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1、计算机与计算思维概计算机与计算思维概述述现在学习的是第1页，共41页第一章第一章 计算机与计算思维概述计算机与计算思维概述 在在信信息息化化时时代代，掌掌握握一一定定的的计计算算机机软软硬硬件件基基础础知知识识，能能够够使使用用计计算算机机处处理理日日常常事事务务，能能够够通通过过网网络络获获取取信信息息及及相相互互交交流流，学学会会在在数数据据处处理理中中所所体体现现的的计计算算思思维维能能力力，是是每个大学生应知应会的基本知识和能力。每个大学生应知应会的基本知识和能力。本本章章从从计计算算机机的的起起源源开开始始，介介绍绍计计算算机机的的发发展展史史和和特特点点、类类型型及及应应用用，以以
2、及及计计算算机机的的未未来来发发展展趋趋势势，信信息息技技术术的基础知识，最后介绍的基础知识，最后介绍计算思维计算思维的相关概念。的相关概念。现在学习的是第2页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识 这是一幅很著名的人类进化这是一幅很著名的人类进化幽默幽默图图 20世世纪纪以以来来人人类类最最重重大大的的科科技技发发明明当当数数电电子子数数字字计计算算机机，计算机改变了人们传统的工作和生活方式。计算机改变了人们传统的工作和生活方式。现在学习的是第3页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识1.1.11.1.1 计算机发展历史上的重要人物和思想计算机发展历史上的重要人物和思想 (1
3、)早期的计算工具早期的计算工具 美美国国著著名名科科普普大大师师阿阿西西莫莫夫夫说说过过，人人类类最最早早的的“计计算算机机”是是手手指指，英语单词英语单词“Digit”既表示既表示“手指手指”又表示又表示“整数数字整数数字”。中中国国数数学学史史专专家家考考证证，大大约约在在新新石石器器时时代代早早期期，先先民民使使用用的的“计计算机算机”是是结绳结绳，即用绳子打结的多少来表示数的概念。，即用绳子打结的多少来表示数的概念。现在学习的是第4页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识 公公元元前前5世世纪纪，中中国国人人发发明明了了算算盘盘，广广泛泛应应用用于于商商业业贸贸易易中中，算算盘
4、盘被被认认为为是是最最早早的的计计算算机，并一直使用至今。机，并一直使用至今。计计算算工工具具的的源源头头可可以以上上溯溯至至2000多多年年前前的的春春秋秋战战国国时时代代，古古代代中中国国人人发发明明的的算算筹筹是是世世界上最早的计算工具。界上最早的计算工具。古古语语曰曰：“运运筹筹策策于于帷帷幄幄之之中中，决决胜胜于于千千里里之之外外。”筹筹策策又又叫叫算算筹筹，用用竹竹、木木或或兽兽骨骨制制成成，祖祖冲冲之之借借助助算算筹筹成成功功地地将将圆周率圆周率值计算到小数点后的第值计算到小数点后的第7位。位。现在学习的是第5页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识 钟钟表表业业，特特别
5、别是是齿齿轮轮传传动动装装置置技技术术的的发发展展，诞诞生生了了最最早早的的机机械式计算机。械式计算机。下下面面我我们们通通过过介介绍绍几几位位对对计计算算机机发发展展有有过过突突出出贡贡献献的的早早期期历历史史人物，阐述计算发展的历程。人物，阐述计算发展的历程。(2)机械式计算机机械式计算机 帕斯卡帕斯卡 莱布尼茨莱布尼茨 巴贝奇巴贝奇 爱达爱达机械式计算机时代的代表人物机械式计算机时代的代表人物现在学习的是第6页，共41页 该该加加法法机机可可完完成成六六位位数数字字的的加加减减法法。它它的的设设计计原原理理对对其其后后的的计计算机产生了深远的影响。算机产生了深远的影响。法法国国物物理理学
6、学家家帕帕斯斯卡卡(1623-1662)：在在 1642年年发发明明了了第第一一台台机机械械式式加加法法机机。该该机机由由齿齿轮轮组组成成，靠靠手摇发条驱动，用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。手摇发条驱动，用专用的铁笔来拨动转轮以输入数字。1.1 计算机基础知识计算机基础知识 为为了了纪纪念念帕帕斯斯卡卡的的伟伟大大发发明明，1971年年，当当瑞瑞士士苏苏黎黎世世联联邦邦工工业业大大学学的的沃沃斯斯教教授授发发明明了了一一种种新新的的计计算算机机语语言言起起名名叫叫帕帕斯斯卡卡(PASCAL)。在在很很长长一一段段时时间间里里，PASCAL语语言言在在高高校校计计算算机机软件教学中一直处于主导
