《20141215-大学计算机第1讲-计算机-计算-计算思维》由会员分享，可在线阅读，更多相关《20141215-大学计算机第1讲-计算机-计算-计算思维（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、大学计算机-计算思维导论,Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology,战德臣 哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员,软件与操作,计算思维,引子致大学计算机(基础)课程的所有教师 1.大学计算机课程的发展历程,第一门课 大学计算机,学生基础,课程学时,计算学科-内容,矛盾,课程应该是： 与大学数学、大学英语一样地位? 举足轻重、不可或缺 水平很高 vs. 课程现状却是： 没有地位 无足轻重、可有可无 水平不
2、高,引子致大学计算机(基础)课程的所有教师 2.大学计算机课程的矛盾与人们观念上的偏差,引子致大学计算机(基础)课程的所有教师 3.大学计算机课程面临的严峻问题,计算机就是用电脑、用软件吗?,计算机就是编程序吗?,编程序就是计算机语言(C语言、Java语言等等)吗?,什么是真正的会“编程序”呢?,引子致大学计算机(基础)课程的所有教师 4.学习计算机只是学习“使用吗”?,引子致大学计算机(基础)课程的所有教师 5. 对学生的认识是这样的吗?,二本/三本的学生是否不需要计算思维?,二本/三本的学生是否理解不了计算思维?,第1讲 计算机、计算与计算思维,Research Center on Int
3、elligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology,战德臣 哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员,课程导引,Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology,战德臣 哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员,本课程学什么? 课程内容组织的基本脉络?,课程导引 (1)课程内容组织
4、的基本脉络?,1、程序是如何被机器自动执行的：程序vs.系统? 2、如何编写机器可以执行的程序：语言vs.编译? 3、怎样构造求解问题的算法：问题算法程序?,计算,数学,计算科学,4、可求解 vs.难求解? 5、如何降低计算量：计算vs.算法? 6、怎样研究算法?,7、针对具体的自然/社会问题如何计算? 8、计算如何与社会/自然进行融合?,计算机科学,课程导引 (1)课程内容组织的基本脉络?,符号化计算化自动化,计算系统 与 程序构造,计算与计算思维,程序构造方法：递归与迭代,由社会/自然到计算的、最基本的抽象(Abstraction)与自动化(Automation)机制,学生不会编程序，不一
5、定是语言没学好，而可能是没有理解程序的真谛,课程导引 (2)课程内容选择与划分?,如何编写让计算系统执行的程序？,程序是如何被执行的？,内存环境下程序的执行,复杂环境下程序的执行,由机器语言到高级语言及其编译,学生不会编程序，不一定是语言没学好，而可能是不理解执行程序的环境,课程导引 (2)课程内容选择与划分?,算法类问题求解框架,学生不会编程序，不一定是语言没学好，而可能是未理解为什么要研究算法,受限资源约束下的算法,降低计算量的算法,课程导引 (2)课程内容选择与划分?,网络化：机器网络信息网络群体互动网络网络化社会,数据化： 数据获取数据管理数据分析与运用,学生不会编程序，不一定是语言没
6、学好，而可能是未理解计算与社会/自然的融合,课程导引 (2)课程内容选择与划分?,第1讲-计算机-计算-计算思维 第2讲-符号化-计算化-自动化 0和1与易经-语义符号化表达与计算 0和1与逻辑-思维方式与逻辑运算，符号表达与计算 0和1与数值-二进制(数值性信息)与算术运算，符号计算 0和1与字母与符号-编码(非数值性信息)，符号计算 0和1与电子元件-基本硬件实现(开关和门电路)，计算自动化 0和1与电路-复杂部件的硬件实现(芯片、主板)，分层构造与构造集成 第3讲-程序与递归-组合-抽象-构造 第4讲-冯-诺依曼计算机器-程序执行 第5讲-现代计算机-复杂环境下程序执行 第6讲-由机器语
7、言到高级语言-程序编写编译 第7讲-算法-程序与计算系统之灵魂 第8讲-怎样研究算法-排序算法研究示例 第9讲-怎样研究算法-遗传算法研究示例 第10讲-怎样管理和利用数据I 第11讲-怎样管理和利用数据II 第12讲-怎样连接和利用网络I 第13讲-怎样连接和利用网络II,教学内容规划 -课程讲/节的划分及课程讲/节之间的关联 -100分钟/课程讲 教学内容的分解 -问题小节的分解及问题小节之间的关联 -8-12分钟/问题小节 问题小节独立问题小节之间关联课程节间形成体系,课程导引 (3)课程内容的章节安排?,中国大学MOOC课程大学计算机-计算思维导论,课程导引 (4)课程教学的支持手段?
