《计算机科学与计算思维导论》ISBN：9787302625919，清华大学出版社

 

课程教学大纲（Syllabus of curriculum teaching）是根据教学计划要求，课程在教学计划中的地位、作用，以及课程性质、目的、任务而规定的课程内容、体系、范围和教学实施的基本纲要1

课程基本描述“计算机科学与计算思维导论”是计算机科学、计算机工程、软件工程、信息技术、信息系统等分支学科的学生全面了解计算机学科基本概貌的引导性课程，也是电子信息类学生全面了解计算机科学内容和方法的通识课程。

通过该课程学习，让学生了解计算机学科的基本内涵，知道该学什么和应该怎么学，并使学生对本学科产生浓厚的兴趣，为后续课程学习奠定良好基础由于该课程涉及计算机学科领域的各个方面，具有一定的广度和深度，而在这之前学生并没有该学科的任何知识背景，难免使学生在学习过程中感到茫然。

因此，开设本课程的目的意义犹如一个人到了一个陌生的城市，虽然对该城市的基本概况一无所知，但如果先站在该城市的最高处俯瞰整个城市，就会立即对该城市的概貌有个大致了解

2课程教学定位1．课程性质计算机科学导论是计算机学科的窗口，其作用是透视“导论”属性，体现“导”与“论”的真实内涵作为计算机学科全程教学内容的导引课程，应俯瞰计算机学科全貌课程构建的实质是寻求一种统一的思想来认知计算机学科，并对计算机学科进行系统化和科学化的描述，注重学科发展的动态性和知识传授的有效性；突出计算机科学方法论在本课程教学中的引导作用；揭示计算思维与计算学科形态的内在关系；体现计算思维在课程教学与人才培养中的作用意义。

2．课程特点计算机学科是一门新兴综合性学科，且与数学、物理学、电子学等学科的发展有着密切关系作为计算机学科导论课程，在课程构建上，以计算机的发展趋势与前沿技术为课程视野，全面概括计算机学科知识体系及其理论基础，并体现本课程的基础特性；在教学内容上，涉及计算机科学与计算机技术的几乎所有领域，并具有相当的广度和深度；在教学方法上，突显计算机学科方法论及其计算思维在课程教学和人才培养中的引导作用，并充分体现计算机学科的形态特征。

3．课程目标本课程力图将理论基础学习与能力培养完美结合，通过本课程学习，力图实现如下教学目标（1）了解计算机科学及其学科体系的形成、发展趋势、知识结构、经典问题、学科方法论等（2）掌握正确的学习方法、计算机科学基础理论知识，为后续课程学习和持续发展奠定基础。

（3）激发学习兴趣和探索问题的求知欲，培养学生运用计算思维分析问题和解决问题的能力（4）认识本课程的基础性、科学性、逻辑性、时代性，以及本课程在计算机学科体系中的作用地位，使学生在潜移默化中意识到能力培养的全面性、知识更新的重要性、自我提升的必要性。

（5）展示学术魅力、培养计算思维、传承计算文化、弘扬科学精神、激发探索热情, 实现知识、能力、素质的全面提高使本课程在大学甚至整个职业生涯学习中具有重要的引导作用3课程知识体系本课程与其他课程知识体系的最大区别是突出科学方法论在计算机学科中的作用，科学方法论是关于人们认识世界、改造世界的方法理论，是一种以解决问题为目标的理论体系或系统。

在计算机科学中最为典型的科学方法是数学方法、计算思维（抽象与自动化）和计算学科形态（抽象、理论、设计），它们是分析问题、解决问题的过程和思想，是人类求解问题的有效途径基于计算思维的计算机科学导论，是以计算思维为引导，以学科形态为纽带，以能力培养为目标，力图通过计算机的形成与发展，揭开计算机科学的神秘面纱；通过数据表示、计算系统、程序设计、算法构建揭示计算思维的本质；通过数据库技术、网络技术、前沿技术，揭示计算机学科的形态特征，并且将计算思维与学科形态融入到本课程的各个章节中，从而形成了计算思维、学科形态、知识主领域三者相融合的课程知识结构，其逻辑结构如图1所示。

