計算機文化與計算機思維基礎(chǔ).pptx

大學(xué)計算機 第一章計算機與信息社會 1 1引言1 2計算機的誕生與發(fā)展1 3計算思維基礎(chǔ) 教學(xué)說明 1 學(xué)時 0學(xué)時以自學(xué)為主或者根據(jù)各校情況簡要介紹2 內(nèi)容 計算機的發(fā)展計算機的發(fā)展 分代 分類 新技術(shù) 新型計算機信息技術(shù)概念現(xiàn)代信息技術(shù)的定義 內(nèi)容 特點計算機的應(yīng)用在各行各業(yè)中的應(yīng)用 應(yīng)用的類型3 考核 選擇題 填充題 1 1引言 算籌春秋戰(zhàn)國時代 世界上最早的計算工具算盤中國唐代第一種手動式計數(shù)器 人類在進化過程中 發(fā)明和改進了許許多多的計算工具 計算尺1622年 英國WilliamOughtred手動式 減 乘 除 指數(shù)和三角函數(shù)運算加法器1642年 法國BlaisePascal機械式 只能做加法計算器1673年 德國GottfriedLeibniz機械式 加 減 乘 除和開方 差分機1812年 英國CharlesBabbage分析機1834年 英國CharlesBabbage現(xiàn)代通用計算機的雛形 1 2計算機的誕生和發(fā)展 在以機械方式運行的計算機誕生百年之后 隨著電子技術(shù)的突飛猛進 計算機開始了有機械向電子的進化1 2 1計算機的誕生1 2 2計算機的分代1 2 3計算機的分類1 2 4計算機的應(yīng)用1 2 5計算機文化 計算機科學(xué)奠基人英國科學(xué)家阿蘭 圖靈 1 2 1計算機的誕生 1 圖靈機 姚期智 AndrewChi ChihYao 2000年圖靈獎得主 美國科學(xué)院院士 美國科學(xué)與藝術(shù)學(xué)院院士 中國科學(xué)院外籍院士 清華大學(xué)高等研究中心教授 主要貢獻 建立圖靈機模型 奠定可計算理論基礎(chǔ)提出圖靈測試 闡述了機器智能的概念 美國計算機學(xué)會 ACM 1966年設(shè)立圖靈獎 計算機界的諾貝爾 圖靈機模型 由無限長紙帶和讀寫頭組成紙帶用于無限存儲 讀寫頭可讀 寫和左右移動 圖靈機具有最強大的計算能力 其功能與高級程序設(shè)計語言等價 如果電腦能在5分鐘內(nèi)回答由人類測試者提出的一系列問題 且其超過30 的回答讓測試者誤認為是人類所答 則電腦通過測試 回答了什么樣的機器具有智能 奠定了人工智能的基礎(chǔ) 在英國雷丁大學(xué)的 圖靈測試2014 中 電腦程序 尤金 古斯特曼 成功 偽裝 成一名13歲男孩 通過了圖靈測試 機械姬 圖靈測試 2 世界上第一臺電子計算機 ENIAC 1946年2月由賓夕法尼亞大學(xué)研制ENIAC標志著電子計算機時代的到來 ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator 電子數(shù)字積分計算機 每秒5千次加減運算沒有存儲器采用十進制 長30 48米 寬6米 高2 4米 占地面積約170平方米 耗電量150千瓦 包含了17468根真空管7200根水晶二極管 1500個中轉(zhuǎn) 70000個電阻器 10000個電容器 1500個繼電器 6000多個開關(guān) 阿塔納索夫 貝瑞計算機 Atanasoff BerryComputer 簡稱ABC 缺點一 沒有存儲器二 布線接板控制三 除了體積大 耗電多以外 電子管易于損壞 1 8萬多個電子管 電子計算機之父 美籍匈牙利數(shù)學(xué)家馮 諾依曼 3 馮 諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機 馮 諾依曼體系計算機的特點 采用二進制表示數(shù)據(jù) 存儲程序 由運算器 控制器 存儲器 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成 主要貢獻 與同事研制人類第二臺計算機EDVAC 存儲程序 概念馮 諾依曼計算機奠定現(xiàn)代計算機體系結(jié)構(gòu)和工作原理 1 