计算机计算与计算思维ppt课件.ppt

1、大学计算机大学计算机-计算思维导论计算思维导论当今信息社会，每个人都离不开计算机，计算机的出现已当今信息社会，每个人都离不开计算机，计算机的出现已改变了人们很多的工作和生活习惯！改变了人们很多的工作和生活习惯！u学习大学计算机，应该学习计算思维，学习计算机科学学习大学计算机，应该学习计算思维，学习计算机科学家进行问题求解的思维方式！家进行问题求解的思维方式！第第1讲讲 计算机、计算与计算思维计算机、计算与计算思维计算机、计算与计算思维计算机、计算与计算思维1. 计算机是什么计算机是什么?计算机计算机是什么是什么?传统传统“计算机器计算机器”多样化的多样化的“计算机器计算机器”，各种设备的，各种

2、设备的“大脑大脑”系统系统1.1 计算机与各种设备中的计算机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形形色色的计算机形形色色的计算机1.2 各种应用中的计算机各种应用中的计算机?马克马克.安德森安德森 -前Netscape公司创始人，现风险投资人形形色色的计算机形形色色的计算机1.3 计算机除了硬件，还包括软件计算机除了硬件，还包括软件?为什么要学习和怎样学习为什么要学习和怎样学习大学计算机课程大学计算机课程计算机、计算与计算思维计算机、计算与计算思维2. 为什么要学习和怎样学习大学计算机课程为什么要学习和怎样学习大学计算机课程?2.1 为什么要学习大学计算机？为什么要学习

3、大学计算机？计算学科的供需关系计算学科的供需关系计算科学计算科学 与与 信息探索科学信息探索科学支持各学支持各学科研究创科研究创新的新型新的新型计算手段计算手段Gap计算思维计算思维/计算能力计算能力计算机及计算机及其通用计其通用计算手段的算手段的应用应用当前的非计算机专业当前的非计算机专业计算机关注点计算机关注点应用计算应用计算手段进行手段进行各学科研各学科研究和创新究和创新非计算机专业学生非计算机专业学生的未来计算能力的未来计算能力知识知识/技能技能计算思维计算思维的学习和的学习和训练训练1998年诺贝尔化年诺贝尔化学奖奖励给一个学奖奖励给一个计算手段的研究计算手段的研究者者- John

4、Pople化学学科工作者利化学学科工作者利用计算手段进行学用计算手段进行学科的科学研究科的科学研究各学科人才的计算思维各学科人才的计算思维/计算能力需求计算能力需求“看山是山，看水是水看山是山，看水是水”“昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路昨夜西风凋碧树，独上高楼，望尽天涯路”“看山不是山，看水不是水看山不是山，看水不是水”“衣带渐宽终不悔，为伊销得人憔悴衣带渐宽终不悔，为伊销得人憔悴”“看山还是山，看水还是水看山还是山，看水还是水”“众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处众里寻她千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”From 王国维王国维“人间词话人间词话”关于关于“境界境界”的阐述

5、的阐述贯通，看得远，贯通，看得远，才能认识准确才能认识准确浮想联翩，由此浮想联翩，由此及彼，才能发现及彼，才能发现不断训练，不断理解，才能不断训练，不断理解，才能找出本质，才能创新找出本质，才能创新联想与贯通联想与贯通训练与实践训练与实践概念与知识概念与知识l“计算机计算机”的思维的思维: 计算机是如何工作的? 计算机的功能是如何越来越强大的?l利用计算机的思维利用计算机的思维: 现实世界的各种事物如何利用计算机来进行控制和处理? u计算思维计算思维(Computational Thinking)是运用计算机科学的基础概念去求解问题求解问题、设计设计系统系统和理解人类行为理解人类行为，其本质是

6、抽象抽象和自动化自动化-from 周以真。计算思维计算思维2.2 怎样学习大学计算机？怎样学习大学计算机？思维是创新的源头，技术与知识是创新的支撑思维是创新的源头，技术与知识是创新的支撑-本门课程学习需要注意的本门课程学习需要注意的知识知识 vs. 贯通知识的思维贯通知识的思维计算思维计算思维知识知识思维思维(Thought/Thinking)能力能力(Ability & Capability)知识知识/技能技能(Technique/Skill)知识与视野拓展知识与视野拓展Knowledge Expansion视野：视野：宽度宽度-知识面宽，前沿性知识面宽，前沿性深度深度-贯通性，深入性贯通性