7、地位。软件教学中一直处于主导地位。现在学习的是第7页，共41页 德德国国数数学学家家莱莱布布尼尼茨茨：在在1673年年发发明明了了机机械械式式乘乘除除法法器器。基基本本原原理理继继承承于于帕帕斯斯卡卡的的加加法法机机，也也是是由由一一系系列列齿齿轮轮组组成成，但但它它能能够够连连续续重重复复地地做做加加减减法法，从从而而实实现现了了乘乘除除运运算算。据据记记载载，莱莱布布尼尼兹兹曾曾把自己的乘法机复制品送给康熙皇帝把自己的乘法机复制品送给康熙皇帝。1.1 计算机基础知识计算机基础知识 尽尽管管莱莱布布尼尼茨茨发发明明了了二二进进制制，但但这这并并非非是是由由于于他他认认识识到到二二进进制制对对
8、于于计计算算机机来来说说是是多多么么重重要要。事事实实上上，他他发发明明的的机机械械计计算算机机和和二二进进制制毫毫不不相相干干。然而，他发明的二进制现在却支配着全世界不计其数的计算机的运行。然而，他发明的二进制现在却支配着全世界不计其数的计算机的运行。现在学习的是第8页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识 英英国国女女数数学学家家爱爱达达(1815-1852)：巴巴贝贝奇奇的的合合作作伙伙伴伴。她她用用穿穿孔孔卡卡片片设设计计了了世世界界上上“第第一一件件计计算算机机程程序序”。她她还还建建议议分分析析机机用用二二进进制制存存储储。预言分析机能唱歌、绘画。预言分析机能唱歌、绘画。英
9、英国国数数学学家家巴巴贝贝奇奇：1822年年，在在历历经经10年年努努力力终终于于发发明明了了“差差分分机机”。它它有有3个个齿齿轮轮式式寄寄存存器器，可可以以保保存存3个个5位位数数字字，计计算算精精度度可可以以达达到到6位小数。位小数。巴贝奇试图发明功能更好的通用计算机巴贝奇试图发明功能更好的通用计算机分析机，但最终失败。分析机，但最终失败。爱爱达达最最出出名名的的地地方方是是因因为为她她编编写写了了一一系系驱驱动动机机器器的的指指令令，用用于于进进行行数数学学功功能能运运算算。正正因因为为这这样样，现现在在她她被被认认为为是是第第一一位位程程序序设设计计师师。1979年年美美国国国国防部
10、开发的程序语言防部开发的程序语言ADA就是以她的名字命名。就是以她的名字命名。现在学习的是第9页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识(3)机机电电式计算机式计算机 19世世纪纪末末，电电学学技技术术的的发发展展使使人人们们开开始始设设计计电电气气控控制制的的自自动动计计算算工工具具。1888年年，美美国国人人赫赫尔尔曼曼霍霍列列瑞瑞斯斯发发明明了了制制表表机机。它它采采用用穿穿孔孔卡卡片片表表示示数数据据的的是是与与非非，探探针针穿穿过过卡卡片片上上的的孔孔洞洞和和水水银银接接触触，把把电电流流接接通通，同同时时启启动动计计数数装装置置前前进进一一个个刻刻度度的的方方法法进进行行自自
11、动动计计数数，并并成成功功应应用用于于1890年年的的美美国国人人口口普普查查。依依靠靠制制表表机机，他他创办了制表机公司，即后来的创办了制表机公司，即后来的IBM公司。公司。1944年年，在在美美国国物物理理学学家家艾艾肯肯指指导导下下，马马克克1号号计计算算机机研研制制成成功功。它它是是全全机机电电式式的的计计算算机机，采采用用了了数数千千枚枚继继电电器器代代替替齿齿轮轮传传动动，仍仍然然采采用用十十进进制制，它它是是世世界界上上第第一一台台通通用用程程序序控控制制计算机计算机。现在学习的是第10页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识(4)计算机理论奠基人计算机理论奠基人 184
12、7年年，英英国国数数学学家家布布尔尔设设计计了了一一套套表表示示逻逻辑辑理理论论的的基基本本概概念念和和符符号号，用用1和和0表表示示命命题题的的真真与与假假，用用“与与”、“或或”、“非非”表表示示命命题题间间的的运运算算关关系系，这这就是成为就是成为现代电子计算机数学和逻辑基础现代电子计算机数学和逻辑基础的的布尔代数布尔代数。1938年年，美美国国数数学学家家香香农农首首次次将将布布尔尔代代数数和和继继电电器器开开关关电电路路联联系系起起来来，创创立立了了开开关关电电路路理理论论。从从理理论论到到技技术术彻彻底底改改变变了了数数字字电电路路的的设设计计方方向向，不不仅仅使使将将来来的的电电
