计算思维导论全册配套最完整精品课件1.ppt

1、Computational Thinking 学校代码及名称学校代码及名称 整体水平整体水平 排名排名得分得分 清华大学1100 国防科学技术大学294 北京航空航天大学 388 浙江大学 哈尔滨工业大学587 北京大学 685 上海交通大学 南京大学883 东北大学 982 华中科技大学 中国科学技术大学1181 2011年5月 学校学校/机构机构排名排名/331PapersCitations Citations PerPaper 高被引 文章数 中国科学院422,2575,3752.3820 清华大学452,1665,2162.4118 浙江大学1131,2652,5061.9810 上海

2、交通大学1391,4012,1611.549 北京大学1956701,7092.558 西安交通大学2305051,5122.996 大连理工大学2704551,2792.815 华中科技大学华中科技大学2906981,1281.623 中国科学技术大学2934931,1122.262 哈尔滨工业大学3175821,0231.764 （2011年5月1日统计数据） 2013年1月 学校学校/ /机构机构排名排名/331PapersCitations Citations PerPaper 备注 中国科学院272,9278,9043.04 清华大学392,7587,6292.77 浙江大学911,

3、6314,0992.51 上海交通大学971,7693,8622.18 西安交通大学1498752,6543.03 北京大学1688672,5252.91 大连理工大学1787052,4403.46 华中科技大学华中科技大学2319552,0432.14 中国科学技术大学2356782,0072.96 哈尔滨工业大学2617681,8262.38 （2013年1月1日统计数据） （2014年9月12日统计数据） 什么是计算学科？什么是计算学科？ 计算学科是对描述和变换信息的计算学科是对描述和变换信息的算法过程算法过程，包，包 括对其理论、分析、设计、效率、实现和应用等进括对其理论、分析、设计、

4、效率、实现和应用等进 行的系统研究。它来源于对算法理论、数理逻辑、行的系统研究。它来源于对算法理论、数理逻辑、 计算模型、自动计算机器的研究，并与计算模型、自动计算机器的研究，并与存储式电子存储式电子 计算机计算机的发明一起形成于的发明一起形成于20世纪世纪40年代初期。年代初期。 Computer ScienceorComputing Science (sometimesabbreviatedCS)isthestudyofthe theoreticalfoundationsofinformationand computation,andofpracticaltechniquesforthei

5、r implementationandapplicationincomputer systems. (FromWikipedia) 计算学科计算学科的研究包括从算法与可计算性的的研究包括从算法与可计算性的研究研究到根到根 据可计算硬件和软件的实际据可计算硬件和软件的实际实现实现问题的研究。问题的研究。 科学与工程科学与工程技术两方面，两者互为作用，高度融合。技术两方面，两者互为作用，高度融合。 计算学科的根本问题是计算学科的根本问题是: 什么能被什么能被( (有效地有效地) )自动执行自动执行 计算机的历史作用计算机的历史作用 p 开辟了一个新时代开辟了一个新时代信息时代信息时代 p 孵化了一

6、类新产业孵化了一类新产业信息产业信息产业 p 创立了一门新学科创立了一门新学科计算机科学与技术计算机科学与技术 p 形成了一种新文化形成了一种新文化计算机文化计算机文化 把人类社会从工业时代推向信息时代，从物质产把人类社会从工业时代推向信息时代，从物质产 业时代推向信息产业时代，将极为深刻地改变人们业时代推向信息产业时代，将极为深刻地改变人们 的生产方式、生活方式与学习方式。的生产方式、生活方式与学习方式。 课程组织与安排 教材教材 ：战德臣战德臣,聂兰顺等著，陈国良（院士）主审聂兰顺等著，陈国良（院士）主审. 大学计算机大学计算机计算计算 思维导论，出版社：思维导论，出版社：电子工业出版社电

7、子工业出版社，出版日期：出版日期：2013-07 参考书：参考书： 1.Wing J M. Computational Thinking. Communications of the ACM , 2006 , 49 (3) 2.Wing J M. Computational Thinking and Thinking about Computing. 2008. http :/ / www. cs. cmu. edu/ wing/ publications/ Wing08a. pdf 3.周以真周以真. 计算思维计算思维. 中国计算机学会通讯中国计算机学会通讯, 2007 , 3 (11) 4

