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计算机科学导论

中国水利水电出版社
    【作 者】李云峰 李婷 编著 【I S B N 】978-7-5170-2457-6 【责任编辑】李炎 【适用读者群】本专通用 【出版时间】2014-09-01 【开 本】16开 【装帧信息】平装(光膜) 【版 次】第1版第1次印刷 【页 数】380 【千字数】628 【印 张】23.75 【定 价】45 【丛 书】21世纪高等学校精品规划教材 【备注信息】
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    本书根据IEEE-CS&ACM计算学科教程(CC2005)和中国计算机教程(CCC2002)知识体系结构,全面系统地介绍了计算机科学的基本概念和基础知识。本书共分12章,采用进阶式模块结构:基本概念(从原始的计算工具到现代计算机,认识计算学科)→基本方法(计算机硬件系统的结构组成,计算机软件及其形成,计算机程序设计,软件工程)→基本技术(数据库技术,多媒体与虚拟现实技术,计算机网络与信息安全技术)→高级专题(离散结构,人工智能,计算机专业人才培养)。

    本书的特点是内容新颖、重点突出、逻辑性强,注重知识的系统性、科学性和实用性,符合当今计算机科学技术的发展趋势,与目前高校的教育改革相呼应,从更高层次讲述计算机科学技术的基础知识。同时,注意与后续课程的分工与衔接,并按照教与学的规律,精心设计每一章的内容,注重对学生探究能力和实践能力的培养,将计算机科学与技术的众多经典成果与最新进展相融合,为进一步深入学习后续课程打下良好基础,对学生学习本专业具有“导航”作用。

    本书可作为高等院校电子信息类和电气信息类“计算机科学导论”课程教材,也可作为成人教育、自学考试和从事计算机应用的工程技术人员的参考书。

    •抓住本质,正确认识课程性质——强化“导论”属性,俯视计算学科全貌,突出“承前启后”。

    •把握重点,全面了解课程作用——了解计算学科的发展史及其发展趋势,深刻认识计算机科学导论课程在课程体系中的作用地位。

    •注重引导,合理设计知识结构——教学重点在于让学生了解整个学科的概貌,明确相关知识将来在哪些课程中可以学到,自觉搭建整个知识体系。

    •培养创新,激发科学探索欲望——使学生对计算学科的各个主题充满兴趣,同时又产生太多的不理解和疑问,非常渴望探索其中的科学道理。

    •强化实践,重视全程能力培养——既要重视理论学习能力的培养,也要重视实际动手能力的培养,更要重视自学能力的培养。

    “计算机科学导论”是计算机科学与技术、软件工程、网络工程等专业学生的一门必修课程,是电子(电气)信息类学生了解计算机科学的内容、方法及其发展的引导性课程。

    在计算机教育史上,有关整个学科综述性导引课程的构建问题是一个长期引起激烈争论的主题。IEEE-CS&ACM计算学科教程(Computing Curricula 2001,CC2001)报告指出,整个学科综述性导引课程的构建有助于推动学科的发展,并鼓励各学术团体以及教师个人从事这方面的研究,以适应计算机科学技术飞速发展的需要。因此,自CC2001发布以来,国内外的许多高校都非常重视计算机及其相关专业的“导引”课程,绝大部分高校都开设了“计算机科学导论”一类的课程。然而,作为计算学科的引导性课程,它应该达到什么目的,起什么作用,如何定位,等等,这既是我们必须认真探索的问题,也是我们必须首先明确的问题。为此,自2003年以来,我们一直在对该“导引”课程进行探索,并在探索中不断提高认识。

    首先,“计算机科学导论”不同于“计算机应用基础”。虽然都是计算机的入门课程,但是,“计算机应用基础”课程所要解决的是对计算机功能的工具性认识,而“计算机科学导论”是作为计算学科全部教学内容的导引课程,课程构建的实质是寻求一种统一的思想来认知计算学科,并对计算学科进行系统化和科学化的描述,注重学科发展的动态性和知识传授的有效性。该课程应站在学科的高度,告诉学生计算学科的基本内涵;让学生知道该学什么,应该怎么学;使学生对本学科产生浓厚的学习兴趣和强烈的探索意识。因此,“计算机科学导论”课程在这里不仅要全面系统介绍计算学科知识,而且还要承担起一种“承前启后”的作用。所谓“承前”,一是让学生了解计算学科的发展过程以及计算机科学的先驱者们所做的贡献,二是了解计算机的本质问题;所谓“启后”,一是介绍本学科的现状及其发展趋势,二是让本专业的学生了解应该掌握哪些知识,应该具备什么样的知识结构和能力。

