计算思维与大数据基础

本书紧跟计算机技术发展潮流，是计算思维通识教育类课程的近期新教材，以“基础性、系统性、优选性、通俗易懂”为指导思想，将蕴含在计算机学科中的经典计算思维和信息时代人们应具备的大数据、互联网和人工智能等新思维、新技术进行了全面介绍。本书充分吸收计算机领域的新知识、新技术、新方法和“四新”人才培养目标，对非计算机专业计算机公共课的基本教学内容进行了面向计算思维培养的组织与构建，通过丰富示例引导读者思考，讲解清晰，通俗易懂，可读性好。

本书紧跟计算机技术发展潮流，是计算思维通识教育类课程的近期新教材，以“基础性、系统性、优选性、通俗易懂”为指导思想，将蕴含在计算机学科中的经典计算思维和信息时代人们应具备的大数据、互联网和人工智能等新思维、新技术进行了全面介绍。本书共分为7章，主要内容包括计算与计算思维；计算机中的0与1；计算机硬件系统组成及工作原理；计算机软件、语言与算法；互联网与物联网；数据科学与大数据技术和人工智能。本书充分吸收计算机领域的新知识、新技术、新方法和“四新”人才培养目标，对非计算机专业计算机公共课的基本教学内容进行了面向计算思维培养的组织与构建，通过丰富示例引导读者思考，讲解清晰，通俗易懂，可读性好。本书适合高等学校非计算机专业作为计算机课程的教材使用，同时也可供对计算机感兴趣的读者自学使用。

第1章计算与计算思维1
1.1计算思维的发展1
1.1.1计算工具的发展演变1
1.1.2现代计算机计算环境的发展变迁5
1.1.3计算思维的传承与发展6
1.1.4从“国王的婚姻”略识计算思维8
1.2计算思维迎接新时代9
1.2.1科学研究范式的转变9
1.2.2教育部“四新”建设人才培养10
1.2.3计算思维在“四新”建设中的地位与作用12
1.2.4新时代的计算思维特征13
1.2.5计算思维求解15
1.3大数据时代计算思维17
1.3.1总体思维17
1.3.2容错思维18
1.3.3相关思维19
1.4本章小结20
思考题20
第2章计算机中的0和122
2.1计算机中为什么是0和122
2.1.10和1的追溯22
2.1.2计算机选择了0和123
2.1.30和1的思维24
2.2数制和数制的相互转换25
2.2.1数制的有关概念25
2.2.2常用进位计数制26
2.2.3数制的相互转换27
2.30和1的运算29
2.3.1逻辑运算29
2.3.2算术运算30
2.40和1的电路实现31
2.4.1基本逻辑电路31
2.4.2基本逻辑部件32
2.50和1信息呈现33
2.5.1数值信息呈现33
2.5.2文本信息呈现35
2.5.3图形图像信息呈现39
2.5.4音频信息呈现42
2.5.5视频信息呈现44
2.6本章小结46
思考题47
第3章计算机硬件系统组成及工作原理50
3.1图灵机模型与冯·诺依曼计算机模型50
3.1.1图灵机——计算机的理想模型50
3.1.2冯·诺依曼计算机——现代计算机的结构框架52
3.2认识计算机硬件系统53
3.2.1中央处理器53
3.2.2存储器54
3.2.3输入/输出系统55
3.2.4微型计算机硬件系统组成及主要性能指标55
3.3计算机的工作原理62
3.3.1指令及指令系统62
3.3.2指令的执行过程63
3.3.3计算机的基本工作原理64
3.4计算机硬件构造中的计算思维67
3.5本章小结67
思考题68
第4章计算机软件、语言与算法69
4.1计算机软件69
4.1.1指令、程序与软件69
4.1.2计算机软件的分类69
4.1.3操作系统71
4.2计算机语言74
4.2.1计算机语言概述74
4.2.2热门编程语言排行榜75
4.2.3编程语言的基本元素78
4.3算法及常用算法举例80
4.3.1算法概述80
4.3.2算法的表示方法82
4.3.3结构化程序设计——控制结构84
4.3.4模块化程序设计——函数88
4.3.5常用算法举例90
4.4本章小结95
思考题95
第5章互联网与物联网97
5.1互联网之基础——计算机网络97
5.1.1计算机网络的产生与发展97
5.1.2计算机网络的组成98
5.1.3计算机网络的功能101
5.1.4计算机网络的分类102
5.1.5计算机网络协议105
5.1.6计算机网络的体系结构106
5.2互联网109
5.2.1什么是互联网109
5.2.2互联网的诞生和发展109
5.2.3互联网在我国的发展110
5.2.4互联网协议TCP/IP111
5.2.5互联网中IP地址114
5.2.6互联网的应用117
5.2.7互联网网络安全118
5.3物联网122
5.3.1什么是物联网122
5.3.2物联网关键技术123
5.3.3物联网的应用124
5.4本章小结126
思考题127
第6章数据科学与大数据技术128
6.1数据与数据科学128
6.1.1数据的定义128
6.1.2数据科学128
6.2大数据131
6.2.1什么是大数据131
6.2.2大数据的特点132
6.2.3大数据的构成135
6.3大数据技术137
6.3.1数据采集与预处理138
6.3.2数据存储及管理143
6.3.3数据可视化149
6.4本章小结155
思考题155
第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
7.1.2什么是人工智能156
7.1.3人工智能的分类158
7.1.4人类智能与人工智能159
7.1.5人工智能的流派162
7.2人工智能发展历史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发展期（1970-1980年）168
7.2.4综合集成期（1980年至今）170
7.3人工智能的研究内容171
7.3.1智能感知171
7.3.2智能推理174
7.3.3智能行动176
7.4本章小结182
思考题182
参考文献183