计算机导论

本书是国家级一流本科课程“计算机导论”指定教材，以专业导学为目标，培养学生“知识、能力、素质、方法、思维、职业”六个维度的专业认知。

本书是国家级一流本科课程“计算机导论”指定教材，以专业导学为目标，培养学生“知识、能力、素质、方法、思维、职业”六个维度的专业认知，为后续计算机专业课程的学习和综合专业素质的培养打下基础。本书内容包括计算机原理、数据处理、算法与软件、自动控制、多媒体技术和计算机发展史等专业基础知识，以及大数据、云计算和人工智能等前沿技术。每章内容都是通过问题和案例切入，引出原理性知识的学习、计算思维的启迪和前沿问题的思考，使学生能够掌握相关知识，解释概念，简述原理，分析问题，以适应未来的专业学习；同时激发学生的专业兴趣，引导学生逐步形成发现问题、分析问题和解决问题的思维方式，造就自己成为合格的计算机专业人才。
本书适合作为高等学校计算机相关专业的“计算机导论”课程或新生研讨课的教材，也可作为其他专业的学生学习计算机基础知识的参考用书。

第1章计算机如何工作/1
1.1什么是电子计算机1
1.2怎样把字符输入计算机2
1.2.1典型的输入设备是怎样工作的2
1.2.2还有哪些输入设备4
1.3计算机如何记录和保存代码5
1.3.1什么是编码字符集标准6
1.3.2为什么要把代码保存起来7
1.4计算机如何读懂程序7
1.4.1什么是指令和指令集7
1.4.2怎样让高级语言程序变成机器指令8
1.5计算机如何执行程序10
1.5.1机器如何转变成大脑10
1.5.2机器的大脑如何记忆11
1.5.3计算机的大脑有什么样的结构12
1.5.4什么是CPU的心率12
1.5.5操作系统如何助力程序执行13
1.5.6内存中怎样存放指令和数据15
1.5.7一个简单的程序是如何一步步执行的16
1.5.8怎样提高计算机的速度20
1.6计算机如何显示结果22
1.6.1print语句究竟都做了什么22
1.6.2屏幕上的字形是如何显示出来的23
1.6.3还有哪些输出设备24
1.7什么是计算机系统25
1.8计算机有哪些常用概念25
研讨问题26〖1〗计算机导论目录〖3〗〖3〗第2章计算机如何记算/27
2.1计算机如何表示数据27
2.1.1什么是模拟数据和数字数据27
2.1.2人们都想到哪些记数的方法28
2.2计算机如何实现算术运算29
2.2.1什么是布尔代数29
2.2.2怎样用开关电路实现逻辑运算30
2.2.3逻辑电路真的能做加法吗33
2.2.4怎样用晶体管构建逻辑电路34
2.3计算机如何记住数据36
2.3.1怎样做出一个磁芯存储器36
2.3.2怎样做一个半导体存储器37
2.3.3计算机会用到哪些存储器38
2.4计算机如何存放数据39
2.4.1什么是字和字节40
2.4.2为什么要用十六进制数40
2.5计算机为什么需要数据类型42
2.5.1什么是数据类型42
2.5.2数据量的单位和量纲有哪些43
2.6计算机如何找到并读取数据44
2.6.1如何实现内存数据的访问44
2.6.2数据为什么需要索引45
2.7计算机怎样有效地管理数据45
2.7.1怎样保存销售数据46
2.7.2数据库管理系统有什么作用46
2.8数据怎样让计算机变得聪明48
2.8.1什么是数据挖掘48
2.8.2大数据带来了什么改变48
2.9计算机的存储技术是怎样发展的50
研讨问题53
第3章如何让计算机具有智慧/54
3.1计算机博弈有哪些重要的里程碑54
3.2怎样写一个最简单的五子棋弈棋程序56
3.3关于算法我们需要了解哪些58
3.3.1什么是算法58
3.3.2如何判断算法的好坏58
3.4如何设计一个聪明的弈棋程序59
3.4.1如何交手三子棋60
3.4.2如何分析一棵博弈树61
3.4.3如何认识算法的复杂度63
