计算机与计算思维.ppt
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1、大学计算机基础上课信息第一大班:经济第一大班:经济1114 讲课:周一讲课:周一 7、8节节 周四周四1、2节节 上机:周四上机:周四 9、10节(节(19:0021:00)第二大班第二大班:经济经济1518 讲课:周一讲课:周一5、6节节 周四周四5、6节节 上机:周四上机:周四7、8节节机器安排机器安排1教师:教师:贾应智贾应智 E-Mail:ying.zhi.交作业服务器:交作业服务器:用户名:用户名:student 口令:口令:ctec2大学计算机基础大学计算机基础3计算意义与计算思维计算意义与计算思维计算科学方法概论计算科学方法概论可计算性与计算过程可计算性与计算过程计算思维的跨学科
2、交融计算思维的跨学科交融计算机学科的核心概念计算机学科的核心概念与问题求解与问题求解计算思维的技能计算思维的技能科学思维科学思维逻辑思维逻辑思维算法思维算法思维效率思维效率思维创新思维创新思维伦理思维伦理思维4计算思维(计算思维(Computational thinking,CT)由美国)由美国 Carnegie Mellon 大学计算机科学教授周以真女士大学计算机科学教授周以真女士于于2006年提出年提出她认为,计算思维是运用计算机科学的基础概念她认为,计算思维是运用计算机科学的基础概念进行进行问题求解问题求解、系统设计系统设计、以及、以及人类行为理解人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系
3、列等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动思维活动计算思维代表着计算思维代表着一种普遍的态度一种普遍的态度和和一类普适的技一类普适的技能能,每一个人都应热心于它的学习和运用,每一个人都应热心于它的学习和运用5是是概念化的抽象思维而概念化的抽象思维而不只是不只是程序设计程序设计是是基本的而基本的而不是不是死记硬背的技能死记硬背的技能是是人的而人的而不是不是计算机的思维方式计算机的思维方式是是数学和工程思维的互补与融合数学和工程思维的互补与融合是是思想而思想而不是不是人造品人造品面向面向所有的人和所有地方所有的人和所有地方关注依旧亟待理解和解决的智力上极有挑战性关注依旧亟待理解和解决的智力上极有挑战
4、性并且引人入胜的科学问题并且引人入胜的科学问题6Computation 是可用是可用数学表示数学表示的任何形式的信息处理的任何形式的信息处理的概念,它包括简单的计算和人的思维(的概念,它包括简单的计算和人的思维(human thinking)所以,计算思维无论是由人或机器执行,都是建立在计算处理的能力和限制之上的Computing 意味着任何面向目标的需要、受益于和创意味着任何面向目标的需要、受益于和创造造计算机的活动计算机的活动,包括包括用于广泛目的的软件和硬件系统的设计、建造;用于广泛目的的软件和硬件系统的设计、建造;各种信息的处理、规范和管理;各种信息的处理、规范和管理;用计算机开展的科
5、研活动;用计算机开展的科研活动;使计算机系统具有智能行为;使计算机系统具有智能行为;创建和使用通信和娱乐媒体;创建和使用通信和娱乐媒体;寻找和收集与任何目的有关的信息等寻找和收集与任何目的有关的信息等7本章涉及的本章涉及的“计算计算”包含了包含了computation和和computing的内容的内容对于计算机基础学习而言,了解对于计算机基础学习而言,了解计算思维的宏观计算思维的宏观特性特性,对于个人专业发展具有重要意义,对于个人专业发展具有重要意义8通过网络可以求解的问题通过网络可以求解的问题信息查询信息查询交流与沟通交流与沟通资源的发布与共享资源的发布与共享9移动通信与地理信息移动通信与地
6、理信息系统的结合,产生了系统的结合,产生了新的计算模式:新的计算模式:与位与位置有关的计算置有关的计算利用利用GPS定位,可以找定位,可以找到周边的服务设施到周边的服务设施通过移动信号基站,发通过移动信号基站,发现客户所需要的服务:现客户所需要的服务:天气、旅游、购物等天气、旅游、购物等移动通讯设备的广泛应用,催生了诸多新型的商业应用模式10计算思维的信息化促进了计算思维的信息化促进了政务、商务、教育和社会政务、商务、教育和社会的信息化的信息化小学校园的门禁系统与移动小学校园的门禁系统与移动通信结合,产生学生在校、通信结合,产生学生在校、离校信息服务离校信息服务信用卡消费信息与移动通信信用卡消
