計算機科學(xué)導(dǎo)論

1、計算機科學(xué)導(dǎo)論Introduction to Computer Science教師信息華蓓（前5周）：辦公室電話：63607043郵箱：bhua 教學(xué)主頁：/bhua許胤龍（后5周）：辦公室電話：63601013郵箱：ylxu課程簡介教學(xué)目標(biāo)：了解計算機專業(yè)要學(xué)什么、專業(yè)的起源與發(fā)展、將來能從事什么職業(yè)熟悉計算機的使用學(xué)時：20學(xué)分：1課程類型：考查教材計算機科學(xué)引論（Computing Essentials）（2017英文精編版），機械工業(yè)出版社教材特點：內(nèi)容淺顯，不深奧技術(shù)脈絡(luò)清晰：歷史、現(xiàn)狀、未來內(nèi)容豐富：基本概念和術(shù)語，計算機使用技能及技巧，就業(yè)崗位，倫理及環(huán)境問題等原版教材，可讀性好

2、課程作業(yè)思考題（不用交）：每一章有小結(jié)和思考題，答案在書上都能找到小實踐（自已做）：Making IT work for youTips課程報告（要交?。簭母髡陆o出的DISCUSSION中選擇一個感興趣的問題，做一個5分鐘左右的介紹，要求有PPT，用手機錄成視頻后提交到課程網(wǎng)站課程報告訓(xùn)練的能力從網(wǎng)上查找資料，篩選有用的素材理解材料的內(nèi)容，歸納要點，形成自己的觀點做PPT（基本要求）：每一張片子有一個中心內(nèi)容，語句組織有條理，文字表述簡明扼要，字體及圖表大小合適片子之間過渡自然演講（基本要求）：聲音響亮，咬字清楚，語言不拖沓論點明確，敘述有條理，時間掌握好制作符合要求的作業(yè)，從網(wǎng)上提交計算機

3、科學(xué)與技術(shù)學(xué)科計算機科學(xué)是算法的科學(xué)現(xiàn)代計算機產(chǎn)生的基礎(chǔ)：數(shù)理邏輯學(xué)家發(fā)現(xiàn)，任何一個計算問題都可以變成一個邏輯推導(dǎo)問題，而且邏輯推導(dǎo)只需要“與”、“或”、“非”三種基本操作物理學(xué)家發(fā)明了半導(dǎo)體技術(shù)，可以用非常可靠的電子線路實現(xiàn)這三種基本操作，進而生產(chǎn)出晶體管和集成電路20世紀60年代確定了“計算機科學(xué)”的概念，即計算機科學(xué)是算法的科學(xué)：計算機科學(xué)是跟思維相關(guān)的科學(xué)：算法本身是一個思維的過程，程序只是用來實現(xiàn)了算法計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)科：涉及計算理論、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機應(yīng)用的學(xué)科計算理論：研究算法及計算復(fù)雜性，將計算問題分成P問題（有多項式時間的算法）和NP問題（無多項式時

4、間的算法）計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：研究高效的計算機系統(tǒng)的軟、硬件實現(xiàn)計算機應(yīng)用：將計算機應(yīng)用于各個領(lǐng)域的理論、方法和技術(shù)計算機學(xué)科正處于歷史最佳發(fā)展期計算機學(xué)科正處在一個前所未有的發(fā)展機遇期：超級計算機：每秒百億億次的E級計算機5G網(wǎng)絡(luò)：整部超高畫質(zhì)電影可在1秒之內(nèi)下載完成移動互聯(lián)網(wǎng)：一部手機走天下互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)：萬物互聯(lián)人工智能：機器人戰(zhàn)勝人類棋手、無人超市、自動駕駛、IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景前一代信息技術(shù)正站在風(fēng)口上中國制造2025戰(zhàn)略和“互聯(lián)網(wǎng)”，都離不開電子信息產(chǎn)業(yè)的支撐“云大物移智”（云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、智能控制）等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的融合，正把人們帶到一個智能化時代

