好課推薦-以計算機(jī)的思維看世界。
讀史使人明智,讀詩使人靈秀,數(shù)學(xué)使人周密,科學(xué)使人深刻,倫理學(xué)使人莊重,邏輯修辭之學(xué)使人善辯：凡有所學(xué),皆成性格.——培根
又是一年開學(xué)季，可愛的小侄女已經(jīng)要面臨升學(xué)的壓力了，老哥讓我?guī)兔ψ鍪鑼?dǎo)，索性在這里聊聊專業(yè)對個人的影響好了。開篇之前，先給大家安利一本書《果殼教你選專業(yè)》里面收錄了師兄師姐們讀專業(yè)的切身感受，也繼承了果殼以往的幽默詼諧外帶點小毒舌卻不失專業(yè)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)格，對學(xué)校等相關(guān)信息的收集也都比較全面，打算轉(zhuǎn)專業(yè)或者報考學(xué)校的朋友看看應(yīng)該是不錯的參考。言歸正傳，今天就先聊聊計算機(jī)專業(yè)的重要思維及其對個人思考模式的影響吧。
一、個人應(yīng)當(dāng)具備的三種思維：
1、以化學(xué)學(xué)科為代表的實驗思維（觀察與歸納）：實驗-->觀察-->發(fā)現(xiàn)、推斷與總結(jié)
2、以數(shù)學(xué)學(xué)科為代表的理論思維（推理和演繹）：假設(shè)、預(yù)設(shè)-->定義、性質(zhì)、定理-->證明
3、以計算學(xué)科為代表的計算思維（設(shè)計與構(gòu)造）：設(shè)計、構(gòu)造與計算——計算思維也是一種遞歸的思維
二、計算思維的本質(zhì)：
計算機(jī)思維：計算機(jī)是如何工作的？
利用計算機(jī)思維：現(xiàn)實世界的各種事物能如何利用計算機(jī)來進(jìn)行控制和處理？
計算思維：本質(zhì)是抽象和自動化。即運(yùn)用計算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為。即計算思維的學(xué)習(xí)，不僅僅是會不會用計算機(jī)的問題，而是會不會利用計算思維來解決身邊的或者社會、自然問題的問題。
數(shù)學(xué)學(xué)科和計算學(xué)科的區(qū)別
數(shù)學(xué)學(xué)科研究：如何用數(shù)學(xué)方法（函數(shù)）表達(dá)一種現(xiàn)象，并研究出來一種計算規(guī)則將這些函數(shù)的值計算出來。主要還是人來利用規(guī)則
計算學(xué)科：利用簡單計算規(guī)則求解復(fù)雜計算，主要是機(jī)器利用規(guī)則解放人。
三、計算技術(shù)的奠基性思維及對個人的影響。
0和1思維 本質(zhì)：符號化--> 計算化--> 自動化
1、語義符號化（現(xiàn)實生活可以用0和1來表示）--> 2、符號運(yùn)算化（用0和1表示后，這些符號可以進(jìn)行算數(shù)與邏輯運(yùn)算）-->3、運(yùn)算0、1化 -->4、 0、1自動化（0和1的計算可以用電子技術(shù)如基本門電路實現(xiàn)）-->5、分層構(gòu)造化（變簡單的門電路為組合邏輯電路以完成一系列復(fù)雜操作）-->6、構(gòu)造集成化
what易經(jīng)：是研究自然現(xiàn)象及其變化規(guī)律的，從自然現(xiàn)象推導(dǎo)出人事現(xiàn)象及其他現(xiàn)象是否有規(guī)律的
how：將現(xiàn)象抽象為符號，進(jìn)行符號組合，利用符號組合表達(dá)自然現(xiàn)象。
符號化的關(guān)鍵：區(qū)分與命名——其術(shù)語體系。
符號化的目的：基于符號的演算——符號組合
由“易經(jīng)”看“符號化及符號計算”：自然、社會現(xiàn)象-->（通過符號化后）-->0、1及其組合-->（通過計算化后）-->0、1組合變化；基于0、1的計算-->（通過再語義化后）-->自然、社會現(xiàn)象變化規(guī)律
2.3、計算0、1化
轉(zhuǎn)為二進(jìn)制+編碼，原碼、反碼、補(bǔ)碼。
使用補(bǔ)碼可以使減法變成加法，讓符號也參與計算。機(jī)器可以采用移位都方法進(jìn)行乘法除法運(yùn)算，左移為乘。
2.5、分層構(gòu)造化
低層電路已驗證正確，可被封裝起來，用已封裝的驗證的低層電路可構(gòu)造更為復(fù)雜的高層電路；如此一層一層構(gòu)造
3 程序思維 與遞歸思維
注意：程序是構(gòu)造出來的！而不是編寫出來的！程序構(gòu)造的手段包括組合、抽象與遞歸
