大學計算機——理解和運用計算思維

計算機思維
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戰德臣 (著)

關于本書的內容有任何問題,請聯系 稅夢玲

計算思維被認為是與理論思維、實驗思維并列的第3 種思維模式,是“互聯網+”、大
數據和人工智能時代所有人都應具備的一種思維模式?!按髮W計算機”作為高校通識類思維教育課程,它不應只是講授計算機及其軟件(如Office、Access、IE 等)使用的課程,也不是僅僅訓練學生程序設計能力的課程,它應該是講授每個大學生都應具備的計算思維的課程。
戰德臣教授的《大學計算機——理解和運用計算思維》一書,從“計算+”講到“大數據+”“互聯網+”,覆蓋了計算學科經典的、重要的計算思維。全書凝練教學內容,提取重點之重點,以精煉的語言進行講述,并通過大量的、豐富的示例題目,引導讀者對教學內容進行漸進式的、有一定深度的探索,最后,將教學內容轉換成不同深度的示例題目,在場景中、練習中、模擬中,實現對教學內容不同深度的理解,進而達成“不僅是了解計算思維,而且能夠理解和運用計算思維”的目標。

內容摘要

本書以精練的語言講述計算思維,以豐富的示例幫助讀者在學習的過程中理解和運用計算思維,以問題引導、案例分析、多視角討論、圖示化手段等,引導讀者對計算思維從一個較淺的理解層次逐步過渡到較深的理解層次。
全書共分15章,主要內容包括:計算思維概述、計算思維基礎、機器程序的執行、程序構造基礎、遞歸與迭代、計算機語言與程序編寫、計算思維與管理、問題求解策略與算法表達、數據管理思維、數據庫系統與數據庫語言、數據與社會、計算機網絡、信息組織與信息傳播的基本思維、互聯的世界等。
本書適合作為計算機專業的計算機(專業)導論課程,非計算機專業的大學計算機課程、計算思維導論課程、計算科學導論課程等的教材,也適合從事信息技術、人工智能等相關行業從業人員參考學習。