8、.王飞跃王飞跃. 从计算思维到计算文化从计算思维到计算文化. 中国计算机学会通讯，中国计算机学会通讯，2007，3(11) 5.董荣胜、古天龙：计算机科学与技术方法论，人民邮电出版社，董荣胜、古天龙：计算机科学与技术方法论，人民邮电出版社，2002.9 6.黄德修主编黄德修主编( 徐重阳徐重阳 、卢正鼎、朱光喜、孙德宝、张天序等参编、卢正鼎、朱光喜、孙德宝、张天序等参编)：信息科学：信息科学 导论，中国电力出版社，导论，中国电力出版社，2001.5 7.赵致琢赵致琢: 计算科学导论计算科学导论(第三版第三版), 科学出版社科学出版社, 2004 8.(J.G.)(Brookshear)布鲁克希

9、尔，计算机科学概论布鲁克希尔，计算机科学概论(第第9版版) , 2007 教材与参考教材与参考 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? (1)计算机与各种设备中的计算机? 形形色色的计算机 形形色色的计算机 计算机是什么? (2)各种应用中的计算机? 马克.安德森-前Netscape公司创始人，现风险投资人 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? 操作系统OS:分时OS,实时OS,网络OS,并行OS,移动OS,云OS, 中间件，如应用服务器, 消息中间件, 流程中间件,服务中间件, 硬件(裸机) 嵌入式/移动式(设备裸机)网

10、络化/互联化其他硬件 工具软件语言处理系统数据库管理系统 计算机辅助设计与制造软件CAx 企业管理软件ERP (3)如果其值使 方程式成立，则 即为其解；否则 不是 计算与自动计算 (2)人计算与机器计算的差别? u“人”计算vs.“机器”计算 利用上述公式 计算得到x值 自动计算要解决的几个问题:表示-存储-执行 u“数据”的表示 u“计算规则”的表示：程序 u数据与计算规则的“自动存储” u计算规则的“自动执行” a1x1b1+a2x2b2+anxnbn=c 计算与自动计算 (3)自动计算需要解决什么问题? 算盘能被认为是计算机吗? 九层算盘 一、加法口诀 直加 满五加 进十加 一: 一上

11、一 一下五去四 一去九进一 二: 二上二 二下五去三 二去八进一 三: 三上三 三下五去二 三去七进一 四: 四上四 四下五去一 四去六进一 五: 五上五 五去五进一 六: 六上六 六去四进一 六上一去五进一 七: 七上七 七去三进一 七上二去五进一 八: 八上八 八去二进一 八上三去五进一 九: 九上九 九去一进一 九上四去五进一 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

12、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 珠算珍品 计算与自动计算 (4)机械计算的探索? 帕斯卡与帕斯卡机-(准)第一台机械计算机 uBlaisePascal(16231662) u1642年研制成功一种齿轮式计算机器 帕斯卡机的意义：它告诉人们“用纯机械装置可代 替人的思维和记忆”。开辟了自动计算的道路。 计算与自动计算 (4)机械计算的探索? 莱布尼茨 uGottfriedWilhelmLeibniz(16461716)，德国数学家 u莱布尼茨机的意义：连续重复自动执行 u提出了二进制数及其计算规则 u数理逻辑的创始人 是基于十进

13、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? 其他重要工作 u1834年：巴贝奇(Charles Babbage)，分析机的概念- 可执行程序的机器。 u1805年：杰卡德(J. Jacquard)，打孔卡，实践了 输入手段问题。 u1854年：布尔创立布尔代 数，为数字计算机的电路设计 提供了理论基础。 u(请同学课后补充) 巴贝奇差分机与分析机 计算与自动计算 (4)机械计算的探索? 计算辅助工具 Pascal机械计算机:自动计算-固定的计算规则 Babbage机械计算机:(特定)程序 -可有限变化的计

14、算规则 现代计算机：一般程序 -任意可变的计算规则 机械计算的简要发展历程是怎样的？ u从表示-自动存储-自动执行的角度 计算与自动计算 (4)机械计算的探索? 计算与自动计算 (5)小结 电子自动计算-元器件 (1)自动计算需要解决的问题? 二进制vs.十进制 由元器件到系统 电子管时代的计算机器 人类第一只电子管 (真空二极管),1895 电子管计算机ENIAC,1946年,17468只电子管 电子自动计算-元器件 (2)电子自动计算的突破在哪里？ 存储0和1的元器件 电子管时代的计算机器 u冯.诺伊曼(VonNeumann)电子计算 机EDVAC问世 u将运算和存储分离，运算速度却比 拥

