计算机文化与计算机思维基础(课堂PPT).ppt

大学计算机李君阳44722214112第一章 计算机与信息社会 1.1 引言引言1.2 计算机的诞生与发展计算机的诞生与发展 1.3 计算思维基础计算思维基础22024/6/26 周三周三教学说明教学说明 1.1.学时：学时：0 0学时学时 以自学为主或者根据各校情况简要介绍以自学为主或者根据各校情况简要介绍 2.2.内容：内容：计算机的发展计算机的发展计算机的发展、分代、分类、新技术、新型计算机计算机的发展、分代、分类、新技术、新型计算机信息技术概念信息技术概念现代信息技术的定义、内容、特点现代信息技术的定义、内容、特点 计算机的应用计算机的应用在各行各业中的应用、应用的类型在各行各业中的应用、应用的类型 3.3.考核：选择题、填充题考核：选择题、填充题32024/6/26 周三周三 1.1 引言引言 算算 筹筹 春秋战国时代，世界上最早的计算工具春秋战国时代，世界上最早的计算工具 算算 盘盘 中国唐代中国唐代 第一种手动式计数器第一种手动式计数器人类在进化过程中，发明和改进了许许多多的计算工人类在进化过程中，发明和改进了许许多多的计算工具。具。42024/6/26 周三周三 计算尺 1622年，英国William Oughtred手动式、减、乘、除、指数和三角函数运算 加法器 1642年，法国Blaise Pascal机械式，只能做加法 计算器 1673年，德国Gottfried Leibniz机械式，加、减、乘、除和开方 52024/6/26 周三周三差分机 1812年，英国Charles Babbage分析机 1834年，英国Charles Babbage现代通用计算机的雏形62024/6/26 周三周三1.2计算机的诞生和发展在以机械方式运行的计算机诞生百年之后，随着电子技术的突飞猛进，计算机开始了有机械向电子的进化1.2.1 计算机的诞生1.2.2 计算机的分代1.2.3 计算机的分类1.2.4 计算机的应用1.2.5 计算机文化72024/6/26 周三周三计算机科学奠基人计算机科学奠基人英国科学家英国科学家 阿兰阿兰.图灵图灵1.2.1 1.2.1 计算机的诞生计算机的诞生1.图灵机图灵机姚期智姚期智(Andrew Chi-Chih Yao)，2000年图灵奖得主，美国科学年图灵奖得主，美国科学院院士，美国科学与艺术学院院士，中国科学院外籍院士，清华院院士，美国科学与艺术学院院士，中国科学院外籍院士，清华大学高等研究中心教授大学高等研究中心教授主要贡献：主要贡献：建立图灵机模型，奠定可计算建立图灵机模型，奠定可计算理论基础理论基础 提出图灵测试，阐述了机器智提出图灵测试，阐述了机器智能的概念能的概念美国计算机学会美国计算机学会(ACM)1966年设立图灵奖（计算机界的诺贝尔）年设立图灵奖（计算机界的诺贝尔）82024/6/26 周三周三图灵机模型：图灵机模型：由无限长纸带和读写头组成纸带用于无限存储，由无限长纸带和读写头组成纸带用于无限存储，读写头可读、写和左右移动。读写头可读、写和左右移动。图灵机具有最强大的计算能力，其功能与高级程图灵机具有最强大的计算能力，其功能与高级程序设计语言等价。序设计语言等价。92024/6/26 周三周三如果电脑能在如果电脑能在5 5分钟内回答由人类测试者提出的一分钟内回答由人类测试者提出的一系列问题，且其超过系列问题，且其超过30%30%的回答让测试者误认为是人类的回答让测试者误认为是人类所答，则电脑通过测试。所答，则电脑通过测试。回答了什么样的机器具有智能，回答了什么样的机器具有智能，奠定了人工智能的基础奠定了人工智能的基础。在英国雷丁大学的在英国雷丁大学的“图灵测试图灵测试2014”中，电脑程序中，电脑程序“尤金尤金古斯古斯特曼特曼”成功成功“伪装伪装”成一名成一名13岁男岁男孩，通过了图灵测试孩，通过了图灵测试机械姬机械姬图灵测试：图灵测试：102024/6/26 周三周三2.2.