2 2計算機的分代 按物理器械 電子管 晶體管 集成電路 大規(guī)模集成電路 1 2 3計算機的分類 按綜合性能指標分類 高性能計算機 巨型機或大型機 速度最快 處理能力最強 工作站 介于PC與小型機之間高檔微機系統(tǒng)高分辨率 大容量內(nèi)外存 圖形功能較強 微型計算機 臺式機 筆記本 平板計算機等 服務(wù)器 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中為多個用戶提供服務(wù)的計算機系統(tǒng) 嵌入式計算機 嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中的計算機 應(yīng)用最廣泛 數(shù)量超過PC 天河二號 是由國防科大研制的超級計算機系統(tǒng) 以峰值計算速度每秒5 49億億次 持續(xù)計算速度每秒3 39億億次雙精度浮點運算的優(yōu)異性能位居榜首 以高于亞軍美國 泰坦 一倍之多的浮點運算性能第五次成為全球最快超級計算機 天河二號超級計算機系統(tǒng)由170個機柜組成 占地面積720平方米 內(nèi)存總?cè)萘?400萬億字節(jié) 存儲總?cè)萘?2400萬億字節(jié) 最大運行功耗17 8兆瓦 費用30萬一天 科學(xué)計算 又稱數(shù)值計算 指用于完成科學(xué)研究和工程技術(shù)中提出的數(shù)學(xué)問題的計算 電子計算機的重要應(yīng)用領(lǐng)域 科學(xué)計算的特點是計算量大且數(shù)值變化范圍大 主要應(yīng)用于天文學(xué) 量子化學(xué) 空氣動力學(xué) 核物力和天氣預(yù)報等領(lǐng)域 1 2 4計算機的應(yīng)用 數(shù)據(jù)處理 也稱非數(shù)值計算 數(shù)據(jù)處理指對大量的數(shù)據(jù)進行加工處理 例如 分析 合并 分類 統(tǒng)計等 與科學(xué)計算的不同在于數(shù)據(jù)處理涉及的數(shù)據(jù)量一般很大 廣泛應(yīng)用于辦公自動化 企業(yè)管理 事務(wù)管理 情報檢索等方面 科研 數(shù)據(jù)采集 計算分析家庭 家庭信息化 電子商務(wù) 利用計算機和網(wǎng)絡(luò)進行的新型商務(wù)活動B2B 交易雙方是企業(yè)與企業(yè) 如阿里巴巴B2C 交易雙方是企業(yè)與消費者 如京東C2C 交易雙方是消費者與消費者 如淘寶商務(wù)部公布2014年電子商務(wù)交易額 包括B2B和網(wǎng)絡(luò)零售 達到約13萬億元 同比增長25 應(yīng)用領(lǐng)域 電子政府 過程控制 又稱實時控制 指用計算機及時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù) 將數(shù)據(jù)處理后 再按系統(tǒng)要求迅速的對控制對象進行控制 在冶金 石油 化工 紡織 水電 機械 航天等部門得到廣泛應(yīng)用 計算機輔助系統(tǒng) 包括CAD CAM CBE等 計算機輔助設(shè)計CAD 即利用計算機幫助各類設(shè)計人員進行設(shè)計計算機輔助制造CAM 即用計算機進行生產(chǎn)設(shè)備的管理 控制和操作的技術(shù) 計算機輔助教育CBE 包括計算機輔助教學(xué)CAI 計算機集成制造系統(tǒng)以計算機為中心的現(xiàn)代化信息技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)管理和產(chǎn)品開發(fā)制造的新一代制造系統(tǒng) 是CAD CAPP CAM CAE CAQ PDMS 管理與決策 網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫及質(zhì)量保證系統(tǒng)等子系統(tǒng)的技術(shù)集成 多媒體技術(shù) 以計算機技術(shù)為核心 將現(xiàn)代聲像技術(shù)和通信技術(shù)融為一體 以追求更自然 