8、,什么是计算思维? 有哪些经典的计算思维? 并非让学生去记住计算思维的概念,课程导引 (5)什么是?有哪些?,自然现象的计算的表达与推演,用社会/自然所接受的形式体现计算及结果,局域网/广域网：机器网络,互联网：信息网络/广义资源网络,物联网;知识网;服务网;社会网,事务管理 与数据库,数据分析与数据仓库,数据聚集与大数据,计算机计算机科学计算科学,课程导引 (6)计算(机)科学有哪些计算思维需要学习?,为什么学习计算思维 而不是学习具体软件的应用?,课程导引 (7)为什么学?,Gap,1998年诺贝尔化学奖奖励给一个计算手段的研究者- John Pople,化学学科工作者利用计算手段进行本学
9、科的科学研究,课程导引 (8)各学科人才需要计算思维，以便形成复合型的创造性思维,支持面向化学学科计算手段研究的计算思维 -符号化计算化自动化 -算法、程序与计算系统 -数据化与网络化思维 ,GAUSSIAN软件包,课程导引 (9)怎样学-贯通的知识才是思维?,怎样学习计算思维?,语义符号化 符号计算化 计算0(和)1化 0(和) 1自动化 分层构造化 构造集成化；,社会/自然现象 逻辑 二进制 电路 集成电路 计算机,场景的理解(场景问题求解技巧)；场景术语/概念(为区分场景的不同要素而提出概念，而不是为概念而概念) 大思维 与 小技巧 可视化可实现的思维，而非实现的细节 宽度与深度相结合
10、计算思维与科学素养培养,课程导引 (10)怎样学-贯通的知识才是思维?,人-计算与机器-计算？,Research Center on Intelligent Computing for Enterprises & Services, Harbin Institute of Technology,战德臣 哈尔滨工业大学 教授.博士生导师 教育部大学计算机课程教学指导委员会委员,什么是机器自动计算? 通过案例理解自动计算与人计算的差别,人-计算与机器-计算? (1) “人”计算与“机器”计算的差别?,例如：求ax2+bx+c=0的根,人进行计算： 一条规则可能很复杂, 但计算量却可能很小 人需要知
11、道具体的计算规则 特定规则，只能求: a1x2+a2x=c,机器-自动计算： 每条规则可能很简单, 但计算量却很大 机器也可以采用人所使用的计算规则 一般性的规则，可以求任意: a1x1b1+a2x2b2+anxnbn=c,人-求解,机器-求解,(1)从-n到n，产生x的每一个整数值； (2)将其依次代入到方程中计算; (3)如果其值使方程式成立，则即为其解；否则不是,人-计算与机器-计算? (1) “人”计算与“机器”计算的差别?,利用上述公式计算得到x值,n,n2,一阶差分 n = n2-(n-1)2,二阶差分 n = n - n-1,0 0 1 1 2 4 3 9 4 16 5 25,1
12、 3 5 7 9,2 2 2 2,(n+1)2 = n2 + n + n,仅需能够进行加法运算和减法运算； 其他运算可通过组合加法与减法运算来实现； 例如: 乘方运算? 多项式运算?,人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器?,初始值不一样，计算的多项式也是不一样的；,/*类C语言表达的计算规则程序 Main() int k, n, square , alpha , beta ;input k;square0=0; square1=1;square2=4;alpha1 = 1;for n=2 to k-1 alphan = squaren - squaren-1;
13、betan = alphan - alphan-1;squaren+1 = squaren + alphan + betan;output squarek; ,人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器?,/*类C语言表达的计算规则程序 Main() int k, n, square , alpha , beta ;input k;square0=0; square1=1;square2=4;alpha1 = 1;for n=2 to k-1 alphan = squaren - squaren-1;betan = alphan - alphan-1;squaren
14、+1 = squaren + alphan + betan;output squarek; ,人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器?,square0 square1 square2 square3 square4 square5 ,square_n,/*类C语言表达的计算规则程序 Main() int k, n, square_nminus1,square_n, alpha_nminus1, alpha_n, beta_n;input k;square_nminus1=1; square_n=4; alpha_nminus=1; for n=2 to k-1
15、alpha_n = square_n square_nminus1;beta_n = alpha_n alpha_nminus1;square_nplus1 = square_n + alpha_n + beta_n;square_nminus1 = square_n;square_n = square_nplus1; alpha_nminus1 = alpha_n;output square_n; ,人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器?,减少存储数据的变量个数，由n个数组元素 到1个元素,人-计算与机器-计算? (2)基本计算规则 vs. 程序 vs. 机器?,2,9,4,1,3,1,2,3,9,4,5,3,2,16,4,9,25,7,5,2,16,5,16,36,9,7,2,25,36,9,25,怎样实现机器自动计算? 机器自动计算需要解决什么问题? 暨自动计算的发展历程,自动计算需要解决的问题? (3)自动计算需要解决的问题?,自动计算需要解决的问题? (3)自动计算需要解决的问题?,十进制 vs. 二进制,由 元器件 到 系统,
