計算思維與大數據基礎

本書緊跟電腦技術發展潮流，是計算思維通識教育類課程的最新教材，以“基礎性、系統性、先進性、通俗易懂”為指導思想，將蘊含在電腦學科中的經典計算思維和信息時代人們應具備的大數據、互聯網和人工智能等新思維、新技術進行了全面介紹。本書共分為 7 章，主要內容包括計算與計算思維；電腦中的 0 與 1；電腦硬件系統組成及工作原理；電腦軟件、語言與算法；互聯網與物聯網；數據科學與大數據技術和人工智能。本書充分吸收電腦領域的新知識、新技術、新方法和“四新”人才培養目標，對非電腦專業電腦公共課的基本教學內容進行了面向計算思維培養的組織與構建，通過豐富示例引導讀者思考，講解清晰，通俗易懂，可讀性好。本書適合高等學校非電腦專業作為電腦課程的教材使用，同時也可供對電腦感興趣的讀者自學使用。

尹建新，浙江農林大學，副教授，主要從事計算機基礎教學與研究，研究方向：圖像處理與模式識別，主持省部級科研項目多項，發表學術論文多篇，主編教材5部。

1 章　計算與計算思維1
1．1　計算思維的發展1
1．1．1　計算工具的發展演變1
1．1．2　現代計算機計算環境的發展變遷5
1．1．3　計算思維的傳承與發展6
1．1．4　從“國王的婚姻”略識計算思維8
1．2　計算思維迎接新時代9
1．2．1　科學研究範式的轉變9
1．2．2　“新”建設人才培養10
1．2．3　計算思維在“新”建設中的地位與作用12
1．2．4　新時代的計算思維特徵13
1．2．5　計算思維求解15
1．3　大數據時代計算思維17
1．3．1　總體思維17
1．3．2　容錯思維18
1．3．3　相關思維19
1．4　本章小結20
思考題20
2 章　計算機中的 0 和 122
2．1　計算機中為什麼是 0 和 122
2．1．1　0 和 1 的追溯22
2．1．2　計算機選擇了 0 和 123
2．1．3　0 和 1 的思維24
2．2　數制和數制的相互轉換25
2．2．1　數制的有關概念25
2．2．2　常用進位計數制26
2．2．3　數制的相互轉換27
2．3　0 和 1 的運算29
2．3．1　邏輯運算29
2．3．2　算術運算30
2．4　0 和 1 的電路實現31
2．4．1　基本邏輯電路31
2．4．2　基本邏輯部件32
2．5　0 和 1 信息呈現33
2．5．1　數值信息呈現33
2．5．2　文本信息呈現35
2．5．3　圖形圖像信息呈現39
2．5．4　音頻信息呈現42
2．5．5　視頻信息呈現44
2．6　本章小結46
思考題47
3 章　計算機硬件系統組成及工作原理50
3．1　圖靈機模型與馮?諾依曼計算機模型50
3．1．1　圖靈機―計算機的理想模型50
3．1．2　馮?諾依曼計算機―現代計算機的結構框架52
3．2　認識計算機硬件系統53
3．2．1　處理器53
3．2．2　存儲器54
3．2．3　輸入/輸出系統55
3．2．4　微型計算機硬件系統組成及主要性能指標55
3．3　計算機的工作原理62
3．3．1　指令及指令系統62
3．3．2　指令的執行過程63
3．3．3　計算機的基本工作原理64
3．4　計算機硬件構造中的計算思維67
3．5　本章小結67
思考題68
4 章　計算機軟件、語言與算法69
4．1　計算機軟件69
4．1．1　指令、程序與軟件69
4．1．2　計算機軟件的分類69
4．1．3　作系統71
4．2　計算機語言74
4．2．1　計算機語言概述74
4．2．2　熱門編程語言排行榜75
4．2．3　編程語言的基本元素78
4．3　算法及常用算法舉例80
4．3．1　算法概述80
4．3．2　算法的表示方法82
4．3．3　結構化程序設計―控制結構84
4．3．4　模塊化程序設計―函數88
4．3．5　常用算法舉例90
4．4　本章小結95
思考題95
5 章　互聯網與物聯網97
5．1　互聯網之基礎―計算機網絡97
5．1．1　計算機網絡的產生與發展97
5．1．2　計算機網絡的組成98
5．1．3　計算機網絡的功能101
5．1．4　計算機網絡的分類102
5．1．5　計算機網絡協議105
5．1．6　計算機網絡的體系結構106
5．2　互聯網109
5．2．1　什麼是互聯網109
5．2．2　互聯網的誕生和發展109
5．2．3　互聯網在我國的發展110
5．2．4　互聯網協議 TCP/IP111
5．2．5　互聯網中 IP 地址114
5．2．6　互聯網的應用117
5．2．7　互聯網網絡安全118
5．3　物聯網122
5．3．1　什麼是物聯網122
5．3．2　物聯網關鍵技術123
5．3．3　物聯網的應用124
5．4　本章小結126
思考題127
6 章　數據科學與大數據技術128
6．1　數據與數據科學128
6．1．1　數據的定義128
6．1．2　數據科學128
6．2　大數據131
6．2．1　什麼是大數據131
6．2．2　大數據的特點132
6．2．3　大數據的構成135
6．3　大數據技術137
6．3．1　數據採集與預處理138
6．3．2　數據存儲及管理143
6．3．3　數據可視化149
6．4　本章小結155
思考題155
7 章　人工智能156
7．1　人工智能概述156
7．1．1　人工智能的提出156
7．1．2　什麼是人工智能156
7．1．3　人工智能的分類158
7．1．4　人類智能與人工智能159
7．1．5　人工智能的流派162
7．2　人工智能發展歷史165
7．2．1　孕育期（1956 年以前）166
7．2．2　形成期（1956―1969 年）167
7．2．3　發展期（1970―1980 年）168
7．2．4　綜合集成期（1980 年至今）170
7．3　人工智能的研究內容171
7．3．1　智能感知171
7．3．2　智能推理174
7．3．3　智能行動176
7．4　本章小結182
思考題182
參考文獻183