計算機文化與計算機思維基礎

1、大學計算機李君陽447222141第一章 計算機與信息社會 1.1 引言引言1.2 計算機的誕生與發(fā)展計算機的誕生與發(fā)展 1.3 計算思維基礎計算思維基礎教學說明教學說明 1. 1. 學時：學時：0 0學時學時 以自學為主或者根據(jù)各校情況簡要介紹以自學為主或者根據(jù)各校情況簡要介紹 2. 2. 內容：內容：計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展、分代、分類、新技術、新型計算機計算機的發(fā)展、分代、分類、新技術、新型計算機信息技術概念信息技術概念現(xiàn)代信息技術的定義、內容、特點現(xiàn)代信息技術的定義、內容、特點 計算機的應用計算機的應用在各行各業(yè)中的應用、應用的類型在各行各業(yè)中的應用、應用的類型 3. 3.

2、 考核：選擇題、填充題考核：選擇題、填充題 1.1 引言引言 算算 籌籌 春秋戰(zhàn)國時代，世界上最早的計算工具春秋戰(zhàn)國時代，世界上最早的計算工具 算算 盤盤 中國唐代中國唐代 第一種手動式計數(shù)器第一種手動式計數(shù)器人類在進化過程中，發(fā)明和改進了許許多多的計算工人類在進化過程中，發(fā)明和改進了許許多多的計算工具。具。 計算尺 1622年，英國William Oughtred手動式、減、乘、 除、指數(shù)和三角函數(shù)運算 加法器 1642年，法國Blaise Pascal機械式，只能做加法 計算器 1673年，德國Gottfried Leibniz機械式，加、減、乘、除和開方 差分機 1812年，英國Char

3、les Babbage分析機 1834年，英國Charles Babbage現(xiàn)代通用計算機的雛形1.2計算機的誕生和發(fā)展在以機械方式運行的計算機誕生百年之后，隨著電子技術的突飛猛進，計算機開始了有機械向電子的進化1.2.1 計算機的誕生1.2.2 計算機的分代1.2.3 計算機的分類1.2.4 計算機的應用1.2.5 計算機文化計算機科學奠基人計算機科學奠基人英國科學家英國科學家 阿蘭阿蘭. .圖靈圖靈1.2.1 1.2.1 計算機的誕生計算機的誕生1. 圖靈機圖靈機姚期智姚期智(Andrew Chi-Chih Yao)，2000年圖靈獎得主，美國科學年圖靈獎得主，美國科學院院士，美國科學與藝

4、術學院院士，中國科學院外籍院士，清院院士，美國科學與藝術學院院士，中國科學院外籍院士，清華大學高等研究中心教授華大學高等研究中心教授主要貢獻：主要貢獻： 建立圖靈機模型，奠定可計算建立圖靈機模型，奠定可計算理論基礎理論基礎 提出圖靈測試，闡述了機器智提出圖靈測試，闡述了機器智能的概念能的概念美國計算機學會美國計算機學會(ACM)1966年設立圖靈獎（計算機界的諾貝爾）年設立圖靈獎（計算機界的諾貝爾）圖靈機模型：圖靈機模型：由無限長紙帶和讀寫頭組成紙帶用于無限存儲，由無限長紙帶和讀寫頭組成紙帶用于無限存儲，讀寫頭可讀、寫和左右移動。讀寫頭可讀、寫和左右移動。圖靈機具有最強大的計算能力，其功能與高

5、級程圖靈機具有最強大的計算能力，其功能與高級程序設計語言等價。序設計語言等價。如果電腦能在如果電腦能在5 5分鐘內回答由人類測試者提出的一分鐘內回答由人類測試者提出的一系列問題，且其超過系列問題，且其超過30%30%的回答讓測試者誤認為是人類的回答讓測試者誤認為是人類所答，則電腦通過測試。所答，則電腦通過測試?；卮鹆耸裁礃拥臋C器具有智能，回答了什么樣的機器具有智能，奠定了人工智能的基礎奠定了人工智能的基礎。在英國雷丁大學的在英國雷丁大學的“圖靈測圖靈測試試2014”中，電腦程序中，電腦程序“尤金尤金古古斯特曼斯特曼”成功成功“偽裝偽裝”成一名成一名13歲歲男孩，通過了圖靈測試男孩，通過了圖靈測

