计算思维导论

　　内容提要在“计算思维”日益突显其重要性并不断被大家推崇的今天，作为计算思维导论方面的一本教材，本书以狭义计算思维为主线，适度拓展广义计算思维的知识。在强化计算思维方法论的前提下，尽量简化计算理论与技术方面的内容。本书共7章，依次介绍计算思维概论、计算思维之计算（理论）基础、计算思维之逻辑基础、计算思维之方法学、计算思维之算法基础、程序设计中的特定思维以及其他学科中的计算思维等。本书的特点一是知识面比较广、内容非常丰富；二是尽量体现“实例化、生活化、故事化、图文并茂”的指导思想，以增强可读性；三是内容比较新颖。本书可作为高等院校计算机专业和非计算机专业学生的入门教材，也可供相关教学人员和技术人员参考学习。

　　唐培和，男，教授，现任广西科技大学计算机学院院长。广西高等教育学会计算机基础教育专业委员会常务理事，全国高校计算机基础教育研究会第六届理事会理事，广西高校“教学名师”。长期从事计算机教学与科研，重点关注专业基础课。自知专业知识不够精深，但还算广博，提倡以博辅专，融会贯通。文风通俗，不饰粉墨，字如其人。可谓“三尺讲台毕生缘，一份痴情心血凝”。 徐奕奕，女，1980年生，在读博士，讲师。站在大学计算机基础教育教学一线讲台上已逾十年。幼时便热爱园丁一职，至今不改初衷， 赤诚长在。有幸教苑躬耕，却常如履薄冰；希望能做点认真的思考和有意义的探索。青灯黄卷十年，盼李盛桃红一片。 王日凤，女，副教授，工学博士。2004-2007年就读于广西师范大学计算机科学与信息工程学院，获工学硕士学位；2007-2011年就读于北京工业大学计算机学院，获工学博士学位。性喜淡雅宁静，为人明朗朴实，期待厚积而薄发。唐培和，男，教授，现任广西科技大学计算机学院院长。广西高等教育学会计算机基础教育专业委员会常务理事，全国高校计算机基础教育研究会第六届理事会理事，广西高校“教学名师”。长期从事计算机教学与科研，重点关注专业基础课。自知专业知识不够精深，但还算广博，提倡以博辅专，融会贯通。文风通俗，不饰粉墨，字如其人。可谓“三尺讲台毕生缘，一份痴情心血凝”。 徐奕奕，女，1980年生，在读博士，讲师。站在大学计算机基础教育教学一线讲台上已逾十年。幼时便热爱园丁一职，至今不改初衷， 赤诚长在。有幸教苑躬耕，却常如履薄冰；希望能做点认真的思考和有意义的探索。青灯黄卷十年，盼李盛桃红一片。 王日凤，女，副教授，工学博士。2004-2007年就读于广西师范大学计算机科学与信息工程学院，获工学硕士学位；2007-2011年就读于北京工业大学计算机学院，获工学博士学位。性喜淡雅宁静，为人明朗朴实，期待厚积而薄发。

