第1章 计算机和计算思维ppt课件.pptx

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1、周口师范学院公共计算机教学团队新编大学计算机（微课+幕课版）普通高等学校“十三五”规划教材章节目录/Contents01计算机和计算机思维02符号化-计算化-自动化03机器程序的执行04复杂环境的管理者-操作系统05问题求解第一篇计算机文化与计算思维2章节目录/Contents06Word文字处理软件07Excel电子表格处理软件08PowerPoint演示文稿制作软件09多媒体技术与应用第二篇应用技能3章节目录/Contents10计算机网络11网络新技术12人工智能与量子计算第三篇计算机网络与新技术401计算机和计算思维计算机和计算思维第一篇 计算机文化与计算思维5 计算机在当今高速发展的

2、信息社会中已经广泛应用到各个领域，已形成了规模巨大的计算机产业，带动了全球范围的技术进步；计算思维是人类科学思维活动固有的组成部分，是计算机发展和现实世界所需求的必然产物，是推动社会文明进步和促进科技发展的三大手段之一，是现代人必须掌握的基本思维模式。本章要点：1.计算机的发展2.计算机的分类和特点3.计算思维4.计算机和计算思维的应用前言6章节目录/Contents1.1计算机概论1.2计算思维1.3计算机和计算思维的应用1.4计算机领域的杰出人物第一章计算机和计算思维7计算机，是一种能高速、自动地按照操作人员或者预先设定的各种指令完成各种信息处理的电子设备。1.1.1 计算机的发展1.1

3、计算机概论扳手指、结绳、刻痕记数算筹、算盘、九九乘法口诀、珠算口诀81.1.1 计算机的发展1642年，法国数学家、物理学家帕斯卡，机械加法器；1673年，德国数学家布莱尼茨，机械手摇式计算器；1834年，英国数学家巴贝奇，完成了分析机设计方案。分析机-现代计算机雏形提出了制造自动化计算机的设想，引进了程序控制的概念，完成了能做数制运算和逻辑运算并且具有现代计算机概念。91.1.1 计算机的发展1.电子计算机的产生（1）图灵机1936年，英国科学家图灵在论数字计算在决断难题中的应用论文中提出：一个对于计算可采用的通用机器的概念和理论模型，即图灵机模型，从理论上证明了制造通用计算机的可行性，为电

4、子计算机的研制奠定了理论基础。101.1.1 计算机的发展1.电子计算机的产生（2）Atanasoff-Berry Computer（ABC机）约翰阿塔纳索夫教授和他的研究生克里福特伯瑞于1937年-1941年间设计并研制，于1942年成功测试，用于求解线性方程组。ABC机-世界第一台电子计算机开创了现代计算机的重要元素：二进制算术和电子开关。111.1.1 计算机的发展1.电子计算机的产生（3）ENIAC1946年2月，美国宾夕法尼亚大学成功研制出的大型电子数字积分计算机“埃尼阿克”。计算弹道轨迹，不能存储程序，采用十进制计数；重达30多吨、占地170平方米，使用18,800多个电子管、15

5、00个继电器、计算速度可达每秒5000次，每小时耗电150千瓦。121.1.1 计算机的发展1.电子计算机的产生（4）EDVAC1945年，匈牙利数学家冯诺依曼博士针对ENIAC存在的问题，起草了题为关于EDVAC的报告草案，提出了“存储程序”和“采用二进制编码”思想、新型计算机五大组成部件和逻辑设计，成为沿用至今的计算机体系结构标准（即冯诺依曼体系结构），而采用这种体系结构设计的计算机被称为“冯诺依曼计算机”。131.1.1 计算机的发展2.现代计算机的发展时期第一代第二代第三代第四代19461958年19581964年19651971年1971年至今主要元件电子管晶体管中小规模集成电路大规

