《计算机导论》第3章 计算思维
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沈鑫剡编著《计算机基础与计算思维》第3章配套课件
计算机基础与计算思维
计算机硬件组成
一、图灵机模型
图灵机每次计算需要完成的配置 定义符号集
{0,1,b} {q1,q2,q3,H}
定义状态集
q1初始状态，读写头指向末位； q2读写头指向其他位，进位c=0 q3读写头指向其他位，进位c=1 H停机状态
计算机基础与计算思维
计算机硬件组成
计算机基础与计算思维
第三章
© 2006工程兵工程学院 计算机教研室
计算机硬件组成
第3章 计算机硬件组成
图灵机模型
冯.诺依曼结构
机器语言
机器语言程序执行过程
第3章 难点和重点学习思路
计算机基础与计算思维
计算机硬件组成
第3章 计算机硬件组成
计算机硬件结构和工作过程； PC组成和工作过程； 计算机如何做。
计算机基础与计算思维
计算机硬件组成
一、存储器
地址位数与存储单元数 n位二进制数可以标识2n个不同的存储单 元。 1K存储单元=210存储单元 1M存储单元=220存储单元 1G存储单元=230存储单元 1T存储单元=240存储单元
计算机基础与计算思维
计算机硬件组成
一、存储器
A1 A2 Am R/W
计算机基础与计算思维
计算机硬件组成
三、控制器
命令和操作码 „ 指令译码器 指令寄存器 控制器
状态寄存器
程序计数器
＋1
程序计数器的作用是给出存储依次执行的所有指令的存储 单元地址 ； 指令寄存器用于存放从存储器中读出的指令； 指令译码器根据指令的含义和状态寄存器的值确定该条指 令需要完成的工作，向其他部件发出命令 ； 状态寄存器中存放表示运算器运算结果状态的标志信息。
计算机硬件组成
一、图灵机模型
图灵机每次计算需要完成的配置 定义符号集
{0,1,b} {q1,q2,q3,H}
定义状态集
q1初始状态，读写头指向末位； q2读写头指向其他位，进位c=0 q3读写头指向其他位，进位c=1 H停机状态
计算机基础与计算思维
计算机硬件组成
计算机基础与计算思维
第三章
© 2006工程兵工程学院 计算机教研室
计算机硬件组成
第3章 计算机硬件组成
图灵机模型
冯.诺依曼结构
机器语言
机器语言程序执行过程
第3章 难点和重点学习思路
计算机基础与计算思维
计算机硬件组成
第3章 计算机硬件组成
计算机硬件结构和工作过程； PC组成和工作过程； 计算机如何做。
计算机基础与计算思维
计算机硬件组成
一、存储器
地址位数与存储单元数 n位二进制数可以标识2n个不同的存储单 元。 1K存储单元=210存储单元 1M存储单元=220存储单元 1G存储单元=230存储单元 1T存储单元=240存储单元
计算机基础与计算思维
计算机硬件组成
一、存储器
A1 A2 Am R/W
计算机基础与计算思维
计算机硬件组成
三、控制器
命令和操作码 „ 指令译码器 指令寄存器 控制器
状态寄存器
程序计数器
＋1
程序计数器的作用是给出存储依次执行的所有指令的存储 单元地址 ； 指令寄存器用于存放从存储器中读出的指令； 指令译码器根据指令的含义和状态寄存器的值确定该条指 令需要完成的工作，向其他部件发出命令 ； 状态寄存器中存放表示运算器运算结果状态的标志信息。
计算机思维导论第三章课件
14/60
算法 基础
3.3 算法的设计
③设计算法 设计算法是将算法具体化，即设计出算法的详细规格说明。 也就是，首先确定算法所需要的数据结构，然后结合具体问题的 特性来选择算法的设计策略，最后根据算法设计技术的原理描述 算法的具体流程(流程图、伪代码和程序设计语言等)。 ④分析算法 对所设计出的算法进行复杂性分析，考察其在时间和空间方 面的计算开销。若算法在某些环节的计算开销较大，可有针对性 地改进该环节，若整个算法的计算开销太大，则需要返回第③步 重新考虑采用新的算法设计技术来求解该问题。 ⑤编程实现 采用某种程序设计语言将设计好的算法实现出来。
4/60
二、算法的定义
算法 基础
3.1 算法的概念
确定性：算法中每一个步骤都是清晰的、无歧义 有穷性：算法必须在有限步内终止 输 入：有零个或多个输入，作为初始状态 输 出：有一个或多个输出，作为计算结果 可行性：算法中的操作可通过有限次基本运算来实现
三、算法的特征
判断一个算法的好坏主要依据如下标准： 正确性：在合理输入下能在有限时间内得出正确结果 可读性：算法主要是为了人的阅读与交流，其次执行 健壮性：算法应具备检查错误和对错误进行处理能力 效 率：算法执行时所需计算机资源的多少
[案例二]1202年，意大利数学家斐波纳契出版了他的算盘全书。 他在书中提出了一个关于兔子繁殖问题：如果一对兔子每月能生 一对小兔(一雄一雌)，而每对小兔在它们出生后的第三个月里， 又能开始生一对小兔，假定在不发生死亡的情况下，由一对出生 的小兔开始，50月后会有多少对兔子？
回溯法是求解实际问题的一个重要算法，很多无法使用贪 心算法和动态规划算法进行求解的问题，都可以使用回溯算法 进行求解，并且可以保证得到问题的最优解。
算法 基础
3.3 算法的设计
③设计算法 设计算法是将算法具体化，即设计出算法的详细规格说明。 也就是，首先确定算法所需要的数据结构，然后结合具体问题的 特性来选择算法的设计策略，最后根据算法设计技术的原理描述 算法的具体流程(流程图、伪代码和程序设计语言等)。 ④分析算法 对所设计出的算法进行复杂性分析，考察其在时间和空间方 面的计算开销。若算法在某些环节的计算开销较大，可有针对性 地改进该环节，若整个算法的计算开销太大，则需要返回第③步 重新考虑采用新的算法设计技术来求解该问题。 ⑤编程实现 采用某种程序设计语言将设计好的算法实现出来。
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二、算法的定义
算法 基础
3.1 算法的概念
确定性：算法中每一个步骤都是清晰的、无歧义 有穷性：算法必须在有限步内终止 输 入：有零个或多个输入，作为初始状态 输 出：有一个或多个输出，作为计算结果 可行性：算法中的操作可通过有限次基本运算来实现
三、算法的特征
判断一个算法的好坏主要依据如下标准： 正确性：在合理输入下能在有限时间内得出正确结果 可读性：算法主要是为了人的阅读与交流，其次执行 健壮性：算法应具备检查错误和对错误进行处理能力 效 率：算法执行时所需计算机资源的多少
[案例二]1202年，意大利数学家斐波纳契出版了他的算盘全书。 他在书中提出了一个关于兔子繁殖问题：如果一对兔子每月能生 一对小兔(一雄一雌)，而每对小兔在它们出生后的第三个月里， 又能开始生一对小兔，假定在不发生死亡的情况下，由一对出生 的小兔开始，50月后会有多少对兔子？
回溯法是求解实际问题的一个重要算法，很多无法使用贪 心算法和动态规划算法进行求解的问题，都可以使用回溯算法 进行求解，并且可以保证得到问题的最优解。
大学计算机-计算思维导论-课件第3章
除此之外，人们还不断总结程序开发中的经验和教训，形成了 一些行之有效的理论和方法。这些模型、理论和方法折浸透了 计算机问题求解的基本思维模式。
3.1 面向过程的程序开发 3.2 面向对象程序开发 3.3 程序错误和异常 3.4 软件工程
3.1 面向过程的程序开发
面向过程的模型把问题求解看作对于数据施加一系列操 作的过程。因此，面向过程的程序描述的核心内容是： 数据与操作过程。
3. 别名——引用（reference）
在C++等语言中引入了别名机制，即可以为 常量或变量起一个别名，分别称为右值引用 和左值引用。
4. 含有操作符的表达式