7、，深入性技能：练习，练习，技能：练习，练习， 思维：好奇、思考、联想、贯通思维：好奇、思考、联想、贯通训练与掌握训练与掌握Training启发与理解启发与理解Understanding打通知识脉络，打通知识脉络，融贯各门课程，融贯各门课程，内功强化基础，内功强化基础，外功灵活应变。外功灵活应变。能力能力-内功内功(贯通的脉络贯通的脉络)实践实践-锻炼锻炼,使脉络贯通使脉络贯通思维思维-脉络脉络(穴位链穴位链)知识知识-穴位穴位知识知识 vs. 思维思维 vs. 能力能力计算与自动计算计算与自动计算计算机、计算与计算思维计算机、计算与计算思维3. 计算与自动计算计算与自动计算?简单计算简单计算I

8、：数据数据计算，计算规则计算规则，应用计算规则进行计算并获得计算结果结果复杂计算复杂计算II：f(x)，函数，计算规则及其简化计算方法，便于人应用规则进行计算，获得计算结果复杂计算复杂计算III：如丢番图方程，判定，计算规则，人可能无法完成但却可由机器自动完成，借助于机器获得计算结果a1x1b1+a2x2b2+anxnbn=c3.1 什么是计算？什么是计算？计算学科的计算计算学科的计算 vs. 数学学科的计算数学学科的计算例如：求ax2+bx+c=0的根人进行计算：人进行计算：l规则可能很复杂规则可能很复杂, 但计算量却但计算量却可能很小可能很小l人需要知道具体的计算规则人需要知道具体的计算规

9、则l特定规则，只能求特定规则，只能求: a1x2+a2x=c机器机器-自动计算：自动计算：l规则可能很简单规则可能很简单, 但计算量却但计算量却很大很大l机器也可以采用人所使用的机器也可以采用人所使用的计算规则计算规则l一般性的规则，可以求任意一般性的规则，可以求任意: a1x1b1+a2x2b2+anxnbn=c人人-求解求解机器机器-求解求解(1)从从-n到到n，产，产生生x的每一个整的每一个整数值；数值；(2)将其依次代将其依次代入到方程中计入到方程中计算算;(3)如果其值使如果其值使方程式成立，方程式成立，则即为其解；则即为其解；否则不是否则不是 3.2 人计算与机器计算的差别人计算与

10、机器计算的差别?u“人人”计算计算 vs. “机器机器”计算计算利用上述公式利用上述公式计算得到计算得到x值值自动计算要解决的几个问题自动计算要解决的几个问题: 表示表示-存储存储-执行执行u“数据数据”的表示的表示u“计算规则计算规则”的表示的表示u数据与计算规则的数据与计算规则的“自动存储自动存储”u计算规则的计算规则的“自动执行自动执行”a1x1b1+a2x2b2+anxnbn=c3.3 自动计算需要解决什么问题自动计算需要解决什么问题?算盘能被认为是计算机吗?九层算盘九层算盘 一、加法口诀一、加法口诀 直加直加 满五加满五加 进十加进十加一: 一上一 一下五去四 一去九进一二: 二上二

11、 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、减法口诀二、减法口诀 直减直减 破五减破五减 退位减退位减一 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 七退一还三 七退一还五去二八 八下八 八退一还二

12、 八退一还五去三九 九下九 九退一还一 九退一还五去四 珠算珍品珠算珍品3.4 机械计算的探索机械计算的探索? 帕斯卡与帕斯卡机-(准)第一台机械计算机u Blaise Pascal (16231662) u1642年研制成功一种齿轮式计算机器 帕斯卡机的意义帕斯卡机的意义：它告诉人们“用用纯机械装置纯机械装置可代替人可代替人的思维和记忆的思维和记忆”。开辟了自动计算自动计算的道路。3. 计算与自动计算计算与自动计算3.4 机械计算的探索机械计算的探索? 莱布尼茨u Gottfried Wilhelm Leibniz (16461716)，德国数学家。u莱布尼茨机的意义莱布尼茨机的意义：连续重

13、复自动执行连续重复自动执行。u提出了二进制数二进制数及其计算规则计算规则；u数理逻辑数理逻辑的创始人是基于十进制设计机器，还是基于二进制设计机是基于十进制设计机器，还是基于二进制设计机器？器？如果基于二进制设计机器，那其处理规则又是怎如果基于二进制设计机器，那其处理规则又是怎样的呢？样的呢？其他重要工作u1805年： 杰卡德(J.Jacquard)，打孔卡打孔卡，实践了输入手段输入手段问题。u1834年：巴贝奇(Charles Babbage)，分分析机析机的概念-可执行程序的机器可执行程序的机器。u1854年：布尔创立布尔代数布尔代数，为数字数字计算机的电路设计计算机的电路设计提供了理论基础

