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第六章 计算与计算思维ppt

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第六章 计算与计算思维ppt

第六章 计算与计算思维ppt

【案例】毕加索画牛的抽象过程。
国内学者/专家的观点
计算思维是人类应具备的第三种思维 实验思维: 实验 观察 发现、推断与总结. ---观察与归纳 理论思维: 假设/预设 定义/性质/定理 证明. ---推理和演绎 计算思维: 设计, 构造 与 计算. ---设计与构造 计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分 当前环境下，理论与实验手段在面临大规模数据的情况下，不可避免地要
理。
【扩展】沃尔夫勒姆（Wolfram）在《一种新科学》书中指出：
自然界的本质是计算，但计算的本质必须用实验探索。 • 世界的底层规则是简单的、决定性的，但是这些规则生成
的人类行为却极端复杂。 • 我认为宇宙像pi一样，虽然无穷无尽但可以计算到任意精
度。 • 审视一下新出现的关于自然界的模型，我们会看到，基于
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
不要受各自专业认知的影响和干扰，这些观点“我学了文科 专业，就学不好计算思维”，“我学了文科专业就不需要计算 思维”是要不得的！
系统是龙，算法是睛，画龙要点睛。
解决问题的算法
• 算法是问题求解过程的精确描述。 • 求解一个问题时，可能会有多种算法可供选择。 • 算法选择：正确性，可靠性，简单性，存储空间，执
行速度等。 问题的抽象描述
• 对问题用数学形式描述它； • 检查描述是否合适，如果不合适，再换一种方式； • 通过反复尝试，达到满意的结果。
机器计算
知道计算规则，但超出人的计算能力，无法获得计算结果 人可能无法完成但却可由机器自动完成，借助于机器获得 计算结果 设计一些简单的规则，让机器通过重复执行来完成计算， 也就是使用机器来代替人进行自动计算，比如圆周率计算 等。

计算思维PPT

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• 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，其形式化基础建筑于 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 计算机学家必须计算性地思考，不能只是 数学性地思考。构建虚拟世界的自由使我 们能够设计超越物理世界的各种系统。
Байду номын сангаас 优点
• 计算思维建立在计算过程的能力和限制之 上，由人由机器执行。计算方法和模型使 我们敢于去处理那些原本无法由个人独立 完成的问题求解和系统设计。
• • • • •
概念化 根本技能 人的思维方式 数学和工程思维的互补与融合 本质是思想
概念化
• 计算机科学不是计算机编程。像计算机科 学家那样去思维意味着远不止能为计算机 编程，还要求能够在抽象的多个层次上思 维。
计算思维
Jeannette M. Wing 周以真 卡内基·梅隆大学教授
2006年3月，美国 卡内基·梅隆大学计算机 科学系主任 周以真（Jeannette M. Wing） 教授在美国计算机权威期刊 《Communications of the ACM》杂志 上给出，并定义的计算思维 （Computational Thinking）。周教授认 为：计算思维是运用计算机科学的基础概 念进行 问题求解、系统设计、以及人类行 为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列 思维活动。
根本技能
• 根本技能是每一个人 为了在现代社会中发 挥职能所必须掌握的 。刻板技能意味着机 械的重复。具有讽刺 意味的是，当计算机 像人类一样思考之后 ，思维可就真的变成 机械的了。
人的思维方式
• 计算思维是人类求解问题的一条途径，但 决非要使人类像计算机那样地思考。计算 机枯燥且沉闷，人类聪颖且富有想象力。 是人类赋予计算机激情。配置了计算设备 ，我们就能用自己的智慧去解决那些在计 算时代之前不敢尝试的问题，实现“只有 想不到，没有做不到”的境界。

计算机与计算思维 PPT

计算机与计算思维 PPT

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
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图灵机 模型）
可计算性理论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
计算的复杂性理论研究算法的时间复杂性和空间复杂
性
大家好
大家好
2
第1章 计算机与计算思维
《大学计算机基础》
大家好
3
本章提要
计算意义与计算思维 计算科学方法概论 可计算性与计算过程 计算思维的跨学科交融 计算机学科的核心概念
与问题求解
计算思维的技能
科学思维 逻辑思维 算法思维 效率思维 创新思维 伦理思维
大家好
4
计算思维（Computational thinking,CT）由美国 Carnegie Mellon 大学计算机科学教授周以真女士 于2006年提出
并且引人入胜的科学问题
大家好
6
Computation vs. Computing
Computation 是可用数学表示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（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 造计算机的活动,包括
②再由此试用数学方法导出 另一易于实验证实的数量 关系；
③然后通过实验证实这种数 量关系
对于实验思维来说，最为重
要的事情就是设计、制造大家好
22
实验仪器和追求理想的实
计算思维
计算思维最根本的内容，即其本质是抽象 （Abstraction）与自动化（Automation）

