計算機與計算思維概述

計算機與計算思維概述第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一第一章計算機與計算思維概述

在信息化時代，掌握一定的計算機軟硬件基礎知識，能夠使用計算機處理日常事務，能夠通過網(wǎng)絡獲取信息及相互交流，學會在數(shù)據(jù)處理中所體現(xiàn)的計算思維能力，是每個大學生應知應會的基本知識和能力。本章從計算機的起源開始，介紹計算機的發(fā)展史和特點、類型及應用，以及計算機的未來發(fā)展趨勢，信息技術的基礎知識，最后介紹計算思維的相關概念。第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識

這是一幅很著名的人類進化幽默圖20世紀以來人類最重大的科技發(fā)明當數(shù)電子數(shù)字計算機，計算機改變了人們傳統(tǒng)的工作和生活方式。第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識1.1.1

計算機發(fā)展歷史上的重要人物和思想(1)早期的計算工具

美國著名科普大師阿西莫夫說過，人類最早的“計算機”是手指，英語單詞“Digit”既表示“手指”又表示“整數(shù)數(shù)字”。

中國數(shù)學史專家考證，大約在新石器時代早期，先民使用的“計算機”是結繩，即用繩子打結的多少來表示數(shù)的概念。第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識

公元前5世紀，中國人發(fā)明了算盤，廣泛應用于商業(yè)貿易中，算盤被認為是最早的計算機，并一直使用至今。

計算工具的源頭可以上溯至2000多年前的春秋戰(zhàn)國時代，古代中國人發(fā)明的算籌是世界上最早的計算工具。

古語曰：“運籌策于帷幄之中，決勝于千里之外。”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圓周率π值計算到小數(shù)點后的第7位。第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識

鐘表業(yè)，特別是齒輪傳動裝置技術的發(fā)展，誕生了最早的機械式計算機。下面我們通過介紹幾位對計算機發(fā)展有過突出貢獻的早期歷史人物，闡述計算發(fā)展的歷程。(2)

機械式計算機

帕斯卡萊布尼茨巴貝奇愛達機械式計算機時代的代表人物第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一

該加法機可完成六位數(shù)字的加減法。它的設計原理對其后的計算機產(chǎn)生了深遠的影響。

法國物理學家帕斯卡(1623-1662)：在1642年發(fā)明了第一臺機械式加法機。該機由齒輪組成，靠手搖發(fā)條驅動，用專用的鐵筆來撥動轉輪以輸入數(shù)字。1.1計算機基礎知識

為了紀念帕斯卡的偉大發(fā)明，1971年，當瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學的沃斯教授發(fā)明了一種新的計算機語言起名叫帕斯卡(PASCAL)。在很長一段時間里，PASCAL語言在高校計算機軟件教學中一直處于主導地位。第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一

德國數(shù)學家萊布尼茨：在1673年發(fā)明了機械式乘除法器?；驹砝^承于帕斯卡的加法機，也是由一系列齒輪組成，但它能夠連續(xù)重復地做加減法，從而實現(xiàn)了乘除運算。據(jù)記載，萊布尼茲曾把自己的乘法機復制品送給康熙皇帝。

1.1計算機基礎知識

盡管萊布尼茨發(fā)明了二進制，但這并非是由于他認識到二進制對于計算機來說是多么重要。事實上，他發(fā)明的機械計算機和二進制毫不相干。然而，他發(fā)明的二進制現(xiàn)在卻支配著全世界不計其數(shù)的計算機的運行。第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識

英國女數(shù)學家愛達

(1815-1852)：巴貝奇的合作伙伴。她用穿孔卡片設計了世界上“第一件計算機程序”。她還建議分析機用二進制存儲。預言分析機能唱歌、繪畫。

英國數(shù)學家巴貝奇：1822年，在歷經(jīng)10年努力終于發(fā)明了“差分機”。它有3個齒輪式寄存器，可以保存3個5位數(shù)字，計算精度可以達到6位小數(shù)。

巴貝奇試圖發(fā)明功能更好的通用計算機——分析機，但最終失敗。

愛達最出名的地方是因為她編寫了一系驅動機器的指令，用于進行數(shù)學功能運算。正因為這樣，現(xiàn)在她被認為是第一位程序設計師。1979年美國國防部開發(fā)的程序語言ADA就是以她的名字命名。第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識(3)