    其次,“计算机科学导论”课程的特点是内容丰富,知识面宽,涉及计算机专业一级学科的所有主题,有相当的广度和一定的深度。而作为第一个学期、第一门专业基础核心课程,学生几乎没有任何计算学科的知识背景。因此,应力求做到三个结合:学科知识体系与课程知识结构相结合;基本理论知识与基本应用技术相结合;知识介绍与学习引导相结合。

    随着对该课程教学研究和课程改革探索的深入,我们不断更新课程建设理念,不断调整课程知识结构,不断寻求新的突破,多次更版,形成本书特色,力求使课程实现以下5个目标。

    (1)抓住本质,正确认识课程性质:作为计算机科学导论,它应该是计算学科的窗口,强化“导论”属性,俯视计算学科全貌,突出“承前启后”。为此,在“课程导学”中概述了本课程的性质、特点和任务;在第2章“认识计算学科”中从理论模型的层次上描述了计算及计算机的本质问题,以便了解本学科的知识体系及其相互之间的关系,引导学生掌握正确的学习方法;在第10章“离散结构”中描述了数理逻辑、集合论、代数结构、图论在计算机科学中的应用,使学生认识到基础理论知识在计算学科中的作用地位。

    (2)把握重点,全面了解课程作用:通过本课程学习,应使学生了解本学科的发展史及其发展趋势,能从中获得必要的启示;深刻认识“计算机科学导论”课程在课程体系中的作用地位,以及学好该门课程的重要意义。为此,在第2章粗线条地系统介绍了计算学科的主要特点、知识领域、研究范畴、知识结构、专业设置、课程体系等。通过本章的学习,使学生对本学科有一个清晰的认识和明确的学习方向,让学生在往后的学习过程中不会感到困惑和茫然。

    (3)注重引导,合理设计知识结构:本课程强调对基本概念、基本方法、基本技术的了解。该课程的教学重点不在于让学生学到哪些具体知识,而是了解整个学科的概貌,明确相关知识将来在哪些课程中可以学到,自觉搭建整个知识体系,并且避免“只见树木,不见森林”。事实上,有些知识要到研究生阶段才会接触到,这里只要求学生了解本学科的基本概念、作用、地位、影响、历史、现状和前景等知识,而不要求学生全面掌握具体的理论、方法、原理和技术。

    为了使学生能够快速认识计算学科和掌握计算机科学技术知识,本书采用进阶式结构:基本概念(从原始的计算工具到现代计算机、认识计算学科)→基本方法(计算机硬件系统的结构组成、计算机软件及其形成、计算机程序设计、软件工程)→基本技术(数据库技术、多媒体与虚拟现实技术、计算机网络与信息安全技术)→高级专题(离散结构、人工智能、计算机专业人才培养)。由第1章引出计算机的基本概念,由第2章来认识计算学科,然后围绕计算学科的根本问题展开讨论,直到计算机人才培养。这样,既有系统性,又有逻辑性,循序渐进。

    作为计算机专业的第一门课程,为了便于理解,在“课程导学”中以求解一元二次方程为例,让学生从这个简单的案例中“轻松、自然”地掌握计算机硬件系统、软件系统、程序设计、软件工程的基本概念,然后过渡到数据库技术、多媒体技术、网络技术。最后以高级专题形式,介绍离散结构、人工智能以及计算机专业人才的培养。这样,可使学生全面了解各课程之间的相互依赖关系,以便在学习过程中,把握现在,着眼未来,近远兼顾。

    (4)培养创新,激发科学探索欲望:该课程的教学效果应该使学生对计算学科的各个主题充满兴趣和好奇,同时又产生太多的不理解和疑问,非常渴望探索其中的科学道理。让学生对本学科产生强烈的兴趣和求知欲望,是学好本专业的源动力。为此,在第1章通过介绍从原始的计算工具到现代计算机的形成,揭开计算机的神秘面纱,以此克服学生对计算机的神秘感和畏惧心理;在第2章给出了计算学科中的4类典型问题,在第11章给出了人工智能的应用,以此激发、引导学生的创新和探索意识,为后续课程的学习打下伏笔。