本课程的教学目标是使学生全面了解计算机学科所涉及的各个主领域，并以基本概念→基本方法→基本技术这一进阶式-模块化结构规划教学进程，课程教学内容设计如图2所示。

1．基本概念计算机科学、计算机学科、计算思维是一个形成与发展的过程本模块从这三个方面(3章)，阐述计算机科学和计算机学科的形成与发展过程以及计算思维在计算机学科中的作用体现本模块是后续各章的概念和方法的基础，是形成科学的知识体系和稳定的知识结构的依据。

将计算机科学、计算机学科、计算思维三者相融合，形成如图1所示的课程体系结构（1）计算机科学  全面介绍了从原始计算工具到现代计算机的形成、发展过程、发展趋势和未来新一代计算机的概况通过从原始计算工具到现代计算机的描述，将计算机专业知识与相关的人文知识、人文精神和学科发展史有机地紧密结合，以此揭开计算机的神秘面纱、克服学生对计算机的神秘感和畏惧心理、无形而自然地启迪学习思想、激发探索精神、培养创新意识。

（2）计算机学科  计算机从一种纯粹的计算工具发展成为一门举世瞩目的计算机学科，如今不仅成为一种社会文化，而且成为世界各国发展的重要战略手段作为一门新兴学科，它包括哪些知识领域？具有哪些形态特征？等等所有这些都是计算机学科的学生必须了解和掌握的。

通过本章学习，使学生对本学科有一个清晰的认识和明确的学习方向，懂得应该掌握哪些知识，应该具备什么样的知识结构和能力，并在往后的学习过程中不会感到困惑和茫然（3）计算思维  属于科学思维的范畴，虽然计算思维与计算机没有必然联系，但计算机的出现给计算思维的发展带来了根本性的变化，这一变化对计算机科学及其计算机学科教育的纵深发展起到了极大的促进作用，因而受到计算机学界的高度关注和重视。

通过本章学习，了解计算思维的本质特征、计算思维在计算机学科中的作用体现、计算思维能力的培养等2．基本方法计算机是计算的机器，也是程序的机器，涉及数据表示、软硬件组成、程序设计、算法设计本模块从数据表示、计算系统、程序设计、算法构建等四个方面（4章），阐述利用计算机解决计算问题的基本方法和必要条件，并且全面体现了计算思维方法。

（1）数据表示  是对数值数据、字符数据、逻辑数据、多媒体数据的抽象，把人们习惯使用的语义符号转换成便于计算机处理的数字符号，即实现语义符号数字化（2）计算系统  是对计算机硬件和软件的抽象，计算系统由硬件系统、软件系统和它们管理的数据构成，解决计算问题以及与人机交互问题。

具体说，计算系统以“计算”为目的，探索问题求解的过程抽象和工作方式；以“系统”为研究和应用对象，探索系统的存在方式和变化规律（3）程序设计  是对问题求解过程的抽象，包括对程序设计语言和程序设计方法的抽象，它体现了计算思维的本质特征——抽象与自动化。

（4）算法构建  是对实际问题数学描述的抽象，是问题求解的灵魂计算思维的核心是问题求解，被公认为计算科学的基石,包括数值数据的数值计算、非数值数据(数据结构)的数据处理、数据元素的排序和查找等对初学者而言，程序设计的难点在于语言基本要素和语法规则的掌握，而设计出高水平程序的基础是良好的算法设计。

3．基本技术本模块从数据库技术、计算机网络技术、计算机前沿技术等三个方面（3章），阐述计算机技术的综合应用与能力培养数据库技术和网络技术全面体现了计算思维本质（抽象与自动化）和计算机学科形态（抽象、理论、设计）；而计算机前沿技术概括了目前计算机新技术应用的6个主要方面（人工智能、虚拟现实、移动互联网、物联网、云计算、大数据）。

对计算机学科学生来说，全面了解这些新技术的基本概况（基本概念、关键技术、技术应用）是非常必要的4课堂教学实施本课程由《计算机科学与计算思维导论》和《计算机科学与计算思维导论学习辅导》两部分组成，即分为理论教学与学习辅导两个部分。

（一）理论教学 理论教学10章，为了便教便学，各章给出了【问题引出】、【教学重点】和【教学目标】，从而使教学过程有的放矢，让学生带着问题在课程中寻找问题答案理论教学各章的教学内容及其学时分配如表2所示

（二）学习辅导计算机学科的最大特点是知识面宽、实践性强、软/硬件技术更新换代快因此，既要重视理论学习能力的培养，也要重视实际动手能力的培养，更要重视自我提高能力的培养为此，编写了《计算机科学与计算思维导论学习辅导》，内容包括关联知识、习题解析、知识背景、基础实验。

