第一章計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維概述

1、大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)( (第一章第一章) )計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維概述計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維概述華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院主講教師朱梅階主講教師朱梅階大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 在信息化時(shí)代，掌握一定的計(jì)算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)在信息化時(shí)代，掌握一定的計(jì)算機(jī)軟硬件基礎(chǔ)知識，能夠使用計(jì)算機(jī)處理日常事務(wù)，能夠通過網(wǎng)知識，能夠使用計(jì)算機(jī)處理日常事務(wù)，能夠通過網(wǎng)絡(luò)獲取信息及相互交流，學(xué)會在數(shù)據(jù)處理中所體現(xiàn)絡(luò)獲取信息及相互交流，學(xué)會在數(shù)據(jù)處理中所體現(xiàn)的計(jì)算思維能力，是每個(gè)大學(xué)生應(yīng)知應(yīng)會的基本知的計(jì)算思維能力，是每個(gè)大學(xué)生應(yīng)知應(yīng)會的基本知識和能力。識和能力。 本章從計(jì)算機(jī)的起

2、源開始，介紹計(jì)算機(jī)的發(fā)展本章從計(jì)算機(jī)的起源開始，介紹計(jì)算機(jī)的發(fā)展史和特點(diǎn)、類型及應(yīng)用，以及計(jì)算機(jī)的未來發(fā)展趨史和特點(diǎn)、類型及應(yīng)用，以及計(jì)算機(jī)的未來發(fā)展趨勢，信息技術(shù)的基礎(chǔ)知識，最后介紹計(jì)算思維的相勢，信息技術(shù)的基礎(chǔ)知識，最后介紹計(jì)算思維的相關(guān)概念。關(guān)概念。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 這是一幅很著名的人類進(jìn)化這是一幅很著名的人類進(jìn)化圖圖 20世紀(jì)以來人類最重大的科技發(fā)明當(dāng)數(shù)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，世紀(jì)以來人類最重大的科技發(fā)明當(dāng)數(shù)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)改變了人們傳統(tǒng)的工作和生活方式。計(jì)算機(jī)改變了人們傳統(tǒng)的工作和生活方式。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) (1) 早期的計(jì)算工具早期的計(jì)算工具 美國著名科普大師

3、阿西莫夫說過，人類最早的美國著名科普大師阿西莫夫說過，人類最早的“計(jì)算計(jì)算機(jī)機(jī)”是手指，英語單詞是手指，英語單詞“Digit” 既表示既表示“手指手指”又表示又表示“整數(shù)數(shù)字整數(shù)數(shù)字”。 中國數(shù)學(xué)史專家考證，大約在新石器時(shí)代早期，先民中國數(shù)學(xué)史專家考證，大約在新石器時(shí)代早期，先民使用的使用的“計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)”是結(jié)繩，即用繩子打結(jié)的多少來表示數(shù)是結(jié)繩，即用繩子打結(jié)的多少來表示數(shù)的概念。的概念。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 公元前公元前5世紀(jì)，中國人發(fā)明了算盤，廣世紀(jì)，中國人發(fā)明了算盤，廣泛應(yīng)用于商業(yè)貿(mào)易中，算盤被認(rèn)為是最早泛應(yīng)用于商業(yè)貿(mào)易中，算盤被認(rèn)為是最早的計(jì)算機(jī)，并一直使用至今。的計(jì)算機(jī)，并一

4、直使用至今。 計(jì)算工具的源頭可以上溯至計(jì)算工具的源頭可以上溯至2000多年多年前的春秋戰(zhàn)國時(shí)代，古代中國人發(fā)明的算前的春秋戰(zhàn)國時(shí)代，古代中國人發(fā)明的算籌是世界上最早的計(jì)算工具?；I是世界上最早的計(jì)算工具。 古語曰：古語曰：“運(yùn)籌策于帷幄之中，決勝于千里之外。運(yùn)籌策于帷幄之中，決勝于千里之外。”籌策籌策又叫算籌，用竹、木或獸骨制成，祖沖之借助算籌成功地將又叫算籌，用竹、木或獸骨制成，祖沖之借助算籌成功地將圓周率圓周率值計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后的第值計(jì)算到小數(shù)點(diǎn)后的第7位。位。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 鐘表業(yè)，特別是齒輪傳動裝置技術(shù)的發(fā)展，誕生了最早鐘表業(yè)，特別是齒輪傳動裝置技術(shù)的發(fā)展，誕生了最早的機(jī)械式

5、計(jì)算機(jī)。的機(jī)械式計(jì)算機(jī)。 下面我們通過介紹幾位對計(jì)算機(jī)發(fā)展有過突出貢獻(xiàn)的早下面我們通過介紹幾位對計(jì)算機(jī)發(fā)展有過突出貢獻(xiàn)的早期歷史人物，闡述計(jì)算發(fā)展的歷程。期歷史人物，闡述計(jì)算發(fā)展的歷程。 (2) 機(jī)械式計(jì)算機(jī)機(jī)械式計(jì)算機(jī) 帕斯卡帕斯卡 萊布尼茨萊布尼茨 巴貝奇巴貝奇 愛達(dá)愛達(dá)機(jī)械式計(jì)算機(jī)時(shí)代的代表人物機(jī)械式計(jì)算機(jī)時(shí)代的代表人物大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 該加法機(jī)可完成六位數(shù)字的加減法。它的設(shè)計(jì)原理對其該加法機(jī)可完成六位數(shù)字的加減法。它的設(shè)計(jì)原理對其后的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。后的計(jì)算機(jī)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。 法國物理學(xué)家帕斯卡法國物理學(xué)家帕斯卡(1623-1662)：在：在 1642年發(fā)明了第一

6、臺機(jī)械式加法機(jī)。該機(jī)由年發(fā)明了第一臺機(jī)械式加法機(jī)。該機(jī)由齒輪組成，靠手搖發(fā)條驅(qū)動，用專用的鐵筆齒輪組成，靠手搖發(fā)條驅(qū)動，用專用的鐵筆來撥動轉(zhuǎn)輪以輸入數(shù)字。來撥動轉(zhuǎn)輪以輸入數(shù)字。 為了紀(jì)念帕斯卡的偉大發(fā)明，為了紀(jì)念帕斯卡的偉大發(fā)明，1971年，當(dāng)瑞士蘇黎世聯(lián)年，當(dāng)瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的沃斯教授發(fā)明了一種新的計(jì)算機(jī)語言起名叫帕邦工業(yè)大學(xué)的沃斯教授發(fā)明了一種新的計(jì)算機(jī)語言起名叫帕斯卡斯卡(PASCAL)。在很長一段時(shí)間里，。在很長一段時(shí)間里，PASCAL語言在高校計(jì)語言在高校計(jì)算機(jī)軟件教學(xué)中一直處于主導(dǎo)地位。算機(jī)軟件教學(xué)中一直處于主導(dǎo)地位。 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 德國數(shù)學(xué)家萊布尼茨：在德國

