大学计算机基础第一章

计算思维
又叫构造思维，是指从具体的算法设计规范入手，通过算法过 程的构造与实施，来解决给定问题的一种思维方法。 目前被广泛接受的计算思维概念是 2006 年美籍华裔计算机科 学家周以真教授首次明确提出的定义：计算思维就是运用计算 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。
计 算 思 维
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第 一 章
计 算 科 学 与 计 算 思 维
计算机科学分为理论计算机科学与应用计算机科学两部分。 理论计算机科学包括计算理论、信息与编码理论、算法与 数据结构、程序设计语言理论、形式化方法、并行与分布计算 系统、数据库与信息检索等； 应用计算机科学包括人工智能、计算机系统结构、计算机 图形学、计算机视觉、计算机安全与密码学、信息科学与软件 工程等。 计算机人才的专业基本能力包括计算思维能力、算法分析 与设计能力、程序设计与实现能力、系统分析与应用开发能力。 但是，学科形态的不同，相应类型的人才需要强调的能力 是有区别的。比如，研究型人才强调的是理论形态的内容，培 养的重点在于强化计算思维分析能力、算法分析与设计能力、 系统分析设计能力； 工程应用型人才强调的是涉及形态的内容，培养的重点在 于强化计算思维应用能力、系统分析与开发应用能力、程序设 计与实现能力。
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计算学科包括：计算机科学与技术(Computer science and technology)和计算机科学与工程(Computer Science and Engineering)
第 一 5、计算机科学与计算机学科的关系 章
计算机学科(Computer Discipline),即计算机科学与技术， 是研究计算机的设计与制造，利用计算机进行信息获取、表示、 存储、处理、控制等的理论、原则、方法和技术的学科。 计 它包括科学和技术两个方面。 算 计算机科学侧重于研究现象和揭示规律； 科 计算机技术侧重于研制计算机及使用计算机进行信息技术处 学 与 理的方法和技术手段。
从计算的角度来看，计算科学（Computational Science）又 称之为科学计算，是一种与数学建模、定量分析方法和采用计 第 算机进行分析、解决科学问题的研究领域。
一 章 从计算机的角度来说，计算科学(Computing Science)是应用
计 算 3、学科 科 学 一是指学术的分类；指一定科学领域或一门科学的分支。 与 如自然科学中的物理学、化学；社会科学中的法学、社会学等。 计 二是 “教学科目”的简称，也称“科目”。教学中按逻辑程序 算 组织的一定知识和技能范围的单位。 思 维 如中小学的数学、物理、语文、音乐等；高等学校中讲授或研
分类方式 计 算 科 学 与 计 算 思 维 按照研究对象的不同 划分的类型 自然科学、社会科学、思维科学
按照人类目标的不同
按照与实践联系的不同 按照研究手段和方法的不同
广义科学、狭义科学
理论科学、技术科学、应用科学 理论科学、实验科学、计算科学
按照人类对自然规律利用的直接程度 自然科学、实验科学
大学计算机基础 2、计算科学与计算学科
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6、计算学科的三个形态 计算机科学与技术学科中的三个学科形态（理论、抽象和设 计）描述了该学科的研究与实践的三种形态，对应于计算机科 学与技术学科中问题求解的三个过程，也是学科方法论最根本 的内容。 理论 理论源于数学，其主要要素为定义、公理、定理证明和结果。 即用定义和公理来表达被研究对象的特征，用定理来假设对象 之间的基本性质和对象之间可能存在的关系，通过证明来确定 这些关系是否成立，最后得出相应的结果(论)。 抽象 即抽出事物的本质特征，从现象中把握本质的认知过程和思 维方法。抽象的结果是概念、符号。抽象建模是自然科学之根 本。其主要要素为确定可能的实现环境并形成假设，构造模型 并给出预测结果，设计实验并采集数据，进行试验结果分析。
与 计 算 思 维
生物信息学 仿生计算 专家系统 数值计算 工程、模型模拟
统计模式识别
虚拟现实
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1.3科学与计算科学
“科学”在现实生活中，被人们普遍简单朴实而又模糊地认为 就是 “真实的”、“客观的”意思。