14、。u (请同学课后补充)巴贝奇差分机与分析机巴贝奇差分机与分析机计算辅助工具计算辅助工具Pascal机械计算机机械计算机: 自动计算自动计算Babbage机械计算机机械计算机: (特定特定)程序程序现代计算机：现代计算机：一般程序一般程序机械计算的简要发展历程是怎样的？ u从表示从表示-自动存储自动存储-自动执行的角度自动执行的角度电子自动计算电子自动计算-元器件元器件计算机、计算与计算思维计算机、计算与计算思维4. 电子自动计算电子自动计算-元器件元器件?电子管时代的计算机器人类第一只电子管电子管(真空二极管),1895电子管计算机电子管计算机ENIAC,1946年,17468只电子管4.1

15、 电子自动计算的突破在哪里？电子自动计算的突破在哪里？存储存储0和和1的元器件的元器件电子管时代的计算机器u 冯冯.诺伊曼诺伊曼(Von Neumann)电子计算机EDVAC问世u将运算运算和存储存储分离分离，运算速度却比拥有18000个电子管的“ENIAC”提高了10倍u结构上的创新结构上的创新：“冯冯.诺伊曼计算机诺伊曼计算机”。运算规则和数据是否可事运算规则和数据是否可事先存储于存储器中，以便先存储于存储器中，以便机器连续的执行呢？机器连续的执行呢？运算和存储怎样分离呢？运算和存储怎样分离呢？?晶体管时代的计算机器人类第一只晶体管晶体管(真空二极管),1947第一台晶体管计算机TRADI

16、C，19534.2 晶体管发现的价值在哪里呢？晶体管发现的价值在哪里呢？怎样使体积更小怎样使体积更小? 可靠性更高可靠性更高? 可控性更灵活呢可控性更灵活呢?集成电路时代的计算机器集成电路集成电路的发明,1959第三代计算机IBM360,1964J.Kilby，集成电路发明者封装后的集成电路芯片4.3 什么是集成电路，其价值又在哪里呢？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？能否将复杂的电路封装后作为新电路设计的元件呢？复杂的电路复杂的电路 集成集成 封装封装 应用？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

17、芯片及其封装的内部电路摩尔定律摩尔定律-每每18个月芯片能力增长一倍个月芯片能力增长一倍电子管电子管: 可自动控制可自动控制0和和1变化的元件变化的元件晶体管晶体管集成电路集成电路: 可自动实现一定变换的元件可自动实现一定变换的元件超大规模集成超大规模集成电路电路(VLSI)自动计算中的元器件的发展自动计算中的元器件的发展u从表示从表示-自动存储自动存储-自动执行的角度自动执行的角度l体积越来越小；体积越来越小；l可靠性越来越高；可靠性越来越高；l电路规模越来越大；电路规模越来越大；l速度越来越快；速度越来越快；l功能越来越强大；功能越来越强大；4.4 元器件发展的轨迹是怎样的，每个阶段要解决

18、什么问题？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自动计算中的元器件的发展启示InputOutputTransformInput1Output1Transform1Input2Output2Transform2Input3Output3Transform3Input1Output1Transform1Input2Output2Transform2Input3Output3Transform3ABTransform44.5 元器件发展的轨迹是怎样的，每个阶段要解决什么问题？元器件发展的轨迹是怎样的，每个阶段要解决什么问题？电子自动计算电子自动计算-计算机系统

19、计算机系统计算机、计算与计算思维计算机、计算与计算思维5. 电子自动计算电子自动计算-计算机系统计算机系统?计算机系统要解决的几个问题计算机系统要解决的几个问题u“存储与计算存储与计算”-微处理器微处理器u“输入输入”-如何将外部信息输入到计算机中如何将外部信息输入到计算机中?u“输出输出”-如何将计算机中信息输出到外界如何将计算机中信息输出到外界(显示或打印显示或打印)?u “永久存储永久存储”-如何将计算机中的信息永久保存如何将计算机中的信息永久保存?5.1 计算机系统的构成包括哪些部分？计算机系统的构成包括哪些部分？u字长字长：8位16位32位64位u主频主频：几MHz几百MHz几GHz