7、數(shù)學(xué)家萊布尼茨：在1673年發(fā)明了機(jī)械式乘除法器。年發(fā)明了機(jī)械式乘除法器?；驹砝^承于帕斯卡的加法機(jī)，也是由一系列齒輪組成，基本原理繼承于帕斯卡的加法機(jī)，也是由一系列齒輪組成，但它能夠連續(xù)重復(fù)地做加減法，從而實(shí)現(xiàn)了乘除運(yùn)算。據(jù)記但它能夠連續(xù)重復(fù)地做加減法，從而實(shí)現(xiàn)了乘除運(yùn)算。據(jù)記載，萊布尼茲曾把自己的乘法機(jī)復(fù)制品送給康熙皇帝載，萊布尼茲曾把自己的乘法機(jī)復(fù)制品送給康熙皇帝。 盡管萊布尼茨發(fā)明了二進(jìn)制，但這并非是由于他認(rèn)識到二進(jìn)制對于計(jì)盡管萊布尼茨發(fā)明了二進(jìn)制，但這并非是由于他認(rèn)識到二進(jìn)制對于計(jì)算機(jī)來說是多么重要。事實(shí)上，他發(fā)明的機(jī)械計(jì)算機(jī)和二進(jìn)制毫不相干。算機(jī)來說是多么重要。事實(shí)上，他發(fā)明的機(jī)

8、械計(jì)算機(jī)和二進(jìn)制毫不相干。然而，他發(fā)明的二進(jìn)制現(xiàn)在卻支配著全世界不計(jì)其數(shù)的計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。然而，他發(fā)明的二進(jìn)制現(xiàn)在卻支配著全世界不計(jì)其數(shù)的計(jì)算機(jī)的運(yùn)行。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 英國女?dāng)?shù)學(xué)家愛達(dá)英國女?dāng)?shù)學(xué)家愛達(dá) (1815-1852)：巴貝奇的：巴貝奇的合作伙伴。她用穿孔卡片設(shè)計(jì)了世界上合作伙伴。她用穿孔卡片設(shè)計(jì)了世界上“第一第一件計(jì)算機(jī)程序件計(jì)算機(jī)程序”。她還建議分析機(jī)用二進(jìn)制存。她還建議分析機(jī)用二進(jìn)制存儲。預(yù)言分析機(jī)能唱歌、繪畫。儲。預(yù)言分析機(jī)能唱歌、繪畫。 英國數(shù)學(xué)家巴貝奇：英國數(shù)學(xué)家巴貝奇：1822年，在歷經(jīng)年，在歷經(jīng)10年年努力終于發(fā)明了努力終于發(fā)明了“差分機(jī)差分機(jī)”。它有。它有3

9、個(gè)齒輪式寄個(gè)齒輪式寄存器，可以保存存器，可以保存3個(gè)個(gè)5位數(shù)字，計(jì)算精度可以達(dá)位數(shù)字，計(jì)算精度可以達(dá)到到6位小數(shù)。位小數(shù)。 巴貝奇試圖發(fā)明功能更好的通用計(jì)算機(jī)巴貝奇試圖發(fā)明功能更好的通用計(jì)算機(jī)分析機(jī)，但最終失敗。分析機(jī)，但最終失敗。 愛達(dá)最出名的地方是因?yàn)樗帉懥艘幌凋?qū)動機(jī)器的指令，用于進(jìn)行數(shù)學(xué)愛達(dá)最出名的地方是因?yàn)樗帉懥艘幌凋?qū)動機(jī)器的指令，用于進(jìn)行數(shù)學(xué)功能運(yùn)算。正因?yàn)檫@樣，現(xiàn)在她被認(rèn)為是第一位程序設(shè)計(jì)師。功能運(yùn)算。正因?yàn)檫@樣，現(xiàn)在她被認(rèn)為是第一位程序設(shè)計(jì)師。1979年美國國年美國國防部開發(fā)的程序語言防部開發(fā)的程序語言ADA就是以她的名字命名。就是以她的名字命名。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)

10、(3) 機(jī)電式計(jì)算機(jī)機(jī)電式計(jì)算機(jī) 19世紀(jì)末，電學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人們開始設(shè)世紀(jì)末，電學(xué)技術(shù)的發(fā)展使人們開始設(shè)計(jì)電氣控制的自動計(jì)算工具。計(jì)電氣控制的自動計(jì)算工具。1888年，美國人年，美國人赫爾曼赫爾曼霍列瑞斯發(fā)明了制表機(jī)。它采用穿孔霍列瑞斯發(fā)明了制表機(jī)。它采用穿孔卡片表示數(shù)據(jù)的是與非，探針穿過卡片上的孔卡片表示數(shù)據(jù)的是與非，探針穿過卡片上的孔洞和水銀接觸，把電流接通，同時(shí)啟動計(jì)數(shù)裝洞和水銀接觸，把電流接通，同時(shí)啟動計(jì)數(shù)裝置前進(jìn)一個(gè)刻度的方法進(jìn)行自動計(jì)數(shù)，并成功置前進(jìn)一個(gè)刻度的方法進(jìn)行自動計(jì)數(shù)，并成功應(yīng)用于應(yīng)用于1890年的美國人口普查。依靠制表機(jī)，年的美國人口普查。依靠制表機(jī)，他創(chuàng)辦了制表機(jī)公司

11、，即后來的他創(chuàng)辦了制表機(jī)公司，即后來的IBM公司。公司。 1944年，在美國物理學(xué)家艾肯指導(dǎo)下，馬年，在美國物理學(xué)家艾肯指導(dǎo)下，馬克克1號計(jì)算機(jī)研制成功。它是全機(jī)電式的計(jì)算號計(jì)算機(jī)研制成功。它是全機(jī)電式的計(jì)算機(jī)，采用了數(shù)千枚繼電器代替齒輪傳動，仍然機(jī)，采用了數(shù)千枚繼電器代替齒輪傳動，仍然采用十進(jìn)制，它是世界上第一臺通用程序控制采用十進(jìn)制，它是世界上第一臺通用程序控制計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)(4) 計(jì)算機(jī)理論奠基人計(jì)算機(jī)理論奠基人 1847年，英國數(shù)學(xué)家布爾設(shè)計(jì)了一套表示邏年，英國數(shù)學(xué)家布爾設(shè)計(jì)了一套表示邏輯理論的基本概念和符號，用輯理論的基本概念和符號，用1和和0表示命題的

12、真表示命題的真與假，用與假，用“與與”、“或或”、“非非”表示命題間的表示命題間的運(yùn)算關(guān)系，這就是成為現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)和邏運(yùn)算關(guān)系，這就是成為現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)和邏輯基礎(chǔ)的布爾代數(shù)。輯基礎(chǔ)的布爾代數(shù)。 1938年，美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)首次將布爾代數(shù)和年，美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)首次將布爾代數(shù)和繼電器開關(guān)電路聯(lián)系起來，創(chuàng)立了開關(guān)電路理論。繼電器開關(guān)電路聯(lián)系起來，創(chuàng)立了開關(guān)電路理論。從理論到技術(shù)徹底改變了數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方向，從理論到技術(shù)徹底改變了數(shù)字電路的設(shè)計(jì)方向，不僅使將來的電子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，還不僅使將來的電子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，還能夠進(jìn)行非數(shù)值運(yùn)算?？梢哉f，如果沒有香農(nóng)的能夠進(jìn)行非數(shù)值運(yùn)算?？?/p>