機電式計算機19世紀末，電學技術的發(fā)展使人們開始設計電氣控制的自動計算工具。1888年，美國人赫爾曼?霍列瑞斯發(fā)明了制表機。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洞和水銀接觸，把電流接通，同時啟動計數(shù)裝置前進一個刻度的方法進行自動計數(shù)，并成功應用于1890年的美國人口普查。依靠制表機，他創(chuàng)辦了制表機公司，即后來的IBM公司。1944年，在美國物理學家艾肯指導下，馬克1號計算機研制成功。它是全機電式的計算機，采用了數(shù)千枚繼電器代替齒輪傳動，仍然采用十進制，它是世界上第一臺通用程序控制計算機。第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識(4)

計算機理論奠基人

1847年，英國數(shù)學家布爾設計了一套表示邏輯理論的基本概念和符號，用1和0表示命題的真與假，用“與”、“或”、“非”表示命題間的運算關系，這就是成為現(xiàn)代電子計算機數(shù)學和邏輯基礎的布爾代數(shù)。1938年，美國數(shù)學家香農首次將布爾代數(shù)和繼電器開關電路聯(lián)系起來，創(chuàng)立了開關電路理論。從理論到技術徹底改變了數(shù)字電路的設計方向，不僅使將來的電子計算機能夠進行數(shù)值運算，還能夠進行非數(shù)值運算。可以說，如果沒有香農的這一思想，現(xiàn)代的電子計算機是無法研制成功的。英國數(shù)學家布爾美國數(shù)學家香農第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一英國科學家阿蘭圖靈(理論計算機的奠基人)1.1計算機基礎知識

在現(xiàn)代計算機發(fā)展史上，最具影響力的兩個代表人物是——阿蘭?圖靈和馮?諾依曼。美籍匈牙利數(shù)學家馮諾依曼(計算機鼻祖)第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一

圖靈的基本思想是用機器來模擬人們用紙筆進行數(shù)學運算的過程，他把“計算”這一過程分解為如下步驟：①根據(jù)眼睛看到紙上的符號，腦中思考相應的法則；②指示手中的筆在紙上寫上或擦去一些符號；③再改變眼中所看到的范圍；④如此繼續(xù)，直到認為計算結束為止。1.1計算機基礎知識圖靈機示意圖控制器(含運算功能)讀寫頭(輸入輸出設備)紙帶（存儲器）第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一

圖靈機：這個在當時看來是紙上談兵的簡單機器，隱含了現(xiàn)代計算機中“存儲程序”的基本思想。半個世紀以來，數(shù)學家們提出的各種各樣的計算模型都被證明是和圖靈機等價的。1.1計算機基礎知識姚期智：2000年首位獲獎圖靈獎的華裔學者后人模擬的圖靈機結構圖第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一七十多年來，現(xiàn)代計算機基本結構仍然是“馮·諾依曼計算機”。

·

計算機應由運算器、控制器、存儲器、輸入設備與輸出設備五大部件組成；

·

應采用二進制簡化機器的電路設計；

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采用“存儲程序”技術，以便計算機能保存指令和數(shù)據(jù)并能夠自動依次執(zhí)行指令，消除計算過程中的人工干預等。1.1計算機基礎知識馮·諾依曼提出的存儲理論:（該理論奠定了其計算機鼻祖的地位）20世紀40年代，計算理論及電子技術的發(fā)展以及機械式計算機的不斷創(chuàng)新與改進為電子計算機的出現(xiàn)提供了技術支持，最終誕生了世界上第一臺電子計算機。第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1

計算機基礎知識1946年由美國賓夕法尼亞大學研制出世界上第一臺電子數(shù)字計算機，取名ENIAC。由此誕生了“第一個電子的大腦”ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator電子數(shù)字積分計算機重30噸，占地167m2，耗電150千瓦主要元件為電子管、繼電器，可保存80個字節(jié)，每秒鐘做5000次加減法或400次乘法運算。致命缺陷：沒有存儲程序。1.1.2電子計算機發(fā)展歷程具有劃時代意義第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一

