新一代信息技術(shù)導(dǎo)論-教案-6章 數(shù)據(jù)為王-大數(shù)據(jù)

PAGEXXXX職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)設(shè)計方案授課順序號6授課班級授課日期授課學(xué)時2授課類型面授課題數(shù)據(jù)為王-大數(shù)據(jù)教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)1.了解什么是機(jī)器語言、匯編語言、高級語言。2.了解什么是編譯型語言、解釋型語言。3.了解什么是編譯、匯編、反編譯、反匯編。能力目標(biāo)1.掌握順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)。2.掌握簡單的程序設(shè)計開發(fā)。素質(zhì)目標(biāo)1.扎實提升程序設(shè)計專業(yè)技能，提高專業(yè)素養(yǎng)。2.培養(yǎng)大學(xué)生的大局意識、團(tuán)隊精神和協(xié)作能力。教學(xué)重點結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的三大結(jié)構(gòu)教學(xué)難點面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計智慧樹平臺：/courseHome/1000091138/210801/21#teachTeam教學(xué)環(huán)節(jié)教學(xué)過程設(shè)計時間分配課前準(zhǔn)備1.根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，分析本節(jié)課要完成的教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)；2.課前在線開放課程預(yù)習(xí)；組織教學(xué)智慧教學(xué)平臺：刷臉或掃二維碼簽到5復(fù)習(xí)舊課前導(dǎo)課程復(fù)習(xí)5導(dǎo)入新課根據(jù)前一節(jié)課，導(dǎo)入本次課程的新知識5新課設(shè)計新課設(shè)計（課程思政設(shè)計部分加粗）1.案例導(dǎo)讀首套軍民融合安全級分布式控制系統(tǒng)平臺——“龍鱗系統(tǒng)”2.程序設(shè)計基礎(chǔ)知識程序設(shè)計語言現(xiàn)狀計算機(jī)只能識別0、1，最初計算機(jī)是通過穿孔紙帶輸入、輸出的，當(dāng)時的程序設(shè)計語言實際上就是0和1組成的序列，只有少數(shù)的專家才能編寫，調(diào)試也很困難，這就是第一代的機(jī)器語言。后來，出現(xiàn)了第二代的匯編語言。匯編語言執(zhí)行效率較高，但是與通常的自然語言差距較大，掌握起來較難。于是，人們發(fā)明了類自然語言的第三代高級語言，如C、Java等。高級語言通過類似自然語言的方式進(jìn)行編寫，得到了廣泛應(yīng)用。程序設(shè)計語言與算法在計算機(jī)界，有一個經(jīng)典的公式：程序=數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)+算法。算法是程序的核心。根據(jù)算法處理對象的不同，算法可以分為數(shù)值算法和非數(shù)值算法。那么什么是算法呢，算法有哪些表述方法呢？一般而言，算法有以下5種表述方法。（1）自然語言（2）流程圖（3）NS流程圖（4）偽代碼（5）程序結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的3種基本的控制結(jié)構(gòu)是“順序”“選擇”和“循環(huán)”。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的定義：“如果一個程序的代碼塊僅僅通過順序、選擇和循環(huán)這3種基本控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，并且每個代碼塊只有一個入口和一個出口，則稱這個程序是結(jié)構(gòu)化的。”雖然從理論上說只用上述3種基本控制結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)任何單入口單出口的程序，但是為了實際使用方便起見，常常還允許使用DO-UNTIL和DO-CASE兩種控制結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的原則是：自頂向下、逐步細(xì)化、模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)化編碼。3.程序設(shè)計語言和工具C語言的開發(fā)工具包括VC、BC、TC等，其中VisualC++是Windows平臺上最流行的C/C++集成開發(fā)環(huán)境之一。隨著云服務(wù)的普及，一些在線開發(fā)工具也日益受到人們的青睞，如rextester、CodingGround、CodeChef等。順序結(jié)構(gòu)示例順序結(jié)構(gòu)是簡單的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法。顧名思義，順序結(jié)構(gòu)就是按照從上到下的順序依次執(zhí)行。對任何一個平面三角形ΔABC而言，其頂點A、B、C對的邊分別記為a、b、c，根據(jù)秦九韶-海倫公式，其面積S可以用如下公式得到：選擇結(jié)構(gòu)示例C語言中，選擇結(jié)構(gòu)主要有3種不同的實現(xiàn)方法，分別是雙分支、三目條件運算符和多分支。雙分支選包括3種，分別是：if語句；if-else語句；if-else-if語句。三目條件運算符：條件運算符——?:exp1?exp2:exp3需要注意的是，三目條件運算符還是C語言中唯一的三目運算符。多分支：switch語句；case；break；default。下面，我們以求最大值為例，論述選擇結(jié)構(gòu)。假設(shè)輸入4個數(shù)據(jù)，若要求出4個數(shù)據(jù)的最大值，需要比較4?1=3次。循環(huán)結(jié)構(gòu)示例對n個數(shù)據(jù)來說，要求出最大值或者最小值，需要比較(n?1)次。我們發(fā)現(xiàn)，比較一次，就需要執(zhí)行一次if語句，如果數(shù)據(jù)量非常大，比如，成千上萬，甚至更多，難道需要書寫成千上萬條if語句嗎？