01 第一章 计算的思想和方法绪论.pptx

第1页：大学计算机—计算的思想和方法课程封面

《大学计算机—计算的思想和方法》课程封面，标示教材名称、第3版与编著者信息。

第2页：课程简介

• 课程定位核心通识课，计算机基础教学公共核心基础课程
• 授课对象非计算机专业本科生
• 教学目标
  • 深入理解计算科学在科学研究和知识创新中的地位和作用。
  • 全面培养个人的信息素养和计算思维能力。
  • 了解计算发展的基本过程，理解发展中的主要发明
  • 掌握问题求解的一般思想和方法，理解常用的问题求解算法。
  • 理解数据的概念，理解数据结构的含义和作用
  • 理解计算机程序、计算机程序设计语言的概念，理解程序编写和程序运行的基本内涵
  • 理解通信和计算机网路的思想，了解常用的网络设备及其功能，理解主要的互联网应用
  • 了解目前计算机学科的发展前沿，体会学科交叉在科研中的价值和意义
    • 第1章绪论
    • 第2章计算与计算机
    • 第3章问题求解与算法
    • 第4章数据与数据结构
    • 第5章计算机程序
    • 第6章计算机网络
    • 第7章计算科学前沿

第3页：第1章 绪论

• 1.1 科学与科学研究
• 1.2 人类思维与逻辑学
• 1.3 信息社会与知识社会
• 1.4 计算科学与计算思维
• 1.5 思想的力量与启示

知识要点：科学，自然科学，社会科学，理论科学，实验科学，科学理论，科学研究，科学方法

第4页：1.1 科学与科学研究

• 科学与科学理论
• 科学研究方法
• 学习与知识创新

第5页：科学与科学理论

• 科学的定义
  • 达尔文（1888年）
    • 科学就是整理事实，从中发现规律，做出结论
    • 科学是建立在实践基础上，经过实践检验和严密逻辑论证的，关于客观世界各种事物的本质及运动规律的知识体系。
  • 辞海
    • 科学是运用范畴、定理、定律等思维形式反映现实世界各种现象的本质规律的知识体系。（1999）
  • 苏联百科全书
    • 科学是人类活动的一个范畴，它的职能是总结关于客观世界的知识，并使之系统化
  • 科学是反映自然、社会、思维等的客观规律的分科知识体系。
• 科学分类
  • 按研究对象分类
    • 自然科学
    • 社会科学
  • 按研究方法分类
    • 理论科学
    • 实验科学

第6页：自然科学与社会科学

• 自然科学
  • 自然科学以整个自然界为研究对象，研究自然界中物质的各种类型、状态、属性及运动形式，揭示自然界发生的现象以及自然现象发生过程的实质，进而把握这些现象和过程的规律性，为在社会实践中合理而有目的地利用自然界的规律开辟各种可能的途径。
  • 基础学科，数学、物理、化学、天文学、地球科学
  • 应用学科，生命科学、医学、材料科学，计算机科学
• 社会科学
  • 关于社会事物的本质及其规律的科学，是科学化的研究人类社会现象的科学。
  • 哲学、社会学、心理学、政治学、经济学、人类学

第7页：理论科学和实验科学

• 理论科学
  • 指偏重理论总结和理性概括，强调较高普遍的理论认识而非直接实用意义的科学。
  • 在研究方法上，以演绎法为主，不局限于描述经验事实。
• 实验科学
  • 以实验观察为主要研究方法的科学

第8页：科学研究的分类

• 按照研究内容
  • 基础研究
    • 是指为获得关于现象和可观察事实的基本原理及新知识而进行的实验性和理论性研究，它不以任何专门或特定的应用或使用为目的。
    • 研究结果通常具有一般的或普遍的正确性，成果常表现为一般的原则、理论或规律并以论文的形式在科学期刊上发表或学术会议上交流。
  • 应用研究
    • 应用研究是指为获得新知识而进行的创造性的研究，它主要是针对某一特定的实际目的或目标，为解决实际问题提供科学依据。
• 按照研究性质
  • 定性研究
    • 是基于描述性的研究，它在本质上是一个归纳的过程，即从特殊情景中归纳出一般的结论。
    • 侧重于和依赖于对事物的含义、特征、隐喻、象征的描述和理解
  • 定量研究
    • 搜集用数量表示的资料或信息，并对数据进行量化处理、检验和分析，从而获得有意义的结论的研究过程。
    • 对事物及其运动的量的属性作出回答