目錄

第 1章 什么是計算思維 1
1.1 趣味故事:用小白鼠檢驗毒水瓶 1
1.2 什么是計算思維 2
1.2.1 二進制思維 2
1.2.2 二分法——人類普遍應用的思維 3
1.2.3 過程化與符號變換思維 4
1.2.4 計算思維的概念 5
1.3 擴展學習:計算思維的價值在哪里 5
1.3.1 0和1及其特性 6
1.3.2 偶校驗:判斷數據傳輸有無錯誤 7
1.3.3 類比小白鼠問題判斷哪一位出錯 8
1.4 基礎知識:進位制及其相互轉換 10
1.4.1 二進制、十進制與r進制 10
1.4.2 進位制之間的相互轉換 12
1.5 計算之樹——大學計算思維教育空間 14
1.6 為什么要學習和怎樣學習計算思維 15
1.6.1 為什么:設計、構造和應用典型的計算工具需要計算思維 15
1.6.2 怎樣學:了解認知學習的不同深度 16
1.6.3 怎樣學:對比—聯想式學習方法 16
第 2章 計算思維基礎:0和1與邏輯 17
2.1 用0和1表示萬事萬物 17
2.1.1 用0和1進行編碼 17
2.1.2 用0和1編碼表示英文字母與符號 18
2.1.3 用0和1表示中文文字 19
2.1.4 用0和1表示圖像 21
2.1.5 習與練:識別0/1串表示的語義 22
2.1.6 擴展學習:用0和1表示萬事萬物 23
2.2 用0和1與邏輯表達計算 26
2.2.1 基本邏輯運算:與、或、非、異或 26
2.2.2 基于0和1表達的邏輯運算 27
2.2.3 習與練:應用邏輯運算表達復雜計算關系 28
2.3 用0和1與邏輯實現自動化 31
2.3.1 用開關性元件實現基本邏輯運算 31
2.3.2 用另一種符號表達邏輯運算 31
2.3.3 習與練:應用邏輯運算認識電子電路 32
2.4 為什么要學習和怎樣學習本章內容 33
2.4.1 為什么:符號化—計算化—自動化思維是計算機最本質的思維模式 33
2.4.2 怎樣學:習練式學習方法 34
第3章 計算思維基礎:0和1與機器程序 35
3.1 如何讓機器自動計算一個多項式 35
3.2 用0和1表達機器中的數據:機器數 36
3.2.1 機器存儲數據的一些限制 36
3.2.2 有符號數及符號的表達 37
3.2.3 擴展學習:小數點的表達 39
3.2.4 擴展學習:減法是可以用加法實現的 40
3.3 用0和1表達機器能夠完成的動作(指令):一種形式的編碼 42
3.4 用0和1表達機器程序 43
3.4.1 習與練:讀一讀機器程序 43
3.4.2 習與練:改一改機器程序 44
3.5 基礎知識:機器語言、匯編語言與高級語言 45
3.5.1 計算機語言 45
3.5.2 機器語言及微程序語言 46
3.5.3 匯編語言 46
3.5.4 高級語言 46
3.6 為什么要學習和怎樣學習本章內容 48
3.6.1 為什么:數據、指令和程序是計算思維最基本的內容 48
3.6.2 怎樣學:體驗式學習方法 48
第4章 機器程序的執行 49
4.1 機器數據和機器程序的保存與讀寫:存儲器 49
4.1.1 存儲單元:存儲地址與存儲內容的區別 49
4.1.2 習與練:讀一讀存儲器中的程序與數據 51
4.2 從概念層面理解機器程序的執行 54
4.3 從內部結構層面理解機器程序的執行 55
4.3.1 運算器:實現基本運算的部件 55
4.3.2 控制器:機器程序的解讀與執行部件 55
4.3.3 一臺完整的計算機 56
4.3.4 擴展學習:信號傳遞次序的控制機制——時鐘與節拍 57
4.4 從動態執行過程層面理解機器程序的執行 58
4.4.1 機器指令的執行:取指令與執行指令 58
4.4.2 習與練:場景中模擬機器程序的執行 60
4.5 為什么要學習和怎樣學習本章內容 63
4.5.1 為什么:學習計算機,首先要理解機器程序是如何被執行的 63
4.5.2 怎樣學:場景理解式學習方法 63
第5章 程序構造是一種計算思維 65
5.1 表達程序的一種簡單方法:數值與運算組合式 65
5.1.1 一種簡單的語言:運算組合式 65
5.1.2 習與練:用運算組合式進行組合構造訓練 67
5.2 程序構造基本——命名計算對象 69
5.2.1 計算對象的命名、再構造與計算執行 69
5.2.2 習與練:計算對象的命名、再構造與計算執行 70
5.3 程序構造基本:定義新運算/新過程 70
5.3.1 定義新運算符,即新的運算(或新的過程) 70
5.3.2 習與練:新運算符的定義、使用與計算執行 72
5.3.3 運算組合式的兩種計算模式 75
5.4 擴展學習:復雜程序的構造 75
5.4.1 運算組合式中條件的表達方法 75
5.4.2 習與練:用條件運算組合式構造復雜的程序 77
5.5 為什么要學習和怎樣學習本章內容 79
5.5.1 為什么:程序是體現計算系統千變萬化功能的表達手段 79
5.5.2 怎樣學:練中學與學中練 80
第6章 程序的基本構造手段:遞歸與迭代 81
6.1 一些需要遞歸表達的示例 81
6.2 計算中的遞推式與遞歸函數 83
6.2.1 遞推式與遞歸函數的概念 83
6.2.2 習與練:體驗遞歸函數的構造魅力 84
6.3 體驗兩種不同遞歸函數的魅力 86
6.3.1 習與練:體驗兩種遞歸函數的計算過程 86