第1章 计算思维概论
1.1 科学研究的三大方法--理论、实验和计算
1.1.1 理论、实验和计算
1.1.2 科学计算与计算方法
1.2 关于计算思维
1.2.1 科学思维
1.2.2 什么是计算思维？
1.2.3 思维科学与计算思维
1.3 狭义计算思维与广义计算思维
1.3.1 狭义计算思维
1.3.2 广义计算思维
1.3.3 计算思维的应用
1.4 计算思维的研究现状
1.5 计算思维的学习方法
【阅读材料】 第1章 计算思维概论
1.1 科学研究的三大方法--理论、实验和计算
1.1.1 理论、实验和计算
1.1.2 科学计算与计算方法
1.2 关于计算思维
1.2.1 科学思维
1.2.2 什么是计算思维？
1.2.3 思维科学与计算思维
1.3 狭义计算思维与广义计算思维
1.3.1 狭义计算思维
1.3.2 广义计算思维
1.3.3 计算思维的应用
1.4 计算思维的研究现状
1.5 计算思维的学习方法
【阅读材料】
原始计算方法及其演化
第2章 计算思维之计算（理论）基础
2.1 揭开数据表示的面纱
2.1.1 计算机为什么采用二进制而不是十进制？
2.1.2 数据和符号的机器内部表示法
2.1.3 鸿沟与代价
2.2 “九九归一”的加法运算
2.3 图灵机及其计算思想
2.3.1 阿兰•图灵其人
2.3.2 图灵机模型
2.3.3 图灵机的工作原理
2.3.4 图灵机的计算能力
2.4 冯诺依曼机及其工作原理
2.4.1 冯•诺依曼其人
2.4.2 冯•诺依曼型计算机的组成
2.4.3 冯•诺依曼型计算机的特点
2.4.4 现代计算机的演化
2.5 冯•诺依曼计算机特点及其局限性
2.5.1 冯•诺依曼计算机的局限性
2.5.2 冯•诺依曼型计算机的改进
2.6 非传统计算方法与技术
2.6.1 光计算机
2.6.2 超导计算机
2.6.3 生物计算机
2.6.4 智能计算机
2.6.5 大规模并行计算技术
2.7 计算机系统之哲学与计算机之系统哲学
2.7.1 RISC与CISC
2.7.2 存储器分级及其多级存储体系
2.7.3 内存与外存
2.7.4 串行与并行
2.7.5 硬件与软件——相互依赖，相补相成
2.8 计算机什么都能计算吗？
2.8.1 事实胜于雄辩
2.8.2 可计算性与计算复杂性
【阅读材料】
PC机系统的硬件组成
第3章 计算思维之逻辑基础
3.1 逻辑与思维
3.1.1 逻辑是什么
3.1.2 逻辑形式的表示
3.1.3 逻辑与思维
3.1.4 逻辑思维形式的基本规律
3.1.5 语言、思维与程序
3.2 布尔逻辑、命题逻辑与谓词逻辑
3.2.1 布尔与布尔逻辑
3.2.2 命题逻辑
3.2.3 谓词逻辑
3.3 逻辑运算与逻辑推理
3.3.1 位层次上的逻辑运算
3.3.2 模式层次上的逻辑运算
3.3.3 逻辑表达式与求值
3.3.4 归纳逻辑与推理
3.3.5 逻辑推理与人工智能
3.4 逻辑思维与算法（程序）设计
3.5 逻辑思维的实例化训练
【阅读材料】
计算机软件及其软件系统
第4章 计算思维之方法学
4.1 问题求解过程
4.1.1 人类解决客观世界问题的思维过程
4.1.2 借助于计算机的问题求解过程
4.1.3 两种问题求解过程的对比
4.2 数学模型——问题的抽象表示
4.3 数据存储结构
4.3.1 顺序存储结构
4.3.2 链式存储结构
4.3.3 索引存储结构
4.3.4 散列存储结构
4.4 程序设计方法论
4.4.1 面向过程的结构化设计方法学
4.4.2 面向对象程序设计方法学
4.5 时空及其转换
4.6 抽象
4.6.1 什么是抽象？
4.6.2 计算学科中的抽象
4.6.3 抽象的层次性
4.6.4 程序中的抽象
4.6.5 抽象与模型
4.6.6 抽象与计算机语言
4.7 局部化与信息隐藏
4.7.1 局部化
4.7.2 信息隐藏
4.8 精确、近似与模糊
4.9 折衷与中庸之道
4.10 问题描述与甚高级语言
【阅读材料】
MATLAB问题表示与计算
第5章 计算思维之算法基础
5.1 算法
5.1.1 什么是算法？
5.1.2 算法的性质
5.1.3 算法的种类
5.1.4 算法的表示（描述）
5.1.5 算法与程序
5.1.6 算法的比较与分析
5.2 算法设计的基本思想与方法
5.2.1 穷举法（也称枚举法）
5.2.2 递推法
5.2.3 递归法
5.2.4 回溯法*
5.2.5 分治法
5.2.6 仿生法*——蚁群算法
5.2.7 并行算法*
5.2.8 小结
5.3 几个常用的经典算法
5.3.1 累加和、连乘积与最大（小）值
5.3.2 查找
5.3.3 排序
5.3.4 其他
【阅读材料】
计算机语言概述
第6章 程序设计中的特定思维
6.1 数据的类型与本质
6.1.1 我们熟悉的数与数据
6.1.2 计算机世界中的数据
6.1.3 数据的类型与本质
6.2 变量的特定含义
6.2.1 “先定义，后使用”
6.2.2 变量得有自己“好听”的名字
6.2.3 变量是有类型的
6.2.4 变量的作用域
6.2.5 变量的生命周期
6.3 有穷与无穷
6.3.1 数据的有穷性
6.3.2 程序的有穷性
6.4 程序的基本控制结构
6.4.1 顺序结构
6.4.2 条件选择结构
6.4.3 循环结构
6.5 问题求解的本质过程
6.6 效率与可读性
6.7 程序的构造特性
6.8 上下文无关文法
6.9 二义性
6.10 严谨性
【阅读材料】
Python语言
第7章 其他学科中的计算思维
7.1 方程求根
7.1.1 二分法
7.1.2 简单迭代法
7.1.3 牛顿(Newton)法
7.1.4 其它求根方法
7.2 定积分的计算
7.2.1 问题求解的基本思路与方法
7.2.2 求解算法
7.3 求解圆周率π
7.3.1 关于圆周率的计算
7.3.2 圆周率的计算史
7.3.3 圆周率的计算方法
7.3.4 圆周率的计算永无止境
7.3.5 研究圆周率的意义
7.4 有限元计算
7.4.1 有限元方法的诞生
7.4.2 什么是有限元法？
7.4.3 有限元方法的基本思想
7.4.4 有限元法求解问题的步骤
7.4.5 有限元方法的应用
7.4.6 有限元方法中的计算思维
7.5 数值天气预报
7.5.1 天气预报的发展
7.5.2 现代数值天气预报原理
7.5.3 天气预报对计算技术永无止境的需求
7.6 蒙特•卡罗法
7.6.1 蒙特•卡罗方法导引
7.6.2 蒙特•卡罗方法的基本思想与过程
7.6.3 蒙特•卡罗方法的应用与分析
7.7 巡航导弹制导系统
7.7.1 制导方法分类
7.7.2 “战斧”式巡航导弹
【阅读材料】
《红楼梦》作者之争


附录
附录A ASCII码字符集
附录B 几种常用进位制数值对照表
附录C 计算机发展史大事记
参考文献



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