第9页：科学研究方法

• 什么是科学研究方法
  • 人们在科学研究过程中遵循或运用的、符合科学一般原则的各种手段和途径,包括在理论研究、应用研究等科学活动过程中采用的思路、程序、方法和模式等
  • 科学方法就是科研工作者在从事一项科学发现时所采用的方法
• 获取科学事实的方法
  • 观察
  • 实验
• 整理科学事实的方法
  • 比较
  • 分类
  • 类比
  • 归纳
  • 演绎
  • 分析
  • 综合
• 构造科学理论体系的方法
  • 假说
  • 模型
  • 科学理论

第10页：创造知识的三大方法

• 理论
• 实验
• 计算
  • 计算机强大的计算能力和惊人的速度使许多无法实现的实验得以在计算机中得到模拟和实现
  • 拓展了理论和实验的限制和空间

第11页：1.1 科学与科学研究

• 1.1 科学与科学研究
• 1.2 人类思维与逻辑学
• 1.3 信息社会与知识社会
• 1.4 计算科学与计算思维
• 1.5 思想的力量与启示

知识要点：思维，形象思维，逻辑思维，灵感（顿悟），概念，判断，推理，归纳推理，演绎推理，三段论，假言推理，选言推理，思维规律。

第12页：1.2 人类思维与逻辑学

• 人类的思维活动
  • 思维的特性
  • 思维的分类
  • 思维方法与过程
• 逻辑思维与逻辑学
  • 逻辑形式及其表示
  • 逻辑推理形式及规则
  • 逻辑思维规律

第13页：什么是人类的思维

• 感觉器官
• 大脑思维
  • 思维（Thinking）是一项更加复杂的活动，是人脑对客观现实概括的和间接的反映，它反映的是事物的本质和事物间规律性的联系，属于理性认识。

第14页：思维的特性

• 概括性
• 间接性
  • 能对没有直接作用于感觉器官的事物及其属性或联系加以反映
  • 能对不能直接感知的事物及其属性进行反映。
  • 能在对现实事物认识的基础上进行蔓延式的无止境的扩展。
• 逻辑性

第15页：思维的分类

• 形象思维（Imaginal Thinking）
• 逻辑思维（Logical Thinking），是在表象、概念的基础上进行分析、综合、判断、推理等认识活动的过程，又称“理论思维”、“抽象思维”或“闭上眼睛的思维”。
• 灵感与顿悟

第16页：思维方法与过程

• 思维是一个复杂的、高级的认识过程，是人们运用存储在长时记忆中的知识、经验，对外界输入的信息进行分析、综合、比较、抽象、概括、判断和推理的过程

第17页：逻辑学

• 逻辑学
  • 关于思维形式及其规律的学说
• 逻辑（Logic）就是思维的规律
• 概念
• 判断
• 推理
  • 归纳推理
  • 演绎推理

第18页：逻辑推理形式-1三段论

• 三段论是传统逻辑中的一类主要推理，又称直言三段论。古希腊哲学家亚里士多德首先提出了关于三段论的系统理论。三段论由大前提和小前提推出结论。
• 如：“凡金属都能导电”（大前提），“铜是金属”（小前提），“所以铜能导电”（结论）。三段论属于一种演绎逻辑，不同于归纳逻辑，具有较强的说服力。

第19页：逻辑推理形式-2假言推理

• 充分条件假言推理
• 必要条件假言推理
• 充分必要条件假言推理

第20页：逻辑推理形式-3选言推理

• 相容选言推理
• 不相容选言推理

本页主体为图片内容，文字版要点待对照原课件补充。

第21页：逻辑思维规律-1

• 同一律就是在同一思维过程中，必须在同一意义上使用概念和判断，不能混淆不相同的概念和判断，包括：思维对象的同一、概念的同一和判断的同一。同一律的一般形式是：A是A，A可以是任何思想，任何一个概念或命题。同一律要求在思维和论证过程中，概念的一致性，不能偷换、混淆概念或命题。
• 例如：白吃先生

