”：计算手段与各学科结合形成了所谓的计算科学，如计算物理 学、计算化学、计算生物学、计算经济学等。
End
本课程学时安排、考试要求
授课学时：30 学时（15次：单周1次，双周2次） 实验学时：12学时（4次即6-9周，每次结束提交大作业） 考试基本要求
✓ 考试以学生完成实验环节及提交大作业为必要条件
✓ 期末考试采用笔试。
本课程实行累积式教学
本课程成绩评定由两部分组成：期末考试成绩占总成绩 的50%（闭卷）；实验成绩占总成绩的50%。
计算思维导论Chapter
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教学目标
理解计算机基本原理 培养利用计算机/计算技术进行问题求解的能力 理解典型的计算思维，并通过实践操作验证及强化学习 培养使用计算机/网络的意识
End
下页
教学手段
课堂讲解、互动 软件演示、视频展示 上机亲自动手实践 建有课程网站---乐学网，进行互动交流 乐学网上提供有大量相关的课外参考资料 主动思考—不妨偶尔“穿越”一下时空
助教TA简介
陈俊文 ✓ E-mail：A719526860@qq.com
孔行 ✓ E-mail：447181609@qq.com
赵惜墨
✓ Mobile：13263690926 张瑞鹏
✓ Mobile：15777616396
也可以通过乐学网给我或者助教发信息。
教学内容
Chapter 1. 引论 Chapter 2. 计算系统的基本思维 Chapter 3. 问题求解框架 Chapter 4. 典型的计算思维：算法与复杂性 Chapter 5. 典型的计算思维：数据抽象、设计与挖掘 Chapter 6. 典型的计算思维：互联网与网络化思维
End
下页
1.2计算机科学与计算科学 ----计算思维
计算思维(Computational Thinking)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一系列思维活动的统称。 它是如同所有人都具备“读、写、算”能力一样，都必须具备的思维能力， 计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由人通过机器执行。 培养计算思维模式，对于所有学科的人员建立复合型的知识结构，进行各种 新型计算手段研究以及基于新型计算手段的学科创新都有重要的意义。
下页
1.3.2 来自元器件发展的启示
电子管时代（1946-1959） 电子管的发明……
“爱迪生效应”：1883年爱迪生发现，碳丝加热后，铜线上竟有微弱的电流通 过。铜线与碳丝并不联接，哪里来的电流？ 原因： 加热碳丝后会有热电子从碳丝里发射出来，然后被阳极电极收集成而 形成电流。 1904年，英国物理学家弗莱明根据“爱迪生效应”发明了电子管。
演示
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
早期计算工具（3）--莱布尼茨 手摇计算机
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646～1716)，德国数学家。 1674年改进了帕斯卡机，实现了莱布尼茨机 一种能够进行连续十进制运算的机器，不用手动连加或 连减而直接自动进行乘法和除法运算, “乘法器” 莱布尼茨机的意义：设计了“步进轮” 可实现自动连续 重复的运算, 改进了传动机构，完成了数字的不连续传输 为计算机的设计，系统地提出了二进制及其运算法则
进了计算机科学和计算科学的诞生和发展。其着力解决两类问题： ✓如何低成本、高效地实现自动计算？----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？----面向各行各业的计算问题 求解。
End
1.2 计算机科学与计算科学
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1.2计算机科学与计算科学 ----两个不同的问题
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1.3 来自计算机发展史的启示
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
早期计算工具（1）--算盘
提供了计算过程中存储数的手段 提供了一套计算规则(口诀) 人按照规则进行计算
九层算盘
一、加法 直加 满五加 进十加 一: 一上一 一下五去四 一去九进一 二: 二上二 二下五去三 二去八进一 三: 三上三 三下五去二 三去七进一 四: 四上四 四下五去一 四去六进一 五: 五上五 五去五进一 六: 六上六 六去四进一 六上一去五进一 七: 七上七 七去三进一 七上二去五进一 八: 八上八 八去二进一 八上三去五进一 九: 九上九 九去一进一 九上四去五进一
第1章 引论
要点：
1.1 什么是计算； 1.2 计算机科学与计算科学； 1.3 来自计算机发展史的启示，包括来自计算工具发展的启示，来自元
器件发展的启示，来自计算机硬件发展的启示，来自计算机软件发 展的启示和来自计算机网络发展的启示。 1.4 计算机应用：科学计算、人工智能、嵌入式系统、信息管理、CAX ； 1.5 计算机发展趋势：高性能计算(无所不能)、移动计算(无处不在)、服 务计算(Software AS A Service)、生物计算、智能计算、全球信息 化等。
工程实践经历：指导的学生队伍参加2008中国第二届杰出数据库工程师评选-寻找pure XML