13、子子计计算算机机能能够够进进行行数数值值运运算算，还还能能够够进进行行非非数数值值运运算算。可可以以说说，如如果果没没有有香香农农的的这这一一思思想想，现代的电子计算机是无法研制成功的。现代的电子计算机是无法研制成功的。英国数学家布尔英国数学家布尔美国数学家香农美国数学家香农现在学习的是第11页，共41页英国科学家阿兰英国科学家阿兰 图灵图灵(理论计算机的奠基人理论计算机的奠基人)1.1 计算机基础知识计算机基础知识 在现代计算机发展史上，最具影响力的两个代表人物是在现代计算机发展史上，最具影响力的两个代表人物是阿阿兰兰图灵图灵和和冯冯诺依曼诺依曼。美籍匈牙利数学家美籍匈牙利数学家冯冯 诺依曼
14、诺依曼(计算机鼻祖计算机鼻祖)现在学习的是第12页，共41页 图灵图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把他把“计算计算”这一过程分解为如下步骤：这一过程分解为如下步骤：根据眼睛看到纸上的符号，脑中思考相应的法则；根据眼睛看到纸上的符号，脑中思考相应的法则；指示手中的笔在纸上写上或擦去一些符号；指示手中的笔在纸上写上或擦去一些符号；再改变眼中所看到的范围；再改变眼中所看到的范围；如此继续，直到认为计算结束为止。如此继续，直到认为计算结束为止。1.1 计算机基础知识计算机基础知识图灵机示意图图灵机示意图控制器控制器(含运算
15、功能含运算功能)读写头读写头(输入输出设备输入输出设备)纸带（存储器）纸带（存储器）现在学习的是第13页，共41页 图图灵灵机机：这这个个在在当当时时看看来来是是纸纸上上谈谈兵兵的的简简单单机机器器，隐隐含含了了现现代代计计算算机机中中“存存储储程程序序”的的基基本本思思想想。半半个个世世纪纪以以来来，数数学学家家们们提提出出的的各各种种各各样样的的计算模型都被证明是和图灵机等价的。计算模型都被证明是和图灵机等价的。1.1 计算机基础知识计算机基础知识姚姚期期智智：20002000年年首首位位获获奖奖图图灵灵奖奖的华裔学者的华裔学者 后人模拟的图灵机结构图后人模拟的图灵机结构图现在学习的是第1
16、4页，共41页七十多年来，现代计算机基本结构仍然是七十多年来，现代计算机基本结构仍然是“冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机”。计计算算机机应应由由运运算算器器、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备备与与输输出出设备设备五大部件五大部件组成；组成；应采用应采用二进制二进制简化机器的电路设计；简化机器的电路设计；采采用用“存存储储程程序序”技技术术，以以便便计计算算机机能能保保存存指指令令和和数数据据并并能能够够自动依次执行指令，消除计算过程中的人工干预等。自动依次执行指令，消除计算过程中的人工干预等。1.1 计算机基础知识计算机基础知识冯冯诺依曼诺依曼提出的提出的存储理论存储理论:（该理论奠定了
17、其（该理论奠定了其计算机鼻祖计算机鼻祖的地位）的地位）20世世纪纪40年年代代，计计算算理理论论及及电电子子技技术术的的发发展展以以及及机机械械式式计计算算机机的的不不断断创创新新与与改改进进为为电电子子计计算算机机的的出出现现提提供供了了技技术术支支持持，最终诞生了世界上第一台电子计算机。最终诞生了世界上第一台电子计算机。现在学习的是第15页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识1946年年由由美美国国宾宾夕夕法法尼尼亚亚大大学学研研制制出出世世界界上上第第一一台台电电子子数数字字计计算算机机，取取名名ENIAC。由由此此诞诞生生了了“第一个电子的大脑第一个电子的大脑”Electro
18、nic Numerical Integrator And Calculator电子数字积分计算机电子数字积分计算机重重30吨，占地吨，占地167m2，耗电，耗电150千瓦千瓦主要元件为电子管、继电器，可保主要元件为电子管、继电器，可保存存80个字节，每秒钟做个字节，每秒钟做5000次加减次加减法或法或400次乘法运算。次乘法运算。致命缺陷：没有存储程序。致命缺陷：没有存储程序。1.1.2 1.1.2 电子计算机发展历程电子计算机发展历程电子计算机发展历程电子计算机发展历程现在学习的是第16页，共41页q 第一代计算机第一代计算机 19461958年年 以以电子管电子管为主要元件为主要元件 代表