實際上，對于這種簡單重復(fù)的操作，完全可以用循環(huán)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。循環(huán)結(jié)構(gòu)有3種不同的實現(xiàn)方法，分別是while語句、do-while語句和for語句。while語句：while(exp)循環(huán)體語句do-while語句：do循環(huán)體語句while(exp)for語句：for(exp1;exp2;exp3)循環(huán)體語句如果需要求前100個正整數(shù)的和，完全可以用循環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。實際中，順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)這3種方結(jié)構(gòu)一般不是獨立的，在具體的程序中，往往同時采用兩種，甚至3種結(jié)構(gòu)。選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)可以相互嵌套，也可以自身嵌套。對循環(huán)結(jié)構(gòu)的分析是計算復(fù)雜性分析的重要內(nèi)容。4.程序設(shè)計方法和實踐軟件工程軟件工程是指導(dǎo)計算機(jī)軟件開發(fā)和維護(hù)的一門工程學(xué)科。采用工程的概念、原理、技術(shù)和方法來開發(fā)與維護(hù)軟件，把經(jīng)過時間考驗而證明正確的管理技術(shù)和當(dāng)前能夠得到的較好的技術(shù)、方法結(jié)合起來，以經(jīng)濟(jì)地開發(fā)出高質(zhì)量的軟件并有效地維護(hù)它。這就是軟件工程。雖然軟件工程的不同定義使用了不同詞句，強(qiáng)調(diào)的重點也有差異，但是，人們普遍認(rèn)為軟件工程具有下述的本質(zhì)特性：軟件工程關(guān)注于大型程序的構(gòu)造、軟件工程的中心課題是控制復(fù)雜性、軟件經(jīng)常變化、開發(fā)軟件的效率非常重要、和諧地合作是開發(fā)軟件的關(guān)鍵、軟件必須有效地支持它的用戶、在軟件工程領(lǐng)域中通常由具有一種文化背景的人替具有另一種文化背景的人創(chuàng)造產(chǎn)品。面向過程程序設(shè)計面向過程程序設(shè)計把軟件生命周期劃分成若干個階段，每個階段的任務(wù)相對獨立，而且比較簡單，便于不同人員分工協(xié)作，從而降低了整個軟件開發(fā)工程的困難程度；在軟件生命周期的每個階段都采用科學(xué)的管理技術(shù)和良好的技術(shù)方法，而且在每個階段結(jié)束之前都從技術(shù)和管理兩個角度進(jìn)行嚴(yán)格的審查，合格之后才開始下一階段的工作，這就使軟件開發(fā)工程的全過程以一種有條不紊的方式進(jìn)行，保證了軟件的質(zhì)量，特別是提高了軟件的可維護(hù)性。總之，采用這種方法可以大大提高軟件開發(fā)的成功率，軟件開發(fā)的生產(chǎn)率也能明顯提高。面向過程程序設(shè)計歷史悠久，為廣大軟件工程師所熟悉，而且在開發(fā)某些類型的軟件時也比較有效，因此，在相當(dāng)長一段時間內(nèi)這種方法學(xué)還會有生命力。面向過程程序設(shè)計的缺陷是這種技術(shù)要么面向數(shù)據(jù)，要么面向行為(即對數(shù)據(jù)的操作)，還沒有既面向數(shù)據(jù)又面向行為的結(jié)構(gòu)化技術(shù)方法。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計把數(shù)據(jù)和行為看成同等重要的，它是一種以數(shù)據(jù)為主線，把數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)的操作緊密地結(jié)合起來的方法。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計具有下述4個要點。（1）把對象作為融合了數(shù)據(jù)及在數(shù)據(jù)上的操作行為的統(tǒng)一的軟件構(gòu)件。（2）把所有對象都劃分成類。（3）按照父類(或稱為基類)與子類(或稱為派生類)的關(guān)系，把若干個相關(guān)類組成一個層次結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)(也稱為類等級)。（4）對象彼此間僅能通過發(fā)送消息互相聯(lián)系。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的出發(fā)點和基本原則是盡量模擬人類習(xí)慣的思維方式，使開發(fā)軟件的方法與過程盡可能接近人類認(rèn)識世界、解決問題的方法與過程，從而使描述問題的問題空間(也稱為問題域)與實現(xiàn)解法的解空間(也稱為求解域)在結(jié)構(gòu)上盡可能一致。5.oneAPI簡介oneAPI是為軟件開發(fā)人員提供的一個云開發(fā)環(huán)境，用戶可以注冊賬號后在云端編輯、調(diào)試、運行自己開發(fā)的C++程序。遠(yuǎn)程云計算環(huán)境中已預(yù)裝有一些基本的DataParallelC++課程模塊，具體課程相關(guān)的實驗及操作和說明等信息，可以參考相關(guān)JupyterLab中的實驗內(nèi)容中的說明/介紹信息或中文版本實驗手冊。 oneAPI以跨架構(gòu)語言——DataParallelC++為基礎(chǔ)，DPC++=ISOC++&KhronosSYCL，使用通用和熟悉的C和C++結(jié)構(gòu)，C++提供了顯著的效率優(yōu)勢。KhronosGroup的SYCL支持實現(xiàn)數(shù)據(jù)并行性和異構(gòu)編程。對于初學(xué)者，一般推薦使用基于純?yōu)g覽器方式的JupyterNoteook登錄DevCloud系統(tǒng)。通過Jupyter環(huán)境使用相關(guān)的資源，同時在Jupyter環(huán)境中，也可以通過菜單/命令方式啟動傳統(tǒng)的終端窗口，進(jìn)行命令行的操作。另外也有傳統(tǒng)的安全外殼(SecureShell，SSH)方式的接入選項，適合進(jìn)階開發(fā)者使用，也可以通過配置VisualStudioCode相關(guān)環(huán)境遠(yuǎn)程連接到DevCloud進(jìn)行操作和使用。它將帶領(lǐng)C++編程人員站在開