计算思维+虚拟现实+云计算+物联网+大数据+区块链+算法+非关系数据库.pdf资源-CSDN文库

版权申诉

128 浏览量 2021-12-05 17:41:23 上传评论收藏 1.58MB PDF 举报

资源推荐

资源详情

资源评论

2022 年山东省专升本《新一代信息技术》

第 1 章计算思维

1.1 计算思维基础

1.1.1 计算科学

1. 科学

人们常说“科学技术就是生产力”，但是对于什么是“科学”这一关键问题，至今没有

一个为各界认可的答案。

历史上许多科学家曾尝试给“科学”下一个充分的本质性定义，可往往不成功。

达尔文曾经给过这样的定义：科学就是整理事实，从中发现规律，得出结论。

爱因斯坦也给过一个定义：设法将人们杂乱无章的感觉经验加以整理，使之符合逻辑一

致的思想系统，就叫科学。

美国的《韦伯斯特新世界词典》对科学是这样定义的：科学是从确定研究对象的性质和

规律这一目的出发，通过观察、调查和实验得到的系统知识。

中国的《辞海》是这样描述科学的：科学是运用范畴、定理和定律等思维形式反映现实

世界各种现象的本质和规律的知识体系。

综上所述，科学是反映现实世界中各种现象的本质和规律的知识体系。它既能改变人的

主观世界，也能改造人的客观世界，科学的发展对人类社会产生了广泛而深远的影响。

2. 计算

“计算”是一个家喻户晓的数学概念，人人离不开计算。但是，正如爱因斯坦所说，一

个概念愈普遍，我们要想理解它们的意义就愈困难。事实的确如此，虽然人类很早就掌握了

加、减、乘、除等运算，但直到 20 世纪 30 年代，也没有人能说清楚什么是计算的本质。

计算理论的观点认为，计算就是基于规则的符号集的变换过程，即从一个按照规则组织

的符号集开始，再按照既定的规则一步步地改变这些符号集，经过有限步骤之后得到一个确

定的结果。

图灵奖获得者 Richard M.karp 认为，很多自然的、人工的和社会的系统中的过程自然

而然是计算的，计算就是执行信息变换。这被称为广义的计算，即对信息进行加工和处理。

3. 计算科学

计算科学又称为科学计算，从计算角度来讲，计算科学是一个与数学模型构建、定量分

析方法以及利用计算机来分析和解决科学问题相关的研究领域。从计算机角度来讲，计算科

学是应用高性能计算能力预测和了解客观世界物质运动或复杂现象演化规律的科学，包括数

值模拟、工程仿真、高效计算机系统和应用软件等。这一领域不同于计算机科学，同时也异

于科学和工程学的传统形式----------理论与实验。

在实际应用中，计算科学主要应用于对各个学科中的问题进行计算机模拟和其他形式的

计算。科学家和工程师设计开发了计算机程序和应用软件，来为被研究的系统创建模型，并

以多种输入参数运行这些程序。一般来说，这些模型需要大量的计算（通常为浮点计算），

常在超级计算机或分布式计算平台上执行。

2022 年山东省专升本《新一代信息技术》

4. 易混淆的概念

（1）计算学科：

计算学科来源于对数理逻辑、计算模型、算法理论和自动计算机器的研究，是在数学

和电子科学基础上发展起来的一门学科，是利用计算科学对其他学科中的问题进行计算机

模拟或者其他形式的计算形成的诸如计算物理、计算化学、计算力学等学科的统称。

（2）计算机科学：

计算机科学是研究计算机及其周围各种现象和规律的科学，亦即研究计算机系统结构、

程序系统（即件）、人工智能以及计算本身的性质和问题的学科。它是一门包含各种各样与

计算和信息处理相关主题的系统学科，从抽象的算法分析、形式化语法，到更具体的编程语

言、程序设计、软件和硬件等。计算机科学分为理论计算机科学和实验计算机科学两个部

分。

（3）计算机学科：

计算机学科是研究计算机的设计与制造和利用计算机进行信息获取、表示、存储、处

理、控制等的理论、原则、方法和技术的学科。它包括计算机科学和计算机技术两方面。

计算机科学侧重于研究现象揭示规律；计算机技术侧重于研制计算机和研究使用计算机进行

处理的方法和技术手段，计算机学科的三大研究方向分别是计算机系统结构、计算机应用和

计算机软件与理论。