5、，新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)站在“風(fēng)口”上只要站在風(fēng)口，豬都能飛起來-雷軍計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)年輕而又成熟的專業(yè)70年朝陽專業(yè)日新月異、前途無量引領(lǐng)時代潮流的專業(yè)開辟了一個新時代信息時代形成了一個新產(chǎn)業(yè)信息產(chǎn)業(yè)開創(chuàng)了一種新的研究方法計算方法孕育了一種新的文化計算機文化你選擇了正確的專業(yè)！為什么要上那么多的數(shù)學(xué)課和物理課？數(shù)學(xué)是一切科學(xué)的基礎(chǔ) 數(shù)學(xué)是研究現(xiàn)實世界中數(shù)量關(guān)系和空間形式的科學(xué)：數(shù)學(xué)忽略了物質(zhì)的具體形態(tài)和屬性，具有超越具體學(xué)科、普遍適用的特征（和哲學(xué)類似）數(shù)學(xué)是一切科學(xué)的基礎(chǔ)：“宇宙之大、粒子之微、火箭之速、化工之巧、地球之變、生活之迷、日月之繁，無處不用數(shù)學(xué)” -華羅庚數(shù)學(xué)是一門關(guān)鍵的技

6、術(shù)：數(shù)學(xué)的思想和方法與高度發(fā)展的計算技術(shù)相結(jié)合，形成 了一種關(guān)鍵性的、可實現(xiàn)的技術(shù)，稱為“數(shù)學(xué)技術(shù)”“高技術(shù)本質(zhì)上是一種數(shù)學(xué)技術(shù)”的說法已被越來越多的人所認同數(shù)學(xué)教育本質(zhì)上是一種素質(zhì)教育數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)的目的：接受一大堆數(shù)學(xué)知識（）掌握數(shù)學(xué)的思想方法和精神實質(zhì)（）培養(yǎng)數(shù)學(xué)素養(yǎng)（）通過認真的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)和嚴格的數(shù)學(xué)訓(xùn)練，可具備一些特有的素質(zhì)和能力，比如：自覺的數(shù)量觀念，嚴密的邏輯思維能力，高度的抽象思維能力，認真細致的作風(fēng)和習(xí)慣，精益求精的習(xí)慣和風(fēng)格，運用數(shù)學(xué)知識解決復(fù)雜問題的能力，等等數(shù)學(xué)教育看起來只是一種知識教育，但本質(zhì)上是一種素質(zhì)教育數(shù)學(xué)是計算機學(xué)科的主要基礎(chǔ)要將一個現(xiàn)實中的問題交給計算機處理：建立數(shù)

7、學(xué)模型：將一個現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化成可以被計算的任務(wù)（數(shù)學(xué)建模）設(shè)計算法：準(zhǔn)確而完整地描述可在計算機上執(zhí)行的一個求解方案編寫程序或設(shè)計硬件邏輯：通過軟件或硬件實現(xiàn)求解方案可見，軟件程序和硬件邏輯都是建立在數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的計算機科學(xué)的數(shù)學(xué)理論體系數(shù)值計算：主要包括數(shù)值分析、數(shù)學(xué)分析、線性代數(shù)、計算幾何、概率論與數(shù)理統(tǒng)計離散數(shù)學(xué)：一般認為包含集合論、邏輯學(xué)、代數(shù)學(xué)、圖論、組合學(xué)數(shù)論：包括初等數(shù)論、解析數(shù)論、代數(shù)數(shù)論、幾何數(shù)論計算理論：主要包括算法學(xué)、計算復(fù)雜性理論、程序理論離散數(shù)學(xué) 離散數(shù)學(xué)是研究離散量的結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系的數(shù)學(xué)學(xué)科離散數(shù)學(xué)在計算機科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用：計算機是一個離散結(jié)構(gòu)，它只能處理

8、離散量需要針對離散結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型需要將已用連續(xù)數(shù)量關(guān)系建立起來的數(shù)學(xué)模型離散化離散數(shù)學(xué)是描述計算機學(xué)科理論、方法和技術(shù)的主要工具離散數(shù)學(xué)是許多計算機專業(yè)課程的先行課程，如：程序設(shè)計語言、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯技術(shù)、人工智能、數(shù)據(jù)庫、算法設(shè)計與分析，等等數(shù)學(xué)思維決定編程水平從學(xué)科特點和學(xué)科方法論的角度，軟件編程的主要基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)思維，特別是以代數(shù)、邏輯為代表的離散數(shù)學(xué)：軟件編程最重要的是算法，而算法建立在數(shù)學(xué)思維上 程序只是外衣，算法才是靈魂軟件編程的思維定式?jīng)Q定一個人的編程水平：數(shù)學(xué)思維清晰，則編寫出來的程序邏輯嚴密、簡潔、優(yōu)化大型IT公司都會在程序設(shè)計題中考察應(yīng)聘者的數(shù)學(xué)思維能力數(shù)學(xué)