3.5如何改进博弈树搜索算法65
3.5.1什么是博弈树的剪枝65
3.5.2计算机如何赢得国际象棋66
3.6神经网络是怎样工作的67
3.6.1人脑有什么样的结构67
3.6.2神经网络的原理是什么68
3.6.3怎样构建一个简单的神经网络68
3.6.4神经网络和人工智能有什么关系71
3.7神经网络怎样下棋72
3.8怎样判断机器是否具有智能74
3.9人工智能有哪些发展75
3.9.1规则和推理如何带来智能75
3.9.2机器学习如何带来智能76
3.9.3人工智能带给了我们哪些烦恼78
研讨问题80
第4章计算机如何改变外部世界/81
4.1计算机如何感知信息81
4.1.1传感器有什么作用81
4.1.2模拟信号怎样转换为数字信号83
4.2传感器的数据如何传送给计算机84
4.3什么是控制和反馈86
4.4计算机是一个自动控制系统吗88
4.4.1图灵机是什么88
4.4.2什么是有限状态自动机90
4.5汽车里的计算机有什么特点91
4.5.1怎样从系统的角度认识计算机92
4.5.2有哪些专用计算机系统92
4.6计算机如何识别障碍物95
4.7自动驾驶需要哪些计算技术96
研讨问题98
第5章计算机如何通信/99
5.1数字信号是怎样传送的100
5.1.1无线通信是怎样出现的100
5.1.2模拟信号如何传送数字信号102
5.2怎样构建一个简单的网络103
5.3计算机网络能做什么105
5.4计算机网络有哪些种类106
5.4.1有哪几种计算机网络的拓扑结构106
5.4.2不同的计算机网络覆盖范围有多大107
5.5在网络中如何找到对方108
5.6计算机网络中如何传送数据109
5.7以太网是怎样工作的111
5.8常见的网络设备都起什么作用113
5.8.1集线器有什么作用113
5.8.2路由器有什么作用113
5.8.3交换机有什么作用114
5.9什么是互联网115
5.10为什么网络安全非常重要118
5.10.1什么是计算机病毒118
5.10.2什么是特洛伊木马120
5.10.3怎样保证网络安全121
5.11网络中怎样建立可信的关系121
5.11.1怎样让“该看的人看到该看的东西”122
5.11.2怎样证明“这是我说的话”126
5.11.3怎样证明“我是我”127
5.11.4怎样证明“那是我做的事”128
5.11.5量子通信为什么安全性高129
5.12共享单车都用到了什么网络技术129
研讨问题131
第6章计算机如何创造虚拟时空/132
6.1计算机如何表示文字132
6.1.1如何给文字编码133
6.1.2怎样高效输入中文134
6.1.3怎样描述字形134
6.1.4自然语言处理有什么作用137
6.2计算机如何表示声音137
6.2.1怎样把模拟的声音数字化137
6.2.2声音的数字化需要什么器件138
6.2.3计算机可对数字声音做哪些处理139
6.2.4什么是MIDI139
6.3计算机如何表示图像141
6.3.1计算机怎样表示色彩141
6.3.2计算机怎样表示位图142
6.3.3计算机怎样表示图形143
6.3.4计算机怎样处理或展现图像144
6.4计算机如何表示影像145
6.4.1影像的动感是如何产生的145
6.4.2怎样减少数字影像的数据量145
6.4.3怎样制作动画146
6.4.4怎样看到立体的影像149
6.5计算机如何融合真实与虚幻149
6.5.1什么是虚拟现实150
6.5.2什么是增强现实151
6.5.3增强现实有哪些应用152
6.6计算机如何寻找信息154
6.6.1数据和信息有什么区别154
6.6.2为什么需要信息提取154
6.6.3如何检索多媒体内容155
6.7我们应该如何面对元宇宙157
研讨问题157
第7章计算机如何从过去走向未来/159