1.1.2 计算思维

1. 思维

思维是人类大脑能动地反映客观现实的过程，是人类在认识世界的过程中进行比较、分

析、综合的能力，是人类大脑的一种机能。思维是复杂的、多形态的，一个人同时并存着几

种不同形态的高度发达的思维。思维有以下特征：

（1）概括性：

概括性是指思维是在大量感性材料的基础上，把一类事物共同的特征和规律抽取出来

并加以概括。概括是人们形成概念的前提，也是思维活动能迅速进行迁移的基础。概括水平

随人们认识水平的深入而不断发展，认识水平越高，概括水平就越高。

（2）间接性：

间接性是指思维是人们借助于一定的媒介和知识经验对客观事物的间接反映。正是由

于思维具有间接性，人们才可以超越感知觉提供的信息，认识那些没有直接作用于人的感官

的事物属性，进而揭示事物的本质和规律。从这个角度来看，思维认识的领域要比感知觉认

识的领域更广阔，更深刻。

（3）思维是对经验的改组：

思维是一种探索和发现新事物的心理过程。它常常指向事物的新特征和新关系，这就

需要人们对头脑中已有的知识经验不断进行更新和改组。思维活动常常由一定的问题情境引

起并试图解决这些问题，所以思维不是简单地再现经验，而是对已有的知识经验进行改组、

建构的过程。

2. 科学思维

科学也叫科学逻辑，是形成并运用于科学认识活动、对感性认识材料进行加工处理的

方式与途径的理论体系；它是真理在认识的统一过程中，对各种科学的思维方法的有机整合，

是人类实践活动的产物。

在科学认识活动中，科学思维必须遵守三个基本原则：逻辑性原则、方法论原则和历史

2022 年山东省专升本《新一代信息技术》

性原则。简言之，就是在逻辑上要求具有严密的逻辑性，达到归纳和演绎的统一；在方法上

要求辩证地使用分析和综合两种思维方法；在体系上要实现逻辑与历史的一致，达到理论与

实践的具体的历史的统一。

自然科学领域有公认的三大科学方法，即理论方法、实验方法和计算方法，每种方法

都可分为思想方法和操作方法两个层面。如果把思想方法对应到思维方法层面，便有了三大

科学思维：理论思维、实验思维和计算思维。

（1）理论思维又称为逻辑思维，是指通过抽象概括建立描述事物本质的概念，应用科

学的方法探寻概念之间联系的一种思维方法。它以推理和演绎为特征，代表学科为数学。与

数学类似，定义是理论思维的灵魂，定理和证明是其精髓，公理化方法是其理论思维方法。

理论思维支撑着所有的学科领城。

（2）实验思维又称为实证思维，是指通过观察和实验获取自然规律法则的一种思维方

法。它以观察和总结自然规律为特征，代表学科为物理。其先驱首推著名的意大利科学家伽

利略，他开创了以实验为基础的具有严密逻辑理论体系的近代科学。实验思维与理论思维的

不同之处在于它往往需要借助某种特定的设备来获取数据以便进行分析。

（3）计算思维又称为构造思维，是指从具体的算法设计规范入手，通过算法过程的构

造与实施来解决给定问题的一种思维方法。它以设计和构造为特征，代表学科为计算机科学。

计算思维就是思维过程或功能的计算模拟方法论，其研究目的是提供适当的方法，使人们能

借助计算机逐步达到人工智能的较高目标。

3. 计算思维的概念

计算思维代表着一种普遍的认识和一类普适的技能，不仅仅是计算机科学家，每个人都

应该关心它的学习和运用。

（1）什么是计算思维？

1972 年图灵奖得主艾兹格·W·迪科斯彻说：“我们使用的工具影响着我们的思维方式

和思维习惯，从而也将深刻地影响我们的思维能力。”计算工具从古代的算筹、算盘发展到

近代的加法器、计算器，一直到现代的电子计算机，确实在一定程度上影响了人类的思维方

式。计算思维成为各个专业求解问题的一条基本途径。

2006 年 3 月，美国原卡耐基梅隆大学计算机科学系主任周以真（Jeannette M. Wing）

在美国计算机权威期刊 Communications of the ACM 上提出并定义了计算思维

（Computational Thinking）。她认为，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。

