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1.5本章计算思维的典型案例案例1：计算作为人类文明的开端，从最远古的手指计数到中国古代的算盘计算到近代西方的纳皮尔算筹及帕斯卡机械式计算机，至当前的电子计算机的高速度计算，不管是计算方法还是计算工具都有了变革性的创新，计算也作为一种思维方式存在，并成为人类科学思维的重要一员。从算盘到计算机的发展过程是计算思维内容不断拓展的过程。现今，我们面临着一个问题：计算机能不能再快些？我们还能不能依靠单一的电子器件加快我们的“大脑”？从历史来看，机械到电子不但是材料的进步，也是思维方式的进步。计算机发展，归根结底是计算思维的传承和发扬光大。计算机的历史就像一个孩子的成长史，它已经经历了少年时期的疯长，进入了青年时期。它还会有下一轮的飞速成长，但是要靠人类的智慧作为营养哺育它。在不久的将来，我们会将计算机变成一个众多学科交叉结合而成的精灵。而到那时，我们相信那个精灵传承和发扬的仍然是计算思维。案例2：抽象就是忽略一个主题中与当前问题(或目标)无关的那些方面，以便更充分地注意与当前问题(或目标)有关的方面。通过抽象，人们可以从众多的事物中抽取出共同的、本质性的特征，舍弃其非本质的特征。抽象是一种从个体把握一般、从现象把握本质的认知过程和思维方法。在本章中介绍了图灵机模型，它是一个抽象的计算模型。图灵把他的计算模型抽象成一种非常精简的装置：一条无限长的纸带、一个读写头、一套控制读写头工作的规则、一个状态寄存器。有了图灵机这一抽象模型，我们可以得到很多本质的规律，通过抽象我们能够抽取事物的本质特性、忽略烦琐的细节，在抽象的模型上进行科学研究，有助于发现事物的内在规律。虽然图灵机是现代计算机的数学模型，但它不等同于实际的计算机，如何设计实际可用的计算机系统，也需要抽象的思维。在第3章中介绍的冯·诺依曼体系结构就是对现代计算机体系结构的一种抽象认识。本章小结与思考本章通过对计算技术的发展起到关键作用的人物和事件的介绍，回顾了计算机的发展简史。从计算机的起源开始，介绍计算机系统的发展历程及未来可能的发展趋势。介绍了科学技术的发展特别是电子器件的发展在计算机发展中的重要作用。了解了计算机的“存储程序方式”和采用二进制思想。计算机是20世纪最伟大的发明之一。计算技术从简单到复杂，经历了漫长的发展过程，但最近20余年却取得了飞速的进展。这里面蕴含了其自身的规律性，值得深刻领悟。计算机及计算机网络的应用己使人类社会的各个领域都发生了翻天覆地的变化，计算和计算机的应用己经无处不在。信息作为继物质和能源之后的第三类资源，它的价值日益受到人们的重视。在计算机渗透到社会各行各业的今天，每一名大学生都应该接受信息技术教育，应该具有“获取信息、分析信息、加工信息”的基础知识和实际能力。计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类的行为，它包括了涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。计算思维的本质是抽象和自动化。计算思维代表着一种普遍的认识和一类普适的技能，因此每个人都应热心于计算思维的学习和应用。计算机作为一种工具，既然为人类所广泛使用，它必将对人类的思维产生影响。计算机赖以运行的思想和方法也将从后台进入前台，走进人类的生活，成为人类工作和生活有力助手。如同所有其他学科一样，计算学科也有自己的认识和处理世界事物的方法学。未来，计算思维必将随着计算学科的发展而不断丰富和完善。学习完本章后，请思考并讨论以下提出的几个问题：1．你认为一个学生应具有什么样的信息素养，才能在未来的职业生涯中具有较强的竞争力？这些竞争力体现在哪些方面？2．结合你所学的专业谈谈计算思维对本学科研究领域的影响和应用。3．新一代计算机的发展趋势是什么？谈谈你对未来计算机发展及应用的看法。2.4本章计算思维的典型案例案例1：现实世界可以表示为0和1→用0和1可进行逻辑与算术运算→0和1可以用电子技术实现→用二极管、三极管等实现基本门电路→组合逻辑电路实现→芯片（复杂组合逻辑电路）。