15、有18000个电子管的“ENIAC”提高 了10倍 u结构上的创新：“冯.诺伊曼计算机”。 运算规则和数据是否可事 先存储于存储器中，以便 机器连续的执行呢？ 运算和存储怎样分离呢？ ? 电子自动计算-元器件 (2)电子自动计算的突破在哪里？ 晶体管时代的计算机器 人类第一只晶体管 (真空二极管),1947 第一台晶体管计算机TRADIC，1953 电子自动计算-元器件 (3)晶体管发现的价值在哪里呢？ 怎样使体积更小?可靠性更高?可控性更灵活呢? ? 集成电路时代的计算机器 集成电路的发明,1959 第三代计算机IBM360,1964 J.Kilby，集成电路发明者 封装后的集成电路芯片 电

16、子自动计算-元器件 (4)什么是集成电路，其价值又在哪里呢？ 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 第四代计算机个人计算机,1981VLSI芯片及其封装的内部电路 电子自动计算-元器件 (4)什么是集成电路，其价值又在哪里呢？ 摩尔定律-每18个月芯片能力增长一倍 电子管:可自动控制0和1变化 的元件 晶体管 集成电路:可自动实现 一定变换的元件 超大规模集 成电路 (VLSI) 自动计算中的元器件的发展 u从表示-自动存储-自动执行的角度 l体积越来越小； l可靠性越来越高； l电路规模越来越大； l速度越来越快

17、； l功能越来越强大。 电子自动计算-元器件 (5)元器件发展的轨迹是怎样的，每个阶段要解决什么问题？ 自动计算中的元器件的发展启示 InputOutput Transform Input1Output1 Transform1 Input2Output2 Transform2 Input3Output3 Transform3 Input1Output1 Transform1 Input2Output2 Transform2 Input3Output3 Transform3 AB Transform4 电子自动计算-元器件 (5)元器件发展的轨迹是怎样的，每个阶段要解决什么问题？ 电子自动计算-

18、计算机系统 (1)自动计算需要解决的问题? 二进制vs.十进制 由元器件到系统 计算机系统要解决的几个问题 u“控制与计算”-微处理器 u“输入”-如何将外部信息输入到计算机中? u“输出”-如何将计算机中信息输出到外界(显示或打印)? u“永久存储与临时存储”-如何将计算机中的信息永久保存或临时保存? 电子自动计算-计算机系统 (2)计算机系统的构成包括哪些部分？ u字长：8位16位32位64位 u主频：几MHz几百MHz几GHz u晶体管数量：几万几百万几亿颗 u功能/规模：微处理器微处理器+协处理 器(浮点运算)微处理器+图形处理单元 GPU微处理器+3D处理器+多媒体处理器 多核微处理

19、器 微处理器的发展 1999 PentiumIII 2005 双核 CORE 2010 八核-十核 COREi系列 1974 8086/8088 1982 Intel80286 1985 Intel80386 1989 Intel80486 1993 Pentium 1997 PentiumII 电子自动计算-计算机系统 (3)控制与计算-微处理器-计算机系统的核心？ 存储设备 存储设备 类别 发展水平 固态硬盘 USBRemovabledisk FlashRAM 磁带/磁芯/磁鼓存储 磁盘存储(硬盘与软盘) 光盘存储(CD-ROM, CDR/W,DVD) 汞延迟线 纳米存储/量子存储 半导体

20、存储(ROM/RAM) 体积越来越小 容量越来越大 访问速度越来越快 可靠性越来越高 功耗越来越低 持久性越来越好 DRAM半导体存储器芯片 FlashRAM存储器 U-Disk固态硬盘 磁芯存储器 电子自动计算-计算机系统 (4)怎样解决大规模快速存储问题？ 输入设备类别 发展水平 穿孔纸带 (0/1输入) 键盘输入 (符号输入) 鼠标输入 (点输入) 感知输入 (接触式感知输入 非接触式感知输入) 输入设备 电子自动计算-计算机系统 (5)怎样解决输入问题？ 输出设备 (显示器) 类别 发展水平 CRT：阴极射线管 (模拟显示器：黑白与彩色) CRT:字符发生器 (向量式模拟显示器:输出字