20、u晶体管数量晶体管数量：几万几百万几亿颗u功能功能/规模规模：微处理器微处理器微处理器+协协处理器处理器(浮点运算浮点运算)微处理器微处理器+图形处理单图形处理单元元GPU微处理器微处理器+3D处理器处理器+多媒体处理多媒体处理器器多核微处理器多核微处理器微处理器的发展1999Pentium III2005双核双核CORE2010八核八核-十核十核CORE i 系列系列19748086/80881982Intel 802861985Intel 803861989Intel 804861993Pentium1997Pentium II5.2 存储与计算的核心存储与计算的核心-微处理器？微处理器？

21、存储设备存储设备存储设备类别类别发展水平发展水平固态硬盘固态硬盘USB Removable diskFlashRAM磁带磁带/磁芯磁芯/磁鼓存储磁鼓存储磁盘存储磁盘存储(硬盘与软盘硬盘与软盘)光盘存储光盘存储(CD-ROM, CD R/W, DVD)汞延迟线汞延迟线纳米存储纳米存储/量子存储量子存储半导体存储半导体存储(ROM/RAM)体积越来越小体积越来越小容量越来越大容量越来越大访问速度越来越快访问速度越来越快可靠性越来越高可靠性越来越高功耗越来越低功耗越来越低持久性越来越好持久性越来越好DRAM半导体存储器芯片半导体存储器芯片FlashRAM存储器存储器U-Disk固态硬盘固态硬盘磁芯存

22、储器磁芯存储器5.3 怎样解决大规模快速存储问题？怎样解决大规模快速存储问题？输入设备输入设备类别类别发展水平发展水平穿孔纸带穿孔纸带(0/1输入输入)键盘输入键盘输入(符号输入符号输入)鼠标输入鼠标输入(点输入点输入)感知输入感知输入(接触式感知输入接触式感知输入非接触式感知输入非接触式感知输入)输入设备5.4 怎样解决输入问题？怎样解决输入问题？输出设备输出设备(显示器显示器)类别类别发展水平发展水平CRT：阴极射线管：阴极射线管(模拟显示器：模拟显示器：黑白与彩色黑白与彩色)CRT: 字符发生器字符发生器(向量式模拟显示器向量式模拟显示器: 输出字符输出字符)CRT: 数字光栅扫描显示器

23、数字光栅扫描显示器(基于内存的显示基于内存的显示: 输出图形输出图形)3D显示器：显示器：3维图形维图形数字显示器：数字显示器：高清图形高清图形(液晶、等离子技术液晶、等离子技术)GPU芯片芯片多显示卡并联多显示卡并联分辨率越来越高分辨率越来越高颜色越来越逼真颜色越来越逼真显示速度越来越快显示速度越来越快(屏幕刷新速度和图屏幕刷新速度和图形处理速度形处理速度)越来越薄，越清晰越来越薄，越清晰可视角度越来越接近平角可视角度越来越接近平角输出设备-显示及显示控制5.5 怎样解决输出问题？怎样解决输出问题？计算机系统的发展微处理器微处理器存储设备存储设备输出设备输出设备(显示器显示器)输入设备输入设

24、备类别类别发展水平发展水平(字长字长;主频主频;晶体管数目晶体管数目)(8位位; 5M;1万颗万颗)(16位位; 20M;10万颗万颗)(32位位; 60M;300万颗万颗)(32位位; 1G;2800万颗万颗)(64位位; 10G; 3亿颗亿颗)(64位位; 10G; 10亿颗亿颗)穿孔纸带穿孔纸带(0/1输入输入)键盘输入键盘输入(符号输入符号输入)鼠标输入鼠标输入(点输入点输入)感知输入感知输入(接触式感知输入接触式感知输入非接触式感知输入非接触式感知输入)CRT：阴极射线管：阴极射线管(模拟显示器：黑白与彩色模拟显示器：黑白与彩色)CRT: 字符发生器字符发生器(向量式模拟显示器向量式

25、模拟显示器)CRT: 数字光栅扫描显示器数字光栅扫描显示器(基于内存的显示基于内存的显示)3D显示器显示器数字显示器数字显示器(液晶、等离子技术液晶、等离子技术)固态硬盘固态硬盘USB Removable diskFlashRAM磁带磁带/磁芯磁芯/磁鼓存储磁鼓存储磁盘存储磁盘存储(硬盘与软盘硬盘与软盘)光盘存储光盘存储(CD-ROM, CD R/W, DVD)汞延迟线汞延迟线纳米存储纳米存储/量子存储量子存储半导体存储半导体存储(ROM/RAM)5.6 计算机系统各主要部件的发展趋势是什么？计算机系统各主要部件的发展趋势是什么？电子自动计算电子自动计算-发展趋势发展趋势计算机、计算与计算思维

