计算机学科概论 第3版

1.俯瞰计算机学科，系统地介绍计算机学科最核心的基本知识，使学生在大学生活的开始就知道要构建一个什么样的知识体系，以及如何构建这个知识体系。 2.突出导引性质，介绍本学科的方法论以及科学的学习方法，使学生理解计算机学科的基本原理、根本问题以及解决问题的思维模式，明确怎样认识和学习计算机学科。 3.以历史和发展的观点介绍每一个主题，使学生能够领悟各主题的基本思想及其发展趋势，激发学习兴趣，为后续课程的学习打下伏笔。 4.知识粒度把握准确，知识拓扑结构科学，采取高级科普的深度定位和通俗易懂的语言，大量引用计算机行业的具体事例以及生活中的实例进行类比。 5.增加了工程认证的非技术要素，说明工程思维、环境与可持续发展、工程伦理、职业道德等非技术要素对工程师的意义，有效支撑工程认证的毕业要求。

本书是计算机及相关专业的入门教材，参照《普通高等学校计算机类本科专业教学质量国家标准》和《计算机类专业认证标准》编写。本书分为认识篇、系统篇、工程篇。认识篇从专业的角度认知计算机和计算机学科，为学习计算机学科提供正确的方法指导；系统篇以自底向上的方式讨论计算机可以做什么以及是如何做的，使学生了解学科富有智慧的核心思想；工程篇通过典型案例、工程伦理、法律法规，使学生形成工程思维和工程素养，明确计算机从业人员的行为规范和职业道德。 本书内容丰富，涉及面宽，涉及计算机科学与技术一级学科的几乎所有主题，有相当的深度和广度，可作为计算机及相关专业的入门教材，也可作为非计算机专业了解计算机学科的参考书。