第22页：逻辑思维规律-2

• 又称不矛盾律，矛盾律要求在同一思维过程中，对同一对象不能同时作出两个自相矛盾的判断，即：不能既肯定它，又否定它。作为思维规律，矛盾律是指任一命题不能既真又不真。矛盾律即是要保证思想的无矛盾性，避免犯“自相矛盾”的错误。历史上有许多违背矛盾律的经典例子，例如：罗素悖论、国王悖论、理发师悖论等。
• 例如：国王悖论

第23页：逻辑思维规律-3

• 在思维过程中，排中律是指任一事物在同一时间里具有某属性或不具有某属性，而没有其他可能。通常被表述为A是B或不是B。在现代逻辑中，表示为A∨┐A（A或非A）。排中律要求，对于两个自相矛盾的命题，不能同时肯定也不能同时否定。否则，将犯模棱两可的错误，这是一种常见的违反排中律规则的逻辑错误

第24页：逻辑思维规律-3（举例）

• 举例
• 有一块空地可以种庄稼，甲、乙两人讨论这块地种什么庄稼好。甲一会儿说应该种小麦，一会儿又说不应该种小麦。针对甲的说法，乙说：“你的两种意见，我都不同意”。分析甲、乙两人的说法，看看他们犯了什么逻辑错误。
• 甲的说法违反了矛盾律的要求，犯了“自相矛盾”的错误，因为他同时断定了这块空地“应该种小麦”和“不应该种小麦”这两个相互矛盾的判断。针对甲的说法，乙的说法违反了排中律的要求，因为排中律认为两个互相矛盾的判断不能同真，也不能同假，而乙恰好断定上述两个判断都是假的。

第25页：1.2 人类思维与逻辑学

• 1.1 科学与科学研究
• 1.2 人类思维与逻辑学
• 1.3 信息社会与知识社会
• 1.4 计算科学与计算思维
• 1.5 思想的力量与启示

知识要点：信息社会，数据，信息，信息化，信息技术，信息产业，信息社会的特征，能力素质，信息素养，信息意识，知识社会。

第26页：1.3 信息社会与知识社会

• 信息社会与知识社会
• 信息社会的特征
• 个人素质与信息素养

第27页：人类社会的发展阶段

• 古代社会
  • 古代社会通常是从人类出现算起，在距今大约500～700万年之间
• 原始社会
  • 大约始于5万年前，即原始人狩猎捕鱼的初始时期，称为原始社会
• 农业社会
  • 始于公元前4000年，是一种以农牧业为主的开垦荒地、种植谷物的农业经济。
• 工业社会
  • 始自18世纪中叶的工业革命
    • 1765年英国工人詹姆斯·哈格里夫斯发明了珍妮纺纱机，揭开了工业革命的序幕。
    • 1769年英国人瓦特改良了蒸汽机
  • 1946年，电子计算机问世，进入后工业社会
• 信息社会

第28页：信息社会与知识社会

• 信息社会
  • 信息社会是指以信息技术为基础，以信息产业为支柱，以信息价值的生产为中心，以信息产品为标志的社会；
  • 信息社会是指信息产业高度发展并在产业结构中占优势的社会。
• 信息化
• 知识社会
  • 信息社会的概念是建立在信息技术进步的基础之上
  • 知识社会的核心是知识和创新
  • 信息技术又推动着知识共享、知识创新的全球化

