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大学计算机 读者对象:本书适用于高等学校师生
本书共分17章。第1-2章通过趣味示例使读者体验计算思维的魅力, 把握计算思维的本质。第3-4章通过简单示例使读者理解机器如何能够自动执行程序。第5-6章通过跟随练习使读者体验程序构造的基本手段。第7章简明介绍了计算机语言与程序编写。第8章从资源管理的视角, 使读者理解复杂计算环境, 这也是计算思维在管理领域的应用。第9章介绍问题求解与算法, 这是计算与计算机的灵魂。第10-12章引导读者探索数据化思维, 第13-15章引导读者探索网络化思维, 第16-17章引导读者探索机器学习与人工智能。
战德臣,博士,哈尔滨工业大学二级教授 博士生导师、计算学部教学委员会主任。国家“万人计划”教学名师。黑龙江省普通高等学校在线教学指导委员会副主任兼秘书长;教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会委员。 获***教学成果一等奖1项,首届国家教材建设奖优秀教材二等奖1项,省级教学成果特等奖3项、一等奖4项。高校计算机专业优秀教师奖励计划获奖者。获省级科技进步一等奖1项、二等奖3项。2门国家精品在线开放课程暨首批***一流课程负责人,教育部虚拟教研室(计算思维导论课程虚拟教研室)负责人。其开放的慕课累计选修人数已超130万人,60余所大学基于其慕课推动了本校课程教学改革。受教指委、慕课联盟及200余所大学邀请,作特邀报告或专场报告450余场 第 1章 什么是计算思维? 1.1 趣味故事“用小白鼠检验毒水瓶”? 1.2 什么是计算思维? 1.2.1 二进制思维 1.2.2 二分法-人类普遍应用的思维 1.2.3 过程化与符号变换思维 1.2.4 计算思维的概念 1.3* 扩展学习:计算思维的价值在哪里? 1.3.1 0和1及其特性 1.3.2 偶校验:判断数据传输有无错误 1.3.3 类比小白鼠问题判断哪一位出错 1.4 基础知识:进位制及其相互转换 1.4.1 二进制、十进制与r进制 1.4.2 进位制之间的相互转换 1.5 计算之树-大学计算思维教育空间 1.6 为什么要学习和怎样学习计算思维? 1.6.1 为什么:设计、构造和应用典型的计算工具是重要创新,需要计算思维 1.6.2 怎样学:了解认知学习的不同深度 1.6.3 怎样学:对比-联想式学习方法
第 2章 计算思维基础:0和1与 逻辑 2.1 用0和1表示万事万物 2.1.1 用0和1进行编码 2.1.2 用0和1表示英文字母与符号 2.1.3 用0和1表示中文文字 2.1.4 用0和1表示图像 2.1.5习与练:识别0 1串表示的语义 2.1.6 扩展学习:用0和1表示万事万物 2.2 用0和1 与 逻辑表达计算 2.2.1 基本逻辑运算:与、或、非、异或 2.2.2 基于0和1表达的逻辑运算 2.2.3 习与练:应用逻辑运算表达复杂计算关系 2.3 用0和1 与 逻辑实现自动化 2.3.1 用开关性元件实现基本逻辑运算 2.3.2 用另一种符号表达逻辑运算 2.3.3 习与练:应用逻辑运算识认电子电路 2.4 为什么要学习和怎样学习本章内容 2.4.1 为什么:符号化-计算化-自动化思维是计算机最本质的思维模式 2.4.2 怎样学:习练式学习方法
第3章 计算思维基础:0和1与机器程序 3.1 如何让机器自动计算一个多项式? 3.2 用0和1表达机器中的数据:机器数 3.2.1 机器存储数据的一些限制 3.2.2有符号数及符号的表达 3.2.3 扩展学习:小数点的表达 3.2.4 扩展学习:减法是可以用加法实现的 3.3 用0和1表达机器能够完成的动作(指令):一种形式的编码 3.3.1 机器指令的概念与作用 3.3.2 习与练:在一段程序中识别指令 3.4 用0和1表达机器程序 3.4.1 习与练:读一读机器程序 3.4.2 习与练:改一改机器程序 3.5 基础知识:机器语言、汇编语言与高级语言 3.6 为什么要学习和怎样学习本章内容 3.6.1 为什么:数据、指令和程序是计算思维最基本的内容 3.6.2 怎样学:体验式学习方法