13、以說，如果沒有香農(nóng)的這一思想，現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)是無法研制成功的。這一思想，現(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)是無法研制成功的。英國數(shù)學(xué)家布爾英國數(shù)學(xué)家布爾美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)美國數(shù)學(xué)家香農(nóng)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)英國科學(xué)家阿蘭英國科學(xué)家阿蘭 圖靈圖靈(理論計(jì)算機(jī)的奠基人理論計(jì)算機(jī)的奠基人) 在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展史上，最具影響力的兩個(gè)代表人物在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展史上，最具影響力的兩個(gè)代表人物是是阿蘭阿蘭圖靈和馮圖靈和馮諾依曼。諾依曼。美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮 諾依曼諾依曼( (計(jì)算機(jī)鼻祖計(jì)算機(jī)鼻祖) )大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 圖靈的基本思想是用機(jī)器來模擬人們用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)圖靈的基本思想是用機(jī)器來模擬人們

14、用紙筆進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的過程，他把算的過程，他把“計(jì)算計(jì)算”這一過程分解為如下步驟：這一過程分解為如下步驟： 根據(jù)眼睛看到紙上的符號，腦中思考相應(yīng)的法則；根據(jù)眼睛看到紙上的符號，腦中思考相應(yīng)的法則； 指示手中的筆在紙上寫上或擦去一些符號；指示手中的筆在紙上寫上或擦去一些符號； 再改變眼中所看到的范圍；再改變眼中所看到的范圍； 如此繼續(xù)，直到認(rèn)為計(jì)算結(jié)束為止。如此繼續(xù)，直到認(rèn)為計(jì)算結(jié)束為止。圖靈機(jī)示意圖圖靈機(jī)示意圖控制器控制器( (含運(yùn)算功能含運(yùn)算功能) )讀寫頭讀寫頭 ( (輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備) )紙帶（存儲器）紙帶（存儲器）大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 圖靈機(jī)：這個(gè)在當(dāng)時(shí)看來是紙上談兵的簡

15、單機(jī)器，隱含了圖靈機(jī)：這個(gè)在當(dāng)時(shí)看來是紙上談兵的簡單機(jī)器，隱含了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中“存儲程序存儲程序”的基本思想。半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)學(xué)的基本思想。半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)學(xué)家們提出的各種各樣的計(jì)算模型都被證明是和圖靈機(jī)等價(jià)的。家們提出的各種各樣的計(jì)算模型都被證明是和圖靈機(jī)等價(jià)的。 姚期智：姚期智：20002000年年首位獲獎(jiǎng)圖靈獎(jiǎng)首位獲獎(jiǎng)圖靈獎(jiǎng)的華裔學(xué)者的華裔學(xué)者 后人模擬的圖靈機(jī)結(jié)構(gòu)圖后人模擬的圖靈機(jī)結(jié)構(gòu)圖大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)七十多年來，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)仍然是七十多年來，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)基本結(jié)構(gòu)仍然是“馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī)”。 計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備與計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)

16、算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備與輸出設(shè)備五大部件組成；輸出設(shè)備五大部件組成； 應(yīng)采用二進(jìn)制簡化機(jī)器的電路設(shè)計(jì)；應(yīng)采用二進(jìn)制簡化機(jī)器的電路設(shè)計(jì)； 采用采用“存儲程序存儲程序”技術(shù)，以便計(jì)算機(jī)能保存指令和技術(shù)，以便計(jì)算機(jī)能保存指令和數(shù)據(jù)并能夠自動依次執(zhí)行指令，消除計(jì)算過程中的人工干預(yù)數(shù)據(jù)并能夠自動依次執(zhí)行指令，消除計(jì)算過程中的人工干預(yù)等。等。 馮馮諾依曼提出的存儲理論諾依曼提出的存儲理論: :（該理論奠定了其計(jì)算機(jī)鼻祖的地位）（該理論奠定了其計(jì)算機(jī)鼻祖的地位） 20世紀(jì)世紀(jì)40年代，計(jì)算理論及電子技術(shù)的發(fā)展以及機(jī)械式計(jì)年代，計(jì)算理論及電子技術(shù)的發(fā)展以及機(jī)械式計(jì)算機(jī)的不斷創(chuàng)新與改進(jìn)為電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)

17、提供了技術(shù)支持，算機(jī)的不斷創(chuàng)新與改進(jìn)為電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)提供了技術(shù)支持，最終誕生了世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)。最終誕生了世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1946年由美國賓夕法尼亞大學(xué)年由美國賓夕法尼亞大學(xué)研制出世界上第一臺電子數(shù)字研制出世界上第一臺電子數(shù)字計(jì)算機(jī)，取名計(jì)算機(jī)，取名ENIAC。由此誕。由此誕生了生了“第一個(gè)電子的大腦第一個(gè)電子的大腦”Electronic Numerical Integrator And Calculator電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)重重30噸，占地噸，占地167m2，耗電，耗電150千瓦千瓦主要元件為電子管、繼電器，可保主要元件為電子管、

18、繼電器，可保存存80個(gè)字節(jié)，每秒鐘做個(gè)字節(jié)，每秒鐘做5000次加減次加減法或法或400次乘法運(yùn)算。次乘法運(yùn)算。致命缺陷：沒有存儲程序。致命缺陷：沒有存儲程序。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)q 第一代計(jì)算機(jī)第一代計(jì)算機(jī) 19461958年年 以電子管為主要元件以電子管為主要元件 代表機(jī)型：代表機(jī)型：ENIACq 第二代計(jì)算機(jī)第二代計(jì)算機(jī) 19581964年年 以晶體管為主要元件以晶體管為主要元件采用晶體管的第二代采用晶體管的第二代電子計(jì)算機(jī)電子計(jì)算機(jī)IBM7090IBM7090型型大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)q 未來的第五代計(jì)算機(jī)是智能計(jì)算機(jī)未來的第五代計(jì)算機(jī)是智能計(jì)算機(jī)電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了電子計(jì)

19、算機(jī)的更新?lián)Q代。電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了電子計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代。q 第四代計(jì)算機(jī)第四代計(jì)算機(jī) 1971年至今年至今 以大規(guī)模以大規(guī)模/超大集成電路為主要元件超大集成電路為主要元件 巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)以及便攜機(jī)巨型機(jī)、大型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)以及便攜機(jī) q 第三代計(jì)算機(jī)第三代計(jì)算機(jī) 19641971年年 以集成電路為主要元件以集成電路為主要元件采用集成電路的第三代電采用集成電路的第三代電子計(jì)算機(jī)子計(jì)算機(jī)IBM360型型大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)巨型機(jī)巨型機(jī)大型機(jī)大型機(jī)小型機(jī)小型機(jī)微型機(jī)微型機(jī)工作站工作站服務(wù)器服務(wù)器嵌入式嵌入式按計(jì)算機(jī)規(guī)模分類按計(jì)算機(jī)規(guī)模分類IBM系列系列大型機(jī)大型機(jī)IBM