第29页：信息社会的特征

• 不同的年代特征
  • 20世纪60年代，通信技术、微电子技术和计算机技术
  • 20世纪80年代，“3C”社会（通讯化、计算机化和自动控制化），“3A”社会（工厂自动化、办公室自动化、家庭自动化）。
  • 20世纪90年代，多媒体技术和计算机网络技术
• 经济领域的特征
  • 信息、知识成为重要的生产力要素，和物质、能源一起构成社会赖以生存的三大资源。
  • 信息技术革命催生了一大批新兴产业
  • 传统产业普遍实行技术改造，工业社会所形成的各种生产设备将会被信息技术所改造，成为一种智能化的设备
  • 电子商务等新型交易手段快速发展
• 社会、文化、生活方面的特征
• 社会观念上的特征

第30页：个人素质

• 不同的社会发展阶段和生产力发展水平，对劳动者有不同的能力需求，要求劳动者应具有不同的能力素质
• 素质
  • 是指决定一个人行为习惯和思维方式的内在特质，从广义上还可包括技能和知识。
  • 素质是一个人能做什么（技能、知识）、想做什么（角色定位、自我认知）和会怎么做（价值观、品质、动机）的内在特质的组合。
• 21世纪的能力结构
  • 基本学习技能
  • 终身学习能力
  • 信息素养
  • 创新思维能力
  • 人际交往与合作能力

第31页：信息素养

• 什么是信息素养
  • 信息素养（Information Literacy），是指人们利用网络、各种软件工具来确定、查找、评估、组织和有效地生产、使用和交流信息，来解决实际问题或进行信息创造的能力。
• 信息意识
  • 指人的信息敏感程度，是人们在生产和生活中自觉和自发的识别、获取和使用信息的一种心理状态。
• 信息知识
  • 所谓信息知识就是指人们为了获取信息和利用信息而应该掌握和具有的与信息技术相关的知识
  • 现代通信技术、计算机技术、网络技术、数据库技术、多媒体技术等
• 信息能力
  • 信息能力是指利用信息技术来解决领域实际问题或进行信息创造的能力。
• 信息道德

第32页：1.3 信息社会与知识社会

• 1.1 科学与科学研究
• 1.2 人类思维与逻辑学
• 1.3 信息社会与知识社会
• 1.4 计算科学与计算思维
• 1.5 思想的力量与启示

知识要点：计算科学，计算数学，计算思维，抽象，分解，简约，递归，算法，程序，仿真，计算机应用系统，网络，知识可视化，概念图，发散性思维，思维导图，知识地图，科学知识图谱。1.1科学与科学研究1.2人类思维与逻辑学1.3信息社会与知识社会1.4计算科学与计算思维1.5思想的力量与启示

第33页：1.4 计算科学与计算思维

• 计算
• 计算科学
• 计算思维

第34页：计算、计算数学与计算科学

• 数学的特点
  • 理论、抽象
• 数学的地位
  • 培养了我们的表达能力，培养了我们的判断能力和逻辑思维
  • 自然科学中的哲学
• 计算
  • 算数、加减法
  • 工程应用
    • 建筑工程设计、机械设计、天气预报到导弹发射的各项参数计算、卫星发射运行轨迹计算等，都包含着巨大的数值计算量
• 计算数学
  • 计算数学又叫数值计算方法或数值分析，主要内容包括代数方程、线性代数方程组、微分方程的数值解法，函数的数值逼近问题，矩阵特征值的求法，最优化计算问题，概率统计计算问题等等，还包括解的存在性、唯一性、收敛性和误差分析等理论问题。
• 计算科学
  • 在计算数学基础上，通过算法、算法分析及设计、计算机系统实现来完成对问题的求解，从而形成计算科学

第35页：人类思维形式

• 形象思维
  • 感受和体验，艺术思维
  • 方法
    • 模仿法
    • 想象法
    • 组合法
    • 移植法
• 逻辑思维
  • 在表象、概念的基础上进行分析、综合、判断、推理等认识活动的过程，又称“理论思维”、“抽象思维”或“闭上眼睛的思维”。
  • 逻辑思维是一种确定的，而不是模棱两可的，是一种有条理、有根据的思维。
  • 概念
  • 推理
    • 归纳推理
    • 演绎推理
• 灵感
  • 灵感是一种特殊的思维，它是在不知不觉中突然迅速发生的，又称顿悟，灵感与人的潜意识密切相关

