计算思维与大数据基础

　　本书紧跟计算机技术发展潮流，是计算思维通识教育类课程的 教材，以“基础性、系统性、 性、通俗易懂”为指导思想，将蕴含在计算机学科中的经典计算思维和信息时代人们应具备的大数据、互联网和人工智能等新思维、新技术进行了全面介绍。本书共分为 7 章，主要内容包括计算与计算思维；计算机中的 0 与 1；计算机硬件系统组成及工作原理；计算机软件、语言与算法；互联网与物联网；数据科学与大数据技术和人工智能。本书充分吸收计算机领域的新知识、新技术、新方法和“四新”人才培养目标，对非计算机专业计算机公共课的基本教学内容进行了面向计算思维培养的组织与构建，通过丰富示例引导读者思考，讲解清晰，通俗易懂，可读性好。本书适合高等学校非计算机专业作为计算机课程的教材使用，同时也可供对计算机感兴趣的读者自学使用。

　　尹建新，浙江农林大学，副教授，主要从事计算机基础教学与研究，研究方向：图像处理与模式识别，主持省部级科研项目多项，发表学术论文多篇，主编教材5部。

第 1 章　计算与计算思维 1
1.1　计算思维的发展 1
1.1.1　计算工具的发展演变 1
1.1.2　现代计算机计算环境的发展变迁 5
1.1.3　计算思维的传承与发展 6
1.1.4　从“国王的婚姻”略识计算思维 8
1.2　计算思维迎接新时代 9
1.2.1　科学研究范式的转变 9
1.2.2　 “四新”建设人才培养 10
1.2.3　计算思维在“四新”建设中的地位与作用 12
1.2.4　新时代的计算思维特征 13
1.2.5　计算思维求解 15
1.3　大数据时代计算思维 17
1.3.1　总体思维 17
1.3.2　容错思维 18
1.3.3　相关思维 19
1.4　本章小结 20
思考题 20
第 2 章　计算机中的 0 和 1 22
2.1　计算机中为什么是 0 和 1 22
2.1.1　0 和 1 的追溯 22
2.1.2　计算机选择了 0 和 1 23
2.1.3　0 和 1 的思维 24
2.2　数制和数制的相互转换 25
2.2.1　数制的有关概念 25
2.2.2　常用进位计数制 26
2.2.3　数制的相互转换 27
2.3　0 和 1 的运算 29
2.3.1　逻辑运算 29
2.3.2　算术运算 30
2.4　0 和 1 的电路实现 31
2.4.1　基本逻辑电路 31
2.4.2　基本逻辑部件 32
2.5　0 和 1 信息呈现 33
2.5.1　数值信息呈现 33
2.5.2　文本信息呈现 35
2.5.3　图形图像信息呈现 39
2.5.4　音频信息呈现 42
2.5.5　视频信息呈现 44
2.6　本章小结 46
思考题 47
第 3 章　计算机硬件系统组成及工作原理 50
3.1　图灵机模型与冯？诺依曼计算机模型 50
3.1.1　图灵机―计算机的理想模型 50
3.1.2　冯？诺依曼计算机―现代计算机的结构框架 52
3.2　认识计算机硬件系统 53
3.2.1　中央处理器 53
3.2.2　存储器 54
3.2.3　输入/输出系统 55
3.2.4　微型计算机硬件系统组成及主要性能指标 55
3.3　计算机的工作原理 62
3.3.1　指令及指令系统 62
3.3.2　指令的执行过程 63
3.3.3　计算机的基本工作原理 64
3.4　计算机硬件构造中的计算思维 67
3.5　本章小结 67
思考题 68
第 4 章　计算机软件、语言与算法 69
4.1　计算机软件 69
4.1.1　指令、程序与软件 69
4.1.2　计算机软件的分类 69
4.1.3　操作系统 71
4.2　计算机语言 74
4.2.1　计算机语言概述 74
4.2.2　热门编程语言排行榜 75
4.2.3　编程语言的基本元素 78
4.3　算法及常用算法举例 80
4.3.1　算法概述 80
4.3.2　算法的表示方法 82
4.3.3　结构化程序设计―控制结构 84
4.3.4　模块化程序设计―函数 88
4.3.5　常用算法举例 90
4.4　本章小结 95
思考题 95
第 5 章　互联网与物联网 97
5.1　互联网之基础―计算机网络 97
5.1.1　计算机网络的产生与发展 97
5.1.2　计算机网络的组成 98
5.1.3　计算机网络的功能 101
5.1.4　计算机网络的分类 102
5.1.5　计算机网络协议 105
5.1.6　计算机网络的体系结构 106
5.2　互联网 109
5.2.1　什么是互联网 109
5.2.2　互联网的诞生和发展 109
5.2.3　互联网在我国的发展 110
5.2.4　互联网协议 TCP/IP 111
5.2.5　互联网中 IP 地址 114
5.2.6　互联网的应用 117
5.2.7　互联网网络安全 118
5.3　物联网 122
5.3.1　什么是物联网 122
5.3.2　物联网关键技术 123
5.3.3　物联网的应用 124
5.4　本章小结 126
思考题 127
第 6 章　数据科学与大数据技术 128
6.1　数据与数据科学 128
6.1.1　数据的定义 128
6.1.2　数据科学 128
6.2　大数据 131
6.2.1　什么是大数据 131
6.2.2　大数据的特点 132
6.2.3　大数据的构成 135
6.3　大数据技术 137
6.3.1　数据采集与预处理 138
6.3.2　数据存储及管理 143
6.3.3　数据可视化 149
6.4　本章小结 155
思考题 155
第 7 章　人工智能 156
7.1　人工智能概述 156
7.1.1　人工智能的提出 156
7.1.2　什么是人工智能 156
7.1.3　人工智能的分类 158
7.1.4　人类智能与人工智能 159
7.1.5　人工智能的流派 162
7.2　人工智能发展历史 165
7.2.1　孕育期（1956 年以前） 166
7.2.2　形成期（1956―1969 年） 167
7.2.3　发展期（1970―1980 年） 168
7.2.4　综合集成期（1980 年至今） 170
7.3　人工智能的研究内容 171
7.3.1　智能感知 171
7.3.2　智能推理 174
7.3.3　智能行动 176
7.4　本章小结 182
思考题 182
参考文献 183