计算思维ppt

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祝晓
计算思维——定义
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 人类的行为。它包括了涵盖计算机 科学之广度的一系列思维活动。
概念化，不是程序化
根本的，不是刻板的技能
是人的，不是计算机的思维方式 数学与工程思维的互补能
力和限制之上，由人由机器执行。 计算方法和模型使我们敢于去处理 那些原本无法由个人独立完成的问 题求解和系统设计。
计算思维利用启发式推理来寻求解答，就是在不确定情况 下的规划、学习和调度。它就是搜索、搜索、再搜索，结 果是一系列的网页，一个赢得游戏的策略，或者一个反例。 计算思维利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间， 在处理能力和存储容量之间进行权衡。所以，我们应当传 播计算机科学的快乐、崇高和力量，致力于使计算思维成 为常识。

计算机计算与计算思维ppt课件

计算机计算与计算思维ppt课件
系统和理解人类行为，其本质是抽象和自动化----from 周以真。
训练与实践
不断训练，不断理解，才能 找出本质，才能创新
浮想联翩，由此 “看山还是山，看水还是水” 概念与知识
贯通，看得远， “看山不是山，看水不是水” 才能认识准确 “衣带渐宽终不悔，为伊销得人憔悴”
… …(请同学课后补充)
巴贝奇差分机与分析机
机械计算的简要发展历程是怎样的？ 从表示-自动存储-自动执行的角度
现代计算机：一般程序
Babbage机械计算机: (特定)程序 Pascal机械计算机: 自动计算
计算辅助工具
计算机、计算与计算思维 4. 电子自动计算-元器件?
电子自动计算-元器件
4.1 电子自动计算的突破在哪里？
4.3 什么是集成电路，其价值又在哪里呢？
集成电路时代的计算机器
集成电路的发明,1959
封装后的集成电路芯片
J.Kilby，集成电路发明者
第三代计算机IBM360,1964
能否将复杂的电路封装后作为新电路设计的元件呢？
复杂的电路 集成 封装 应用？
超大规模集成电路(VLSI)时代的计算机器
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
纳米存储/量子存储
感知输入
USB
固态硬盘 Removable

第六章 计算与计算思维

第六章 计算与计算思维

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
1-7
大学计算机基础与计算思维
Copyright © SWFU-BD&IE, 2018. All rights reserved.
什么是计算思维？
• 计算思维以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。 • 计算思维的根本问题是什么能被有效的自动进行。 • 为了机器的自动化，需要在抽象过程中进行符号转换
和建立计算模型。 • 计算思维需要考虑问题处理的边界，以及可能产生的
错误。
1-11
大学计算机基础与计算思维
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1-12
大学计算机基础与计算思维
Copyright © SWFU-BD&IE, 2018. All rights reserved.
【案例】毕加索画牛的抽象过程。
1-13
大学计算机基础与计算思维
Copyright © SWFU-BD&IE, 2018. All rights reserved.
国内学者/专家的观点
计算思维是人类应具备的第三种思维 ➢实验思维: 实验 观察 发现、推断与总结. ---观察与归纳 ➢理论思维: 假设/预设 定义/性质/定理 证明. ---推理和演绎 ➢计算思维: 设计, 构造 与 计算. ---设计与构造 计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分 当前环境下，理论与实验手段在面临大规模数据的情况下，不可避免地要

计算思维与思维导图ppt课件

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• 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。
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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。
• 计算思维不仅影响着美国，也影响着英国的教 育，在英国的爱丁堡大学，人们在一连串的研 讨会上探索与计算思维有关的主题。每次研讨 会，都有不少专家讨论计算思维对不同学科的 影响。研讨会上所涉及的学科已延伸到哲学、 物理、生物、医学、建筑、教育等各个不同的 领域。
• 国内有关计算思维的研究 上世纪80年代，钱学森先生在总结前人的
19
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。

