大学计算机—计算思维导论CAP_计算机思维导图

OK Z hanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services,
Harbin Institute of Technology
为什么要学习和怎样学习大学计算机课程? (1) 计算学科的供需关系--需要大学计算机
计算辅助工具
计算与自动计算 (5) 小结
战德臣 教授
电子自动计算-元器件
战德臣
哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员
OK Z hanDC
Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services,
a1x2+a2x=c
机器-自动计算： 规则可能很简单, 但计算量却 很大 机器也可以采用人所使用的 计算规则 一般性的规则，可以求任意:
a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c
计算与自动计算 (3)自动计算需要解决什么问题?
自动计算要解决的几个问题: 表示-存储-执行 “数据”的表示 “计算规则”的表示：程序 数据与计算规则的“自动存储” 计算规则的“自动执行”
计算机是什么? (1) 计算机与各种设备中的计算机?
形形色色的计算机
战德臣 教授
பைடு நூலகம்
传统“计算机器” 多样化的“计算机器”，各种设备的“大脑”系统
计算机是什么? (2) 各种应用中的计算机?
形形色色的计算机
战德臣 教授
计算机是什么? (3)计算机除了硬件，还包括软件?
形形色色的计算机
马克.安德森 ---前Netscape公司创始人，现风险投资人

3. 两种解决方法：
计算与自动计算
1. 两种解决方法
（1）通过数学上的规则推导，获得等效的计算方法，从
而完成计算。
n
【例1.2】计算 i 1 2 3 ...... n
i 1
通过数学推导可得 计算
n
i
i பைடு நூலகம்1

n *(1 2
n)
，人们可以轻松的完成
计算与自动计算
（2）另一种办法是设计简单的规则，让机器重复执行， 进行自动计算。
1.1.2 计算思维与各学科的关系
1．应用计算手段促进各学科的研究和创新 2．各学科创新自己的新型计算手段 3．计算思维可以帮助培养各专业的人才
1.2 计算与自动计算
1. 计算是指数据在运算符的操作下，按照规则进行数据 变换。
2. 有时候虽然人们知道了计算的规则，但是因为计算过 于复杂，超过了人的计算能力，所以无法计算得到结 果。
本质是抽象和自动化，即在不同层 面进行抽象，以及将这些抽象机器化。
目的是希望所有人都能像计算机科 学家一样思考，将计算技术与各学科理论 、技术与艺术进行融合实现新的创新。
计算思维的基本内容
计算思维包括多项基本内容。 1. 二进制0和1的基础思维。 2. 指令和程序的思维 3. 递归的思维 4. 计算机系统发展的思维 5. 问题求解的思维 6. 网络化的思维
学习要求
1. 学生应掌握计算思维的基本概念。 2. 掌握计算的有关概念，计算工具的发展，元器件的发
展等。 3. 阅读教材 4. 完成书后习题。
2计算机系统的基本思维
22
目录
2.1 0和1的思维 2.2 二进制与数据编码 2.3 图灵机与冯•诺依曼计算机
2.1 0和1的思维

O 2010年7月19日至20日，北京大学等九所知名高 校在西安交通大学举办了“C9高校联盟计算机 基础课程研讨会”。教育部高等学校计算机基 础课程教学指导委员会主任陈国良院士亲临大 会，作了“计算思维能力培养研究”的报告。 大会就增强大学生计算思维能力的培养发表了 “C9高校联盟计算机基础教学发展战略联合声 明”。
计算思维与思维导图
1
2020/11/24
计算思维
概念 发展史 理论体系
核心内容 应用方向
2020/11/24
2
精品资料
2020/11/24
3ห้องสมุดไป่ตู้
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
O 当我们必须求解一个特定的问题时，首先会问：解决这个
问题有多么困难？怎样才是最佳的解决方法？计算机科学
根据坚实的理论基础来准确地回答这些问题。表述问题的
难度就是工具的基本能力，必须考虑的因素包括机器的指
令系统、资源约束和操作环境。
2020/11/24 11
O 为了有效地求解一个问题，我们可能要进一步问：一个近 似解是否就够了，是否可以利用一下随机化，以及是否允 许误报（false positive）和漏报（false negative）。 计算思维就是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一 个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道怎样解决的问 题。
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O 抽象和分解 来迎接庞杂的任务或者设 计巨大复杂的系统。它是关注的分离 （SOC方法）。它是选择合适的方式去陈 述一个问题，或者是选择合适的方式对 一个问题的相关方面建模使其易于处理。 它是利用不变量简明扼要且表述性地刻 画系统的行为。它使我们在不必理解每 一个细节的情况下就能够安全地使用、 调整和影响一个大型复杂系统的信息。 它就是为预期的未来应用而进行的预取 和缓存。