21、符) CRT:数字光栅扫描显示器 (基于内存的显示:输出图形) 3D显示器：3维图形 数字显示器：高清图形 (液晶、等离子技术) GPU芯片 多显示卡并联 分辨率越来越高 颜色越来越逼真 显示速度越来越快(屏幕刷新速度和图 形处理速度) 越来越薄，越清晰 可视角度越来越接近平角 输出设备-显示及显示控制 电子自动计算-计算机系统 (6)怎样解决输出问题？ 计算机系统的发展 微处理器存储设备 输出设备 (显示器) 输入设备 类别 发展水平 (字长;主频;晶体管数目) (8位;5M;1万颗) (16位;20M;10万颗) (32位;60M;300万颗) (32位;1G;2800万颗) (64位;1

22、0G;3亿颗) (64位;10G;10亿颗) 穿孔纸带 (0/1输入) 键盘输入 (符号输入) 鼠标输入 (点输入) 感知输入 (接触式感知输入 非接触式感知输入) CRT：阴极射线管 (模拟显示器：黑白与彩色) CRT:字符发生器 (向量式模拟显示器) CRT:数字光栅扫描显示器 (基于内存的显示) 3D显示器 数字显示器 (液晶、等离子技术) 固态硬盘 USBRemovabledisk FlashRAM 磁带/磁芯/磁鼓存储 磁盘存储(硬盘与软盘) 光盘存储(CD-ROM, CDR/W,DVD) 汞延迟线 纳米存储/量子存储 半导体存储(ROM/RAM) 电子自动计算-计算机系统 (7)计

23、算机系统各主要部件的发展趋势是什么？ 电子自动计算-计算机系统 (8)小结 微处理器 中央处理单元CPU 内存与外存 世界上最小台式电脑-如同拇指大小 平板电脑-AppleIPAD 智能手机 计算系统之发展趋势 (1)微型化趋势是怎样的? 微型化：可嵌入、可携带 Amassivelyparallelsupercomputerusingtensof thousandsofembeddedPowerPCprocessorssupportinga largememoryspaceWithstandardcompilersandmessage passingenvironment IBM-BlueGe

24、ne(蓝色基因):Milestoneof anIntelligentMachine 大型化：可进行大规模、复杂计算 计算系统之发展趋势 (2)大型化趋势是怎样的？ 2010.11,超级计算机500强第一名：天河一号A- 中国 14336颗IntelXeonX56702.93GHz六核心处理器 2048颗我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理 器 7168块NVIDIATeslaM2050高性能计算卡 总计:186368个核心,224TB内存。 实测运算速度可以达到每秒2570万亿次(这意味着 ，它计算一天，相当于一台家用电脑计算800年) 大型化：可进行大规模、复杂计算 超级计算机500强

25、 计算系统之发展趋势 (2)大型化趋势是怎样的？ 汽车生产线上的机器人 水下机器人智能化 理解自然语言，具有自适应性， 自主完成复杂功能 计算系统之发展趋势 (3)智能化趋势是怎样的？ InternetofServices InternetofNetworks InternetofThings Internetof3DWorlds For people and enterprises 网络化 “未来互联网”-FutureInternet 机-机相联，物-物相联，物-人相联，人-人相联 计算系统之发展趋势 (4)网络化趋势是怎样的？ 网络化 计算系统之发展趋势 (4)网络化趋势是怎样的？ IBM

26、提出智慧地球，SmartPlanet。 交通电力能源物流 uInstrumented uInterconnect uIntelligent 什么是计算思维? (1)为什么提出计算思维？学科的发展，知识的膨胀 Systems Theory AI Comp.Bio. GeometricComp. Graphics HCI：HumanComputer Interaction DistributedSystems ServiceComputing Hardware Robotics Database 知识网; 服务网; 社会网 抽象抽象自动化自动化 事务管理 与数据库 数据分析与 数据仓库 数据聚集