应用之星大赛进入决赛前5名，开发的中文关键词自动抽取系统获2004年度国家863评测第3名。与 IBM、YAHOO中国、阿里巴巴公司等互联网公司有着密切合作关系。获2012年度、2008年度国家 留学基金委和IBM公司联合评选的IBM中国优秀教师奖教金。参与研制项目“网络环境下输入法 技术研究”获黑龙江省高校科学技术奖一等奖。
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1.1 什么是计算？
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1.1 什么是计算？----让我们重新审视这个古老的问题
✓简单的算术计算：如“3 + 2 = 5”、“3 *2 = 6”等。 ✓ 广义的计算：如对数与指数、微分与积分等。
归纳起来，计算是指“数据”在“运算符”的操作下，按“规则”进行的数
据变换。 为此，人们想到设计一些简单的规则，让机械来重复的执行完成计算。这促
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1பைடு நூலகம்3.1 来自计算工具发展的启示
计算工具的发展与演变
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一般而言，计算与自动计算要解决 以下四个问题： (1)【数据】的表示； (2) 数据的【存储】及自动存储； (3) 【计算规则】的表示 (4) 【计算规则执行】及自动执行。
1.3.2 来自元器件发展的启示
1.3.2 来自元器件发展的启示
多项包括863和国家自然基金等多项国家级课题的研究工作；参加编写专著一部《计算机自然语言 处理》（清华大学出版社，2005年5月）。在国内外学术刊物上发表论文30余篇，包括二篇IF大于 1.0的SCI国际期刊论文，一篇人工智能领域国际顶级会议论文。多次担任《IEEE TKDE》、《计 算机学报》等顶级学术刊物的审稿专家；
一段插曲：
1943年：绰号为“巨人”的用来破译德军密码 的计算机在英国布雷契莱庄园制造成功，此后又 制造多台，为第二次世界大战的胜利立下了汗马 功劳。
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
现代计算机的诞生及发展
1946年2月14日，标志现代计算机诞生的ENIAC（Electronic Numerical Intergrator and Computer）在费城公诸于世。 ENIAC代表了计算机发展史上的里程碑。ENIAC由美国政府和槟夕法尼亚大 学合作开发。1）使用了18000个电子管；2）第一代计算机的特点是操作指令 是为特定任务而编制的；3）每种机器有各自不同的机器语言；4）功能受到限 制；5）速度也慢；6）另一个明显特征是使用真空电子管和磁鼓存储数据。 现代计算机，在借鉴了前人的机械化自动化思想后，设计了能够理解和执行 任意复杂程序的机器，可以进行任意形式的计算，如数学计算、逻辑推理、图 形图像变换、数理统计、人工智能与问题求解等，计算机的能力在不断提高之 中。
理》、《操作系统》等课程的任课教师；IBM公司大学合作部兼职讲师，曾在北京大学担任教育 部-IBM公司合作项目Lotus Domino&Notes的T3教师;IBM DB2 UDB、Lotus Domino&Notes、LPI Linux认证专家；
科研经历：主持一项国家863课题“面向大规模文本信息的快速聚类和认知技术研究”。参加
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1.2计算机科学与计算科学 ----计算手段
图灵奖得主Edsger Dijkstra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，从而也将深刻地影响着我们的思维能力”。 1998年John Pople因成功地研究出量子化学综合软件包Gaussian而获得诺贝 尔奖，Gaussian已成为研究化学领域许多课题的重要的计算手段。 另一个典型的计算手段是：求解应力或疲劳等结构力学、多物理场耦合的有 限元分析手段。 演示
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
早期计算工具（2）--帕斯卡机----(准)第一台机械计算机
Blaise Pascal (1623～1662), 法国科学家。1642年研制 成功一种齿轮式计算机器----帕斯卡机 采用齿轮啮合结构, 用手工操作, 可进行十进制加法和减 法运算, “加法器” 用齿轮来表示十进制各个数位上的数字，通过齿轮的比 来解决进位问题。低位的齿轮每转动10圈，高位上的齿轮 只转动1圈。可以进行8位数的加减运算 帕斯卡机的意义：它告诉人们“用纯机械装置可代替人 的思维和记忆”。开辟了自动计算的道路
教学内容
Chapter 1. 引论 Chapter 2. 计算系统的基本思维 Chapter 3. 问题求解框架 Chapter 4. 典型的计算思维：算法与复杂性 Chapter 5. 典型的计算思维：数据抽象、设计与挖掘 Chapter 6. 典型的计算思维：互联网与网络化思维
下页
End
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1.3.1 来自计算工具发展的启示
早期计算工具（4）
1834年：巴贝奇设计出差分机，机器共分为三个部分：堆栈，运算器，控制 器。他的助手， 英国著名诗人拜伦的独生女阿达.奥古斯塔（Ada Augusta）为 分析机编制了人类历史上第一批计算机程序。
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1.3.1 来自计算工具发展的启示