第一代計算機

1946－1958年以電子管為主要元件代表機型：ENIAC1.1

計算機基礎知識

第二代計算機

1958－1964年以晶體管為主要元件采用晶體管的第二代電子計算機IBM7090型第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一

未來的第五代計算機是智能計算機1.1

計算機基礎知識電子技術的發(fā)展促進了電子計算機的更新?lián)Q代。

第四代計算機

1971年至今以大規(guī)模/超大集成電路為主要元件巨型機、大型機、小型機、微型機以及便攜機

第三代計算機

1964－1971年以集成電路為主要元件采用集成電路的第三代電子計算機IBM360型第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識1.1.3計算機類型巨型機大型機小型機微型機工作站服務器嵌入式按計算機規(guī)模分類IBM系列大型機IBM系列小型機全能型圖形工作站IBMPC系列服務器嵌入式計算機模塊微型計算機銀河系列巨型機第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識

計算機是一種能按照事先存儲的程序，自動、高速地進行大量數(shù)值計算和各種信息處理的現(xiàn)代化智能電子設備。運算速度快計算精度高存儲容量大具有邏輯判斷能力按照程序自動運行計算機特點1.1.4計算機的特點及應用領域第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識科學計算數(shù)據(jù)處理過程與實時控制人工智能計算機輔助設計與制造計算機應用領域遠程通信與網(wǎng)絡應用多媒體與虛擬現(xiàn)實

計算機應用領域：多數(shù)教科書說法都不一致。一致認可的是：科學計算、數(shù)據(jù)處理、輔助設計、實時控制、計算機通訊、人工智能等方面。20年前上課提出：計算機應用在哪方面？現(xiàn)在上課時提出：哪些地方不用計算機？第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一①巨型化

存儲容量大、運算速度達每秒百萬億、千萬億次的巨型機是衡量一個國家科技實力的指標之一。1.1.5未來的計算機1.1計算機基礎知識

計算機正向巨型化、微型化、網(wǎng)絡化和智能化方向發(fā)展。

2009年，我國成功研制出每秒1206萬億次的“天河一號”超級計算機，成為繼美國之后世界上第二個能夠研制千萬億次計算機的國家。第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識

2010年，改進后的“天河一號”以峰值速度4700萬億次、持續(xù)速度2570萬億次每秒浮點運算的優(yōu)異性能位居當年世界第一。2013年，“天河二號”超級計算機系統(tǒng)，以峰值計算速度每秒5.49億億次，持續(xù)計算速度每秒3.39億億次雙精度浮點運算的性能，成為當年全球最快超級計算機。這是繼“天河一號”之后，中國超級計算機再次奪冠。天河一號天河二號每秒3.39億億次！“天河二號”成為2013年全球最快計算機。第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.1計算機基礎知識③網(wǎng)絡化

通過計算機網(wǎng)絡可共享遠程資源，實現(xiàn)通信和合作。④智能化

智能計算機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勞動的智能機器人。②微型化

計算機不再是單一的計算機器，而是個人的信息機器。第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一①光計算機

用光子器件替代電子器件。1.1計算機基礎知識

從目前的研究情況看，未來的新型計算機可能在以下三方面取得突破：

②生物計算機

用生物工程技術生產(chǎn)的蛋白質分子作元件制成集成電路，稱為生物芯片。使用生物芯片的計算機稱為蛋白質計算機，或稱為生物計算機。③量子計算機利用處于多態(tài)的原子進行計算。

未來的計算機將是微電子技術、光學技術、超導技術和電子仿生技術相互結合的產(chǎn)物。這些計算機技術目前正處在初步的研究階段，離應用還有很長的距離。第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一計算機系統(tǒng)硬件軟件系統(tǒng)軟件應用軟件中央處理器運算器控制器存儲器內存外存輸入/輸出設備1.2計算機系統(tǒng)構成第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.2.1計算機硬件系統(tǒng)1.2計算機系統(tǒng)構成

以最為常見的臺式機為例，從外觀上看，臺式機由幾個部件構成：顯示器、鍵盤、機箱、鼠標等。實際上這些并不是計算機最重要的部分。計算機最主要的工作實際上是由那些被機箱遮蓋住的部件完成的，它們才是計算機系統(tǒng)中最重要的部分。計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大部分組成。(詳見第三章介紹)