7.1机械也能计算吗159
7.2第一台电子计算机是哪个163
7.3电子计算机经过了几代发展165
7.3.1什么是第一代电子计算机165
7.3.2什么是第二代电子计算机166
7.3.3什么是第三代电子计算机167
7.3.4什么是第四代电子计算机168
7.3.5新一代的电子计算机将会是怎样的171
7.4现代计算机有哪些发展173
7.4.1如何让计算机并行工作173
7.4.2超级计算机的现状是怎样的175
7.4.3计算机如何向微型化方向发展177
7.4.4未来的计算机会怎样发展180
7.5软件是怎样发展的181
7.5.1计算机编程语言经过了怎样的变化181
7.5.2怎样提高软件的生产能力182
7.5.3存在哪些种类的软件186
7.6我国的计算机事业是怎样起步的188
7.7什么是信息技术产业191
7.8我们未来能做什么194
研讨问题197

导论类课程一般是大一新生的第一门专业课，虽然深度不足，难度不高，但讲好不易，因为面对以下几方面挑战：
（1） 授课内容的广泛性。由于计算机学科发展快，且与多个学科交叉，因此导论课的内容涉及面广。目前大多数高校的导论课学时数为48～64，为适应教学改革，我们将课程学时数控制在32，因而授课内容很难面面俱到。即使选讲一部分，学生仍然会感觉内容杂乱，抓不到重点。
（2） 授课对象的差异性。一些来自发达地区的学生，在中学阶段上过信息技术基础课，甚至还具备了一定的编程能力。但是来自欠发达地区的学生过去很少接触这些知识。因而面对同样的课程内容，一些学生吃不饱，一些学生吃不了。
（3） 培养目标的挑战性。今天计算机教育普遍提倡系统能力的培养，包括系统思维、系统设计、系统开发和系统应用等方面的能力，工程教育专业认证也要求培养学生解决复杂工程问题的能力。但是大一新生的计算机基础还很薄弱，如何使他们具备这样的能力呢？
尽管导论课面临种种困难和挑战，但学界对于导论课的期望是基本一致的。概括说来，一门好的导论课应该具备以下特点：
（1） 能够达到课程目标和毕业要求。
（2） 能够唤起学生的兴趣。
（3） 能够起到专业引导的作用。
据我们了解，各高校的“计算机导论”课程一般有以下几种讲法：
（1） 替代大学计算机基础，主要讲解计算机基础知识和办公软件、操作系统等的使用。该课程常常面向非计算机专业的学生，难以满足计算机专业人才培养的要求。
（2） 以专业知识为主。按照传统门类讲解计算机原理、操作系统、数据库、计算机网络等核心课程的入门知识。这种讲法很难让学生感兴趣，而且和日后的专业课多有重复。
（3） 以编程能力培养为主。虽然编程是计算机专业的基础，但是这样讲难免以偏概全，难以达到导论课专业导学的全面要求，况且也会与其他的程序设计课程重复。
（4） 以系列讲座为主。这种讲法难以满足课程目标的要求，各讲的内容缺少整体关联性。
（5）以计算思维为主。讲解计算科学的核心问题和解决方式。这种讲法比较适合高年级的学生，但对于大一学生，特别是非重点高校的学生很难听懂或真正接受，还会让学生日后对专业敬而远之。我们认为，为解决上述问题，首先要对专业培养目标有明确认识。什么样的培养目标就会有什么样的导论课设计。研究型的高校可以侧重计算思维的培养，引导学生在毕业后从事理论性的研究工作；应用型的高校可以侧重工程思维或设计思维的培养，引导学生毕业后进行产品创新或解决复杂工程问题。北京信息科技大学的“计算机导论”课程就属于后者。
其次，“计算机导论”课程的教学要坚持以“导”为主，而不是以讲授知识为主。我们赞同导论课要发挥“五导”作用，即知识引导、方法引导、思维引导、意识引导和职业引导；注重引导学生对专业的认知和对未知问题的探索。因此我们从认知规律出发，坚持从应用中来到应用中去的理念，通过好奇心激发学生的专业兴趣，注重知识的原理性、系统性和实用性，避免套用生硬、高深的专业理论框架，从学生熟悉的IT领域热点案例切入，通过问题引导，结合实物，深入浅出地讲解计算机工作原理，并把计算思维的培养贯穿其中。本教材主要内容如下：