9、在計算機科學(xué)中的應(yīng)用計算機三維動畫：幾何學(xué)，分形理論和技術(shù)游戲、圖形軟件：線性代數(shù)（坐標(biāo)變換、矩陣運算等）數(shù)據(jù)挖掘：線性代數(shù)，統(tǒng)計學(xué)，多元微積分，泛函分析，測度理論，拓撲學(xué)，圖論深度學(xué)習(xí)：線性代數(shù)，概率論，信息論，數(shù)值計算人工智能、程序驗證、硬件設(shè)計：數(shù)理邏輯數(shù)據(jù)庫：集合論編譯器：計算模型數(shù)據(jù)通信、密碼學(xué)：代數(shù)系統(tǒng) 如何學(xué)好數(shù)學(xué)？關(guān)注數(shù)學(xué)的來龍去脈，知道數(shù)學(xué)概念、方法和理論的產(chǎn)生淵源和發(fā)展過程：它們?yōu)槭裁刺岢鰜?？要解決什么問題？理解數(shù)學(xué)的精神實質(zhì)和思想方法：注重思考和理解，不要死記硬背數(shù)學(xué)知識，要活學(xué)要用對于實際問題要能建立正確的數(shù)學(xué)模型，然后運用已知的數(shù)學(xué)工具加以解決嚴格訓(xùn)練，培養(yǎng)抽象思維、

10、邏輯推理和歸納構(gòu)造能力：多練習(xí)，但不要死做題要特別注重數(shù)學(xué)原理的理解、正確的解題思路、科學(xué)的論證方法、嚴密的邏輯推理過程等學(xué)好物理很重要！理工科學(xué)生必須具備物理學(xué)素養(yǎng)：物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是當(dāng)代工程技術(shù)的基礎(chǔ)物理學(xué)是計算機硬件的基礎(chǔ)：電路設(shè)計、芯片設(shè)計等需要解決抗電磁干擾、降低功耗、散熱等諸多問題計算機學(xué)科需要支撐其它學(xué)科的發(fā)展：科學(xué)計算、工程計算等工業(yè)軟件的開發(fā)需要物理學(xué)知識物聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)（CSP）需要物理學(xué)知識量子計算需要物理學(xué)知識總之，現(xiàn)代社會要求通才型、交叉型、綜合型人才三大科學(xué)思維推動人類文明進步和科技發(fā)展的三大科學(xué)：理論科學(xué)，實驗科學(xué)，計算科學(xué)與三大科學(xué)相對應(yīng)的是三大科

11、學(xué)思維：理論思維：又稱推理思維，以推理和演繹為特征，以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表實驗思維：又稱實證思維，以觀察和總結(jié)自然規(guī)律為特征，以物理學(xué)科為代表計算思維：又稱構(gòu)造思維，以設(shè)計和構(gòu)造為特征，以計算機學(xué)科為代表人工智能倒逼學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?nèi)斯ぶ悄?VS 人類大腦在訓(xùn)練模式上，應(yīng)試教育的刷題訓(xùn)練與人工智能的大數(shù)據(jù)訓(xùn)練具有高度相似性：刷題訓(xùn)練：用大量的題目訓(xùn)練學(xué)生的大腦大數(shù)據(jù)訓(xùn)練：用大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練一個深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能相比人類大腦的優(yōu)勢：強大的算力：AlphaGo Lee訓(xùn)練時用到1202個CPU、176個GPU大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)：AlphaGo Lee存有1500萬個高手對局棋譜“體力”充足：只要有充足的電源“心力

