本书探索新工科人才培养的要求与理念,既强调核心的计算机基础知识,培养计算思维,又训练学生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过程。本书系统地介绍计算机科学与技术的基本概念,深入浅出地阐述计算机科学与技术领域的基本原理和基本方法,可以让学生学会计算机的基本操作,掌握计算机的基本原理、知识、方法和解决实际问题的能力,具备较强的信息系统安全与社会责任意识,为后续课程的学习打下必要的基础。
全书由绪论、信息技术基础理论篇和计算机应用技术篇组成。信息技术基础理论篇分为4章,主要内容包括计算机基础知识、Windows 10操作系统、计算机网络基础、应用创新与新技术。计算机应用技术篇分为8章,主要介绍’Word、Excel、PowerPoint、Visio、Photoshop、Flash、Dreamweaver等常见应用软件的使用。
本书适合作为高等院校计算机基础课程的教材,也可作为计算机等级考试的自学用书。
1 计算思维
自周以真于2006年在美国ACM(Association for(]omputing Machi:fleYy,国际计算机学会)通讯上提出计算思维以来,计算思维的概念已经逐步渗透到大学的专业和非专业教学内容,并进一步延伸到中学和小学,成为新时代公民教育中像语言、算术那样必不可少的基本素质。
随着大数据、人工智能等领域的兴起,计算思维的深刻内涵被进一步挖掘。到了2020年,人们对于计算思维的认识,无论从概念内容上,还是从应用实践上,都已经有了新的飞跃。
0.1.1 计算思维的概念
什么是计算思维?这是计算思维本的问题,对于它的研究也一直没有停止。2006年,周以真在介绍计算思维时,表述为“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”。请思考以下问题:
·“计算机”的思维:计算机是如何工作的?计算机的功能是如何越来越强大的?
·利用计算机的思维:现实世界的各种事物如何利用计算机来进行控制和处理?
计算思维(cc)mputal:ional Thinking)是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为,其本质是抽象和自动化。
计算思维的学习,不仅仅是会不会用计算机的问题,而是会不会利用计算思维来解决身边的或社会、自然的问题。
现代计算是所有科学的研究范式之一,区别于理论和实验,所有的学科都面临算法化的“巨大挑战”,所有涉及自然和社会现象的研究都需要使用计算模型做出新发现和推进学科发展。各种各样的计算模拟技术为研究生命体的发育、成长、竞争、进化等提供了崭新的视角和丰富的成果。1975年,诺贝尔生理学或医学奖得主D.’Baitimor-e认为生物学是信息科学。事实上,计算思维正在改变着所有学科的面貌。这种改变的源头不是从计算机科学输入的,而是学科自身的发展从内部产生的,计算机科学只是跟随这些学科的发展而发展,并为其他的学科发展提供新的算法设计理论和计算应用武器。因此从起源来讲,计算思维不是唯一来自计算机科学的,而是来自于所有学科的。尽管前期的计算思维已经萌芽和发育,但是直到2006年,周以真在ACM。通讯上发表了题为《计算思维》的文章,计算思维才正式作为一种研究对象受到人们的重视,进入学科殿堂。联合国教科文组织在2019年发布的《人工智能教育报告》中写道:虽然计算思维明显属于计算机科学领域,但它是一种在其他学科中普遍应用的能力。2018年出版的阐述中国计算机教育发展与改革的《计算机教育与可持续竞争力》(简称“蓝皮书”)写道:计算思维是以信息和信息运动为认知对象和操作对象的思想及方法论,因此是涵盖所有学科的第三种思维范式。
各种各样的计算思维定义:
·“计算思维能力是抽象思维能力和逻辑思维能力,算法设计与分析能力,程序设计与实
现能力,计算机系统的认知、分析、设计和应用能力”。
·“计算思维并不是仅仅为计算机编程,而是在多个层次上抽象的思维,是一种以有序编
码、机械执行和有效可行方式解决问题的模式。”
·“计算思维是一个思想过程,涉及描述问题使得它们的解决能够通过计算步骤和算法,
被信息处理装置有效实现,计算模型是核心概念。”
美国国际计算机教师协会(IsTE)将计算思维定义为具有以下特征的问题解决过程:以一种能够使用计算机和其他工具制订解决问题的方案,合理组织和分析数据,通过模型和模拟等抽象手段表示数据,通过算法思维(一系列有序步骤)实现解决方案的自动化,分析和评价解决方案以实现效的过程和资源组合,将问题解决方案和过程迁移到其他类型的问题。
《计算机教育与可持续竞争力》一书中提出:“计算思维是以信息的获取和有效计算,进行算法求解、系统构建、自然与人类行为理解为主要特征,实现认知世界和解决问题的思想与方法。”
欧洲信息联盟主席E.Nardelli在2019年的AcM通讯上发文提出:计算思维是涉及建立计算模型,并且使用计算设备可以有效操作以达到某种目标的思维过程,如果没有计算模型和有效计算,就仅仅是数学。
近十几年来,随着对于计算思维理论的深入研究,以及实践应用的经验增长,关于计算思维的本质内涵也有了越来越深刻的认识,上面举出的对于计算思维定义的演进过程也说明了这一点。计算思维不仅仅是计算机科学家解决问题的思想方法,也是所有科学家在使用计算时所具有的思维模式,它的关键是计算模型,而在物理学、生物学等不同的学科里,计算模型具有不同的形式和性质。计算思维是覆盖所有学科的思维模式,并且在不同学科中有不同的表现和内容。计算思维不是从计算机科学输入到其他科学的,而是在每一个学科里,都蕴含着丰富的计算思维内容,我们的任务是把它开发出来。
O.1.2计算思维2.O的新内容
随着大数据、人工智能等的发展,计算思维有了新的内涵。2017年,【)enning在《科学美国人》上发表的文章指出,计算思维质的概念是计算模型。作为现代科学,模型是十分重要和基础的,所有学科的研究都是在一个或者几个模型架构上展开的,即使对于社会科学和人文科学也是如此。当然不同的学科对于模型的结构和性质是不同的,仅就计算而言,传统的物理学主要依赖于确定的和非确定的计算模型,人工智能却主要依赖各种学习模型,而社会科学则更多使用统计计算模型。2011年,图灵奖得主J.Pearl多次论述过模型在科学研究中的重要性。古代巴比伦和希腊在天文学的研究中都取得了的成就,但是巴比伦人更多的是现象的......
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