1．关联知识由于主教材篇幅的有限，故将那些与主教材教学内容密切相关的知识点作为“关联知识”，它是对主教材相关知识的补充和拓展，更是为学生自主学习和拓宽探索视野提供引导作为专业导论课程，介绍与本专业相关的知识领域是极为重要的，有利于学生日后研究和探索。

2．习题解析习题题型包括选择题、问答题和讨论题通过习题解析，可对照检查学习效果，在巩固各章所学知识的同时，加深整体概念的理解和认识讨论题为学生课外学习提供思考和交流3．知识背景知识背景描述与计算机科学相关的科学家的生平事迹，以此拓展学生的专业知识视野、提高人文素质、增强科学探索的信心，激发学生坚韧不拔、锲而不舍、顽强拼搏的精神品质。

4．基础实验虽然本课程是计算机学科的一门专业基础课程，但现在高等学校的计算机基础教育已不再是“零起点”，因而应注重培养学生分析问题和解决问题的能力考虑到实验设施的可行性并兼顾新生计算机基础参差不齐等因素，我们设计了8个实验单元，每个实验单元包含多个实验项目。

基础实验的内容及其实验时数如表3所示

我们打破了以计算机基本操作步骤来训练基本操作方法的传统实验模式，采用了基于任务驱动的案例教学模式，即将实验内容以任务(案例)的形式给出，通过实验描述(提出问题)、实验分析(分析问题)、实验实施(解决问题)，让学生带着对案例的浓厚兴趣，在实验过程中熟悉基本操作方法、掌握基本操作技能、提高综合应用能力。

例如，Office方面的实验，完成一个实验项目，就是完成一项基本创作；完成一个实验单元，就能提交一份完美的作品（如毕业论文、求职材料、网上应聘等）实践表明，采用这种教学模式，能激发同学们的学习兴趣和创作热情，从而克服了为熟悉基本操作而实验的枯燥性，体现了案例教学的趣味性、提高了实验教学的有效性。

使学生能以一种愉悦的心境学习和提高计算机的应用能力，并在无形中抹平入校时参差不齐的差异✦参考书籍✦

《计算机科学与计算思维导论》ISBN：9787302625919作者：李云峰、李婷、丁红梅价格：59.8元内容简介本书参照国际电气与电子工程师学会计算机协会和美国计算机协会（IEEE-CS＆ACM）计算学科教程（

CC2005）和中国计算机科学与技术学科教程（CCC2002）编写，并按照“新工科”（新概念、新体系、新结构、新模式、新质量）建设思想，构建体现计算机学科基础特性（基本概念、基本方法、基本技术），凸显计算机学科方法（典型方法、学科形态、计算思维），突出计算机新技术（人工智能、虚拟现实、移动互联网、物联网、云计算、大数据）应用的

课程知识体系本书共10章，涵盖了计算机学科知识主领域的全部内容本书从学科认知科学化、系统化和逻辑化出发，站在学科的高度阐述计算机科学与技术知识，注重学科知识体系的完整性、逻辑性、创新性和时代性，具有结构新颖、层次分明、由浅入深、循序渐进的特点。

本书可作为高等院校计算机类、电子信息类和电气信息类“计算机（科学）导论”课程教材，也可作为相关专业的教师和从事计算机科学与技术工作的工程技术人员的参考书目录向上滑动阅览绪论——课程导学 10.1 课程教学定位 1。

0.2 课程教学思维 20.3 课程知识结构 40.4 课程教学辅导 6基本概念——计算机与计算思维第1章 计算机科学概述 101.1 人类计算工具的进步 101.1.1 手工时代 101.1.2 机械时代 12

1.1.3 机电时代 151.1.4 电子时代 161.2 计算机科学体系的形成 191.2.1 布尔提出的逻辑代数 191.2.2 香农提出的逻辑电路 191.2.3 维纳提出的计算机设计原则 201.2.4 图灵提出的图灵机和图灵测试 20

1.2.5 冯·诺依曼提出的EDVAC 231.3 基于Neumann结构的现代计算机 251.3.1 计算机的结构组成 251.3.2 计算机的主要特点 261.3.3 计算机的基本性能 271.3.4 计算机的主要应用 28