計算機的鍵盤、鼠標、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，這些都是計算機的輸入輸出設備。而與你的大腦類似的東西則在機箱里面，叫中央處理器和內存儲器。第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一應用軟件其它系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)硬件

應用軟件：是指用戶為解決各種實際問題而編寫的程序。分兩類：一類是針對某個應用領域的具體問題開發(fā)的程序；第二類是一些大型專業(yè)軟件公司開發(fā)的通用型應用軟件。

系統(tǒng)軟件：位于計算機系統(tǒng)最靠近硬件的一層，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)、語言處理程序、監(jiān)控管理程序、調試程序、故障檢查和診斷程序等。1.2.2計算機軟件系統(tǒng)1.2計算機系統(tǒng)構成

現(xiàn)在的計算機還不能獨立思考，不能產(chǎn)生思想?，F(xiàn)在所有的軟件還都是由人類設計的，計算機只是根據(jù)這些軟件的指示來完成人類交給的任務。第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.3信息技術基礎知識

在信息化社會，人們應該在了解和使用計算機的同時，也需要理解信息、掌握信息處理的基本技術。用計算機解決問題，首先要獲取問題相關的信息，按照某種方式將信息存儲在計算機中，然后啟動計算機程序處理這些信息。1.3.1信息技術概念(1)信息的概念目前為止，還沒有一個比較統(tǒng)一或普遍適用的有關信息的定義。但從信息科學角度看，信息和數(shù)據(jù)是不同的。“信息”有意義，而“數(shù)據(jù)”沒有。人通過接受信息來認識事物，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)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)。第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.3信息技術基礎知識

(2)信息表示信息表示需要一種符號系統(tǒng)。人類在長期的實踐中形成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)。而在計算機中，則是通過二進制形式表示現(xiàn)實世界的對象。計算機能夠識別和處理的信息形式也只能是二進制。(3)信息處理人類在長期的實踐中發(fā)明了包括計算機在內的各種信息處理工具，以輔助人類的信息處理任務。理解一個計算機系統(tǒng)或一種計算技術，要弄清四個問題：①它將處理什么類型的信息?②信息如何表示?③在這些信息上進行什么處理?④如何實現(xiàn)這些處理?第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.3信息技術基礎知識(4)信息技術的概念及發(fā)展從原始社會、農業(yè)社會、工業(yè)社會到今天的信息社會，信息技術的發(fā)展歷史源遠流長，至今人類歷史上已經(jīng)發(fā)生了4次信息技術革命。現(xiàn)代信息技術：

計算機技術＋微電子技術＋通信技術

序號主要特征第一次信息革命文字的使用第二次信息革命印刷術的使用第三次信息革命電報、電話、廣播和電視的使用第四次信息革命計算機、通信、網(wǎng)絡等技術的使用核心基礎動力第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.3.2信息技術產(chǎn)業(yè)1.3信息技術基礎知識

就像在經(jīng)典物理學時代有所謂牛頓三大定律那樣，信息時代也產(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發(fā)展的歷程。定律序號定律名稱內容第一定律摩爾定律即每平方英寸硅芯片上的晶體管數(shù)目每18個月到24個月將增加一倍。40年來，這個預言每每應驗，而且后人又增加一條：“價格同時下降一半”。第二定律吉爾德定律預測互聯(lián)網(wǎng)的帶寬每6個月增長1倍，其增長速度是摩爾定律預測的CPU增長速度的3倍。并預言將來上網(wǎng)會免費。第三定律麥特卡爾定律預測網(wǎng)絡的價值與網(wǎng)絡用戶數(shù)的平方成正比。也就是說，N個連結創(chuàng)造出N×N的效益。在網(wǎng)上，每一個人都能夠連接到N個人，N個人能看到N個人的信息，所以信息的傳送效益是N的平方。上網(wǎng)的人數(shù)越多，產(chǎn)生的效益越多。第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.4計算思維簡介