7、费信息与移动通信和因特网结合,产生实时消和因特网结合,产生实时消费报告和无纸化账单报告费报告和无纸化账单报告校园一卡通校园一卡通11中国经济发展正在向服务中国经济发展正在向服务型经济转型型经济转型计算机科学与技术及信息计算机科学与技术及信息技术则是现代服务型经济技术则是现代服务型经济发展的根本保障发展的根本保障Software as a service(SaaS)和服务计算(和服务计算(service computing)正在引起关注)正在引起关注云计算模型示意12计算思维的智能化促进计算思维的智能化促进了交通管理的智能化、了交通管理的智能化、业务流程的智能化、电业务流程的智能化、电子服务的智
8、能化子服务的智能化电子服务和社会生活的电子服务和社会生活的智能化的需求反过来促智能化的需求反过来促进计算思维智能化的进进计算思维智能化的进一步发展一步发展智能化能够缓解交通拥堵?13计算思维从计算理论、计算计算思维从计算理论、计算技术、计算工程、计算工具、技术、计算工程、计算工具、计算服务和计算应用的转化计算服务和计算应用的转化就是计算思维的工程化就是计算思维的工程化计算思维的工程化促进了诸计算思维的工程化促进了诸如计算机、手机、平板电脑如计算机、手机、平板电脑等计算工具和系统的发展,等计算工具和系统的发展,后者反过来促进了计算思维后者反过来促进了计算思维的工程化的工程化14计算思维的人性化促
9、进计算思维的人性化促进了人机交互的人性了人机交互的人性化、计算工具的人性化、计算工具的人性化和社会的进步化和社会的进步计算和信息技术对人类计算和信息技术对人类产生的负面影响同样产生的负面影响同样不可小视不可小视信息社会中的信息社会中的“宅人宅人”数码相机数码相机 vs.胶片工业胶片工业数字印刷数字印刷 vs.铅字印刷铅字印刷人性化设计人性化设计 笔记本电脑支架笔记本电脑支架15层次化源于社会组织和分工层次化源于社会组织和分工计算思维的层次包括计算理论思维、计算技术思计算思维的层次包括计算理论思维、计算技术思维、计算工程思维、计算工具思维、计算服务维、计算工程思维、计算工具思维、计算服务思维和计
10、算应用思维六个层次思维组成思维和计算应用思维六个层次思维组成 它们分别对应计算理论、计算技术、计算工程、它们分别对应计算理论、计算技术、计算工程、计算工具、计算服务和计算应用计算工具、计算服务和计算应用每个层次上的思维都至少包含许多不同的思维过每个层次上的思维都至少包含许多不同的思维过程、思维模式和思维规律程、思维模式和思维规律16结构化源于软件开发结构化源于软件开发的结构化系统分析、的结构化系统分析、结构化设计和结构结构化设计和结构化程序设计化程序设计重要的案例重要的案例计算机体系结构计算机体系结构多核多核CPUGPGPU(通用图形处(通用图形处理器)理器)网络体系结构网络体系结构ISO/O
11、SI 参考模型参考模型TCP/IP模型模型Intel Core 2 Duo Processor17计算思维源于并服务计算思维源于并服务于由计算理论、计于由计算理论、计算技术、计算工程、算技术、计算工程、计算工具、计算服计算工具、计算服务和计算应用构成务和计算应用构成的计算思维生存周的计算思维生存周期期这一生存周期以计算这一生存周期以计算理论为始点,以计理论为始点,以计算应用为终点算应用为终点18“计算思维计算思维”是面向所有的人,所有学科的,应是面向所有的人,所有学科的,应当具有普适性,但这种普适的内部是有差异的当具有普适性,但这种普适的内部是有差异的计算机科学是新兴学科,其内容日新月异,以及