12、”穩(wěn)定：沒有心理和情緒上的波動人工智能正在挑戰(zhàn)人類智能在完成規(guī)則和目標(biāo)確定的任務(wù)上，人工智能已經(jīng)可以超越人類智能，并且在持續(xù)進化，比如：AlphaGo Lee戰(zhàn)勝了韓國圍棋九段高手李世石Libratus 戰(zhàn)勝了德州撲克頂級選手AlphaGo Zero從零知識開始，通過“左右互博”自學(xué)圍棋，經(jīng)過3天的訓(xùn)練，自我對弈棋局490萬盤，以100: 0擊敗AlphoGo LeeAI-MATHS參加2017年高考數(shù)學(xué)測試，10分鐘交卷，分數(shù)105分；計劃2020年考上清華北大人工智能正在取代部分傳統(tǒng)崗位預(yù)計十年內(nèi)，現(xiàn)有傳統(tǒng)崗位中50%的工作將被人工智能取代：高盛紐約總部600名銀行交易員變成2人德勤推出的

13、財務(wù)機器人正在替代基礎(chǔ)財務(wù)工作崗位IBM沃森機器人通過了美國執(zhí)業(yè)醫(yī)師資格評定考試今日頭條的編輯機器人能夠?qū)懗鲚^規(guī)范的新聞報道谷歌的無人駕駛已經(jīng)累計行駛300萬公里支付寶智能客服的自助服務(wù)率達到97%無人超市、無人銀行、無人收費站正在出現(xiàn).現(xiàn)行教育方式與人工智能學(xué)習(xí)特點高度重合語言學(xué)習(xí)（中文和英文）：應(yīng)試教育：過分強調(diào)字、詞、語法，忽視文章的整體性和語言所承載的思維方式，沒有形成真正的寫作能力，無法準(zhǔn)確表達自己的思考人工智能：對話機器人通過建立字、詞、語法的計算模型，已能理解短句、根據(jù)語境造句，甚至能夠?qū)懗鰩拙漕H具飄渺感的詩；但在可以預(yù)見的未來，仍不可能做出與人類思維相比的自主命題寫作現(xiàn)行教育方

14、式與人工智能學(xué)習(xí)特點高度重合數(shù)學(xué)教學(xué)：應(yīng)試教育：中小學(xué)強調(diào)計算、題型和公式套用，缺少邏輯推理訓(xùn)練；高校數(shù)學(xué)知識碎片化，仍是簡單套公式應(yīng)付考試，會解題但往往不會活用數(shù)學(xué)工具，如根據(jù)實際問題建立數(shù)學(xué)模型人工智能：擅長計算，已有Matlab等非常強大的數(shù)學(xué)和統(tǒng)計軟件工具，計算能力遠超人類現(xiàn)行教育方式與人工智能學(xué)習(xí)特點高度重合數(shù)學(xué)之外的理科：應(yīng)試教育：注重結(jié)論性的東西，忽視問題的提出、過程的探究、實驗設(shè)計的原始思路人工智能：擅長學(xué)習(xí)已有的知識，在自然問題和工程問題的提出、探究、實驗方面只能起輔助作用現(xiàn)行教育方式與人工智能學(xué)習(xí)特點高度重合應(yīng)試教育正在產(chǎn)生一大批“在思想層面上類人工智能化，而在執(zhí)行力層面上

15、遠低于人工智能”的學(xué)生：應(yīng)試教育強調(diào)的正是人工智能擅長的，相比之下人類學(xué)生不具有優(yōu)勢人工智能不擅長的，人類學(xué)生也不擅長如果不改革教育方式，現(xiàn)在的學(xué)生在畢業(yè)之時可能面臨著被人工智能淘汰的尷尬處境正確的學(xué)習(xí)方式重視寫作與表達的訓(xùn)練：重視實驗報告、課程論文等的寫作，多讀科技論文，學(xué)會條理清楚、邏輯正確地表述一個工作或自己的觀點，能流利地進行口頭表達數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)：重視將實際問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語言（建立數(shù)學(xué)模型）的能力，建議多參加一些數(shù)學(xué)建模比賽專業(yè)學(xué)習(xí)：重視知識點的融會貫通，學(xué)以致用，建議多參加一些學(xué)科競賽、科研實踐活動等主動學(xué)習(xí)，不要完全依賴老師學(xué)習(xí)沒有捷徑，你吃過的苦最終都將化成通往成功的階梯 美文欣賞幸福語錄 遭遇苦難的時候，別