第4章 机器程序的执行 4.1 机器数据和机器程序的保存与读写:存储器 4.1.1 存储单元:存储地址与存储内容之区分 4.1.2 习与练:读一读存储器中的程序与数据 4.2 从概念层面理解机器程序的执行 4.3 从内部结构层面理解机器程序的执行 4.3.1 运算器:实现基本运算的部件 4.3.2 控制器:机器程序的解读与执行部件 4.3.3 一台完整的计算机 4.3.4 扩展学习:信号传递次序的控制-时钟与节拍 4.4 从动态执行过程层面理解机器程序的执行 4.4.1 机器指令的执行:取指令与执行指令 4.4.2 习与练:场景中模拟机器程序的执行 4.4.3 习与练:场景中模拟机器程序的执行 4.5 为什么要学习和怎样学习本章内容 4.5.1 为什么:学习计算机首先要理解机器程序是如何被执行的 4.5.2 怎样学:场景理解式学习方法
第5章 程序构造是一种计算思维 5.1 表达程序的一种简单方法:数值与运算组合式 5.1.1 一种简单的语言:运算组合式 5.1.2 习与练:用“运算组合式”进行组合构造训练 5.2 程序构造基本:命名计算对象 5.2.1 计算对象的命名、再构造与计算执行 5.2.2 习与练:计算对象的命名、再构造与计算执行 5.3 程序构造基本:定义新运算 新过程 5.3.1 定义新运算符—即新的运算(或新的过程) 5.3.2 习与练:新运算符的定义、使用与计算执行 5.3.3 运算组合式的两种计算模式 5.4* 扩展学习:复杂程序的构造 5.4.1 运算组合式中条件的表达方法 5.4.2 习与练:用条件运算组合式构造复杂的程序 5.5 为什么要学习和怎样学习本章内容 5.5.1 为什么:程序是体现计算系统千变万化功能的表达手段 5.5.2 怎样学:练中学与学中练
第6章 程序的基本构造手段:递归与迭代 6.1 一些需要递归表达的示例 6.2 计算中的递推式与递归函数 6.2.1 递推式与递归函数的概念 6.2.2 习与练:体验递归函数的构造魅力 6.3 体验两种不同递归函数的魅力 6.3.1 习与练:体验两种递归函数的计算过程 6.3.2 两种递归函数的计算过程分析 6.4 习与练:递归与迭代的运用 6.4.1 语言语法要素的递归定义及运用 6.4.2 汉诺塔—一种似乎只能用递归求解的问题 6.5* 扩展学习:递归程序的执行过程 6.5.1实现阶乘运算的递归程序和迭代程序执行过程比较 6.5.2 实现斐波那契数列的递归程序和迭代程序执行过程比较 6.6 为什么要学习和怎样学习本章内容 6.6.1 为什么:递归和迭代是表达机器重复执行动作的基本方法 6.6.2 怎样学:模拟式学习方法
第7章 程序编写:计算思维与计算机语言 7.1 一个高级语言程序设计的示例及分析 7.2 高级语言程序的基本要素 7.2.1 常量、变量与赋值语句 7.2.2 算术表达式、比较表达式与逻辑表达式 7.2.3 分支结构控制语句IF 7.2.4 有界循环结构控制语句FOR 7.2.5 条件循环结构控制语句DO WHILE 7.2.6 函数结构语句 7.2.7 系统函数及其调用 7.2.8 几种计算机语言的程序基本要素书写规范比较 7.3 习与练:用高级语言编写程序 7.3.1 基本表达式及赋值语句的书写练习 7.3.2 基本程序控制语句的书写练习 7.3.3 啤酒瓶问题求解的程序设计 7.3.4 差分计算多项式的程序设计:迭代法 7.3.5 阅读并模拟执行高级语言程序 7.4 为什么要学习和怎样学习本章内容 7.4.1 为什么:计算机语言是人与机器交流的工具 7.4.2 怎样学:编程序与读程序