計算系統(tǒng)與程序——程序的作用和本質(zhì)
指令：對可執(zhí)行基本動作的抽象，即控制基本動作執(zhí)行的命令，（外界可以通過指令來調(diào)用封裝了的基本動作）
程序：由基本動作指令構(gòu)造的，若干指令的一個組合或一個執(zhí)行序列，用以實現(xiàn)復(fù)雜動作。
程序執(zhí)行機(jī)構(gòu)：自動解釋程序中的各種組合，并按次序調(diào)用指令（基本動作）予以執(zhí)行。
計算系統(tǒng)=基本動作+指令+程序執(zhí)行機(jī)構(gòu)
組合：對基本動作通過一些基本的運(yùn)算，進(jìn)行各種各樣的構(gòu)造
抽象：將經(jīng)常使用的、可由低層次系統(tǒng)實現(xiàn)的一些復(fù)雜動作，進(jìn)行命名，以作為高層次系統(tǒng)共的指令被使用。
程序的本質(zhì)：組合、 抽象、構(gòu)造
遞歸（這里有點不熟需要再加強(qiáng)下）：不斷重復(fù)的執(zhí)行一些相似性表達(dá)。用遞歸定義，用遞歸構(gòu)造，用遞歸計算或執(zhí)行——算法設(shè)計分析的關(guān)鍵
遞歸計算：由后向前帶入，再由前向后計算。
迭代（遞推）：可以自遞歸基礎(chǔ)開始，由前向后依次計算或直接計算
遞歸：可以自遞歸基礎(chǔ)開始，由前向后依次計算或直接計算；但有些，只能由后向前帶入，直到遞歸基礎(chǔ)，尋找一條路徑，然后再由前向后計算
遞歸是計算技術(shù)的典型特征，是以有限的表達(dá)方式來表達(dá)無限對象實例或無限計算步驟的一種經(jīng)典的計算思維
遞歸函數(shù)是可計算函數(shù)的精確的數(shù)學(xué)描述---計算理論的重 計算理論的重要研究內(nèi)容；
圖靈機(jī)本質(zhì)上也是遞歸：圖靈可計算函數(shù) 圖靈機(jī)本質(zhì)上也是遞歸：圖靈可計算函數(shù)與遞歸函數(shù)等價，凡可計算的函數(shù)都是一般遞歸函數(shù) 與遞歸函數(shù)等價，凡可計算的函數(shù)都是一般遞歸函數(shù)--- 丘奇-圖靈命題 圖靈命題---計算理論的重要研究內(nèi)容；
小結(jié)：計算學(xué)科的一個重要任務(wù)就是構(gòu)造計算系統(tǒng)（包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)），而構(gòu)造計算系統(tǒng)的關(guān)鍵就是程序，程序是體現(xiàn)計算系統(tǒng)千變?nèi)f化的重要手段。因此我們可以說計算系統(tǒng)就是執(zhí)行程序的系統(tǒng)。程序就是對控制系統(tǒng)基本動作的指令，進(jìn)行組合、抽象與構(gòu)造 ，以便使系統(tǒng)完成一些列的功能。而組合是將一些列動作帶入到另一個動作中進(jìn)而構(gòu)造出復(fù)雜的動作。eg一個復(fù)雜的表達(dá)式是由一系列簡單的表達(dá)式組合起來構(gòu)成的。函數(shù)之間的調(diào)用關(guān)系，體現(xiàn)的就是一種組合。抽象就是對已經(jīng)構(gòu)造好的組合進(jìn)行命名，然后用這個名字參與新的構(gòu)造。抽象是簡化構(gòu)造的一種手段。
幾點結(jié)論 : (1) 圖靈機(jī)是一種思想模型，它由一個控制 器(有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換器)，一條可無限延伸的帶 子和一個在帶子上左右移動的讀寫頭構(gòu)成。 (2) 程序是五元組 形式的指令集。其定義了機(jī)器在一個特定 狀態(tài) q下從方格中讀入一個特定字符 X時所采 取的動作為在該方格中寫入符號Y, 然后向右 移一格R (或向左移一格 L或不移動N), 同時 將機(jī)器狀態(tài)設(shè)為 p供下一條指令使用(3)圖靈機(jī)模型被認(rèn)為是計算機(jī)的基本理論模型 ----計算機(jī)是使用相應(yīng)的程序來完成任何設(shè)定好的任務(wù)。圖靈機(jī)是一種離散的、有 窮的、構(gòu)造性的問題求解思路，一個問題的求解可以通過構(gòu)造其圖靈機(jī)(即程 序)來解決。 ?(4)圖靈認(rèn)為：凡是能用算法方法解決的問題也一定能用圖靈機(jī)解決; 凡是 圖靈機(jī)解決不了的問題任何算法也解決不了----圖靈可計算性問題。
4.1 馮.諾伊曼機(jī)的基本思想 ：
? 運(yùn)算 和 存儲 分離：解決了程序裝載在內(nèi)存，如何被cpu執(zhí)行的問題
