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计算机科学导论1引言高度决定视野、角度改变观念、尺度把握人生。
要了解计算机专业学什么、了解计算机专业的计算思维、了解程序是如何被执行的；以前：计算机系统、AI、计算机理论即可；现在交叉太多；方向：数据库和数据挖掘、机器学习、机器人、自然语言、人机交互、算法、几何学、图形学、安全、网络、服务计算、计算生物学等；大学阶段主要是学习计算思维与原理；1.1计算科学：三大思维（计算思维（计算）、理论思维（数学）、实验思维（化学））；要有复合思维；自然社会问题→计算→自然社会问题的答案；人计算（数学）→机器自动计算（计算机）→机器难于计算（计算机科学）机器自动计算：（1）程序是如何被机器自动实行的：程序vs系统？（2）如何编写机器可以执行的程序：语言vs编译？（3）怎样构造求解问题的算法？问题→算法→程序；机器难于计算：（1）探讨哪些可求解vs难求解；（2）如何降低计算量：计算vs算法（3）怎么研究算法？最后，我们要探讨的是（1）针对具体的社会自然问题如何计算？（2）计算如何与社会自然进行融合？1.2计算思维：根：01思维、程序思维、递归思维（奠基性思维）干：冯诺依曼机、个人计算环境、并行计算环境、云计算环境枝：算法（数学建模）、系统（非数学建模）叶：各学科计算抽象自动化机制：（1）叶→干：将自然社会抽象化；（语言、模型、协议）（2）干→叶：计算求解的自动化；（编译器、系统、编解码器）数据化方向：事务管理和数据库、数据分析和数据仓库、数据聚集和大数据网络化方向：物联网、互联网、局域网、知识网等；1.3如何学习本课其他学科都是知识点横向展开；强调知识广度；纵向组织内容：社会自然问题→社会自然问题结果；强调知识深度；本质：抽象与自动化：（（1）符号化、计算化、自动化（01）；（2）组合、抽象与构造（程序与系统）；（3）构造之基本手段（迭代与递归）；）→（计算系统：冯诺依曼计算机→个人计算机→并行分布环境→云计算环境）→（问题求解之算法与程序设计）→（网络化思维）→（数据化思维）→与学科结合；总体思维：社会自然现象→逻辑→二进制→电路→集成电路→计算机即：语义符号化→符号计算化→计算01化→01自动化→分层构造化→构造集成化、层次：表层意义→深层意义→集成思维知识→思维的贯通思维思维——知识/技能——能力1.4人计算与机器自动计算人计算：规则可能很复杂，但计算量很小；并且规则只能适合一定的问题；机器自动计算：每条规则很简单，但是计算量去很大；机器也可以采用人的规则；如果有一般性规则，则可以求任意方程的解；一种思想：用一阶差分、二阶差分的加减组合来计算多项式的值；1.5机器自动计算需要解决的问题计算：数据和计算规则；那么如何表示数据和计算规则？如何自动存取？如何自动执行？（十进制vs二进制（元器件好找）；由元器件到系统）；计算：机器计算→程序执行问题；电子管→晶体管→集成电路→超大规模集成电路Input →transform →output；为什么越来越复杂？封装！微处理器中央控制单位CPU：控制与计算；字长（位）；主频（单位时间操作次数）；晶体管数目内存外存：存储设备；汞延迟线，磁带，磁盘，光盘，闪存，USB，固态硬盘，纳米存储；输入：穿孔纸袋，键盘，鼠标，感知；输出：阴极射线管，字符发生器，数字光栅扫描显示器，数字显示器，3D显示器；1.6计算机系统发展趋势微型化：可嵌入、可携带；大型化：可进行大规模、复杂计算；IBM-BuleGene；智能化：理解自然语言、具有自适应性、自主完成复杂功能；网络化：未来互联网；智慧地球（可感知；可互联；智能）2符号化、计算化与自动化语义符号化→符号计算化→计算01化→01自动化→分层构造化→构造集成化2.1信息如何表示成01？数值：二进制；非数值：编码；数值性信息可以用进位制来表示；进位制：用数码和带有权值的数位来表示有大小关系的数值性信息的表示方法；非数值信息用编码表示；编码：是以若干位数码或符号的不同组合表示非数值信息的方法，他是人为地将若干数码或符号的每一种组合指定唯一含义。