27、与大数据 量子计算量子计算/ 光子计算光子计算 移动计算移动计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算物理学 计算化学计算化学 计算经济学计算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计算企业计算 计算工程学计算工程学 服务计算服务计算 云计算云计算 社会计算社会计算 计算广告学计算广告学 媒体计算媒体计算 纳米计算纳米计算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学 神经计算神经计算 什么是计算思维? (6)大学计算思维教育空间-计算之树？ 模型模型 语言语言协议协议 系统系统 编译器编译器 编解编解 码器码器 大学计算思维教育空间计算之树? (1)奠基性的计算思

28、维有哪些? 计算之树的第一个维度计算技术的奠基性思维 n“0和1”思维-符号化计算化自动化 0和1是实现任何计算的基础；社会/自然与计算融合的基本手段；0和1是 连接硬件与软件的纽带；0/1是最基本的抽象与自动化机制。 n“程序”思维-千变万化复杂功能的构造、表达与执行 程序是基本动作(指令)的各种组合，是控制计算系统的基本手段 n“递归”思维-无限事物及重复过程的表达与执行方法 递归是最典型的构造程序的手段；递归函数是可计算函数的精确的数学描 述；递归函数是研究计算学科理论问题的基础 计算之树的第一个维度计算技术的奠基性思维 大学计算思维教育空间计算之树? (1)奠基性的计算思维有哪些? 云

29、计算云计算 环境环境 大学计算思维教育空间计算之树? (2)通用计算环境是如何演化的? 计算之树的第二个维度通用计算环境的进化思维 个人计算机 冯.诺依曼 计算机 云计算 环境 并行分布 计算环境 Thetoolsweusehaveaprofoundinfluenceonourthinking habits,andtherefore,onourthinkingabilities. -fromEdsgerDijkstra,1972TuringAwardsreceiver. 大学计算思维教育空间计算之树? (2)通用计算环境是如何演化的? 通用计算环境的进化思维 算法算法 系统系统 云计算云计算

30、环境环境 大学计算思维教育空间计算之树? (3)为什么算法和系统很重要? 计算之树的第三个维度交替促进 与共同进化的问题求解思维 算法算法 系统系统 云计算云计算 环境环境 大学计算思维教育空间计算之树? (3)为什么算法和系统很重要? 计算之树的第三个维度交替促进 与共同进化的问题求解思维 n“算法”：问题求解的一种手段构造与设计算法 n算法是计算的灵魂；算法强调数学建模；算法考虑的是可计算性与计算复 杂性；算法研究通常被认为是计算学科的理论研究。 n“系统”：问题求解的另一种手段构造与设计系统 系统是改造自然的手段；系统还强调非数学建模；系统考虑的是如何化复 杂为简单(使其能够被做出来)；

31、系统还强调结构性、可靠性、安全性等。 系统是龙，算法是睛，画龙要点睛。 云计算云计算 环境环境 算法算法 系统系统 量子计算量子计算/ 光子计算光子计算 移动计算移动计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算物理学 计算化学计算化学 计算经济学计算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计算企业计算 计算工程学计算工程学 服务计算服务计算 云计算云计算 社会计算社会计算 计算广告学计算广告学 媒体计算媒体计算 纳米计算纳米计算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学神经计算神经计算 大学计算思维教育空间计算之树? (4)计算与社会/自然如何融合的? 计算之树的

32、第四个维度计算与社会/ 自然环境的融合思维 云计算云计算 环境环境 算法算法 系统系统 自然现象的计算 的表达与推演 社会社会/自然自然 的计算化的计算化 抽象抽象 用社会/自然所接受的 形式体现计算及结果 计算计算/求解求解 的自然化的自然化 自动化自动化 量子计算量子计算/ 光子计算光子计算 移动计算移动计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算物理学 计算化学计算化学 计算经济学计算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计算企业计算 计算工程学计算工程学 服务计算服务计算 云计算云计算 社会计算社会计算 计算广告学计算广告学 媒体计算媒体计算 纳米计算

33、纳米计算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学神经计算神经计算 大学计算思维教育空间计算之树? (4)计算与社会/自然如何融合的? 云计算云计算 环境环境 算 法 系 统 量子计算量子计算/ 光子计算光子计算 移动计算移动计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算物理学 计算化学计算化学 计算经济学计算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计算企业计算 计算工程学计算工程学 服务计算服务计算 云计算云计算 社会计算社会计算 计算广告学计算广告学 媒体计算媒体计算 纳米计算纳米计算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学神经计算神经计算 自然现象的计算自然现

