计算思维概述ppt课件

第一章信息技术与计算思维概述 1 第一节计算思维概述 课程 大学计算机NO3 1概述 2 本章内容 1 什么是计算2 计算工具的发展和电子计算机3 计算科学4 计算思维 3 3 教学目标 掌握如下概念和知识点什么是计算 什么是可计算的 什么是不可计算的 历史上的计算工具与电子计算机有哪些共同的思想 计算科学的根本问题有哪些 计算科学与计算思维对我们有什么影响 4 4 1 1什么是计算 讨论 什么是计算 例1 1 杂货店老板上个月的结余是多少 例1 2 去年的平均气温是多少 例1 3 有四个嫌疑人 a说 我不是小偷 b说 c是小偷 c说 小偷肯定是d d说 c冤枉人 四人中有三人说的是真话 问到底谁是小偷 请同学们总结什么是计算 5 5 1 计算 计算 computation 是算法的执行 6 从包含算法和输入数据的初始状态开始 经过一系列的中间状态 直到达到最终的目标状态的过程 算法 algorithm 是由若干条指令组成的有穷序列 6 计算与产品的加工 生产过程有什么可比之处 一组可能的输入值和一组可能的输出值之间的映射关系称为函数 function 它使每个可能的输入被赋予单一的输出 对于一个给定的输入 确定其具体输出的值 这一过程称为函数的计算 通过对函数的计算 解决问题 计算机科学的一个基本问题就是找到一种技术 并用其来计算用于求解问题的函数 y f x 能不能确定 怎样确定加工过程 如何实现加工过程 7 7 2 可计算和不可计算 如果一个函数 可以依据输入值和一定的计算步骤 来确定其输出值 则称其为可计算的 computable 而如果根据其输入找不到定义好的 一步一步的过程来确定其输出值 这样的函数称为不可计算的 uncomputable 如果一个问题是可计算的 不管它有多复杂 总能制造出一种机器对其进行求解 而如果问题是不可计算的 意味着它超出了机器的能力范围 8 8 计算模型 图灵机 计算机科学和人工智能之父 阿兰 图灵 AlanTuring 1936年提出用机器实现逻辑代码的执行 以模拟各种计算和逻辑思维过程 图灵机纸带 存储器读写头 输入输出装置有限状态控制器 控制器 运算器 寄存器状态 转移函数 计算机语言纸带上的信息 程序代码存储 计算机语言 编译 图灵奖介绍 9 1 2计算工具的发展和电子计算机的诞生 1 手工计算工具算筹 10 纳皮尔筹 计算尺 算盘 10 2 机械式计算工具 盘式计算机莱布尼茨计算机巴贝奇的差分机和分析机 11 11 巴贝奇的差分机和分析机把多项式数值表的复杂算式转化为差分运算 用简单的加法代替平方运算 12 差分机结构和功能三个寄存器每个寄存器六位 10万 自动计算分析机结构和功能存储器运算室操作控制器条件转移卡片输入打印 制版 卡片 12 3 电子计算机的诞生 1945年年底 电子数值积分机和计算机 ElectronicNumericalIntegratorandComputer 简称ENIAC 标志人类计算工具历史性变革的巨型机器宣告峻工 正式的揭幕典礼于1946年2月15日举行 这一天被人们认为是ENIAC的诞生日 13 13 ENIAC的最大特点就是采用电子线路来执行算术运算 逻辑运算和储存信息ENIAC有如下的缺陷 第一 它按照十进制工作而非二进制第二 它最初是为弹道计算而设计的专用计算机第三 它的存储容量太小 至多只能存20个字长10位的十进制数 14 14 EDVAC 在ENIAC还没有完成时 1944年 它的设计者们就开始了新的计算机的设计1945年 冯 诺依曼提给出了 EDVAC报告的第一份草案 FirstDraftofaReportontheEDVAC 确定了新机器有五个构成部分 运算器 控制器 存储器 输入和输出装置这一结构被称为冯 诺依曼结构 有此结构的计算机统称为冯 诺依曼计算机 提出 程序存储与程序运行的思想 15 15 冯 诺依曼结构 现代计算机的体系结构命令和数据以二进制的形式存储在存储器中五大模块 16 16 EDVAC的方案有两个非常重大的改进 一是为了充分发挥电子元件的高速度而采用了二进制 二是实现了存储程序 可以自动地从一个程序指令执行到下一个程序指令 其作业顺序可以通过一种称为 条件转移 的指令而自动完成 冯 诺依曼计算机也存在局限性存储器和中央处理器之间的通路太狭窄串行顺序处理的工作机制 17 17 计算机的发展 ENIAC诞生以来 随着组成逻辑电路的电子元件的发展 将电子计算机的发展划分为 第一代电子管时代 第二代晶体管时代 第三代集成电路时代 第四代超大规模集成电路时代 以后的发展量子计算机生物计算机如今 计算机从体积上趋于小型化 性能上趋于巨型化 功能上趋于网络化 智能化和综合化 18 18 科学思维 1 科学就是整理事实 