第 一 科学是反映现实世界中各种现象的本质和运动规律的知识体系。 章
1、科学的分类
高性能计算能力预测和了解客观世界物质运动或复杂现象演化 规律的科学，它包括数值模拟、工程仿真、高效计算机系统和 应用软件等。
究知识的分科。
大学计算机基础 4、计算学科 从计算的角度来说，利用计算科学对其它学科的问题进行计 算机模拟或者其它形式的计算而形成的学科(诸如计算化学、生 物计算或计算生物、计算物理等学科统)称为计算学科 (Computational Discipline)。 从计算机的角度来说，计算学科(Computing Discipline)是 对描述和变换信息的算法过程进行系统的研究，它包括算法过 程的理论、分析、设计、效率分析、实现和应用等。 计算学科来源于对数理逻辑、算法理论、计算模型和自动计 算机器的研究，形成于20世纪40年代。

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举案引思 1、皇帝会答应大臣的请赏？ 古代皇帝和他的大臣下象棋，大臣赢了。皇帝问大臣： “你想要得到什么奖赏？”大臣向皇帝说：“微臣不敢奢求， 只要皇上按棋盘的格子数，依次给予1粒黄豆，2粒黄豆，4 粒黄豆，8粒黄豆，16粒黄豆，…….按此规律 (每次给出黄 豆的数目是前一次给出黄豆数目的2倍) 给64次就无比地感 谢皇上了”。请问皇帝会答应这个大臣的请赏吗？你能很快 (10秒内)给出答案吗？ 2、到底谁说真话？ 张三说:李四在说谎; 李四说:王五在说谎; 王五说: 张三和李四都在说谎。 已知三人中只有一人说真话。
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举案引思
3、如图1-1所示，从哪一点出发开始旅行既能游览 第 每一个景点(A-J表示景点，连线表示通路)，又不走 一 重复路线？ 章
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1.1什么是思维，思维有哪些种类，思维对人的能力的影响
1、思维的概念： 第 思维是人脑对现实事物的概括、加工，最终揭示其本质特征 一 和内在规律的活动； 章 人脑对信息的加工处理包括分析、抽象、综合、概括等。 思维是人的高级心理活动，认识事物的高级形式； 是人和动物的根本区别之一，是人的重要本质所在。 计 算 人类文明，人化的世界，重要源泉是人的思维。 科 学 2、思维的作用： 与 思维对于知识具有本原作用。 计 算 思维是人类获得知识的途径，加工知识的机器。 思 维 3、思维的分类：
大学计算机基础 1.2计算思维的本质、特征，及其对人能力的影响
1、本质: 抽象(Abstract)和自动化(Automation)
第 一 章
2、特征:
是概念化，不是程序化
计算机科学不是计算机编程。像计算机科学家那样去思维，意味着远远 不是只能为计算机编程，还要求能够在抽象的多个层次上思维。 计算机科学不只是关于计算机，就像音乐产业不只是关于钢琴一样。
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知识要点 重点！ 计算、可计算性以及计算学科的概念 思维、计算思维进行问题求解的一般过程 计算思维在人类社会的经济、科技等各领域 发展中的作用和对人的能力发展的影响 计算科学研究与应用（普适计算、网格计算 和云计算、人工智能、物联网等）
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设计 设计源于工程科学，即广泛采用工程科学的研究方法来开发 或求解某个问题的系统和装备。在计算学科中，理论的主要要 第 素为需求分析、规格说明、设计和实现方法、测试和分析。 一 7、计算理论
章
计算理论是研究使用计算机解决计算问题的数学理论。 它有3个核心领域: 自动机理论、可计算性理论和计算的复杂性理论。 计 请注意：它不是真正物理的机器，而是表示 自动机理论是数理语言学中研究抽象自动机的理论。抽象自 计算机运算方式的抽象的逻辑关系系统，这 算 . 样的抽象自动机可以用来检验输入的符号串 科 动机是一种能够识别语言的抽象的装置
大学计算机基础 4、计算思维的应用领域 计算思维是每个人应当具备的基本技能，也是创新人才的基 本要求和专业素质，每个人都应当学习和应用计算思维。正如 印刷出版促进了阅读、写作和算术的传播一样，计算和计算机 第 一 也促进着计算思维的传播。
章
