大学计算机基础与计算思维 西南林业大学 计算机与信息学院

第一章 计算机引论

本章主要内容 1.1 信息时代与数字化 1.2 计算机的起源和发展 1.3 计算机的分类、特点及应用 1.4 计算思维 1.5 面向21世纪的计算机技术展望

教学重点、难点、手段、习题 教学重点 教学难点 授课手段及方法 课后作业 信息时代与数字化的基本概念和时代特征；计算机的分类、特点、应用；计算思维的概念、内容、特点 教学难点 计算思维的概念、内容、特点 授课手段及方法 采用多媒体技术手段，对于操作部分进行现场演示教学，视频动画教学 课后作业 课本的章节习题、考试系统章节习题

1.1 信息时代与数字化 1.1.1 数据与信息 1.1.2 数字化与信息时代

信息与物质、能源并称为人类文明的三大要素。 随着以计算机、微电子和通信技术为核心的现代信息科学和信息技术的迅猛发展及其越来越广泛的应用，已使人类社会的经济活动、社会就业和生活方式都发生了前所未有的巨大变化。 在信息化社会里，个人对于信息的获取、存储、传输、处理、控制和应用能力越来越成为一种最基本的生存能力，也被社会作为衡量一个人文化素质高低的重要标准之一。

1.1.1 数据与信息 数据 数据是一组表示数量、行为 和目标的非随机的可鉴别的 符号，是现实世界客观存在 的实体或事物的属性值。 1.1.1 数据与信息 数据 数据是一组表示数量、行为 和目标的非随机的可鉴别的 符号，是现实世界客观存在 的实体或事物的属性值。 数据一般是未被加工、处理 过的，因而往往称之为原始 数据。 从产生和采集来看，数据具 有离散性、变化性和规律性。

1.1.1 数据与信息 信息 狭义的讲，按照美国著名科学家香农（C.E.Shannon）给出的定义：“信息是用来消除随机不确定性的东西”。 1.1.1 数据与信息 信息 信息是描述客观事物运动状态及运动方式的数据 科学上所说的信息应该是从原始的、含糊不清的概念中加以概括、提炼、提高和开拓后得到的。 对信息的定义有很多，一般只是在某一方面对其的理解 狭义的讲，按照美国著名科学家香农（C.E.Shannon）给出的定义：“信息是用来消除随机不确定性的东西”。

1.1.1 数据与信息 数据与信息的关系: 数据只是对客观事物的一种符号描述，本身不具备任何意义，而信息则是数据加工处理以后的东西，因此可以说数据是信息的原材料，而信息则是数据加工后的产品。

1.1.2 数字化与信息时代 1.数字化: 广义的数字化，实际是指信息经过数字化处理的广泛应用。 狭义的数字化，则是指由数字信号（数码）取代模拟信号来表征、处理、存储、传输各种信息的过程。

1.1.2 数字化与信息时代 2. 信息时代 人们通常用最具代表性的生产工具来代表一个历史时期，如石器时代，青铜时代，铁器时代，蒸汽时代和电气时代。 信息时代: 跨过工业化阶段以后，社会对信息的依赖性逐步增加，人类社会进入了一个崭新的时代。 信息对整个社会的影响逐步被提高到一种绝对重要的地位

1.2 计算机的起源和发展 1.2.1 计算机的起源 1.2.2 计算机的发展 1.2.3 摩尔定律 1.2.4 计算机网络时代

1.2.1 计算机的起源 追根溯源，最古老的计算设备是在公元前2600年，中国人发明的算盘。 1.2.1 计算机的起源 追根溯源，最古老的计算设备是在公元前2600年，中国人发明的算盘。 虽然简单，但功能强大，直到1982年，中国的人口普查还使用了算盘作为计数工具，可见古代中国人的智慧是多么伟大。 图1-1 中国的算盘

