第1章 概述-二版

3）理解人类行为中的计算思维
1.2.1 计算思维的定义和特征
1．计算思维的定义
1）求解问题中的计算思维 2）设计系统中的计算思维 3）理解人类行为中的计算思维
计算思维是基于可计算的手段，以定量化的方式进行的思维 过程。计算思维就是应对信息时代新的社会动力学和人类动 力学所要求的思维。在人类的物理世界、精神世界和人工世 界等三个世界中，计算思维是构建人工世界所需要的主要思 维方式。
1.2.3 计算思维能力的培养过程
一是让学生了解计算机能做什么，如何做。 二是让学生充分了解计算机技术的发展和应 用对其它学科产生的巨大影响，了解计算机 技术引发其它专业发生革命性变革的原因和 过程，掌握利用计算机技术解决其它专业问 题的方法和思路。 三是通过挖掘计算机解决各种问题的普遍性 原理和方法，培养学生具有计算机科学家一 样的思维方法，并将这种思维方法运用到解 决各种问题的思考过程中。
1.1.5 计算机在其它学科中的应用
1. 生物学（生物信息分析、生物系统模拟） 2. 医学等如脑科学（脑电波，CT病变分析） 3. 化学（化学专家系统、化学模拟） 4. 经济学（囚徒困境） 5. 艺术（电影、国画模拟、艺术品鉴别） 6. 建筑学(平面，3D) 7. 工业(汽车、武器设计、自动控制，无人机) 8. 计算社会科学（研究人类行为，预防犯罪）
1.2.1 计算思维的定义和特征
2．计算思维的特征
（1）概念化，不是程序化。 （2）根本的，不是刻板的技能。 （3）是人的，不是计算机的思维。 （4）是思想，不是人造物。 （5）是数学和工程思维的互补与融合。 （6）是面向所有的人，所有地方的。
1.2.1 计算思维的定义和特征
3．计算思维的本质
计算思维的本质是抽象（Abstract）和自动化 （Automation）。它反映了计算的根本问题，即什 么能被有效地自动进行。
1．计算思维的定义
计算思维是运用计算机科学的基础知识去求解问题、 设计系统和理解人类行为涵盖了计算机科学之广度的 一系列思维活动。 1）求解问题中的计算思维 2）设计系统中的计算思维 3）理解人类行为中的计算思维
1.2.1 计算思维的定义和特征
1．计算思维的定义
1）求解问题中的计算思维
利用计算手段求解问题的过程是：首先要把实际的应用问题 转换为数学问题，可能是一组偏微分方程PDE（Partial Differential Equations），其次将PDE离散为一组代数方程组， 然后建立模型、设计算法和编程实现，最后在实际的计算机 中运行并求解。其中，前两步是计算思维中的抽象，后两步 是计算思维中的自动化。
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1.2.1 计算思维的定义和特征
4. 计算思wk.baidu.com与计算机的关系
实际上，即使没有计算机，计算思维也会逐步发展， 甚至有些内容与计算机没有关联。但是，正是计算 机的出现，给计算思维的研究和发展带来了根本性 的变化。 海量数据的处理、复杂系统的模拟和大型工程的组 织，都可以借助计算机实现从想法到产品整个过程 的自动化、精确化和可控化，从而大大拓展了人类 认识认知世界和解决问题的能力和范围。
1.2.2 计算思维的内涵
计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问 题, 或对一个问题的相关方面建模使其易于处 理的思维方法. 计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容 错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢 复的一种思维方法。 计算思维是利用启发式推理寻求解答，在不 确定情况下的规划、学习和调度的思维方法。 计算思维是利用海量数据来加快计算，在时 间和空间之间、在处理能力和存储容量之间 进行折中的思维方法。
1.2 计算思维概述
