计算机与计算思维

华中科技大学网络与计算中心大学计算机基础2020/3/4网络与计算中心2主讲教师：李赤松e-mail:[e-mail]电话:[phone](手机)87543341(办公室)班级邮箱：[e-mail]密码：20122013hust大学计算机基础2020/3/4网络与计算中心3本课程教学目标培养计算思维能力掌握计算机软硬件的一些基础知识，了解信息技术的发展趋势。熟悉典型的计算机（网络）操作环境及工作平台，具备使用常用软件工具处理日常事务的能力。文档处理，演示文稿制作，电子表格应用计算机进行信息处理的能力数据库技术、多媒体技术2020/3/4网络与计算中心4理论授课学时安排表章节学时备注计算机与计算思维4计算机软件应用基础4网络基础与Internet4数据库技术基础4多媒体技术基础3+1复习课1学时大学计算机基础门户网站地址:202.114.18.82020/3/4网络与计算中心5平时成绩20%课堂表现5%、上机表现5%和5次上机作业的完成情况10%（作业必须提交到作业系统）考试系统的3次统一练习20%每次练习可以完成多次，系统自动评分，取最高分作为本次练习的成绩。三次上机测试60%其中第一、二次为随堂测试（第2和4次上机时进行）第三次为集中考试（在16周周末）大学计算机基础门户网站地址:202.114.18.8上机考试、内容与安排2020/3/4网络与计算中心6计算技术和计算机是现代社会、经济和科技的基石之一2020/3/4网络与计算中心7计算与计算设备的应用与发展是人类社会文明发展的必然产物——计算问题不处不在、计算机“无所不能”2020/3/4网络与计算中心88为什么要用计算机？有哪些应用离开计算机是无法实现的？科学计算CAD应用信息管理人工智能嵌入式系统生物计算1860年，法国天文学家Delaunay（CharlesEugeneDelaunay，1816-1872）为计算受到地球与太阳重力影响的月球运动轨迹，花了二十年,计算过程填满一本书，也只得到一个近似解1970年,用符号方程检查他的计算,计算机只花了20个小时,不但求出更精确的近似解,还找出Delaunay的三个计算错误2020/3/4网络与计算中心9计算机应用领域CAD/CAE：ComputerAidedDesign/Engineering利用计算机的强大功能来支持人们进行产品开发与设计活动。基本内容包括：建立几何模型工程分析与计算动态模拟仿真自动绘制工程图纸等3/4/202092020/3/4网络与计算中心10计算机应用领域CAD/CAE：ComputerAidedDesign/Engineering断层图像序列输入轮廓提取轮廓数据重构轮廓数据后处理利用计算机的强大功能来支持人们进行产品开发与设计活动。基本内容包括：建立几何模型工程分析与计算动态模拟仿真自动绘制工程图纸等3/4/2020102020/3/4网络与计算中心113/4/202011学科交叉是创新的源泉：学科交叉重构：X@Computer!Computer-based+X“多学科交叉融合是创新的源泉，推动了科学研究的重大突破与高新技术的产生。”第一章计算机与计算思维2020/3/4网络与计算中心131计算与计算思维2现代计算机的发展史3计算机基础知识冯·诺伊曼体系结构计算机中的数据表示方式、形式4微型计算机硬件系统5总结2020/3/4网络与计算中心141计算与计算思维2020/3/4网络与计算中心15计算思维的提出Edsger_Dijkstra我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯,从而也将深刻的影响着我们的思维能力.人工智能四大先驱之一现代编程语言的主要贡献者之一第七位图灵奖获得者JeannetteM.Wing周以真卡内基-梅隆大学教授ComputationalThinkingComputationalthinkingwillbeafundamentalskillusedbyeveryoneintheworldbythemiddleofthe21stCentury.2020/3/4网络与计算中心1616科学方法与科学思维科学方法实验方法、理论方法、计算方法科学思维实证思维（重现、自洽、预见）实验：物理逻辑思维（公理、规则、结论）推理：数学计算思维（能行、构造、模拟）使自动：计算机2020/3/4网络与计算中心1717科学方法与科学思维计算思维（能行、构造、模拟）使自动：计算机运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。本质：抽象，自动化2020/3/4网络与计算中心18模拟-应用之魂实验和理论思维无法解决的问题大量复杂问题求解、宏大系统建立、大型工程组织都可通过计算模拟核爆炸、蛋白质生成、大型飞机、舰艇设计…182020/3/4网络与计算中心19程序代码=细胞自动机19美科学家StephenWolfram科学巨著:ANewKindofScience传统的科学建立在数学基础上新的科学建立在计算机程序上2020/3/4网络与计算中心203/4/202020。计算机是工具，帮助提升人的能力计算机能干什么？多记一些数据、多接收一些信息、算得快一些,交流更方便些。。以亿次的计算,求解繁复的微分方程和方程组,描绘超乎想象的图像,模拟无法实现或耗资巨大的过程等等网络通世界计算晓天下存储知古今计算机不能干什么？人类的需要—缺啥补啥！不能替人拿主意、定方案。。。人机分界面恰在于思考二字,即把计算机所不具备的直觉、综合、机敏,甚至艺术家的灵感留给人,由人来创造性地开发各种所需的算法、模型、方法2020/3/4网络与计算中心21计算思维的概念计算思维的关键：用计算机模拟现实世界2020/3/4网络与计算中心221912.6.23－1954.6.7英国数学家、逻辑学家CanMachinesThink?人工智能和计算机科学之父图灵机提出了一种用于判定机器是否具有智能的试验方法--图灵试验!图灵机由一个控制器、一条可无限延伸的带子和一个在带子上左右移动的读写头组成。