计算思维与大学计算机基础

注重培养计算思维

通过弱化计算机学科专业知识，强化和引导读者思考怎样利用“计算思维”解决问题。

真正实现知识落地

以简单、容易上手的Python语言为基础，阐述问题的求解过程，以演示和验证为手段让知识“落地”。

“大学计算机”是高等院校非计算机专业学生的通识课程。随着计算机技术的飞速发展，计算机学科涵盖的知识内容越来越多，知识更新速度很快。同时，计算机也普遍应用到各行各业。作为大学生的第一门计算机课程内容，随着计算机技术与应用的发展而不断更新和演变。课程开设至今，大致经历了从了解和使用计算机发展到计算机文化与使用软件再到目前以“计算思维”为导向组织和学习计算机的相关内容几个阶段。

如何将“计算思维”理念植入到大学计算机基础的教学内容中，一直是各大高校积极探讨的主题。怎样将纷繁复杂的计算机知识组织起来，培养学生计算思维能力，正是本书编写的目的。

鉴于计算机知识内容本身的特点和学生入校时计算机学科的“零基础”，要想面向学生开设一门称为“怎么像计算机科学家一样思考”的课，面向非专业的，而不仅仅是计算机相关专业的学生，这自然就给教材的编写带来挑战：选取哪些内容、内容怎样组织、怎样才能让内容通俗易懂。

本书引导读者通过探索计算机“计算”的本源，以大家熟悉的圆周率计算问题为引线，贯穿全书。通过通俗易懂的语言，而非抽象和专业的方式阐述内容，循序渐进、娓娓道来。本书以问题为引线，以求解的思维过程为内容，以技术和原理为辅助，启发和培养读者的计算思维能力。通过弱化计算机学科专业知识，强化和引导读者思考怎样利用“计算思维”解决问题。以简单、容易上手的Python 语言为基础，阐述问题的求解过程，培养读者阅读简单程序的能力，以演示和验证为手段让知识能够“落地”。

周以真教授提出：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。它是一种普遍的认识和一类普适的技能，每一个人，不仅仅是计算机科学家，都应热心于它的学习和运用。本教材正是为那些没有任何计算机基础而想尽快了解和掌握计算机知识的人而编写，特别适合大中专院校初次接触计算机的新生所用。

由于本书涵盖的知识面广而新，且把纷繁复杂的内容用通俗方式描述，加之作者水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请同行专家和读者朋友批评指正。

前言
第1 章　计算与计算机 .......................................... 1
1.1　π 的故事 ........................................................... 1
1.2　计算技术的演化 .............................................. 5
1.3　自动计算与电子计算机 ................................ 11
1.3.1　数据的0/1 化与电路实现 ..................... 11
1.3.2　基本逻辑运算与基本的门电路 ............ 17
1.3.3　二进制加法运算与逻辑运算的统一 .... 20
1.3.4　加法器的设计 ........................................ 23
1.3.5　“九九归一”的加法运算 .................... 25
1.3.6　分层构造与集成的设计思想 ................ 26
1.4　计算机的构造 ................................................ 29
1.5　阅读材料—信息编码与信息单位 ............ 33
本章总结 ................................................................. 35
课后习题 ................................................................. 35
第2 章　计算、程序与常用计算方法 ................... 37
2.1　简单计算与运算组合式 ................................ 37
2.1.1　前缀表示法构造运算组合式 ................ 37
2.1.2　运用运算组合式构造程序实现简单
　　　计算 ........................................................ 38
2.1.3　分段函数计算与带条件的运算
　　　组合式 .................................................... 39
2.1.4　应用举例 ................................................ 40
2.2　递归与迭代 .................................................... 41
2.2.1　使用迭代来构造程序 ............................ 41
2.2.2　使用递归来构造程序 ............................ 42
本章总结 ................................................................. 43
课后习题 ................................................................. 44
第3 章　计算与计算机程序 ................................. 45
3.1　简单计算与计算表达式 ................................ 45
3.1.1　常量与变量 ............................................ 46
3.1.2　数据的类型 ............................................ 47
3.1.3　运算符与表达式 .................................... 49
3.2　复杂问题求解与程序设计 ............................ 52
3.2.1　程序控制结构 ........................................ 55
3.2.2　面向对象程序设计的基本思想 ............ 60
3.2.3　使用第三方库 ........................................ 64
本章总结 ................................................................. 66
课后习题 ................................................................. 67
第4 章　计算问题求解的思想和方法 ................... 69
4.1　计算问题求解范例 ........................................ 69
4.1.1　数据查询范例 ........................................ 69
4.1.2　基本优化 ................................................ 70
4.2　算法的定义 .................................................... 72
4.3　问题求解的过程 ............................................ 72
4.4　算法复杂度 .................................................... 72
4.4.1　算法的时间复杂度 ................................ 73
4.4.2　算法时间复杂度的计算 ........................ 73
4.4.3　算法的空间复杂度 ................................ 74
4.5　二分查找 ........................................................ 74
4.6　词频统计 ........................................................ 76
4.6.1　数字统计 ................................................ 76
4.6.2　中文分词 ................................................ 77
4.7　近似计算 ........................................................ 79
4.8　阅读材料—二分查找与词频统计的
　　 Python 实现 .................................................... 81
本章总结 ................................................................. 82
课后习题 ................................................................. 82
第5 章　了解与使用网络 ..................................... 83
5.1　因特网概述 .................................................... 83
5.1.1　因特网的产生 ........................................ 83
5.1.2　计算机网络的通信过程 ........................ 83
5.1.3　网络的分层思想 .................................... 85
5.1.4　因特网的数据传输 ................................ 87
5.1.5　IP 地址.................................................... 90
5.1.6　TCP 协议 ................................................ 94
5.1.7　域名解析系统 ........................................ 99
5.2　网络连接 ...................................................... 103
5.2.1　网络连接的拓扑结构 .......................... 103
5.2.2　网络连接使用的传输介质 .................. 104
5.2.3　网络连接常用的网络设备 .................. 109
5.3　因特网接入 .................................................. 112
5.3.1　利用电话网接入 .................................. 112
5.3.2　利用有线电视网接入 .......................... 113
5.3.3　利用光纤接入 ...................................... 114
本章总结 ............................................................... 116
课后习题 ............................................................... 116
第6 章　数据组织与管理基础 ............................ 118
6.1　数据库基础 .................................................. 119
6.2　数据库中的数据组织 .................................. 120
6.3　关系数据库中操作数据 .............................. 121
6.4　数据库语言SQL .......................................... 128
6.5　阅读材料—常见数据组织格式 .............. 138
本章总结 ............................................................... 139
课后习题 ............................................................... 140
第7 章　初识并行计算与分布式计算 ................. 141
7.1　并行计算 ...................................................... 141
7.1.1　并行计算的引例 .................................. 141
7.1.2　什么是并行计算 .................................. 143
7.1.3　为什么需要并行计算 .......................... 143
7.1.4　并行计算技术的分类 .......................... 145
7.2　分布式计算 .................................................. 149
7.2.1　分布式计算引例 .................................. 149
7.2.2　什么是分布式计算 .............................. 152
7.2.3　为什么需要分布式计算 ...................... 152
7.3　初识分布式计算框架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 的处理过程示例 ..... 154
7.3.4　MapReduce 编程模型的执行步骤 ...... 155
本章总结 ............................................................... 158
课后习题 ............................................................... 158
第8 章　初识云计算与云计算平台 .................... 159
8.1　什么是云计算 .............................................. 159
8.2　云计算的独有优势 ...................................... 161
8.3　云计算的服务类型 ...................................... 162
8.4　几种重要的云计算平台 .............................. 164
8.5　云计算的应用与未来 .................................. 167
8.6　阅读材料—大数据的崛起 ...................... 169
本章总结 ............................................................... 171
课后习题 ............................................................... 171
第9 章　初识人工智能 ...................................... 172
9.1　什么是人工智能 .......................................... 173
9.2　推理和搜索 .................................................. 174
9.3　知识与专家系统 .......................................... 175
9.4　机器学习与深度学习 .................................. 180
9.5　阅读材料—人工智能是否会超越人类
　　 智能并最终取代人类 .................................. 183
本章总结 ............................................................... 187
课后习题 ............................................................... 188
参考文献 ............................................................ 189