20、系列系列小型機(jī)小型機(jī)全能型圖形全能型圖形工作站工作站IBM PC系列系列服務(wù)器服務(wù)器嵌入式計(jì)算嵌入式計(jì)算機(jī)模塊機(jī)模塊微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)銀河系列銀河系列巨型機(jī)巨型機(jī)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 計(jì)算機(jī)是一種能按照事先存儲的程序，自動、高速地進(jìn)計(jì)算機(jī)是一種能按照事先存儲的程序，自動、高速地進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。行大量數(shù)值計(jì)算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設(shè)備。運(yùn)算速度快運(yùn)算速度快計(jì)算精度高計(jì)算精度高存儲容量大存儲容量大具有邏輯判斷能力具有邏輯判斷能力按照程序自動運(yùn)行按照程序自動運(yùn)行計(jì)算機(jī)特點(diǎn)計(jì)算機(jī)特點(diǎn)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理過程與

21、實(shí)時(shí)控制過程與實(shí)時(shí)控制人工智能人工智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)程通信與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用遠(yuǎn)程通信與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí)多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí) 計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域：多數(shù)教科書說法都不一致。一致認(rèn)可的是：科學(xué)計(jì)算、計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域：多數(shù)教科書說法都不一致。一致認(rèn)可的是：科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、輔助設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)控制、計(jì)算機(jī)通訊、人工智能等方面。數(shù)據(jù)處理、輔助設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)控制、計(jì)算機(jī)通訊、人工智能等方面。20年前上課提出：計(jì)年前上課提出：計(jì)算機(jī)應(yīng)用在哪方面？算機(jī)應(yīng)用在哪方面？現(xiàn)在上課時(shí)提出：哪現(xiàn)在上課時(shí)提出：哪些地方不用計(jì)算機(jī)？些地方不用計(jì)算機(jī)？大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 巨型化

22、巨型化 存儲容量大、運(yùn)算速度達(dá)每秒百萬億、千萬億次的巨型存儲容量大、運(yùn)算速度達(dá)每秒百萬億、千萬億次的巨型機(jī)是衡量一個(gè)國家科技實(shí)力的指標(biāo)之一。機(jī)是衡量一個(gè)國家科技實(shí)力的指標(biāo)之一。 計(jì)算機(jī)正向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)正向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展。 2009年，我國成功研制出每秒年，我國成功研制出每秒1206萬億次的萬億次的“天河一號天河一號”超級計(jì)算機(jī)，成為繼美國之后世界上第二個(gè)能夠研制千萬億超級計(jì)算機(jī)，成為繼美國之后世界上第二個(gè)能夠研制千萬億次計(jì)算機(jī)的國家。次計(jì)算機(jī)的國家。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 2010年，改進(jìn)后的年，改進(jìn)后的“天河一號天河一號” 以峰

23、值速度以峰值速度4700萬億萬億次、持續(xù)速度次、持續(xù)速度2570萬億次每秒浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居當(dāng)年萬億次每秒浮點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)異性能位居當(dāng)年世界第一。世界第一。2013年，年， “天河二號天河二號”超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰超級計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以峰值計(jì)算速度每秒值計(jì)算速度每秒5.49億億次，持續(xù)計(jì)算速度每秒億億次，持續(xù)計(jì)算速度每秒3.39億億次億億次雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的性能，成為當(dāng)年全球最快超級計(jì)算機(jī)。這雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算的性能，成為當(dāng)年全球最快超級計(jì)算機(jī)。這是繼是繼“天河一號天河一號”之后，中國超級計(jì)算機(jī)再次奪冠。之后，中國超級計(jì)算機(jī)再次奪冠。天河一號天河一號天河二號天河二號大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 網(wǎng)絡(luò)化網(wǎng)

24、絡(luò)化 通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可共享遠(yuǎn)程資源，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可共享遠(yuǎn)程資源，實(shí)現(xiàn)通信和合作。實(shí)現(xiàn)通信和合作。 智能化智能化 智能計(jì)算機(jī)將是一種具有類似于人的思維能力，智能計(jì)算機(jī)將是一種具有類似于人的思維能力，能聽會說，能想會做，能代替人的體力勞動以及腦力能聽會說，能想會做，能代替人的體力勞動以及腦力勞動的智能機(jī)器人。勞動的智能機(jī)器人。 微型化微型化 計(jì)算機(jī)不再是單一的計(jì)算機(jī)器，而是個(gè)人的信息機(jī)器。計(jì)算機(jī)不再是單一的計(jì)算機(jī)器，而是個(gè)人的信息機(jī)器。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ) 光計(jì)算機(jī)光計(jì)算機(jī) 用光子器件替代電子器件。用光子器件替代電子器件。 從目前的研究情況看，未來的新型計(jì)算機(jī)可能在以下三從目前的研究情況

25、看，未來的新型計(jì)算機(jī)可能在以下三方面取得突破：方面取得突破： 生物計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī) 用生物工程技術(shù)生產(chǎn)的蛋白質(zhì)分子作元件制成集成電路，用生物工程技術(shù)生產(chǎn)的蛋白質(zhì)分子作元件制成集成電路，稱為生物芯片。使用生物芯片的計(jì)算機(jī)稱為蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)，或稱為生物芯片。使用生物芯片的計(jì)算機(jī)稱為蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)，或稱為生物計(jì)算機(jī)。稱為生物計(jì)算機(jī)。 量子計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)利用處于多態(tài)的原子進(jìn)行計(jì)算。利用處于多態(tài)的原子進(jìn)行計(jì)算。 未來的計(jì)算機(jī)將是微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和電子仿生技術(shù)未來的計(jì)算機(jī)將是微電子技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和電子仿生技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。這些計(jì)算機(jī)技術(shù)目前正處在初步的研究階段，離應(yīng)用還相互結(jié)合的產(chǎn)

26、物。這些計(jì)算機(jī)技術(shù)目前正處在初步的研究階段，離應(yīng)用還有很長的距離。有很長的距離。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件硬件軟件軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件中央處理器中央處理器運(yùn)算器運(yùn)算器控制器控制器存儲器存儲器內(nèi)存內(nèi)存外存外存輸入輸入/輸出設(shè)備輸出設(shè)備計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 以最為常見的臺式機(jī)為例，從外觀上看，臺式機(jī)由幾個(gè)以最為常見的臺式機(jī)為例，從外觀上看，臺式機(jī)由幾個(gè)部件構(gòu)成：顯示器、鍵盤、機(jī)箱、鼠標(biāo)等。實(shí)際上這些并不部件構(gòu)成：顯示器、鍵盤、機(jī)箱、鼠標(biāo)等。實(shí)際上這些并不是計(jì)算機(jī)最重要的部分。計(jì)算機(jī)最主要的工作

