大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)及應(yīng)用（Python篇）課件：計算機(jī)與計算思維

計算機(jī)與計算思維

學(xué)習(xí)目標(biāo)1.1 計算機(jī)概述 1.1.1 計算機(jī)發(fā)展簡史 1.1.2 計算機(jī)的分類 1.1.3 計算機(jī)的特點和應(yīng)用 1.2 計算思維基礎(chǔ) 1.2.1 計算思維的概念 1.2.2 狹義計算思維與廣義計算思維 1.2.3 算法設(shè)計的基本思想與方法 1、

計算機(jī)概述1.1.1計算機(jī)發(fā)展簡史1.電子計算機(jī)的產(chǎn)生1946年2月14日，由美國軍方定制的世界上第一臺電子計算機(jī)“電子數(shù)字積分計算機(jī)”（ENIACElectronicNumericalAndCalculator）在美國賓夕法尼亞大學(xué)問世了。ENIAC（中文名：埃尼阿克）是美國奧伯丁武器試驗場為了滿足計算彈道需要而研制成的，這臺計算器使用了17840支電子管，大小為80英尺×8英尺，重達(dá)28t（噸），功耗為170kW，其運(yùn)算速度為每秒5000次的加法運(yùn)算，造價約為487000美元。2.電子計算機(jī)的發(fā)展自1946年第一臺電子計算機(jī)ENIAC誕生，至今，計算機(jī)的發(fā)展至少經(jīng)歷了四代，并正在向更新一代邁進(jìn)。（1）第一代計算機(jī)：電子管計算機(jī)(1946-1957)（2）第二代計算機(jī)：晶體管計算機(jī)(1958-1964)（3）第三代計算機(jī)：中小規(guī)模集成電路計算機(jī)(1965-1970)（4）第四代計算機(jī)：大規(guī)模集成電路計算機(jī)(1971年至今)（5）第五代計算機(jī)1.1.2計算機(jī)的分類可以根據(jù)信號類型、用途、規(guī)模與性能等對計算機(jī)進(jìn)行分類。按所處理信號的不同可以分為數(shù)字計算機(jī)和模擬計算機(jī)。數(shù)字計算機(jī)處理的是以電壓的高低等形式表示的離散的物理信號，該離散信號可以表示0和1組成的二進(jìn)制數(shù)字，即數(shù)字計算機(jī)處理的是數(shù)字信號（0和1組成的數(shù)字串）。數(shù)字計算機(jī)的計算精度高，抗干擾能力強(qiáng)?，F(xiàn)在使用的計算機(jī)都是數(shù)字計算機(jī)。模擬計算機(jī)處理的是連續(xù)變化的模擬量，如電壓、電流、溫度等物理量的變化曲線。這種計算機(jī)精度低，抗干擾能力差，應(yīng)用面窄。19世紀(jì)末到20世紀(jì)30年代，模擬計算機(jī)的研制曾活躍過一個時期，但最終還是被數(shù)字計算機(jī)所取代。

按用途的不同可以分為通用計算機(jī)和專用計算機(jī)。通用計算機(jī)硬件系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)的，并具有較好的擴(kuò)展性，可以運(yùn)行多種解決不同領(lǐng)域問題的軟件，現(xiàn)在使用的計算機(jī)大多是通用計算機(jī)。專用計算機(jī)的軟硬件全部根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的要求配置，專門用于解決某個特定問題，如工業(yè)控制計算機(jī)、飛船測控計算機(jī)等。

按規(guī)模與性能的不同可以分為超級計算機(jī)、大型計算機(jī)、小型計算機(jī)、工作站和微型計算機(jī)，這也是比較常見的一種分類方法。1.1.3計算機(jī)的特點和應(yīng)用