1.2.1 计算机的起源 十七世纪以来出现的计算工具: 1642年，法国物理学家布莱斯·帕斯卡制造出第一台机械式计算器Pascaline。 1.2.1 计算机的起源 十七世纪以来出现的计算工具: 1642年，法国物理学家布莱斯·帕斯卡制造出第一台机械式计算器Pascaline。 1673年，德国数学家莱布尼兹改进了帕斯卡计算器，在加减法的基础上，又加入了计算乘法、除法和平方根的能力。

1.2.1 计算机的起源 查尔斯·巴贝奇 1834年设计的分析机 1.2.1 计算机的起源 查尔斯·巴贝奇 1834年设计的分析机 1822年,英国剑桥大学数学教授查尔斯·巴贝奇发明了能够计算加减法的大型计算器——差分机。 由许多轮子组成的保存数据的存储库； 运算装置； 能对操作顺序进行控制，并选择所需处理的数据以及输出结果的装置。

1.2.1 计算机的起源 1932年，英国数学家亚伦·图灵(Alan Turing)提出一个计算模型，我们现在称它为图灵机。 1.2.1 计算机的起源 1932年，英国数学家亚伦·图灵(Alan Turing)提出一个计算模型，我们现在称它为图灵机。 1936年，Konrad Zuse建造了一台可编程的数字化计算机，它引入了二进制系统和电子管的使用。 1944年，由美国哈佛大学数学教授霍华德·艾肯设计，IBM公司制造的马克一号(Mark I)计算机在哈佛大学投入运行。

第一台电子计算机：埃尼亚克(ENIAC) 1.2.1 计算机的起源 1946年2月，美国陆军为了计算兵器的弹道，由美国宾西法尼亚大学摩尔电子工程学校的John Mauchly和J.Presper Eckert等共同研制出了世界上的第一台电子计算机ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator). 第一台电子计算机：埃尼亚克(ENIAC)

1.2.1 计算机的起源 计算机发展中最杰出的代表人物： 1.2.1 计算机的起源 计算机发展中最杰出的代表人物： 艾伦·麦席森·图灵（Alan Mathison Turing，1912.6.23－1954.6.7），英国数学家、逻辑学家。 主要贡献：一是建立了图灵机（TM）的理论模型，对数字计算机的一般结构、可实现性和局限性产生了意义深远的影响；二是提出了定义机器智能的图灵测试（Turing Test），奠定了“人工智能”的理论基础。 为了纪念他对计算机科学的巨大贡献，由美国计算机协会（ACM）于1966年设立一年一度的图灵奖，以表彰在计算机科学中做出突出贡献的人，图灵奖被喻为“计算机界的诺贝尔奖”。

计算机发展中最杰出的代表人物 冯·诺依曼（John von Neumann，1903~1957），美籍匈牙利人，20世纪最重要的数学家之一。 在纯粹数学、应用数学、量子物理学、逻辑学、气象学、军事学、计算机理论及应用、对策论和经济学诸领域都有重要建树和贡献。 首先提出了在计算机内存储程序的概念，使用单一处理部件来完成计算、存储及通信工作，使具有“存储程序”的计算机成为现代计算机的重要标志。

1.2.2 计算机的发展 现代计算机主要指通用数字电子计算机，从1946年起得到了飞速发展，按电子元件的不同，人们把它的发展分为4个时期： 1.2.2 计算机的发展 现代计算机主要指通用数字电子计算机，从1946年起得到了飞速发展，按电子元件的不同，人们把它的发展分为4个时期： 1．电子管计算机 2．晶体管计算机 3．集成电路计算机 4．大规模和超大规模集成电路计算机

1.2.2 电子计算机的发展阶段 1．电子管计算机（1946～1957年 ） 组成：基本逻辑元件是电子管，内存储器采用水银延迟线或磁鼓，外存储器采用磁带等。 特点：速度慢，可靠性差，体积庞大，功耗高，价格昂贵。 编程语言：机器语言，汇编语言。 代表产品：ENIAC、EDSAC、UNIVAC-Ⅰ等。 应用领域：军事研究中的科学计算。