6、試機械姬機械姬圖靈測試：圖靈測試：2. 2. 世界上第一臺電子計算機世界上第一臺電子計算機-ENIAC-ENIAC19461946年年2 2月由賓夕法尼亞大學研月由賓夕法尼亞大學研制制ENIACENIAC標志著電子計算機時代標志著電子計算機時代的到來的到來 Electronic Numerical Integrator And Calculator電子數(shù)字積分計算機電子數(shù)字積分計算機每秒每秒5 5千次加減運算千次加減運算沒有存儲器沒有存儲器采用十進制采用十進制長長30.4830.48米，寬米，寬6 6米，高米，高2.42.4米，米，占地面積約占地面積約170170平方米，耗電量平方米，耗電量1

7、50150千瓦。包含了千瓦。包含了1746817468根真空根真空管管72007200根水晶二極管，根水晶二極管，1500 1500 個個中轉，中轉，7000070000個電阻器，個電阻器，1000010000個電容器，個電容器，15001500個繼電器，個繼電器，60006000多個開關多個開關阿塔納索夫阿塔納索夫- -貝瑞計算機貝瑞計算機（Atanasoff-Berry Atanasoff-Berry ComputerComputer，簡稱，簡稱ABCABC）缺點一：一：沒有存儲器沒有存儲器二：二：布線接板控制布線接板控制三：三： 除了體積大，耗電多以外，電子管易于損除了體積大，耗電多以外

8、，電子管易于損壞，壞，1 18 8萬多個電子管萬多個電子管電子計算機之父：電子計算機之父：美籍匈牙利數(shù)學家美籍匈牙利數(shù)學家 馮馮. .諾依曼諾依曼3. 3. 馮馮. .諾依曼體系結構計算機諾依曼體系結構計算機馮馮. .諾依曼體系計算機的特點諾依曼體系計算機的特點 采用二進制表示數(shù)據(jù)；采用二進制表示數(shù)據(jù)； 存儲程序；存儲程序； 由運算器、控制器、存儲器、由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五部分組成。輸入設備和輸出設備五部分組成。主要貢獻：主要貢獻： 與同事研制人類第二臺計算機與同事研制人類第二臺計算機EDVAC “存儲程序存儲程序”概念概念 馮馮諾依曼計算機諾依曼計算機 奠定現(xiàn)代計算機

9、體系結構和工作原理奠定現(xiàn)代計算機體系結構和工作原理1.2.2 計算機的分代計算機的分代(按物理器械按物理器械)電子管電子管晶體管晶體管集成電路集成電路大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路時代年份器件軟件運算速度應用一一 46-5846-58電子管電子管機器語言匯編語機器語言匯編語言言 幾千次幾千次科學計算科學計算二二58-6458-64晶體管晶體管高級語言高級語言幾十萬次幾十萬次數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理工業(yè)控制工業(yè)控制 三三64-7164-71集成電路集成電路操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)幾百萬次幾百萬次文字處理文字處理圖形處理圖形處理四四7171年迄今年迄今大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 數(shù)據(jù)庫、網絡等數(shù)據(jù)庫、網絡等 億億

10、次億億次社會的各個社會的各個領域領域1.2.3 1.2.3 計算機的分類計算機的分類 按綜合性能指按綜合性能指標分類標分類高性能計算機（巨型機或大型機）：高性能計算機（巨型機或大型機）： 速度最快、處理能力最強速度最快、處理能力最強工作站工作站：介于介于PCPC與小型機之間高檔微機系統(tǒng)與小型機之間高檔微機系統(tǒng) 高分辨率、大容量內外存，圖形功能較強高分辨率、大容量內外存，圖形功能較強微型計算機微型計算機： 臺式機、筆記本、平板計算臺式機、筆記本、平板計算機等機等服務器：網絡環(huán)境中為多個用戶提供服務器：網絡環(huán)境中為多個用戶提供服服 務的計算機系統(tǒng)務的計算機系統(tǒng)按用途分類按用途分類通用機通用機專用機