从中发现规律 作出结论 达尔文 2 理论科学 实验科学和计算科学作为科学发现三大支柱 正推动着人文明进步和科技发展 3 一般而论 三种科学对应着三种思维 理论科学 理论思维 理论思维又叫推理思维 以推理和演绎为特征 以数学学科为代表 实验科学 实验思维 实验思维又叫实证思维 以观察和总结自然规律为特征 以物理学科为代表 计算科学 计算思维 计算思维又叫构造思维 以设计和构造为特征 以计算机学科为代表 19 计算思维的提出 2006年 美国卡内基 梅隆大学的JeannetteM Wing 周以真 教授首先提出计算思维 ComputationalThinking 的概念 定义 运用计算机科学的基础概念进行问题求解 系统设计 以及理解人类行为等的一系列思维活动 观点 源自数学思维和工程思维的计算机思维 与阅读 写作与算术能力一样 应成为人类的基本技能 强调 计算思维是 人的 不是计算机的思维 计算思维是人类求解问题的一条途径 但决非试图使人类像计算机那样去思考 20 21 17November2010herresearchnotes CT WhatandWhy 2010 JanCuny LarrySnyder andJeannetteM Wing DemystifyingCTforNon ComputerScientists workinprogress CTisthethoughtprocessesinvolvedinformulatingproblemsandtheirsolutionssothatthesolutionsarerepresentedinaformthatcanbeeffectivelycarriedoutbyaninformation processingagent Informally CTdescribesthementalactivityinformulatingaproblemtoadmitacomputationalsolution Thesolutioncanbecarriedoutbyahumanormachine ormoregenerally bycombinationsofhumansandmachines CTisusedinthedesignandanalysisofproblemsandtheirsolutions broadlyinterpreted 计算思维是与形式化问题及其解决方案相关的一个思维过程 其解决问题的表示形式应该能有效地被信息处理代理执行 合理抽象高效算法 算法思维角度 合理建模高效实施 工程思维角度 NOTCT ComputingComputerliteracy i e howtouseWordandExcelorevenGoogleComputerprogramming i e beyondJavaProgramming101 22 课程中的计算思维举例 1 计算机与信息社会 从算盘到计算机的发展过程是计算思维内容不断拓展的过程 从口诀到使用规则 展示计算机的应用 培养计算思维的意识了解计算机能做什么 只有想不到的 没有做不到的 2 计算机系统 用抽象和分解来控制庞杂的任务和设计复杂的系统 Cache 预置和缓存的典型案例 多核处理器 并行编程的典型案例 3 数据在计算机中的表示 计算机中表示问题的方法 4 操作系统基础 计算思维解决了计算机自身问题的同时 也可解决各种应用问题 23 5 计算机网络基础与应用 协议分层 域名体系 复杂问题的分解 奇偶校验 csma cd 冗余设计 系统恢复 从买参考书 泡图书馆到网上求解问题答案 标准的计算思维方法 从商店购物到网上购物 从开设实店到网上开店 6 数据库技术基础 设计一个数据库 本身就是抽象和分解的过程 课程中的计算思维举例 24 计算思维与问题求解 计算思维求解问题的手段 抽象和自动化 问题求解的步骤问题抽象化的描述 问题表示 如何建立模型 寻找解决方案 问题求解 如何设计算法 计算机实现过程 效率 如何有效地求解 现实问题的延伸 25 计算思维与问题求解 计算机问题求解与程序设计课程 1 学习程序设计方法是理解计算机的最好途径 2 程序设计课程的内容也最能够体现语言级的问题求解方法 是计算思维能力培养的重要内容 3 对大多数非计算机专业的学生而言 学习程序设计的目的是学习计算机分析和解决问题的基本过程和思路 26 计算思维不仅仅是程序设计 预置和缓存小学生早晨去学校时 她把当天需要的东西放进背包 回推小男孩弄丢他的手套时 你建议他沿走过的路回寻 多服务器系统的性能模型在超市付账时你应当去排哪个队呢 失败的无关性和设计的冗余性为什么停电时你的电话仍然可用 27 计算思维的应用领域 生物学脑科学化学经济学文学艺术社会学管理学 28