第8章 理解复杂计算环境:计算思维与管理 8.1基本的计算环境:存储体系 8.1.1 不同类型的存储器? 8.1.2 不同类型的存储器需组合使用,实现性能-价格的优化 8.1.3 现代计算机的基本计算环境 8.2 计算环境的管理者:操作系统 8.2.1 操作系统的作用 8.2.2 “分工-合作-协同”思维理解操作系统 8.3 习与练:存储资源的化整为零与还零为整 8.3.1 一个化整为零的示例 8.3.2 磁盘与文件管理 8.3.3 进一步理解化整为零与还零为整 8.4* 扩展学习:现代计算机的演进与发展 8.4.1 了解操作系统管理CPU的方式 8.4.2 现代计算机的演进与发展 8.5 为什么要学习和怎样学习本章内容 8.5.1为什么:由理解“计算资源的管理”到理解“社会资源的管理” 8.5.2怎样学:化复杂为简单
第9章 问题求解策略与算法表达:计算思维与算法 9.1 问题求解与算法:两个问题的引出 9.2 算法及其基本表达方法 9.2.1 一种问题求解思维及算法的概念 9.2.2 类自然语言表达法 9.2.3 算法流程图(程序流程图) 9.2.4 伪代码表达法(更高要求) 9.2.5 习与练:基本算法的表达 9.3 问题求解策略:遍历策略与贪心策略 9.3.1 遍历策略 9.3.2 贪心策略 9.3.3 习与练:遍历策略求解背包问题与TSP问题 9.3.4 习与练:贪心策略求解背包问题与TSP问题 9.4* 习与练:问题求解策略与算法表达 9.4.1 TSP问题求解的算法表达 9.4.2 背包问题求解的算法表达 9.5 为什么要学习和怎样学习本章内容 9.5.1为什么:所有的计算问题都体现为算法 9.5.2怎样学:阅读算法、表达算法与构造算法
第 10章 数据管理思维也是一种计算思维 10.1 数据与数据管理 10.2 数据的基本形态:表与关系 10.2.1 熟悉“表”及其相关的术语 10.2.2 习与练:深入理解“表 关系”的特性 10.3 数据表的基本操作:关系操作 10.3.1 熟悉“表”的基本操作:关系操作 10.3.2 习与练:用关系操作及其组合操纵数据 10.4* 扩展学习:关系及关系代数 10.4.1 关系:“表”的数学定义 10.4.2 关系代数:“表”操作的数学定义 10.5 为什么要学习和怎样学习本章内容 10.5.1为什么:数据管理需要抽象、理论和设计 10.5.2怎样学:理解-区分-命名-表达
第 11章 数据库系统与数据库语言 11.1 数据库系统与数据库管理系统 11.1.1 数据库系统 11.1.2 关系数据库管理系统的基本思维模式 11.2 关系数据库语言SQL 11.2.1 由关系模型初步认识SQL 11.2.2 SQL语言总体概览 11.2.3 熟悉建立数据库的SQL语句 11.2.4 习与练:利用SQL语言建立数据库 11.3 习与练:用SQL语言进行数据查询 11.3.1 熟悉SELECT-FROM-WHERE-ORDER BY语句 11.3.2 习与练:用SELECT-FROM-WHERE-ORDER BY进行数据查询 11.4 习与练:用SQL语言进行数据统计计算 11.4.1 熟悉SELECT-FROM-WHERE-GROUP BY语句 11.4.2 习与练:用SELECT-FROM-WHERE-GROUP BY语句进行统计计算 11.5* 扩展学习:用SQL语言进行复杂查询 11.5.1 熟悉子查询 11.5.2 利用子查询进行复杂查询 11.6* 扩展学习:数据库管理系统的功能 11.7 为什么要学习和怎样学习本章内容 11.7.1为什么:数据管理首先要能操纵“表” 11.7.2怎样学:案例式学习
第 12章 数据与社会:数据也是生产力 12.1 什么是大数据 12.2 数据分析示例:多维数据分析 12.2.1 一个例子:超市数据库 12.2.2 熟悉最基本的数据分析方法—二维交叉表 12.2.3 由二维数据分析发展为多维数据分析 12.3 数据挖掘示例:“炒股不看股盘看微博” 12.3.1 啤酒与尿布的故事 12.3.2 理解一些基本概念 12.3.3 由事务数据库挖掘关联规则---数据挖掘示例 12.3.4 还能挖掘什么样的规则? 12.3.5 还能从哪些形式数据中挖掘? 12.4 大数据与社会 12.4.1 大数据运用的一个例子 12.4.2 大数据价值发现:不一样的思维 12.4.3 大数据的隐私问题 12.5* 扩展学习:大数据的管理 12.5.1 大数据管理:由结构化到非结构化 12.5.2 各种资源聚集成库 12.6 为什么要学习和怎样学习本章内容 12.6.1 为什么:大数据改变了人的观念,不可能的也许就是可能 12.6.2 怎样学习:思维上要浮想联翩,技术上要不求甚解