    (5)强化实践,重视全程能力培养:对计算学科的学生而言,既要重视理论学习能力的培养,也要重视实际动手能力的培养,更要重视自学能力的培养。为此,我们编写了配套的《计算机科学导论学习辅导》,与本书共同构成一个完整的知识、技能体系,形成一个融“教、学、做”为一体的自然学习环境。学习辅导的内容包括学习引导、习题解析、技能实训和知识拓展。通过学习引导,了解与该章教学内容相关联的知识;通过习题解析,加深对基本概念的理解;通过技能实训,提高基本操作技能;通过知识拓展,将学科发展史与人文知识和人文精神有机结合。

    本书由李云峰教授和李婷博士(副教授)编写。丁红梅、曹守富、刘屹、周国栋、范荣、彭欢燕、刘庆、刘冠群、姚波、刘艳、陆燕等老师参加了课程教学资源建设。在编写过程中,参阅了大量近年来出版的国内外同类优秀教材,并从中吸取了许多宝贵的营养,在此谨向这些著作者表示衷心感谢!由于计算机科学技术发展迅速,作者水平有限,加之时间仓促,书中不妥或疏漏之处在所难免,敬请专家和广大读者批评指正!

    前言

    课程导学 1
    第一层次 基本概念
    第1章 从原始的计算工具到现代计算机 7
    §1.1 人类计算工具的进步 7
    1.1.1 手工时代 8
    1.1.2 机械时代 9
    1.1.3 机电时代 11
    1.1.4 ENIAC的诞生 12
    §1.2 现代计算机体系的形成 13
    1.2.1 布尔及其布尔代数 14
    1.2.2 香农等人对布尔代数的研究 14
    1.2.3 维纳提出计算机设计的原则 15
    1.2.4 图灵及其TM和TT 15
    1.2.5 冯•诺依曼及其EDVAC 17
    §1.3 现代计算机的基本概况 20
    1.3.1 计算机的发展过程 20
    1.3.2 计算机的基本类型 22
    1.3.3 计算机的主要特点 23
    1.3.4 计算机的主要应用 24
    1.3.5 计算机的发展趋势 27
    §1.4 计算机与信息化 28
    1.4.1 信息的相关概念 28
    1.4.2 信息技术 30
    1.4.3 信息社会 32
    1.4.4 信息产业 33
    本章小结 34
    习题一 34
    第2章 认识计算学科 37
    §2.1 计算学科的基本概念 37
    2.1.1 计算作为一门学科 37
    2.1.2 计算学科的根本问题 39
    2.1.3 计算学科的主要特点 40
    2.1.4 计算学科的三个形态 41
    §2.2 计算学科的知识体系 43
    2.2.1 计算学科的知识领域 43
    2.2.2 计算学科的研究范畴 44
    2.2.3 计算学科的知识结构 46
    2.2.4 计算学科与其它学科的关系 47
    §2.3 中国计算机科学与技术学科 48
    2.3.1 CCC2002与专业规范 48
    2.3.2 计算机科学与技术学科的专业设置 49
    2.3.3 计算机科学与技术学科的知识体系 51
    §2.4 计算学科的经典问题 55
    2.4.1 图论问题 55
    2.4.2 算法复杂性问题 59
    2.4.3 计算机智能问题 61
    2.4.4 并发控制问题 63
    本章小结 65
    习题二 65
    第二层次 基本方法
    第3章 计算机硬件系统的结构组成 67
    §3.1 数制及其转换 67
    3.1.1 进位计数制 67
    3.1.2 数制之间的转换 69
    §3.2 数据的运算与编码表示 72
    3.2.1 二进制数的算术运算 72
    3.2.2 二进制数的逻辑运算 74
    3.2.3 数值数据的编码表示 76
    3.2.4 字符数据的编码表示 82
    3.2.5 字符与汉字的处理过程 87
    §3.3 计算机组成原理 88
    3.3.1 基本结构组成 88
    3.3.2 计算机主机 89
    3.3.3 基本工作原理 91
    3.3.4 计算机的性能指标 92
    §3.4 计算机外部设备 94
    3.4.1 外存储器 94
    3.4.2 输入设备 96
    3.4.3 输出设备 97
    3.4.4 系统总线与接口电路 98
    §3.5 对未来新一代计算机的展望 100
    3.5.1 超越冯•诺依曼结构的计算机 100
    3.5.2 非电子器件的计算机 101
    本章小结 102
    习题三 103
    第4章 计算机软件及其形成 105
    §4.1 软件的基本概念 105
    4.1.1 什么是软件 105
    4.1.2 软件的功能特点 105
    4.1.3 软件的分类 106
    4.1.4 软件与硬件的关系 108
    §4.2 操作系统的基本概念 109
    4.2.1 操作系统的作用地位 109
    4.2.2 操作系统的功能 111
    4.2.3 操作系统的特征 116
    4.2.4 操作系统的类型 117
    §4.3 计算机主流操作系统 120
    4.3.1 Windows操作系统 120
    4.3.2 UNIX操作系统 121
