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計算思維基礎 版權信息
- ISBN：9787030693167
- 條形碼：9787030693167 ; 978-7-03-069316-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
計算思維基礎 內容簡介
計算思維是大學計算機基礎教學研究的熱點課題之一。本書從非計算機專業大學生的計算思維能力的培養出發，將計算思維的訓練和培養融入教材的各個部分，從而提升非計算機專業大學生的計算思維能力和綜合素養，進一步挖掘學科專業知識的學習潛能。本書依托計算機基礎知識和結構，對計算思維的概念、方法及應用等進行闡述。 本書可作為普通高等學校非計算機專業“計算思維”“大學計算機基礎”等課程的教材，也可作為其他讀者學習計算機知識的參考書。
計算思維基礎 目錄
目錄
第1章 計算思維與計算機 1
1.1 計算與計算工具 1
1.1.1 計算的概念 1
1.1.2 計算工具的發展史 3
1.2 計算思維 9
1.2.1 計算思維的概念 9
1.2.2 計算思維的本質 12
1.2.3 計算思維的應用 14
1.3 計算模型與計算機 15
1.3.1 圖靈機模型 15
1.3.2 馮 諾依曼機 17
1.3.3 計算機的發展 18
本章小結 23
習題與思考題 23
第2章 0和1的巧妙思維 24
2.1 數值世界的0和124
2.1.1 棄“十”選“二”的神來之筆 24
2.1.2 二進制的百變之身 29
2.1.3 九九歸一的加法運算 32
2.2 文字世界的0和1 33
2.2.1 西文字符編碼 33
2.2.2 漢字編碼 35
2.2.3 通用字符編碼 38
2.3 聲色世界的0和1 39
2.3.1 聲音數字化 39
2.3.2 圖像數字化 40
2.3.3 視頻數字化 42
2.4 一物一碼，萬物符號化 42
2.4.1 一維條形碼 43
2.4.2 二維碼 44
本章小結 45
習題與思考題 46
第3章 計算機系統的基本思維 47
3.1 計算機系統概述 47
3.1.1 計算機系統的組成 47
3.1.2 計算機的工作原理 48
3.2 計算機硬件系統 48
3.2.1 中央處理器 49
3.2.2 存儲器 50
3.2.3 輸入輸出設備 53
3.2.4 主板 54
3.2.5 總線 55
3.3 計算機軟件系統 56
3.3.1 軟件的概念 56
3.3.2 軟件的分類 57
3.3.3 操作系統 57
3.3.4 裝機不求人 59
3.3.5 我的地盤我做主 61
本章小結 65
習題與思考題 65
第4章 算法思維基礎 66
4.1 算法之美 66
4.1.1 打開算法之門 66
4.1.2 好的算法，妙不可言 67
4.2 算法與程序 68
4.2.1 算法的描述方法 69
4.2.2 算法和程序的關系 74
4.2.3 Dev-C++集成開發環境 76
4.3 經典算法 78
4.3.1 生活小智慧，解題好幫手 78
4.3.2 乾坤有序，萬物有律 82
4.3.3 大千世界，尋尋覓覓 88
4.3.4 憑借直覺，貪亦有道 93
4.3.5 能走則走，走不通掉頭 95
本章小結 97
習題與思考題 97
第5章 數據處理的基本思維 98
5.1 數據處理技術的前世今生 98
5.1.1 人工管理階段 98
5.1.2 文件系統階段 100
5.1.3 數據庫系統階段 101
5.1.4 數據倉庫階段 103
5.1.5 大數據階段 105
5.2 大數據簡介 106
5.2.1 大數據產生的時代背景 106
5.2.2 大數據的概念及其特征 107
5.2.3 大數據常見技術及工具 108
5.2.4 大數據平臺簡介 109