大学计算机—计算思维导论CAP教学大纲计算手段已发展为科学研究第三种手段，研制和应用各学科相关计算系统，计算+、互联网+、大数据+，智能+，最本质就是计算思维，计算思维已成为各专业学生都应掌握的思维方式，与计算思维融合，是各学科学生创新的源泉。
本课程为你介绍计算学科所蕴含的经典的计算思维，是所有本科生必修的通识教育课程。
本课程是大学先修课，即你在高中阶段或上大学之前完成本课程的学习并获得结课认证证书后，在入学时参加必要的测试考核（主要确认你确实学习过），通过后则你可在大学阶段免修该课程直接获得学分，这样为你大学的学习节省时间和精力，使你在大学期间可做更多自己想要做的事情。
《大学计算机》是一门什么课程呢？(1)大学计算机是面向大学一年级学生开设的，与大学数学、大学物理有一样地位的通识类思维教育课程。
它不是讲授计算机及其软件(如Office，Access，IE等)如何使用的课程；它也不是仅仅训练学生程序设计内容的课程；它是讲授每个大学生都应具备的计算思维的课程，大学生创造性思维培养离不开计算思维的培养。
(2)计算思维是互联网与信息时代每个人都应具备的一种思维方式。
互联网公司(如阿里巴巴、Facebook、Apple、腾讯等)的成功应归属于计算思维运用的成功；1998年诺贝尔化学奖授予一个量子化学计算手段的研究者说明：计算思维对非计算机学科人才实现复合性跨学科创新是非常重要的。
(3)大学阶段应更多地训练“思维”，而不应仅着眼于“知识”即事实的学习。
计算机学科知识的膨胀速度是非常快的，“知识”的学习必须有所选择，因此应学习计算机学科经典的、对人们现在和未来有深刻影响的思维模式；“知识”随着“思维”讲解而介绍,“思维”随着“知识”的贯通而形成，“能力”随着“思维”的理解而提高。
《大学计算机》课程应围绕着大学计算思维教育空间-计算之树，进行内容的组织和学习。
(I)计算与程序，主要讲授计算与计算思维，符号化、计算化和自动化，计算系统与程序构造，程序构造方法：递归与迭代，这些是由社会/自然到计算的、最基本的抽象和自动化机制；--理解计算机最本质的内容。
第2讲-习题解析Research Center on I ntelligentC omputing for E nterprises & S ervices,H arbin I nstitute of T echnology战德臣哈尔滨工业大学计算机学院教授.博士生导师教育部大学计算机课程教学指导委员会委员OKZhanDC战德臣教授1、易经是用0和1符号化自然现象及其变化规律的典型案例。
下列说法不正确的是_____。
---A|B|C|D。
(A)易经既是用0和1来抽象自然现象，同时又不单纯是0和1，起始即将0和1与语义“阴”和“阳”绑定在一起；(B)易经本质上是关于0和1、0和1的三画(或六画)组合、以及这些组合之间相互变化规律的一门学问；(C)易经仅仅是以自然现象为依托，对人事及未来进行占卜或算卦的一种学说；(D)易经通过“阴”“阳”(即0和1)符号化，既反映了自然现象及其变化规律，又能将其映射到不同的空间，反映不同空间事务的变化规律，例如人事现象及其变化规律。
战德臣教授2、易经的乾卦是从“天”这种自然现象抽象出来的，为什么称其为“乾”而不称其为“天”呢？_____。
(A|B|C|D)(A)易经创作者故弄玄虚，引入一个新的名词，其实没有必要；(B)易经的“乾”和“天”是不同的，“乾”是一种比“天”具有更丰富语义的事物；(C)“天”是一种具体事物，只能在自然空间中应用，若变换到不同空间应用，可能会引起混淆；而“乾”是抽象空间中的概念，是指具有“天”这种事务的性质，应用于不同的空间时不会产生这种问题；(D)易经创作者依据阴阳组合的符号特征，选择了更符合该符号的名字“乾”。