第36页：计算思维的概念

• 人类的思维与工具有关
• 计算思维的概念
  • 美国卡内基·梅隆大学计算机科学系主任周以真（Jeannette M Wing）教授在美国计算机权威期刊《Communications of the ACM》杂志49卷第3期上发表了题为“Computational thinking andthinking about computing”的文章，提出了“计算思维”的概念
  • 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。计算思维最根本的内容，即其本质是抽象和自动化。
• 计算思维
  • 通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释成一个我们知道问题怎样解决的方法；
  • 是一种递归思维，是一种并行处理，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；
  • 是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统设计的方法，是基于关注分离的方法（SoC方法）；
  • 是一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关方面建模使其易于处理的思维方法；
  • 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；
  • 是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学习和调度的思维方法；
  • 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思维方法。

第37页：本书观点

• 在问题求解中，借助于计算机与否，人的思维是有差异的，这种借助于计算能力进行问题求解的思维和意识就是计算思维。
• 计算思维通常表现为人们在问题求解时对计算、算法、数据及其组织、程序、自动化等概念的潜意识的应用中。

第38页：计算思维中的主要方法

• 利用计算的手段求解问题
  • 问题定义及形式化
  • 建立问题的逻辑模型
  • 算法设计
  • 编程
  • 运行和维护
• 典型方法
  • 抽象
  • 分解
  • 约简
  • 递归
  • 算法
  • 程序
  • 仿真
  • 计算机应用系统
  • 网络
• 计算思维形成的标志
  • 思维是一种潜移默化，是一种下意识，不自觉地行为
  • 当我们在科学研究和求解问题时，会自觉或不自觉地问：这个问题可以用计算机求解吗？如何来求解？求解得代价有多大？等等，当你有这样的一种思维意识时，初步的计算思维就形成了。

第39页：知识可视化

• 人类80%以上的信息是通过视觉获得的，图形比文字具有更多的优势。
• 知识可视化，就是将知识以图解的方式表示出来

第40页：概念图

• 概念图（Concept Map）是一种能够形象表达命题网络中一系列概念含义及其关系的图式，是一种表达知识以及知识之间的关系的网络图形化表征，也是思维可视化的表征。
• 理论基础
  • 奥苏贝尔的有意义学习学习理论。
  • 有意义学习指符号所代表的新知识与学习者认知结构中已有的适当概念建立非人为的、实质性联系的过程。

第41页：概念图—举例

• 知识的构建是通过已有的概念对事物的观察和认识开始的。学习就是建立一个概念网络，不断地向网络增添新内容。
• 为了使学习有意义，学习者个体必须把新知识和学过的概念联系起来。
• 奥苏贝尔的先行组织者主张用一幅大的图画，首先呈现最笼统的概念，然后逐渐展现细节和具体的东西。

第42页：思维导图

• 思维导图（Mind Mapping）又叫心智图，是表达发射性思维的有效的图形思维工具。
• 放射性思考是人类大脑的自然思考方式，每一种进入大脑的资料，不论是感觉、记忆或是想法，包括文字、数字、符码、香气、食物、线条、颜色、意象、节奏、音符等，都可以成为一个思考中心，并由此中心向外发散出成千上万的关节点，每一个关节点代表与中心主题的一个连结，而每一个连结又可以成为另一个中心主题，再向外发散出成千上万的关节点，呈现出放射性立体结构，而这些关节的连结可以视为我们的记忆，也是我们的个人知识数据库。

第43页：思维导图—示例

• 发散思维是创造性的核心

本页主体为图片内容，文字版要点待对照原课件补充。

第44页：发散思维是创造性的核心上课时间到了

发散思维是创造性的核心上课时间到了：，小张还没到，原因是生病请假堵车懒惰做好人好事睡过头了

• 发散思维是创造性的核心上课时间到了，小张还没到，原因是生病请假堵车懒惰做好人好事睡过头了

第45页：知识地图

• 知识地图（Knowledge Map）是利用现代信息技术制作的一种知识导航系统，并显示不同的知识存储之间重要的动态联系。
• 知识地图可以分为以下几种形式
  • 面向概念的知识地图
  • 面向程序的知识地图
  • 面向能力的知识地图
  • 面向社会关系的知识地图

