計算機-計算與計算思維

1、大學計算機大學計算機-計算思維導論計算思維導論李旻先南京理工大學計算機科學與工程學院當今信息社會，每個人都離不開計算機，計算機的出現(xiàn)已當今信息社會，每個人都離不開計算機，計算機的出現(xiàn)已改變了人們很多的工作和生活習慣！改變了人們很多的工作和生活習慣！u學習大學計算機，應該學習計算思維，學習計算機科學學習大學計算機，應該學習計算思維，學習計算機科學家進行問題求解的思維方式！家進行問題求解的思維方式！第第1講講 計算機、計算與計算思維計算機、計算與計算思維3/63計算機、計算與計算思維計算機、計算與計算思維1. 計算機是什么計算機是什么?計算機計算機是什么是什么?4/63傳統(tǒng)傳統(tǒng)“計算機器計算機器”

2、多樣化的多樣化的“計算機器計算機器”，各種設備的，各種設備的“大腦大腦”系統(tǒng)系統(tǒng)1.1 計算機與各種設備中的計算機計算機與各種設備中的計算機?形形色色的計算機形形色色的計算機5/63形形色色的計算機形形色色的計算機1.2 各種應用中的計算機各種應用中的計算機?6/63馬克馬克.安德森安德森 -前Netscape公司創(chuàng)始人，現(xiàn)風險投資人形形色色的計算機形形色色的計算機1.3 計算機除了硬件，還包括軟件計算機除了硬件，還包括軟件?7/63為什么要學習和怎樣學習為什么要學習和怎樣學習大學計算機課程大學計算機課程計算機、計算與計算思維計算機、計算與計算思維2. 為什么要學習和怎樣學習大學計算機課程為什

3、么要學習和怎樣學習大學計算機課程?8/632.1 為什么要學習大學計算機？為什么要學習大學計算機？計算學科的供需關系計算學科的供需關系9/63計算科學計算科學 與與 信息探索科學信息探索科學10/63支持各學支持各學科研究創(chuàng)科研究創(chuàng)新的新型新的新型計算手段計算手段Gap計算思維計算思維/計算能力計算能力計算機及計算機及其通用計其通用計算手段的算手段的應用應用當前的非計算機專業(yè)當前的非計算機專業(yè)計算機關注點計算機關注點應用計算應用計算手段進行手段進行各學科研各學科研究和創(chuàng)新究和創(chuàng)新非計算機專業(yè)學生非計算機專業(yè)學生的未來計算能力的未來計算能力知識知識/技能技能計算思維計算思維的學習和的學習和訓練訓

4、練1998年諾貝爾化年諾貝爾化學獎獎勵給一個學獎獎勵給一個計算手段的研究計算手段的研究者者- John Pople化學學科工作者利化學學科工作者利用計算手段進行學用計算手段進行學科的科學研究科的科學研究各學科人才的計算思維各學科人才的計算思維/計算能力需求計算能力需求11/63“看山是山，看水是水看山是山，看水是水”“昨夜西風凋碧樹，獨上高樓，望盡天涯路昨夜西風凋碧樹，獨上高樓，望盡天涯路”“看山不是山，看水不是水看山不是山，看水不是水”“衣帶漸寬終不悔，為伊銷得人憔悴衣帶漸寬終不悔，為伊銷得人憔悴”“看山還是山，看水還是水看山還是山，看水還是水”“眾里尋她千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處

5、眾里尋她千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”From 王國維王國維“人間詞話人間詞話”關于關于“境界境界”的闡述的闡述貫通，看得遠，貫通，看得遠，才能認識準確才能認識準確浮想聯(lián)翩，由此浮想聯(lián)翩，由此及彼，才能發(fā)現(xiàn)及彼，才能發(fā)現(xiàn)不斷訓練，不斷理解，才能不斷訓練，不斷理解，才能找出本質，才能創(chuàng)新找出本質，才能創(chuàng)新聯(lián)想與貫通聯(lián)想與貫通訓練與實踐訓練與實踐概念與知識概念與知識l“計算機計算機”的思維的思維: 計算機是如何工作的? 計算機的功能是如何越來越強大的?l利用計算機的思維利用計算機的思維: 現(xiàn)實世界的各種事物如何利用計算機來進行控制和處理? u計算思維計算思維(Computational T