5.2.5 大數據的應用領域 110
5.2.6 大數據應用的典型案例 111
5.2.7 大數據的發展趨勢 115
5.3 常用的數據處理軟件 115
5.3.1 Excel表格處理軟件 115
5.3.2 Access關系數據庫 118
5.3.3 SPSS統計分析軟件 125
5.3.4 MATLAB數學建模軟件 130
5.3.5 Python程序設計語言 130
本章小結 131
習題與思考題 132
第6章 計算機網絡的基本思維 133
6.1 無處不在的網絡 133
6.1.1 網絡概述 133
6.1.2 網絡組成與分類 138
6.1.3 互聯網技術發展 141
6.2 計算機網絡體系 142
6.2.1 網絡層次結構 142
6.2.2 網絡硬件介紹 147
6.2.3 網絡故障診斷 148
6.3 網絡技術應用與風險 154
6.3.1 家庭網絡應用 154
6.3.2 網絡風險無處不在 156
6.3.3 安全暢游網絡空間 157
本章小結 164
習題與思考題 164
第7章 充滿智慧與挑戰的計算思維應用技術 165
7.1 云計算 165
7.1.1 云計算概述 165
7.1.2 云計算的關鍵技術 171
7.1.3 云計算的典型應用與面臨的挑戰 171
7.2 人工智能 174
7.2.1 我們身邊的人工智能 174
7.2.2 人工智能的概念 176
7.2.3 圖靈測試與人工智能 177
7.2.4 人工智能的發展與主要研究領域 178
7.2.5 人工智能的技術基礎概述 181
7.2.6 人工智能的典型應用 184
7.3 物聯網 185
7.3.1 物聯網概述 185
7.3.2 物聯網的相關技術 189
7.3.3 物聯網的應用領域與面臨的挑戰 190
7.4 5G移動通信技術 193
7.4.1 移動通信技術的發展史 193
7.4.2 4G面臨的挑戰 195
7.4.3 5G需求 196
7.4.4 5G網絡的性能特征 197
7.4.5 5G的典型應用與應用趨勢 198
本章小結 199
習題與思考題 199
附錄 拓展閱讀 201
拓展閱讀1：新的計算模式 201
拓展閱讀2：伏羲八卦與二進制 202
拓展閱讀3：王選與“漢字激光照排技術” 203
拓展閱讀4：不可思議的壓縮技術 205
拓展閱讀5：二維碼的原理與制作 206
拓展閱讀6：如何配置一臺自己理想的計算機 208
拓展閱讀7：比特幣的發展史 212
參考文獻 214
第1章 計算思維與計算機 1
1.1 計算與計算工具 1
1.1.1 計算的概念 1
1.1.2 計算工具的發展史 3
1.2 計算思維 9
1.2.1 計算思維的概念 9
1.2.2 計算思維的本質 12
1.2.3 計算思維的應用 14
1.3 計算模型與計算機 15
1.3.1 圖靈機模型 15
1.3.2 馮 諾依曼機 17
1.3.3 計算機的發展 18
本章小結 23
習題與思考題 23
第2章 0和1的巧妙思維 24
2.1 數值世界的0和124
2.1.1 棄“十”選“二”的神來之筆 24
2.1.2 二進制的百變之身 29
2.1.3 九九歸一的加法運算 32
2.2 文字世界的0和1 33
2.2.1 西文字符編碼 33
2.2.2 漢字編碼 35
2.2.3 通用字符編碼 38
2.3 聲色世界的0和1 39
2.3.1 聲音數字化 39
2.3.2 圖像數字化 40
2.3.3 視頻數字化 42
2.4 一物一碼，萬物符號化 42
2.4.1 一維條形碼 43
2.4.2 二維碼 44
本章小結 45
習題與思考題 46
第3章 計算機系統的基本思維 47
3.1 計算機系統概述 47
3.1.1 計算機系統的組成 47
3.1.2 計算機的工作原理 48
3.2 計算機硬件系統 48
3.2.1 中央處理器 49