含有操作符的表达式是操作符与表达式的合 法组合，即这类表达式的值是通过一定的操 作得到的，如number1 + 3、number + munber2等。这个定义是递归的，即组合可 以是多层次的，如number = number + munber2等。这时，一个重要的问题是当表 达式中有两个及其以上的操作符时，哪个操 作符具有操作的优先权。
代码3.1 交换两个变量的值的代码段。
// 变量a、b、temp是三个相同类型的变量，且变量a、b已经有确定的值
temp = a;
// 语句1
a = b;
// 语句2
b = temp;
2）算术操作符与算术表达式
C语言提供的用于支持算术运算的7个操作符
符号 意义 操作数个数 操作数类型
+ 正号
3.1.1 数据类型 3.1.2 标识符及其声明 3.1.3 表达式 3.1.4 操作符与表达式求值规则 3.1.5 语句及其流程控制 3.1.6 组织过程 3.1.7库函数与头文件 3.1.8 派生数据类型
3.1 面向过程的程序开发 3.2 面向对象程序开发 3.3 程序错误和异常 3.4 软件工程
3.1 面向过程的程序开发
面向过程的模型把问题求解看作对于数据施加一系列操 作的过程。因此，面向过程的程序描述的核心内容是： 数据与操作过程。
3. 别名——引用（reference）
在C++等语言中引入了别名机制，即可以为 常量或变量起一个别名，分别称为右值引用 和左值引用。
4. 含有操作符的表达式
含有操作符的表达式是操作符与表达式的合 法组合，即这类表达式的值是通过一定的操 作得到的，如number1 + 3、number + munber2等。这个定义是递归的，即组合可 以是多层次的，如number = number + munber2等。这时，一个重要的问题是当表 达式中有两个及其以上的操作符时，哪个操 作符具有操作的优先权。
代码3.1 交换两个变量的值的代码段。
// 变量a、b、temp是三个相同类型的变量，且变量a、b已经有确定的值
temp = a;
// 语句1
a = b;
// 语句2
b = temp;
2）算术操作符与算术表达式
C语言提供的用于支持算术运算的7个操作符
符号 意义 操作数个数 操作数类型
+ 正号
3.1.1 数据类型 3.1.2 标识符及其声明 3.1.3 表达式 3.1.4 操作符与表达式求值规则 3.1.5 语句及其流程控制 3.1.6 组织过程 3.1.7库函数与头文件 3.1.8 派生数据类型
《计算思维》习题答案.doc
第1章计算、计算机与计算思维1.1举例说明可计算性和计算复杂性的概念。
答：对于给定的一个输入，如果计算机器能在有限的步骤内给岀答案，这个问题就是可计算的。
数值计算、能够转化为数值计算的非数值问题（如语音、图形、图像等）都是可计算的。
计算复杂性从数学上提出计算问题难度大小的模型，判断哪些问题的计算是简单的，哪些是困难的，研究计算过程中时间和空间等资源的耗费情况，从而寻求更为优越的求解复杂问题的有效规则，例如著名的汉诺塔问题。
1.2列举3种电子计算机出现之前的计算工具，并简述其主要特点。
答：（1）算盘通过算法口诀化，加快了计算速度。
（2）帕斯卡加法器通过齿轮旋转解决了自动进位的问题。
（3）机电式计算机Z-1,全部采用继电器，第一次实现了浮点记数法、二进制运算、带存储地址的指令等设计思想。
1.3简述电子计算机的发展历程及各时代的主要特征。
答：第一代一一电子管计算机（1946—1954年）。
这个时期的计算机主要采用电子管作为运算和逻辑元件。
主存储器采用汞延迟线、磁鼓、磁芯，外存储器采用磁带。
在软件方面，用机器语言和汇编语言编写程序。
程序的编写与修改都非常繁琐。
计算机主要用于科学和工程计算。
第二代一一晶体管计算机（1954—1964年）。
计算机逻辑元件逐步由电子管改为晶体管，体积与功耗都有所降低。
主存储器采用铁没氧磁芯器，外存储器采用先进的磁盘，计算机的速度和可靠性有所提高。
软件方面，出现了各种各样的高级语言，如FORTRAN, ALGOL, COBIL及编译程序语言，简化了程序设计，建立了程序库和批处理的管理程序，开始用“操作系统”软件对整个计算机资源进行管理。
除了进行科学计算之外，这时的计算机还应用于工业控制、工程设计及数据处理等领域。
第三代一一集成电路计算机（1964—1970年）。
这个时期的计算机逻辑元件使用集成电路代替了原来独立的物理元件，使用半导体存储器代替了磁芯存储器。
中、小规模的集成电路可在单个芯片上集成几十个晶体管。
[计算机导论——基于计算思维视角(第4版)][王玉龙,等] 笫1章 计算思维概述
![[计算机导论——基于计算思维视角(第4版)][王玉龙,等] 笫1章 计算思维概述](https://img.taocdn.com/s3/m/341780ffb04e852458fb770bf78a6529647d35a0.png)
应用
数据处理、工业控制、科学计算
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第1章 计算思维概述
3. 第三代电子计算机
特点
使用中、小规模集成电路作为逻辑开关元件； 开始使用半导体存储器。辅存仍以磁盘,磁带为主； 外部设备种类和品种增加； 开始走向系列化、通用化和标准化； 操作系统进一步完善，高级语言数量增多。 计算机的体积、重量进一步减小，运算速度和可靠性进一步提高
晶体管
第1章 计算思维概述
1. 第一代电子计算机
特点
采用电子管作为逻辑开关元件； 存储器使用水银延迟线、静电存储管、磁鼓等； 外部设备采用纸带、卡片、磁带等； 使用机器语言，50年代中期开始使用汇编语言，但没有操作系统 体积庞大 、笨重 、耗电多、 可靠性差、 速度慢、 维护困难
典型机器
ENIAC、EDVAC、UNIVAC、 IBM 701、 IBM 650
按应用
通用计算机 (General Purpose Computer) 专用计算机 (Special Purpose Computer)
综合性能指标
巨型机 （Super Computer） 大型机 （Main Frame Computer） 小型机（MiniComputer） 微型机（MicroComputer） 工作站（Workstation） 服务器（Server） 网络计算机 （Net Computer）
上一页 下一页
第1章 计算思维概述
现代计算机发展的杰出人物
图灵对现代计算机贡献：建立了图灵机的理论模型，发展了可计算 性理论；提出了定义机器智能的图灵测试。 冯·诺依曼贡献：建立现代计算机基本结构，即冯·诺依曼结构。
整个系统是由五大基本部件组成，即由运算器、控制器、存储器、输入设备、 输出设备组成； 采用二进制，使用机器语言,指令通过操作码来完成简单的 操作； 采用存储程序的思想，对计算进行集中的顺序控制。
数据处理、工业控制、科学计算
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第1章 计算思维概述
3. 第三代电子计算机
特点
使用中、小规模集成电路作为逻辑开关元件； 开始使用半导体存储器。辅存仍以磁盘,磁带为主； 外部设备种类和品种增加； 开始走向系列化、通用化和标准化； 操作系统进一步完善，高级语言数量增多。 计算机的体积、重量进一步减小，运算速度和可靠性进一步提高
晶体管
第1章 计算思维概述
1. 第一代电子计算机
特点
采用电子管作为逻辑开关元件； 存储器使用水银延迟线、静电存储管、磁鼓等； 外部设备采用纸带、卡片、磁带等； 使用机器语言，50年代中期开始使用汇编语言，但没有操作系统 体积庞大 、笨重 、耗电多、 可靠性差、 速度慢、 维护困难