6、hinking)是運用計算機科學的基礎概念去求解問題求解問題、設計設計系統(tǒng)系統(tǒng)和理解人類行為理解人類行為，其本質是抽象抽象和自動化自動化-from 周以真。計算思維計算思維2.2 怎樣學習大學計算機？怎樣學習大學計算機？思維是創(chuàng)新的源頭，技術與知識是創(chuàng)新的支撐思維是創(chuàng)新的源頭，技術與知識是創(chuàng)新的支撐12/63-本門課程學習需要注意的本門課程學習需要注意的知識知識 vs. 貫通知識的思維貫通知識的思維計算思維計算思維知識知識13/63思維思維(Thought/Thinking)能力能力(Ability & Capability)知識知識/技能技能(Technique/Skill)知識與視

7、野拓展知識與視野拓展Knowledge Expansion視野：視野：寬度寬度-知識面寬，前沿性知識面寬，前沿性深度深度-貫通性，深入性貫通性，深入性技能：練習，練習，技能：練習，練習， 思維：好奇、思考、聯(lián)想、貫通思維：好奇、思考、聯(lián)想、貫通訓練與掌握訓練與掌握Training啟發(fā)與理解啟發(fā)與理解Understanding打通知識脈絡，打通知識脈絡，融貫各門課程，融貫各門課程，內功強化基礎，內功強化基礎，外功靈活應變。外功靈活應變。能力能力-內功內功(貫通的脈絡貫通的脈絡)實踐實踐-鍛煉鍛煉,使脈絡貫通使脈絡貫通思維思維-脈絡脈絡(穴位鏈穴位鏈)知識知識-穴位穴位知識知識 vs. 思維思維

8、vs. 能力能力14/63計算與自動計算計算與自動計算計算機、計算與計算思維計算機、計算與計算思維3. 計算與自動計算計算與自動計算?15/63簡單計算簡單計算I：數據數據計算，計算規(guī)則計算規(guī)則，應用計算規(guī)則進行計算并獲得計算結果結果復雜計算復雜計算II：f(x)，函數，計算規(guī)則及其簡化計算方法，便于人應用規(guī)則進行計算，獲得計算結果復雜計算復雜計算III：如丟番圖方程，判定，計算規(guī)則，人可能無法完成但卻可由機器自動完成，借助于機器獲得計算結果a1x1b1+a2x2b2+anxnbn=c3.1 什么是計算？什么是計算？計算學科的計算計算學科的計算 vs. 數學學科的計算數學學科的計算16/63例

9、如：求ax2+bx+c=0的根人進行計算：人進行計算：l規(guī)則可能很復雜規(guī)則可能很復雜, 但計算量卻但計算量卻可能很小可能很小l人需要知道具體的計算規(guī)則人需要知道具體的計算規(guī)則l特定規(guī)則，只能求特定規(guī)則，只能求: a1x2+a2x=c機器機器-自動計算：自動計算：l規(guī)則可能很簡單規(guī)則可能很簡單, 但計算量卻但計算量卻很大很大l機器也可以采用人所使用的機器也可以采用人所使用的計算規(guī)則計算規(guī)則l一般性的規(guī)則，可以求任意一般性的規(guī)則，可以求任意: a1x1b1+a2x2b2+anxnbn=c人人-求解求解機器機器-求解求解(1)從從-n到到n，產，產生生x的每一個整的每一個整數值；數值；(2)將其依次

10、代將其依次代入到方程中計入到方程中計算算;(3)如果其值使如果其值使方程式成立，方程式成立，則即為其解；則即為其解；否則不是否則不是 3.2 人計算與機器計算的差別人計算與機器計算的差別?u“人人”計算計算 vs. “機器機器”計算計算利用上述公式利用上述公式計算得到計算得到x值值17/63自動計算要解決的幾個問題自動計算要解決的幾個問題: 表示表示-存儲存儲-執(zhí)行執(zhí)行u“數據數據”的表示的表示u“計算規(guī)則計算規(guī)則”的表示的表示u數據與計算規(guī)則的數據與計算規(guī)則的“自動存儲自動存儲”u計算規(guī)則的計算規(guī)則的“自動執(zhí)行自動執(zhí)行”a1x1b1+a2x2b2+anxnbn=c3.3 自動計算需要解決什么

11、問題自動計算需要解決什么問題?18/63算盤能被認為是計算機嗎?九層算盤九層算盤 一、加法口訣一、加法口訣 直加直加 滿五加滿五加 進十加進十加一: 一上一 一下五去四 一去九進一二: 二上二 二下五去三 二去八進一三: 三上三 三下五去二 三去七進一四: 四上四 四下五去一 四去六進一五: 五上五 五去五進一六: 六上六 六去四進一 六上一去五進一七: 七上七 七去三進一 七上二去五進一八: 八上八 八去二進一 八上三去五進一九: 九上九 九去一進一 九上四去五進一 二、減法口訣二、減法口訣 直減直減 破五減破五減 退位減退位減一 一下一 一上四去五 一退一還九二 二下二 二上三去五 二退一