第 13章 网络化社会基础:计算机网路 13.1 计算机网络-社会互联的基础 13.1.1 通讯基础 13.1.2 协议、分层与不同的编解码器 13.1.3 计算机网络的分类 13.2 对比邮政网络,理解计算机网络 13.2.1 解剖邮政网络 13.2.2 对比邮政网络,理解计算机网络中的有关层次及概念 13.3* 扩展学习:TCP IP不同层次协议的简要解析 13.3.1 网络层协议(IP层)---对应收发邮局层 13.3.2 应用层协议---对应发件人 收件人层 13.3.3 传输层协议---对应聚集点 分送点层 13.3.4 数据链路层---对应发送站点 接收站点层 13.3.5 物理层---对应运输层 13.4 为什么要学习和怎样学习本章内容 13.4.1 为什么:互联互通是信息社会的高级阶段 13.4.2 怎样学习:类比分析式学习法
第 14章 信息网络:信息组织与信息传播的基本思维 14.1 机器成为信息的新载体,互联网成为信息传播的新手段 14.2 标记语言:信息网络构建的基础
14.2.1 熟悉信息网络中一种广泛应用的语言:标记语言 14.2.2 万维网(World Wide Web)的基本思维 14.3 无限资源库的发掘和利用 14.3.1 网络自动搜索--搜索引擎 14.3.2 互联网半 非结构化数据管理:XML 14.3.3* 扩展学习:半 非结构化数据(文档)的查找与搜索 14.3.4* 扩展学习:互联网网页排序的基本思维:PageRank 14.4 为什么要学习和怎样学习本章内容 14.4.1 为什么:互联网的智能化基础 14.4.2 怎样学习:内容驱动的技术学习
第 15章 网络与社会:互联的世界 15.1 互联网的创新思维 15.1.1 大众产生内容,大众创造价值 15.1.2 大众开发软件,大众消费软件,大众创造价值 15.1.3 由购买转为租用,由销售转为出租:“云计算 云服务” 15.2 “互联网+”的创新思维 15.2.1 什么是“互联网+” 15.2.2 基于物联网的产品全生命期服务:不卖产品卖服务 15.2.3 万般皆服务与共享经济 15.2.4 智慧地球与国家人工智能规划 15.3 网络化与社会:问题与挑战 15.4 为什么要学习和怎样学习本章内容 15.4.1 为什么:自动化-网络化-智能化是发展趋势 15.4.2 怎样学习:“不怕做不到,只怕想不到”
第 16章 机器学习:使机器具有智能 16.1 初识机器学习 16.2 机器学习的相关概念 16.2.1 样本 16.2.2 模型 16.2.3 训练 16.2.4 测试 16.3 机器学习的一般过程 16.3.1机器学习问题的定义 16.3.2 机器学习模型的选择 16.3.3 特征提取与特征选择 16.3.4 调试和开发(调优) 16.4 统计机器学习与深度学习 16.4.1 统计机器学习:基于统计信息的特征表示 16.4.2 统计机器学习:基于数据统计的机器学习 16.4.3 深度学习:基于自动学习的特征表示 16.4.4 深度学习:基于神经网络的机器学习 16.5 机器学习与智能 16.5.1 机器学习的“过人之处” 16.5.2 机器学习的应用场景及案例
第 17章 人工智能 17.1 什么是人工智能? 17.2 人工智能的流派 17.2.1 符号主义 17.2.2 连接主义 17.2.3 行为主义 17.3 人工智能的研究方向 17.3.1 搜索 17.3.2 专家系统 17.3.3 计算机视觉 17.3.4 语音识别 17.3.5 自然语言处理 17.3.6 多智能体 17.4 人工智能+X 17.4.1 智慧城市 17.4.2智慧农业 17.4.3智慧交通 17.4.4智慧医疗
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