第46页：科学知识图谱

• 科学知识图谱也是一种有效的知识管理工具，以可视化的图形展示科学知识的发展进程和学科结构，通过图形绘制等方法，把复杂的知识领域显示出来，揭示知识之间的联系、研究热点和演进趋势，为科学工作者的未来研究提供指引
• 计算机学科简略科学知识图谱

第47页：科学知识图谱—举例

• 计算机学科简略科学知识图谱

本页主体为图片内容，文字版要点待对照原课件补充。

第48页：1.4 计算科学与计算思维

• 1.1 科学与科学研究
• 1.2 人类思维与逻辑学
• 1.3 信息社会与知识社会
• 1.4 计算科学与计算思维
• 1.5 思想的力量与启示

知识要点：图灵奖，诺贝尔奖，微积分，经典力学，原子论，电磁学，量子力学，相对论，理论创新，应用创新。1.1科学与科学研究1.2人类思维与逻辑学1.3信息社会与知识社会1.4计算科学与计算思维1.5思想的力量与启示

第49页：1.5 思想的力量与启示

• 阿兰·麦席森·图灵与图灵奖
• 自然科学领域的科学巨匠
• 应用创新让我们的生活更美好

第50页：阿兰·麦席森·图灵与图灵奖

• 阿兰·麦席森·图灵
• 图灵奖

本页主体为图片内容，文字版要点待对照原课件补充。

第51页：自然科学领域的科学巨匠

• 艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643年1月4日～1727年3月20日）
• 约翰·道尔顿（John Dalton，1766年9月6日-1844年7月26日）
• 迈克尔·法拉第（Michael Faraday，1791年9月22日～1867年8月25日）
• 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831年06月13日～1879年11月5日）
• 海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857年2月22日－1894年1月1日）
• 路易斯·巴斯德（L.Pasteur，1822-1895年9月25日）
• 阿尔弗雷德·伯纳德·诺贝尔（Alfred Bernhard Nobel, 1833.10.21－1896.12.10）
• 德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫（1834年2月7日～1907年2月2日）
• 马克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858年4月23日-1947年10月3日）
• 阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879年3月14日－1955年4月18日）
• 史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking，1942年1月8日～）

第52页：应用创新让我们的生活更美好

• 爱迪生（Thomas Alva Edison，1847年－1931年）
  • 留声机
  • 电灯
• 比尔·盖茨
• IBM
• 苹果公司
• 浏览器到
• 搜索引擎
• Wiki百科
• Facebook
• 从亚马逊商城
• 淘宝网在信息化高度发达的社会，正如美国麻省理工学院Gershenfeld教授所说的那样，科技创新不再是少数被称为科学家的人群的专利，每个人都是科技创新的主体。

第53页：本章小结

1.1 科学与科学研究科学，自然科学

，社会科学，理论科学，实验科学，科学理论，科学研究，科学方法

1.2 信息社会与知识社会信息社会，数据

，信息，信息化，信息技术，信息产业，信息社会的特征，能力素质，信息素养，信息意识，知识社会。

1.3 计算科学与计算思维计算科学

，计算数学，思维，形象思维，逻辑思维，计算思维，抽象，分解，简约，递归，算法，程序，仿真，计算机应用系统，网络

1.4 知识可视化与人类思维知识可视化

，概念图、思维导图、知识地图和科学知识图谱

1.5 思想的力量与启示重点—蓝色难点—

红色

第54页：问题思考

• 你如何理解人的思维？思维和工具的关系，计算机在思维中的作用
• 为什么说数学为代表的理论科学和以物理学为代表的实验科学是创造知识的主要源泉？举例
• 从科学巨匠的原始理论创新到普通的科技应用创新，你从中有什么启示？

第55页：本章结束

本章结束：Unit 1 Web基础谢谢大家

• Unit 1 Web基础谢谢大家