34、象的计算 的表达与推演的表达与推演 社会社会/自然自然 的计算化的计算化 抽象抽象 用社会用社会/自然所接受的自然所接受的 形式体现计算及结果形式体现计算及结果 计算计算/求解求解 的自然化的自然化 自动化自动化 模型 语言协议 系统系统 编译器编译器 编解编解 码器码器 业务-计算 人-计算机 机-机，物-物 大学计算思维教育空间计算之树? (4)计算与社会/自然如何融合的? 云计算云计算 环境环境 算法算法 系统系统 局域网/广 域网：机 器网络 互联网： 信息网络/ 广义资源 网络 物联网; 知识网; 服务网; 社会网 事务管理 与数据库 数据分析与 数据仓库 数据聚集 与大数据 量子计

35、算量子计算/ 光子计算光子计算 移动计算移动计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算物理学 计算化学计算化学 计算经济学计算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计算企业计算 计算工程学计算工程学 服务计算服务计算 云计算云计算 社会计算社会计算 计算广告学计算广告学 媒体计算媒体计算 纳米计算纳米计算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学 神经计算神经计算 大学计算思维教育空间计算之树? (5)为什么网络化思维、数据化思维很重要？ 计算之树的第五和第六个维度网络化思 维和数据化思维 云计算云计算 环境环境 算法算法 系统系统 社会社会/自然自然 的计算

36、化的计算化 计算计算/求解求解 的自然化的自然化 自然现象的计算 的表达与推演 用社会/自然所接受的 形式体现计算及结果 局域网/广 域网：机 器网络 互联网： 信息网络/ 广义资源 网络 物联网; 知识网; 服务网; 社会网 抽象抽象自动化自动化 事务管理 与数据库 数据分析与 数据仓库 数据聚集 与大数据 量子计量子计 算算/光子光子 计算计算 移动计算移动计算 生物计算生物计算 计算生物学计算生物学 计算物理学计算物理学 计算化学计算化学 计算经济学计算经济学 计算统计学计算统计学 计算金融学计算金融学 企业计算企业计算 计算工程学计算工程学 服务计算服务计算 云计算云计算 社会计算社会

37、计算 计算广告学计算广告学 媒体计算媒体计算 纳米计算纳米计算 智能计算智能计算 计算语言学计算语言学 神经计算神经计算 大学计算思维教育空间计算之树? (5)为什么网络化思维、数据化思维很重要？ 计算机计算机科学计算科学 u计算思维的学习方法 （1）“知识/术语”随着“思维”的学习而展开，“思维”随着“知识”的贯通而形 成，“能力”随着“思维”的理解而提高。 （2）从问题分析着手，强化如何进行抽象，如何将现实问题抽象为一个数学问题或者 一个形式化问题，提高问题表述及问题求解的严谨性。 （3）通过图示化方法来展现复杂的思维可以一目了然；通过规模较小的问题求解示例 来理解复杂问题的求解方法；通过

38、从社会/自然等人们身边的问题理解到计算科学家是 如何进行问题求解。 （4）追求“问题”及问题的讨论，通过逐步地提出问题，使自己从一个较浅的理解层 次逐步过渡到较深入的理解层次，通过不同视角和递阶的讨论，使自己理解和确定前 行的方向。 （5）宽度与深度相结合，从宽度学习开始，深度学习结束，既能够使自己理解相关的 思维与知识，还能够有助于建立起较为科学的研究习惯与研究方法。 （6）思维蕴含在案例中，案例蕴含着思维。 阅读书籍、阅读文献、网上搜索、梳理思路(记笔记) 大学计算思维教育空间计算之树? (6)怎样学习计算思维? 0和1与易经 -语义符号化表达与计算 易经是什么? 0和1与易经-语义符号化