3.2.2 存儲器 50
3.2.3 輸入輸出設備 53
3.2.4 主板 54
3.2.5 總線 55
3.3 計算機軟件系統 56
3.3.1 軟件的概念 56
3.3.2 軟件的分類 57
3.3.3 操作系統 57
3.3.4 裝機不求人 59
3.3.5 我的地盤我做主 61
本章小結 65
習題與思考題 65
第4章 算法思維基礎 66
4.1 算法之美 66
4.1.1 打開算法之門 66
4.1.2 好的算法，妙不可言 67
4.2 算法與程序 68
4.2.1 算法的描述方法 69
4.2.2 算法和程序的關系 74
4.2.3 Dev-C++集成開發環境 76
4.3 經典算法 78
4.3.1 生活小智慧，解題好幫手 78
4.3.2 乾坤有序，萬物有律 82
4.3.3 大千世界，尋尋覓覓 88
4.3.4 憑借直覺，貪亦有道 93
4.3.5 能走則走，走不通掉頭 95
本章小結 97
習題與思考題 97
第5章 數據處理的基本思維 98
5.1 數據處理技術的前世今生 98
5.1.1 人工管理階段 98
5.1.2 文件系統階段 100
5.1.3 數據庫系統階段 101
5.1.4 數據倉庫階段 103
5.1.5 大數據階段 105
5.2 大數據簡介 106
5.2.1 大數據產生的時代背景 106
5.2.2 大數據的概念及其特征 107
5.2.3 大數據常見技術及工具 108
5.2.4 大數據平臺簡介 109
5.2.5 大數據的應用領域 110
5.2.6 大數據應用的典型案例 111
5.2.7 大數據的發展趨勢 115
5.3 常用的數據處理軟件 115
5.3.1 Excel表格處理軟件 115
5.3.2 Access關系數據庫 118
5.3.3 SPSS統計分析軟件 125
5.3.4 MATLAB數學建模軟件 130
5.3.5 Python程序設計語言 130
本章小結 131
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第6章 計算機網絡的基本思維 133
6.1 無處不在的網絡 133
6.1.1 網絡概述 133
6.1.2 網絡組成與分類 138
6.1.3 互聯網技術發展 141
6.2 計算機網絡體系 142
6.2.1 網絡層次結構 142
6.2.2 網絡硬件介紹 147
6.2.3 網絡故障診斷 148
6.3 網絡技術應用與風險 154
6.3.1 家庭網絡應用 154
6.3.2 網絡風險無處不在 156
6.3.3 安全暢游網絡空間 157
本章小結 164
習題與思考題 164
第7章 充滿智慧與挑戰的計算思維應用技術 165
7.1 云計算 165
7.1.1 云計算概述 165
7.1.2 云計算的關鍵技術 171
7.1.3 云計算的典型應用與面臨的挑戰 171
7.2 人工智能 174
7.2.1 我們身邊的人工智能 174
7.2.2 人工智能的概念 176
7.2.3 圖靈測試與人工智能 177
7.2.4 人工智能的發展與主要研究領域 178
7.2.5 人工智能的技術基礎概述 181
7.2.6 人工智能的典型應用 184
7.3 物聯網 185
7.3.1 物聯網概述 185
7.3.2 物聯網的相關技術 189
7.3.3 物聯網的應用領域與面臨的挑戰 190
7.4 5G移動通信技術 193
7.4.1 移動通信技術的發展史 193
7.4.2 4G面臨的挑戰 195
7.4.3 5G需求 196
7.4.4 5G網絡的性能特征 197
7.4.5 5G的典型應用與應用趨勢 198
本章小結 199
習題與思考題 199
附錄 拓展閱讀 201
拓展閱讀1：新的計算模式 201
拓展閱讀2：伏羲八卦與二進制 202