27、實(shí)際上是由那是計(jì)算機(jī)最重要的部分。計(jì)算機(jī)最主要的工作實(shí)際上是由那些被機(jī)箱遮蓋住的部件完成的，它們才是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重些被機(jī)箱遮蓋住的部件完成的，它們才是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最重要的部分。要的部分。 計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部分組成。備五大部分組成。(詳見第三章介紹詳見第三章介紹) 計(jì)算機(jī)的鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器就像人類的感覺器官一樣，除了耳朵、計(jì)算機(jī)的鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器就像人類的感覺器官一樣，除了耳朵、皮膚之外，還有眼睛、嘴、和鼻子，這些都是計(jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備。而皮膚之外，還有眼睛、嘴、和鼻子，這些都是計(jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備。而

28、與你的大腦類似的東西則在機(jī)箱里面，叫中央處理器和內(nèi)存儲器。與你的大腦類似的東西則在機(jī)箱里面，叫中央處理器和內(nèi)存儲器。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件其它系統(tǒng)軟其它系統(tǒng)軟件件操作系操作系統(tǒng)統(tǒng)硬硬 件件 應(yīng)用軟件：是指用戶為解決各種實(shí)際問題而編寫的程序。應(yīng)用軟件：是指用戶為解決各種實(shí)際問題而編寫的程序。分兩類：一類是針對某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的具體問題開發(fā)的程序；第分兩類：一類是針對某個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的具體問題開發(fā)的程序；第二類是一些大型專業(yè)軟件公司開發(fā)的通用型應(yīng)用軟件。二類是一些大型專業(yè)軟件公司開發(fā)的通用型應(yīng)用軟件。 系統(tǒng)軟件：位于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最靠近硬系統(tǒng)軟件：位于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最靠近硬件的一層，其他軟件

29、一般都通過系統(tǒng)軟件件的一層，其他軟件一般都通過系統(tǒng)軟件發(fā)揮作用，系統(tǒng)軟件主要包括：操作系統(tǒng)、發(fā)揮作用，系統(tǒng)軟件主要包括：操作系統(tǒng)、語言處理程序、監(jiān)控管理程序、調(diào)試程序、語言處理程序、監(jiān)控管理程序、調(diào)試程序、故障檢查和診斷程序等。故障檢查和診斷程序等。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成 現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)還不能獨(dú)立思考，不能產(chǎn)生思想?，F(xiàn)在所有的軟件還現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)還不能獨(dú)立思考，不能產(chǎn)生思想?，F(xiàn)在所有的軟件還都是由人類設(shè)計(jì)的，計(jì)算機(jī)只是根據(jù)這些軟件的指示來完成人類交給的都是由人類設(shè)計(jì)的，計(jì)算機(jī)只是根據(jù)這些軟件的指示來完成人類交給的任務(wù)。任務(wù)。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.3 信息技術(shù)基礎(chǔ)知識信息技術(shù)基礎(chǔ)知

30、識 在信息化社會，人們應(yīng)該在了解和使用計(jì)算機(jī)的同時(shí)，在信息化社會，人們應(yīng)該在了解和使用計(jì)算機(jī)的同時(shí)，也需要理解信息、掌握信息處理的基本技術(shù)。也需要理解信息、掌握信息處理的基本技術(shù)。 用計(jì)算機(jī)解決問題，首先要獲取問題相關(guān)的信息，按照用計(jì)算機(jī)解決問題，首先要獲取問題相關(guān)的信息，按照某種方式將信息存儲在計(jì)算機(jī)中，然后啟動計(jì)算機(jī)程序處理某種方式將信息存儲在計(jì)算機(jī)中，然后啟動計(jì)算機(jī)程序處理這些信息。這些信息。 (1) 信息的概念信息的概念 目前為止，還沒有一個(gè)比較統(tǒng)一或普遍適用的有關(guān)信息目前為止，還沒有一個(gè)比較統(tǒng)一或普遍適用的有關(guān)信息的定義。但從信息科學(xué)角度看，信息和數(shù)據(jù)是不同的。的定義。但從信息科學(xué)角

31、度看，信息和數(shù)據(jù)是不同的。 “信信息息”有意義，而有意義，而“數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)”沒有。人通過接受信息來認(rèn)識事物，沒有。人通過接受信息來認(rèn)識事物，信息是一種知識，是接受者事先不知道不了解的知識。數(shù)據(jù)信息是一種知識，是接受者事先不知道不了解的知識。數(shù)據(jù)是信息的載體。數(shù)值、文字、語言、圖形、圖像等都是不同是信息的載體。數(shù)值、文字、語言、圖形、圖像等都是不同形式的數(shù)據(jù)。形式的數(shù)據(jù)。 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.3 信息技術(shù)基礎(chǔ)知識信息技術(shù)基礎(chǔ)知識 (2) 信息表示信息表示 信息表示需要一種符號系統(tǒng)。人類在長期的實(shí)踐中形成信息表示需要一種符號系統(tǒng)。人類在長期的實(shí)踐中形成的語言文字就是一種符號系統(tǒng)，聲音也是一

32、種符號系統(tǒng)。的語言文字就是一種符號系統(tǒng)，聲音也是一種符號系統(tǒng)。 而在計(jì)算機(jī)中，則是通過二進(jìn)制形式表示現(xiàn)實(shí)世界的對而在計(jì)算機(jī)中，則是通過二進(jìn)制形式表示現(xiàn)實(shí)世界的對象。計(jì)算機(jī)能夠識別和處理的信息形式也只能是二進(jìn)制。象。計(jì)算機(jī)能夠識別和處理的信息形式也只能是二進(jìn)制。 (3) 信息處理信息處理 人類在長期的實(shí)踐中發(fā)明了包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的各種信息人類在長期的實(shí)踐中發(fā)明了包括計(jì)算機(jī)在內(nèi)的各種信息處理工具，以輔助人類的信息處理任務(wù)。理解一個(gè)計(jì)算機(jī)系處理工具，以輔助人類的信息處理任務(wù)。理解一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或一種計(jì)算技術(shù)，要弄清四個(gè)問題：統(tǒng)或一種計(jì)算技術(shù)，要弄清四個(gè)問題： 它將處理什么類型的信息它將處理什么類型的信