11、專用機嵌入式計算機：嵌入式計算機： 嵌入到應用系統(tǒng)中的計算機，應用最嵌入到應用系統(tǒng)中的計算機，應用最廣泛，數(shù)量超過廣泛，數(shù)量超過PCPC?！疤旌佣柼旌佣枴笔怯蓢揽拼笱惺怯蓢揽拼笱兄频某売嬎銠C系統(tǒng)，以峰值制的超級計算機系統(tǒng)，以峰值計算速度每秒計算速度每秒5.495.49億億次、持億億次、持續(xù)計算速度每秒續(xù)計算速度每秒3.393.39億億次雙億億次雙精度浮點運算的優(yōu)異性能位居精度浮點運算的優(yōu)異性能位居榜首，以高于亞軍美國榜首，以高于亞軍美國“泰坦泰坦”一倍之多的浮點運算性能第一倍之多的浮點運算性能第五次成為全球最快超級計算機五次成為全球最快超級計算機天河二號超級計算機系天河二號超級計算機

12、系統(tǒng)由統(tǒng)由170170個機柜組成，個機柜組成，占地面積占地面積720720平方米，平方米，內存總容量內存總容量14001400萬億字萬億字節(jié)，存儲總容量節(jié)，存儲總容量1240012400萬億字節(jié)，最大運行功萬億字節(jié)，最大運行功耗耗17.817.8兆瓦。費用兆瓦。費用3030萬萬一天一天科學計算又稱數(shù)值計算，指用于完成科學研究和工程技術中提出的數(shù)又稱數(shù)值計算，指用于完成科學研究和工程技術中提出的數(shù)學問題的計算。學問題的計算。電子計算機的重要應用領域。電子計算機的重要應用領域?？茖W計算的特點是計算量大且數(shù)值變化范圍大?？茖W計算的特點是計算量大且數(shù)值變化范圍大。主要應用于天文學、量子化學、空氣動力學

13、、核物力和天氣主要應用于天文學、量子化學、空氣動力學、核物力和天氣預報等領域。預報等領域。1.2.4計算機的應用計算機的應用數(shù)據(jù)處理也稱非數(shù)值計算也稱非數(shù)值計算. .數(shù)據(jù)處理指對大量的數(shù)據(jù)進行加工處理，例如，分析、合數(shù)據(jù)處理指對大量的數(shù)據(jù)進行加工處理，例如，分析、合并、分類、統(tǒng)計等。并、分類、統(tǒng)計等。與科學計算的不同在于數(shù)據(jù)處理涉及的數(shù)據(jù)量一般很大。與科學計算的不同在于數(shù)據(jù)處理涉及的數(shù)據(jù)量一般很大。廣泛應用于辦公自動化、企業(yè)管理、事務管理、情報檢索廣泛應用于辦公自動化、企業(yè)管理、事務管理、情報檢索等方面。等方面。科研：數(shù)據(jù)采集、計算分析科研：數(shù)據(jù)采集、計算分析家庭：家庭信息化家庭：家庭信息化

14、電子商務利用計算機和網絡進行的新型商務活動利用計算機和網絡進行的新型商務活動B2BB2B，交易雙方是企業(yè)與企業(yè)。如阿里巴巴，交易雙方是企業(yè)與企業(yè)。如阿里巴巴B2CB2C，交易雙方是企業(yè)與消費者。如京東，交易雙方是企業(yè)與消費者。如京東C2CC2C，交易雙方是消費者與消費者。如淘寶，交易雙方是消費者與消費者。如淘寶商務部公布商務部公布20142014年電子商務交易額年電子商務交易額( (包括包括B2BB2B和和網絡零售網絡零售) )達到約達到約1313萬億元，同比增長萬億元，同比增長25%25%。應用領域：電子政府應用領域：電子政府過程控制又稱實時控制。又稱實時控制。指用計算機及時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將

