计算机导论——基于计算思维

《计算机导论——基于计算思维》的编写符合*对“计算机导论”课程的要求。“计算机导论”课程应为新生提供关于计算机科学与技术学科的入门介绍，使学生能对该学科有整体的认识，并了解该专业的学生应具备的基本知识和技能。随着近年计算机科学技术的迅猛发展，社会对该专业学生所需具备和掌握的计算机科学的能力素养要求发生了巨大变化，为应对这些变化，做好教学工作，我们编写了本书。
计算思维是人类求解问题的一条有效途径，是一种分析求解问题的过程和思想。现在人类利用计算机的强大功能解决各种问题的同时，也需要数学和工程思维的互补。这源于计算机诞生的本质，即数学和工程思维的融合。所以，计算思维是一种人、机、物三元思维的综合考量，三者互相促进，互相制约。
2021 年，*组织申报大学计算机课程改革项目，要求大学计算机教学的总体建设目标应该定位在普及计算机文化、培养专业应用能力、训练计算思维能力上。计算机不仅为不同专业提供了解决专业问题的有效方法和手段，还提供了一种独特处理问题的思维方式。
如何将计算思维融入到大学计算机教育中，已经得到教育工作者的广泛关注。本书的编写团队成员都是多年工作在教学线的计算机科学与技术专业的教学工作者，多年专注于计算机专业教学改革和探索研究。本书编写大纲经过多次集体研讨，召集书稿讨论会和审定会，并广泛征求了不同层面学者、专家的建议和意见，希望本书能满足当下大学计算机专业教学的新模式和新方法。本书在编写过程中以通俗易懂、紧跟科技前沿为目标，期望能够适合学生的需求，贴合教学目标。在教材内容组织上强调计算思维能力的培养，将计算思维能力的训练融入计算机专业完整的教学体系，实现计算机导论课程的教学改革。
本书的主要特色如下：
1.着重对计算机基础理论知识进行讲解和介绍。
2.力求通过深入浅出的风格，讲授计算机和计算思维之间相互支撑和相互制约的关系。
3.突出介绍计算机科学与技术发展的技术和成果，将其融入课程内容中。
4.将“计算思维”的新理念贯穿始终，达到提升计算机专业能力的教学目的。
5.将理论知识和实际应用相结合，让学生清楚地了解计算机擅长哪些方面、计算机能做什么，如何利用计算机来解决实际问题。
在学习过程中，读者可在中国铁道出版社有限公司的资源网站（网址 http://www.tdpress.com/51eds/）中下载本书配备的教学资源，如电子教案、习题参考答案等。
全书共分为 7 章，第 1 章为计算机概论，第 2 章为数据表示，第 3 章为计算思维与常用算法，第 4 章为计算机系统，第 5 章为数据结构，第 6 章为计算机网络，第 7章为计算机信息安全和职业道德。
本书由郜晓晶、罗小玲任主编，王艳芬和李建荣参与了本书的编写。具体编写分工：第 1 章和第 2 章由李建荣编写，第 3 章由罗小玲编写，第 4 章由罗小玲和王艳芬共同编写，第 5 章和第 7 章由郜晓晶编写，第 6 章由王艳芬编写。全书由郜晓晶和罗小玲统稿。在本书的编写过程中得到潘新、李慧旻、刘艳秋、阿斯雅等多位老师的帮助，以及中国铁道出版社有限公司编辑的大力支持与帮助，在此表示衷心的感谢。
由于时间仓促，信息技术的发展日新月异，本书涉及的新技术较多，加之编者水平有限，书中疏漏与不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。
          编 者
      2021 年 3 月

       本书根据*高等学校计算机科学与技术教学指导委员会颁布的《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）》及《关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见暨计算机基础课程教学基本要求（试行）》中有关计算机导论和大学计算机基础课程教学基本要求而编写，是一本学习计算机科学与技术学科的入门教材。全书共分 7 章，主要内容包括：计算机概论、数据表示、计算思维与常用算法、计算机系统、数据结构、计算机网络、计算机信息安全和职业道德，且每章附有习题及参考答案。 本书以培养学生的计算思维为出发点，并融入计算机科学与技术发展的全新技术和成果，旨在提高学生的科学修养、信息素养和应用能力，激发学习兴趣。 本书适合作为普通高等院校计算机相关专业计算机导论课程教材，也适合作为非计算机专业的计算机基础教材，或计算机初学者的入门参考用书。