    4.3.3 Linux操作系统 122
    4.3.4 手机常见操作系统 123
    §4.4 计算机软件的形成 124
    4.4.1 翻译方式 124
    4.4.2 编译原理 125
    4.4.3 编译技术的新发展 127
    本章小结 128
    习题四 128
    第5章 计算机程序设计 130
    §5.1 程序设计概念 130
    5.1.1 什么是程序设计 130
    5.1.2 程序设计步骤 131
    §5.2 程序设计语言 132
    5.2.1 面向过程程序设计语言 132
    5.2.2 面向对象程序设计语言 134
    §5.3 程序设计语言的成分 135
    5.3.1 程序的基本构成 136
    5.3.2 程序的基本要素 137
    5.3.3 程序的数据类型 138
    5.3.4 程序的基本运算 138
    5.3.5 程序的语句类型 139
    §5.4 程序设计方法 140
    5.4.1 面向过程程序设计 140
    5.4.2 面向对象程序设计 141
    5.4.3 可视化程序设计 142
    5.4.4 程序设计方法的发展 142
    §5.5 算法设计 143
    5.5.1 算法的基本概念 143
    5.5.2 算法的设计要求 145
    5.5.3 算法的描述方法 146
    5.5.4 常用算法简介 150
    5.5.5 算法的复杂度 152
    §5.6 数据结构 154
    5.6.1 数据结构的基本概念 154
    5.6.2 线性表结构 155
    5.6.3 栈结构 157
    5.6.4 队列结构 159
    5.6.5 树结构 161
    5.6.6 图结构 163
    本章小结 166
    习题五 166
    第6章 软件工程 169
    §6.1 软件工程概述 169
    6.1.1 软件危机 169
    6.1.2 软件工程概念 170
    6.1.3 软件工程目标 171
    6.1.4 软件工程原则 172
    §6.2 软件过程 173
    6.2.1 软件生存周期 174
    6.2.2 软件开发模型 174
    6.2.3 软件开发方法 178
    §6.3 软件工程实施 180
    6.3.1 系统分析 180
    6.3.2 需求分析 181
    6.3.3 系统设计 182
    6.3.4 软件编码 183
    6.3.5 软件测试 184
    6.3.6 软件维护 185
    §6.4 软件质量评价 186
    6.4.1 软件质量概念 186
    6.4.2 软件质量保证策略 186
    6.4.3 软件的可靠性 187
    本章小结 187
    习题六 188
    第三层次 基本技术
    第7章 数据库技术 190
    §7.1 数据库技术概述 190
    7.1.1 数据与信息 190
    7.1.2 数据库 192
    7.1.3 数据库管理系统 194
    7.1.4 数据库系统 195
    §7.2 数据模型 201
    7.2.1 数据模型概念 201
    7.2.2 概念模型 202
    7.2.3 关系数据模型 203
    7.2.4 面向对象数据模型 205
    §7.3 数据库应用系统设计 206
    7.3.1 数据库应用系统设计要求 206
    7.3.2 数据库应用系统设计过程 207
    7.3.3 数据库应用系统设计实例 209
    §7.4 数据库技术的研究与发展 212
    7.4.1 数据库技术的研究 212
    7.4.2 数据库技术的发展 213
    本章小结 216
    习题七 217
    第8章 多媒体与虚拟现实技术 219
    §8.1 多媒体概念 219
    8.1.1 媒体与多媒体 219
    8.1.2 多媒体的技术特征 221
    8.1.3 多媒体的数据特点 221
    §8.2 多媒体计算机 222
    8.2.1 多媒体计算机硬件系统 223
    8.2.2 多媒体计算机软件系统 225
    §8.3 多媒体信息处理技术 227
    8.3.1 音频信息处理 227
    8.3.2 图形、图像信息处理 230
    8.3.3 活动图像信息处理 235
    8.3.4 多媒体数据压缩技术 238
    8.3.5 其它处理技术 241
    §8.4 多媒体技术的应用与发展 243
    8.4.1 多媒体技术的应用 243
    8.4.2 多媒体技术的发展 245
    §8.5 虚拟现实技术 245
    8.5.1 虚拟现实技术的基本概念 245
    8.5.2 虚拟现实中的关键技术 247
    8.5.3 虚拟现实技术的应用 248
    本章小结 249
    习题八 250
    第9章 计算机网络与信息安全技术 252
    §9.1 计算机网络概述 252
    9.1.1 网络的发展过程 252
    9.1.2 网络的基本功能 253