战德臣教授000001 →000010→000100→001000 “左移”010100 →101011; 110011 →001100 “取反”3、易经的符号化案例，启示我们________。
(A|B|C|D|E )(A)社会/自然规律的一种研究方法是符号化，即利用符号的组合及其变化来反映社会/自然现象及其变化，将看起来不能计算的事物转换为可以计算的事物；(B)任何事物只要符号化，就可以被计算；(C)符号化，不仅仅是数学符号化；任何事物都可以符号化为0和1，也就能进行基于0和1的运算；(D)符号的计算不仅仅是数学计算，符号的组合及其变化同样也是一种计算，这种计算可以基于0和1来实现。
思路：语义符号化--符号计算化--计算01化--01自动化--分层构造化--构造集成化1。
语义符号化定义：将现象定义为符号，进行符号组合，利用符号组合表达自然现象。
解释：将现象符号化为01及其组合，再进行01组合的变化以及进行基于01的计算，最后语义化为现象变化规律。
目的：进行基于符号的演算，即符号组合的变化方式。
关键：区分与命名，形成术语体系。
本质：抽象与具体化。
例子：易经。
天为现象，乾为本体，用体可为父，首，马等。
2。
符号计算化（思维符号的表达与计算）逻辑：世物因果之间所遵循的规律，视线始终普适的思维方式。
逻辑的基本表现形式是命题与推理。
命题是一个判断语句，内容为真或假。
推理是由简单命题判断推导得出复杂命题判断结论的过程。
四种基本逻辑运算（1为真，0为假）与AND：全真才真，有假则假。
0AND0=0，0AND1=0，IAND0=0，1AND1=1或OR：有真则真，全假才假。
0OR0=0，0OR1=1，1OR0=1，1OR1=1非NOT：非真则假，非假则真。
NOT0=1，NOT1=0异或XOR：相同为假，不同为真。
0XOR0=0，1XOR1=0，0XOR1=1，1XOR0=13。
计算01化（处理数值性信息即算术运算，处理非数值性信息即编码）数值性信息进位制：用数码和带有权值的数位来表示有大小关系的数值性信息的表示方法。
为啥用二进制：可与逻辑运算统一，元器件容易实现二进制：01八进制：01234567十进制：0123456789十六进制：0123456789ABCDEF（分别代表10，11，12，13，14，15）例如：(11110101)2=（365）8=(245)10=(F5)16=(0F5)16,表示数时，前面可以加无数个零，不影响数的大小。
符号咋办呢？----机器数的原码，反码，补码。
机器数：n+1位二进制数中第n+1位表示符号，0表示正数，1表示负数。
真实数值（真值）：带符号的n位二进制数正数的原码，反码，补码是一样的。
举出计算机符号化的例子
0和1的思维概述
语义符号化;符号计算化;计算0(和)1化;0(和)1自动化;分层构造化;构造集成化
上述这段文字虽然很拗口，但是我们要理解其中的含义。
符号语义化
是指自然中的现象和思维均可以表达为0和1，具体可参见《易经》，其中对阴阳八卦的阐述确实与0和1的思想很相似。
符号计算化
是指用0和1可以进行算数和逻辑计算，其中的思想可参见数电的中逻辑运算，有“与”，“或”，“非”，“异或”运算。
计算0(和)1化
是指0和1可用电子技术实现，在大学会学习一门《数字电路基础》的课程，会对相应的电路进行介绍，到时候会更加深刻得感受0和1的魅力。
0(和)1自动化
是指电子技术实现逻辑运算，根据电路设计出可以实现逻辑运算的电路，同上可在数电中进一步认识与了解。
分层构造化
这里分层构造实现复杂运算，让“与”，“或”，“非”，“异或”运算组合成更多功能的电路，如加法器。
构造集成化
芯片–集成的复杂组合逻辑电路，让电路实现的功能更为强大。