12、還八三 三下三 三上二去五 三退一還七四 四下四 四上一去五 四退一還六五 五下五 五退一還五六 六下六 六退一還四 六退一還五去一七 七下七 七退一還三 七退一還五去二八 八下八 八退一還二 八退一還五去三九 九下九 九退一還一 九退一還五去四 珠算珍品珠算珍品3.4 機械計算的探索機械計算的探索? 19/63帕斯卡與帕斯卡機-(準)第一臺機械計算機u Blaise Pascal (16231662) u1642年研制成功一種齒輪式計算機器 帕斯卡機的意義帕斯卡機的意義：它告訴人們“用用純機械裝置純機械裝置可代替人可代替人的思維和記憶的思維和記憶”。開辟了自動計算自動計算的道路。3. 計算與

13、自動計算計算與自動計算3.4 機械計算的探索機械計算的探索? 20/63萊布尼茨u Gottfried Wilhelm Leibniz (16461716)，德國數學家。u萊布尼茨機的意義萊布尼茨機的意義：連續(xù)重復自動執(zhí)行連續(xù)重復自動執(zhí)行。u提出了二進制數二進制數及其計算規(guī)則計算規(guī)則；u數理邏輯數理邏輯的創(chuàng)始人是基于十進制設計機器，還是基于二進制設計機是基于十進制設計機器，還是基于二進制設計機器？器？如果基于二進制設計機器，那其處理規(guī)則又是怎如果基于二進制設計機器，那其處理規(guī)則又是怎樣的呢？樣的呢？21/63其他重要工作u1805年： 杰卡德(J.Jacquard)，打孔卡打孔卡，實踐了輸入手

14、段輸入手段問題。u1834年：巴貝奇(Charles Babbage)，分分析機析機的概念-可執(zhí)行程序的機器可執(zhí)行程序的機器。u1854年：布爾創(chuàng)立布爾代數布爾代數，為數字數字計算機的電路設計計算機的電路設計提供了理論基礎。u (請同學課后補充)巴貝奇差分機與分析機巴貝奇差分機與分析機22/63計算輔助工具計算輔助工具Pascal機械計算機機械計算機: 自動計算自動計算Babbage機械計算機機械計算機: (特定特定)程序程序現(xiàn)代計算機：現(xiàn)代計算機：一般程序一般程序機械計算的簡要發(fā)展歷程是怎樣的？ u從表示從表示-自動存儲自動存儲-自動執(zhí)行的角度自動執(zhí)行的角度23/63電子自動計算電子自動計算

15、-元器件元器件計算機、計算與計算思維計算機、計算與計算思維4. 電子自動計算電子自動計算-元器件元器件?24/63電子管時代的計算機器人類第一只電子管電子管(真空二極管),1895電子管計算機電子管計算機ENIAC,1946年,17468只電子管4.1 電子自動計算的突破在哪里？電子自動計算的突破在哪里？存儲存儲0和和1的元器件的元器件25/63電子管時代的計算機器u 馮馮.諾伊曼諾伊曼(Von Neumann)電子計算機EDVAC問世u將運算運算和存儲存儲分離分離，運算速度卻比擁有18000個電子管的“ENIAC”提高了10倍u結構上的創(chuàng)新結構上的創(chuàng)新：“馮馮.諾伊曼計算機諾伊曼計算機”。運

16、算規(guī)則和數據是否可事運算規(guī)則和數據是否可事先存儲于存儲器中，以便先存儲于存儲器中，以便機器連續(xù)的執(zhí)行呢？機器連續(xù)的執(zhí)行呢？運算和存儲怎樣分離呢？運算和存儲怎樣分離呢？?26/63晶體管時代的計算機器人類第一只晶體管晶體管(真空二極管),1947第一臺晶體管計算機TRADIC，19534.2 晶體管發(fā)現(xiàn)的價值在哪里呢？晶體管發(fā)現(xiàn)的價值在哪里呢？怎樣使體積更小怎樣使體積更小? 可靠性更高可靠性更高? 可控性更靈活呢可控性更靈活呢?27/63集成電路時代的計算機器集成電路集成電路的發(fā)明,1959第三代計算機IBM360,1964J.Kilby，集成電路發(fā)明者封裝后的集成電路芯片4.3 什么是集成電路