19、机型：代表机型：ENIAC1.1 计算机基础知识计算机基础知识q 第二代计算机第二代计算机 19581964年年 以以晶体管晶体管为主要元件为主要元件采采用用晶晶体体管管的的第第二二代代电子计算机电子计算机IBM7090IBM7090型型现在学习的是第17页，共41页q 未来的第五代未来的第五代计算机是计算机是智能计算机智能计算机1.1 计算机基础知识计算机基础知识电子技术的发展促进了电子计算机的更新换代。电子技术的发展促进了电子计算机的更新换代。q 第四代计算机第四代计算机 1971年至今年至今 以以大规模大规模/超大集成电路超大集成电路为主要元件为主要元件 巨型机、大型机、小型机、微型机以
20、及便携机巨型机、大型机、小型机、微型机以及便携机 q 第三代计算机第三代计算机 19641971年年 以以集成电路集成电路为主要元件为主要元件采用集成电路的第三代电采用集成电路的第三代电子计算机子计算机IBM360型型现在学习的是第18页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识1.1.3 1.1.3 计算机类型计算机类型巨型机巨型机大型机大型机小型机小型机微型机微型机工作站工作站服务器服务器嵌入式嵌入式按按计计算算机机规规模模分分类类IBM系列大系列大型机型机IBM系列小系列小型机型机全能型图形工全能型图形工作站作站IBM PC系列服务系列服务器器嵌入式计算嵌入式计算机模块机模块微型计算
21、机微型计算机银河系列巨银河系列巨型机型机现在学习的是第19页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识 计计算算机机是是一一种种能能按按照照事事先先存存储储的的程程序序，自自动动、高高速速地地进进行行大大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。运算速度快运算速度快计算精度高计算精度高存储容量大存储容量大具有逻辑判断能力具有逻辑判断能力按照程序自动运行按照程序自动运行计计算算机机特特点点1.1.4 1.1.4 计算机的特点及应用领域计算机的特点及应用领域计算机的特点及应用领域计算机的特点及应用领域现在学习的是第20页，共41页1.1 计算机
22、基础知识计算机基础知识科学计算科学计算数据处理数据处理过程与实时控制过程与实时控制人工智能人工智能计算机辅助设计与制造计算机辅助设计与制造计计算算机机应应用用领领域域远程通信与网络应用远程通信与网络应用多媒体与虚拟现实多媒体与虚拟现实 计计算算机机应应用用领领域域：多多数数教教科科书书说说法法都都不不一一致致。一一致致认认可可的的是是：科科学学计计算算、数据处理、辅助设计、实时控制、计算机通讯、人工智能等方面。数据处理、辅助设计、实时控制、计算机通讯、人工智能等方面。20年年前前上上课课提提出出：计计算算机机应用在哪方面？应用在哪方面？现现在在上上课课时时提提出出：哪哪些些地地方方不用计算机？
23、不用计算机？现在学习的是第21页，共41页 巨型化巨型化 存存储储容容量量大大、运运算算速速度度达达每每秒秒百百万万亿亿、千千万万亿亿次次的的巨巨型型机机是衡量一个国家科技实力的指标之一。是衡量一个国家科技实力的指标之一。1.1.5 1.1.5 未来的计算机未来的计算机未来的计算机未来的计算机1.1 计算机基础知识计算机基础知识 计算机正向计算机正向巨型化巨型化、微型化微型化、网络化网络化和和智能化智能化方向发展。方向发展。2009年年，我我国国成成功功研研制制出出每每秒秒1206万万亿亿次次的的“天天河河一一号号”超超级级计计算算机机，成成为为继继美美国国之之后后世世界界上上第第二二个个能能
24、够够研研制制千千万万亿亿次次计计算算机机的国家。的国家。现在学习的是第22页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识 2010年年，改改进进后后的的“天天河河一一号号”以以峰峰值值速速度度4700万万亿亿次次、持持续续速速度度2570万万亿亿次次每每秒秒浮浮点点运运算算的的优优异异性性能能位位居居当当年年世世界界第第一一。2013年年，“天天河河二二号号”超超级级计计算算机机系系统统，以以峰峰值值计计算算速速度度每每秒秒5.49亿亿亿亿次次，持持续续计计算算速速度度每每秒秒3.39亿亿亿亿次次双双精精度度浮浮点点运运算算的的性性能能，成成为为当当年年全全球球最最快快超超级级计计算算机机。
