计算机文化与计算机思维基础.ppt

大学计算机,李君阳 447222141,第一章 计算机与信息社会,1.1 引言 1.2 计算机的诞生与发展 1.3 计算思维基础,教学说明,1. 学时：0学时 以自学为主或者根据各校情况简要介绍 2. 内容： 计算机的发展 计算机的发展、分代、分类、新技术、新型计算机 信息技术概念 现代信息技术的定义、内容、特点 计算机的应用 在各行各业中的应用、应用的类型 3. 考核：选择题、填充题,1.1 引言,算 筹 春秋战国时代，世界上最早的计算工具 算 盘 中国唐代 第一种手动式计数器,人类在进化过程中，发明和改进了许许多多的计算工具。,计算尺 1622年，英国William Oughtred手动式、减、乘、 除、指数和三角函数运算 加法器 1642年，法国Blaise Pascal机械式，只能做加法 计算器 1673年，德国Gottfried Leibniz机械式，加、减、乘、除和开方,差分机 1812年，英国Charles Babbage 分析机 1834年，英国Charles Babbage 现代通用计算机的雏形,1.2计算机的诞生和发展,在以机械方式运行的计算机诞生百年之后，随着电子技术的突飞猛进，计算机开始了有机械向电子的进化 1.2.1 计算机的诞生 1.2.2 计算机的分代 1.2.3 计算机的分类 1.2.4 计算机的应用 1.2.5 计算机文化,计算机科学奠基人 英国科学家 阿兰.图灵,1.2.1 计算机的诞生,1. 图灵机,姚期智(Andrew Chi-Chih Yao)，2000年图灵奖得主，美国科学院院士，美国科学与艺术学院院士，中国科学院外籍院士，清华大学高等研究中心教授,主要贡献： 建立图灵机模型，奠定可计算理论基础 提出图灵测试，阐述了机器智能的概念,美国计算机学会(ACM)1966年设立图灵奖（计算机界的诺贝尔）,图灵机模型： 由无限长纸带和读写头组成纸带用于无限存储，读写头可读、写和左右移动。 图灵机具有最强大的计算能力，其功能与高级程序设计语言等价。,如果电脑能在5分钟内回答由人类测试者提出的一系列问题，且其超过30%的回答让测试者误认为是人类所答，则电脑通过测试。 回答了什么样的机器具有智能， 奠定了人工智能的基础。,在英国雷丁大学的“图灵测试2014”中，电脑程序“尤金古斯特曼”成功“伪装”成一名13岁男孩，通过了图灵测试,机械姬,图灵测试：,2. 世界上第一台电子计算机-ENIAC,1946年2月由宾夕法尼亚大学研制ENIAC标志着电子计算机时代的到来,Electronic Numerical Integrator And Calculator,电子数字积分计算机,每秒5千次加减运算 没有存储器 采用十进制,长30.48米，宽6米，高2.4米，占地面积约170平方米，耗电量150千瓦。包含了17468根真空管7200根水晶二极管，1500 个中转，70000个电阻器，10000个电容器，1500个继电器，6000多个开关,阿塔纳索夫-贝瑞计算机（Atanasoff-Berry Computer，简称ABC）,缺点 一： 没有存储器 二： 布线接板控制 三： 除了体积大，耗电多以外，电子管易于损坏，18万多个电子管,电子计算机之父： 美籍匈牙利数学家 冯.诺依曼,3. 冯.诺依曼体系结构计算机,冯.诺依曼体系计算机的特点 采用二进制表示数据； 存储程序； 由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。,主要贡献： 与同事研制人类第二台计算机EDVAC “存储程序”概念 冯诺依曼计算机 奠定现代计算机体系结构和工作原理,1.2.2 计算机的分代(按物理器械),电子管,晶体管,集成电路,大规模集成电路,1.2.3 计算机的分类,按综合性能指标分类,高性能计算机（巨型机或大型机）： 速度最快、处理能力最强,工作站：介于PC与小型机之间高档微机系统 高分辨率、大容量内外存，图形功能较强,微型计算机： 台式机、笔记本、平板计算机等,服务器：网络环境中为多个用户提供服 务的计算机系统,嵌入式计算机： 嵌入到应用系统中的计算机，应用最广泛，数量超过PC。,“天河二号”是由国防科大研制的超级计算机系统，以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能位居榜首，以高于亚军美国“泰坦”一倍之多的浮点运算性能第五次成为全球最快超级计算机,天河二号超级计算机系统由170个机柜组成，占地面积720平方米，内存总容量1400万亿字节，存储总容量12400万亿字节，最大运行功耗17.8兆瓦。费用30万一天,科学计算,又称数值计算，指用于完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。 电子计算机的重要应用领域。 科学计算的特点是计算量大且数值变化范围大。 主要应用于天文学、量子化学、空气动力学、核物力和天气预报等领域。,1.2.4计算机的应用,数据处理,也称非数值计算. 数据处理指对大量的数据进行加工处理，例如，分析、合并、分类、统计等。 与科学计算的不同在于数据处理涉及的数据量一般很大。 广泛应用于办公自动化、企业管理、事务管理、情报检索等方面。 