科學界一般認為，科學方法分為理論、實驗和計算三大類。與三大科學方法相對應的三大科學思維是：理論思維、實驗思維和計算思維。理論思維又稱邏輯思維，以推理和演繹為特征，以數(shù)學學科為代表。支撐著所有的學科領域，定義是靈魂，定理和證明是精髓，公理化方法是思維方法。實驗思維又稱實證思維，以觀察和總結自然規(guī)律為特征，以物理學科為代表。實驗思維往往需要借助于特定設備獲取數(shù)據(jù)以供分析。計算思維又稱構造思維，以設計和構造為特征，以計算機學科為代表。研究的目的是提供適當?shù)姆椒?，使人們借助現(xiàn)代和將來的計算機，逐步實現(xiàn)人工智能的較高目標。第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.4計算思維簡介

計算思維概念：計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、設計系統(tǒng)、以及理解人類行為等一系列思維活動。計算思維強調抽象和構造、可解，強調用自動方式逐步求解。

計算思維建立在計算過程的能力和限制之上，由人由機器執(zhí)行。計算方法和模型使我們敢于去處理那些原本無法由個人獨立完成的問題求解和系統(tǒng)設計。第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.4計算思維簡介

計算思維的本質：是抽象和自動化。它反映了計算的根本問題，即什么能被有效地自動進行。從操作層面上講，計算就是如何尋找一臺計算機去求解問題，隱含地說就是要確定合適的抽象，選擇合適的計算機去解釋執(zhí)行該抽象，后者就是自動化。計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械地一步一步自動執(zhí)行的。

注：數(shù)學抽象的特點是拋開現(xiàn)實事物的物理、化學和生物學等特性，而僅保留其量的關系和空間的形式，而計算思維中的抽象卻不僅如此，而要能支持機械地、一步步地自動執(zhí)行，為此，需要在抽象過程中進行精確和嚴格的符號標記和建模。第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.4計算思維簡介

計算思維的發(fā)展：計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。在很長一段時間里，計算思維的研究是作為數(shù)學思維的一部分進行的。但相應的手段和工具的研究進展緩慢，制約了計算思維的發(fā)展。蒸汽機、電力、材料、醫(yī)藥等的進步徹底改變了這個世界和人們對于世界的認識。在這個過程中，把對于自然規(guī)律的認識變成一種具有可構造性、可實現(xiàn)性的新知識內容，去創(chuàng)造自然界原本沒有的物體，這是人類對于知識應用的深化和延續(xù)。在這個過程中，計算思維起到了重要的作用。

計算思維也可以叫做構造思維或者其他什么思維，只是由于計算機的發(fā)展極大促進了這種思維的研究和應用，并且在計算機科學的研究和工程應用中得到廣泛的認同，所以人們習慣地叫做計算思維。這只是一個名稱而已，這種名稱反映了人類文化發(fā)展的痕跡。第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.4計算思維簡介

例如，早期建一所房子，整個建筑的構思可能就在主持人的腦子里面；但是隨著工程規(guī)模的不斷擴大，這種靠記憶來設計和規(guī)劃建筑的方式越來越不適應，因此需要有施工圖紙。施工圖紙就是關于房子的形式化的表達方式，這種方式使得人們可以相互溝通設計的思想，共同組織工程的實施。近代的很多工程，由于留下了豐富的、符合計算思維要求的文檔，因此我們（當然也包括后人）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。采取計算思維的模式來描述各種工程活動是人類進步的表現(xiàn)。有了計算機后，借助計算機可實現(xiàn)從圖紙到房屋模型整個過程的自動化、精確化，這就更加豐富了我們處理問題的方法和手段。第三十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期一1.4計算思維簡介

計算機與計算思維的關系：計算思維本身并不是計算機科學的專屬。實際上，即使沒有計算機，計算思維也在逐步的發(fā)展。但是，正是計算機的出現(xiàn)，給計算思維的研究和發(fā)展帶來了根本性的變化。由于計算機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現(xiàn)的過程變成了實際可以實現(xiàn)的過程(如海量數(shù)據(jù)的處理、復雜系統(tǒng)的模擬、大型工程的組織等)，借助計算機實現(xiàn)了從想法到產(chǎn)品整個過程的自動化、精確化和可控化，大大拓展了人類認知世界和解決問題的能力