计算机-计算与计算思维


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计算机-计算与计算思维
contents
目录
• 计算与计算思维概述 • 计算机基础知识 • 计算思维的核心概念 • 计算思维在各领域的应用 • 计算思维的培养与教育
01 计算与计算思维概述
计算的定义与历史
定义
计算是指通过某种方式将输入转换为输出的过程，通常涉及信息的处理和转换。
历史
计算的历史可以追溯到古代的算盘和计数系统，而现代计算机的发展则始于20 世纪初，经历了从机械式、电子管式、晶体管式到集成电路、超大规模集成电 路等阶段。
建筑设计
在建筑设计中，计算思维 用于模拟建筑结构的受力、 热传导等物理过程，实现 绿色、节能的设计。
电子设计
在电子设计中，计算思维 用于设计和优化电路板、 集成电路等，提高电子设 备的性能和稳定性。
商业决策
数据分析
通过计算思维，商业分析师可以 处理和分析大量的业务数据，为
决策者提供有价值的洞察。
供应链管理
数据清洗、处理和分析是数据建模的 关键步骤。
系统设计与评估
系统是由相互关联的组件组成的整体。
系统设计需要考虑整体的功能、性能和安全性。
系统评估是对系统性能、可靠性和安全性的评估 和测试。
04 计算思维在各领域的应用
科学计算
物理模拟
通过计算思维，科学家可以使用 计算机模拟复杂的物理现象，如
气候变化、材料力学等。
在工程学领域中，计算思维有助于解决复 杂的系统设计和优化问题，如机械设计、 航空航天工程等。
02 计算机基础知识
计算机硬件组成
01
02
03
04
中央处理器

计算思维和思维导图专题培训课件


发展史
O计算思维的提出 2006年3月，现任美国基金会计
算机和信息科学与工程部主任的周以真
教授，首次提出了计算思维的概念，并为此撰写 了针对大学所有新生的“计算思维”讲义，并以此作 为“怎样像计算机科学家一样思维”课程的主要教材。
O计算思维这一概念提出后，立即得到美国教育界的 广泛支持，也引起了欧洲的极大关注。目前，计算思 维是当前国际计算机界广为关注的一个重要概念，也 是当前计算机教育需要重点研究的课题。
O 这种思维将成为每一个人的技能组合成分，而不仅仅限于科 学家。普适计算之于今天就如计算思维之于明天。普适计算 是已成为今日现实的昨日之梦，而计算思维就是明日现实。
思维导图
概念
O 思维导图又叫心智图，是表达发射性思维的 有效的图形思维工具。是有效的思维模式， 应用于记忆、学习、思考等的思维“地图”， 有利于人脑的扩散思维的展开。
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。
O为了有效地求 解一个问题， 我们可能要进 一步问：一个
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。
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ppt