1.4 突破与超越Neumann结构 311.4.1 突破Neumann的体系结构 311.4.2 突破Neumann的组成结构 341.4.3 超越Neumann的体系结构 35本章小结 37习题1 37

第2章 计算机学科体系 392.1 计算机学科体系的构建 392.1.1 科学与学科的概念 392.1.2 计算作为一门学科 402.1.3 CC2005学科体系 422.1.4 CCC2002学科体系 45

2.2 计算机学科方法论 472.2.1 计算机学科方法论概念 472.2.2 计算机学科的3个形态 482.2.3 计算机学科的核心概念 492.2.4 计算机学科的典型方法 502.3 计算机学科的数学方法 52

2.3.1 数学方法及其作用体现 522.3.2 构造性数学与证明方法 542.3.3 计算机学科的根本问题 562.4 计算机学科的经典问题 572.4.1 理论意义上的不可计算问题——图论问题 57

2.4.2 现实意义上的不可计算问题——计算的复杂性 592.4.3 理论意义上的可计算问题——计算机智能问题 632.4.4 现实意义上的可计算问题——并发控制问题 65本章小结 66习题2 67第3章 计算思维及其作用体现 68

3.1 计算思维及其本质特性 683.1.1 人类思维的类别 683.1.2 计算思维的概念 713.1.3 计算思维的本质 723.1.4 计算思维的特性 733.2 计算思维的问题求解 753.2.1 问题求解的数学建模 75

3.2.2 问题求解的基本策略 763.2.3 问题求解的过程抽象 783.3 计算思维与计算机学科 823.3.1 计算思维本质与学科形态的关系 823.3.2 计算思维在计算机学科中的体现 843.4 计算思维的学科作用与能力培养 89

3.4.1 计算思维与计算机教育相互促进 893.4.2 计算思维有助于跨越专业鸿沟 903.4.3 计算思维有助于其他学科发展 913.4.4 计算思维能力培养的基本策略 93本章小结 95习题3 95

基本方法——机器计算的基本思维第4章 数据表示的基本思维 984.1 数制及其转换——“人机兼容”的基本思维 984.1.1 进位计数制 984.1.2 数制之间的转换 1004.2 数值数据的编码表示——“语义符号数值化”的基本思维 104

4.2.1 整型数的编码表示 1044.2.2 实型数的编码表示 1094.3 字符数据的编码表示——“字符信息数字化”的基本思维 1114.3.1 西文字符的编码表示 1114.3.2 汉字字符的编码表示 113

4.3.3 综合实例——字符处理 1164.4 逻辑数据的编码表示——“逻辑符号数字化”的基本思维 1174.4.1 逻辑代数概念 1174.4.2 逻辑代数运算 1184.5 多媒体数据的编码表示——“动态信息数字化”的基本思维 120

4.5.1 多媒体的基本概念 1204.5.2 音频数字化的编码表示 1214.5.3 图像数字化的编码表示 1224.5.4 视频数字化的编码表示 1244.5.5 计算机动画简介 125本章小结 126

习题4 126第5章 计算系统的基本思维 1285.1 计算系统的基本概念——“系统组成”的基本思维 1285.1.1 计算机硬件系统 1285.1.2 计算机软件系统 1295.1.3 计算机操作系统 130

5.1.4 软件与硬件的关系 1335.2 处理器系统——“控制执行”的基本思维 1345.2.1 处理器的结构组成 1345.2.2 计算机指令系统 1365.2.3 操作系统对处理器的管理 1375.3 存储器系统——“存储优化组合”的基本思维 141

5.3.1 内存储器 1415.3.2 外存储器 1435.3.3 存储体系 1445.3.4 操作系统对存储器的管理 1465.3.5 综合实例——计算机的工作过程 1485.4 文件管理系统——“长治久安”的基本思维 150

5.4.1 文件与文件系统 1505.4.2 文件组织与结构 1515.4.3 文件目录与目录结构 1525.5 总线系统与输入输出系统——“组织与协调”的基本思维 1545.5.1 总线系统 1545.5.2 输入输出设备 155

5.5.3 输入输出接口 1575.5.4 操作系统对I/O的管理 158本章小结 160习题5 161第6章 程序设计的基本思维 1626.1 程序设计概念——“问题抽象”的基本思维 1626.1.1 程序设计与问题求解 162

