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11 计算思维、数据结构与程序设计11.1 计算思维基础11.1.1 计算科学1.科学达尔文曾经给过这样的定义：科学就是整理事实，从中发现规律，得出结论。
爱因斯坦也给过一个定义：设法将人们杂乱无章的感觉经验加以整理，使之符合逻辑一致的思想系统，就叫科学。
美国的《韦伯斯特新世界词典》对科学是这样定义的：科学是从确定研究对象的性质和规律这一目的出发，通过观察、调查和实验得到的系统知识。
中国的《辞海》是这样描述科学的：科学是运用范畴、定理和定律等思维形式反映现实世界各种现象的本质和规律的知识体系。
综上所述，科学是反映现实世界中各种现象的本质和规律的知识体系。
它既能改变人的主观世界，也能改造人的客观世界，科学的发展对人类社会产生了广泛而深远的影响。
2.计算计算理论的观点认为，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开始，再按照既定的规则一步步地改变这些符号集，经过有限步骤之后得到一个确定的结果。
图灵奖获得者Richard M.Karp认为，很多自然的、人工的和社会的系统中的过程自然而然是计算的，计算就是执行信息变换。
这被称为广义的计算，即对信息进行加工和处理。
3.计算科学计算科学又称为科学计算，从计算角度来讲，计算科学是一个与数学模型构建、定量分析方法以及利用计算机来分析和解决科学问题相关的研究领域。
从计算机角度来讲，计算科学是应用高性能计算能力预测和了解客观世界物质运动或复杂现象演化规律的科学，包括数值模拟、工程仿真、高效计算机系统和应用软件等。
这一领域不同于计算机科学，同时也异于科学和工程学的传统形式一理论与实验。
在实际应用中，计算科学主要应用于对各个学科中的问题进行计算机模拟和其他形式的计算。
科学家和工程师设计开发了计算机程序和应用软件，来为被研究的系统创建模型，并以多种输人参数运行这些程序。
一般来说，这些模型需要大量的计算（通常为浮点计算），常在超级计算机或分布式计算平台上执行。
大学计算机科学算法知识点归纳总结计算机科学的一个重要分支就是算法，它是解决问题的具体步骤和方法的集合。
通过学习和掌握算法知识，我们可以更加高效地解决各种问题。
本文将对大学计算机科学中常见的算法知识点进行归纳总结。
一、排序算法排序算法是计算机科学中最基本也是最常用的算法之一。
它将一组元素按照特定的规则进行重新排列。
以下是几种常见的排序算法：1. 冒泡排序（Bubble Sort）冒泡排序通过相邻元素的比较和交换来实现排序，每一轮将最大的元素冒泡到末尾。
2. 插入排序（Insertion Sort）插入排序通过将元素逐个插入已经有序的部分来实现排序。
3. 快速排序（Quick Sort）快速排序是一种基于分治法的排序算法，通过选择一个基准元素和其它元素进行比较和交换来实现排序。
4. 归并排序（Merge Sort）归并排序是一种基于分治法的排序算法，将待排序序列分为若干个子序列，分别进行排序后再合并。
二、查找算法查找算法是在给定的数据集合中找到指定元素的算法。
以下是几种常见的查找算法：1. 顺序查找（Sequential Search）顺序查找是一种逐个比较的查找算法，从列表的开头依次比较每个元素，直到找到目标元素或遍历完整个列表。
2. 二分查找（Binary Search）二分查找是一种基于分治法的查找算法，通过将待查找的区间不断缩小，最终找到目标元素。
三、图算法图是由节点和边组成的一种数据结构，图算法是解决图相关问题的一种算法。
以下是几种常见的图算法：1. 深度优先搜索（Depth First Search）深度优先搜索是一种遍历和搜索图的算法，它以深度优先的方式访问节点。
2. 广度优先搜索（Breadth First Search）广度优先搜索是一种遍历和搜索图的算法，它以广度优先的方式访问节点。
3. 最小生成树（Minimum Spanning Tree）最小生成树是一个无环连通子图，它是图中边的一种子集，使得树上所有边的权值之和最小。
计算机与计算思维计算机与计算思维都是现代科技与信息时代的核心领域，它们相互关联且相辅相成。
计算机是一种能够处理数据、进行逻辑运算的机器，而计算思维则是人类在进行问题解决时运用逻辑、分析、推理等思维方式。
在计算机发展的过程中，计算思维的不断运用和发展推动并促进了计算机科学的进步。
本文将探讨计算机与计算思维的关系，以及计算思维的重要性。