1.2.2 电子计算机的发展阶段 2．晶体管计算机（1958～1964年 ） 组成：基本逻辑元件为晶体管，内存大量使用磁性材料制成的磁芯，外存采用磁盘和磁带。 特点：体积小，重量轻，速度快，逻辑运算功能强，可靠性大大提高。 编程语言：汇编语言，FORTRAN、COBOL等。 代表产品：IBM 700系列。 应用领域：扩展到数据处理和工业控制方面。

1.2.2 电子计算机的发展阶段 3．集成电路计算机（1965～1970年 ） 组成：基本逻辑元件为中小规模集成电路，内存大量使用半导体存储器，而外存大量使用高速磁盘。 特点：体积、功耗减小，可靠性、运行速度提高，内存容量大，价格低。 编程语言：操作系统，BASIC，Pascal等。 代表产品：IBM 360和PDP-11等。 应用领域：已扩大到各个领域。

1.2.2 电子计算机的发展阶段 4．大规模和超大规模集成电路计算机(1971年至今) 组成：基本逻辑元件为大规模和超大规模集成电路。内存采用半导体存储器，外存则采用大容量磁盘和光盘。 特点：计算机速度达到每秒几百万次至上亿次。 编程语言：VC++等面向对象程序设计语言。 代表产品：巨型机，工作站，微型计算机，个人计算机（PC）等。

1.2.3 摩尔定律 在计算机领域有一个人所共知的“摩尔定律”，即：“每18个月，微处理器功能增加一倍，集成度增加一倍”。 1.2.3 摩尔定律 在计算机领域有一个人所共知的“摩尔定律”，即：“每18个月，微处理器功能增加一倍，集成度增加一倍”。 摩尔定律表明半导体技术是按一个较高的指数规律发展的。

1.2.4计算机网络时代 计算机技术结合通信技术，二者融合，于是产生了计算机网络。 计算机网络实现了资源的充分共享，大大扩充了计算机的功能。 计算机从单机走向了网络，21世纪将是一个以计算机网络为核心的信息时代。 数字化、网络化、信息化是21世纪的时代特征 。

1.3 计算机的分类、特点及应用 1.3.1 计算机的分类 1.3.2 计算机的特点 1.3.3 计算机的应用领域

1.3.1 计算机的分类 计算机按用途可分为专用计算机和通用计算机。 1.3.1 计算机的分类 计算机按用途可分为专用计算机和通用计算机。 专用与通用计算机在其效率、速度、配置、结构复杂程度、造价和适应性等方面是有区别的。 专用计算机针对某类问题能显示出最有效、最快速和最经济的特性，但它的适应性较差，不适于其它方面的应用。我们在导弹和火箭上使用的计算机很大部分就是专用计算机。但这些计算机就是再先进，你也不能用它来玩游戏。 通用计算机适应性很强，应用面很广，但其运行效率、速度和经济性依据不同的应用对象会受到不同程度的影响。

1.3.1 计算机的分类 通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为: 这些类型之间的基本区别通常在于其 巨型机 大型机 中型机 小型机 1.3.1 计算机的分类 通用计算机按其规模、速度和功能等又可分为: 巨型机 大型机 中型机 小型机 微型机 单片机 这些类型之间的基本区别通常在于其 体积大小 结构复杂程度 功率消耗 性能指标 数据存储容量 指令系统和设备 软件配置

1.3.2 计算机的特点 1. 运算速度快 2. 计算精度高 3. 存储容量大 4.具有逻辑判断功能 5.可靠性高 1.3.2 计算机的特点 1. 运算速度快 2. 计算精度高 3. 存储容量大 4.具有逻辑判断功能 5.可靠性高 6.自动化程度高，通用性强