17、，其價值又在哪里呢？什么是集成電路，其價值又在哪里呢？能否將復雜的電路封裝后作為新電路設計的元件呢？能否將復雜的電路封裝后作為新電路設計的元件呢？復雜的電路復雜的電路 集成集成 封裝封裝 應用？應用？28/63超大規(guī)模集成電路(VLSI)時代的計算機器第四代計算機個人計算機,1981VLSI芯片及其封裝的內部電路摩爾定律摩爾定律-每每18個月芯片能力增長一倍個月芯片能力增長一倍29/63電子管電子管: 可自動控制可自動控制0和和1變化的元件變化的元件晶體管晶體管集成電路集成電路: 可自動實現(xiàn)一定變換的元件可自動實現(xiàn)一定變換的元件超大規(guī)模集成超大規(guī)模集成電路電路(VLSI)自動計算中的元器件的發(fā)

18、展自動計算中的元器件的發(fā)展u從表示從表示-自動存儲自動存儲-自動執(zhí)行的角度自動執(zhí)行的角度l體積越來越?。惑w積越來越?。籰可靠性越來越高；可靠性越來越高；l電路規(guī)模越來越大；電路規(guī)模越來越大；l速度越來越快；速度越來越快；l功能越來越強大；功能越來越強大；4.4 元器件發(fā)展的軌跡是怎樣的，每個階段要解決什么問題？元器件發(fā)展的軌跡是怎樣的，每個階段要解決什么問題？30/63自動計算中的元器件的發(fā)展啟示自動計算中的元器件的發(fā)展啟示InputOutputTransformInput1Output1Transform1Input2Output2Transform2Input3Output3Transfo

19、rm3Input1Output1Transform1Input2Output2Transform2Input3Output3Transform3ABTransform44.5 元器件發(fā)展的軌跡是怎樣的，每個階段要解決什么問題？元器件發(fā)展的軌跡是怎樣的，每個階段要解決什么問題？31/63電子自動計算電子自動計算-計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機、計算與計算思維計算機、計算與計算思維5. 電子自動計算電子自動計算-計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)?32/63計算機系統(tǒng)要解決的幾個問題計算機系統(tǒng)要解決的幾個問題u“存儲與計算存儲與計算”-微處理器微處理器u“輸入輸入”-如何將外部信息輸入到計算機中如何將外部信息輸入到

20、計算機中?u“輸出輸出”-如何將計算機中信息輸出到外界如何將計算機中信息輸出到外界(顯示或打印顯示或打印)?u “永久存儲永久存儲”-如何將計算機中的信息永久保存如何將計算機中的信息永久保存?5.1 計算機系統(tǒng)的構成包括哪些部分？計算機系統(tǒng)的構成包括哪些部分？33/63u字長字長：8位16位32位64位u主頻主頻：幾MHz幾百MHz幾GHzu晶體管數量晶體管數量：幾萬幾百萬幾億顆u功能功能/規(guī)模規(guī)模：微處理器微處理器微處理器+協(xié)協(xié)處理器處理器(浮點運算浮點運算)微處理器微處理器+圖形處理單圖形處理單元元GPU微處理器微處理器+3D處理器處理器+多媒體處理多媒體處理器器多核微處理器多核微處理器微

21、處理器的發(fā)展1999Pentium III2005雙核雙核CORE2010八核八核-十核十核CORE i 系列系列19748086/80881982Intel 802861985Intel 803861989Intel 804861993Pentium1997Pentium II5.2 存儲與計算的核心存儲與計算的核心-微處理器？微處理器？34/63存儲設備存儲設備存儲設備類別類別發(fā)展水平發(fā)展水平固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤USB Removable diskFlashRAM磁帶磁帶/磁芯磁芯/磁鼓存儲磁鼓存儲磁盤存儲磁盤存儲(硬盤與軟盤硬盤與軟盤)光盤存儲光盤存儲(CD-ROM, CD R/W, DVD