拓展閱讀3：王選與“漢字激光照排技術” 203
拓展閱讀4：不可思議的壓縮技術 205
拓展閱讀5：二維碼的原理與制作 206
拓展閱讀6：如何配置一臺自己理想的計算機 208
拓展閱讀7：比特幣的發展史 212
參考文獻 214
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計算思維基礎 節選
第1章 計算思維與計算機 勞動創造了工具，而工具又拓展了人類探索自然深度和廣度的能力。計算機是人類對計算工具不懈努力追求的*好回報，計算思維則是人類依靠計算機強大的計算能力解決問題而自然產生的思維模式。因此，人類的計算需求孕育出計算工具，計算工具的發展深刻影響著人類認識和改變世界的思維能力。 下面我們將從計算環境的演變開始認識計算，并跟隨計算工具的發展史，探索計算思維的形成與發展歷程。 1.1 計算與計算工具 在人們的生活中，計算無處不在。古有“運籌帷幄之中，決勝千里之外”，今有云計算、海計算、智能計算、互聯網等把人、物與計算工具聯系起來。計算這個原本專門的數學概念已經泛化到人類的整個知識和生活領域，成為人們認識事物、研究問題和思考生活的一種新視角、新觀念和新方法。 1.1.1 計算的概念 當今學科種類繁多，涉及面廣，每個學科都需要進行大量的計算。天文學家需要計算分析星位移動；生物學家需要計算發現基因組的奧秘；經濟學家需要從大量的數據中尋找消費行為和商業機會等。計算無處不有、無處不在，但計算究竟是什么？ 1．計算的定義 計算，一個我們并不陌生的概念，如加、減、乘、除、正弦、微分、積分等數值計算以及符號推導等，其實計算除了包括具體的數值問題求解，還包括針對具體問題進行的定理、公理的推導和證明等。隨著信息時代的到來，以計算機為中心的計算概念正在拓廣，并被不斷賦予新的含義，成為自然、科學和社會三大系統各個領域的基本處理過程。 所謂計算，抽象地講就是將輸入A依據一定的法則變換為輸出B的過程，如圖1.1所示。 圖1.1 計算的定義 下面舉三個簡單的例子。 (1)令A是一個四則運算表達式，B為表達式的值，從A到B的過程就是一個表達式的計算過程。 (2)令A為一組公理和推導規則，B為一個定理，從A到B的一系列變換就是定理的證明過程。 (3)令A為“中國”，B為“China”，從A到B的過程就是將中文翻譯成英文的計算過程。 從上面三個簡單的例子中可以看出，計算是依據一定規則，在有限的步驟內將輸入轉化為輸出的過程。 2．可計算與不可計算 什么問題可以計算？什么問題不可計算？在20世紀之前，人們對這些問題并沒有深入思考。雖然在對可計算性的有關數學描述中，定義了遞歸函數與可計算函數等，但實質上可計算性就是要求對某個函數或問題的計算過程可以用符號記錄下來，或者說在有限步驟內可以完成計算。直到20世紀30年代，人們才從哥德爾(K.Godel)、丘奇(A.Church)、圖靈(A.M.Turing)等科學家的研究中弄清楚，計算*重要的問題是清楚什么問題可計算，什么問題不可計算。 從計算機科學的角度而言，一個問題是否可計算與該問題是否具有相應的算法完全等價。一個生活問題能不能用計算機求解，關鍵是能不能把這個問題用計算機可以接受的方式表示出來，以及求解的過程是否能用算法計算。 3．計算的分類 計算的可行性是計算機科學的理論基礎。現實世界需要計算的問題很多，如哪些問題可以自動計算，哪些問題可以在有限的時間、空間內自動計算，哪些問題不能計算，這些都體現了計算的復雜性和可行性。計算的可行性理論起源于對數學基礎問題的研究，確定了哪些問題可以用計算機解決，哪些問題不可以用計算機解決。因此，根據計算的可行性，計算可分為硬計算和軟計算兩大類。 1)硬計算硬計算(傳統計算)這個術語由美國加州大學的Cadenza教授于1996年提出，長時間用于解決各種不同的問題。 