? 存儲程序 ： 指令和數(shù)據(jù)以同等地位事先 存于存儲器, 可按地址尋訪, ?連續(xù)自動執(zhí)行。指令和數(shù)據(jù)用 二進(jìn)制 表示，指令由操作碼（執(zhí)行什么樣的運(yùn)算）和地址碼（操作中的數(shù)據(jù)來源）組成
?五大部件構(gòu)成： 運(yùn)算器 、 控制器 、 存儲器 、 輸入設(shè)備 和 輸出設(shè)備
以運(yùn)算器為中心，控制器負(fù)責(zé)解釋指令，運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行指令?以運(yùn)算器為中心，控制器負(fù)責(zé)解釋指令，運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行指令
運(yùn)算器=（數(shù)據(jù)）寄存器+算術(shù)邏輯部件
控制器=程序計數(shù)器PC（用于存儲下一條要執(zhí)行的指令的地址）+指令寄存器IR（用于唇齒當(dāng)前指令的內(nèi)容）+信號控制器+時鐘與信號發(fā)生器
4.2 自動存取——存儲容量與地址空間和字長有關(guān)。
5 現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)（個人計算機(jī)的本質(zhì)：也是馮諾依曼計算機(jī)，解決的了程序裝在外存如何被載入內(nèi)存）
5.1 構(gòu)成：硬件、軟件、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)
工作思維：存儲體系-->磁盤存取-->操作系統(tǒng)-->作業(yè)與進(jìn)程->程序執(zhí)行的管理與控制；資源組合利用體系化、管理分工合作協(xié)同化、外存程序內(nèi)存進(jìn)程化、硬件不足功能軟件化
5.2 存儲體系（核心：不同性能資源的組合優(yōu)化）
意義：解決存儲器的永久存儲問題，存儲容量問題，存儲速度問題及存儲器價格問題。
方式：內(nèi)存+外存
5.3 分工合作與協(xié)同管理思想——化解復(fù)雜問題，進(jìn)行復(fù)雜問題求解的重要思想
操作系統(tǒng)(Operating System:OS) 是控制和管理計算機(jī)系統(tǒng)各種資源( 硬件資源、軟件資源和信息資源) 、合理組織計算機(jī)系統(tǒng)工作流程、提供用戶與計算機(jī)之間接口以解釋用戶對機(jī)器的各種操作需求并完成這些操作的一組程序集合，是最基本、最重要的系統(tǒng)軟件。
操作系統(tǒng)的作用：
操作系統(tǒng)是用戶與計算機(jī)硬件之間的接口 。
操作系統(tǒng)為用戶提供了虛擬機(jī)(Virtual Machine)。 。
操作系統(tǒng)是計算機(jī)系統(tǒng)的資源管理者
操作系統(tǒng)是如何實現(xiàn)復(fù)雜性控制的？
1、分工：獨立管理復(fù)雜環(huán)境中的每個部件 eg：磁盤管理——管理磁盤信息的讀寫；內(nèi)存空間館里——管理內(nèi)存空間的分配與回收；cpu管理——調(diào)度cpu去執(zhí)行哪一個程序
5.4 磁盤管理：化整為零，還零為整的思想——通過文件、磁盤塊、文件夾、文件分配表共同完成
文件分配表FAT：存儲文件在磁盤塊之間的鏈接信息
2、合作：以任務(wù)為驅(qū)動，中心任務(wù)：讓計算機(jī)（cpu）執(zhí)行存儲在外存上的程序。（這么些獨立管理的目的），因此需要各部件合作完成任務(wù)，這就產(chǎn)生了任務(wù)、作業(yè)與進(jìn)城管理——管理一個程序執(zhí)行中的各項工作。
3、協(xié)同：當(dāng)基本的合作解決以后，關(guān)鍵就是協(xié)同，協(xié)同體現(xiàn)了自動化和最優(yōu)化
1、為什么需要計算機(jī)語言？
進(jìn)行問題求解，首先要有解決問題的步驟（即算法），而計算機(jī)能夠理解的解決問題的步驟被稱為程序，而計算機(jī)語言就是算法與機(jī)器能夠理解的程序的橋梁 ，他是人和計算機(jī)都能理解的語言
2、機(jī)器語言發(fā)展史（計算機(jī)能夠理解并執(zhí)行什么？）
指令系統(tǒng)（cpu中的微處理器<中央處理單元>）cpu用二進(jìn)制和編碼提供了可以解釋并執(zhí)行的命令集合
機(jī)器語言：（所有的程序都需要轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言程序計算機(jī)才能執(zhí)行）用二進(jìn)制和編碼方式提供的指令系統(tǒng)所編寫程序的語言