22、)汞延遲線汞延遲線納米存儲納米存儲/量子存儲量子存儲半導體存儲半導體存儲(ROM/RAM)體積越來越小體積越來越小容量越來越大容量越來越大訪問速度越來越快訪問速度越來越快可靠性越來越高可靠性越來越高功耗越來越低功耗越來越低持久性越來越好持久性越來越好DRAM半導體存儲器芯片半導體存儲器芯片F(xiàn)lashRAM存儲器存儲器U-Disk固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤磁芯存儲器磁芯存儲器5.3 怎樣解決大規(guī)?？焖俅鎯栴}？怎樣解決大規(guī)?？焖俅鎯栴}？35/63輸入設備輸入設備類別類別發(fā)展水平發(fā)展水平穿孔紙帶穿孔紙帶(0/1輸入輸入)鍵盤輸入鍵盤輸入(符號輸入符號輸入)鼠標輸入鼠標輸入(點輸入點輸入)感知輸入感知輸入(

23、接觸式感知輸入接觸式感知輸入非接觸式感知輸入非接觸式感知輸入)輸入設備5.4 怎樣解決輸入問題？怎樣解決輸入問題？36/63輸出設備輸出設備(顯示器顯示器)類別類別發(fā)展水平發(fā)展水平CRT：陰極射線管：陰極射線管(模擬顯示器：模擬顯示器：黑白與彩色黑白與彩色)CRT: 字符發(fā)生器字符發(fā)生器(向量式模擬顯示器向量式模擬顯示器: 輸出字符輸出字符)CRT: 數字光柵掃描顯示器數字光柵掃描顯示器(基于內存的顯示基于內存的顯示: 輸出圖形輸出圖形)3D顯示器：顯示器：3維圖形維圖形數字顯示器：數字顯示器：高清圖形高清圖形(液晶、等離子技術液晶、等離子技術)GPU芯片芯片多顯示卡并聯(lián)多顯示卡并聯(lián)分辨率越來

24、越高分辨率越來越高顏色越來越逼真顏色越來越逼真顯示速度越來越快顯示速度越來越快(屏幕刷新速度和圖屏幕刷新速度和圖形處理速度形處理速度)越來越薄，越清晰越來越薄，越清晰可視角度越來越接近平角可視角度越來越接近平角輸出設備-顯示及顯示控制5.5 怎樣解決輸出問題？怎樣解決輸出問題？37/63計算機系統(tǒng)的發(fā)展微處理器微處理器存儲設備存儲設備輸出設備輸出設備(顯示器顯示器)輸入設備輸入設備類別類別發(fā)展水平發(fā)展水平(字長字長;主頻主頻;晶體管數目晶體管數目)(8位位; 5M;1萬顆萬顆)(16位位; 20M;10萬顆萬顆)(32位位; 60M;300萬顆萬顆)(32位位; 1G;2800萬顆萬顆)(64

25、位位; 10G; 3億顆億顆)(64位位; 10G; 10億顆億顆)穿孔紙帶穿孔紙帶(0/1輸入輸入)鍵盤輸入鍵盤輸入(符號輸入符號輸入)鼠標輸入鼠標輸入(點輸入點輸入)感知輸入感知輸入(接觸式感知輸入接觸式感知輸入非接觸式感知輸入非接觸式感知輸入)CRT：陰極射線管：陰極射線管(模擬顯示器：黑白與彩色模擬顯示器：黑白與彩色)CRT: 字符發(fā)生器字符發(fā)生器(向量式模擬顯示器向量式模擬顯示器)CRT: 數字光柵掃描顯示器數字光柵掃描顯示器(基于內存的顯示基于內存的顯示)3D顯示器顯示器數字顯示器數字顯示器(液晶、等離子技術液晶、等離子技術)固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤USB Removable diskFl

26、ashRAM磁帶磁帶/磁芯磁芯/磁鼓存儲磁鼓存儲磁盤存儲磁盤存儲(硬盤與軟盤硬盤與軟盤)光盤存儲光盤存儲(CD-ROM, CD R/W, DVD)汞延遲線汞延遲線納米存儲納米存儲/量子存儲量子存儲半導體存儲半導體存儲(ROM/RAM)5.6 計算機系統(tǒng)各主要部件的發(fā)展趨勢是什么？計算機系統(tǒng)各主要部件的發(fā)展趨勢是什么？38/63電子自動計算電子自動計算-發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢計算機、計算與計算思維計算機、計算與計算思維6. 電子自動計算電子自動計算-發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢?39/63世界上最小臺式電腦- 如同拇指大小平板電腦-Apple IPAD智能手機6.1 微型化趨勢是怎樣的微型化趨勢是怎樣的?平板電腦

27、-Apple IPAD計算機的發(fā)展方向-微型化：可嵌入、可攜帶40/63A massively parallel supercomputer using tens of thousands of embedded PowerPC processors supporting a large memory space With standard compilers and message passing environmentIBM-BlueGene(藍色基因藍色基因): Milestone of an Intelligent Machine計算機的發(fā)展方向-大型化：可進行大規(guī)模、復雜計算6.2