典型机器
ENIAC、EDVAC、UNIVAC、 IBM 701、 IBM 650
按应用
通用计算机 (General Purpose Computer) 专用计算机 (Special Purpose Computer)
综合性能指标
巨型机 （Super Computer） 大型机 （Main Frame Computer） 小型机（MiniComputer） 微型机（MicroComputer） 工作站（Workstation） 服务器（Server） 网络计算机 （Net Computer）
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第1章 计算思维概述
现代计算机发展的杰出人物
图灵对现代计算机贡献：建立了图灵机的理论模型，发展了可计算 性理论；提出了定义机器智能的图灵测试。 冯·诺依曼贡献：建立现代计算机基本结构，即冯·诺依曼结构。
整个系统是由五大基本部件组成，即由运算器、控制器、存储器、输入设备、 输出设备组成； 采用二进制，使用机器语言,指令通过操作码来完成简单的 操作； 采用存储程序的思想，对计算进行集中的顺序控制。
计算机计算与计算思维ppt课件
为什么要学习和怎样学习 大学计算机课程
2.1 为什么要学习大学计算机？
计算学科的供需关系
计算科学 与 信息探索科学
各学科人才的计算思维/计算能力需求
计算思维
计算思维/计算能力
的学习和
训练
应用计算
支持各学 手段进行
计算机及 其通用计 算手段的
知识/技能 Gap
科研究创 新的新型 计算手段
各学科研 究和创新
莱布尼茨机的意义：连续重复自动执行。 提出了二进制数及其计算规则； 数理逻辑的创始人
是基于十进制设计机器，还是基于二进制设计机 器？ 如果基于二进制设计机器，那其处理规则又是怎 样的呢？
其他重要工作
1805年： 杰卡德(J.Jacquard)，打孔卡， 实践了输入手段问题。 1834年：巴贝奇(Charles Babbage)，分 析机的概念----可执行程序的机器。 1854 年 ： 布 尔 创 立 布 尔 代 数 ， 为 数 字 计算机的电路设计提供了理论基础。
1999 2005
八核-十核 CORE i 系列
2010
5.3 怎样解决大规模快速存储问题？
存储设备
发
展
水 平
纳米存储/量子存储
固态硬盘
USB Removable disk
FlashRAM
光盘存储(CD-ROM, CD R/W, DVD)
•体积越来越小 •容量越来越大 •访问速度越来越快 •可靠性越来越高 •功耗越来越低 •持久性越来越好
器获得计算结果
a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c
3.2 人计算与机器计算的差别?
“人”计算 vs. “机器”计算
例如：求ax2+bx+c=0的根
2.1 为什么要学习大学计算机？
计算学科的供需关系
计算科学 与 信息探索科学
各学科人才的计算思维/计算能力需求
计算思维
计算思维/计算能力
的学习和
训练
应用计算
支持各学 手段进行
计算机及 其通用计 算手段的
知识/技能 Gap
科研究创 新的新型 计算手段
各学科研 究和创新
莱布尼茨机的意义：连续重复自动执行。 提出了二进制数及其计算规则； 数理逻辑的创始人
是基于十进制设计机器，还是基于二进制设计机 器？ 如果基于二进制设计机器，那其处理规则又是怎 样的呢？
其他重要工作
1805年： 杰卡德(J.Jacquard)，打孔卡， 实践了输入手段问题。 1834年：巴贝奇(Charles Babbage)，分 析机的概念----可执行程序的机器。 1854 年 ： 布 尔 创 立 布 尔 代 数 ， 为 数 字 计算机的电路设计提供了理论基础。
1999 2005
八核-十核 CORE i 系列
2010
5.3 怎样解决大规模快速存储问题？
存储设备
发
展
水 平
纳米存储/量子存储
固态硬盘
USB Removable disk
FlashRAM
光盘存储(CD-ROM, CD R/W, DVD)
•体积越来越小 •容量越来越大 •访问速度越来越快 •可靠性越来越高 •功耗越来越低 •持久性越来越好
器获得计算结果
a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c
3.2 人计算与机器计算的差别?
“人”计算 vs. “机器”计算
例如：求ax2+bx+c=0的根
《新编计算机导论 基于计算思维 》读书笔记思维导图PPT模板下载
7.2.1 共享以太 网
7.2.3 以太网组 网
7.3.1 无线 1
局域网的构建
2
7.3.2 无线 局域网的扩展
3 7.3.3 无线
局域网的主流 产品
4 7.3.4 宽带
无线城域网
5
7.3.5 蓝牙
7.4.1 IP地 址
7.4.2 单播、 多播和广播
7.5.1 因特 网的结构和
组成
7.5.2 因特 网的接入
8.7.1 视频基础
8.7.2 视频信号 的数字化过程
8.7.3 数字视频 信号的获取
8.7.4 数字视频 的编辑
8.7.6 数字视频 的文件格式
8.7.5 数字视频 的压缩编码
8.7.7 数字视频 的应用
第9章 数据库
9.2 SQL命令及 其数据库操作
9.1 数据库的基 本概念
9.3 数据库应用 系统
10.1.3 计算机 学科与电子信息
产业
10.2.1 计 算机专业的
人才需求
10.2.2 计 算机各专业 的课程设置
10.3.1 素 质、知识和
能力
10.3.2 能 力培养
读书笔记
谢谢观看
9.1.1 数据 库与数据库
管理系统
9.1.2 关系 数据模型
9.3.1 C/S 模式数据库
应用系统
9.3.2 B/S 模式数据库 应用系统
第10章 知识素质能力
10.1 计算机科学
10.2 计算机专业 课程体系
10.3 能力的培养
10.4 了解世界和 中国
10.1.2 计算机 科学体系
10.1.1 科学
表
2
6.7.2 栈
3
大学计算机思维导论
命名计算对象
命名组合式
命名新运算
递归函数
原始递归 函数
Fibonacci数列
阿克曼递归函数
递归函数
原始递归 函数
Fibonacci数列
迭代：从前到后
阿克曼递归函数
递归： 从前到后→递归基础→从后向前
从Ackermann函数的定义中可以看出，Ackermann函数可以看成关于n的
多媒体信息表达：图像，声音和视频编码
图像→三原色，像素点 声音或音频→模拟信号，采样量化和编码形
成数字音频，进行数字处理。 视频→模拟信号，采样量化和编码形成数字 视频，保存和处理
国标码用2个字节表示一个汉字，其中每个字节的最高位为0（8个二进制
位被称为1个字节） 汉字编码在机器内的表示为机内码，简称内码。机内码在对应国标码的 基础上将每个字节的最高位设为1 例如“大”的表示： 国标码为3473H: 00110100 01110011 机内码为B4F3H: 10110100 11110011
那么我们计算f(n)时可以通过计算f(n-1)和f(n-2) 来表示，相同的，除了f(1)和f(2)的值已知以外，其他 项的数值都要通过计算才能得到。
一些定义
最基本的原始递归函数：
（1）初始函数：0元函数和常数函数。 （2）后继函数：1元后继函数S接受一个参数并返回给定参数值的后 继数，是原始递归的。 （3）投影函数：对于所有n>=1和每个1<=i<=n的i，n元投影函数 P，接受n个参数并返回它们中的第i个参数。
计算
注意事项
递归VS迭代
基本动作 控制
指令
组合
程序
自动 执行
唐良荣《计算机导论》第3章 计算思维