25、这这是是继继“天天河河一一号号”之之后后，中中国国超超级计算机再次夺冠。级计算机再次夺冠。天河一号天河一号天河二号天河二号每秒每秒每秒每秒3.393.39亿亿次！亿亿次！亿亿次！亿亿次！“天河二号天河二号天河二号天河二号”成为成为成为成为2013201320132013年全球最快计算机。年全球最快计算机。现在学习的是第23页，共41页1.1 计算机基础知识计算机基础知识 网络化网络化 通过计算机网络可共享远程资通过计算机网络可共享远程资源，实现通信和合作。源，实现通信和合作。智能化智能化 智能计算机将是一种具有类似于人的思维能力，智能计算机将是一种具有类似于人的思维能力，能听会说，能想会做，能
26、代替人的体力劳动以及脑力能听会说，能想会做，能代替人的体力劳动以及脑力劳动的劳动的智能机器人智能机器人。微型化微型化 计算机不再是单一的计算机器，而是个人的信息机器。计算机不再是单一的计算机器，而是个人的信息机器。现在学习的是第24页，共41页 光计算机光计算机 用用光子器件光子器件替代电子器件。替代电子器件。1.1 计算机基础知识计算机基础知识 从从目目前前的的研研究究情情况况看看，未未来来的的新新型型计计算算机机可可能能在在以以下下三三方方面面取取得得突破突破：生物计算机生物计算机 用用生生物物工工程程技技术术生生产产的的蛋蛋白白质质分分子子作作元元件件制制成成集集成成电电路路，称称为为生
27、生物物芯芯片片。使用生物芯片的计算机称为蛋白质计算机，或称为生物计算机。使用生物芯片的计算机称为蛋白质计算机，或称为生物计算机。量子计算机量子计算机利用处于利用处于多态的原子多态的原子进行计算。进行计算。未未来来的的计计算算机机将将是是微微电电子子技技术术、光光学学技技术术、超超导导技技术术和和电电子子仿仿生生技技术术相相互互结结合合的的产产物物。这这些些计计算算机机技技术术目目前前正正处处在在初初步步的的研研究究阶阶段段，离离应应用用还还有很长的距离。有很长的距离。现在学习的是第25页，共41页计算机系统计算机系统硬件硬件软件软件系统软件系统软件应用软件应用软件中央处理器中央处理器运算器运算
28、器控制器控制器存储器存储器内存内存外存外存输入输入/输出设备输出设备1.2 计算机系统构成计算机系统构成现在学习的是第26页，共41页1.2.1 计算机硬件系统计算机硬件系统计算机硬件系统计算机硬件系统1.2 计算机系统构成计算机系统构成 以以最最为为常常见见的的台台式式机机为为例例，从从外外观观上上看看，台台式式机机由由几几个个部部件件构构成成：显显示示器器、键键盘盘、机机箱箱、鼠鼠标标等等。实实际际上上这这些些并并不不是是计计算算机机最最重重要要的的部部分分。计计算算机机最最主主要要的的工工作作实实际际上上是是由由那那些些被被机机箱遮盖住的部件完成的，它们才是计算机系统中最重要的部分。箱遮
29、盖住的部件完成的，它们才是计算机系统中最重要的部分。计计算算机机由由运运算算器器、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备备、输输出出设设备备五五大大部分组成。部分组成。(详见第三章介绍详见第三章介绍)计计算算机机的的键键盘盘、鼠鼠标标、显显示示器器就就像像人人类类的的感感觉觉器器官官一一样样，除除了了耳耳朵朵、皮皮肤肤之之外外，还还有有眼眼睛睛、嘴嘴、和和鼻鼻子子，这这些些都都是是计计算算机机的的输输入入输输出出设设备备。而而与你的大脑类似的东西则在机箱里面，叫中央处理器和内存储器。与你的大脑类似的东西则在机箱里面，叫中央处理器和内存储器。现在学习的是第27页，共41页应用软件应用软件其它
30、系统软其它系统软件件操作系统操作系统硬硬 件件 应应用用软软件件：是是指指用用户户为为解解决决各各种种实实际际问问题题而而编编写写的的程程序序。分分两两类类：一一类类是是针针对对某某个个应应用用领领域域的的具具体体问问题题开开发发的的程程序序；第第二二类类是是一一些些大大型型专专业软件公司开发的业软件公司开发的通用型应用软件通用型应用软件。系系统统软软件件：位位于于计计算算机机系系统统最最靠靠近近硬硬件件的的一一层层，其其他他软软件件一一般般都都通通过过系系统统软软件件发发挥挥作作用用，系系统统软软件件主主要要包包括括：操操作作系系统统、语语言言处处理理程程序序、监监控控管管理理程程序序、调调