第一部分认识篇

第1章认识计算机3

【情景问题】无处不在的计算机3

1.1计算机的史前史——计算工具的发展简史3

1.1.1手动式计算工具4

1.1.2机械式计算工具5

1.1.3机电式计算机7

1.1.4电子计算机8

1.2计算机的历史和未来9

1.2.1计算机的发展简史9

1.2.2计算机的发展趋势12

1.3什么是计算机14

1.3.1冯·诺依曼体系结构14

1.3.2计算机的工作原理15

1.3.3计算机的分类和特点16

1.4什么是计算机系统19

1.4.1系统科学与分层方法19

1.4.2计算机系统的分层结构20

阅读材料——中国计算机发展简史22

习题122

第2章认识计算机学科25

【情景问题】“计算作为一门学科”的存在性证明25

2.1什么是计算机学科26

2.1.1计算机学科的定义26

2.1.2计算机学科的知识体系26

2.1.3计算机学科的基本能力28

2.1.4计算机学科的胜任力30

2.2计算机学科的根本问题31

2.2.1图灵对计算本质的揭示31

2.2.2可计算问题与不可计算问题33

2.2.3易解问题与难解问题34

2.2.4NP问题与NP接近问题35

2.3计算机学科的科学问题36

2.3.1计算的平台与环境问题36

2.3.2计算过程的能行操作与效率问题38

2.3.3计算的正确性问题40

阅读材料——计算机学科的核心概念41

习题243

第二部分系统篇

第3章计算机的运算基础47

【情景问题】模拟数据与数字数据47

3.1数理逻辑基础47

3.1.1数理逻辑的起源和发展47

3.1.2命题代数与逻辑代数48

3.2二进制50

3.2.1进位计数制50

3.2.2二进制数和十进制数之间的转换51

3.3数字化原理——信息的编码53

3.3.1整数的编码53

3.3.2浮点数的编码54

3.3.3字符的编码55

3.3.4汉字的编码57

3.3.5声音的编码57

3.3.6图形和图像的编码58

3.3.7指令的编码59

3.4逻辑电路60

3.4.1门60

3.4.2组合电路61

3.4.3时序电路63

3.4.4集成电路63

3.5计算机部件64

3.5.1存储器64

3.5.2中央处理器CPU67

3.5.3输入/输出设备70

阅读材料——有名计算机奖项72

习题373

第4章程序设计基础77

【情景问题】七桥问题77

4.1问题求解与程序设计78

4.1.1程序设计的一般过程78

4.1.2程序设计的关键78

4.2数据表示——数据结构79

4.2.1基本的数据结构79

4.2.2数据结构的存储表示81

4.3程序的灵魂——算法82

4.3.1算法的重要性82

4.3.2算法的描述方法83

4.3.3算法分析84

4.4程序设计语言85

4.4.1程序设计语言的发展85

4.4.2程序设计语言的基本要素87

4.4.3程序设计的环境88

4.5翻译程序89

4.5.1翻译程序的工作方式89

4.5.2编译程序的基本过程90

阅读材料——几种经典的高级语言91

习题492

第5章操作系统94

【情景问题】操作系统为我们做了什么94

5.1什么是操作系统95

5.1.1操作系统的定义95

5.1.2操作系统的用户界面96

5.1.3操作系统的分类97

5.2操作系统的工作方式98

5.2.1操作系统的启动98

5.2.2操作系统的中断类型99

5.3操作系统的基本功能100

5.3.1处理器管理100

5.3.2存储管理102

5.3.3设备管理103

5.3.4文件管理104

阅读材料——几种常用的操作系统105

习题5106

第6章应用软件108

【情景问题】“有名”软件错误108

6.1人机交互109

6.1.1人机交互的定义109

6.1.2人机交互界面110

6.1.3人机交互的发展趋势112

6.2数据库管理系统113

6.2.1数据库113

6.2.2数据库管理系统114

6.2.3结构化查询语言SQL115

6.2.4建立数据库115

6.2.5操作数据库118

6.2.6数据保护机制119

6.3软件工程120

6.3.1软件危机120

6.3.2软件工程的定义121

6.3.3软件工程的基本原理122

6.3.4软件过程123

6.3.5软件质量125

6.3.6软件测试126

阅读材料——软件、硬件和人件127

习题6127

第7章计算机网络与信息安全130

【情景问题】网络带来的变化130

7.1计算机通信130

7.1.1计算机通信系统模型131

7.1.2信息的编码132

7.1.3数据交换134

7.1.4寻址135

7.2计算机网络137

7.2.1计算机网络的拓扑结构137

7.2.2计算机网络的基本组成138

7.2.3网络体系结构140

7.2.4TCP/IP协议141

7.3信息安全142

7.3.1常见的信息安全问题142

7.3.2信息加密144

7.3.3数字认证145

7.3.4网络检测与防范146

阅读材料——我国因特网的起源和发展148

习题7149

第8章新技术专题151

【情景问题】人与计算机的能力对比151

8.1人工智能151

8.1.1什么是人工智能152

8.1.2人工智能的研究领域153

8.1.3机器学习156

8.1.4深度学习158

8.2大数据159

8.2.1什么是大数据159

8.2.2大数据的处理流程160

8.2.3大数据的关键技术161

8.3云计算162

8.3.1什么是云计算162

8.3.2云计算的服务类型163

8.3.3云计算的关键技术164

8.4物联网165

8.4.1什么是物联网165

8.4.2物联网的体系架构166

8.4.3物联网的关键技术167

阅读材料——人机共生167

习题8168

第三部分工程篇

第9章工程思维173

【情景问题】闻名世界的港珠澳大桥173

9.1什么是工程174

9.1.1工程的概念174

9.1.2科学、技术与工程175

9.1.3信息化工程176

9.2工程与社会177

9.2.1工程文化与人文价值178

9.2.2工程产品与公众认知179

9.2.3环境和可持续发展179

9.3工程管理181

9.3.1工程理念181

9.3.2工程设计182

9.3.3工程进度183

9.3.4工程成本184

9.4工程素养185

9.4.1个人与团队186

9.4.2沟通与表达187

9.4.3工程创新188

9.4.4终身学习189

阅读材料——我国高等工程教育的发展历程190

习题9192

第10章工程伦理与职业道德194

【情景问题】谁来为软件错误负责194

10.1专业岗位194

10.1.1信息时代对计算机人才的需求195

10.1.2计算机类专业的相关职位196

10.2工程伦理197

10.2.1道德、伦理与法律197

10.2.2工程伦理的基本问题198

10.2.3计算机领域的工程伦理199

10.2.4处理工程伦理问题的基本原则199

10.3职业道德200

10.3.1社会主义职业道德200

10.3.2软件工程师的道德规范201

10.4计算机法律法规202

10.4.1新的法律问题202

10.4.2软件知识产权202

10.4.3与计算机相关的法律法规204

阅读材料——被算法支配的世界205

习题10206

参考文献208