26、计算机、计算与计算思维6. 电子自动计算电子自动计算-发展趋势发展趋势?世界上最小台式电脑- 如同拇指大小平板电脑-Apple IPAD智能手机6.1 微型化趋势是怎样的微型化趋势是怎样的?平板电脑-Apple IPAD计算机的发展方向-微型化：可嵌入、可携带A massively parallel supercomputer using tens of thousands of embedded PowerPC processors supporting a large memory space With standard compilers and message passing envi

27、ronmentIBM-BlueGene(蓝色基因蓝色基因): Milestone of an Intelligent Machine计算机的发展方向-大型化：可进行大规模、复杂计算6.2 大型化趋势是怎样的？大型化趋势是怎样的？2010.11, 超级计算机超级计算机500强第一名：强第一名：天河一号天河一号A - 中国中国14336颗颗Intel Xeon X5670 2.93GHz六核心处理器六核心处理器2048颗我国自主研发的飞腾颗我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理器八核心处理器7168块块NVIDIA Tesla M2050高性能计算卡高性能计算卡总计总计: 186368个核心个

28、核心, 224TB内存。内存。实测运算速度可以达到实测运算速度可以达到每秒每秒2570万亿次万亿次(这意味着，这意味着，它计算一天，相当于一台家用电脑计算它计算一天，相当于一台家用电脑计算800年年)计算机的发展方向-大型化：可进行大规模、复杂计算超级计算机超级计算机500强强汽车生产线上的机器人水下机器人计算机的发展方向-智能化理解自然语言，具有自适应性，理解自然语言，具有自适应性，自主完成复杂功能自主完成复杂功能6.3 智能化趋势是怎样的？智能化趋势是怎样的？Internet of ServicesInternet of NetworksInternet of ThingsInternet

29、 of 3D WorldsFor peopleand enterprises计算机的发展方向-网络化“未来互联网未来互联网”-Future Internet机机-机相联，物机相联，物-物相联，物物相联，物-人相联，人人相联，人-人相联人相联6.4 网络化趋势是怎样的？网络化趋势是怎样的？什么是计算思维什么是计算思维?计算机、计算与计算思维计算机、计算与计算思维7. 什么是计算思维什么是计算思维?SystemsTheoryAIComp. Bio.Geometric Comp.GraphicsHCI：Human Computer InteractionDistributed SystemsServ

30、ice ComputingHardwareRoboticsDatabase & Data miningMachine LearningNatural LanguageComp. EconomicsNetworkingSecurityAlgorithmsArtEconomicsBiologyLinguisticsStatisticsSociology & ServiceologyDesignPsychologyElectricalEngineering7.1 为什么提出计算思维？为什么提出计算思维？学科的发展，知识的膨胀计算思维，计算的伟大原理7.2 计算思维的提出计算思维的提出uComputa

31、tional Thinkingfrom CMU，周以真（，周以真（Jeannette M. Wing），），Communications of ACM, Vol.49, No.3, March 2006, Pages 33-35 uComputational thinking is a way of solving problems, designing systems, and understanding human behavior that draws on concepts fundamental to computer science.uComputational thinking

32、will be a fundamental skill used by everyone in the world by the middle of the 21st Century. Just like reading, writing, and arithmetic. Imagine every person knowing how to think like a computer scientist! Computational thinking is not just for other scientists, its for everyone.Thinking like a comp

33、uter scientist means more than being able to program a computer u计算思维计算思维的本质就是的本质就是抽象抽象(Abstraction)与与自动化自动化(Automation)，即在，即在不不同层面同层面进行抽象，以及将这些抽象进行抽象，以及将这些抽象“机器化机器化”。7.3 什么是计算思维？什么是计算思维？n计算思维是人类应具备的第三种思维计算思维是人类应具备的第三种思维实验思维实验思维: 实验实验 观察观察 发现、推断与总结发现、推断与总结. -观察与归纳观察与归纳理论思维理论思维: 假设假设/预设预设 定义定义/性质性质/定

34、理定理 证明证明. -推理和演绎推理和演绎计算思维计算思维: 设计设计, 构造构造 与与 计算计算. -设计与构造设计与构造计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分计算思维关注的是人类思维中有关可行性、可构造性和可评价性的部分 当前环境下，理论与实验手段在面临大规模数据的情况下，不可避免地要用当前环境下，理论与实验手段在面临大规模数据的情况下，不可避免地要用计算手段来辅助进行。计算手段来辅助进行。国内学者/专家的观点7.4 计算思维？计算思维？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自然现象的计