硬計算解決問題時，一般要遵循如下步驟： 第1步：分析與問題相關的變量，然后分為兩組，即輸入或條件變量(輸入數據A)，以及輸出或行動變量(輸出數據B)。 第2步：數學方程建立數學關系(f(A)=B)。 第3步：用解析或數學方法求解方程。 第4步：基于數學方程的解，確定解決問題的思路和方法。 硬計算的主要特征是嚴格、確定和精確。但硬計算不適合處理現實生活中的許多不確定、不精確問題。 2)軟計算 軟計算通過對不確定、不精確及不完全真值的容錯以取得低代價的解決方案。它通過模擬自然界中智能系統的生化過程(人的感知、腦結構、進化等)來有效地處理日常生活中的問題。軟計算包括模糊邏輯、人工神經網絡、遺傳算法和混沌理論等幾種計算模式。這些模式是互補及相互配合的，因此在許多應用系統中組合使用。 計算能力是人類的基本能力之一，計算工具則是用于完成計算的器具。計算不僅僅是一種數據分析的過程，更是一種用于思考和發現問題的方法，這種思維方式伴隨著人類計算工具的產生、發展過程。下面，我們就追隨計算工具的發展歷程，探索計算工具中包含的計算思維方式。 1.1.2 計算工具的發展史 人類發明了各種計算工具，從古老的“結繩記事”到算盤、計算尺、差分機到現代計算機等。計算的思維方式指引著計算工具經歷了從簡單到復雜、從低級到高級、從手動到自動的發展過程，而且還在不斷發展。回顧計算工具的發展歷史，大致可以劃分為四個階段。 1．手動式計算工具 人類計算的行為由來已久，遠古時代，人類就有了計算需求和解決問題的能力。雙手是人類*初的計算工具，掰手指頭數數是人類*早的計算方法。人有十個手指頭，因此十進制成為人們熟悉的計數法。由于雙手的局限和社會生產力的發展，人類開始使用石頭、結繩、小棍子等工具進行計算。英文單詞的計算一詞calculation的字根為calculus，其本意就是用于計算的小石子。 1)算籌 我國古代勞動人民*先創造和使用了一種簡單的計算工具——算籌。根據史書的記載，算籌是一根根同樣長短和粗細的小棍子，多用竹子制成，也有的用木頭、獸骨、象牙、金屬等材料制成。算籌采用十進制記數法，有縱式和橫式兩種擺法，這兩種擺法都可以表示1、2、3、4、5、6、7、8、9九個數字，數字0用空位表示，如圖1.2所示。 圖1.2 算籌 在春秋戰國時期，算籌的使用已經非常普遍了。算籌的記數方法為：個位用縱式，十位用橫式，百位用縱式，千位用橫式， ，這樣從右到左，縱橫相間，就可以表示任意大的自然數。 2)算盤 計算工具發展史上的**次重大改革是算盤，也是我國古代勞動人民首先創造和使用的。算盤由算籌演變而來，并且和算籌并存競爭了一個時期，終于在元代后期取代了算籌。算盤采用十進制記數法并有一整套計算口訣，如“三下五除二”“七上八下”等算法，這是*早的體系化算法。算盤能夠進行基本的算術運算，是公認的*早使用的計算工具。 3)Napier算籌 1617年，英國數學家約翰 內皮爾(John Napier)發明了Napier算籌，也稱Napier算籌，如圖1.3所示。 圖1.3 Napier算籌 Napier算籌由10根長條狀的木棍組成，每根木棍的表面雕刻著一位數字的乘法表，右邊**根木棍是固定的，其余木棍可以根據計算的需要進行拼合和調換位置。Napier算籌可以用加法和一位數乘法代替多位數乘法，也可以用除數為一位數的除法和減法代替多位數除法，從而大大簡化了數值計算過程。 4)對數計算尺 1621年，英國數學家威廉 奧特雷德(William Oughtred)根據對數原理發明了對數計算尺，也稱圓形計算尺，如圖1.4所示。 對數計算尺在兩個圓盤的邊緣標注對數刻度，然后讓它們相對轉動，就可以基于對數原理用加減運算來實現乘除運算。 17世紀中期，對數計算尺改進為尺座和在尺座內部移動的滑尺。18世紀末，發明蒸汽機的瓦特獨具匠心，在尺座上添置了一個滑標，用來存儲計算的中間結果。