则即为其解； 否则不是
人进行计算： 规则可能很复杂, 但计算量却 可能很小 人需要知道具体的计算规则 特定规则，只能求:
a1x2+a2x=c
机器-自动计算： 规则可能很简单, 但计算量却 很大 机器也可以采用人所使用的 计算规则 一般性的规则，可以求任意:
a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c
知识与视野拓展 宽度---知识面宽，前沿性 Knowledge 深度---贯通性，深入性
能力
(Ability & Capability)
Expansion 云计算与云服务
企业资源规划 与供应链管理
打通知识脉络， 融贯各门课程， 内功强化基础， 外功灵活应变。
知识/技能
(Technique/Skill)
计算机、计算与计算思维 3. 计算与自动计算?
计算与自动计算
3.1 什么是计算？
计算学科的计算 vs. 数学学科的计算
简单计算I：数据计算，计算规则，应用计算规则进行计算并获得计算结果
复杂计算II：f(x)，函数，计算规则及其简化计算方法，便于人应用规则进行计算，获得计算结果
复杂计算III：如丢番图方程，判定，计算规则，人可能无法完成但却可由机器自动完成，借助于机
二、减法口诀 直减 破五减 退位减 一 一下一 一上四去五 一退一还九 二 二下二 二上三去五 二退一还八 三 三下三 三上二去五 三退一还七 四 四下四 四上一去五 四退一还六 五 五下五 五退一还五 六 六下六 六退一还四 六退一还五去一 七 七下七 七退一还三 七退一还五去二 八 八下八 八退一还二 八退一还五去三 九 九下九 九退一还一 九退一还五去四
系统和理解人类行为，其本质是抽象和自动化----from 周以真。

工具软件 语言处理系统 数据库管理系统
中间件，如应用服务器, 消息中间件, 流程中间件,服务中间件,… 操作系统OS:分时OS,实时OS, 网络OS,并行OS, 移动OS,云OS, …
嵌入式/移动式(设备裸机)
网络化/互联化—其他硬件
硬件(裸机)
计算机是什么? (5)计算机是什么?
计算机是什么?
是帮助我们进行 各种计算的工具
莱布尼茨
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646～1716)，德国数学家。
莱布尼茨机的意义：连续重复自动执行。 提出了二进制数及其计算规则； 数理逻辑的创始人
是基于十进制设计机器，还是基于二进制设计机 器？ 如果基于二进制设计机器，那其处理规则又是怎 样的呢？
计算与自动计算 (4) 机械计算的探索?
为什么要学习和怎样学习大学计算机课程? (8)你一定能学好大学计算机-计算思维导论
你一定能学好大学计算机-计算思维导论
✓因 为 在 美 国 ， 计 算 思 维 已 被 普 及 到 中 小 学 生 ， 他 们 都 能 学 会，…
✓因为计算思维的学习不需要太多的数学基础，它不是数学思 维，尽管数学思维对其有很大的影响
计算机是什么
计算机是什么? (1) 计算机与各种设备中的计算机?
形形色色的计算机
传统“计算机器” 多样化的“计算机器”，各种设备的“大脑”系统
计算机是什么? (2) 各种应用中的计算机?
形形色色的计算机
计算机是什么? (3)计算机除了硬件，还包括软件?
形形色色的计算机
马克.安德森 ---前Netscape公司创始人，现风险投资人
计算与自动计算 (3)自动计算需要解决什么问题?
自动计算要解决的几个问题: 表示-存储-执行 “数据”的表示 “计算规则”的表示：程序 数据与计算规则的“自动存储” 计算规则的“自动执行”

进位计数制
2．二进制 计算机中信息的存储和处理都采用二进制。二进制数只 有0、1两个数码，基数为2，逢2进1。 为了便于区分，在二进制数后加“B”，表示数为二进制 数。
进位计数制
3．八进制 八进制有0～7共8个数码，基数为8，逢8进1。 为了便于区分，在八进制数后加“O”，表示数为八进制 数。例如：
1.3.1 计算工具的发展
1. 计算工具的发展包括三个阶段: 1) 手动计算器 2) 机械计算器 3) 电子计算机
1．手动计算器
1. 手动计算器是利用算法进行辅 助数字计算过程的设备，操作 者使用算法来进行计算。 1) 小石块和有刻痕的小棍 2) 算筹、算盘，珠算歌诀。 3) 纳皮尔筹，也称为纳皮尔计 算尺 4) 滑动刻度尺
2.2 二进制与数据编码
1. 在计算机中，数字、字符、图片、声音、视频等所有 信息都要进行二进制编码才能存储和处理
2.2.1 二进制与数字的表示
1．机器数 在计算机中采用固定数目的二进制位数来表示数字，称 为机器数。 机器数的表示范围受计算机字长的限制，一般字长为8、 16、32或64位 数值超出机器数能表示的范围，就会出现“溢出”错误 通常把一个二进制数的最高位作为符号位。
【例2.2】 将十进制整数(167)10转换为对应的二进制、八进 制、十六进制数。
不同进制数的转换
1. 十进制转换为八进制
不同进制数的转换
1. 十进制转换为十六进制
不同进制数的转换
3．二进制、八进制、十六进制数的相互转换 每3位二进制数对应一位八进制数，每4位二进制数对应 一位十六进制数 【例2.3】将二进制数(10100111.1011)2转换成八进制、十六 进制数。
1.1.2 计算思维与各学科的关系