具体来说，0和1的思维蕴含着：信息表示。数值信息和非数值信息均可用0和1表示，均能够被计算；符号化数字化。物理世界/语义信息→符号化→0和1（进位制与编码）→数字计算（算术运算，逻辑运算）→硬件与软件实现。即任何事物只要能表示成信息，也就能够表示成0和1，也就能够被计算，也就能够被计算机所处理。案例2：递归是计算思维的方法之一。当我们通过键盘将字母“A”输入到计算机，在计算机内部它将以二进制代码形式存储，但从显示器或打印机输出的依然是字母“A”,由此体现了一种递归的方式。究竟什么是递归呢？其实，递归就是大鱼吃小鱼，就是一条蛇咬住自己的尾巴。递归是指一样东西自己包含了自己。例如，当两面镜子相互之间近似平行时，镜中嵌套的图像是以无限递归的形式出现的。递归在数学与计算机科学中，是指在函数的定义中使用函数自身的方法。递归一词还较常用于描述用相似方法重复事物的过程。案例3：当数据被储存在硬盘或传送到网络上时，它们一般是不会发生改变的．不过，有时候一些故障也会导致数据值突然改变，比如电子干扰。而避免这类事件的发生至关重要。利用类似奇偶校验的方法，可以保护计算机中几乎所有的数据。数据硬盘、CD、DVD、闪存、网络下载、电子邮件和网页都在数据中添加了你看不到的校验码。一旦系统中个别比特发生错误，计算机就会在你不知情的情况下自动恢复原始数据。这充分体现了计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏情况进行系统恢复的一种思维方法。奇偶校验是一种校验代码传输正确性的方法。根据被传输的一组二进制代码的数位中“1”的个数是奇数或偶数来进行校验。采用奇数的称为奇校验，反之，称为偶校验。采用何种校验是事先规定好的。通常专门设置一个奇偶校验位，用它使这组代码中“1”的个数为奇数或偶数。若用奇校验，则当接收端收到这组代码时，校验“1”的个数是否为奇数，从而确定传输代码的正确性。在本章中，介绍了ASCII码为7位编码，占1个字节，空出来的最高位通常为0。但在需要传输数据时可以用作奇偶校验的校验位。例如偶校验时，若7位ASCII码中“1”的个数为偶数，则校验位置为“0”；若7位ASCII码中“1”的个数为奇数，则校验位置为“1”。这样就可以保证传送数据满足偶校验的要求。在接收方收到数据时，将按照奇校验的要求检测数据中“1”的个数，如果是偶数，表示传送正确，否则表示传送错误。奇偶校验位是最简单的错误检测码。案例4：对中国汉字的信息处理就是一种典型的计算思维应用，蕴含了构造原理。计算机是西方人发明的，他们用了近40年的时间发展了一整套技术来实现对西文的处理。而汉字是一种象形文字，字种繁多，字形复杂，汉字的信息处理与通用的西方简单的字母数字类信息处理有很大差异，一度成为棘手问题。然而，近几十年来，汉字信息处理研究得到飞跃式的发展。这其中，让计算机能表示并处理汉字要解决的首要的问题就是要对汉字进行编码，即确定每个汉字同一组通用代码集合的对应关系。这样，在输入设备通过输入法接收汉字信息后，即按对应关系将其转换为可由一般计算机处理的通用字符代码，然后再利用传统计算机的信息处理技术对这些代码信息的组合进行处理，如信息的比较、分类合并、检索、存储、传输和交换等。处理后的代码组合，再通过汉字输出设备，按照同样的对应关系转换为汉字字形库的相应字形序号，输出设备将处理后的汉字信息直观地显示或打印出来。本章小结与思考本章主要介绍了计算机基本信息表示方法，所谓基本信息，是指数值信息和字符信息。其中二进制的概念是十分重要的，因为二进制是计算机信息表示的基础，在计算机内部的底层，任何类型的信息都用二进制编码，还因为在计算领域，很多术语直接与二进制相联系，不懂得二进制，就不能很好理解这些术语。同一个数可以用不同的进制表示，不同进制表示之间存在等价关系，利用这个等价关系可以在不同的进制之间进行转换。针对数值的二进制表示，还介绍了如何采用原码、反码和补码的方法解决了带符号数值的处理，以及带小数点的实数表示方法。掌握这些知识对于理解计算机的运算过程非常重要。