世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机-ENIAC-ENIAC19461946年年2 2月由宾夕法尼亚大学研月由宾夕法尼亚大学研制制ENIACENIAC标志着电子计算机时代标志着电子计算机时代的到来的到来 Electronic Numerical Integrator And Calculator电子数字积分计算机电子数字积分计算机每秒每秒5 5千次加减运算千次加减运算没有存储器没有存储器采用十进制采用十进制112024/6/26 周三周三长长30.4830.48米，宽米，宽6 6米，高米，高2.42.4米，米，占地面积约占地面积约170170平方米，耗电量平方米，耗电量150150千瓦。包含了千瓦。包含了1746817468根真空根真空管管72007200根水晶二极管，根水晶二极管，1500 1500 个个中转，中转，7000070000个电阻器，个电阻器，1000010000个电容器，个电容器，15001500个继电器，个继电器，60006000多个开关多个开关阿塔纳索夫阿塔纳索夫-贝瑞计算机贝瑞计算机（Atanasoff-Berry Atanasoff-Berry ComputerComputer，简称，简称ABCABC）122024/6/26 周三周三缺点一：一：没有存储器没有存储器二：二：布线接板控制布线接板控制三：三：除除了了体体积积大大，耗耗电电多多以以外外，电电子子管管易易于于损损坏，坏，1 18 8万多个电子管万多个电子管132024/6/26 周三周三电子计算机之父：电子计算机之父：美籍匈牙利数学家美籍匈牙利数学家 冯冯.诺依曼诺依曼3.3.冯冯.诺依曼体系结构计算机诺依曼体系结构计算机冯冯.诺依曼体系计算机的特点诺依曼体系计算机的特点 采用二进制表示数据；采用二进制表示数据；存储程序；存储程序；由运算器、控制器、存储器、由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。输入设备和输出设备五部分组成。主要贡献：主要贡献：与同事研制人类第二台计算机与同事研制人类第二台计算机EDVAC“存储程序存储程序”概念概念 冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机 奠定现代计算机体系结构和工作原理奠定现代计算机体系结构和工作原理142024/6/26 周三周三1.2.2 计算机的分代计算机的分代(按物理器械按物理器械)电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路大规模集成电路大规模集成电路时代年份器件软件运算速度应用一一 46-5846-58电子管电子管机器语言汇编语机器语言汇编语言言 几千次几千次科学计算科学计算二二58-6458-64晶体管晶体管高级语言高级语言几十万次几十万次数据处理数据处理工业控制工业控制 三三64-7164-71集成电路集成电路操作系统操作系统几百万次几百万次文字处理文字处理图形处理图形处理四四7171年迄今年迄今大规模集成电路大规模集成电路 数据库、网络等数据库、网络等 亿亿次亿亿次社会的各个社会的各个领域领域152024/6/26 周三周三1.2.3 1.2.3 计算机的分类计算机的分类 按综合性能指按综合性能指标分类标分类高性能计算机（巨型机或大型机）：高性能计算机（巨型机或大型机）：速度最快、处理能力最强速度最快、处理能力最强工作站工作站：介于介于PCPC与小型机之间高档微机系统与小型机之间高档微机系统 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强高分辨率、大容量内外存，图形功能较强微型计算机微型计算机：台式机、笔记本、平板计算机台式机、笔记本、平板计算机等等服务器：网络环境中为多个用户提供服服务器：网络环境中为多个用户提供服 务的计算机系统务的计算机系统按用途分类按用途分类通用机通用机专用机专用机嵌入式计算机：嵌入式计算机：嵌入到应用系统中的计算机，应用最嵌入到应用系统中的计算机，应用最广泛，数量超过广泛，数量超过PCPC。