• 为了实现机器自动化，需要对问题进行精确描述和数学建模。
3.1.3 问题抽象与分解
【案例】毕加索画牛的抽象过程。
• 抽象的表现最简单省力，也最复杂费力。 • 抽象体现的是人为的主观意识。
第18页 共268页
3.1.3 问题抽象与分解 2、计算的三个抽象层次
• 计算理论关注的问题：
• 计算的本质是什么？ • 什么是可计算的？ • 计算的基本能力和局限是什么？
第27页 共268页
（2）寻找解题的条件
• 寻找解决问题的必要条件，缩小问题求解范围。 • 尝试从最简单的特殊情况入手，逐渐深入。
3.1.4 计算机解题方法 2、对象的离散化
• 离散化信息：如，数字、字母、符号等； • 连续型信息：如，图像、声音、时间、电压、自然现象、社会现象等。 • 连续型问题必须转化为离散型问题后（数字化），才能被计算机处理。
第26页 共268页
3.1.4 计算机解题方法 1、理解问题，寻找解决问题的条件
（1）界定问题
• • • • • 把事情条理摸清楚，用自己的话来说明问题； 弄清楚问题到底是什么，什么是你想找到的，什么是未知的； 想出尽可能多的解决方案； 对解决方案进行对比，选出最好的方案； 用最好的方案来解决问题。
3.1.2 计算思维的特征 1、计算工具与思维方式的相互影响
第8页 共268页
• 家迪科斯彻：我们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。 • 计算的发展影响着人类的思维方式。
• • • • 如，计算生物学改变了生物学家的思维方式； 如，计算机博弈论改变着经济学家的思维方式； 如，计算社会科学改变着社会学家的思维方式； 如，量子计算改变着物理学家的思维方式。
计算机导论——以计算思维为导向第4版教学大纲
《计算机导论》教学大纲说明：教师可根据课时和学校特点适当选择、调整教学安排。
一、课程简介实证思维、逻辑思维和计算思维是人类认识世界和改造世界的三大思维。
计算机的出现为人类认识世界和改造世界提供了一种更有效的手段，以计算机技术和计算机科学为基础的计算思维已成为人们必须具备的基础性思维。
如何以计算机思维为切入点，通过重构《大学计算机》的课程体系和知识结构，促进计算思维能力培养，提升大学生综合素质和创新能力是大学计算机课程改革面临的重要课题。
这些不断变化的情况要求对目前《大学计算机》的课程体系进行改革。
所以，如何明确、恰当地将计算思维融入知识体系，培养当代大学生用计算机解决和处理问题的思维和能力，从而提升大学生的综合素质，强化创新实践能力是当前的迫切要求。
1.教学目标(1)基本目标《大学计算机》教学不仅承担着传承知识，更肩负着创新知识的使命。
因此，在传授知识的同时更应培养学生的学习能力、解决问题的能力、交流能力、团队合作能力和创新能力，使他们能更快地适应未来工作的需求。
分层次课程体系体现《大学计算机》课程教学的实效性和针对性, 以“全面提高计算机公共课程教学质量，培养学生良好的信息化素养, 计算思维品质和计算机应用技能，为学生的后续专业学习提供良好的支持”为核心目标。
(2)高级目标研究性教学在培养学生的综合能力的过程中将发挥越来越重要的作用，它将成为综合性实践课程的主要教学方法。
学习的过程是参与的过程，是创造的过程而非盲目接受的过程。
学生积极的思维习惯和探究问题的意识应该在课程教学中得到培养。
在实现基本目标的基础上，实现高级目标：♦提升学习愿望，学习目标；♦增强学生的自我意识；♦运用已有知识学习新事物；♦教授特定领域和特定课程的学习策略；♦潜移默化，完善学生的人格。
2.实践环节实践性教学内容的设置遵循以下原则：(1)课程实验采用集中实验和自主实险相结合的原则。
其中，集中实验根据课程安排到统一的实验室进行实验；自主实验则由学生利用自己的机器或学校内外公有计算机实验室自主完成实验任务。
计算机思维导论PPT
进位计数制
2．二进制 计算机中信息的存储和处理都采用二进制。二进制数只 有0、1两个数码，基数为2，逢2进1。 为了便于区分，在二进制数后加“B”，表示数为二进制 数。
进位计数制
3．八进制 八进制有0～7共8个数码，基数为8，逢8进1。 为了便于区分，在八进制数后加“O”，表示数为八进制 数。例如：
1.3.1 计算工具的发展
1. 计算工具的发展包括三个阶段: 1) 手动计算器 2) 机械计算器 3) 电子计算机
1．手动计算器
1. 手动计算器是利用算法进行辅 助数字计算过程的设备，操作 者使用算法来进行计算。 1) 小石块和有刻痕的小棍 2) 算筹、算盘，珠算歌诀。 3) 纳皮尔筹，也称为纳皮尔计 算尺 4) 滑动刻度尺
2.2 二进制与数据编码
1. 在计算机中，数字、字符、图片、声音、视频等所有 信息都要进行二进制编码才能存储和处理
2.2.1 二进制与数字的表示
1．机器数 在计算机中采用固定数目的二进制位数来表示数字，称 为机器数。 机器数的表示范围受计算机字长的限制，一般字长为8、 16、32或64位 数值超出机器数能表示的范围，就会出现“溢出”错误 通常把一个二进制数的最高位作为符号位。
【例2.2】 将十进制整数(167)10转换为对应的二进制、八进 制、十六进制数。
不同进制数的转换
1. 十进制转换为八进制
不同进制数的转换
1. 十进制转换为十六进制
不同进制数的转换
3．二进制、八进制、十六进制数的相互转换 每3位二进制数对应一位八进制数，每4位二进制数对应 一位十六进制数 【例2.3】将二进制数(10100111.1011)2转换成八进制、十六 进制数。
1.1.2 计算思维与各学科的关系
计算思维导论-2014-10-07
<titleStart> my pets <titleEnd> <bodyStart> The cat stood while a dog sat <bodyEnd>
a
3-10
cat
1-3, 1-7, 3-7
dog
2-3, 2-7, 3-11
mat
1-11, 2-11
on
1-9, 2-9
pets
3-3
但是，保持平衡也是有代价的
BINARY SEARCH TREE
Good balancing 40 (logn)
20
60
30 50
80
Poor balancing
30
(n)
20
80
60
In a properly drawn tree, pushing forward to get the ordered list.
计算思维导论 – 第3讲 – 算法方法
2014年10月07日
算法
计算机科学思想在很多情况下是以“算法”的形式呈现的。
什么是“伟大”的算法
普通的计算机用户每天都在使用这些算法； 它们能解决客观世界中的具体问题； 它们具有科学原理的支撑。
例如： 与搜索相关的算法； 与密码相关的算法； 与数据压缩相关的算法； 与数据一致性相关的算法 …… (还有一些注定”伟大”的算法还在我们的期待之中: 例如: 精确的自 然语言翻译、自动驾驶汽车、帮我改学生作业）
Computer B 10 Mips
Computer A 1000 Mips
Using insertion sort, taking time 2n2:
a
3-10
cat
1-3, 1-7, 3-7
dog
2-3, 2-7, 3-11
mat
1-11, 2-11
on
1-9, 2-9
pets
3-3
但是，保持平衡也是有代价的
BINARY SEARCH TREE
Good balancing 40 (logn)
20
60
30 50
80
Poor balancing
30
(n)
20
80
60
In a properly drawn tree, pushing forward to get the ordered list.