28、大型化趨勢是怎樣的？大型化趨勢是怎樣的？41/632010.11, 超級計算機超級計算機500強第一名：強第一名：天河一號天河一號A - 中國中國14336顆顆Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心處理器六核心處理器2048顆我國自主研發(fā)的飛騰顆我國自主研發(fā)的飛騰FT-1000八核心處理器八核心處理器7168塊塊NVIDIA Tesla M2050高性能計算卡高性能計算卡總計總計: 186368個核心個核心, 224TB內存。內存。實測運算速度可以達到實測運算速度可以達到每秒每秒2570萬億次萬億次(這意味著，這意味著，它計算一天，相當于一臺家用電腦計算它計算一天，相當于一臺家

29、用電腦計算800年年)計算機的發(fā)展方向-大型化：可進行大規(guī)模、復雜計算超級計算機超級計算機500強強42/63汽車生產線上的機器人水下機器人計算機的發(fā)展方向-智能化理解自然語言，具有自適應性，理解自然語言，具有自適應性，自主完成復雜功能自主完成復雜功能6.3 智能化趨勢是怎樣的？智能化趨勢是怎樣的？43/63Internet of ServicesInternet of NetworksInternet of ThingsInternet of 3D WorldsFor peopleand enterprises計算機的發(fā)展方向-網絡化“未來互聯(lián)網未來互聯(lián)網”-Future Internet機

30、機-機相聯(lián)，物機相聯(lián)，物-物相聯(lián)，物物相聯(lián)，物-人相聯(lián)，人人相聯(lián)，人-人相聯(lián)人相聯(lián)6.4 網絡化趨勢是怎樣的？網絡化趨勢是怎樣的？44/63什么是計算思維什么是計算思維?計算機、計算與計算思維計算機、計算與計算思維7. 什么是計算思維什么是計算思維?45/63SystemsTheoryAIComp. Bio.Geometric Comp.GraphicsHCI：Human Computer InteractionDistributed SystemsService ComputingHardwareRoboticsDatabase & Data miningMachine Learni

31、ngNatural LanguageComp. EconomicsNetworkingSecurityAlgorithmsArtEconomicsBiologyLinguisticsStatisticsSociology & ServiceologyDesignPsychologyElectricalEngineering7.1 為什么提出計算思維？為什么提出計算思維？學科的發(fā)展，知識的膨脹46/63計算思維，計算的偉大原理7.2 計算思維的提出計算思維的提出47/63uComputational Thinkingfrom CMU，周以真（，周以真（Jeannette M. Wing）

32、，），Communications of ACM, Vol.49, No.3, March 2006, Pages 33-35 uComputational thinking is a way of solving problems, designing systems, and understanding human behavior that draws on concepts fundamental to computer science.uComputational thinking will be a fundamental skill used by everyone in the

33、 world by the middle of the 21st Century. Just like reading, writing, and arithmetic. Imagine every person knowing how to think like a computer scientist! Computational thinking is not just for other scientists, its for everyone.Thinking like a computer scientist means more than being able to progra

34、m a computer u計算思維計算思維的本質就是的本質就是抽象抽象(Abstraction)與與自動化自動化(Automation)，即在，即在不不同層面同層面進行抽象，以及將這些抽象進行抽象，以及將這些抽象“機器化機器化”。7.3 什么是計算思維？什么是計算思維？48/63n計算思維是人類應具備的第三種思維計算思維是人類應具備的第三種思維實驗思維實驗思維: 實驗實驗 觀察觀察 發(fā)現(xiàn)、推斷與總結發(fā)現(xiàn)、推斷與總結. -觀察與歸納觀察與歸納理論思維理論思維: 假設假設/預設預設 定義定義/性質性質/定理定理 證明證明. -推理和演繹推理和演繹計算思維計算思維: 設計設計, 構造構造 與與 計

35、算計算. -設計與構造設計與構造計算思維關注的是人類思維中有關可行性、可構造性和可評價性的部分計算思維關注的是人類思維中有關可行性、可構造性和可評價性的部分 當前環(huán)境下，理論與實驗手段在面臨大規(guī)模數據的情況下，不可避免地要用當前環(huán)境下，理論與實驗手段在面臨大規(guī)模數據的情況下，不可避免地要用計算手段來輔助進行。計算手段來輔助進行。國內學者/專家的觀點7.4 計算思維？計算思維？49/63云計算云計算環(huán)境環(huán)境算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)社會社會/自然自然的計算化的計算化計算計算/求解求解的自然化的自然化自然現(xiàn)象的計算自然現(xiàn)象的計算的表達與推演的表達與推演用社會用社會/自然所接受的自然所接受的形式體現(xiàn)計算及結果