迄今为止，计算思维不仅渗透到每个人的生活，而且对生物 信息学、生物计算、专家系统、经济学等学科领域产生了重大 影响，在科技创新与教育教学中起着非常重要的作用。 计 计算思维领域提出的新思想、新方法不断地促进自然科学、 算 工程技术和社会经济等领域产生革命性的发展。典型的应用领域 科 学 有：
第 根据求解问题的需要，在分析问题的过程中，人们可以对问题进 一 行多层次的抽象，将注意力集中在感兴趣的抽象层次或关系相对 章 密切的上下层，抛弃那些不感兴趣的(不重要的)层次或细节，使
问题分析相对简单，以控制问题解决的复杂性。
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抽象的概念是由具体概念依其“共性”而产生的，把具体概念 的诸多个性排出，集中描述其共性，就会产生一个抽象性的概 念。 人的大脑思维方法和思维品质的差异决定着： 同一问题解决办法和处理方式各不相同。其付出的代价与取得 效果甚至可能天壤之别。
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计 算 科 学 计算学科的基本问题是“什么能被(有效地)自动执行”,讨论可 与 行性的有关内容，包括:什么是(实际)可计算的，什么是(实际)不 计 算 可计算的，如保证计算的自动性、有效性和正确性。计算学科是 思 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 维 深入理论研究的学科，又是一门实践性很强的学科。
计 算 科 学 与 计 算 思 维
是根本的，不是刻板的技能 是人的，不是计算机的思维 是思想，不是人造品 是数学思维和工程思维的互补与融合 面向所有的人，所有地方 关注依旧亟待理解和解决的智力上及有挑战性并且引人 入胜的科学问题。
大学计算机基础 3、计算思维品质对人的能力影响作用 问题抽象层次的能力是衡量人的思维品质的重要方面。
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思维分类方法
思维的形式
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从思维的进程方向可分为 横向思维、纵向思维、发散思维、 收敛思维 从思维的抽象程度可分为 直观行动思维(操作思维、实践思 维)、形象思维、抽象思维(逻辑思 维或理论思维) 从思维的形成与应用领域 日常思维、科学思维 可分为 科学思维是指形成并运用于科学认识活动的人脑，借助信息符 号对感性认识材料，经过整理、归纳、加工处理，形成概念、 分析、判断和推理，揭示事物的本质和内在规律的思维活动。 简而言之，科学思维就是人们认识自然界、社会和人类意识 的本质和客观规律性的高级思维活动。 特点是比日常思维更具理性、客观性、严谨性、系统性与科学 性。
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第 一 章
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第一章 计算科学与计算思维
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教学目标
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了解科学、计算、计算科学与计算学科、思维与计 算思维的基本概念 了解计算学科与其它学科之间的关系 了解计算思维的作用，学会计算思维的基本方法， 掌握其基本技能 了解运用计算机求解问题的基本思路和一般过程
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理论思维
第 一 章
对事物的感性认识资料，经过抽象、概括，形成描述事物本质 的概念，主要以推理和演绎的方wk.baidu.com，探寻概念之间相互联系的 一种思维活动。 理论源于数学，理论思维支撑着所有的学科领域。
实证思维
科学思维 的分类
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通过观察和实验的手段，揭示自然规律法则的一种思维方法。 特征是观察、整理、归纳、对比和验证。 人们往往要借助于某些特定的设备、工具，通过实验，获取资 料，以便分析研究。 例如星球运行规律与万有引力的发现，设备性能的物理测量、 化学的分解与化合、生物的解剖等实验，就是认识事物本质和 变化规律的有效手段和思维方法。