计算思维导论 – 第3讲 – 算法方法
2014年10月07日
算法
计算机科学思想在很多情况下是以“算法”的形式呈现的。
什么是“伟大”的算法
普通的计算机用户每天都在使用这些算法； 它们能解决客观世界中的具体问题； 它们具有科学原理的支撑。
例如： 与搜索相关的算法； 与密码相关的算法； 与数据压缩相关的算法； 与数据一致性相关的算法 …… (还有一些注定”伟大”的算法还在我们的期待之中: 例如: 精确的自 然语言翻译、自动驾驶汽车、帮我改学生作业）
Computer B 10 Mips
Computer A 1000 Mips
Using insertion sort, taking time 2n2:
计算思维导论教材课件
4/30
计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
种类 自然科学、社会科学、思维科学
二、科学的分类
分类方式 按照研究对象的不同
按照与实践联系的不同 理论科学、技术科学、应用科学 按照人类对自然规律利 自然科学、实验科学 用的直接程度 按照人类目标的不同 广义的科学、狭义的科学 广义的科学概念是自然科学、人文科学和社会科学等所有 学科的总称，狭义的科学概念则专指自然科学，有时甚至 直指基础理论科学。
三字经：人之初，性本善
计算思维 基础知识
1.2 思维与科学思维
一、思维的概念 1.思维的定义 思维是人脑对客观事物的一种概括的、间接 的反映，它反映客观事物的本质和规律。 2.思维的组成 思维原料、思维主体、思维工具。 自然界提供思维的原料，人脑成为思维的 主体，认识的反映形式形成了思维的工具，三 者具备才有思维活动。
29/30
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：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。
8/30
计算思维 基础知识
1.1 科学与计算科学
1993：高性能计算与通信HPCC计划 1996：加速战略计算创新ASCI计划 2002：高性能计算系统HPCS计划 2005：“计算科学-确保美国竞争力”报告
报告建议：应将计算科学长期置于国家科 学与技术领域中心的领导地位。
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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
种类 自然科学、社会科学、思维科学
二、科学的分类
分类方式 按照研究对象的不同
按照与实践联系的不同 理论科学、技术科学、应用科学 按照人类对自然规律利 自然科学、实验科学 用的直接程度 按照人类目标的不同 广义的科学、狭义的科学 广义的科学概念是自然科学、人文科学和社会科学等所有 学科的总称，狭义的科学概念则专指自然科学，有时甚至 直指基础理论科学。
三字经：人之初，性本善
计算思维 基础知识
1.2 思维与科学思维
一、思维的概念 1.思维的定义 思维是人脑对客观事物的一种概括的、间接 的反映，它反映客观事物的本质和规律。 2.思维的组成 思维原料、思维主体、思维工具。 自然界提供思维的原料，人脑成为思维的 主体，认识的反映形式形成了思维的工具，三 者具备才有思维活动。
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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：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
1993：高性能计算与通信HPCC计划 1996：加速战略计算创新ASCI计划 2002：高性能计算系统HPCS计划 2005：“计算科学-确保美国竞争力”报告
报告建议：应将计算科学长期置于国家科 学与技术领域中心的领导地位。
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计算思维 基础知识
计算思维导论教学大纲
备注（例）
本课程中文授课，使用中文教材。
总人数上限：180人；
课程网页：无
制定人及
发布时间
制定人： ， 发布时间：20XX年6月
审核人：审核时间：年月日
（五）问题求解的基本思维（课内学时6，课内上机学时2）
程序，计算机语言的发展。程序设计基础。算法，算法设计：顺序，选择，循环，函数，递归。面向对象的程序设计。
（六）计算机网络的基本思维（课内学时4）
网络概述。网络的分类。数据通信技术。网络协议。网络硬件设备。Internet概述。IP地址、端口号与域名。局域网。WWW服务。电子邮件。FTP与文件上传/下载。远程登录与远程桌面。信息检索。云计算与物联网。互联网+与创新创业的思维。
（七）信息安全的基本思维（课内学时2）
信息安全概述。信息安全防范措施。病毒和木马。黑客的含义，计算机犯罪的含义。信息社会的道德规范。
（八）数据库的基本思维（课内上机学时6）
数据库概述。关系数据库。数据库操作。查询，SQL语句。数据挖掘，大数据。
（九）高级排版技术（Word 2010高级应用）（自主学习）
开课学期
一（1）
开课单位
计算机科学与信息工程学院
适用专业
理工科专业
教学语言
演示文稿、讲解、作业、试卷均采用中文，术语采用中英文对照
先修课程
无材及参考书
计算思维与计算机导论
大学计算机-计算思维导论
课程简介
本课程的教学目的是学生树立计算思维的理论体系，培养使用计算思维的方法解决实际问题的能力，为进一步学习其他课程打下坚实基础，与各学科的专业知识融合进行研究和创新。
《计算思维导论》教学大纲
课程代码
K100100220
本课程中文授课，使用中文教材。
总人数上限：180人；
课程网页：无
制定人及
发布时间
制定人： ， 发布时间：20XX年6月
审核人：审核时间：年月日
（五）问题求解的基本思维（课内学时6，课内上机学时2）
程序，计算机语言的发展。程序设计基础。算法，算法设计：顺序，选择，循环，函数，递归。面向对象的程序设计。
（六）计算机网络的基本思维（课内学时4）
网络概述。网络的分类。数据通信技术。网络协议。网络硬件设备。Internet概述。IP地址、端口号与域名。局域网。WWW服务。电子邮件。FTP与文件上传/下载。远程登录与远程桌面。信息检索。云计算与物联网。互联网+与创新创业的思维。
（七）信息安全的基本思维（课内学时2）
信息安全概述。信息安全防范措施。病毒和木马。黑客的含义，计算机犯罪的含义。信息社会的道德规范。
（八）数据库的基本思维（课内上机学时6）
数据库概述。关系数据库。数据库操作。查询，SQL语句。数据挖掘，大数据。
（九）高级排版技术（Word 2010高级应用）（自主学习）
开课学期
一（1）
开课单位
计算机科学与信息工程学院
适用专业
理工科专业
教学语言
演示文稿、讲解、作业、试卷均采用中文，术语采用中英文对照
先修课程
无材及参考书
计算思维与计算机导论
大学计算机-计算思维导论
课程简介
本课程的教学目的是学生树立计算思维的理论体系，培养使用计算思维的方法解决实际问题的能力，为进一步学习其他课程打下坚实基础，与各学科的专业知识融合进行研究和创新。
《计算思维导论》教学大纲
课程代码
K100100220
计算思维导论教案
互联网查阅：图灵机，冯.诺依曼计算机。
课后 小结
注：教案按课次填写，每课次原则上均应填写一份，全部课次构成完整的教案。
5
5
课次
第 3 课次，总 16 课次
章节 名称
第 3 章 计算机硬件的基本思维
授课 课堂讲授（ √ ）；实验（ ）； 方式
研讨（ ）； 上机（ ）
教学 2
时数
授课
方法 使用 PPT 结合板书讲授，师生互动，研讨。 手段
教学 了解现代计算机硬件的结构，掌握计算机各部件的主要功能、性能指标。 目标
掌握计算机的选购策略，了解计算机应用领域，单片机，高性能计算。
1.现代计算机的结构：总线，地址总线（AB），数据总线（DB），控制总线 （CB）
2．主板的功能
3．微处理器 CPU：主要性能指标：主频、字长、内核数、高速缓存
4．计算机的存储体系：存储的发展趋势。计算机的存储体系采用“速度、 容量、价格的存储资源优化组合的思维模式”。
3. 图像的数字化编码，点阵图像容量；声音的数字化编码：音频的容量； 数据压缩技术，压缩的指标：压缩比、压缩质量、压缩和解压缩速度。
4．图灵机：图灵机的基本思想，图灵测试。
5．冯.诺依曼计算机：冯·诺依曼计算机的主要内容，五个部件的功能， 存储器的工作原理。