31、试试程程序序、故故障障检检查查和诊断程序和诊断程序等。等。1.2.2 计算机软件系统计算机软件系统1.2 计算机系统构成计算机系统构成 现现在在的的计计算算机机还还不不能能独独立立思思考考，不不能能产产生生思思想想。现现在在所所有有的的软软件件还还都都是是由由人人类类设设计计的的，计计算算机机只只是是根根据据这这些些软软件件的的指指示示来来完完成成人人类类交交给给的的任务。任务。现在学习的是第28页，共41页1.3 信息技术基础知识信息技术基础知识 在在信信息息化化社社会会，人人们们应应该该在在了了解解和和使使用用计计算算机机的的同同时时，也也需需要理解信息、掌握信息处理的基本技术。要理解信息
32、、掌握信息处理的基本技术。用用计计算算机机解解决决问问题题，首首先先要要获获取取问问题题相相关关的的信信息息，按按照照某某种种方方式将信息存储在计算机中，然后启动计算机程序处理这些信息。式将信息存储在计算机中，然后启动计算机程序处理这些信息。1.3.1 1.3.1 信息技术概念信息技术概念 (1)信息的概念信息的概念 目目前前为为止止，还还没没有有一一个个比比较较统统一一或或普普遍遍适适用用的的有有关关信信息息的的定定义义。但但从从信信息息科科学学角角度度看看，信信息息和和数数据据是是不不同同的的。“信信息息”有有意意义义，而而“数数据据”没没有有。人人通通过过接接受受信信息息来来认认识识事事
33、物物，信信息息是是一一种种知知识识，是是接接受受者者事事先先不不知知道道不不了了解解的的知知识识。数数据据是是信信息息的的载载体体。数数值值、文文字、语言、图形、图像等都是不同形式的数据。字、语言、图形、图像等都是不同形式的数据。现在学习的是第29页，共41页1.3 信息技术基础知识信息技术基础知识 (2)信息表示信息表示 信信息息表表示示需需要要一一种种符符号号系系统统。人人类类在在长长期期的的实实践践中中形形成成的的语言文字就是一种符号系统，声音也是一种符号系统。语言文字就是一种符号系统，声音也是一种符号系统。而而在在计计算算机机中中，则则是是通通过过二二进进制制形形式式表表示示现现实实世
34、世界界的的对对象象。计算机能够识别和处理的信息形式也只能是二进制。计算机能够识别和处理的信息形式也只能是二进制。(3)信息处理信息处理 人人类类在在长长期期的的实实践践中中发发明明了了包包括括计计算算机机在在内内的的各各种种信信息息处处理理工工具具，以以辅辅助助人人类类的的信信息息处处理理任任务务。理理解解一一个个计计算算机机系系统统或或一一种种计计算算技技术术，要弄清四个问题：要弄清四个问题：它将处理什么类型的信息它将处理什么类型的信息?信息如何表示信息如何表示?在这些信息上进行什么处理在这些信息上进行什么处理?如何实现这些处理如何实现这些处理?现在学习的是第30页，共41页1.3 信息技术
35、基础知识信息技术基础知识 (4)信息技术的概念及发展信息技术的概念及发展 从从原原始始社社会会、农农业业社社会会、工工业业社社会会到到今今天天的的信信息息社社会会，信信息息技技术术的的发发展展历历史史源源远远流流长长，至至今今人人类类历历史史上上已已经经发发生生了了4次次信息技术革命信息技术革命。现代信息技术现代信息技术：计算机技术计算机技术微电子技术微电子技术通信技术通信技术 序号序号主要特征主要特征第一次信息革命第一次信息革命文字的使用文字的使用第二次信息革命第二次信息革命印刷术的使用印刷术的使用第三次信息革命第三次信息革命电报、电话、广播和电视的使用电报、电话、广播和电视的使用第四次信息
36、革命第四次信息革命计算机、通信、网络等技术的使用计算机、通信、网络等技术的使用核心核心基础基础动力动力现在学习的是第31页，共41页1.3.2 信息技术产业信息技术产业信息技术产业信息技术产业1.3 信息技术基础知识信息技术基础知识 就就像像在在经经典典物物理理学学时时代代有有所所谓谓牛牛顿顿三三大大定定律律那那样样，信信息息时时代代也也产产生生了了所所谓谓的的三三大大定定律律，这这三三大大定定律律共共同同勾勾勒勒出出了了信信息息技技术发展的历程。术发展的历程。定律定律序号序号定律名称定律名称内内 容容第一第一定律定律摩尔定律摩尔定律即即每每平平方方英英寸寸硅硅芯芯片片上上的的晶晶体体管管数数
37、目目每每18个个月月到到24个个月月将将增增加加一一倍倍。40年年来来，这这个个预预言言每每每每应应验验，而而且且后后人人又又增增加加一条：一条：“价格同时下降一半价格同时下降一半”。第二第二定律定律吉尔德定吉尔德定律律预预测测互互联联网网的的带带宽宽每每6个个月月增增长长1倍倍，其其增增长长速速度度是是摩摩尔尔定定律预测的律预测的CPU增长速度的增长速度的3倍。并预言将来上网会免费。倍。并预言将来上网会免费。第三第三定律定律麦特卡尔麦特卡尔定律定律预预测测网网络络的的价价值值与与网网络络用用户户数数的的平平方方成成正正比比。也也就就是是说说，N个个连连结结创创造造出出NN的的效效益益。在在网