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O 抽象和分解 来迎接庞杂的任务或者设 计巨大复杂的系统。它是关注的分离 （SOC方法）。它是选择合适的方式去陈 述一个问题，或者是选择合适的方式对 一个问题的相关方面建模使其易于处理。 它是利用不变量简明扼要且表述性地刻 画系统的行为。它使我们在不必理解每 一个细节的情况下就能够安全地使用、 调整和影响一个大型复杂系统的信息。 它就是为预期的未来应用而进行的预取 和缓存。
.精品课件.
11
应用方向
O 计算思维在其他学科中有很大影响。例如，机器学习已经改 变了统计学。各种组织的统计部门都聘请了计算机科学家。 计算机学院（系）正在与已有或新开设的统计学系联姻。
O 计算机学家们对生物科学越来越感兴趣，因为他们坚信生物 学家能够从计算思维中获益。计算机科学对生物学的贡献决 不限于其能够在海量序列数据中搜索寻找模式规律的本领。 最终希望是数据结构和算法（我们自身的计算抽象和方法） 能够以其体现自身功能的方式来表示蛋白质的结构。计算生 物学正在改变着生物学家的思考方式。类似地，计算博弈理 论正改变着经济学家的思考方式，纳米计算改变着化学家的 思考方式，量子计算改变着物理学家的思考方式。
O 国内关于计算思维的研讨大部分都是在与计算机方法 论一起研究的。桂林电子科技大学计算机与控制学院董荣 胜教授在对计算思维和计算机方法论的研究中指出：计算 思维与计算机方法论虽有各自的研究内容与特色，但它们 的互补性很强，可以相互促进，计算机方法论可以对计算 思维研究方面取得的成果进行再研究和吸收，最终丰富计 算机方法论的内容；反之，计算思维能力的培养也可以通 过计算机方法论的学习得到更大的提高。两者之间的关系 与.精现品代课件数. 学思维和数学方法论之间的关系非常相似。 6
O 计算思维这一概念提出后，立即得到美国教育界的

理论体系
• 脑科学
大量实验研究和临床证据表明，人的大脑分左右两个半球， 思维导图运用了学生的左右两边大脑一起参与学习和记忆。一 般而言,左脑偏重于逻辑思维,右脑偏重于形象思维,形象记忆 更轻松、更容易被人所接受。
• 认知心理学
结构性知识也称理性知识,指某一领域内各概念如何相互 关联的知识。结构性知识将陈述性知识整合成有用的知识结构, 描述了个体对不同内容领域概念的组织(知识结构)。结构性知 识有助于促进先前知识的运用。
应用方向
• 思维导图可以用于工作、学习和生活中的任何一个领域里。 • 1、作为个人：计划，项目管理，沟通，组织，分析解决问题等； • 2、作为学习者：记忆，笔记，写报告，写论文，做演讲，考试，
思考，集中注意力等； • 3、作为职业人士：计划，沟通，项目管理，组织，会议，培训，
谈判，面试，评估，掀起头脑风暴等。
应用方向
• 计算思维在其他学科中有很大影响。例如，机器学习已经改变了统计学。各种组织 的统计部门都聘请了计算机科学家。计算机学院（系）正在与已有或新开设的统计 学系联姻。
• 计算机学家们对生物科学越来越感兴趣，因为他们坚信生物学家能够从计算思维中 获益。计算机科学对生物学的贡献决不限于其能够在海量序列数据中搜索寻找模式 规律的本领。最终希望是数据结构和算法（我们自身的计算抽象和方法）能够以其 体现自身功能的方式来表示蛋白质的结构。计算生物学正在改变着生物学家的思考 方式。类似地，计算博弈理论正改变着经济学家的思考方式，纳米计算改变着化学 家的思考方式，量子计算改变着物理学家的思考方式。
科学作为11大科学技术门类之一。自从钱学森提出思维科学以来， 各种学科在思维科学的指导下逐渐发展起来，计算学科也不例外。
• 黄崇福教授可能是国内最早阐述计算思维的学者。1992年，在其 所著的《信息扩散原理与计算思维及其在地震工程中的应用》一书 中给出了计算思维的定义：“计算思维就是思维过程或功能的计算 模拟方法论，其研究的目的是提供适当的方法，使人们能借助现代 和将来的计算机，逐步达到人工智能的较高目标。”