1.3.3 计算机的应用领域 1.科学计算 2.数据处理 3.过程控制 4.计算机辅助工程 5.办公自动化 6.数据通信 7.人工智能

科学思维是一切科学研究和技术发展的创新灵魂，科学思维包括: 1.4 计算思维 科学思维是一切科学研究和技术发展的创新灵魂，科学思维包括: 推理思维 实证思维 计算思维

1.4.1 计算机教育存在的问题 计算机 编程 重点：计算机智力 计算的方法和模型

1.4.2 计算思维的定义 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。 1.4.2 计算思维的定义 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。 计算思维合用了数学思维（求解问题的方法）、工程思维（设计、评价大型复杂系统）和科学思维（理解可计算性、智能、心理和人类行为）。 计算思维建立在计算过程的能力和限制之上，由人由机器执行。计算方法和模型使人们敢于去处理那些原本无法由个人独立完成的问题求解和系统设计。

1.4.2 计算思维的定义 计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释成如何求解它的思维方法； 1.4.2 计算思维的定义 计算思维是通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个困难的问题阐释成如何求解它的思维方法； 计算思维把一个复杂的大而难的问题分解成很多部分，同时去处理，这就是并行处理； 计算思维是一种递归思维，它把一个难以对付的问题分成两部分去处理，如不能求解，再把每部分分成两部分处理之，这就是分而治之的思想； 计算思维是一种把代码译成数据又能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法； 计算思维是一种采用抽象和分解的方法来控制庞杂的任务或者进行巨型复杂系统的设计，是基于关注点分离的方法； 计算思维是一种选择合适的方式陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法； 计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间、在处理能力和存储容量之间进行折衷的方法等。

1.4.3 计算思维的内容 计算思维最根本的内容即其本质是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）。 1.4.3 计算思维的内容 计算思维最根本的内容即其本质是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）。 抽象完全超越物理的时空观，并完全用符号来表示 计算思维解决的最基本的问题是：什么是可计算的？ 计算思维是每个人的基本技能

1.4.4 计算思维的特点 计算思维是概念化而不是程序化 计算思维是根本的而不是刻板的技能 计算思维是人的而不是计算机的思维方式 1.4.4 计算思维的特点 计算思维是概念化而不是程序化 计算思维是根本的而不是刻板的技能 计算思维是人的而不是计算机的思维方式 计算思维是数学和工程思维的互补与融合 计算思维是思想而不是人造物

1.4.5 计算思维对非计算机学科的影响 计算思维已经对其他学科有了深远的影响 计算机生物学正在改变着生物学家的思考方式； 1.4.5 计算思维对非计算机学科的影响 计算思维已经对其他学科有了深远的影响 计算机生物学正在改变着生物学家的思考方式； 纳米计算正在改变着化学家的思考方式； 量子计算正在改变着物理学家的思考方式； 博弈计算理论正在改变着经济学家的思考方式等等。

1.4.6 大数据技术 大数据： 指的是需要新处理模式才能具有更强的决策力，洞察力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。 1.4.6 大数据技术 大数据： 指的是需要新处理模式才能具有更强的决策力，洞察力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。 大数据的4V特点： Volume(大量) Velocity(高速) Variety(多样) Value(价值)

1.4.6 大数据技术 大数据分析的5个基本方面： 可视化分析 数据挖掘技术 预测性分析能力 语义引擎 数据质量和数据管理

1.4.7 云计算 云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。 1.4.7 云计算 云计算是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。 云计算平台可以划分为3类： 以数据存储为主的存储型云平台 以数据处理为主的计算型云平台 计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台

1.4.7 云计算 云计算包括三个层次的服务： Iaas——基础设施即服务 Paas——平台即服务 Saas——软件即服务

1.5 面向21世纪的计算机技术展望 1.5.1 计算机技术的最新进展 1.5.2 计算机今后的发展方向 1.5 面向21世纪的计算机技术展望 1.5.1 计算机技术的最新进展 1.5.2 计算机今后的发展方向 1.5.3 我国在信息技术发展中面临的机遇与挑战

