計算思維與大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)

注重培養(yǎng)計算思維

通過弱化計算機(jī)學(xué)科專業(yè)知識，強(qiáng)化和引導(dǎo)讀者思考怎樣利用“計算思維”解決問題。

真正實現(xiàn)知識落地

以簡單、容易上手的Python語言為基礎(chǔ)，闡述問題的求解過程，以演示和驗證為手段讓知識“落地”。

“大學(xué)計算機(jī)”是高等院校非計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的通識課程。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)學(xué)科涵蓋的知識內(nèi)容越來越多，知識更新速度很快。同時，計算機(jī)也普遍應(yīng)用到各行各業(yè)。作為大學(xué)生的第一門計算機(jī)課程內(nèi)容，隨著計算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展而不斷更新和演變。課程開設(shè)至今，大致經(jīng)歷了從了解和使用計算機(jī)發(fā)展到計算機(jī)文化與使用軟件再到目前以“計算思維”為導(dǎo)向組織和學(xué)習(xí)計算機(jī)的相關(guān)內(nèi)容幾個階段。

如何將“計算思維”理念植入到大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容中，一直是各大高校積極探討的主題。怎樣將紛繁復(fù)雜的計算機(jī)知識組織起來，培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力，正是本書編寫的目的。

鑒于計算機(jī)知識內(nèi)容本身的特點和學(xué)生入校時計算機(jī)學(xué)科的“零基礎(chǔ)”，要想面向?qū)W生開設(shè)一門稱為“怎么像計算機(jī)科學(xué)家一樣思考”的課，面向非專業(yè)的，而不僅僅是計算機(jī)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，這自然就給教材的編寫帶來挑戰(zhàn)：選取哪些內(nèi)容、內(nèi)容怎樣組織、怎樣才能讓內(nèi)容通俗易懂。

本書引導(dǎo)讀者通過探索計算機(jī)“計算”的本源，以大家熟悉的圓周率計算問題為引線，貫穿全書。通過通俗易懂的語言，而非抽象和專業(yè)的方式闡述內(nèi)容，循序漸進(jìn)、娓娓道來。本書以問題為引線，以求解的思維過程為內(nèi)容，以技術(shù)和原理為輔助，啟發(fā)和培養(yǎng)讀者的計算思維能力。通過弱化計算機(jī)學(xué)科專業(yè)知識，強(qiáng)化和引導(dǎo)讀者思考怎樣利用“計算思維”解決問題。以簡單、容易上手的Python 語言為基礎(chǔ)，闡述問題的求解過程，培養(yǎng)讀者閱讀簡單程序的能力，以演示和驗證為手段讓知識能夠“落地”。

周以真教授提出：計算思維是運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及人類行為理解等涵蓋計算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動。它是一種普遍的認(rèn)識和一類普適的技能，每一個人，不僅僅是計算機(jī)科學(xué)家，都應(yīng)熱心于它的學(xué)習(xí)和運(yùn)用。本教材正是為那些沒有任何計算機(jī)基礎(chǔ)而想盡快了解和掌握計算機(jī)知識的人而編寫，特別適合大中專院校初次接觸計算機(jī)的新生所用。