39、表达与计算 (1) 易经是什么? 八卦？预测与占卜？算命？ 自然现象及其变化规律 人事现象及其变化规律 其他现象及其变化规律 天 地 风雷 日月 山泽 ？ 将现象抽象为符号，进行符号组合，利用符号组合表达自然现象 0和1与易经-语义符号化表达与计算 (2) 易经怎样表达自然现象? 符号化的六十四卦图 更多的组合，更多的语义，更多的变化 0和1与易经-语义符号化表达与计算 (2) 易经怎样表达自然现象? 0和1与易经-语义符号化表达与计算 (3) 易经怎样区分各种组合要素? 待区分的命名 阴阴(六六) 阳阳(九九) 三个阴阳构成的一个组合卦卦 一个组合中的某一位置爻爻 三画阴阳可能出现的八种组合

40、乾、坤、坎、离、艮、兑、震、巽乾、坤、坎、离、艮、兑、震、巽 一卦中的三个位置一爻、二爻、三爻一爻、二爻、三爻 一个位置可能出现阴和阳阳阳(九九)爻，阴爻，阴(六六)爻爻 一个位置可能出现阴和阳，结合卦 中不同位置组合 九一爻、六一爻、九二爻、六二爻九一爻、六一爻、九二爻、六二爻 、九三爻、六三爻、九三爻、六三爻 符号化的关键是区分与命名-术语体系 冬至一阳生 夏至一阴生 0和1与易经-语义符号化表达与计算 (4) 易经怎样研究自然现象的变化? 符号化的目的是基于符号的演算-符号组合的变化方式 “卦”之间的变化规律是什么？ “卦”及之间变化反映的语义又 是什么？ 生命演化规律 气候演化规律 阴

41、、阳 卦、爻 卦变、爻变 将符号再赋予语义-“本”与“用”：抽象与具体化 现象本体用体 天(自然空间)乾(抽象空间)父(家庭空间)，首(身体空间)，马(动物空间) 0和1与易经-语义符号化表达与计算 (5) 易经中为什么称乾坤而不称天地? 符号化 0/1及其 组合 0/1组合的变化/ 基于0/1的计算 再语义化 自然/社 会现象 自然/社会 现象变化 规律 计算化 由“易经”看“符号化及符号计算”? 0和1与易经-语义符号化表达与计算 (6) 小结? 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； 0和1与易经-语义符号化表达与计算 (6) 易经在“符号化-计算化

42、-自动化”思维中的位置? 0和1与逻辑 -思维符号化表达与计算 逻辑是指事物因果之间所遵循的规律，是现实中普适的思维方式 u逻辑的基本表现形式是命题与推理，推理即依据由简单命题 的判断推导得出复杂命题的判断结论的过程。命题由语句表述， 即内容为“真”或为“假”的一个判断语句！ 例如在一次中学生测验中，有三位老师做了预测：A.学习委员及格；B.有人不及格； C.全班都不及格。在考试后证明只有一个老师的预测是对的，请问谁对谁错？ 求解过程： 命题A：“学习委员及格(即有人及格)”； 命题B：“有人不及格”； 命题C：“全班都不及格”； 由题目假设和命题之间关系得出“已知”：A、B、C只有一个为真

43、如果A真，则C假；如果C真，则A假； 如果B真，而A,C可能有一个为真，与题矛盾，所以B为假。 如果B假，则“全班都及格”为真，而由此推断C为假。 由上“已知”，推理：A为真。 0和1与逻辑-思维符号化表达与逻辑运算 (1) 什么是逻辑? “与”运算：两把钥 匙都有才能开门 “或”运算：只要有任何 一把钥匙便能开门 思维的符号化及其计算-基本逻辑运算 一个命题由X,Y,Z等表示，其值可能为“真”或为“假”。 则两个命题X,Y之间是可以进行运算的： p“与”运算(AND):当X和Y都为真时,XANDY也为真;其他情况, XANDY均为假。 p“或”运算(OR):当X和Y都为假时,XORY也为假;

44、其他情况,X ORY均为真。 p“非”运算(NOT):当X为真时,NOTX为假;当X为假时,NOTX为 真。 p“异或”运算(XOR):当X和Y都为真或都为假时,XXORY为假; 否则,XXORY为真。 0和1与逻辑-思维符号化表达与逻辑运算 (2) 有哪些基本的逻辑运算操作? 用0和1来表示逻辑运算 n“与”运算AND： 有0为0，全1为1 n“或”运算OR： 有1为1，全0为0 n“非”运算NOT： 非0则1，非1则0 n“异或”运算XOR： 相同为0，不同为1 注:1表示真，0表示假 0 AND0 0 0 AND1 0 1 AND0 0 1 AND1 1 1 OR1 1 1 OR0 1