12、计算机科学是新兴学科,其内容日新月异,以及人的智力水于有高低之分,人们已掌握的计算人的智力水于有高低之分,人们已掌握的计算机知识各有差异,不同人的计算思维具有很大机知识各有差异,不同人的计算思维具有很大差别,因此差别,因此计算思维具有层次性计算思维具有层次性只要具有思维品质中的独创性,就能创造性地解只要具有思维品质中的独创性,就能创造性地解决问题决问题不同层次上的计算机思维均可得到不同层次上的计算机思维均可得到同质性的发展同质性的发展19科学界一般认为,科学科学界一般认为,科学方法分为理论、实验方法分为理论、实验和计算三大类和计算三大类与三大科学方法相对的与三大科学方法相对的是三大科学思维,理
13、是三大科学思维,理论思维以数学为基础,论思维以数学为基础,实验思维以物理等学实验思维以物理等学科为基础,计算思维科为基础,计算思维以计算机科学为基础以计算机科学为基础20理论源于数学,理论理论源于数学,理论思维支撑着所有的思维支撑着所有的学科领域。正如数学科领域。正如数学一样,定义是理学一样,定义是理论思维的灵魂,定论思维的灵魂,定理和证明则是它的理和证明则是它的精髓精髓公理化方法是最重要公理化方法是最重要的理论思维方法,的理论思维方法,科学界一般认为,科学界一般认为,公理化方法是世界公理化方法是世界科学技术革命推动科学技术革命推动的源头。的源头。21实验思维方法可以分为以下实验思维方法可以分
14、为以下三个步骤:三个步骤:先提取出从现象中获得的先提取出从现象中获得的直观认识的主要部分,用直观认识的主要部分,用最简单的数学形式表示出最简单的数学形式表示出来,以建立量的概念;来,以建立量的概念;再由此试用数学方法导出再由此试用数学方法导出另一易于实验证实的数量另一易于实验证实的数量关系;关系;然后通过实验证实这种数然后通过实验证实这种数量关系量关系对于实验思维来说,最为重对于实验思维来说,最为重要的事情就是设计、制造要的事情就是设计、制造实验仪器和追求理想的实实验仪器和追求理想的实验环境验环境22计算思维最根本的内容,即其本质是抽象计算思维最根本的内容,即其本质是抽象(Abstractio
15、n)与自动化()与自动化(Automation)计算思维中的抽象完全超越物理的时空观,并完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,其中,数字抽象只是其中的全用符号来表示,其中,数字抽象只是其中的一类特例一类特例计算思维中的抽象最终是要能够利用机器的一步计算思维中的抽象最终是要能够利用机器的一步步自动执行。为了确保机器的自动化,就需要步自动执行。为了确保机器的自动化,就需要在抽象的过程中进行精确和严格的符号标记和在抽象的过程中进行精确和严格的符号标记和建模建模还要求计算机系统或软件系统生产厂家能够向公还要求计算机系统或软件系统生产厂家能够向公众提供各种不同抽象层次之间的翻译工具
16、众提供各种不同抽象层次之间的翻译工具23计算机科学在本质上源自数学思维,因为像所有计算机科学在本质上源自数学思维,因为像所有的科学一样,它的形式化基础建筑于数学之上的科学一样,它的形式化基础建筑于数学之上计算机科学又从本质上源自工程思维,因为我们计算机科学又从本质上源自工程思维,因为我们建造的是能够与实际世界互动的系统,基本计建造的是能够与实际世界互动的系统,基本计算设备的限制迫使计算机科学家必须计算性地算设备的限制迫使计算机科学家必须计算性地思考,而不能只是数学性地思考思考,而不能只是数学性地思考构建虚拟世界的自由使我们能够超越物理世界的构建虚拟世界的自由使我们能够超越物理世界的各种系统各种
17、系统数学和工程思维的互补与融合很好的体现在抽象、数学和工程思维的互补与融合很好的体现在抽象、理论和设计三个学科形态(或过程)上理论和设计三个学科形态(或过程)上24计算理论是研究使用计算机解决计算问题的数学计算理论是研究使用计算机解决计算问题的数学理论理论有三个核心领域:自动机理论、可计算性理论和有三个核心领域:自动机理论、可计算性理论和计算的复杂性理论计算的复杂性理论自动机将离散数学系统的构造,作用和关系作为研究自动机将离散数学系统的构造,作用和关系作为研究对象的数学理论(描述通用计算机计算能力的对象的数学理论(描述通用计算机计算能力的图灵机图灵机模型模型)可计算性理论的中心问题是建立计算的