    9.1.3 网络的基本类型 254
    9.1.4 网络的基本应用 255
    §9.2 网络的结构组成 257
    9.2.1 网络硬件的组成 257
    9.2.2 网络软件的组成 258
    9.2.3 网络的拓扑结构 259
    9.2.4 网络的逻辑结构 261
    9.2.5 网络的体系结构 262
    §9.3 计算机局域网 263
    9.3.1 局域网的基本概念 263
    9.3.2 局域网的计算模式 265
    9.3.3 局域网的基本类型 266
    §9.4 计算机因特网 267
    9.4.1 Internet的基本概念 267
    9.4.2 Internet的IP地址 268
    9.4.3 Internet的域名系统 270
    9.4.4 Internet提供的服务 271
    9.4.5 移动互联网的应用 273
    §9.5 计算机信息安全技术 274
    9.5.1 防病毒技术 274
    9.5.2 防黑客技术 277
    9.5.3 防火墙技术 278
    9.5.4 计算机密码技术 280
    9.5.5 数字认证技术 283
    本章小结 285
    习题九 286
    第四层次 高级专题
    *第10章 离散结构 288
    §10.1 数理逻辑 288
    10.1.1 命题逻辑 289
    10.1.2 谓词逻辑 293
    10.1.3 数理逻辑在计算机科学中的应用 296
    §10.2 集合论 296
    10.2.1 集合的基本概念 297
    10.2.2 关系和函数 298
    10.2.3 集合论在计算机科学中的应用 301
    §10.3 代数结构 301
    10.3.1 代数结构的基本概念 302
    10.3.2 格与布尔代数 303
    10.3.3 代数结构在计算机科学中的应用 304
    §10.4 图论 304
    10.4.1 图论的基本概念 304
    10.4.2 路径、回路与连通图 306
    10.4.3 欧拉图和哈密尔顿图 307
    10.4.4 图的矩阵表示 308
    10.4.5 图论在计算机科学中的应用 309
    本章小结 310
    习题十 310
    *第11章 人工智能 312
    §11.1 人工智能概述 312
    11.1.1 什么是人工智能 312
    11.1.2 人工智能的形成与发展 313
    11.1.3 人工智能学派 316
    11.1.4 研究人工智能的意义 317
    §11.2 智能感知 318
    11.2.1 模式识别 319
    11.2.2 自然语言理解 319
    11.2.3 计算机视觉 321
    §11.3 智能推理 322
    11.3.1 知识表示 322
    11.3.2 知识推理 324
    11.3.3 智能搜索 325
    11.3.4 问题求解 326
    11.3.5 专家系统 329
    §11.4 智能学习 330
    11.4.1 记忆与联想 330
    11.4.2 机器学习 330
    11.4.3 人工神经网络 333
    11.4.4 智能计算 335
    §11.5 智能行为 336
    11.5.1 智能检索与调度 336
    11.5.2 智能控制 336
    11.5.3 机器人学 337
    11.5.4 机器博弈 339
    本章小结 340
    习题十一 340
    第12章 计算机专业人才培养 342
    §12.1 计算机专业人才能力培养 342
    12.1.1 理论学习能力的培养 342
    12.1.2 数学思维能力的培养 344
    12.1.3 程序设计能力的培养 345
    12.1.4 实践动手能力的培养 345
    12.1.5 专业英语能力的培养 347
    12.1.6 自我提高能力的培养 348
    §12.2 对计算机专业人才的要求 350
    12.2.1 基本素质要求 350
    12.2.2 职业习惯要求 352
    12.2.3 业务能力要求 352
    12.2.4 事业责任要求 354
    12.2.5 法律法规要求 355
    §12.3 计算机专业人才需求与认证 356
    12.3.1 计算机软件类 356
    12.3.2 计算机硬件类 357
    12.3.3 计算机网络类 358
    12.3.4 信息系统类 360
    12.3.5 应用系统开发类 361
    12.3.6 计算机专业职业资格认证 362
    §12.4 职业生涯规划 363
    12.4.1 职业生涯规划的内涵 363
    12.4.2 职业生涯规划的意义 364
    12.4.3 职业生涯规划的方法 365
    12.4.4 职业生涯规划的步骤 366
    本章小结 368
    习题十二 369
    参考文献 371

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