15、數(shù)據(jù)處理后，指用計算機及時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后，再按系統(tǒng)要求迅速的對控制對象進行控制。再按系統(tǒng)要求迅速的對控制對象進行控制。在冶金、石油、化工、紡織、水電、機械、航天在冶金、石油、化工、紡織、水電、機械、航天等部門得到廣泛應用。等部門得到廣泛應用。計算機輔助系統(tǒng)包括包括CADCAD、CAMCAM、CBECBE等。等。計算機輔助設計計算機輔助設計CADCAD，即利用計算機幫助各類設計人員進，即利用計算機幫助各類設計人員進行設計行設計計算機計算機 輔助制造輔助制造CAMCAM，即用計算機進行生產設備的管理、，即用計算機進行生產設備的管理、控制和操作的技術。控制和操作的技術。計算機輔助教育計算

16、機輔助教育CBECBE，包括計算機輔助教學，包括計算機輔助教學CAICAI。計算機集成制造系統(tǒng)以計算機為中心的現(xiàn)代化信息技術應計算機集成制造系統(tǒng)以計算機為中心的現(xiàn)代化信息技術應用于企業(yè)管理和產品開發(fā)制造的新一代制造系統(tǒng)，是用于企業(yè)管理和產品開發(fā)制造的新一代制造系統(tǒng)，是CADCAD、CAPPCAPP、CAMCAM、CAECAE、CAQCAQ、PDMSPDMS、管理與決策、網絡與數(shù)據(jù)、管理與決策、網絡與數(shù)據(jù)庫及質量保證系統(tǒng)等子系統(tǒng)的技術集成庫及質量保證系統(tǒng)等子系統(tǒng)的技術集成多媒體技術以計算機技術為核心，將現(xiàn)代聲像技術和通信技以計算機技術為核心，將現(xiàn)代聲像技術和通信技術融為一體，以追求更自然、更豐富

17、的接口界面術融為一體，以追求更自然、更豐富的接口界面教育：多媒體教育、遠程教育教育：多媒體教育、遠程教育娛樂：虛擬現(xiàn)實、電影特技娛樂：虛擬現(xiàn)實、電影特技 人工智能人工智能人工智能AIAI，一般指模擬人腦進行演繹推理和采取，一般指模擬人腦進行演繹推理和采取決策的思維過程。決策的思維過程。在計算機中存儲一些定理和推理規(guī)則，然后設計程在計算機中存儲一些定理和推理規(guī)則，然后設計程序，讓計算機自動探索解決的方法。序，讓計算機自動探索解決的方法。人工智能是計算機應用研究的前沿科學。人工智能是計算機應用研究的前沿科學。1.2.5 1.2.5 計算機文化計算機文化 人類社會的生存方式因使用計算機而發(fā)生根本性人

18、類社會的生存方式因使用計算機而發(fā)生根本性變化而產生的一種新文化形態(tài)，體現(xiàn)在以下方面：變化而產生的一種新文化形態(tài)，體現(xiàn)在以下方面：物質文化：計算機軟硬件設備及其使用方法，滿物質文化：計算機軟硬件設備及其使用方法，滿足了人類生存和發(fā)展的需要。足了人類生存和發(fā)展的需要。非物質文化：新的科學思想、科學方法、科學精非物質文化：新的科學思想、科學方法、科學精神、價值標準等，由此產生新的語言、風俗、道德、神、價值標準等，由此產生新的語言、風俗、道德、法律等。法律等。1.3計算思維基礎1.3.1 計算思維概述1.3.2 計算思維內涵1.3.3 計算思維的應用 理論、實驗和計算是科學研究的三大方法，對應理論、實

19、驗和計算是科學研究的三大方法，對應的三大思維是理論思維、實驗思維和計算思維。的三大思維是理論思維、實驗思維和計算思維。 計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。科學之廣度的一系列思維活動。實證思維（重現(xiàn)、自治、預見）實驗：物理實證思維（重現(xiàn)、自治、預見）實驗：物理邏輯思維（公理、規(guī)則、結論）推理：數(shù)學邏輯思維（公理、規(guī)則、結論）推理：數(shù)學計算思維（能行、構造、模擬）使自動：計算機計算思維（能行、構造、模擬）使自動：計算機1,1,本質：抽象、