33、息? 信息如何表示信息如何表示? 在這些信息上進(jìn)行什么處理在這些信息上進(jìn)行什么處理? 如何實(shí)現(xiàn)這些處理如何實(shí)現(xiàn)這些處理?大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.3 信息技術(shù)基礎(chǔ)知識信息技術(shù)基礎(chǔ)知識 (4) 信息技術(shù)的概念及發(fā)展信息技術(shù)的概念及發(fā)展 從原始社會、農(nóng)業(yè)社會、工業(yè)社會到今天的信息社會，從原始社會、農(nóng)業(yè)社會、工業(yè)社會到今天的信息社會，信息技術(shù)的發(fā)展歷史源遠(yuǎn)流長，至今人類歷史上已經(jīng)發(fā)生信息技術(shù)的發(fā)展歷史源遠(yuǎn)流長，至今人類歷史上已經(jīng)發(fā)生了了4次信息技術(shù)革命。次信息技術(shù)革命?，F(xiàn)代信息技術(shù)：現(xiàn)代信息技術(shù)： 計(jì)算機(jī)技術(shù)微電子技術(shù)通信技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)微電子技術(shù)通信技術(shù) 序號序號主要特征主要特征第一次信息革命

34、第一次信息革命文字的使用文字的使用第二次信息革命第二次信息革命印刷術(shù)的使用印刷術(shù)的使用第三次信息革命第三次信息革命電報(bào)、電話、廣播和電視的使用電報(bào)、電話、廣播和電視的使用第四次信息革命第四次信息革命計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的使用計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的使用核心核心基礎(chǔ)基礎(chǔ)動力動力大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.3 信息技術(shù)基礎(chǔ)知識信息技術(shù)基礎(chǔ)知識 就像在經(jīng)典物理學(xué)時(shí)代有所謂牛頓三大定律那樣，信就像在經(jīng)典物理學(xué)時(shí)代有所謂牛頓三大定律那樣，信息時(shí)代也產(chǎn)生了所謂的三大定律，這三大定律共同勾勒出息時(shí)代也產(chǎn)生了所謂的三大定律，這三大定律共同勾勒出了信息技術(shù)發(fā)展的歷程。了信息技術(shù)發(fā)展的歷程。定律定律序號

35、序號定律名稱定律名稱內(nèi)內(nèi) 容容第一第一定律定律摩爾定律摩爾定律即每平方英寸硅芯片上的晶體管數(shù)目每即每平方英寸硅芯片上的晶體管數(shù)目每18個(gè)月到個(gè)月到24個(gè)月將個(gè)月將增加一倍。增加一倍。40年來，這個(gè)預(yù)言每每應(yīng)驗(yàn)，而且后人又增加年來，這個(gè)預(yù)言每每應(yīng)驗(yàn)，而且后人又增加一條：一條：“價(jià)格同時(shí)下降一半價(jià)格同時(shí)下降一半”。第二第二定律定律吉爾德定吉爾德定律律預(yù)測互聯(lián)網(wǎng)的帶寬每預(yù)測互聯(lián)網(wǎng)的帶寬每6個(gè)月增長個(gè)月增長1倍，其增長速度是摩爾定倍，其增長速度是摩爾定律預(yù)測的律預(yù)測的CPU增長速度的增長速度的3倍。并預(yù)言將來上網(wǎng)會免費(fèi)。倍。并預(yù)言將來上網(wǎng)會免費(fèi)。第三第三定律定律麥特卡爾麥特卡爾定律定律預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值與

36、網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比。也就是說，預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值與網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比。也就是說，N個(gè)連結(jié)創(chuàng)造出個(gè)連結(jié)創(chuàng)造出NN的效益。在網(wǎng)上，每一個(gè)人都能夠連的效益。在網(wǎng)上，每一個(gè)人都能夠連接到接到N個(gè)人，個(gè)人，N個(gè)人能看到個(gè)人能看到N個(gè)人的信息，所以信息的傳送個(gè)人的信息，所以信息的傳送效益是效益是N的平方。上網(wǎng)的人數(shù)越多，產(chǎn)生的效益越多。的平方。上網(wǎng)的人數(shù)越多，產(chǎn)生的效益越多。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.4 計(jì)算思維簡介計(jì)算思維簡介 科學(xué)界一般認(rèn)為，科學(xué)方法分為理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算三科學(xué)界一般認(rèn)為，科學(xué)方法分為理論、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算三大類。與三大科學(xué)方法相對應(yīng)的三大科學(xué)思維是：理論思大類。與三大科學(xué)方法相對應(yīng)

37、的三大科學(xué)思維是：理論思維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維。維、實(shí)驗(yàn)思維和計(jì)算思維。理論思維理論思維又稱邏輯思維，以推理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表。又稱邏輯思維，以推理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表。支撐著所有的學(xué)科領(lǐng)域，定義是靈魂，定理和證明是精髓，支撐著所有的學(xué)科領(lǐng)域，定義是靈魂，定理和證明是精髓，公理化方法是思維方法。公理化方法是思維方法。實(shí)驗(yàn)思維實(shí)驗(yàn)思維又稱實(shí)證思維，以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)又稱實(shí)證思維，以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)科為代表。實(shí)驗(yàn)思維往往需要借助于特定設(shè)備獲取數(shù)據(jù)以科為代表。實(shí)驗(yàn)思維往往需要借助于特定設(shè)備獲取數(shù)據(jù)以供分析。供分析。計(jì)算思維計(jì)算思維又稱構(gòu)造思維

38、，以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代又稱構(gòu)造思維，以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表。研究的目的是提供適當(dāng)?shù)姆椒?，使人們借助現(xiàn)代和將表。研究的目的是提供適當(dāng)?shù)姆椒?，使人們借助現(xiàn)代和將來的計(jì)算機(jī)，逐步實(shí)現(xiàn)人工智能的較高目標(biāo)。來的計(jì)算機(jī)，逐步實(shí)現(xiàn)人工智能的較高目標(biāo)。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.4 計(jì)算思維簡介計(jì)算思維簡介 計(jì)算思維概念：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概計(jì)算思維概念：計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、以及理解人類行為等一系列念進(jìn)行問題求解、設(shè)計(jì)系統(tǒng)、以及理解人類行為等一系列思維活動。計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)抽象和構(gòu)造、可解，強(qiáng)調(diào)用自動思維活動。計(jì)算思維強(qiáng)調(diào)抽象和

39、構(gòu)造、可解，強(qiáng)調(diào)用自動方式逐步求解。方式逐步求解。 計(jì)算思維建立在計(jì)算過程的能力和限制之上，由人由機(jī)計(jì)算思維建立在計(jì)算過程的能力和限制之上，由人由機(jī)器執(zhí)行。計(jì)算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法器執(zhí)行。計(jì)算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法由個(gè)人獨(dú)立完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由個(gè)人獨(dú)立完成的問題求解和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.4 計(jì)算思維簡介計(jì)算思維簡介 計(jì)算思維的本質(zhì)：是抽象和自動化。它反映了計(jì)算的計(jì)算思維的本質(zhì)：是抽象和自動化。它反映了計(jì)算的根本問題，即什么能被有效地自動進(jìn)行。從操作層面上講，根本問題，即什么能被有效地自動進(jìn)行。從操作層面上講，計(jì)算就是如何尋找一臺計(jì)