这个在概念上如此简单的机器，理论上却可以计算任何直观可计算的函数.2020/3/4网络与计算中心23计算思维的概念计算思维的关键：用计算机模拟现实世界可计算性：图灵机：不是一种具体的机器,而是一种思想模型,可制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置,用来计算所有能想像得到的可计算函数。什么能（有效地）自动进行什么不能（有效地）自动进行算法问题：计算过程的可行操作和效率问题算法：是指解题方案准确而完整的描述，是一系列解决问题的清晰指令或步骤。2020/3/4网络与计算中心24计算思维理解用四个字来概括：抽象、算法用八个字来概括：合理抽象、高效算法2020/3/4网络与计算中心25考虑这些日常中的事例：当你去上学校时，会把需要的东西放进背包--这就是预置和缓存。当你弄丢东西时，你会沿走过的路回寻--这就是回推。在超市付账时你应当去排哪个队呢？这就是多服务器系统的性能模型。为什么停电时你的电话仍然可用？这就是失败的无关性和设计的冗余性。计算思维在生活中的例子2020/3/4网络与计算中心2626计算思维能力计算思维能力建立起利用计算机技术解决问题的思路，并理解问题的可求解性。问题抽象、模型建立、算法设计、实现2020/3/4网络与计算中心27计算思维概念：运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解的涵盖了计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维的本质：抽象、自动化（程序、算法）计算思维能力：建立起利用计算机技术解决问题的思路，并理解问题的可求解性。问题抽象、模型建立、算法设计、实现小结2020/3/4网络与计算中心282计算机发展史2020/3/4网络与计算中心29人类追求的计算工具2020/3/4网络与计算中心30电子管时代(1945-1956)1904年,世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明的手下诞生。电子管不但可以作为放大器件，也可以作为开关器件。2020/3/4网络与计算中心31内存延迟线或磁芯外存纸带、卡片或磁带工作速度几千～一万次／秒软件机器语言或汇编语言应用科学计算代表机型ENIAC特点体积庞大，运算速度低，成本高电子管时代(1945-1956)2020/3/4网络与计算中心321946年2月14日，世界上第一台电脑ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator)在美国宾夕法尼亚大学诞生发明人：莫奇来和爱克特5000次加法/秒体重28吨占地170m218,000多只电子管1500个继电器功率150KW世界上第一台电子管计算机ENIAC埃尼阿克”计算炮弹弹道只需要3秒钟，而在此之前，则需要200人手工计算两个月。除了常规的弹道计算外，它后来还涉及诸多的科研领域，曾在第一颗原子弹的研制过程中发挥了重要作用。1955年10月2日，“ENIAC埃尼阿克”宣告“退役”后，被陈列在华盛顿的一家博物馆里。2020/3/4网络与计算中心33世界上第一台电子管计算机ENIAC程序指令存放在机器的外部电路里，利用硬件即利用插线板和转换开关所连接的逻辑电路来控制运算需要计算某个题目，必须首先用人工接通数百条线路，需要几十人干好几天之后，才可进行几分钟运算没有存储器，程序与计算分离2020/3/4网络与计算中心34世界上第一台存储控制计算机EDSAC第一台采用冯·诺依曼体系结构的计算机在执行新的计算时，其线路或开关无需切换1949年，英国剑桥大学莫里斯.文森特.威尔克斯2020/3/4网络与计算中心35EDVAC1952年1月，由冯·诺伊曼设计的计算机EDVAC问世。EDVAC总共采用了2300个电子管，运算速度却比拥有18000个电子管的“埃尼阿克”提高了10倍，冯•诺伊曼的设想在这台计算机上得到了圆满的体现。2020/3/4网络与计算中心36水银延迟线存储器电子管是否导通代表“1”或“0”，代表一位的数据。当输入端的信号撤出后，真空管的通、断状态将会改变，所以电子管自身没有记忆功能，无法完成数据的存储。将一块石头掷入水中，形成波浪，波头经过一段时间才能传播到远方某处，这段时间就是信号的存储时间通过不断刷新，数据就被存储下来电脉冲信号-超声波-电脉冲信号2020/3/4网络与计算中心37威廉管存储器水银延迟线存储器装置体积过于庞大，又十分笨重，而且数据存取速度很慢，所以不久就被静电存储管（ElectrostaticStorageTube）所取代静电存储管实质上就是一种阴极射线管(CathodeRayTube，简称CRT)，是英国曼彻斯特大学的科学家威廉（FreddieC.Williams）于1948年设计的，因此也称作威廉管（Williamstube）。每一次电子发射不仅会在屏幕的磷光物质上留下一个亮点，而且会把电荷留在屏幕上，大约0.2秒后静电才会释放掉。利用这一时间延迟，正好可以实现信息的存储。2020/3/4网络与计算中心39磁芯存储器在铁氧体磁环里穿进一根导线，导线中流过不同方向的电流时，可使磁环按两种不同方向磁化，代表“1”或“0”的信息便以磁场形式储存下来华人科学家王安博士利用这一思想研制的“脉冲传输控制装置（Pulsetransfercontrollingdevice）”于1949年获得了美国专利2020/3/4网络与计算中心40磁芯存储器随机存储器非易失性存储器2020/3/4网络与计算中心41晶体管时代(1956-1963)1947年12月23号，贝尔实验室的肖克利(WilliamB.Shockley)，布拉顿(JohnBardeen)，巴丁(WalterH.Brattain)创造出了世界上第一只半导体放大器件，他们将这种器件重新命名为“晶体管“2020/3/4网络与计算中心421954年在贝尔实验室研制成功800只晶体管世界上第一台全晶体管计算机TRADIC2020/3/4网络与计算中心43晶体管时代(195