3、怎樣解決機(jī)器語言編寫程序所存在的困難？——高級語言產(chǎn)生
匯編語言（核心：助記符）；執(zhí)行過程：用符號編寫程序（匯編語言源程序）-->翻譯程序（匯編程序）-->機(jī)器語言程序
高級語言：用類似自然語言的語句編寫程序（高級語言源程序）-->編譯程序-->匯編語言-->機(jī)器語言程序
高級語言和匯編語言的差別：與機(jī)器的相關(guān)性
用高級語言進(jìn)行問題求解的過程：（本質(zhì)還是體現(xiàn)了自動化）
7 算法（組合優(yōu)化問題是計算學(xué)科需要求解的典型問題）
算法類問題求解的一般步驟
問題抽象及數(shù)學(xué)建模：將問題抽象為一個數(shù)學(xué)問題，并給出求解該數(shù)學(xué)問題的算法模型。
算法策略設(shè)計
算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)設(shè)計：將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為可由計算機(jī)自動計算的算法。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計（邏輯結(jié)構(gòu)+存儲結(jié)構(gòu)）——如何將數(shù)學(xué)模型中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為計算機(jī)可以存儲和處理的數(shù)據(jù)？
控制結(jié)構(gòu)設(shè)計——如何構(gòu)造和表達(dá)處理的規(guī)則，以便能夠按規(guī)則逐步計算出結(jié)果。
算法的實現(xiàn)：用程序設(shè)計語言編寫算法實現(xiàn)的程序。
算法的分析：分析算法的正確性和復(fù)雜性，判斷能行性！
基本算法——排序算法
結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表的查找與統(tǒng)計：對數(shù)據(jù)集合需要多遍處理時，先排序，可以減小遍歷次數(shù)。
非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（文檔類）——倒排建立索引：一個詞匯包含在哪些文檔中
聲明：本文部分內(nèi)容節(jié)選自《大學(xué)計算機(jī)—計算思維導(dǎo)論 》
課程名稱：《大學(xué)計算機(jī)—計算思維導(dǎo)論 》
授課方：哈爾濱工業(yè)大學(xué) 戰(zhàn)德臣、張麗杰、聶蘭順、靳玉萍
個人聽課感受：特別棒的一門課，不拘泥于細(xì)節(jié)，從系統(tǒng)和宏觀的角度來幫助理解計算機(jī)學(xué)科
課程大綱：
大學(xué)計算機(jī)課程應(yīng)圍繞著大學(xué)計算思維教育空間-計算之樹，進(jìn)行內(nèi)容的組織和學(xué)習(xí)。
(I)計算與程序，主要講授計算與計算思維，符號化、計算化和自動化，計算系統(tǒng)與程序構(gòu)造，程序構(gòu)造方法：遞歸與迭代，這些是由社會/自然到計算的、最基本的抽象和自動化機(jī)制；
(II)計算系統(tǒng)，主要講授程序是如何被執(zhí)行的，包括內(nèi)存環(huán)境下程序的執(zhí)行和復(fù)雜環(huán)境下借助于操作系統(tǒng)管理的程序的執(zhí)行，以及如何編寫讓計算系統(tǒng)可以執(zhí)行的程序；
(III)算法思維，主要講授算法類問題求解框架-問題與數(shù)學(xué)建模、算法策略設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制結(jié)構(gòu)以及算法復(fù)雜性與正確性，還將以案例形式介紹由問題到環(huán)境，再到受限資源約束下的問題求解算法，以及難解性問題、計算和算法之間的關(guān)系等；
(IV)數(shù)據(jù)化與網(wǎng)絡(luò)化思維。數(shù)據(jù)化思維即：數(shù)據(jù)獲取==>數(shù)據(jù)管理==>數(shù)據(jù)分析與運(yùn)用；網(wǎng)絡(luò)化思維即：機(jī)器網(wǎng)絡(luò)==>信息網(wǎng)絡(luò)==>群體互動網(wǎng)絡(luò)==>網(wǎng)絡(luò)化社會。