计算机不仅为不同专业提供了解决专业问题 的有效方法和手段，而且提供了一种独特的 处理问题的思维方式。 非计算机专业的学生通过计算机基础课程的 学习，不仅要具备将计算机技术应用到本专 业的能力，而且还要具备运用计算机方法学 解决本专业问题的能力。
1.2.1 计算思维的定义和特征
1.2.2计算思维的内涵
计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等 方法，把一个困难的问题阐释为如何求解它 的思维方法。 计算思维是一种递归思维，是一种并行处理， 是一种把代码译成数据又能把数据译成代码 的编码解码方法，是一种多维分析推广的类 型检查方法。 计算思维是一种采用抽象和分解的方法来控 制庞杂的任务或进行巨型复杂系统的设计， 是基于关注点分离SoC（Separation of Concerns）的方法。
几十万次到几百 操作系统、编辑系统、 在科学计算、数据
1.1.3 计算机的分类
1）按计算机的用途及其使用的范围分类
通用机 专用机
2）按计算机的规模和处理数据的能力分类
巨型机 大型机 小型机 微型机 工作站及服务器
1.1.4 计算机的发展趋势
1. 高性能计算(核武器、天气、基因) 2. 普适计算(指在任何时间、任何地点都可以 计算) 3. 云计算（可随时获取免费或付费的计算资源） 4. 生物计算（分子生物信息研究：蛋白质结构预测） 5. 智能计算(人工智能:机器人、人脸、虹膜、指纹识别， IWatch) 6. 未来互联网技术（物联网、智慧地球）
2）设计系统中的计算思维 3）理解人类行为中的计算思维
1.2.1 计算思维的定义和特征
1．计算思维的定义
1）求解问题中的计算思维 2）设计系统中的计算思维
任何自然系统和社会系统都可视为一个动态演化系统，演化 伴随着物质、能量和信息的交换，这种交换可以映射为符号 变换，使之能用计算机进行离散的符号处理。当动态演化系 统抽象为离散符号系统后，就可以采用形式化的规范描述， 建立模型、设计算法和开发软件来揭示演化的规律，实现控 制系统的演化并自动执行。
第1章 概述
1.1 计算机的发展与应 用
1.1.1 计算机的定义及特点
1．计算机的定义
计算机是一种能按照事先存储的程序，自动、高速 地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能 电子装置。
1.1.1 计算机的定义及特点
2．计算机的特点
1) 运算速度快(每秒进行加法运算亿亿次) 2) 计算精度高（PI的几千万位） 3) 记忆力强（GB,TB,PB） 4) 具有逻辑判断能力(if,else) 5) 可靠性高、通用性强（24/7）
1.1.2 计算机的发展历程
表 1.1 代别 第1代 第2代 年代 1946～1958 1958～1964 主要元器件 CPU：电子管 内存：磁鼓 CPU：晶体管 内存：磁芯 CPU：SSI、MSI 第3代 1964～1971 体存储器 CPU：LSI，VLSI 第4代 半导体存储器 1971 年以来 内存：LSI，VLSI 的 亿次 内存：SSI， MSI 半导 万次 几十万次 计算机的发展历程 配置的软件 言编写程序 序设计语言 应用程序等 算 据处理领域 处理、工业控制等 领域得到广泛应用 上千万次到数万 操作系统进一步完善、 数 深入到各行各业， 据库系统、软件工程、分 家庭和个人开始使 布式计算、网络软件等 用计算机 主要应用 使用机器语言和汇编语 科学计算和军事计 使用 FORTRAN 等高级程 开始广泛应用于数 运算速度（每秒） 几千次到几万次
1.2 计算思维概述
1.2 计算思维概述
计算机基础不是一门简单的工具课程，而 是与数学、物理一样重要的基础课程。 计算机基础课程教学承担着三大任务： 一是培养学生熟练使用计算机及互联网的 技能，为终身学习提供广阔的空间和良好 的学习工具与环境； 二是培养学生的计算思维能力，具备运用 计算机方法学解决其它专业和社会生活中 问题的能力； 三是能够在了解计算机最新发展成果的基 础上，创新性地将计算机技术与其它专业 结合，开辟出全新的研究领域。