计算思维
2017级 教育技术 李东珊
一、总定义
1.概述 2.优点内容
二、计算思维
三、特性
四、总结
一、总定义
概述
• 2006年3月，周以真教授在美国计算机权威 杂志上指出：计算思维是运用计算机科学 的基础概念进行问题求解、系统设计、以 及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度 的一系列思维活动。
进一步地定义为：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问题怎样解决 的方法；是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码 译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型 检查方法；是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行 巨大复杂系统设计的方法，是基于关注分离的方法（SoC方 法）；是一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问 题的相关方面建模使其易于处理的思维方法；是按照预防、 保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系 统恢复的一种思维方法；是利用启发式推理寻求解答，也即 在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法；是利用海 量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力和存储 容量之间进行折衷的思维方法。
三、特性
• • • • •
概念化，不是程序化 根本的，不是刻板的技能 是人的，不是计算机的思维方式 数学和工程思维的互补与融合 是思想，不是人造物
四、总结
• 计算机科学的教授应当为大学新生开一门 称为“怎么像计算机科学家一样思维”的 课程，面向所有专业，而不仅仅是计算机 科学专业的学生。我们应当使入大学之前 的学生接触计算的方法和模型。我们应当 设法激发公众对计算机领域科学探索的兴 趣，而不是悲叹对其兴趣的衰落或者哀泣 其研究经费的下降。所以，我们应当传播 计算机科学的快乐、崇高和力量，致力于 使计算思维成为常识。
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1998年诺贝尔 化学奖奖励给 一个计算手段 的研究者-John Pople
训练与实践 不断训练，不断理解， 才能找出本质，才能创
联想与贯通
浮想联翩，由 此及彼，才能
新“看山贯通，看得远发，现“看山不是山，看水不是水”
概念与知识 才能认识准确 “衣带渐宽终不悔，为伊销得人憔悴” “看山是山，看水是水”
HCI：Human Computer Interaction
Theory
Machine Learning
Natural Language
Comp. Bio.
Biology
Comp. Economics
Graphics
Geometric Comp.
Algorithms
计算思维的提出
• “计算思维”是美国卡内基梅隆大学周以真教授提出 的一种理论。
• 计算思维是各个专业求解问题的基本途径。
为什么需要计算思维？
计算思 维
计ห้องสมุดไป่ตู้思维/计算能力
的学习
应用计
和训练
支持各学 算手段
计算机 及其通 用计算
知识/技能 Gap
科研究创
新的新型 计算手段
进行各 学科研 究和创 新
手段的
非计算机专业学
应用
生的未来计算能
当前的非计算机专
力
业计算机关注点
化学学科工作者 利用计算手段进 行学科的科学研 究
计算工具与思维方式的相互影响
• 家迪科斯彻：我们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。
• 计算的发展影响着人类的思维方式。
• 如，计算生物学改变了生物学家的思维方式； • 如，计算机博弈论改变着经济学家的思维方式； • 如，计算社会科学改变着社会学家的思维方式； • 如，量子计算改变着物理学家的思维方式。
机器计算
知道计算规则，但超出人的计算能力，无法获得计算结果 人可能无法完成但却可由机器自动完成，借助于机器获得 计算结果 设计一些简单的规则，让机器通过重复执行来完成计算， 也就是使用机器来代替人进行自动计算，比如圆周率计算 等。
a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c
人计算与机器计算的差别?
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
自动计算
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”
“人”计算 vs. “机器”计算
例如：求ax2+bx+c=0的根
人进行计算： 规则可能很复杂, 但计算量却可能很
人-求解
利用上述公式计 算得到x值
机器-求解
(1)从-n到n，产生x 的每一个整数值； (2)将其依次代入到 方程中计算; (3)如果其值使方程 式成立，则即为其 解；否则不是
小 人需要知道具体的计算规则 特定规则，只能求:
“昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路”
广义的计算就是执行信息变换，即对信息进行加工和处理。
许多自然的、人工的和社会的系统中的过程变化，自然而然是计 算的。如财务系统、搜索引擎等。
简单计算：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：需要研究简化的方法、规则。如一元二次方程解的公 式等。
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
• 周以真认为：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，它涵盖了计 算机科学的一系列思维活动。
什么是计算思维？
• 计算思维以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。 • 计算思维的根本问题是什么能被有效的自动进行。 • 为了机器的自动化，需要在抽象过程中进行符号转换
和建立计算模型。 • 计算思维需要考虑问题处理的边界，以及可能产生的
【案例】毕加索画牛的抽象过程。
国内学者/专家的观点
计算思维是人类应具备的第三种思维 实验思维: 实验 观察 发现、推断与总结. ---观察与归纳 理论思维: 假设/预设 定义/性质/定理 证明. ---推理和演绎 计算思维: 设计, 构造 与 计算. ---设计与构造 计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分 当前环境下，理论与实验手段在面临大规模数据的情况下，不可避免地要
用计算手段来辅助进行。
国际教育技术协会对计算思维的可操作性定义
• 计算思维是问题解决的过程，该过程包括以下特点：
（1）制定问题，并利用计算机和其他工具来解决该问题； （2）要符合逻辑地组织和分析数据； （3）通过抽象（如模型、仿真等）再现数据； （4）通过算法思想（一系列有序的步骤）支持自动化的解决方 案； （5）分析可能的解决方案，找到最有效的方案； （6）将该问题的求解过程推广并移植到更广泛的问题中。
大学计算机基础与计算思维 西南林业大学 大数据与智能工程学院
第六章 计算与计算思维
本章主要内容
6.1 计算 6.2 计算思维的含义特征、内容 6.3 计算思维的特征 6.4 计算思维
什么是计算？
计算就是基于规则的、符号集的变换过程，即从一个按照规则 组织的符号集合开始，再按照既定的规则一步步地改变这些符号 集合，经过有限步骤之后得到一个确定的结果。
错误。
计算思维的本质——抽象和自动化
抽象：有选择地忽略某些细节，控制系统的复杂性；完全超 越物理的时空观，符号化；抽象是在不同的层次上完成的。
自动化：机械地一步一步地自动执行，选择合适的计算机解 释执行问题的抽象。
在哥尼斯堡城的普莱格尔河上有7 座桥，将河中的两个岛和河岸连结， 问能否一次走遍7座桥，而每座桥 只允许通过一次，最后仍然回到起 始地点。
a1x1b1+a2x2b2+…+anxnbn=c
计算思维
• 为什么提出计算思维？ 学科的发展，知识的膨胀
Database & Data mining
Service Computing
Robotics
Hardware
Distributed Systems
Networking
Systems
AI
Design Security