35、算的表达与推演的表达与推演用社会用社会/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局域网局域网/广广域网：机域网：机器网络器网络互联网：互联网：信息网络信息网络/广义资源广义资源网络网络物联网物联网;知识网知识网;服务网服务网;社会网社会网抽象抽象自动化自动化事务管理事务管理与数据库与数据库数据分析与数据分析与数据仓库数据仓库数据聚集数据聚集与大数据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

36、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7.5 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间-计算之树？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大学计算思维教育空间计算之树计算之树?计算机、计算与计算思维计算机、计算与计算思维8. 大学计算思维教育空间大学计算思维教育空间计算之树计算之树?8.1 奠基性的计算思维有哪些奠基性的计算思维有哪些?计算之树的第一个维度计算技术的奠基性思维n“0 和和 1”思维思维-符号化符号化计算化计算化自动化自动化

37、0和和1是实现任何计算的基础；社会是实现任何计算的基础；社会/自然与计算融合的基本手段；自然与计算融合的基本手段； 0和和1是是连接硬件与软件的纽带；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。是最基本的抽象与自动化机制。 n“程序程序”思维思维-千变万化复杂功能的构造、表达与执行千变万化复杂功能的构造、表达与执行 程序是基本动作程序是基本动作(指令指令)的各种组合，是控制计算系统的基本手段的各种组合，是控制计算系统的基本手段n“递归递归”思维思维-无限事物及重复过程的表达与执行方法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递

38、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云计算云计算环境环境8.2 通用计算环境是如何演化的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个人计算机冯冯.诺依曼诺依曼计算机计算机云计算云计算环境环境并行分布并行分布计算环境计算环境The tools we use have a profound influence on our thinking habits, and therefore, on our thinking

39、abilities.-from Edsger Dijkstra, 1972 Turing Awards receiver.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环境环境8.3 为什么算法和系统很重要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“算法算法”：问题求解的一种手段：问题求解的一种手段构造与设计算法构造与设计算法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

40、通常被认为是计算学科的理论研究。杂性；算法研究通常被认为是计算学科的理论研究。n“系统系统”：问题求解的另一种手段：问题求解的另一种手段构造与设计系统构造与设计系统 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杂为简单(使其能够被做出来使其能够被做出来)；系统还强调结构性、可靠性、安全性等。；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。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

41、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8.4 计算与社会计算与社会/自然如何融合的自然如何融合的?计算之树的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自然现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

42、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

43、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业务业务-计算计算人人-计算机计算机机机-机，物机，物-物物云计算云计算环境环境算法算法系统系统局域网局域网/

44、广广域网：机域网：机器网络器网络互联网：互联网：信息网络信息网络/广义资源广义资源网络网络物联网物联网;知识网知识网;服务网服务网;社会网社会网事务管理事务管理与数据库与数据库数据分析与数据分析与数据仓库数据仓库数据聚集数据聚集与大数据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

45、算神经计算8.5 为什么网络化思维、数据化思维很重要？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自然现象的计算的表达与推演的表达与推演用社会用社会/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局域网局域网/广广域网：机域网：机器网络器网络互联网：互联网：信息网络信息网络/广义资源广义资源网络网络物联网物联网;知识网知识网;服务网服务网;社会网社会网抽象抽象自动化自动化事务管理事务管理与数据库与数据库数据分析与数据分析与数

46、据仓库数据仓库数据聚集数据聚集与大数据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计算机计算机计算机科学计算机科学计算科学计算科学u计算思维的学习方法计算思维的学习方法（1） “知识知识/术语术语”随着随着“思维思维”的学习而展开，的学习而展开，“思维思维”随着随着“知

47、识知识”的贯通而形的贯通而形成，成，“能力能力”随着随着“思维思维”的理解而提高。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。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；通过从社会来理解复杂问题的求解方法；通过从社会/自然等人们身边的问题理解到计算科学家是自然

48、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。如何进行问题求解。（4）追求追求“问题问题”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。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）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。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。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、梳理思路阅读书籍、阅读文献、网上搜索、梳理思路(记笔记记笔记)8.6 怎样学习计算思维怎样学习计算思维?第第1讲讲 计算机、计算与计算思维计算机、计算与计算思维2014Questions & Discussion?