45、0 OR1 1 0 OR0 0 NOT0 1 NOT1 0 1 XOR1 0 1 XOR0 1 0 XOR1 1 0 XOR0 0 0和1与逻辑-思维符号化表达与逻辑运算 (3) 怎样符号化逻辑并进行计算? 命题A：“学习委员及格(即有人及格)” 命题B：“有人不及格” 命题C：“全班都不及格” 已知：(AAND(NOTC)OR(NOTA)ANDC)=1 (NOTB)AND(AAND(NOTC)OR(NOTA)ANDC)=1 (NOTB)AND(NOTC)=1 组合形成所有可能解 ,， 将上述可能解代入已知条件，使所有已知条件都满足的便是问题的解： 。 1-真0-假 一个命题用A、B等符号表达

46、，其中符号的值可能为0，也可能为1 0和1与逻辑-思维符号化表达与逻辑运算 (3) 怎样符号化逻辑并进行计算? 将逻辑表达为0和1及其运算 可深入学习 1)Aristotle(亚里士多德)(公元前384322)。古希腊哲学家：形 式逻辑。 典型概念：命题，推理，三段论 2)Leibnitz(莱布尼茨)(16461716)。德国数学家：数理逻辑。 典型概念：谓词，谓词演算 3)Boole(布尔)(18151864)。英国数学家，布尔代数 典型概念：布尔量,布尔值,布尔运算,布尔操作 4)其他：时序逻辑(TemporalLogics)、模态逻辑(ModalLogics)、归 纳逻辑(Inducti

47、veLogics)、模糊逻辑(FuzzyLogics)、粗糙逻辑 (RoughLogics)、非单调逻辑等 0和1与逻辑-思维符号化表达与逻辑运算 (4) 逻辑研究有哪些? 符号化 0和1 基于0/1的计算 再语义化 计算化 由“逻辑”看“符号化及符号计算”? 0和1与逻辑-思维符号化表达与逻辑运算 (5) 小结? 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； 0和1与逻辑-思维符号化表达与逻辑运算 (6) 逻辑在“符号化-计算化-自动化”思维中的位置? 0和1与数值性信息 u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。 u二进制 0

48、和1与数值-二进制与算术运算 (1) 怎样用0和1表达数值性信息? 数值性信息 =127+126+125+124+023+122+021 +120+02-1+12-2=(245.25)十 例如：(11110101.01)二 76543210.-1-2 2726252423222120.2-12-2 数位的权值 数位 二进制数 基于二进制的算术运算 u计算规则简单,与逻辑运算能够统一起来；元器件容易实现。 0和1与数值-二进制与算术运算 (2) 为什么要用二进制? Si=(AiXORBi)XORCi Ci+1=(AiXORBi)ANDCi)OR(AiANDBi) Si=AiXORBi Ci+1=

49、AiANDBi 不考虑进位 考虑进位 ur进制： 0和1与数值-二进制与算术运算 (3) 二进制有什么不足，怎样解决? 数值性信息 (dn-1dn-2d2d1d0.d-1d-2d-m)r n-1n-2210.-1-2-m rn-1rn-2.r2r1r0.r-1r-2r-m =dn-1rn-1+dn-2rn-2+d2r2+d1r1+d0r0+d-1r-1+d-2r-2+d-mr-m - -= 1n mi i i rd = 数位的权值 数位 r进制数 u十六进制：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A(10),B(11),C(12),D(13),E(14),F(15) u八进制：0,1,2,3

50、,4,5,6,7 u十进制：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 (365.2)10,（11011.01)2,（3460.32)八,(596.12)十六 (753.37)八=753.37O =782+581+380+38-1+78-2 =(491.484375)十 (753.37)十六=753.37H=0 x753.37 =7162+5161+3160+316-1+716-2 =(1875.2148)十 (753.37)十二 =7122+5121+3120+312-1+712-2 =(1071.2986)十 同一个数串，由于进位制不同其所表达的数值大小也是不同的 245的十进制表示记为： 2