40、算機(jī)去求解問題，隱含地說就是計(jì)算就是如何尋找一臺計(jì)算機(jī)去求解問題，隱含地說就是要確定合適的抽象，選擇合適的計(jì)算機(jī)去解釋執(zhí)行該抽象，要確定合適的抽象，選擇合適的計(jì)算機(jī)去解釋執(zhí)行該抽象，后者就是自動化。后者就是自動化。 計(jì)算思維中的抽象可以理解為完全用符號來表示自然計(jì)算思維中的抽象可以理解為完全用符號來表示自然界的各種現(xiàn)象，而這些抽象最終是要能夠機(jī)械地一步一步界的各種現(xiàn)象，而這些抽象最終是要能夠機(jī)械地一步一步自動執(zhí)行的。自動執(zhí)行的。 注：數(shù)學(xué)抽象的特點(diǎn)是拋開現(xiàn)實(shí)事物的物理、化學(xué)和注：數(shù)學(xué)抽象的特點(diǎn)是拋開現(xiàn)實(shí)事物的物理、化學(xué)和生物學(xué)等特性，而僅保留其量的關(guān)系和空間的形式，而計(jì)生物學(xué)等特性，而僅保留其

41、量的關(guān)系和空間的形式，而計(jì)算思維中的抽象卻不僅如此，而要能支持機(jī)械地、一步步算思維中的抽象卻不僅如此，而要能支持機(jī)械地、一步步地自動執(zhí)行，為此，需要在抽象過程中進(jìn)行精確和嚴(yán)格的地自動執(zhí)行，為此，需要在抽象過程中進(jìn)行精確和嚴(yán)格的符號標(biāo)記和建模。符號標(biāo)記和建模。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.4 計(jì)算思維簡介計(jì)算思維簡介 計(jì)算思維的發(fā)展：計(jì)算思維在人類思維的早期就已經(jīng)萌計(jì)算思維的發(fā)展：計(jì)算思維在人類思維的早期就已經(jīng)萌芽，并且一直是人類思維的重要組成部分。在很長一段時(shí)間芽，并且一直是人類思維的重要組成部分。在很長一段時(shí)間里，計(jì)算思維的研究是作為數(shù)學(xué)思維的一部分進(jìn)行的。但相里，計(jì)算思維的研究是作為數(shù)學(xué)

42、思維的一部分進(jìn)行的。但相應(yīng)的手段和工具的研究進(jìn)展緩慢，制約了計(jì)算思維的發(fā)展。應(yīng)的手段和工具的研究進(jìn)展緩慢，制約了計(jì)算思維的發(fā)展。 蒸汽機(jī)、電力、材料、醫(yī)藥等的進(jìn)步徹底改變了這個(gè)世蒸汽機(jī)、電力、材料、醫(yī)藥等的進(jìn)步徹底改變了這個(gè)世界和人們對于世界的認(rèn)識。在這個(gè)過程中，把對于自然規(guī)律界和人們對于世界的認(rèn)識。在這個(gè)過程中，把對于自然規(guī)律的認(rèn)識變成一種具有可構(gòu)造性、可實(shí)現(xiàn)性的新知識內(nèi)容，去的認(rèn)識變成一種具有可構(gòu)造性、可實(shí)現(xiàn)性的新知識內(nèi)容，去創(chuàng)造自然界原本沒有的物體，這是人類對于知識應(yīng)用的深化創(chuàng)造自然界原本沒有的物體，這是人類對于知識應(yīng)用的深化和延續(xù)。在這個(gè)過程中，計(jì)算思維起到了重要的作用。和延續(xù)。在這個(gè)

43、過程中，計(jì)算思維起到了重要的作用。 計(jì)算思維也可以叫做構(gòu)造思維或者其他什么思維，只是由于計(jì)算機(jī)計(jì)算思維也可以叫做構(gòu)造思維或者其他什么思維，只是由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展極大促進(jìn)了這種思維的研究和應(yīng)用，并且在計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究和的發(fā)展極大促進(jìn)了這種思維的研究和應(yīng)用，并且在計(jì)算機(jī)科學(xué)的研究和工程應(yīng)用中得到廣泛的認(rèn)同，所以人們習(xí)慣地叫做計(jì)算思維。這只是一工程應(yīng)用中得到廣泛的認(rèn)同，所以人們習(xí)慣地叫做計(jì)算思維。這只是一個(gè)名稱而已，這種名稱反映了人類文化發(fā)展的痕跡。個(gè)名稱而已，這種名稱反映了人類文化發(fā)展的痕跡。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.4 計(jì)算思維簡介計(jì)算思維簡介 例如，早期建一所房子，整個(gè)建筑的構(gòu)思可能就在主

44、持例如，早期建一所房子，整個(gè)建筑的構(gòu)思可能就在主持人的腦子里面；但是隨著工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這種靠記憶人的腦子里面；但是隨著工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，這種靠記憶來設(shè)計(jì)和規(guī)劃建筑的方式越來越不適應(yīng)，因此需要有施工圖來設(shè)計(jì)和規(guī)劃建筑的方式越來越不適應(yīng)，因此需要有施工圖紙。施工圖紙就是關(guān)于房子的形式化的表達(dá)方式，這種方式紙。施工圖紙就是關(guān)于房子的形式化的表達(dá)方式，這種方式使得人們可以相互溝通設(shè)計(jì)的思想，共同組織工程的實(shí)施。使得人們可以相互溝通設(shè)計(jì)的思想，共同組織工程的實(shí)施。 近代的很多工程，由于留下了豐富的、符合計(jì)算思維要近代的很多工程，由于留下了豐富的、符合計(jì)算思維要求的文檔，因此我們（當(dāng)然也包括后人）

45、可以從工程文件中求的文檔，因此我們（當(dāng)然也包括后人）可以從工程文件中清晰地了解這些工程的施工方法和工藝。采取計(jì)算思維的模清晰地了解這些工程的施工方法和工藝。采取計(jì)算思維的模式來描述各種工程活動是人類進(jìn)步的表現(xiàn)。式來描述各種工程活動是人類進(jìn)步的表現(xiàn)。 有了計(jì)算機(jī)后，借助計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)從圖紙到房屋模型整有了計(jì)算機(jī)后，借助計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)從圖紙到房屋模型整個(gè)過程的自動化、精確化，這就更加豐富了我們處理問題的個(gè)過程的自動化、精確化，這就更加豐富了我們處理問題的方法和手段。方法和手段。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.4 計(jì)算思維簡介計(jì)算思維簡介 計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維的關(guān)系：計(jì)算思維本身并不是計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維

46、的關(guān)系：計(jì)算思維本身并不是計(jì)算機(jī)科學(xué)的專屬。實(shí)際上，即使沒有計(jì)算機(jī)，計(jì)算思維也在逐步科學(xué)的專屬。實(shí)際上，即使沒有計(jì)算機(jī)，計(jì)算思維也在逐步的發(fā)展。但是，正是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給計(jì)算思維的研究和發(fā)的發(fā)展。但是，正是計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，給計(jì)算思維的研究和發(fā)展帶來了根本性的變化。由于計(jì)算機(jī)對于信息和符號的快速展帶來了根本性的變化。由于計(jì)算機(jī)對于信息和符號的快速處理能力，使得許多原本只是理論可以實(shí)現(xiàn)的過程變成了實(shí)處理能力，使得許多原本只是理論可以實(shí)現(xiàn)的過程變成了實(shí)際可以實(shí)現(xiàn)的過程際可以實(shí)現(xiàn)的過程(如海量數(shù)據(jù)的處理、復(fù)雜系統(tǒng)的模擬、大如海量數(shù)據(jù)的處理、復(fù)雜系統(tǒng)的模擬、大型工程的組織等型工程的組織等)，借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