20、自動化本質：抽象、自動化抽象：完全超越物理的時空觀，完全使用符號來表示抽象：完全超越物理的時空觀，完全使用符號來表示在哥尼斯堡的一個公園里，有七座橋將普雷格爾河中兩個在哥尼斯堡的一個公園里，有七座橋將普雷格爾河中兩個島及島與河岸連接起來島及島與河岸連接起來( (如圖如圖) )。問是否可能從這四塊陸地。問是否可能從這四塊陸地中任一塊出發(fā)，恰好通過每座橋一次，再回到起點？中任一塊出發(fā)，恰好通過每座橋一次，再回到起點？自動化：機械地一步一步的執(zhí)行自動化：機械地一步一步的執(zhí)行1.3.1 1.3.1 計算思維概述計算思維概述 例子：求函數(shù)例子：求函數(shù)f(x)f(x)的積分。的積分。 高等數(shù)學方法：牛頓高

21、等數(shù)學方法：牛頓- -萊布尼茲公式。萊布尼茲公式。 計算機方法：黎曼積分方法計算機方法：黎曼積分方法( (區(qū)間等分求和區(qū)間等分求和) )。計算思維的關鍵：用計算機模擬現(xiàn)實世界實驗和理論思維無法解決的問題實驗和理論思維無法解決的問題復雜問題求解、宏大系統(tǒng)建立、大型工程組織都可復雜問題求解、宏大系統(tǒng)建立、大型工程組織都可以通過計算模擬來實現(xiàn)以通過計算模擬來實現(xiàn)核爆炸、蛋白質生成、大型飛機、艦艇設計核爆炸、蛋白質生成、大型飛機、艦艇設計如何使用計算思維利用計算手段求解問題的過程是： 首先要把實際的應用問題轉換為數(shù)學問題，可能是一組微分方程，然后建立模型、設計算法和編程實現(xiàn)，最后在實際的計算機中運行并

22、求解 前兩步是計算思維中的抽象，后兩步是計算思維中的自動化2.2.計算思維的特征計算思維的特征 計算思維是人的思維方式；計算思維是人的思維方式； 計算思維的過程可以由人執(zhí)行，也可計算思維的過程可以由人執(zhí)行，也可以由計算機執(zhí)行；以由計算機執(zhí)行； 計算思維是思想，不是人造物；計算思維是思想，不是人造物； 計算思維是概念化，不是程序化。計算思維是概念化，不是程序化。1.3.2 1.3.2 計算思維的內涵計算思維的內涵 1. 1. 計算思維的基本問題計算思維的基本問題 可計算性：可以使用計算機在有限步內解決的問可計算性：可以使用計算機在有限步內解決的問題。題。 并不是所有問題都是可計算并不是所有問題都

23、是可計算的，如圖靈機的停機問題、歌的，如圖靈機的停機問題、歌德巴赫猜想等是不可以計算的。德巴赫猜想等是不可以計算的。如何判定：如何判定：邱奇圖靈論題邱奇圖靈論題一切一切直覺上能行、可計算的函數(shù)直覺上能行、可計算的函數(shù)都可用圖靈機計算，反之亦都可用圖靈機計算，反之亦然然 計算復雜性：用計算機求解問題的難易程度，包括時間復計算復雜性：用計算機求解問題的難易程度，包括時間復雜性和空間復雜性。雜性和空間復雜性。 如兩個如兩個n n階矩陣相乘的時間復雜性是階矩陣相乘的時間復雜性是O(nO(n3 3) )。 圖靈測試：用以解決機器是否有智能的問題。圖靈測試：用以解決機器是否有智能的問題。 結果表明，目前計算機想和人類真正談話還比較困難。結果表明，目前計算機想和人類真正談話還比較困難。矩陣相乘：矩陣相乘：nkkjikijbac1nnnnnnBAC根據(jù)公式根據(jù)公式計算計算C中的一個元素需要中的一個元素需要n次乘法和次乘法和n-1次加法次加法所以計算所以計算C中所有的元素需要中所有的元素需要n3次乘法和次乘法和n*n*（n-1）次加法。執(zhí)行乘法）次加法。執(zhí)行乘法所需的時間數(shù)倍于加法。所以兩個矩陣的時間復雜性記為所需的時間數(shù)倍于加法。所以兩個矩陣的時間復雜性記為O(n3)2. 2. 計算思維的基本方法計算思維的基本方法 數(shù)學和工程的方法數(shù)學和工程的方法( (黎曼