6．存储程序控制原理：指令、指令系统和程序，指令执行过程。
（1）寄存器
教学 基本 内容
（2）内存：RAM（随机访问存储器，Random Access Memory）和 ROM（只读 存储器，Read Only Memory）
（3）高速缓存 Cache：缓存的基本思维
（4）硬盘：硬盘的工作原理，硬盘的性能指标：尺寸、容量、转速。固态 硬盘。
课后 小结
注：教案按课次填写，每课次原则上均应填写一份，全部课次构成完整的教案。
5
5
课次
第 3 课次，总 16 课次
章节 名称
第 3 章 计算机硬件的基本思维
授课 课堂讲授（ √ ）；实验（ ）； 方式
研讨（ ）； 上机（ ）
教学 2
时数
授课
方法 使用 PPT 结合板书讲授，师生互动，研讨。 手段
教学 了解现代计算机硬件的结构，掌握计算机各部件的主要功能、性能指标。 目标
掌握计算机的选购策略，了解计算机应用领域，单片机，高性能计算。
1.现代计算机的结构：总线，地址总线（AB），数据总线（DB），控制总线 （CB）
2．主板的功能
3．微处理器 CPU：主要性能指标：主频、字长、内核数、高速缓存
4．计算机的存储体系：存储的发展趋势。计算机的存储体系采用“速度、 容量、价格的存储资源优化组合的思维模式”。
3. 图像的数字化编码，点阵图像容量；声音的数字化编码：音频的容量； 数据压缩技术，压缩的指标：压缩比、压缩质量、压缩和解压缩速度。
4．图灵机：图灵机的基本思想，图灵测试。
5．冯.诺依曼计算机：冯·诺依曼计算机的主要内容，五个部件的功能， 存储器的工作原理。
6．存储程序控制原理：指令、指令系统和程序，指令执行过程。
（1）寄存器
教学 基本 内容
（2）内存：RAM（随机访问存储器，Random Access Memory）和 ROM（只读 存储器，Read Only Memory）
（3）高速缓存 Cache：缓存的基本思维
（4）硬盘：硬盘的工作原理，硬盘的性能指标：尺寸、容量、转速。固态 硬盘。
计算思维导论考试重点
计算思维导论考试重点高等教育出版社第一章计算思维基础知识一计算科学与计算学科1计算科学又称科学计算，它是一种与数学模型构建、定量分析方法以及利用计算机来分析和解决科学问题的研究领域。
2利用计算科学对其他学科中的问题进行计算模拟以及其他形式的计算而形成的诸如计算物理，计算化学、计算生物等学科统称为计算学科。
计算学科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。
二科学思维科学思维通常是指理性认识及其过程，经过感性阶段获得大量材料，通过整理和改造，形成概念、判断和推理，以及反映事物的本质和规律。
三科学思维的分类1理论思维又称逻辑思维，是指通过抽象概括，建立描述事物本质的的概念，应用科学的方法探寻概念概念之间联系的一种思维方法。
2实验思维又称实证思维，是通过观察和实验获取自然规律法则的一种思维方法。
3计算思维又称构造思维，是指从具体的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。
四计算思维的定义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。
五计算思维的特征1概念化不是程序化2根本的，不是刻板的技能3是人的，不是计算机的思维方式。
4数学和工程思维的互补与融合5是思想，不是人造物6面向所有人，所有地方六计算思维的本质抽象和自动化第二章计算理论与计算模型一计算理论是关于计算和计算机械的数学理论，它研究计算的过程与功效。
计算理论主要包括算法与算法学、计算复杂性理论、可计算性理论、自动机理论和形式语言理论等。
二可计算性理论是研究计算的一般性质的数学理论。
可计算理论的中心课题就是将算法这一直观概念精确化，建立计算的数学模型，研究哪些是可计算的，哪些是不可计算的，以此揭示计算的实质。
三停机问题p29理解四冯诺依曼机1冯诺依曼机的模型p372冯诺依曼机的工作原理冯诺依曼机的主要思想是存储程序和程序控制，其工作原理是：程序由指令组成，并和数据一起存放在存储器中，计算机一经启动，就能按照程序指定的逻辑顺序把指令从存储器中读取并逐条执行，自动完成指令规定的操作。
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《计算机导论——计算思维和应用技术》
第1页 共268页
计算机 第3章 计算思维 3.1 基本特征 3.2 建模案例 3.3 解题方法 3.4 图灵机与可计算性
3.1.1 科学思维的形式 3.1.2 计算思维的特征 3.1.3 问题抽象与分解 3.1.4 计算机解题方法 3.1.5 解题模型的构建 [增强版]
• 对问题用数学形式描述它； • 检查描述是否合适，如果不合适，再换一种方式； • 通过反复尝试，达到满意的结果。
第31页 共268页
3.1.4 计算机解题方法
（2）理解算法的适应性
• 常用算法，如：分治算法，贪心算法，动态规划，线性规划，遗传算法等。
第32页 共268页
（3）建立算法
• 确定问题的数学模型； • 对这组运算进行调用和控制； • 根据已知数据导出结果。 • 算法描述形式：数学模型，表格，图形，伪代码，程序流程图等。 • 获得了算法并不等于问题可解，问题是否可解还取决于算法需要的时间和空间在数量级 上能否接受。
第26页 共268页
3.1.4 计算机解题方法 1、理解问题，寻找解决问题的条件
（1）界定问题
• • • • • 把事情条理摸清楚，用自己的话来说明问题； 弄清楚问题到底是什么，什么是你想找到的，什么是未知的； 想出尽可能多的解决方案； 对解决方案进行对比，选出最好的方案； 用最好的方案来解决问题。
3.1.3 问题抽象与分解 1、抽象
第17页 共268页
• 抽象是对事物进行人为处理，抽取关心的、共同的、本质特征的属性，并对这些事 物和特征属性进行描述，从而大大降低系统元素的绝对数量。 • 抽象的特点：
（1）有足够简单和易于遵守的规则。 （2）无需知道具体实现方法就可以理解的行为。 （3）可以预知的功能组合。 （4）可以实现模块化的部件设计。 （5）确保行为的有效性。
3.1.4 计算机解题方法 4、程序设计
第33页 共268页
• 图灵：“如果想让机器模仿计算员执行复杂的操作，他必须告诉计算机要做什么， 并把结果翻译成某种形式的指令表。这种构造指令表的行为称为编程”。 • 设计程序应当考虑以下问题
• 计算思维是各个专业求解问题的基本途径。
3.1.2 计算思维的特征 2、计算思维的定义
• “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。
第9页 共268页
• 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系列思维活动。
3.1.2 计算思维的特征
3.1.2 计算思维的特征
• 计算思维建立在计算过程的能力和限制之上。 • 最根本的问题是：什么是可计算的？ • 解决这个问题有多么困难？什么是最佳的解决方法？ • 一个近似解是否就够了吗？是否允许漏报和误报？
第12页 共268页
• 计算思维是通过简化、转换和仿真等方法，把一个看起来困难的问题，重新阐释成 一个我们知道怎样解决的问题。 • 计算思维是选择合适的方式对问题进行建模，使它易于处理。
• 实验思维以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。 • 实验思维步骤：
（1）从现象获得直观认识。 （2）用数学方法导出数量关系。 （3）通过实验证实数量关系。
第4页 共268页
• 实验思维最重要的是建立理想的实验环境。
3.1.1 科学思维的形式 3、计算思维
• 计算思维以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。 • 计算思维的根本问题是什么能被有效的自动进行。 • 为了机器的自动化，需要在抽象过程中进行符号转换和建立计算模型。 • 计算思维需要考虑问题处理的边界，以及可能产生的错误。
3.1.4 计算机解题方法
【扩展】麦肯锡解决问题的七个步骤。
第25页 共268页
3.1.4 计算机解题方法
• 计算机解决问题步骤：
• • • • 理解问题，寻找解决问题的条件； 对有连续性的问题，进行离散化处理； 从问题抽象出适当的数学模型，然后设计解决这个数学模型的算法； 按照算法编写程序，并调试、测试、运行程序，得到最终解答。
• 如果我们真的建立了宇宙的模型，一切都可计算，那么全部物理问题就还原成了数学。
3.1.2 计算思维的特征
第14页 共268页