计算机作为一种智能工具，无疑提高了人们的工作效率和生活质量。
它可以完成复杂的计算、存储大量的数据、实时处理大量的信息等。
计算机的发展离不开计算机科学的推动，而计算机科学的本质是计算思维。
计算思维是一种运用逻辑、分析和问题解决能力来处理问题的思维方式。
它主要包括思维模型、算法和抽象思维等。
计算思维能够帮助我们更好地理解问题，并采取合适的方式来解决问题。
计算机科学所运用的计算思维方式包括抽象思维。
在计算机科学中，抽象思维是指通过简化问题来提取问题的本质，从而更好地解决问题。
这种思维方式将问题的复杂性转化为一系列可管理的问题。
例如，计算机程序就是一种抽象，它将复杂的计算过程分解为逻辑上便于理解和实现的小块。
通过抽象，程序员可以将复杂的问题分解为更小的组件，并分别解决它们，最终将这些组件组合成一个能够解决整个问题的程序。
另一种计算思维方式是算法思维。
算法是一个确定的、有穷的、能够解决问题的一系列操作序列。
在计算机科学中，算法是解决问题的关键。
算法思维是将问题的求解过程分解为一系列的步骤，并确定每个步骤的执行顺序、终止条件等。
算法思维强调思考问题的过程，而不仅仅是寻找问题的解答。
通过算法思维，人们可以从逻辑上思考和分析问题，并根据问题的特点来选择合适的算法解决问题。
计算思维的运用不仅可以改进计算机科学领域，也可以用于其他领域。
例如，在教育领域，计算思维可以帮助学生培养逻辑思维和问题解决能力。
它可以帮助学生理解复杂的问题，并通过抽象和算法思维来解决问题。
此外，计算思维还可以帮助学生学习编程。
第2讲计算机与计算思维（二）课时内容计算机与计算思维（二）授课时间课时 2教学目标☑掌握二进制数与其他进制之间的数值转换☑了解计算机中信息的表示和存储☑了解计算思维教学重点☑计算机中的数据及其单位、计算机中字符的编码规则☑计算思维的概念和计算思维的本质教学难点☑数制及其转换的方法☑二进制数的运算方法☑计算机中字符的编码规则教学设计1、教学思路：（1）讲解计算机中信息的表示和存储，包括认识计算机中的数据及其单位，以及计算机中常用的进位数制的表示方法；（2）讲解计算机信息处理的表示，非数值数据的编码。
（3）讲解计算思维的概念。
2、教学手段：（1）通过演示讲解基础知识，以及常见的二进制数的运算例题，讲解结束后通过课后练习巩固所学知识；（2）对于重点内容着重讲解。
3、教学资料及要求：除教材中的实例外，可以补充讲解思维，逻辑思维，实验思维，计算思维的的特征和代表学科，以及计算思维的应用领域，加深学员的知识面。
教学内容讨论问题：1、什么是信息？2、怎么将二进制数转换成八进制、十六进制数？3、什么是计算思维？内容大纲：具体可结合本章的PPT课件进行配合讲解。
任务一数值及不同进制之间数值的转换任务要求：掌握进位计数制的基本概念；掌握不同进制数之间的互相转换。
相关知识：计算机表示数值的方法。
按进位的方法进行计数。
任务实现：（一）进位计数制按进位的方法进行计数，称为进位计数制。
为了电路设计的方便，计算机内部使用的是二进制计数制，即“逢二进一”的计数制，简称二进制（Binary）。
但人们最熟悉的是十进制（Decimal），所以计算机的输入/输出也要使用十进制数据。
此外，为了编写程序的方便，还常常会用到八进制（Octal）和十六进制（Hexadecimal）。
下面介绍这几种进位计数制和它们之间的转换。
1．十进制任意一个十进制数都可以表示为一个按位权展开的多项式之和，如十进制数5678.4可表示为：5678.4=5 ⨯103+ 6 ⨯102+ 7 ⨯101+8 ⨯100+ 4 ⨯10−1其中，103、102、101、100、10−1分别是千位、百位、十位、个位和十分位的位权。
1 / 11 大学计算机基础知识点 第一章 计算思维与计算机 1、三大科学思维——理论思维（以数学为基础的理论思维）、实验思维以物理为基础的实验思维、计算思维 2、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. 3、计算思维的本质：抽象+自动化 4、计算机是一种能存储程序和数据，自动执行程序、快速而精确地完成对各种数字化信息处理的电子设备 5、1946年(美)宾夕法尼亚大学第一台数字电子计算机 ENIAC诞生。 6、按照计算机所使用的逻辑部件将计算机的发展分为四代： 第一代：(1946-1957) 电子管时代 第二代：(1958-1964) 晶体管时代 第三代：(1965-1970) 中小规模集成电路 第四代：(1971－至今) 大规模、超大规模集成电路(出现网络，使用面日益广泛) 7、存储程序的工作原理是：在计算机中设置存储器，将程序和数据存放到存储器中，计算机按照程序指定的逻辑顺序依次取出存储器中的内容进行处理，直到得出结果。 计算机有两个基本能力：一是能够存储程序和数据 二是能够自动地执行程序 程序(Program) ：是指可以连续执行的一条条指令的集合 指令(Instruction) ：是指计算机完成某一种操作的命令 指令是一组二进制代码 操作码：指出进行什么操作 地址码：是规定操作数的值或地址、操作结果的地址及下一条指令的地址等
