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

計(jì)算機(jī)與計(jì)算思維

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

計(jì)算機(jī)概述1.1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史1.電子計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生1946年2月14日，由美國(guó)軍方定制的世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)“電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)”（ENIACElectronicNumericalAndCalculator）在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)問世了。ENIAC（中文名：埃尼阿克）是美國(guó)奧伯丁武器試驗(yàn)場(chǎng)為了滿足計(jì)算彈道需要而研制成的，這臺(tái)計(jì)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(jià)約為487000美元。2.電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展自1946年第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC誕生，至今，計(jì)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(jì)算機(jī)：電子管計(jì)算機(jī)(1946-1957)（2）第二代計(jì)算機(jī)：晶體管計(jì)算機(jī)(1958-1964)（3）第三代計(jì)算機(jī)：中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(1965-1970)（4）第四代計(jì)算機(jī)：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)(1971年至今)（5）第五代計(jì)算機(jī)1.1.2計(jì)算機(jī)的分類可以根據(jù)信號(hào)類型、用途、規(guī)模與性能等對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類。按所處理信號(hào)的不同可以分為數(shù)字計(jì)算機(jī)和模擬計(jì)算機(jī)。數(shù)字計(jì)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(hào)，該離散信號(hào)可以表示0和1組成的二進(jìn)制數(shù)字，即數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的是數(shù)字信號(hào)（0和1組成的數(shù)字串）。數(shù)字計(jì)算機(jī)的計(jì)算精度高，抗干擾能力強(qiáng)?，F(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)都是數(shù)字計(jì)算機(jī)。模擬計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)的研制曾活躍過一個(gè)時(shí)期，但最終還是被數(shù)字計(jì)算機(jī)所取代。

按用途的不同可以分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)。通用計(jì)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(jì)算機(jī)大多是通用計(jì)算機(jī)。專用計(jì)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(gè)特定問題，如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、飛船測(cè)控計(jì)算機(jī)等。

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

ENIAC誕生后短短的幾十年間，計(jì)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(jì)算機(jī)的幾次更新?lián)Q代。每一次更新?lián)Q代都使計(jì)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(jià)格低、功能強(qiáng)的微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使得計(jì)算機(jī)迅速普及，進(jìn)入了辦公室和家庭，在辦公室自動(dòng)化和多媒體應(yīng)用方面發(fā)揮了很大的作用?？傮w來說，計(jì)算機(jī)具有以下特點(diǎn)：（1）運(yùn)算速度快（2）計(jì)算精確度高（3）邏輯運(yùn)算能力強(qiáng)（4）存儲(chǔ)容量大（5）自動(dòng)化程度高（6）性價(jià)比高2.計(jì)算機(jī)的應(yīng)用目前，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域已滲透到社會(huì)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(dòng)著社會(huì)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：（1）科學(xué)計(jì)算（2）數(shù)據(jù)處理（3）計(jì)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(jì)算思維基礎(chǔ)人類通過思考自身的計(jì)算方式，研究是否能由外部機(jī)器模擬，代替我們實(shí)現(xiàn)計(jì)算的過程，從而誕生了計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)人類的智能活動(dòng)。隨著計(jì)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(jì)算思維的概念2006年3月，美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任周以真（JeannetteM.Wing）教授在美國(guó)計(jì)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(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)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(jì)以及人類行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)（智力工具、技能、手段）。1.2.2狹義計(jì)算思維與廣義計(jì)算思維計(jì)算思維被稱為適合于每個(gè)人的“一種普遍的認(rèn)識(shí)和一類普適的技能”，與閱讀、寫作一樣；計(jì)算思維旨在教會(huì)我們每個(gè)人像計(jì)算機(jī)科學(xué)家一樣去思考；計(jì)算思維的訓(xùn)練、計(jì)算能力的提升將會(huì)讓我們更游刃有余地生活、學(xué)習(xí)和工作。計(jì)算思維的研究包含兩層意思——計(jì)算思維研究的內(nèi)涵和計(jì)算思維推廣與應(yīng)用的外延兩方面。其中，立足計(jì)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(jì)算思維。在實(shí)踐活動(dòng)中，特別是構(gòu)造高效的計(jì)算方法、研究高性能計(jì)算機(jī)取得計(jì)算成果的過程中，計(jì)算思維也在不斷凸顯。下面通過幾個(gè)比較簡(jiǎn)單的實(shí)例來理解。【例1-1】對(duì)函數(shù)定義的不同描述。定義1設(shè)A、B是兩個(gè)非空的數(shù)集，集合A的任何一個(gè)元素在集合B中都與唯一的一個(gè)元素與之相對(duì)應(yīng)，從集合A到集合B的這種對(duì)應(yīng)關(guān)系稱為函數(shù)。定義2表示每個(gè)輸入值對(duì)應(yīng)唯一輸出值的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系。那么在本例中，定義1就是計(jì)算思維的定義方式，定義2則不是計(jì)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(gè)比較簡(jiǎn)單的實(shí)例來理解?！纠?-1】對(duì)函數(shù)定義的不同描述。定義1設(shè)A、B是兩個(gè)非空的數(shù)集，集合A的任何一個(gè)元素在集合B中都與唯一的一個(gè)元素與之相對(duì)應(yīng)，從集合A到集合B的這種對(duì)應(yīng)關(guān)系稱為函數(shù)。定義2表示每個(gè)輸入值對(duì)應(yīng)唯一輸出值的一種對(duì)應(yīng)關(guān)系。那么在本例中，定義1就是計(jì)算思維的定義方式，定義2則不是計(jì)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。【例1-2】中、西醫(yī)看病。中醫(yī)：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)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(yàn)來的，這對(duì)不同的醫(yī)生來說具有不確定性，這就不是計(jì)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(jì)算思維的特點(diǎn)?！纠?-3】菜譜材料準(zhǔn)備土豆燒雞：土豆2個(gè)（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(duì)照菜譜烹調(diào)這樣兩個(gè)菜，顯然“土豆燒雞”就不是計(jì)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(jì)算思維的要求；而“水果沙拉”則體現(xiàn)了計(jì)算思維的特點(diǎn)。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(gè)口味。而中國(guó)的名菜千廚千味。這就是“計(jì)算思維”方面的差異所致。1.2.3算法設(shè)計(jì)的基本思想與方法計(jì)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(jì)算機(jī)，或者說，計(jì)算機(jī)無法獨(dú)立于算法而存在。從這個(gè)層面上說，算法就是計(jì)算機(jī)的靈魂。但是，算法不一定依賴于計(jì)算機(jī)而存在。算法可以是抽象的，實(shí)現(xiàn)算法的主體可以是計(jì)算機(jī)，也可以是人。只能說多數(shù)時(shí)候，算法是通過