1.5.1 计算机技术的最新进展 在硬件上，当前计算机的发展趋势是向巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。 1.5.1 计算机技术的最新进展 在硬件上，当前计算机的发展趋势是向巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。 在计算机的软件和应用领域，由于数理科学的不断进步，新的计算理论不断出现，新的软件设计思想和方法不断成熟和完善，计算机的应用领域也在不断扩展和深化

1.5.2 计算机今后的发展方向 计算机发展的整体趋势： 体积 变小 速度 提高 性能 提高

计算机发展趋势 巨型化 微型化 网络化 智能化

巨型化： 神威·太湖之光超级计算机 是指具有高速运算能力、大存储容量和强功能，主要用于尖端科学技术和军事国防系统的研究开发。 北京时间2016年6月20日下午3点，TOP500组织在法兰克福世界超算大会（ISC）上，“神威·太湖之光”超级计算机系统登顶榜单之首，成为世界上首台运算速度超过十亿亿次的超级计算机。而“中国芯”“申威26010”的问世，也成为中国自主研发打破30年技术封锁的一柄利器。

“申威26010”大小约25平方厘米，集成了260个运算核心，内置数十亿晶体管。每块“申威26010”运算能力为每秒３万多亿次，约等于20台家用计算机。 “神威·太湖之光”由40个运算机柜和8个网络机柜组成，整台“神威·太湖之光”共有40960块“申威26010”处理器。 叠加之下，“神威·太湖之光”一分钟的计算能力相当于全球72亿人口用计算器不间断计算32年。

微型化： 胶囊内镜

网络化 Telnet FTP INTERNET WWW GOPHER E-Mail

智能化 Deepblue Garry Kasparov 研究领域 模式识别 机器人 专家系统 自然语言的生成与理解

1.5.2 计算机今后的发展方向 超越冯·诺依曼结构 高速计算机 生物计算机 光学计算机

1.5.3 我国在信息技术发展中面临的机遇与挑战 信息技术的发展是从20世纪四五十年代开始的，而后美国确立了霸主地位。 我国在信息化领域起步较晚，在信息技术领域内与世界先进水平目前还有较大差距。 我国信息技术领域的发展迅速,正在赶超世界一流水平。

我国计算机的发展 1956年，开始研制计算机。 1958年，第一台计算机研制成功。 1964年，我国自主研制的第一台晶体管计算机问世。 1971年，成功研制集成电路计算机。 1983年，成功研制第一台亿次计算机“银河Ⅰ ”。 我国成为世界上少数几个独立 研制巨型计算机的国家之一。

1.5.3 我国在信息技术发展中面临的机遇与挑战 2002年中科院计算所设计的第一颗通用CPU龙芯-1（Godson-1，266MHz）开始，标志着中国从此结束“无芯”历史。 龙芯2号的频率最高为1GHz。龙芯3A是首款国产商用4核处理器，其工作频率为900MHz～1GHz。龙芯3A的峰值计算能力达到16GFLOPS。龙芯3B是首款国产商用8核处理器，主频达到1GHz，支持向量运算加速，峰值计算能力达到128GFLOPS，具有很高的性能功耗比。 2015年3月31日中国发射首枚使用“龙芯”北斗卫星。 图1-6 神州龙芯通用CPU

附： 计算机键盘的操作 Function keys 功能随软件而异 Cursor-control keys Typewriter keys Numeric keys

上机安排 对计算机的感性认识 熟悉键盘 中英文打字练习（指法练习） 学习考试系统的使用

课后作业 1.支撑人类社会文明的三要素是什么，如何理解三者在不同历史时期的地位和作用。 2.计算机的发展经历了哪几个阶段？各阶段的主要特征是什么？ 3.简述计算机的特点。 4.什么是计算思维? 5.简述我国在信息技术发展中面临的机遇和挑战