计算机硬件系统
运算器控制器内存储器外存储器存储器输入设备输出设备硬 件 2 / 11
第二章 数制（Numbering System）即表示数值的方法，有进位计数制和非进位计数制两种 进位计数制的基本特点如下: 使用固定个数的数码表示数值的大小 逢R进一 采用位权表示法
数制的转换 二进制、八进制、十六进制和十进制之间的转换 信息的存储单位（位、字节）除字节外，还有千字节(KB)、兆字节(MB)、吉字节(GB)、太字节(TB)，拍字节(PB)。它们的换算关系 原码、反码、补码之间的转换 ASCII（American Standard Code for Information Interchange）码，即美国标准信息交换代码。在这种编码方案中，用八位二进制（一个字节）来存放一个字符，常用字符有128个，编码从0到127 ASCII码无需记忆，只要了解0-9依次升高，a-z依次升高就可以 汉字的编码：区位码、国标码、机内码的转换 字形码所占字节的计算
第三章 微处理器也叫中央处理单元(CPU)，主要由运算器和控制器组成，是任何微型计算机系统中必备的核心部件。 内存储器 内存储器按其工作方式的不同，可以分为随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM) 。 ROM是只能读出信息而不能由用户写入信息的存储器，断电后，其中的信息也不会丢失。 RAM是指在CPU运行期间既可读出信息也可写入信息的存储器，但断电后，写入的信息会丢失。 注意：CPU只能直接对内存进行读写，而不能直接读写外存 为了解决主存RAM与CPU工作速度不匹配的问题，在CPU和主存之间设置了一级高速度、小容量的存储器，称之为高速缓冲存储器 外存储器即外存，其主要作用是长期存放计算机工作所需要的系统文件、应用程序、用户程序、文档和数据等。 外存中存储的程序和数据必须先送入内存，才能被计算机执行。 总线(BUS)是连接微机中各个部件的一组物理信号线，用于各部件之间的信息传输。 一次传输信息的位数称为总线宽度。 按照总线上传送信息类型的不同，可将总线分为数据总线、地址总线和控制总线。 3 / 11
控制总线(CB)：用控制总线来传送控制信号 地址总线(AB)：通常地址总线是单向的。地址总线的宽度与所寻址的范围有关，即地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，一般来说，若地址总线为n根，则可寻址空间为2n字节比如8位微机的地址总线为16根，则其最大可寻址空间为216＝64KB 数据总线(DB)：是CPU同各部件交换信息的通路。数据总线都是双向的。 BIOS:实际上就是微机的基本输入输出系统（Basic Input－Output System），其内容集成在微机主板上的一个ROM芯片上，主要保存着有关微机系统最重要的基本输入输出程序，系统信息设置、开机上电自检程序和系统启动自举程序等。
计算机软件是指为了充分发挥计算机硬件的效能和方便用户使用计算机而设计的各种程序和数据的总和。 软件分为：系统软件、应用软件 系统软件是指控制计算机的运行，管理计算机的各种资源，并为应用软件提供支持和服务的一类软件 操作系统(operating system)，它管理和控制计算机系统中的硬件及软件资源，为用户提供一个功能强大、使用方便且可扩展的工作环境，它是配置在计算机硬件上的第一层软件，是对硬件功能的扩充
应用软件是指用户为了解决各种实际问题而开发和研制的软件，它在系统软件的支持下运行
第四章 算法的特性：确定性、可行性、有穷性、有零个或多个输入、有一个或多个输出 算法的描述
图形符号 符号名称 说 明 起始、终止框 表示算法的开始或结束 输入、输出框 框中标明输入、输出的内容 处理框 框中标明进行什么处理 4 / 11