6、模、超大规模集成电路存储器水银延迟线、纸带、卡片、磁带和磁鼓等磁芯、磁盘、磁带半导体存储器半导体存储器、光盘等运算速度每秒几千次到几万次每秒几万次到几十万次每秒达几百万次每秒达几千万次至几十亿次软件机器语言，无系统软件开始出现高级语言（如FORTRAN、ALGOL、COBOL），批处理系统出现操作系统，提出了结构化程序的设计思想软件配置丰富，获得巨大发展；程序设计部分自动化应用领域科学计算科学计算、数据处理、实时控制系统模拟、系统设计、智能模拟巨型机用于尖端科技和军事工程，微型处理器和微型计算机用于日常生活各方面1971年末，世界上第一台微处理器和微型计算机问世，开创了微型计算机的新时代。14

7、1.1.1 计算机的发展3.计算机的发展趋势第五代计算机：用超大规模集成电路和其他新型物理元件组成的，可以把采集、存储、处理、通信同人工智能结合在一起的智能计算机系统。151.1.1 计算机的发展3.计算机的发展趋势巨型化微型化多媒体化网络化智能化161.1.2 计算机的分类与特点计算机按用途分为专用计算机和通用计算机两类。按照目前计算机产品的市场应用，可以分为大型计算机、微型计算机和嵌入式计算机三大类。171.1.2 计算机的分类与特点1.大型计算机，主要指超级计算机，由成百上千甚至更多的服务器联网组成，是运行速度最快、处理能力最强、存储容量最大、体积最大的计算机。2019年超级计算机500

8、强中国有219台超级计算机入围，总数仍位居第一；中国研发的“神威太湖之光”、“天河二号”位列世界超算第三名和第四名；美国研发的“顶点”、“山脊”位列世界超算第一名和第二名。181.1.2 计算机的分类与特点2.微型计算机，体积较小，价格便宜，通用性较强，易用性好。台式计算机、一体机、笔记本计算机、平板等都是微型计算机，已经广泛应用于科研、办公、学习、娱乐等社会生活。191.1.2 计算机的分类与特点3.嵌入式计算机，指嵌入到对象体系中，实现对象体系智能化控制的专用计算机系统。它以应用为中心，以计算机技术为基础，计算机软硬件可裁剪，以适用于嵌入对象的功能、性能、可靠性、成本、体积等特殊要求。20

9、1.1.2 计算机的分类与特点计算机的特点21高速精确的运算能力强大的存储能力准确的逻辑判断能力自动功能网络与通信能力1.2.1 计算思维概念1.2 计算思维22实验思维（实证思维）实验科学观察和总结自然规律物理学科理论思维（逻辑思维）理论科学推理和演绎数学学科计算思维（构造思维）计算科学设计和构造计算机学科特征学科代表三大科学三大科学思维2006年3月，美国卡内基梅隆大学计算机系的周以真教授在美国计算机权威杂志Communication of ACM上发表了一篇题为“计算思维”的论文，明确提出了计算思维的概念：计算思维是运用计算（机）科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为的一系列思

10、维活动的统称。它是所有人都应具备的如同“3R（读、写、算）”能力一样的基本思维能力，成为适合于每一个人的“一种普遍的认识和一类普适的技能”。计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由人或机器执行。1.2.1 计算思维概念232011年，国际教育技术协会（ISTE）和计算机科学教师协会（CSTA）给计算思维做了一个具有可操作性的定义，即计算思维是一个问题解决的过程，该过程包括以下特点：（1）拟定问题，并能够利用计算机和其他工具的帮助来解决问题；（2）要符合逻辑地组织和分析数据；（3）能通过抽象、模拟或仿真再现数据；（4）通过算法思想（一系列有序的步骤），能支持自动化的解决方案；（5）分析可能的解

11、决方案，找到最有效的方案；（6）将该问题的求解过程进行推广，并移植到更广泛的问题中。1.2.1 计算思维概念24计算思维的内容，本质是抽象和自动化，以设计和构造为特征。计算思维的本质：抽象（Abstraction）和自动化（Automation）。前者对应着建模，后者对应着模拟。计算思维中的抽象完全超越物理的时空观，并完全用符号来表示，最终目的是能够机械地一步一步自动执行抽象出来的模型，以求解问题、设计系统和理解人类行为。计算思维的两个A反映了计算的根本问题，即什么能被有效地自动执行。1.2.2 计算思维本质和特征25周以真教授同时给出了计算思维的基本特征。概念化，不是程序化根本的，不是刻板的