【扩展】美国计算机协会(ACM)和美国电气和电子工程学会计算机分会(IEEE-CS)发布 了“计算学科2001教程(CC2001)”，提出了以下概念和方法。
• 计算学科的12个核心概念：
3.1.2 计算思维的特征 1、计算工具与思维方式的相互影响
第8页 共268页
• 家迪科斯彻：我们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。 • 计算的发展影响着人类的思维方式。
• • • • 如，计算生物学改变了生物学家的思维方式； 如，计算机博弈论改变着经济学家的思维方式； 如，计算社会科学改变着社会学家的思维方式； 如，量子计算改变着物理学家的思维方式。
• 国际教育技术协会对计算思维的可操作性定义。 • 计算思维是问题解决的过程，该过程包括以下特点：
（1）制定问题，并利用计算机和其他工具来解决该问题；
（2）要符合逻辑地组织和分析数据； （3）通过抽象（如模型、仿真等）再现数据； （4）通过算法思想（一系列有序的步骤）支持自动化的解决方案； （5）分析可能的解决方案，找到最有效的方案；
第10页 共268页
（6）将该问题的求解过程推广并移植到更广泛的问题中。
3.1.2 计算思维的特征 3、计算思维的特征
• 计算思维是每个大学生必须掌握的基本技能。 • 计算思维是人的，不是计算机的思维方式。
第11页 共268页
• 计算思维是人类求解问题的思维方法，而不是要使人类像计算机那样思考。 • 计算思维是数学思维和工程思维的相互融合。 • 计算机科学本质上来源于数学思维，但是受计算设备的限制，迫使计算机科学家必 须进行工程思考，不能只是数学思考。
• • • • • • • • • • • • • • 离散结构(PS) 程序设计基础(PF) 算法与复杂性(AL) 组织与体系结构(AR) 操作系统(OS) 网络计算(NC) 程序设计语言(PL) 人-机交互(HL) 图形学和可视化计算(GV) 智能系统(IS) 信息管理(IM) 软件工程(SE) 数值计算科学(CN) 社会和职业问题(SP)
3.1.3 问题抽象与分解 3、问题分解
（1）利用等价关系进行系统简化
• 降低集合复杂性的方法是使它有序。 • 使集合有序的办法是按“等价关系”对系统进行分解。
第23页 共268页
（2）利用分治法进行分解
• 分治法是把复杂的问题分解成若干个简单问题，然后逐个解决。 • 编程时应考虑：复杂问题分解后，每个问题能否用程序实现？ 模块之间的连接尽可能少，接口清晰。 模块规模合理，便于独立设计。 功能相似的设计成共享模块。 最底层模块用基本逻辑电路实现。
• 为了实现机器自动化，需要对问题进行精确描述和数学建模。
3.1.3 问题抽象与分解
【案例】毕加索画牛的抽象过程。
• 抽象的表现最简单省力，也最复杂费力。 • 抽象体现的是人为的主观意识。
第18页 共268页
3.1.3 问题抽象与分解 2、计算的三个抽象层次
• 计算理论关注的问题：
• 计算的本质是什么？ • 什么是可计算的？ • 计算的基本能力和局限是什么？
绑定、大问题的复杂性、概念和形式模型、一致性和完备性、效率、演化、抽象层次、按 空间排序、按时间排序、重用、安全性、折衷、结论 。
• 计算学科解决问题的三个过程：
（1）理论（数学）
（2）抽象（模型） （3）设计（工程）
• 计算学科的目标：怎样有效地进行自动计算。
3.1.2 计算思维的特征
【扩展】ACM/IEEE-CS在CC2001提出的计算学科课程体系 ：
第15页 共268页
《计算机导论——计算思维和应用技术》
第16页 共268页
计算机 第3章 计算思维 3.1 基本特征 3.2 建模案例 3.3 解题方法 3.4 图灵机与可计算性
3.1.1 科学思维的形式 3.1.2 计算思维的特征 3.1.3 问题抽象与分解 3.1.4 计算机解题方法 3.1.5 解题模型的构建
• • • • •
第3页 共268页
任意两个点可以通过一条直线连接。 任意线段能无限延伸成一条直线。 给定任意线段，可以以其一个端点作为圆心，该线段作为半径作一个圆。 所有直角都全等。 若一直线与其他两直线相交，以至该直线一侧的两内角之和小于两直角，则那两直线延 伸足够长后必相交于该侧。
3.1.1 科学思维的形式 2、实验思维
第19页 共268页
• 计算模型的层次：
• 计算理论：计算理论与现实机器之间没有直接的关系，它们是相互独立的。 • 计算方法：算法是中介，它既与计算理论关联，又与计算实现关联。 • 程序实现：物理上如何实现信息表示和算法。
程序实现 计算方法
计算理论
3.1.3 问题抽象与分解
【扩展】科学计算环境的4个层次。
• 原始地形图 离散化处理后的地形图
第29页 共268页
生成土方网格并自动计算
3.1.4 计算机解题方法
【案例】土方计算地形分析软件离散化处理后的地形图。
第30页 共268页
3.1.4 计算机解题方法 3、解决问题的算法
• 算法是问题求解过程的精确描述。 • 求解一个问题时，可能会有多种算法可供选择。 • 算法选择：正确性，可靠性，简单性，存储空间，执行速度等。 （1）问题的抽象描述
3.1.2 计算思维的特征
【扩展】沃尔夫勒姆（Wolfram）在《一种新科学》书中指出：
• 自然界的本质是计算，但计算的本质必须用实验探索。
第13页 共268页
• 世界的底层规则是简单的、决定性的，但是这些规则生成的人类行为却极端复杂。 • 我认为宇宙像pi一样，虽然无穷无尽但可以计算到任意精度。 • 审视一下新出现的关于自然界的模型，我们会看到，基于程序的发现，将逐渐取代基于 方程的发现。
第1页 共268页
计算机 第3章 计算思维 3.1 基本特征 3.2 建模案例 3.3 解题方法 3.4 图灵机与可计算性
3.1.1 科学思维的形式 3.1.2 计算思维的特征 3.1.3 问题抽象与分解 3.1.4 计算机解题方法 3.1.5 解题模型的构建 [增强版]
• 对问题用数学形式描述它； • 检查描述是否合适，如果不合适，再换一种方式； • 通过反复尝试，达到满意的结果。
第31页 共268页
3.1.4 计算机解题方法
（2）理解算法的适应性
• 常用算法，如：分治算法，贪心算法，动态规划，线性规划，遗传算法等。
第32页 共268页
（3）建立算法
• 确定问题的数学模型； • 对这组运算进行调用和控制； • 根据已知数据导出结果。 • 算法描述形式：数学模型，表格，图形，伪代码，程序流程图等。 • 获得了算法并不等于问题可解，问题是否可解还取决于算法需要的时间和空间在数量级 上能否接受。
第26页 共268页
3.1.4 计算机解题方法 1、理解问题，寻找解决问题的条件
（1）界定问题
• • • • • 把事情条理摸清楚，用自己的话来说明问题； 弄清楚问题到底是什么，什么是你想找到的，什么是未知的； 想出尽可能多的解决方案； 对解决方案进行对比，选出最好的方案； 用最好的方案来解决问题。
3.1.3 问题抽象与分解 1、抽象
第17页 共268页
• 抽象是对事物进行人为处理，抽取关心的、共同的、本质特征的属性，并对这些事 物和特征属性进行描述，从而大大降低系统元素的绝对数量。 • 抽象的特点：
（1）有足够简单和易于遵守的规则。 （2）无需知道具体实现方法就可以理解的行为。 （3）可以预知的功能组合。 （4）可以实现模块化的部件设计。 （5）确保行为的有效性。
3.1.4 计算机解题方法 4、程序设计
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• 图灵：“如果想让机器模仿计算员执行复杂的操作，他必须告诉计算机要做什么， 并把结果翻译成某种形式的指令表。这种构造指令表的行为称为编程”。 • 设计程序应当考虑以下问题
• 计算思维是各个专业求解问题的基本途径。
3.1.2 计算思维的特征 2、计算思维的定义
• “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。
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• 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系列思维活动。
3.1.2 计算思维的特征
3.1.2 计算思维的特征
• 计算思维建立在计算过程的能力和限制之上。 • 最根本的问题是：什么是可计算的？ • 解决这个问题有多么困难？什么是最佳的解决方法？ • 一个近似解是否就够了吗？是否允许漏报和误报？