對數計算尺不僅能進行加、減、乘、除、乘方、開方運算，而且可以計算三角函數、指數函數和對數函數，它一直使用到袖珍電子計算器面世。 即使在20世紀60年代，對數計算尺的使用仍然是理工科大學生必須掌握的基本功，是工程師身份的一種象征。 圖1.4 對數計算尺 2．機械式計算工具 1)帕斯卡加法器 17世紀，歐洲出現了利用齒輪技術的計算工具。1642年，法國數學家布菜士 帕斯卡(Blaise Pascal)發明了帕斯卡加法器，如圖1.5所示。 圖1.5 帕斯卡加法器 帕斯卡加法器是由齒輪組成、以發條為動力，通過轉動齒輪來實現加減運算，用連桿實現進位的計算裝置。帕斯卡從加法器的成功中得出結論：人的某些思維過程與機械過程沒有差別，因此可以設想用機械來模擬人的思維活動。這是人類歷史上**臺機械式計算工具，其原理對后來的計算工具產生了深遠的影響。 2)萊布尼茨四則運算器 德國哲學家、數學家戈特弗里德 威廉 萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz)學習了關于帕斯卡加法器的論文，該論文激發了他強烈的發明欲望，決心把這種機器的功能擴大到乘除運算。1673年，萊布尼茨研制了一臺能進行四則運算的機械式計算器，稱為萊布尼茨四則運算器，如圖1.6所示。 圖1.6 萊布尼茨四則運算器 這臺機器在進行乘法運算時采用進位-加(shift-add)，即步進( stepped reckoning)的方法，后來演化為二進制，被現代計算機采用。 3)巴貝奇差分機 19世紀中期，為了解決航海、工業生產和科學研究中的復雜計算問題，許多數學表(如對數表、函數表等)應運而生。這些數學表雖然帶來了一定的方便，但由于采用人工計算，其中的錯誤很多。英國數學家查爾斯 巴貝奇(Charles Babbage)決心研制新的計算工具，專門用于航海和天文計算，用機器取代人工來計算這些實用價值很高的數學表。 巴貝奇在前人馬洪發明的邏輯演示器的影響下，于1822年開始設計差分機(different engine)，其目標是能計算20位有效數字的6次多項式的值。在英國政府的支持下，巴貝奇差分機歷時10年研制成功，如圖1.7所示。 這是*早采用寄存器來存儲數據的計算工具，體現了早期程序設計思想的萌芽，使計算工具從手動機械躍入自動機械的新時代，因此他被稱為“計算之父”。 4)巴貝奇分析機1832年，巴貝奇開始進行新的研制計 劃，設計一臺能夠處理數學公式的分析機(analytical engine)。在分析機的設計中，巴貝奇采用了三個具有現代意義的裝置。 (1)存儲裝置：采用齒輪式裝置的寄存器保存數據，既能存儲運算數據，又能存儲運算結果。 (2)運算裝置：從寄存器取出數據進行加、減、乘、除運算，并且乘法以累次加法來實現，還能根據運算結果的狀態改變計算的進程，用現代術語來說，就是條件轉移。 (3)控制裝置：使用指令自動控制操作順序，選擇所需處理的數據以及輸出結果。 我們今天使用的每一臺計算機都遵循巴貝奇的基本設計方案。但是巴貝奇先進的設計思想超越了當時的客觀現實，由于當時的機械加工技術還達不到所要求的精度，這臺以齒輪為元件、以蒸汽為動力的巴貝奇分析機一直到巴貝奇去世也沒有完成。 3．機電式計算機 1)霍利里思制表機 1886年，美國統計學家赫爾曼 霍利里思(Herman Hollerith)借鑒了雅各織布機的穿孔卡原理，用穿孔卡片存儲數據，采用機電技術取代了純機械裝置，制造了**臺可以自動進行加減四則運算、累計存檔、制作報表的制表機，如圖1.8所示。 這臺制表機參與了美國1890年的人口普查工作，使預計10年的統計工作僅用1年零7個月就完成了，是人類歷史上**次利用計算機進行的大規模數據處理。霍利里思于1896年創建了制表機公司(Tabulating
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