162024/6/26 周三周三“天河二号天河二号”是由国防科大研是由国防科大研制的超级计算机系统，以峰值制的超级计算机系统，以峰值计算速度每秒计算速度每秒5.495.49亿亿次、持亿亿次、持续计算速度每秒续计算速度每秒3.393.39亿亿次双亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居精度浮点运算的优异性能位居榜首，以高于亚军美国榜首，以高于亚军美国“泰坦泰坦”一倍之多的浮点运算性能第一倍之多的浮点运算性能第五次成为全球最快超级计算机五次成为全球最快超级计算机天河二号超级计算机系天河二号超级计算机系统由统由170170个机柜组成，个机柜组成，占地面积占地面积720720平方米，平方米，内存总容量内存总容量14001400万亿字万亿字节，存储总容量节，存储总容量1240012400万亿字节，最大运行功万亿字节，最大运行功耗耗17.817.8兆瓦。费用兆瓦。费用3030万万一天一天172024/6/26 周三周三科学计算又又称称数数值值计计算算，指指用用于于完完成成科科学学研研究究和和工工程程技技术术中中提提出出的的数数学问题的计算。学问题的计算。电子计算机的重要应用领域。电子计算机的重要应用领域。科学计算的特点是计算量大且数值变化范围大。科学计算的特点是计算量大且数值变化范围大。主主要要应应用用于于天天文文学学、量量子子化化学学、空空气气动动力力学学、核核物物力力和和天天气气预报等领域。预报等领域。1.2.4计算机的应用计算机的应用182024/6/26 周三周三数据处理也称非数值计算也称非数值计算.数数据据处处理理指指对对大大量量的的数数据据进进行行加加工工处处理理，例例如如，分分析析、合合并、分类、统计等。并、分类、统计等。与科学计算的不同在于数据处理涉及的数据量一般很大。与科学计算的不同在于数据处理涉及的数据量一般很大。广广泛泛应应用用于于办办公公自自动动化化、企企业业管管理理、事事务务管管理理、情情报报检检索索等方面。等方面。科研：数据采集、计算分析科研：数据采集、计算分析家庭：家庭信息化家庭：家庭信息化 192024/6/26 周三周三电子商务利用计算机和网络进行的新型商务活动利用计算机和网络进行的新型商务活动B2BB2B，交易双方是企业与企业。如阿里巴巴，交易双方是企业与企业。如阿里巴巴B2CB2C，交易双方是企业与消费者。如京东，交易双方是企业与消费者。如京东C2CC2C，交易双方是消费者与消费者。如淘宝，交易双方是消费者与消费者。如淘宝商商务务部部公公布布20142014年年电电子子商商务务交交易易额额(包包括括B2BB2B和和网络零售网络零售)达到约达到约1313万亿元，同比增长万亿元，同比增长25%25%。应用领域：电子政府应用领域：电子政府202024/6/26 周三周三过程控制又称实时控制。又称实时控制。指指用用计计算算机机及及时时采采集集现现场场数数据据，将将数数据据处处理理后后，再按系统要求迅速的对控制对象进行控制。再按系统要求迅速的对控制对象进行控制。在在冶冶金金、石石油油、化化工工、纺纺织织、水水电电、机机械械、航航天天等部门得到广泛应用。等部门得到广泛应用。212024/6/26 周三周三计算机辅助系统包括包括CADCAD、CAMCAM、CBECBE等。等。计计算算机机辅辅助助设设计计CADCAD，即即利利用用计计算算机机帮帮助助各各类类设设计计人人员员进进行设计行设计计计算算机机 辅辅助助制制造造CAMCAM，即即用用计计算算机机进进行行生生产产设设备备的的管管理理、控制和操作的技术。控制和操作的技术。计算机辅助教育计算机辅助教育CBECBE，包括计算机辅助教学，包括计算机辅助教学CAICAI。