36、形式體現(xiàn)計算及結果局域網局域網/廣廣域網：機域網：機器網絡器網絡互聯(lián)網：互聯(lián)網：信息網絡信息網絡/廣義資源廣義資源網絡網絡物聯(lián)網物聯(lián)網;知識網知識網;服務網服務網;社會網社會網抽象抽象自動化自動化事務管理事務管理與數據庫與數據庫數據分析與數據分析與數據倉庫數據倉庫數據聚集數據聚集與大數據與大數據量子計算量子計算/光子計算光子計算移動計算移動計算生物計算生物計算計算生物學計算生物學計算物理學計算物理學計算化學計算化學計算經濟學計算經濟學計算統(tǒng)計學計算統(tǒng)計學計算金融學計算金融學企業(yè)計算企業(yè)計算計算工程學計算工程學服務計算服務計算云計算云計算社會計算社會計算計算廣告學計算廣告學媒體計算媒體計算納米計

37、算納米計算智能計算智能計算計算語言學計算語言學神經計算神經計算7.5 大學計算思維教育空間大學計算思維教育空間-計算之樹？計算之樹？模型模型語言語言協(xié)議協(xié)議系統(tǒng)系統(tǒng)編譯器編譯器編解編解碼器碼器50/63大學計算思維教育空間大學計算思維教育空間計算之樹計算之樹?計算機、計算與計算思維計算機、計算與計算思維8. 大學計算思維教育空間大學計算思維教育空間計算之樹計算之樹?51/638.1 奠基性的計算思維有哪些奠基性的計算思維有哪些?計算之樹的第一個維度計算技術的奠基性思維52/63n“0 和和 1”思維思維-符號化符號化計算化計算化自動化自動化 0和和1是實現(xiàn)任何計算的基礎；社會是實現(xiàn)任何計算的基

38、礎；社會/自然與計算融合的基本手段；自然與計算融合的基本手段； 0和和1是是連接硬件與軟件的紐帶；連接硬件與軟件的紐帶；0/1是最基本的抽象與自動化機制。是最基本的抽象與自動化機制。 n“程序程序”思維思維-千變萬化復雜功能的構造、表達與執(zhí)行千變萬化復雜功能的構造、表達與執(zhí)行 程序是基本動作程序是基本動作(指令指令)的各種組合，是控制計算系統(tǒng)的基本手段的各種組合，是控制計算系統(tǒng)的基本手段n“遞歸遞歸”思維思維-無限事物及重復過程的表達與執(zhí)行方法無限事物及重復過程的表達與執(zhí)行方法遞歸是最典型的構造程序的手段；遞歸函數是可計算函數的精確的數學遞歸是最典型的構造程序的手段；遞歸函數是可計算函數的精確

39、的數學描述；遞歸函數是研究計算學科理論問題的基礎描述；遞歸函數是研究計算學科理論問題的基礎計算之樹的第一個維度計算技術的奠基性思維53/63云計算云計算環(huán)境環(huán)境8.2 通用計算環(huán)境是如何演化的通用計算環(huán)境是如何演化的?計算之樹的第二個維度通用計算環(huán)境的進化思維54/63個人計算機個人計算機馮馮.諾依曼諾依曼計算機計算機云計算云計算環(huán)境環(huán)境并行分布并行分布計算環(huán)境計算環(huán)境The tools we use have a profound influence on our thinking habits, and therefore, on our thinking abilities.-from

40、Edsger Dijkstra, 1972 Turing Awards receiver.通用計算環(huán)境的進化思維55/63算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)云計算云計算環(huán)境環(huán)境8.3 為什么算法和系統(tǒng)很重要為什么算法和系統(tǒng)很重要?計算之樹的第三個維度交替促進與共同進化的問題求解思維56/63算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)云計算云計算環(huán)境環(huán)境計算之樹的第三個維度交替促進與共同進化的問題求解思維n“算法算法”：問題求解的一種手段：問題求解的一種手段構造與設計算法構造與設計算法n算法是計算的靈魂；算法強調數學建模；算法考慮的是可計算性與計算復算法是計算的靈魂；算法強調數學建模；算法考慮的是可計算性與計算復雜性；算法研究通常被認為是