由于本書涵蓋的知識面廣而新，且把紛繁復(fù)雜的內(nèi)容用通俗方式描述，加之作者水平有限，書中難免存在不妥之處，敬請同行專家和讀者朋友批評指正。

前言
第1 章　計算與計算機(jī) .......................................... 1
1.1　π 的故事 ........................................................... 1
1.2　計算技術(shù)的演化 .............................................. 5
1.3　自動計算與電子計算機(jī) ................................ 11
1.3.1　數(shù)據(jù)的0/1 化與電路實現(xiàn) ..................... 11
1.3.2　基本邏輯運(yùn)算與基本的門電路 ............ 17
1.3.3　二進(jìn)制加法運(yùn)算與邏輯運(yùn)算的統(tǒng)一 .... 20
1.3.4　加法器的設(shè)計 ........................................ 23
1.3.5　“九九歸一”的加法運(yùn)算 .................... 25
1.3.6　分層構(gòu)造與集成的設(shè)計思想 ................ 26
1.4　計算機(jī)的構(gòu)造 ................................................ 29
1.5　閱讀材料—信息編碼與信息單位 ............ 33
本章總結(jié) ................................................................. 35
課后習(xí)題 ................................................................. 35
第2 章　計算、程序與常用計算方法 ................... 37
2.1　簡單計算與運(yùn)算組合式 ................................ 37
2.1.1　前綴表示法構(gòu)造運(yùn)算組合式 ................ 37
2.1.2　運(yùn)用運(yùn)算組合式構(gòu)造程序?qū)崿F(xiàn)簡單
　　　計算 ........................................................ 38
2.1.3　分段函數(shù)計算與帶條件的運(yùn)算
　　　組合式 .................................................... 39
2.1.4　應(yīng)用舉例 ................................................ 40
2.2　遞歸與迭代 .................................................... 41
2.2.1　使用迭代來構(gòu)造程序 ............................ 41
2.2.2　使用遞歸來構(gòu)造程序 ............................ 42
本章總結(jié) ................................................................. 43
課后習(xí)題 ................................................................. 44
第3 章　計算與計算機(jī)程序 ................................. 45
3.1　簡單計算與計算表達(dá)式 ................................ 45
3.1.1　常量與變量 ............................................ 46
3.1.2　數(shù)據(jù)的類型 ............................................ 47
3.1.3　運(yùn)算符與表達(dá)式 .................................... 49
3.2　復(fù)雜問題求解與程序設(shè)計 ............................ 52
3.2.1　程序控制結(jié)構(gòu) ........................................ 55
3.2.2　面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的基本思想 ............ 60
3.2.3　使用第三方庫 ........................................ 64
本章總結(jié) ................................................................. 66
課后習(xí)題 ................................................................. 67
第4 章　計算問題求解的思想和方法 ................... 69
4.1　計算問題求解范例 ........................................ 69
4.1.1　數(shù)據(jù)查詢范例 ........................................ 69
4.1.2　基本優(yōu)化 ................................................ 70
4.2　算法的定義 .................................................... 72
4.3　問題求解的過程 ............................................ 72
4.4　算法復(fù)雜度 .................................................... 72
4.4.1　算法的時間復(fù)雜度 ................................ 73
4.4.2　算法時間復(fù)雜度的計算 ........................ 73
4.4.3　算法的空間復(fù)雜度 ................................ 74
4.5　二分查找 ........................................................ 74
4.6　詞頻統(tǒng)計 ........................................................ 76
4.6.1　數(shù)字統(tǒng)計 ................................................ 76
4.6.2　中文分詞 ................................................ 77
4.7　近似計算 ........................................................ 79
4.8　閱讀材料—二分查找與詞頻統(tǒng)計的
　　 Python 實現(xiàn) .................................................... 81
本章總結(jié) ................................................................. 82
課后習(xí)題 ................................................................. 82
第5 章　了解與使用網(wǎng)絡(luò) ..................................... 83
5.1　因特網(wǎng)概述 .................................................... 83
5.1.1　因特網(wǎng)的產(chǎn)生 ........................................ 83
5.1.2　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信過程 ........................ 83
5.1.3　網(wǎng)絡(luò)的分層思想 .................................... 85
5.1.4　因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸 ................................ 87
5.1.5　IP 地址.................................................... 90
5.1.6　TCP 協(xié)議 ................................................ 94
5.1.7　域名解析系統(tǒng) ........................................ 99
5.2　網(wǎng)絡(luò)連接 ...................................................... 103
5.2.1　網(wǎng)絡(luò)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) .......................... 103
5.2.2　網(wǎng)絡(luò)連接使用的傳輸介質(zhì) .................. 104
5.2.3　網(wǎng)絡(luò)連接常用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備 .................. 109
5.3　因特網(wǎng)接入 .................................................. 112
5.3.1　利用電話網(wǎng)接入 .................................. 112
5.3.2　利用有線電視網(wǎng)接入 .......................... 113
5.3.3　利用光纖接入 ...................................... 114
本章總結(jié) ............................................................... 116
課后習(xí)題 ............................................................... 116
第6 章　數(shù)據(jù)組織與管理基礎(chǔ) ............................ 118
6.1　數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ) .................................................. 119
6.2　數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織 .................................. 120
6.3　關(guān)系數(shù)據(jù)庫中操作數(shù)據(jù) .............................. 121
6.4　數(shù)據(jù)庫語言SQL .......................................... 128
6.5　閱讀材料—常見數(shù)據(jù)組織格式 .............. 138
本章總結(jié) ............................................................... 139
課后習(xí)題 ............................................................... 140
第7 章　初識并行計算與分布式計算 ................. 141
7.1　并行計算 ...................................................... 141
7.1.1　并行計算的引例 .................................. 141
7.1.2　什么是并行計算 .................................. 143
7.1.3　為什么需要并行計算 .......................... 143
7.1.4　并行計算技術(shù)的分類 .......................... 145
7.2　分布式計算 .................................................. 149
7.2.1　分布式計算引例 .................................. 149
7.2.2　什么是分布式計算 .............................. 152
7.2.3　為什么需要分布式計算 ...................... 152
7.3　初識分布式計算框架MapReduce .............. 152
7.3.1　什么是MapReduce .............................. 152
7.3.2　MapReduce 能做什么 .......................... 153
7.3.3　基于MapReduce 的處理過程示例 ..... 154
7.3.4　MapReduce 編程模型的執(zhí)行步驟 ...... 155
本章總結(jié) ............................................................... 158
課后習(xí)題 ............................................................... 158
第8 章　初識云計算與云計算平臺 .................... 159
8.1　什么是云計算 .............................................. 159
8.2　云計算的獨(dú)有優(yōu)勢 ...................................... 161
8.3　云計算的服務(wù)類型 ...................................... 162
8.4　幾種重要的云計算平臺 .............................. 164
8.5　云計算的應(yīng)用與未來 .................................. 167
8.6　閱讀材料—大數(shù)據(jù)的崛起 ...................... 169
本章總結(jié) ............................................................... 171
課后習(xí)題 ............................................................... 171
第9 章　初識人工智能 ...................................... 172
9.1　什么是人工智能 .......................................... 173
9.2　推理和搜索 .................................................. 174
9.3　知識與專家系統(tǒng) .......................................... 175
9.4　機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí) .................................. 180
9.5　閱讀材料—人工智能是否會超越人類
　　 智能并最終取代人類 .................................. 183
本章總結(jié) ............................................................... 187
課后習(xí)題 ............................................................... 188
參考文獻(xiàn) ............................................................ 189