计计算算机机集集成成制制造造系系统统以以计计算算机机为为中中心心的的现现代代化化信信息息技技术术应应用用于于企企业业管管理理和和产产品品开开发发制制造造的的新新一一代代制制造造系系统统，是是CADCAD、CAPPCAPP、CAMCAM、CAECAE、CAQCAQ、PDMSPDMS、管管理理与与决决策策、网网络络与与数数据据库及质量保证系统等子系统的技术集成库及质量保证系统等子系统的技术集成222024/6/26 周三周三多媒体技术以计算机技术为核心，将现代声像技术和通信技以计算机技术为核心，将现代声像技术和通信技术融为一体，以追求更自然、更丰富的接口界面术融为一体，以追求更自然、更丰富的接口界面教育：多媒体教育、远程教育教育：多媒体教育、远程教育娱乐：虚拟现实、电影特技娱乐：虚拟现实、电影特技 232024/6/26 周三周三人工智能人人工工智智能能AIAI，一一般般指指模模拟拟人人脑脑进进行行演演绎绎推推理理和和采采取取决策的思维过程。决策的思维过程。在在计计算算机机中中存存储储一一些些定定理理和和推推理理规规则则，然然后后设设计计程程序，让计算机自动探索解决的方法。序，让计算机自动探索解决的方法。人工智能是计算机应用研究的前沿科学。人工智能是计算机应用研究的前沿科学。242024/6/26 周三周三1.2.5 1.2.5 计算机文化计算机文化 人类社会的生存方式因使用计算机而发生根本性人类社会的生存方式因使用计算机而发生根本性变化而产生的一种新文化形态，体现在以下方面：变化而产生的一种新文化形态，体现在以下方面：物质文化：计算机软硬件设备及其使用方法，满物质文化：计算机软硬件设备及其使用方法，满足了人类生存和发展的需要。足了人类生存和发展的需要。非物质文化：新的科学思想、科学方法、科学精非物质文化：新的科学思想、科学方法、科学精神、价值标准等，由此产生新的语言、风俗、道德、神、价值标准等，由此产生新的语言、风俗、道德、法律等。法律等。252024/6/26 周三周三1.3计算思维基础1.3.1 计算思维概述1.3.2 计算思维内涵1.3.3 计算思维的应用262024/6/26 周三周三 理理论论、实实验验和和计计算算是是科科学学研研究究的的三三大大方方法法，对对应应的三大思维是理论思维、实验思维和计算思维。的三大思维是理论思维、实验思维和计算思维。计计算算思思维维是是运运用用计计算算机机科科学学的的基基础础概概念念进进行行问问题题求求解解、系系统统设设计计以以及及人人类类行行为为理理解解等等涵涵盖盖计计算算机机科科学学之广度的一系列思维活动。之广度的一系列思维活动。实证思维（重现、自治、预见）实验：物理实证思维（重现、自治、预见）实验：物理逻辑思维（公理、规则、结论）推理：数学逻辑思维（公理、规则、结论）推理：数学计算思维（能行、构造、模拟）使自动：计算机计算思维（能行、构造、模拟）使自动：计算机272024/6/26 周三周三1,1,本质：抽象、自动化本质：抽象、自动化抽象：完全超越物理的时空观，完全使用符号来表示抽象：完全超越物理的时空观，完全使用符号来表示在在哥哥尼尼斯斯堡堡的的一一个个公公园园里里，有有七七座座桥桥将将普普雷雷格格尔尔河河中中两两个个岛岛及及岛岛与与河河岸岸连连接接起起来来(如如图图)。问问是是否否可可能能从从这这四四块块陆陆地地中任一块出发，恰好通过每座桥一次，再回到起点？中任一块出发，恰好通过每座桥一次，再回到起点？自动化：机械地一步一步的执行自动化：机械地一步一步的执行1.3.1 1.3.1 计算思维概述计算思维概述 282024/6/26 周三周三 例子：求函数例子：求函数f(x)f(x)的积分。的积分。高等数学方法：牛顿高等数学方法：牛顿-莱布尼兹公式。莱布尼兹公式。计算机方法：黎曼积分方法计算机方法：黎曼积分方法(区间等分求和区间等分求和)。292024/6/26 周三周三计算思维的关键：用计算机模拟现实世界实验和理论思维无法解决的问题实验和理论思维无法解决的问题复复杂杂问问题题求求解解、宏宏大大系系统统建建立立、大大型型工工程程组组织织都都可可以通过计算模拟来实现以通过计算模拟来实现核爆炸、蛋白质生成、大型飞机、舰艇设计核爆炸、蛋白质生成、大型飞机、舰艇设计302024/6/26 周三周三如何使用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，可能是一组微分方程，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312024/6/26 周三周三2.2.