38、网上上，每每一一个个人人都都能能够够连连接接到到N个个人人，N个个人人能能看看到到N个个人人的的信信息息，所所以以信信息息的的传传送送效益是效益是N的平方。上网的人数越多，产生的效益越多。的平方。上网的人数越多，产生的效益越多。现在学习的是第32页，共41页1.4 计算思维简介计算思维简介 科科学学界界一一般般认认为为，科科学学方方法法分分为为理理论论、实实验验和和计计算算三三大大类类。与与三三大大科科学学方方法法相相对对应应的的三三大大科科学学思思维维是是：理理论论思思维维、实实验验思思维维和和计计算算思维。思维。理论思维理论思维又又称称逻逻辑辑思思维维，以以推推理理和和演演绎绎为为特特征征
39、，以以数数学学学学科科为为代代表表。支支撑撑着着所所有有的的学学科科领领域域，定定义义是是灵灵魂魂，定定理理和和证证明明是是精精髓髓，公理化方法是思维方法。公理化方法是思维方法。实验思维实验思维又称实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学又称实证思维，以观察和总结自然规律为特征，以物理学科为代表。实验思维往往需要借助于特定设备获取数据以科为代表。实验思维往往需要借助于特定设备获取数据以供分析。供分析。计算思维计算思维又称又称构造思维构造思维，以设计和构造为特征，以计算机学科为代，以设计和构造为特征，以计算机学科为代表。研究的目的是提供适当的方法，使人们借助现代和将表。研究的目的是提供适当
40、的方法，使人们借助现代和将来的计算机，逐步实现人工智能的较高目标。来的计算机，逐步实现人工智能的较高目标。现在学习的是第33页，共41页1.4 计算思维简介计算思维简介 计计算算思思维维概概念念：计计算算思思维维是是运运用用计计算算机机科科学学的的基基础础概概念念进进行行问问题题求求解解、设设计计系系统统、以以及及理理解解人人类类行行为为等等一一系系列列思思维维活活动动。计计算思维强调算思维强调抽象和构造、可解抽象和构造、可解，强调用，强调用自动方式逐步求解自动方式逐步求解。计计算算思思维维建建立立在在计计算算过过程程的的能能力力和和限限制制之之上上，由由人人由由机机器器执执行行。计计算算方方
41、法法和和模模型型使使我我们们敢敢于于去去处处理理那那些些原原本本无无法法由由个个人人独独立立完成的问题求解和系统设计。完成的问题求解和系统设计。现在学习的是第34页，共41页1.4 计算思维简介计算思维简介 计计算算思思维维的的本本质质：是是抽抽象象和和自自动动化化。它它反反映映了了计计算算的的根根本本问问题题，即即什什么么能能被被有有效效地地自自动动进进行行。从从操操作作层层面面上上讲讲，计计算算就就是是如如何何寻寻找找一一台台计计算算机机去去求求解解问问题题，隐隐含含地地说说就就是是要要确确定定合合适适的的抽抽象象，选择合适的计算机去解释执行该抽象，后者就是自动化。选择合适的计算机去解释执
42、行该抽象，后者就是自动化。计计算算思思维维中中的的抽抽象象可可以以理理解解为为完完全全用用符符号号来来表表示示自自然然界界的的各各种种现现象，而这些抽象最终是要能够机械地一步一步自动执行的。象，而这些抽象最终是要能够机械地一步一步自动执行的。注注：数数学学抽抽象象的的特特点点是是抛抛开开现现实实事事物物的的物物理理、化化学学和和生生物物学学等等特特性性，而而仅仅保保留留其其量量的的关关系系和和空空间间的的形形式式，而而计计算算思思维维中中的的抽抽象象却却不不仅仅如如此此，而而要要能能支支持持机机械械地地、一一步步步步地地自自动动执执行行，为此，需要在抽象过程中进行精确和严格的符号标记和建模。为
43、此，需要在抽象过程中进行精确和严格的符号标记和建模。现在学习的是第35页，共41页1.4 计算思维简介计算思维简介 计计算算思思维维的的发发展展：计计算算思思维维在在人人类类思思维维的的早早期期就就已已经经萌萌芽芽，并并且且一一直直是是人人类类思思维维的的重重要要组组成成部部分分。在在很很长长一一段段时时间间里里，计计算算思思维维的的研研究究是是作作为为数数学学思思维维的的一一部部分分进进行行的的。但但相相应应的的手手段段和和工工具具的的研研究究进进展展缓慢，制约了计算思维的发展。缓慢，制约了计算思维的发展。蒸蒸汽汽机机、电电力力、材材料料、医医药药等等的的进进步步彻彻底底改改变变了了这这个个