6.3.2 兩種遞歸函數的計算過程分析 87
6.4 習與練:遞歸與迭代的運用 88
6.4.1 語言語法要素的遞歸定義及運用 88
6.4.2 漢諾塔——一種似乎只能用遞歸求解的問題 91
6.5 擴展學習:遞歸程序的執行過程 92
6.5.1 實現階乘運算的遞歸程序和迭代程序執行過程比較 92
6.5.2 實現斐波那契數列的遞歸程序和迭代程序執行過程比較 94
6.6 為什么要學習和怎樣學習本章內容 96
6.6.1 為什么:遞歸和迭代是表達機器重復執行動作的基本方法 96
6.6.2 怎樣學:模擬式學習方法 96
第7章 計算機語言與程序編寫 97
7.1 一個高級語言程序設計的示例及分析 97
7.2 高級語言程序的基本要素 100
7.2.1 常量、變量與賦值語句 100
7.2.2 算術表達式、比較表達式與邏輯表達式 101
7.2.3 分支結構控制語句If 102
7.2.4 有界循環結構控制語句For 103
7.2.5 條件循環結構控制語句Do While 104
7.2.6 函數結構語句 104
7.2.7 系統函數及其調用 106
7.2.8 幾種計算機語言的程序基本要素書寫規范比較 106
7.3 習與練:用高級語言編寫程序 108
7.3.1 基本表達式及賦值語句的書寫練習 108
7.3.2 基本程序控制語句的書寫練習 109
7.3.3 啤酒瓶問題求解的程序設計 110
7.3.4 利用差分法求解多項式的程序設計:迭代法 111
7.3.5 閱讀并模擬執行高級語言程序 113
7.4 為什么要學習和怎樣學習本章內容 115
7.4.1 為什么:計算機語言是人與機器交流的工具 115
7.4.2 怎樣學:寫程序與讀程序 115
第8章 理解復雜計算環境:計算思維與管理 116
8.1 基本的計算環境:存儲體系 116
8.1.1 不同類型的存儲器 116
8.1.2 不同類型的存儲器需組合使用,實現性能—價格的優化 117
8.1.3 現代計算機的基本計算環境 119
8.2 計算環境的管理者:操作系統 120
8.2.1 操作系統的作用 120
8.2.2 “分工—合作—協同”思維理解操作系統 121
8.3 習與練:存儲資源的化整為零與還零為整 123
8.3.1 一個化整為零的示例 123
8.3.2 磁盤與文件管理 124
8.3.3 進一步理解化整為零與還零為整 127
8.4 現代計算機的演進與發展 130
8.4.1 了解操作系統管理CPU的方式 130
8.4.2 現代計算機的演進與發展 132
8.5 為什么要學習和怎樣學習本章內容 134
8.5.1 為什么:由理解“計算資源的管理”到理解“社會資源的管理” 134
8.5.2 怎樣學:化復雜為簡單 135
第9章 問題求解策略與算法表達 136
9.1 問題求解與算法:兩個問題的提出 136
9.2 算法及其基本表達方法 139
9.2.1 一種問題求解思維及算法的概念 139
9.2.2 算法的3種基本表達方法 140
9.2.3 習與練:基本算法的表達 142
9.3 習與練:用遍歷策略與貪心策略進行問題求解 147
9.3.1 用遍歷策略求解TSP問題與背包問題 147
9.3.2 遍歷策略求解存在什么問題 149
9.3.3 用貪心策略求解TSP問題與背包問題 151
*9.4 習與練:算法表達 153
9.4.1 TSP問題求解的算法表達 153
9.4.2 背包問題求解的算法表達 154
9.5 為什么要學習和怎樣學習本章內容 156
9.5.1 為什么:所有的計算問題都體現為算法 156
9.5.2 怎樣學:閱讀算法、表達算法與構造算法 156
第 10章 數據管理思維也是一種計算思維 158
10.1 數據與數據管理 158
10.2 數據的基本形態:表與關系 159
10.2.1 熟悉表及其相關的術語 159
10.2.2 習與練:深入理解“表/關系”的特性 161
10.3 數據表的基本操作:關系操作 164
10.3.1 熟悉表的基本操作:關系操作 164
10.3.2 習與練:用關系操作及其組合操縱數據 165
10.4 擴展學習:關系及關系代數 170
10.4.1 關系:“表”的數學定義 170
10.4.2 關系代數:“表”操作的數學定義 172
10.5 為什么要學習和怎樣學習本章內容 175
10.5.1 為什么:數據管理需要抽象、理論和設計 175
10.5.2 怎樣學:理解—區分—命名—表達 176
第 11章 數據庫系統與數據庫語言 177
11.1 數據庫系統與數據庫管理系統 177
11.1.1 數據庫系統 177
11.1.2 關系數據庫管理系統的基本思維模式 179
11.2 關系數據庫語言SQL 180
11.2.1 由關系模型初步認識SQL 180
11.2.2 SQL語言總體概覽 181
11.2.3 熟悉建立數據庫的SQL語句 182
11.2.4 習與練:利用SQL語言建立數據庫 183
11.3 習與練:用SQL語言進行數據查詢 184
11.3.1 熟悉SELECT-FROM-WHERE-ORDER BY語句 184
11.3.2 習與練:用SELECT-FROM-WHERE-ORDERBY語句進行數據查詢 185
11.4 習與練:用SQL語言進行數據統計計算 189