计算思维的特征计算思维的特征 计算思维是人的思维方式；计算思维是人的思维方式；计算思维的过程可以由人执行，也可计算思维的过程可以由人执行，也可以由计算机执行；以由计算机执行；计算思维是思想，不是人造物；计算思维是思想，不是人造物；计算思维是概念化，不是程序化。计算思维是概念化，不是程序化。322024/6/26 周三周三1.3.2 1.3.2 计算思维的内涵计算思维的内涵 1.1.计算思维的基本问题计算思维的基本问题 可可计计算算性性：可可以以使使用用计计算算机机在在有有限限步步内内解解决决的的问问题。题。并不是所有问题都是可计算并不是所有问题都是可计算的，如图灵机的停机问题、歌的，如图灵机的停机问题、歌德巴赫猜想等是不可以计算的。德巴赫猜想等是不可以计算的。如何判定：如何判定：邱奇图灵论题邱奇图灵论题一切一切直觉上能行、可计算的函数直觉上能行、可计算的函数都可用图灵机计算，反之亦都可用图灵机计算，反之亦然然332024/6/26 周三周三 计算复杂性：用计算机求解问题的难易程度，包括时间复计算复杂性：用计算机求解问题的难易程度，包括时间复杂性和空间复杂性。杂性和空间复杂性。如两个如两个n n阶矩阵相乘的时间复杂性是阶矩阵相乘的时间复杂性是O(nO(n3 3)。图灵测试：用以解决机器是否有智能的问题。图灵测试：用以解决机器是否有智能的问题。结果表明，目前计算机想和人类真正谈话还比较困难。结果表明，目前计算机想和人类真正谈话还比较困难。矩阵相乘：矩阵相乘：根据公式根据公式计算计算C中的一个元素需要中的一个元素需要n次乘法和次乘法和n-1次加法次加法所以计算所以计算C中所有的元素需要中所有的元素需要n3次乘法和次乘法和n*n*（n-1）次加法。执行乘法）次加法。执行乘法所需的时间数倍于加法。所以两个矩阵的时间复杂性记为所需的时间数倍于加法。所以两个矩阵的时间复杂性记为O(n3)342024/6/26 周三周三2.2.计算思维的基本方法计算思维的基本方法 数数学学和和工工程程的的方方法法(黎黎曼曼积积分分、迭迭代代、递递归归、大大系系统统设设计计与与评评估估等等)和和计计算算机机科科学学的的方方法法(如如操操作作系系统统中中处处理理死死锁锁的的方方法法)。分为七大类：分为七大类：约简、嵌入、转化和仿真等方法；约简、嵌入、转化和仿真等方法；递归方法；递归方法；抽象和分解方法；抽象和分解方法；根据问题建模的方法；根据问题建模的方法；冗余、容错、纠错的方法，从最坏情况进行系统恢复的方冗余、容错、纠错的方法，从最坏情况进行系统恢复的方法；法；启发式推理方法；启发式推理方法；折中处理的方法；折中处理的方法；(时间和空间的折中时间和空间的折中)352024/6/26 周三周三当当你你上上课课时时，把把当当天天需需要要的的东东西西放放进进背背包包，这这就就是是预置和缓存；预置和缓存；当你丢钱包，沿走过的路寻找，这就是回推；当你丢钱包，沿走过的路寻找，这就是回推；在在超超市市付付帐帐时时，你你应应当当去去排排哪哪个个队队呢呢？这这就就是是多多服服务器系统的性能模型；务器系统的性能模型；为为什什么么停停电电时时你你的的电电话话仍仍然然可可用用？这这就就是是失失败败的的无无关性和设计的冗余性；关性和设计的冗余性；362024/6/26 周三周三1.3.3 1.3.3 计算思维的应用计算思维的应用 计计算算物物理理：采采用用数数值值模模拟拟方方法法，作作为为探探索索自自然然规规律律的的工具。工具。计计算算化化学学：根根据据基基本本的的物物理理化化学学理理论论，以以大大量量数数值值运运算探讨化学系统的性质。算探讨化学系统的性质。计计算算生生物物学学：应应用用数数据据分分析析及及理理论论方方法法建建模模，计计算算机机仿真，研究生物学、行为学和社会群体系统的学科。仿真，研究生物学、行为学和社会群体系统的学科。计算经济学：一切与经济研究有关的计算。计算经济学：一切与经济研究有关的计算。372024/6/26 周三周三382024/6/26 周三周三