12、技能是人的，不是计算机的思维方式数学思维与工程思维的互补和融合是思想，不是人造物面向所有人，所有地方1.2.2 计算思维本质和特征26计算思维的本质是抽象和自动化，核心是基于计算模型（环境）和约束的问题求解；计算机科学是利用抽象思维研究计算模型、设计计算系统以及利用计算系统进行信息处理、工程应用等，其特征是基于特定计算环境的问题求解。因此，计算机问题求解是以计算机为工具、利用计算思维解决实际问题的实践活动。1.2.3 计算机问题求解27计算机问题求解方法归为三大类：1.使用计算机软件1.2.3 计算机问题求解28画图工具计算器金山词霸360杀毒软件360安全卫士WordExcelPowerPo

13、intPhotoshopPremiere2.编写计算机程序1.2.3 计算机问题求解29例如，编写程序求解1-100之间的素数并分行显示，要求每行显示5个素数。C语言参考程序及运行结果如下：3.使用计算机系统1.2.3 计算机问题求解30例如，GIMPS项目（Great Internet Mersenne Prime Search，因特网梅森素数搜索项目）。“2的n次方减1”形式的素数称为梅森素数。GIMPS项目，是全世界第一个基于互联网的分布式计算项目，吸引了全世界160多个国家和地区近16万人参与，动用了30多万台计算机联网来进行网格计算，寻找梅森素数。GIMPS项目共找到17个梅森素数；

14、最近发现的第51个梅森素数：282,589,933-1，有24,862,048位，是已知最大的素数。GIMPS项目的开展，说明大规模问题、复杂问题的求解需要多种系统平台支持（硬件、软件、网络等），是系统工程。计算机以其卓越的性能和强大的生命力，在科学技术、国民经济、社会生活等各个方面得到了广泛的应用，深刻改变着人们的工作和生活方式。计算思维，与物理、生物、化学、经济、社会、医学等多种学科相融合，将多年来计算机学科所形成的解决问题的思维模式和方法渗透到各学科，各学科的高端研究正由传统的学科问题向体现“自动化/计算化网络化智能化”的学科问题发展。1.3 计算机和计算思维的应用311.科学计算，指利

15、用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题。计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工难以解决的各种科学计算问题。1.3.1 计算机的应用322.信息处理，指用计算机对各种形式的信息（文字、图像、声音等）进行收集、存储、加工、分析和传送的过程。信息处理是目前计算机应用最广泛的领域之一。1.3.1 计算机的应用333.自动控制，指在没有人直接参与的情况下，利用计算机与其他设备连接，使机器、设备或生产过程自动地按照预定的规则运行。利用计算机程序能够自动工作的特性，使计算机可以完全代替人工自动完成人们要求的各项工作。1.3.1 计算机的应用344.计算机辅助系统，指借助计算机能

16、够进行计算、逻辑判断和分析的能力，辅助人们实现各种设计工作。比如：计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助教学（CAI）和计算机辅助测试（CAT）。1.3.1 计算机的应用355.人工智能，又称智能模拟，利用计算机系统模仿人类的感知、思维、推理等智能活动，是计算机智能的高级功能。人工智能研究和应用的领域包括模式识别、自然语言理解与生成、专家系统、自动程序设计、定理证明、联想与思维的机理、数据智能检索等。1.3.1 计算机的应用366.网络应用，计算机网络技术与现代通信技术的结合构成了计算机网络。计算机网络的建立，使得各个计算机不再孤立，由此大大扩充了计算机的应用范围。1.