18、数学模型,进的中心问题是建立计算的数学模型,进而研究哪些是可计算的,哪些是不可计算的而研究哪些是可计算的,哪些是不可计算的计算的复杂性理论研究算法的时间复杂性和空间复杂研究算法的时间复杂性和空间复杂性性25计算机学科的方法论有三个过程:抽象、理论和计算机学科的方法论有三个过程:抽象、理论和自动化设计及实现自动化设计及实现最根本的问题在于:问题如何进行描述?哪些部分能最根本的问题在于:问题如何进行描述?哪些部分能够被自动化?如何进行自动化描述?够被自动化?如何进行自动化描述?建立物理符号系统并对其实施等价变换是计算机建立物理符号系统并对其实施等价变换是计算机学科进行问题描述和求解的重要手段。学科
19、进行问题描述和求解的重要手段。“可行性可行性”所要求的所要求的“形式化形式化”及其及其“离散特征离散特征”使得数学成为重要的工具使得数学成为重要的工具而计算模型无论从方法还是工具等方面,都表现而计算模型无论从方法还是工具等方面,都表现出它在计算机上科学中的重要作用(参见出它在计算机上科学中的重要作用(参见1.3节)节)26科学:关于自然、社关于自然、社会和思维的发展与变会和思维的发展与变化规律的知识体系,化规律的知识体系,其核心是其核心是发现发现技术:根据实践经验根据实践经验和科学原理而发展形和科学原理而发展形成的各种工艺操作方成的各种工艺操作方法、技能和技巧,其法、技能和技巧,其核心是核心是
20、发明发明工程:将科学原理应将科学原理应用到生产实践中,是用到生产实践中,是某种形式的科学应用,某种形式的科学应用,其核心是其核心是建造建造我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯,从而也将深刻地影响着我们的思维能力 Edsger Dijkstra27霍夫曼编码使用霍夫曼编码使用变长编变长编码表码表对源符号(如文对源符号(如文件中的字母)进行编件中的字母)进行编码码变长编码表通过评估来变长编码表通过评估来源符号出现概率的方源符号出现概率的方法得到的,概率高的法得到的,概率高的字母用较短的编码,字母用较短的编码,出现概率低的则用较出现概率低的则用较长的编码长的编码使编码之后的字符串的使编码之
21、后的字符串的平均长度、期望值平均长度、期望值降降低低,从而达到,从而达到无损压无损压缩数据的目的缩数据的目的四个状态的霍夫曼编码过程28设信号源为设信号源为X=、a、e、I、m、t、c、h、r。对应的概率为对应的概率为 p=0.22、0.22、0.14、0.07、0.07、0.07、0.07、0.07、0.07,试给出该信源的霍夫曼试给出该信源的霍夫曼编码方案。编码方案。解:解:若传送一个串字符串若传送一个串字符串“I am a teacher”,共,共14个字个字符。若用符。若用ASCII传送,每个字符传送,每个字符8位,共需位,共需112位。位。该字符串中有该字符串中有9个不同的符号,至少
22、需要个不同的符号,至少需要4位二进位二进制才能表示,这样传送该字符串也要制才能表示,这样传送该字符串也要56位。若用位。若用计算的计算的Huffman编码,只需要编码,只需要42位。位。霍夫曼编码举例29霍夫曼编码过程 可以得到:a的编码00 e的编码 111 I的编码1101 m的编码1100 t的编码1011 c的编码 1010 h的编码1001 r的编码 1000原字符串(二进制)长度:=112(148)位Huffman编码长度:=42位 (01 00 111 1101 1100 1011 1010 1001 1000)30在数论中,在数论中,反运算反运算的问题往往是极难求解的,或的问题
23、往往是极难求解的,或者说极难计算的者说极难计算的离散对数和整数因式分解问题就属于困难的计算数论离散对数和整数因式分解问题就属于困难的计算数论问题问题如果给出两个素数如果给出两个素数p和和q,要求两者的乘积,即使,要求两者的乘积,即使p和和q很大,那计算它们的乘积仍然是可行的很大,那计算它们的乘积仍然是可行的但反过来,给出但反过来,给出N,要求,要求p和和q就就极为困难极为困难了了利用反计算的难度,对数据进行加密,是现代密利用反计算的难度,对数据进行加密,是现代密码学的基础码学的基础计算机通讯中的公开密钥加密算法,就是利用了计算机通讯中的公开密钥加密算法,就是利用了数论的这个原理数论的这个原理3
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