6.1.2 程序设计的基本抽象 1646.2 程序设计语言——“语言抽象”的基本思维 1656.2.1 程序设计语言的演化 1656.2.2 程序设计语言的构成 1696.2.3 计算机源程序的翻译 173

6.3 程序设计方法——“方法抽象”的基本思维 1766.3.1 面向过程程序设计方法 1766.3.2 面向对象程序设计方法 1786.3.3 程序与软件的关系 1816.4 软件工程方法——“过程抽象”的基本思维 181

6.4.1 软件工程概念 1826.4.2 软件生存周期 1836.4.3 软件开发模型 1836.4.4 软件开发方法 186本章小结 188习题6 189第7章 算法构建的基本思维 1907.1 算法——问题求解的核心 190

7.1.1 算法的基本概念 1907.1.2 算法的设计要求 1917.1.3 算法的复杂性 1927.1.4 算法的描述方法 1947.2 数值数据求解——算法策略 1967.2.1 穷举算法 196

7.2.2 回溯算法 1977.2.3 递推算法 1997.2.4 迭代算法 2007.2.5 递归算法 2017.2.6 分治算法 2027.2.7 贪心算法 2037.2.8 动态规划 2047.3 非数值数据处理——数据结构 205

7.3.1 线性表结构 2057.3.2 栈结构 2077.3.3 队列结构 2087.3.4 树结构 2087.3.5 图结构 2107.4 数据元素操作——排序和查找 2127.4.1 排序算法 213

7.4.2 查找算法 217本章小结 218习题7 219基本技术——数据共享与前沿技术第8章 数据库技术 2228.1 数据库技术概述——抽象（Ⅰ） 2228.1.1 数据与信息 2228.1.2 数据库 224

8.1.3 数据库管理系统 2258.1.4 数据库系统 2268.2 数据模型——抽象（Ⅱ） 2288.2.1 数据模型概念 2288.2.2 概念数据模型 2308.2.3 关系数据模型 2328.2.4 关系数据模式 234

8.3 关系数据库——理论 2368.3.1 关系代数查询运算 2368.3.2 关系数据查询优化 2408.3.3 关系模式的规范化 2418.3.4 关系数据的一致性 2428.4 构建数据库应用系统——设计 243

8.4.1 数据库应用系统设计要求 2448.4.2 数据库应用系统设计过程 245本章小结 249习题8 250第9章 计算机网络技术 2519.1 计算机网络概述——抽象 2519.1.1 网络的基本概念 251

9.1.2 网络的基本类型 2529.1.3 OSI/RM体系结构 2549.1.4 TCP/IP体系结构 2559.2 网络数据传输——理论 2569.2.1 网络数据通信 2579.2.2 数据传输方式 258

9.2.3 多路复用传输 2599.2.4 数据调制编码 2609.2.5 数据分组交换 2629.3 网络结构组成——设计（Ⅰ） 2629.3.1 网络的拓扑结构 2639.3.2 网络的逻辑结构 265

9.3.3 计算机网络互连 2669.4 Internet应用——设计（Ⅱ） 2689.4.1 Internet的IP地址 2689.4.2 Internet的域名系统 2699.4.3 Internet提供的服务 271

9.5 信息安全技术——设计（Ⅲ） 2729.5.1 防病毒技术 2739.5.2 防黑客技术 2749.5.3 防火墙技术 2749.5.4 信息加密技术 2769.5.5 数字认证技术 279本章小结 280

习题9 280第10章 计算机前沿技术 28210.1 人工智能技术 28210.1.1 人工智能的基本概念 28210.1.2 人工智能的关键技术 28410.1.3 人工智能的技术应用 28510.2 虚拟现实技术 287

10.2.1 虚拟现实的基本概念 28810.2.2 虚拟现实的关键技术 29110.2.3 虚拟现实的技术应用 29110.3 移动互联网技术 29310.3.1 移动互联网的基本概念 29310.3.2 移动互联网的关键技术 294

10.3.3 移动互联网的技术应用 29510.4 物联网技术 29610.4.1 物联网的基本概念 29710.4.2 物联网的关键技术 29810.4.3 物联网的技术应用 29910.5 云计算技术 301

10.5.1 云计算的基本概念 30110.5.2 云计算的关键技术 30310.5.3 云计算的技术应用 30410.6 大数据技术 30510.6.1 大数据的基本概念 30510.6.2 大数据的关键技术 307

10.6.3 大数据的技术应用 308本章小结 308习题10 309参考文献 311

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