① 求解问题中的计算思维。利用计算手段求解问题的过程是：首先，把实际的应用问

题转化为数学问题；其次，建立模型、设计算法；第三，编程实现；最后，在实际的计算机

中运行并求解。前两步是计算思维中的抽象，后两步是计算思维中的自动化。

② 设计系统中的计算思维。任何自然系统和社会系统都可视为一个动态演化系统，当

动态演化系统抽象为离散符号系统后，就可以采用形式化的规范描述、建立模型、设计算法

和开发软件来揭示演化的规律，实时控制系统的演化并自动执行。

③ 理解人类行为中的计算思维。计算思维是基于可计算的手段，以定量化的方式进行

的思维过程。利用计算手段来研究人类的行为，即通过各种信息技术手段，设计、实施和评

估人与环境之间的交互。

4. 计算思维的特征

（1）是概念化，不是程序化。像计算机科学家那样去思维意味着远不止能为计算机编

程，还要求能在抽象的多个层次上思维。

2022 年山东省专升本《新一代信息技术》

（2）是根本的，不是刻板的技能。计算思维是一种根本技能，是每个人为了在现代社

会中发挥职能所必须掌握的。刻板的技能意味着简单的机械重复。每个人应该在接受解析能

力培养的时候，像学会读、写、算一样，学会计算思维。

（3）是人的，不是计算机的思维。计算机之所以能求解问题，是因为人将计算思维的

思想赋予了计算机。例如，递归、迭代等思想都是在计算机发明之前人类早已提出的，人类

将这些思想赋予计算机后，计算机才能进行这些计算。一旦有了计算设备，人们不仅可以加

快计算速度，还可以用自己的智慧去让计算设备解决那些计算时代之前不敢尝试的问题。

（4）是数学和工程思维的互补与融合。计算机科学在本质上源自数学思维，因为像所

有的科学一样，其形式化基础建筑于数学之上。计算机科学又从本质上源自工程思维，因为

人们建造的是能够与实际世界互动的系统。基本计算设备的限制迫使计算机科学家必须计算

性地思考，而不能只是数学性地思考。构建虚拟世界的自由使人们能够设计超越物理世界的

各种系统。

（5）是思想，不是人造物。不只是我们生产的软件、硬件等人造物将以物理形式到处

呈现并时时刻刻触及我们的生活，更重要的是还将有被人们用以接近和求解问题、管理日常

生活、与他人交流和互动的计算概念。

（6）面向所有人、所有地方。当计算思维真正融入人类活动的整体时，它将成为人们

的一种普通的认识和一类普适的能力，人们像运用读、写、算能力一样，在需要的时候自然

地运用计算思维这一解决问题的有效工具。

5. 计算思维的本质

计算思维的本质是抽象和自动化。它反映了计算的根本问题，即什么能被有效地自动

进行。计算是抽象的自动执行，自动化需要某种计算机去解释抽象。

从操作层面上讲，计算就是如何寻找一台计算机去求解问题，即要确定合适的抽象，实

现问题的可计算化；自动化是最终目标，就是选择合适的计算机去解释执行该抽象，让机器

去做计算的工作，把人脑解放出来。

1.2 计算思维的应用领域

计算思维作为一种基本技能和普适思维方法，不仅渗透进每个人的生活，让人们学会如

何分析、解决问题，还影响了其他学科的发展，形成了一系列新的学科分支。

1. 计算生物学

计算生物学是指开发和应用数据分析及理论的方法、数学建模、计算机仿真技术等，用

于生物学、行为学和社会群体系统的研究的一门学科。计算生物学的最终目的并非测序，而

是运用计算机的思维解决生物问题，用计算机的语言和数学的逻辑构建和描述并模拟出生物

世界。

2. 计算神经科学

计算神经科学是使用数学分析和计算机模拟的方法在不同水平上对神经系统进行模拟

和研究：从神经元的真实生物物理模型、它们的动态交互关系以及神经网络的学习，到脑的

组织和神经类型计算的量化理论等，从计算角度理解脑，研究非程序的、适应性的、脑风格

的信息处理的本质和能力，探索新型的信息处理机理和途径，从而创造脑。它的发展将对智

能科学、信息科学、认和科学、神经科学等产生重要影响。

剩余37页未读，继续阅读

评论收藏

内容反馈

版权申诉

爱睡觉的小Meng

粉丝: 2404
资源: 32

计算思维+虚拟现实+云计算+物联网+大数据+区块链+算法+非关系数据库.pdf

从脑科学看物联网、云计算、大数据关系.pdf

【2019】东莞市大数据协会-区块链与云计算、大数据、物联网、人工智能等前沿技术之间的相互作用.pdf

5G+物联网+云计算+大数据+人工智能 (2).html

物联网+云计算+大数据+人工智能的关系.pdf

大数据与云计算技术分享 物联网和云计算 共57页.ppt

G物联网车联网智慧医疗大数据区块链PPT课件.pptx

G物联网车联网智慧医疗大数据区块链学习教案.pptx

G物联网车联网智慧医疗大数据区块链PPT学习教案.pptx

物联网,区块链和大数据之间的关系.pdf

智慧城市建设的奠基石——云计算、大数据和物联网.pdf

物联网、云计算与大数据.pptx

大数据与云计算和物联网的关系.pdf

东莞市大数据协会-区块链与云计算、大数据、物联网、人工智能等前沿技术之间的相互作用.pdf

基于物联网技术的交通大数据系统研究.pdf

基于物联网的海洋生产大数据云计算系统.pdf

区块链+物联网.pdf

走近云计算、大数据与物联网.pptx

大数据及云计算和物联网的关系.pdf

物联网+云计算+大数据智慧校园一体化管理平台方案.pptx

北邮大三上2022年《算法设计与分析》期末试题-A卷

2019city.zip

计算机毕业设计答辩PPT模板（11套）.zip

1000套计算机毕业设计带源码

计算机统考408思维导图xmind

计算机组成原理唐朔飞ppt

头歌实践教学平台 MIPS流水CPU设计---HUST

【浏览器插件】AdGuard 广告拦截器.zip

计算机理论问答集锦包括OS、计算机组成原理等课程

AAAI2023 会议论文集合（Oral）

最新资源

大数据与云计算技术分享物联网和云计算共57页.ppt