11.4.1 熟悉SELECT-FROM-WHERE-GROUP BY語句 189
11.4.2 習與練:用SELECT-FROM-WHERE-GROUP BY語句進行統計計算 189
*11.5 擴展學習:用SQL語言進行復雜查詢 192
11.5.1 熟悉子查詢 192
11.5.2 利用子查詢進行復雜查詢 193
*11.6 擴展學習:數據庫管理系統的功能 194
11.7 為什么要學習和怎樣學習本章內容 196
11.7.1 為什么:數據管理也是計算思維 196
11.7.2 怎樣學:案例式對比式學習 196
第 12章 數據與社會:數據也是生產力 197
12.1 什么是大數據 197
12.2 數據分析示例:多維數據分析 198
12.2.1 一個例子:超市數據庫 198
12.2.2 熟悉最基本的數據分析方法——二維交叉表 200
12.2.3 由二維數據分析發展為多維數據分析 201
12.3 數據挖掘示例:炒股不看股盤看微博 204
12.3.1 啤酒與尿布的故事 204
12.3.2 理解一些基本概念 204
12.3.3 由事務數據庫挖掘關聯規則——數據挖掘示例 206
12.3.4 還能挖掘什么樣的規則 209
12.3.5 還能從哪些形式數據中挖掘 210
12.4 大數據與社會 211
12.4.1 大數據運用的一個例子 211
12.4.2 大數據價值發現:不一樣的思維 212
12.4.3 大數據的隱私問題 213
*12.5 擴展學習:大數據的管理 213
12.5.1 大數據管理:由結構化到非結構化 213
12.5.2 各種資源聚集成庫 215
12.6 為什么要學習和怎樣學習本章內容 216
12.6.1 為什么:大數據改變了人的觀念,不可能的也許就是可能 216
12.6.2 怎樣學習:思維上要浮想聯翩,技術上要不求甚解 216
第 13章 網絡化社會基礎:計算機網絡 218
13.1 計算機網絡——社會互聯的基礎 218
13.1.1 通信基礎 218
13.1.2 協議、分層與不同的編解碼器 223
13.1.3 計算機網絡的分類 226
13.2 對比郵政網絡,理解計算機網絡 228
13.2.1 解剖郵政網絡 228
13.2.2 對比郵政網絡,理解計算機網絡中的有關層次及概念 229
13.3 擴展學習:TCP/IP不同層次協議的簡要解析 233
13.3.1 網絡層(IP層)——對應收發郵局層 233
13.3.2 應用層協議——對應發件人/收件人層 235
13.3.3 傳輸層協議——對應聚集點/分送點層 237
13.3.4 數據鏈路層——對應發送站點/接收站點層 239
13.3.5 物理層——對應運輸層 239
13.4 為什么要學習和怎樣學習本章內容 240
13.4.1 為什么:互聯互通是信息社會的高級階段 240
13.4.2 怎樣學習:類比分析式學習法 240
第 14章 信息網絡:信息組織與信息傳播的基本思維 241
14.1 機器成為信息的新載體,互聯網成為信息傳播的新手段 241
14.2 標記語言:信息網絡構建的基礎 243
14.2.1 熟悉信息網絡中一種廣泛應用的語言:標記語言 243
14.2.2 萬維網的基本思維 246
14.3 無限資源庫的發掘和利用 250
14.3.1 網絡自動搜索——搜索引擎 251
14.3.2 互聯網半/非結構化數據管理:XML 253
*14.3.3 擴展學習:半/非結構化數據(文檔)的查找與搜索 256
14.3.4 擴展學習:互聯網網頁排序的基本思維 257
14.4 為什么要學習和怎樣學習本章內容 261
14.4.1 為什么:互聯網的智能化基礎 261
14.4.2 怎樣學習:內容驅動技術的學習方法 261
第 15章 網絡與社會:互聯的世界 262
15.1 互聯網的創新思維 262
15.1.1 大眾產生內容,大眾創造價值 262
15.1.2 大眾開發軟件,大眾消費軟件,大眾創造價值 263
15.1.3 由購買轉為租用,由銷售轉為出租:云計算/云服務 265
15.2 “互聯網+”的創新思維 266
15.2.1 什么是“互聯網+” 266
15.2.2 基于物聯網的產品全生命期服務:不賣產品賣服務 266
15.2.3 萬般皆服務與共享經濟 268
15.2.4 智慧地球與國家人工智能規劃 270
15.3 網絡化與社會:問題與挑戰 272
15.4 為什么要學習和怎樣學習本章內容 272
15.4.1 為什么:自動化—網絡化—智能化是發展趨勢 272
15.4.2 怎樣學習:不怕做不到,只怕想不到 273

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作者介紹

戰德臣,博士,教授,博士生導師,哈爾濱工業大學基礎教學帶頭人,黑龍江省教學名師。主要研究方向:現代企業管理、數據與知識工程、軟件體系結構與軟件重用、虛擬企業集成與電子商務、企業資源計劃與現代集成制造系統。先后完成國家863計劃重點項目、基礎研究項目、國家自然科學基金項目、省部委項目20余項。目前研究課題有國家863計劃重點課題、國家自然科學基金課題和省科技攻關重點課題等。

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