用自然语言表示：就是用人们所熟悉的自然语言把算法的各个步骤依次表示出来 用流程图表示：就是用一些大家共识的专用图形符号和带有箭头的流程线来表示算法 用程序设计语言表示 常量与变量 常量：在程序执行过程中，其值不发生改变的量称为常量 变量：在程序运行过程中，其值可以改变的量称为变量。 一个变量有一个名字 ，变量通过其名字来访问 变量的访问主要有“读”和“写”两种操作 运算符 ：用于告知计算机对数据进行操作的类型、方式和功能 表达式 :用运算符将运算对象（操作数或另一个表达式）连接起来的、符合语法规则的式子称为表达式。 控制语句对应的三种结构：顺序结构、选择结构、循环结构 常用算法：极值算法、求和算法、枚举算法、迭代算法
第五章 数据结构包括以下三方面内容： 逻辑结构、存储结构、和对数据的操作 ❖ 逻辑结构：数据元素之间逻辑上的关系，数据的组织形式。简称为数据结构. ❖ 数据的逻辑结构具体可分为四类： ① 集合 ② 线性结构 ③ 树型结构 ④ 图状结构 存储结构：数据元素以及数据元素之间的逻辑关系在计算机内存中的表示。一般地，一个存储结构包括以下两个主要部分 存储结点(简称结点),每个结点存放一个数据元素 ② 数据元素之间关系的表示，也就是逻辑结构的计算机内部表示 线性表: 是n(n≥O)个同类型数据元素(结点)的有穷序列。其中数据元素的个数n称为线性表的长度(简称表长)。表长为O的线性表称为空表。表示成：(a1，a2 …，an) 线性表逻辑结构的基本特征: ① 存在唯一的一个被称为“第一个”的数据元素和唯一的一个被称为“最后一个”的数据元素； ② 除第一个数据元素外，其他数据元素有且仅有一个直接前趋元素； ③ 除最后一个数据元素外，其他数据元素有且仅有一个直接后继元素
判断框 框中标明判定条件并在框外标明判定后的两种结果的流向
流程线 表示从某一框到另一框的流向 连接点 表示算法流向出口或入口连接点 5 / 11 线性表的顺序存储结构 顺序表是用一组地址连续的存储单元依次存储线性表的各个数据元素 特点：逻辑结构中相邻的结点在存储结构中仍相邻 在顺序表上实现插入和删除运算必须移动结点才能够反映出结点间逻辑关系的变化 (1) 插入：在表的第i(1≤i≤n+1)个位置上，插入一个新结点x，使线性表的长度加1 。基本步骤为： ① 将结点ai…an各后移一个位置,以便空出第i个位置； ② 将新结点x置入第i个位置； ③ 表长加l 删除：将表的第i(1≤i≤n)个结点删去，使线性表的长度减1。基本步骤为： ① 结点ai+1…an依次前移一个位置(覆盖被删结点ai)； ② 表长减1 单链表是用一组任意的存储单元来存放线性表的结点。 单链表的结点(每个存储单元)由数据域(data)和指针域(next)两部分组成；数据域用于存储线性表一个数据元素；指针域用于存放一个指针，该指针指向其直接后继结点。这样，所有结点通过指针链接起来,因此链表中结点的逻辑次序和物理次序不一定相同 特点：指针为数据元素之间的逻辑关系的映像 栈的逻辑结构和线性表相同，但是，栈(Stack)是仅限在表的一端进行插入和删除运算的线性表，通常称插入、删除这一端为栈顶，另一端称为栈底,表中无元素时为空栈 栈的运算原则是“先进后出” 插入运算称为进栈(或入栈) 删除运算称为退栈(或出栈) 基本运算为： 入栈、出栈、取栈顶元素 队列(Queue)，两头都有限制，插入只能在表的一端进行(只进不出)，而删除只能在表的另一端进行(只出不进)，允许删除的一端称为队头(front)，允许插入的一端称为队尾 (real) 队列(Queue)，两头都有限制，插入只能在表的一端进行(只进不出)，而删除只能在表的另一端进行(只出不进)，允许删除的一端称为队头(front)，允许插入的一端称为队尾 (real) 树是n(n≥0)个结点的有限集合。 在任意一棵非空树中: ① 有且仅有一个特定的称为根的结点： ② 当n>l时，其余结点分为m(m>0)个互不相交的非空集合T1，T2，…，Tm，其中每一个集合本身又是一棵树，并称为根的子树。 树是一种“分支层次”结构。 “分支”是指树中任一结点的子孙可以按它们所在的子树的不同而划分成不同的“分支”； “层次”是指树上所有结点可以按它们的层数划分成不同的“层次 度:树上任一结点所拥有的子树的数目称为该结点的度。 叶子或终端结点:度为0的结点称为叶子或终端结点。 非终端结点或分支结点:度大于O的结点称为非终端结点或分支结点。 树的度:一棵树中所有结点的度的最大值称为该树的度。 ➢ 若树中结点A是结点B的直接前趋，则称A为B的双亲或父结点，称B为A的孩子或子结点。 ➢ 父结点相同的结点互称为兄弟。 ➢ 一棵树上的任何结点(不包括根本身)称为根的子孙。