44、世世界界和和人人们们对对于于世世界界的的认认识识。在在这这个个过过程程中中，把把对对于于自自然然规规律律的的认认识识变变成成一一种种具具有有可可构构造造性性、可可实实现现性性的的新新知知识识内内容容，去去创创造造自自然然界界原原本本没没有有的的物物体体，这这是是人人类类对对于于知知识识应应用用的的深深化化和和延延续续。在在这这个个过过程程中中，计计算思维起到了重要的作用。算思维起到了重要的作用。计计算算思思维维也也可可以以叫叫做做构构造造思思维维或或者者其其他他什什么么思思维维，只只是是由由于于计计算算机机的的发发展展极极大大促促进进了了这这种种思思维维的的研研究究和和应应用用，并并且且在在计
45、计算算机机科科学学的的研研究究和和工工程程应应用用中中得得到到广广泛泛的的认认同同，所所以以人人们们习习惯惯地地叫叫做做计计算算思思维维。这这只只是是一一个名称而已，这种名称反映了人类文化发展的痕迹。个名称而已，这种名称反映了人类文化发展的痕迹。现在学习的是第36页，共41页1.4 计算思维简介计算思维简介 例例如如，早早期期建建一一所所房房子子，整整个个建建筑筑的的构构思思可可能能就就在在主主持持人人的的脑脑子子里里面面；但但是是随随着着工工程程规规模模的的不不断断扩扩大大，这这种种靠靠记记忆忆来来设设计计和和规规划划建建筑筑的的方方式式越越来来越越不不适适应应，因因此此需需要要有有施施工工
46、图图纸纸。施施工工图图纸纸就就是是关关于于房房子子的的形形式式化化的的表表达达方方式式，这这种种方方式式使使得得人人们们可可以以相相互互沟沟通通设设计计的的思想，共同组织工程的实施。思想，共同组织工程的实施。近近代代的的很很多多工工程程，由由于于留留下下了了丰丰富富的的、符符合合计计算算思思维维要要求求的的文文档档，因因此此我我们们（当当然然也也包包括括后后人人）可可以以从从工工程程文文件件中中清清晰晰地地了了解解这这些些工工程程的的施施工工方方法法和和工工艺艺。采采取取计计算算思思维维的的模模式式来来描描述述各各种种工工程程活活动是人类进步的表现。动是人类进步的表现。有有了了计计算算机机后后
47、，借借助助计计算算机机可可实实现现从从图图纸纸到到房房屋屋模模型型整整个个过过程程的的自动化、精确化，这就更加丰富了我们处理问题的方法和手段。自动化、精确化，这就更加丰富了我们处理问题的方法和手段。现在学习的是第37页，共41页1.4 计算思维简介计算思维简介 计计算算机机与与计计算算思思维维的的关关系系：计计算算思思维维本本身身并并不不是是计计算算机机科科学学的的专专属属。实实际际上上，即即使使没没有有计计算算机机，计计算算思思维维也也在在逐逐步步的的发发展展。但但是是，正正是是计计算算机机的的出出现现，给给计计算算思思维维的的研研究究和和发发展展带带来来了了根根本本性性的的变变化化。由由于
48、于计计算算机机对对于于信信息息和和符符号号的的快快速速处处理理能能力力，使使得得许许多多原原本本只只是是理理论论可可以以实实现现的的过过程程变变成成了了实实际际可可以以实实现现的的过过程程(如如海海量量数数据据的的处处理理、复复杂杂系系统统的的模模拟拟、大大型型工工程程的的组组织织等等)，借借助助计计算算机机实实现现了了从从想想法法到到产产品品整整个个过过程程的的自自动动化化、精精确确化化和和可可控控化化，大大大大拓拓展展了了人人类类认认知知世世界界和和解决问题的能力和范围。解决问题的能力和范围。计计算算机机的的出出现现丰丰富富了了人人类类改改造造世世界界的的手手段段，同同时时也也强强化化了了
49、计计算算思维的意义和作用，并极大的推动了计算思维的发展。思维的意义和作用，并极大的推动了计算思维的发展。现在学习的是第38页，共41页1.4 计算思维简介计算思维简介 计计算算思思维维的的应应用用领领域域：如如同同所所有有人人都都具具备备“读读、写写、算算”能能力力一一样样，计计算算思思维维是是必必须须具具备备的的思思维维能能力力。计计算算思思维维不不仅仅仅仅是计算机科学家的思维，它已经不局限于计算机领域。是计算机科学家的思维，它已经不局限于计算机领域。计计算算思思维维正正在在或或已已经经渗渗透透到到各各个个学学科科、各各个个领领域域，甚甚至至包包括括心心理理学学、语语言言学学、数数学学、物物理理学学、统统计计学学、社社会会学学等等学学科科，改改变变着着人人们们传传统统的的思思维维方方式式，并并正正在在潜潜移移默默化化地地影影响响和和推推动动着着各各领领域域的的发发展展，成成为为一种发展趋势。一种发展趋势。现在学习的是第39页，共41页1.5 计算思维的典型案例计算思维的典型案例 现在学习的是第40页，共41页1.5 计算思维的典型案例计算思维的典型案例 现在学习的是第41页，共41页