计算机之所以具有逻辑处理能力，是因为计算机中采用了实现各种逻辑功能的电路，这些逻辑电路是由能够实现与、或、非等逻辑运算的基本电路组成的。而逻辑代数是进行逻辑电路设计的数学基础。通过组合基本的逻辑电路，可以设计出非常复杂的组合逻辑电路，用于构建计算机系统。了解计算机信息数据的编码对于计算机信息处理具有很大的帮助。由于计算机是以二进制方式组织、存放信息的，这就意味着所有需要计算机存储并处理的信息包括都要转换成二进制的形式来表示。因此，信息编码就是指对输入到计算机中的各种数值和非数值型数据用二进制数进行编码的方式。对于不同机器、不同类型的数据其编码方式是不同的，编码的方法也很多。本章主要介绍了常用编码的国家标准或国际标准，如ASCII码、汉字编码等，包括计算机使用这些编码在计算机内部和外部设备之间以及计算机之间是如何进行信息交换的。学习完本章后，请思考并讨论以下提出的几个问题：1．假设有两支友邻军队夜间在一条河的两岸并行行军。为了保持行动一致，他们必须进行通信。双方预先确定了53条通信密语。两支军队都没有带通信设备，但带了至少8支手电筒。请为他们设计一种通信方案。2．举例说明身边的某一编码，说说其编码方式、规则与取值范围，写出自己的看法与认识。3．对下列ASCII码进行译码。010011100110100101101000011000010110111100100001010010100110100101100001011110010110111101110101001000014．对于下面一组不同编码的数，请按照从小到大的顺序排列。(+01110)原(01101)补(10110)反(10000)反(10110)原(10010)补3.7本章计算思维的典型案例案例1：在计算机科学中，抽象是一种被广泛使用的计算思维方法。在本章中介绍的冯·诺依曼体系结构就是对现代计算机体系结构的一种抽象认识。在冯·诺依曼体系结构中，计算机由内存、处理单元、控制单元、输入设备和输出设备等五部分组成。这一体系结构屏蔽了实现上的诸多细节，明确了现代计算应该具备的重要组成部分及各部分之间的关系，是计算机系统的抽象模型，为现代计算机的研制奠定了基础。案例2：并行是一种重要的计算思维方法。并行计算一般是指许多指令得以同时进行的计算模式。我们在计算机系统的设计中看到了很多运用并行技术提高系统效率的例子，例如，本章介绍的“多核处理器”技术，是从空间的角度，通过硬件的冗余，让不同的处理器并发执行不同的任务。该种技术体现了运用并行方法解决问题的思路。在日常生活中也不乏并行思维的例子。在高速公路收费站服务中也可以经常见到并行。在车流量多的高峰时段，收费站可以通过增加一些通行通道提高服务的并行度，从而提高服务能力，减少车辆通行的等待时间；而在车流量较少的时候，会通过关闭一些通道降低服务的并行度，在保证通行速度的同时减少高速公路收费站自身的运营成本。案例3：缓存也是一种重要的计算思维方法。缓存是将未来可能会被用到的数据存放在高效存储区域中，使得将来用到这些数据时能够非常快地得到。在计算机系统中有一个重要的原理，即程序的局部性原理。程序的局部性原理有两方面的含义：时间局部性和空间局部性。时间局部性是指，如果一个信息项正在被访问，那么近期它很可能还会被再次访问；空间局部性是指，在最近的将来将用到的信息很可能与现在正在使用的信息在空间地址上是临近的。因此，在时间和空间上，程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令，其访问行为不是随机的，而是相对集中的。CPU访问存储器，无论存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。根据这一原理，计算机系统中采取了层次性的存储体系，包括高速缓存、内存储器、外存储器等。高速缓存的访问速度最快、容量最小、成本最高，外存储器的访问速度最慢、容量最大、成本最低。计算机系统充分利用了局部性原理，提高系统在缓存中命中数据的可能性，从而以较多的低速大容量存储器、配合较少的高速缓存，得到速度和高速存储器差别不大