 本书根据高等学校计算机科学与技术教学指导委员会颁布的《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）》及《关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见暨计算机基础课程教学基本要求（试行）》中有关计算机导论和大学计算机基础课程教学基本要求而编写，是一本学习计算机科学与技术学科的入门教材。全书共分 7 章，主要内容包括：计算机概论、数据表示、计算思维与常用算法、计算机系统、数据结构、计算机网络、计算机信息安全和职业道德，且每章附有习题及参考答案。 本书以培养学生的计算思维为出发点，并融入计算机科学与技术发展的全新技术和成果，旨在提高学生的科学修养、信息素养和应用能力，激发学习兴趣。 本书适合作为普通高等院校计算机相关专业计算机导论课程教材，也适合作为非计算机专业的计算机基础教材，或计算机初学者的入门参考用书。

     郜晓晶，博士，副教授，任职于内蒙古农业大学计算机与信息工程学院，主要研究方向为模式识别、图像处理，主讲课程为计算机导论、数据结构、C语言程序设计，参编《大学计算机基础》（第5版）、《Visual Basic程序设计教程》等教材，主持2012年度校级精品课程“计算机导论” ，以及多项省级、校级的基金项目，发表论文十余篇。 罗小玲，硕士，教授，现任职与内蒙古农业大学计算机与信息工程学院，是计算机科学与网络工程系主任，研究方向：智能计算与数据挖掘，主讲课程：计算机组成原理、计算机导论、C语言程序设计，发表论文十余篇。

 第 1 章    计算机概论1

 1.1    计算机的产生与发展 2

 1.1.1    计算机的产生 2

 1.1.2 计算机的发展历史 6

 1.1.3 计算机的发展趋势 9

 1.2    人工智能 11

 1.2.1 人工智能的概念 11

 1.2.2 人工智能的应用 11

 1.3    云计算 13

 1.3.1 云计算的概念 13

 1.3.2 云计算的应用 14

 1.3.3 云计算的体系结构 14

 1.4    大数据 15

 1.4.1 大数据产生的背景 16

 1.4.2 大数据的应用场景 16

 1.4.3 大数据的关键技术 19

 小结 22

 习题一 22

 第 2 章    数据表示 25

 2.1    数值的表示 25

 2.1.1 数制 25

 2.1.2 数制之间的转换 27

 2.2    二进制数的运算基础 29

 2.2.1 算术运算 29

 2.2.2 逻辑运算 30

 2.3    计算机中的编码 32

 2.3.1字符数据 32

 2.3.2音频数据 35
 
  2.3.3 图像和图形数据 36
 
 
  2.3.4 视频数据 37
 
 
  小结 38
 
 
  习题二 38
 
 
  第 3 章    计算思维与常用算法41
 
 
  3.1计算思维的概念 41
 
 
  3.2计算思维的应用领域 43
 
 
  3.3计算思维的特点 43
 
 
  3.4算法 44
 
 
  3.4.1算法特征 44
 
 
  3.4.2算法要素 45
 
 
  3.4.3算法流程图 45
 
 
  3.4.4常用算法 48
 
 
  3.5程序 56
 
 
  小结 56
 
 
  习题三 56
 
 
  第 4 章    计算机系统59
 
 
  4.1计算机体

       本书根据*高等学校计算机科学与技术教学指导委员会颁布的《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范（试行）》及《关于进一步加强高等学校计算机基础教学的意见暨计算机基础课程教学基本要求（试行）》中有关计算机导论和大学计算机基础课程教学基本要求而编写，是一本学习计算机科学与技术学科的入门教材。全书共分 7 章，主要内容包括：计算机概论、数据表示、计算思维与常用算法、计算机系统、数据结构、计算机网络、计算机信息安全和职业道德，且每章附有习题及参考答案。 本书以培养学生的计算思维为出发点，并融入计算机科学与技术发展的全新技术和成果，旨在提高学生的科学修养、信息素养和应用能力，激发学习兴趣。 本书适合作为普通高等院校计算机相关专业计算机导论课程教材，也适合作为非计算机专业的计算机基础教材，或计算机初学者的入门参考用书。

     郜晓晶，博士，副教授，任职于内蒙古农业大学计算机与信息工程学院，主要研究方向为模式识别、图像处理，主讲课程为计算机导论、数据结构、C语言程序设计，参编《大学计算机基础》（第5版）、《Visual Basic程序设计教程》等教材，主持2012年度校级精品课程“计算机导论” ，以及多项省级、校级的基金项目，发表论文十余篇。 罗小玲，硕士，教授，现任职与内蒙古农业大学计算机与信息工程学院，是计算机科学与网络工程系主任，研究方向：智能计算与数据挖掘，主讲课程：计算机组成原理、计算机导论、C语言程序设计，发表论文十余篇。