更豐富的接口界面教育 多媒體教育 遠程教育娛樂 虛擬現(xiàn)實 電影特技 人工智能 人工智能AI 一般指模擬人腦進行演繹推理和采取決策的思維過程 在計算機中存儲一些定理和推理規(guī)則 然后設(shè)計程序 讓計算機自動探索解決的方法 人工智能是計算機應(yīng)用研究的前沿科學(xué) 1 2 5計算機文化 人類社會的生存方式因使用計算機而發(fā)生根本性變化而產(chǎn)生的一種新文化形態(tài) 體現(xiàn)在以下方面 物質(zhì)文化 計算機軟硬件設(shè)備及其使用方法 滿足了人類生存和發(fā)展的需要 非物質(zhì)文化 新的科學(xué)思想 科學(xué)方法 科學(xué)精神 價值標準等 由此產(chǎn)生新的語言 風(fēng)俗 道德 法律等 1 3計算思維基礎(chǔ) 1 3 1計算思維概述1 3 2計算思維內(nèi)涵1 3 3計算思維的應(yīng)用 理論 實驗和計算是科學(xué)研究的三大方法 對應(yīng)的三大思維是理論思維 實驗思維和計算思維 計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解 系統(tǒng)設(shè)計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)之廣度的一系列思維活動 實證思維 重現(xiàn) 自治 預(yù)見 實驗 物理邏輯思維 公理 規(guī)則 結(jié)論 推理 數(shù)學(xué)計算思維 能行 構(gòu)造 模擬 使自動 計算機 1 本質(zhì) 抽象 自動化 抽象 完全超越物理的時空觀 完全使用符號來表示在哥尼斯堡的一個公園里 有七座橋?qū)⑵绽赘駹柡又袃蓚€島及島與河岸連接起來 如圖 問是否可能從這四塊陸地中任一塊出發(fā) 恰好通過每座橋一次 再回到起點 自動化 機械地一步一步的執(zhí)行 1 3 1計算思維概述 例子 求函數(shù)f x 的積分 高等數(shù)學(xué)方法 牛頓 萊布尼茲公式 計算機方法 黎曼積分方法 區(qū)間等分求和 計算思維的關(guān)鍵 用計算機模擬現(xiàn)實世界 實驗和理論思維無法解決的問題復(fù)雜問題求解 宏大系統(tǒng)建立 大型工程組織都可以通過計算模擬來實現(xiàn)核爆炸 蛋白質(zhì)生成 大型飛機 艦艇設(shè)計 如何使用計算思維 利用計算手段求解問題的過程是 首先要把實際的應(yīng)用問題轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)問題 可能是一組微分方程 然后建立模型 設(shè)計算法和編程實現(xiàn) 最后在實際的計算機中運行并求解前兩步是計算思維中的抽象 后兩步是計算思維中的自動化 2 計算思維的特征計算思維是人的思維方式 計算思維的過程可以由人執(zhí)行 也可以由計算機執(zhí)行 計算思維是思想 不是人造物 計算思維是概念化 不是程序化 1 3 2計算思維的內(nèi)涵 1 計算思維的基本問題 可計算性 可以使用計算機在有限步內(nèi)解決的問題 并不是所有問題都是可計算的 如圖靈機的停機問題 歌德巴赫猜想等是不可以計算的 如何判定 邱奇圖靈論題 一切直覺上能行 可計算的函數(shù)都可用圖靈機計算 反之亦然 計算復(fù)雜性 用計算機求解問題的難易程度 包括時間復(fù)雜性和空間復(fù)雜性 如兩個n階矩陣相乘的時間復(fù)雜性是O n3 圖靈測試 用以解決機器是否有智能的問題 結(jié)果表明 目前計算機想和人類真正談話還比較困難 矩陣相乘 根據(jù)公式 計算C中的一個元素需要n次乘法和n 1次加法 所以計算C中所有的元素需要n3次乘法和n n n 1 次加法 執(zhí)行乘法所需的時間數(shù)倍于加法 所以兩個矩陣的時間復(fù)雜性記為O n3 2 計算思維的基本方法 數(shù)學(xué)和工程的方法 黎曼積分 迭代 遞歸 大系統(tǒng)設(shè)計與評估等 和計算機科學(xué)的方法 如操作系統(tǒng)中處理死鎖的方法 分為七大類 約簡 嵌入 轉(zhuǎn)化和仿真等方