47、了從想法到產(chǎn)品整個(gè)過程，借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了從想法到產(chǎn)品整個(gè)過程的自動化、精確化和可控化，大大拓展了人類認(rèn)知世界和解的自動化、精確化和可控化，大大拓展了人類認(rèn)知世界和解決問題的能力和范圍。決問題的能力和范圍。 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)豐富了人類改造世界的手段，同時(shí)也強(qiáng)化計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)豐富了人類改造世界的手段，同時(shí)也強(qiáng)化了計(jì)算思維的意義和作用，并極大的推動了計(jì)算思維的發(fā)展。了計(jì)算思維的意義和作用，并極大的推動了計(jì)算思維的發(fā)展。 大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.4 計(jì)算思維簡介計(jì)算思維簡介 計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域：如同所有人都具備計(jì)算思維的應(yīng)用領(lǐng)域：如同所有人都具備“讀、寫、算讀、寫、算” 能力一樣，計(jì)算思維是必須具備

48、的思維能力。計(jì)算思維不僅能力一樣，計(jì)算思維是必須具備的思維能力。計(jì)算思維不僅僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)家的思維，它已經(jīng)不局限于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)家的思維，它已經(jīng)不局限于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。 計(jì)算思維正在或已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科、各個(gè)領(lǐng)域，甚至計(jì)算思維正在或已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科、各個(gè)領(lǐng)域，甚至包括心理學(xué)、語言學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、社會學(xué)等學(xué)包括心理學(xué)、語言學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、社會學(xué)等學(xué)科，改變著人們傳統(tǒng)的思維方式，并正在潛移默化地影響和科，改變著人們傳統(tǒng)的思維方式，并正在潛移默化地影響和推動著各領(lǐng)域的發(fā)展，成為一種發(fā)展趨勢。推動著各領(lǐng)域的發(fā)展，成為一種發(fā)展趨勢。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.5 計(jì)算思

49、維的典型案例計(jì)算思維的典型案例 案例案例1： 從最遠(yuǎn)古的手指計(jì)數(shù)從最遠(yuǎn)古的手指計(jì)數(shù)中國古代的算盤中國古代的算盤近代西方的算籌近代西方的算籌機(jī)械式計(jì)算機(jī)機(jī)械式計(jì)算機(jī)當(dāng)前的電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，計(jì)算也作為一種思維方當(dāng)前的電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，計(jì)算也作為一種思維方式存在，并成為人類科學(xué)思維的重要一員。從算盤到計(jì)算機(jī)的發(fā)展過式存在，并成為人類科學(xué)思維的重要一員。從算盤到計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程是計(jì)算思維內(nèi)容不斷拓展的過程。程是計(jì)算思維內(nèi)容不斷拓展的過程。 從歷史來看，機(jī)械到電子不但是材料的進(jìn)步，也是思維方式的進(jìn)從歷史來看，機(jī)械到電子不但是材料的進(jìn)步，也是思維方式的進(jìn)步。計(jì)算機(jī)發(fā)展，歸根結(jié)底是計(jì)算思維的傳承和發(fā)揚(yáng)光大。計(jì)算

50、機(jī)的步。計(jì)算機(jī)發(fā)展，歸根結(jié)底是計(jì)算思維的傳承和發(fā)揚(yáng)光大。計(jì)算機(jī)的歷史就像一個(gè)孩子的成長史，它已經(jīng)經(jīng)歷了少年時(shí)期的瘋長，進(jìn)入了歷史就像一個(gè)孩子的成長史，它已經(jīng)經(jīng)歷了少年時(shí)期的瘋長，進(jìn)入了青年時(shí)期。它還會有下一輪的飛速成長，但是要靠人類的智慧作為營青年時(shí)期。它還會有下一輪的飛速成長，但是要靠人類的智慧作為營養(yǎng)哺育它。在不久的將來，我們會將計(jì)算機(jī)變成一個(gè)眾多學(xué)科交叉結(jié)養(yǎng)哺育它。在不久的將來，我們會將計(jì)算機(jī)變成一個(gè)眾多學(xué)科交叉結(jié)合而成的精靈。而到那時(shí)，我們相信那個(gè)精靈傳承和發(fā)揚(yáng)的仍然是計(jì)合而成的精靈。而到那時(shí)，我們相信那個(gè)精靈傳承和發(fā)揚(yáng)的仍然是計(jì)算思維。算思維。大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)1.5 計(jì)算

51、思維的典型案例計(jì)算思維的典型案例 案例案例2： 抽象是一種從個(gè)體把握一般、從現(xiàn)象把握本質(zhì)的認(rèn)知過程和思維抽象是一種從個(gè)體把握一般、從現(xiàn)象把握本質(zhì)的認(rèn)知過程和思維方法。方法。 在本章中介紹了圖靈機(jī)模型，它是一個(gè)抽象的計(jì)算模型。圖靈把在本章中介紹了圖靈機(jī)模型，它是一個(gè)抽象的計(jì)算模型。圖靈把他的計(jì)算模型抽象成一種非常精簡的裝置：一條無限長的紙帶、一個(gè)他的計(jì)算模型抽象成一種非常精簡的裝置：一條無限長的紙帶、一個(gè)讀寫頭、一套控制讀寫頭工作的規(guī)則、一個(gè)狀態(tài)寄存器。有了圖靈機(jī)讀寫頭、一套控制讀寫頭工作的規(guī)則、一個(gè)狀態(tài)寄存器。有了圖靈機(jī)這一抽象模型，我們可以得到很多本質(zhì)的規(guī)律，通過抽象我們能夠抽這一抽象模型，我們可以得到很多本質(zhì)的規(guī)律，通過抽象我們能夠抽取事物的本質(zhì)特性、忽略煩瑣的細(xì)節(jié)，在抽象的模型上進(jìn)行科學(xué)研究，取事物的本質(zhì)特性、忽略煩瑣的細(xì)節(jié)，在抽象的模型上進(jìn)行科學(xué)研究，有助于發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)在規(guī)律。雖然圖靈機(jī)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，有助于發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)在規(guī)律。雖然圖靈機(jī)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的數(shù)學(xué)模型，但它不等同于實(shí)際的計(jì)算機(jī)，如何設(shè)計(jì)實(shí)際可用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也需但它不等同于實(shí)際的計(jì)算機(jī)，如何設(shè)計(jì)實(shí)際可用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，也需要抽象的思維。在第要抽