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• 计算思维是通过简化、转换和仿真等方法，把一个看起来困难的问题，重新阐释成 一个我们知道怎样解决的问题。 • 计算思维是选择合适的方式对问题进行建模，使它易于处理。
• 实验思维以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。 • 实验思维步骤：
（1）从现象获得直观认识。 （2）用数学方法导出数量关系。 （3）通过实验证实数量关系。
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• 实验思维最重要的是建立理想的实验环境。
3.1.1 科学思维的形式 3、计算思维
• 计算思维以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。 • 计算思维的根本问题是什么能被有效的自动进行。 • 为了机器的自动化，需要在抽象过程中进行符号转换和建立计算模型。 • 计算思维需要考虑问题处理的边界，以及可能产生的错误。
3.1.4 计算机解题方法
【扩展】麦肯锡解决问题的七个步骤。
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3.1.4 计算机解题方法
• 计算机解决问题步骤：
• • • • 理解问题，寻找解决问题的条件； 对有连续性的问题，进行离散化处理； 从问题抽象出适当的数学模型，然后设计解决这个数学模型的算法； 按照算法编写程序，并调试、测试、运行程序，得到最终解答。
• 如果我们真的建立了宇宙的模型，一切都可计算，那么全部物理问题就还原成了数学。
3.1.2 计算思维的特征
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【扩展】美国计算机协会(ACM)和美国电气和电子工程学会计算机分会(IEEE-CS)发布 了“计算学科2001教程(CC2001)”，提出了以下概念和方法。
• 计算学科的12个核心概念：
3.1.2 计算思维的特征 1、计算工具与思维方式的相互影响
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• 家迪科斯彻：我们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。 • 计算的发展影响着人类的思维方式。
• • • • 如，计算生物学改变了生物学家的思维方式； 如，计算机博弈论改变着经济学家的思维方式； 如，计算社会科学改变着社会学家的思维方式； 如，量子计算改变着物理学家的思维方式。
• 国际教育技术协会对计算思维的可操作性定义。 • 计算思维是问题解决的过程，该过程包括以下特点：
（1）制定问题，并利用计算机和其他工具来解决该问题；
（2）要符合逻辑地组织和分析数据； （3）通过抽象（如模型、仿真等）再现数据； （4）通过算法思想（一系列有序的步骤）支持自动化的解决方案； （5）分析可能的解决方案，找到最有效的方案；
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（6）将该问题的求解过程推广并移植到更广泛的问题中。
3.1.2 计算思维的特征 3、计算思维的特征
• 计算思维是每个大学生必须掌握的基本技能。 • 计算思维是人的，不是计算机的思维方式。
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• 计算思维是人类求解问题的思维方法，而不是要使人类像计算机那样思考。 • 计算思维是数学思维和工程思维的相互融合。 • 计算机科学本质上来源于数学思维，但是受计算设备的限制，迫使计算机科学家必 须进行工程思考，不能只是数学思考。
• • • • • • • • • • • • • • 离散结构(PS) 程序设计基础(PF) 算法与复杂性(AL) 组织与体系结构(AR) 操作系统(OS) 网络计算(NC) 程序设计语言(PL) 人-机交互(HL) 图形学和可视化计算(GV) 智能系统(IS) 信息管理(IM) 软件工程(SE) 数值计算科学(CN) 社会和职业问题(SP)
3.1.3 问题抽象与分解 3、问题分解
（1）利用等价关系进行系统简化
• 降低集合复杂性的方法是使它有序。 • 使集合有序的办法是按“等价关系”对系统进行分解。
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（2）利用分治法进行分解
• 分治法是把复杂的问题分解成若干个简单问题，然后逐个解决。 • 编程时应考虑：复杂问题分解后，每个问题能否用程序实现？ 模块之间的连接尽可能少，接口清晰。 模块规模合理，便于独立设计。 功能相似的设计成共享模块。 最底层模块用基本逻辑电路实现。
• 为了实现机器自动化，需要对问题进行精确描述和数学建模。
3.1.3 问题抽象与分解
【案例】毕加索画牛的抽象过程。
• 抽象的表现最简单省力，也最复杂费力。 • 抽象体现的是人为的主观意识。
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3.1.3 问题抽象与分解 2、计算的三个抽象层次
• 计算理论关注的问题：
• 计算的本质是什么？ • 什么是可计算的？ • 计算的基本能力和局限是什么？
绑定、大问题的复杂性、概念和形式模型、一致性和完备性、效率、演化、抽象层次、按 空间排序、按时间排序、重用、安全性、折衷、结论 。
• 计算学科解决问题的三个过程：
（1）理论（数学）
（2）抽象（模型） （3）设计（工程）
• 计算学科的目标：怎样有效地进行自动计算。
3.1.2 计算思维的特征
【扩展】ACM/IEEE-CS在CC2001提出的计算学科课程体系 ：
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《计算机导论——计算思维和应用技术》
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计算机 第3章 计算思维 3.1 基本特征 3.2 建模案例 3.3 解题方法 3.4 图灵机与可计算性
3.1.1 科学思维的形式 3.1.2 计算思维的特征 3.1.3 问题抽象与分解 3.1.4 计算机解题方法 3.1.5 解题模型的构建
• • • • •
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任意两个点可以通过一条直线连接。 任意线段能无限延伸成一条直线。 给定任意线段，可以以其一个端点作为圆心，该线段作为半径作一个圆。 所有直角都全等。 若一直线与其他两直线相交，以至该直线一侧的两内角之和小于两直角，则那两直线延 伸足够长后必相交于该侧。
3.1.1 科学思维的形式 2、实验思维
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• 计算模型的层次：
• 计算理论：计算理论与现实机器之间没有直接的关系，它们是相互独立的。 • 计算方法：算法是中介，它既与计算理论关联，又与计算实现关联。 • 程序实现：物理上如何实现信息表示和算法。
程序实现 计算方法
计算理论
3.1.3 问题抽象与分解
【扩展】科学计算环境的4个层次。
• 原始地形图 离散化处理后的地形图
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生成土方网格并自动计算
3.1.4 计算机解题方法
【案例】土方计算地形分析软件离散化处理后的地形图。
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3.1.4 计算机解题方法 3、解决问题的算法
• 算法是问题求解过程的精确描述。 • 求解一个问题时，可能会有多种算法可供选择。 • 算法选择：正确性，可靠性，简单性，存储空间，执行速度等。 （1）问题的抽象描述
3.1.2 计算思维的特征
【扩展】沃尔夫勒姆（Wolfram）在《一种新科学》书中指出：
• 自然界的本质是计算，但计算的本质必须用实验探索。
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• 世界的底层规则是简单的、决定性的，但是这些规则生成的人类行为却极端复杂。 • 我认为宇宙像pi一样，虽然无穷无尽但可以计算到任意精度。 • 审视一下新出现的关于自然界的模型，我们会看到，基于程序的发现，将逐渐取代基于 方程的发现。