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4. 信息技術(shù)（微課版） [王云　徐江鴻　李清霞　羅學(xué)鋒　]
5. 大學(xué)信息技術(shù)實訓(xùn)教程 [主編 任云暉 丁紅 趙琳琳]
6. 大學(xué)信息技術(shù)教程 [主編 任云暉 馮政軍 魏斌]
7. 信息技術(shù)基礎(chǔ)立體化教程 [鄒承俊 周洪林 劉和文 葉煜 ]
8. 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)與計算思維 [主編 閔笛 汪瑩]
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10. 大學(xué)計算機(jī)信息素養(yǎng)（第二版） [主編 盧山]
11. 全國計算機(jī)等級考試一級（MS Office）指導(dǎo)手冊 [主編 王宏斌 孫元 禹晨]
12. 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)實驗指導(dǎo)及習(xí)題解析 [主編 閔笛 李明]
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18. 計算機(jī)信息素養(yǎng)基礎(chǔ) [主編 陳艷 秦凱 黃海玉]
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20. 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)上機(jī)實踐教程（第六版） [主編 何振林 羅奕]
21. 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程實驗指導(dǎo)與測試題集 [主編 饒拱維 吳華光 巫滿秀]
22. 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)（等級考試版） [主編 鐘誠]
23. 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)教程（第二版） [主編 安志遠(yuǎn) 崔巖]
24. 計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)實訓(xùn)教程（第三版） [主 編 王向慧 康秀蘭]
25. 計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)（第三版） [主 編 王向慧 康秀蘭]
26. 計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ) [主編　趙艷莉]
27. 大學(xué)計算機(jī)基礎(chǔ)案例教程（第二版） [主 編 葉潮流 金 瑩]
28. 大學(xué)信息技術(shù) [主編　連衛(wèi)民　張志明　陳炎龍]
29. 新編計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)教程 [主編　戴毅　吳瑞芝　賈姍姍]
30. 計算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ) [主編 譚慧 楊志茹]