科研：数据采集、计算分析 家庭：家庭信息化,电子商务,利用计算机和网络进行的新型商务活动 B2B，交易双方是企业与企业。如阿里巴巴 B2C，交易双方是企业与消费者。如京东 C2C，交易双方是消费者与消费者。如淘宝 商务部公布2014年电子商务交易额(包括B2B和网络零售)达到约13万亿元，同比增长25%。 应用领域：电子政府,过程控制,又称实时控制。 指用计算机及时采集现场数据，将数据处理后，再按系统要求迅速的对控制对象进行控制。 在冶金、石油、化工、纺织、水电、机械、航天等部门得到广泛应用。,计算机辅助系统,包括CAD、CAM、CBE等。 计算机辅助设计CAD，即利用计算机帮助各类设计人员进行设计 计算机 辅助制造CAM，即用计算机进行生产设备的管理、控制和操作的技术。 计算机辅助教育CBE，包括计算机辅助教学CAI。 计算机集成制造系统以计算机为中心的现代化信息技术应用于企业管理和产品开发制造的新一代制造系统，是CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ、PDMS、管理与决策、网络与数据库及质量保证系统等子系统的技术集成,多媒体技术,以计算机技术为核心，将现代声像技术和通信技术融为一体，以追求更自然、更丰富的接口界面 教育：多媒体教育、远程教育 娱乐：虚拟现实、电影特技,人工智能,人工智能AI，一般指模拟人脑进行演绎推理和采取决策的思维过程。 在计算机中存储一些定理和推理规则，然后设计程序，让计算机自动探索解决的方法。 人工智能是计算机应用研究的前沿科学。,1.2.5 计算机文化,人类社会的生存方式因使用计算机而发生根本性变化而产生的一种新文化形态，体现在以下方面： 物质文化：计算机软硬件设备及其使用方法，满足了人类生存和发展的需要。 非物质文化：新的科学思想、科学方法、科学精神、价值标准等，由此产生新的语言、风俗、道德、法律等。,1.3计算思维基础,1.3.1 计算思维概述 1.3.2 计算思维内涵 1.3.3 计算思维的应用,理论、实验和计算是科学研究的三大方法，对应的三大思维是理论思维、实验思维和计算思维。,计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。,实证思维（重现、自治、预见）实验：物理 逻辑思维（公理、规则、结论）推理：数学 计算思维（能行、构造、模拟）使自动：计算机,1,本质：抽象、自动化,抽象：完全超越物理的时空观，完全使用符号来表示 在哥尼斯堡的一个公园里，有七座桥将普雷格尔河中两个岛及岛与河岸连接起来(如图)。问是否可能从这四块陆地中任一块出发，恰好通过每座桥一次，再回到起点？,自动化：机械地一步一步的执行,1.3.1 计算思维概述,例子：求函数f(x)的积分。 高等数学方法：牛顿-莱布尼兹公式。 计算机方法：黎曼积分方法(区间等分求和)。,计算思维的关键：用计算机模拟现实世界,实验和理论思维无法解决的问题 复杂问题求解、宏大系统建立、大型工程组织都可以通过计算模拟来实现 核爆炸、蛋白质生成、大型飞机、舰艇设计,如何使用计算思维,利用计算手段求解问题的过程是： 首先要把实际的应用问题转换为数学问题，可能是一组微分方程，然后建立模型、设计算法和编程实现，最后在实际的计算机中运行并求解 前两步是计算思维中的抽象，后两步是计算思维中的自动化,2.计算思维的特征 计算思维是人的思维方式； 计算思维的过程可以由人执行，也可以由计算机执行； 计算思维是思想，不是人造物； 计算思维是概念化，不是程序化。,1.3.2 计算思维的内涵,1. 计算思维的基本问题,可计算性：可以使用计算机在有限步内解决的问题。 并不是所有问题都是可计算 的，如图灵机的停机问题、歌 德巴赫猜想等是不可以计算的。,如何判定： 邱奇图灵论题一切直觉上能行、可计算的函数都可用图灵机计算，反之亦然,计算复杂性：用计算机求解问题的难易程度，包括时间复杂性和空间复杂性。 如两个n阶矩阵相乘的时间复杂性是O(n3)。,图灵测试：用以解决机器是否有智能的问题。 结果表明，目前计算机想和人类真正谈话还比较困难。,矩阵相乘：,根据公式,计算C中的一个元素需要n次乘法和n-1次加法,所以计算C中所有的元素需要n3次乘法和n*n*（n-1）次加法。执行乘法所需的时间数倍于加法。所以两个矩阵的时间复杂性记为O(n3),2. 计算思维的基本方法,数学和工程的方法(黎曼积分、迭代、递归、大系统设计与评估等)和计算机科学的方法(如操作系统中处理死锁的方法)。,分为七大类： 约简、嵌入、转化和仿真等方法； 递归方法； 抽象和分解方法； 根据问题建模的方法； 冗余、容错、纠错的方法，从最坏情况进行系统恢复的方法； 启发式推理方法； 折中处理的方法；(时间和空间的折中),当你上课时，把当天需要的东西放进背包，这就是预置和缓存； 当你丢钱包，沿走过的路寻找，这就是回推； 在超市付帐时，你应当去排哪个队呢？这就是多服务器系统的性能模型； 为什么停电时你的电话仍然可用？这就是失败的无关性和设计的冗余性；,1.3.3 计算思维的应用,计算物理：采用数值模拟方法，作为探索自然规律的工具。 计算化学：根据基本的物理化学理论，以大量数值运算探讨化学系统的性质。 计算生物学：应用数据分析及理论方法建模，计算机仿真，研究生物学、行为学和社会群体系统的学科。 计算经济学：一切与经济研究有关的计算。,