ENIAC誕生后短短的幾十年間，計算機(jī)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。主要電子器件相繼使用了真空電子管，晶體管，中、小規(guī)模集成電路和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路，引起計算機(jī)的幾次更新?lián)Q代。每一次更新?lián)Q代都使計算機(jī)的體積和耗電量大大減小，功能大大增強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬。特別是體積小、價格低、功能強(qiáng)的微型計算機(jī)的出現(xiàn)，使得計算機(jī)迅速普及，進(jìn)入了辦公室和家庭，在辦公室自動化和多媒體應(yīng)用方面發(fā)揮了很大的作用?？傮w來說，計算機(jī)具有以下特點：（1）運(yùn)算速度快（2）計算精確度高（3）邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)（4）存儲容量大（5）自動化程度高（6）性價比高2.計算機(jī)的應(yīng)用目前，計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已滲透到社會的各行各業(yè)，正在改變著傳統(tǒng)的工作、學(xué)習(xí)和生活方式，推動著社會的發(fā)展。計算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：（1）科學(xué)計算（2）數(shù)據(jù)處理（3）計算機(jī)輔助技術(shù)（4）過程控制（5）人工智能（6）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用1.2計算思維基礎(chǔ)人類通過思考自身的計算方式，研究是否能由外部機(jī)器模擬，代替我們實現(xiàn)計算的過程，從而誕生了計算工具，并且在不斷的科技進(jìn)步和發(fā)展中發(fā)明了現(xiàn)代電子計算機(jī)。在此思想的指引下，還產(chǎn)生了人工智能，即用外部機(jī)器模仿和實現(xiàn)人類的智能活動。隨著計算機(jī)的日益“強(qiáng)大”，它在很多應(yīng)用領(lǐng)域中所表現(xiàn)出的智能也日益突出，成為人腦的延伸。1.2.1計算思維的概念2006年3月，美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系主任周以真（JeannetteM.Wing）教授在美國計算機(jī)權(quán)威期刊《CommunicationsoftheACM》雜志提出：“Computationalthinkinginvolvessolvingproblems,designingsystems,andunderstandinghumanbehavior,bydrawingontheconceptsfundamentaltocomputerscience.Computationalthinkingincludesarangeofmentaltoolsthatreflectthebreadthofthefieldofcomputerscience.”周教授認(rèn)為：計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動（智力工具、技能、手段）。1.2.2狹義計算思維與廣義計算思維計算思維被稱為適合于每個人的“一種普遍的認(rèn)識和一類普適的技能”，與閱讀、寫作一樣；計算思維旨在教會我們每個人像計算機(jī)科學(xué)家一樣去思考；計算思維的訓(xùn)練、計算能力的提升將會讓我們更游刃有余地生活、學(xué)習(xí)和工作。計算思維的研究包含兩層意思——計算思維研究的內(nèi)涵和計算思維推廣與應(yīng)用的外延兩方面。其中，立足計算機(jī)學(xué)科本身，研究該學(xué)科中涉及的構(gòu)造性思維就是狹義計算思維。在實踐活動中，特別是構(gòu)造高效的計算方法、研究高性能計算機(jī)取得計算成果的過程中，計算思維也在不斷凸顯。下面通過幾個比較簡單的實例來理解?！纠?-1】對函數(shù)定義的不同描述。定義1設(shè)A、B是兩個非空的數(shù)集，集合A的任何一個元素在集合B中都與唯一的一個元素與之相對應(yīng)，從集合A到集合B的這種對應(yīng)關(guān)系稱為函數(shù)。定義2表示每個輸入值對應(yīng)唯一輸出值的一種對應(yīng)關(guān)系。那么在本例中，定義1就是計算思維的定義方式，定義2則不是計算思維的表述方式。原因在于，定義1的描述是確定的、形式化的，定義2的描述比較含糊。下面通過幾個比較簡單的實例來理解?！纠?-1】對函數(shù)定義的不同描述。定義1設(shè)A、B是兩個非空的數(shù)集，集合A的任何一個元素在集合B中都與唯一的一個元素與之相對應(yīng)，從集合A到集合B的這種對應(yīng)關(guān)系稱為函數(shù)。定義2表示每個輸入值對應(yīng)唯一輸出值的一種對應(yīng)關(guān)系。那么在本例中，定義1就是計算思維的定義方式，定義2則不是計算思維的表述方式。原因在于，定義1的描述是確定的、形式化的，定義2的描述比較含糊?！纠?-2】中、西醫(yī)看病。中醫(yī)：根據(jù)經(jīng)驗，對不同的患者采用不同的診斷方法，沒有統(tǒng)一的模式。西醫(yī)：有標(biāo)準(zhǔn)的診斷程序，所有患者根據(jù)程序一步一步檢查。顯然，中醫(yī)的這種診療疾病的方式是根據(jù)經(jīng)驗來的，這對不同的醫(yī)生來說具有不確定性，這就不是計算思維的方式，而西醫(yī)診療疾病的方式確定、機(jī)械則體現(xiàn)了計算思維的特點?！纠?-3】菜譜材料準(zhǔn)備土豆燒雞：土豆2個（約250克）、跑山雞半只、干香菇8朵；蔥姜八角若干、食用油、耗油、料酒、白砂糖適量。水果沙拉：小番茄60克，蘋果丁65克，葡萄30克，新鮮櫻桃20克，草莓15克，酸奶50毫升。對照菜譜烹調(diào)這樣兩個菜，顯然“土豆燒雞”就不是計算思維的方式。原因在于“土豆燒雞”在材料準(zhǔn)備上所有材料沒有具體化，體積、大小、重量都比較含糊，不符合計算思維的要求；而“水果沙拉”則體現(xiàn)了計算思維的特點。麥當(dāng)勞的菜譜能讓全世界所有的人吃到的漢堡都是一個口味。而中國的名菜千廚千味。這就是“計算思維”方面的差異所致。1.2.3算法設(shè)計的基本思想與方法計算機(jī)與算法有著不可分割的關(guān)系?？梢哉f，沒有算法，就沒有計算機(jī)，或者說，計算機(jī)無法獨立于算法而存在。從這個層面上說，算法就是計算機(jī)的靈魂。但是，算法不一定依賴于計算機(jī)而存在。算法可以是抽象的，實現(xiàn)算法的主體可以是計算機(jī)，也可以是人。只能說多數(shù)時候，算法是通過