1. 信息技术基础 [主编 唐倩 邵锐]
2. 大学计算机基础实验（WPS版） [主编　谢江宜　蔡勇]
3. 信息技术（微课版） [王云　徐江鸿　李清霞　罗学锋　]
4. 大学信息技术实训教程 [主编 任云晖 丁红 赵琳琳]
5. 大学信息技术教程 [主编 任云晖 冯政军 魏斌]
6. 信息技术基础立体化教程 [邹承俊 周洪林 刘和文 叶煜 ]
7. 大学计算机基础与计算思维 [主编 闵笛 汪莹]
8. 信息技术基础项目化教程 [主编 王宏斌 王万丽 王芳]
9. 大学计算机信息素养（第二版） [主编 卢山]
10. 全国计算机等级考试一级（MS Office）指导手册 [主编 王宏斌 孙元 禹晨]
11. 大学计算机基础实验指导及习题解析 [主编 闵笛 李明]
12. 大学计算机信息素养实验指导（第二版） [主编 卢山]
13. 信息技术基础（微课版） [主编　赵艳莉　喻林]
14. 大学信息技术基础 [主编 黎夏克 张倩文 王静]
15. 计算机信息素养基础实践教程 [王锦 姚晓杰 王立武 等 编著]
16. 计算机基础与应用实践教程 [杨毅 刘立君 张春芳 梁宁玉 ]
17. 计算机信息素养基础 [主编 陈艳 秦凯 黄海玉]
18. 计算机基础与应用 [主编 秦凯 梁宁玉 王毅]
19. 大学计算机基础上机实践教程（第六版） [主编 何振林 罗奕]
20. 大学计算机基础教程实验指导与测试题集 [主编 饶拱维 吴华光 巫满秀]
21. 大学计算机基础（等级考试版） [主编 钟诚]
22. 大学计算机基础教程（第二版） [主编 安志远 崔岩]
23. 计算机应用基础实训教程（第三版） [主 编 王向慧 康秀兰]
24. 计算机应用基础（第三版） [主 编 王向慧 康秀兰]
25. 计算机应用基础 [主编　赵艳莉]
26. 大学计算机基础案例教程（第二版） [主 编 叶潮流 金 莹]
27. 大学信息技术 [主编　连卫民　张志明　陈炎龙]
28. 新编计算机应用基础教程 [主编　戴毅　吴瑞芝　贾姗姗]
29. 计算机应用基础 [主编 谭慧 杨志茹]
30. 大学计算机基础实验指导与习题解析 [主编 阙清贤 罗如为]