41、計算學科的理論研究。雜性；算法研究通常被認為是計算學科的理論研究。n“系統(tǒng)系統(tǒng)”：問題求解的另一種手段：問題求解的另一種手段構造與設計系統(tǒng)構造與設計系統(tǒng) 系統(tǒng)是改造自然的手段；系統(tǒng)還強調非數學建模；系統(tǒng)考慮的是如何化系統(tǒng)是改造自然的手段；系統(tǒng)還強調非數學建模；系統(tǒng)考慮的是如何化復雜為簡單復雜為簡單(使其能夠被做出來使其能夠被做出來)；系統(tǒng)還強調結構性、可靠性、安全性等。；系統(tǒng)還強調結構性、可靠性、安全性等。系統(tǒng)是龍，算法是睛，畫龍要點睛。系統(tǒng)是龍，算法是睛，畫龍要點睛。57/63云計算云計算環(huán)境環(huán)境算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)量子計算量子計算/光子計算光子計算移動計算移動計算生物計算生物計算計算生物學計算

42、生物學計算物理學計算物理學計算化學計算化學計算經濟學計算經濟學計算統(tǒng)計學計算統(tǒng)計學計算金融學計算金融學企業(yè)計算企業(yè)計算計算工程學計算工程學服務計算服務計算云計算云計算社會計算社會計算計算廣告學計算廣告學媒體計算媒體計算納米計算納米計算智能計算智能計算計算語言學計算語言學神經計算神經計算8.4 計算與社會計算與社會/自然如何融合的自然如何融合的?計算之樹的第四個維度計算與社會/自然環(huán)境的融合思維58/63云計算云計算環(huán)境環(huán)境算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)自然現(xiàn)象的計算自然現(xiàn)象的計算的表達與推演的表達與推演社會社會/自然自然的計算化的計算化抽象抽象用社會用社會/自然所接受的自然所接受的形式體現(xiàn)計算及結果形式體現(xiàn)

43、計算及結果計算計算/求解求解的自然化的自然化自動化自動化量子計算量子計算/光子計算光子計算移動計算移動計算生物計算生物計算計算生物學計算生物學計算物理學計算物理學計算化學計算化學計算經濟學計算經濟學計算統(tǒng)計學計算統(tǒng)計學計算金融學計算金融學企業(yè)計算企業(yè)計算計算工程學計算工程學服務計算服務計算云計算云計算社會計算社會計算計算廣告學計算廣告學媒體計算媒體計算納米計算納米計算智能計算智能計算計算語言學計算語言學神經計算神經計算59/63云計算云計算環(huán)境環(huán)境算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)量子計算量子計算/光子計算光子計算移動計算移動計算生物計算生物計算計算生物學計算生物學計算物理學計算物理學計算化學計算化學計算經濟學

44、計算經濟學計算統(tǒng)計學計算統(tǒng)計學計算金融學計算金融學企業(yè)計算企業(yè)計算計算工程學計算工程學服務計算服務計算云計算云計算社會計算社會計算計算廣告學計算廣告學媒體計算媒體計算納米計算納米計算智能計算智能計算計算語言學計算語言學神經計算神經計算自然現(xiàn)象的計算自然現(xiàn)象的計算的表達與推演的表達與推演社會社會/自然自然的計算化的計算化抽象抽象用社會用社會/自然所接受的自然所接受的形式體現(xiàn)計算及結果形式體現(xiàn)計算及結果計算計算/求解求解的自然化的自然化自動化自動化模型模型語言語言協(xié)議協(xié)議系統(tǒng)系統(tǒng)編譯器編譯器編解編解碼器碼器業(yè)務業(yè)務-計算計算人人-計算機計算機機機-機，物機，物-物物60/63云計算云計算環(huán)境環(huán)境算法算法系統(tǒng)系統(tǒng)局域網局域網/廣廣域網：機域網：機器網絡器網絡互聯(lián)網：互聯(lián)網：信息網絡信息網絡/廣義資源廣義資源網絡網絡物聯(lián)網物聯(lián)網;知識網知識網;服務網服務網;社會網社會網事務管理事務管理與數據庫與數據庫數據分析與數據分析與數據倉庫數據倉庫數據聚集數據聚集與大數據與大數據量子計算量子計算/光子計算光子計算移動計算移動計算生物計算生物計算計算生物學計算生物學計算物理學計算物理學計算化學計算化學計算經濟學計算經濟學計算統(tǒng)計學計算統(tǒng)計學計算金