17、3.1 计算机的应用371.计算化学，应用已有的电脑程序和方法对特定的化学问题进行研究，主要目标是利用有效的数学近似以及电脑程序计算分子的性质，用以解释一些具体的化学问题，是计算机科学与化学的交叉学科。1.3.2 计算思维的应用38MercuryMercury晶体结构软件、计算机辅助药物设计技术平晶体结构软件、计算机辅助药物设计技术平台台2.计算物理，用计算机去研究物理。计算物理学是研究如何使用数值方法分析可以量化的物理学问题的学科，结合了实验物理和理论物理学的成果，开拓了人类认识自然界的新方法。1.3.2 计算思维的应用39等离子体束合模拟、相对论重离子对撞机等离子体束合模拟、相对论重离子对

18、撞机- -模拟模拟140140亿年前的早期宇宙亿年前的早期宇宙3.生物计算和生物信息学。生物计算是指利用生物系统固有的信息处理机理而研究开发的一种新的计算模式。生物信息学研究生物信息的采集、处理、存储、传布、分析和解释等各个方面，它通过综合数学、计算机科学与工程和生物学的工具与技术而揭示大量而复杂的生物数据所赋有的生物学奥秘。1.3.2 计算思维的应用40全自动基因芯片检测系统、多序列比对与分子进化分析全自动基因芯片检测系统、多序列比对与分子进化分析4.人文社科，社会科学家利用计算思维对社会科学内容进行研究，将计算机科学家解决问题的基本思路与方法用来研究人文社科等领域的内容。不仅将计算思维作为

19、工具，而且在思想与方法论层面与人文社科领域融合，解决更加复杂的问题，解释更加深刻的现象。1.3.2 计算思维的应用41地理空间可视化平台地理空间可视化平台 文本挖掘数据分析文本挖掘数据分析1.3.2 计算思维的应用42基于英语智能语料库的搜索引擎基于英语智能语料库的搜索引擎 三维动作捕捉技术三维动作捕捉技术圆明园方壶胜境数字重建圆明园方壶胜境数字重建 数字图书馆数字图书馆 约翰冯诺依曼1.4 计算机领域的杰出人物43约翰冯诺依曼（1903-1957），美籍匈牙利数学家、计算机科学家、物理学家，是20世纪最重要的数学家之一。冯诺依曼是布达佩斯大学数学博士，是现代计算机、博弈论、核武器和生化武器等

20、领域内的科学全才之一，被后人称为“现代计算机之父”、“博弈论之父”。 艾伦麦席森图灵1.4 计算机领域的杰出人物44艾伦麦席森图灵（1912-1954），英国数学家、逻辑学家，被称为计算机科学之父，人工智能之父。1936年，图灵提出了著名的图灵机模型，为现代计算机的逻辑工作方式奠定了基础。1966年，美国计算机协会设立了图灵奖，专门奖励那些对计算机事业作出重要贡献的个人，该奖项被誉为“计算机界的诺贝尔奖”。 杰克基尔比和罗伯特诺顿罗伊斯1.4 计算机领域的杰出人物451958年，基尔比研制出世界上第一块集成电路，并申请了专利。1959年，罗伊斯申请了更为复杂的硅集成电路，并马上投入了商业领域。

21、但基尔比首先申请了专利，因此，罗伊斯和基尔比被认为是集成电路的共同发明人。 艾兹格迪科斯彻1.4 计算机领域的杰出人物46艾兹格迪科斯彻（1930-2002），计算机先驱之一，1972年图灵奖获得者。他设计并实现了支持递归思想的第一个ALGOL 60编辑器，开发了程序设计的框架结构，定义的结构程序设计概念影响了后来的高级语言。艾兹格被西方学术界称为“结构程序设计之父”和“先知先觉”，一生致力于把程序设计发展成一门科学。 蒂姆伯纳斯李1.4 计算机领域的杰出人物47蒂姆伯纳斯李（1955-），英国计算机科学家，万维网发明者，因“发明万维网、第一个浏览器和使万维网得以扩展的基本协议和算法”而获得2016年度的图灵奖。1994年，伯纳斯李在麻省理工学院创立了万维网联盟，并担任联盟主席。万维网联盟是Web技术领域最具权威和影响力的国际中立性技术标准机构，至今已发布近百项相关万维网的标准，对万维网发展做出了杰出的贡献。小结/Summary48计算思维是人类思维与计算机能力的综合。计算思维促进计算机科学的发展和创新，计算机科学推动计算思维的研究和应用。在了解计算机和计算思维的相关概念，以及广泛应用的基础上，创新人才应该将专业问题转化为计算机可以处理的形式，学会使用计算思维的基本原则、基本手段和方法处理问题，将计算思维的基本准则用于自身理想和品格的塑造。