第1章，从学生们编写的第一个程序入手，讲解计算机如何工作，引出计算机的基本功能、数据和指令的表示、CPU的工作原理、程序和算法的概念。
第2章，从超市购物谈计算机如何记算，引出二进制和十六进制数据表示、存储器的工作原理、内存和外存的概念、数据类型和数据库，以及数据挖掘与大数据。
第3章，从计算机博弈谈如何让计算机具有智慧，引出算法、图灵测试、神经网络、人工智能及其应用。
第4章，从无人驾驶汽车谈计算机如何改变外部世界，引出信息感知、计算机接口、控制和反馈、计算机外部设备、计算机系统的概念，以及单片机与嵌入式系统的应用。
第5章，从共享单车谈计算机如何通信，引出计算机网络的概念、以太网工作原理、互联网协议，以及网络安全的重要性。
第6章，从元宇宙谈计算机如何创造虚拟时空，引出文、声、图、像的计算机处理、信息检索，以及虚拟现实和增强现实技术。
第7章，从算盘和齿轮入手，讲解计算机如何从过去走向未来，引出计算机的分代、并行处理和超级计算机、软件工程、新一代计算技术，以及信息技术产业和未来发展。
总之，本教材改变了传统的专业知识体系，但又覆盖了应有的知识点，使授课内容更加贴近实际，各部分知识的关联更加紧密。
再者，既要让学生知道今天解决了哪些问题，还要让学生知道哪些问题还没有解决，或者怎样解决会更好，这有助于培养学生的创新意识，激发其学习兴趣和学习动力，甚至可以帮助他们明确人生规划和未来的奋斗方向。另外，将前沿知识和最新发展融入“计算机导论”课程的教学内容中，既是深化专业课程改革的必然趋势和发展方向，也是创新型、应用型人才培养的有效途径。学生对前沿知识、先进技术和重要成果有了一定了解之后，能够拓展视野，启迪思维，对自身创新能力以及解决复杂工程问题能力的培养都大有裨益。我们在本教材中融入了诸多信息技术领域的最新发展，例如人工智能，云计算和大数据，量子计算与量子通信等，并鼓励学生通过多种途径学习这些知识。这些层次丰富的教学内容，有助于开展分层教学工作，解决学生计算机基础水平参差不齐的问题。
北京信息科技大学自2014年起开设“计算机导论”课程，本课程在2019年入选“双万计划”国家级一流课程，本教材是在近十年的教学探索中逐步积累而成的。除了教材之外，我们还需要从认识规律出发，设计合理的教学内容和教学方法。导论类课程要特别尊重人类的认识规律，即从感性认识到理性认识，从具体到抽象，从现象到本质。例如，本教材中并没有设置专门的章节讲授计算思维，而是将基础知识与计算思维关联起来讲授。每讲完一部分知识，都会引导学生从计算思维的高度加以深入认识，使学生在潜移默化中体会计算思维的精髓，做到“授之以渔”。又如，学生对计算机的感性认识大多来自硬件。我们在讲授导论课的时候，常会将一堆零零碎碎的计算机配件带到课堂，如计算机主板、CPU、内存条、拆开的硬盘和U盘、拆开的键盘和光驱等。这些实物对于学生理解计算机原理很有帮助。再如，在解决复杂工程问题的能力以及创新能力的培养方面，我们设计了许多开放性的问题，例如，如何提高计算机的速度、怎样设计一个智慧校园等，作为课后研讨问题或在课堂上讨论。这些问题往往会得到几十种回答，其中不乏创新的想法。本课程的实践环节还会安排学生自主完成计算机组装实验和开源软件的使用，锻炼学生“学到、看到、用到、做到”的能力。此外，尽管课时较少，6年来我们坚持组织全体学生到曙光信息产业股份有限公司参观高性能服务器生产线，听取讲解，目睹国产芯片的成功应用，让学生了解真实的计算机制造过程、所用的关键技术和国产化水平，在加深知识理解的同时，激发打好基础迎接挑战，将来为国家解决“卡脖子”难题的爱国情怀。
总之为使导论课达到金课所要求的“高阶性、创新性、挑战度”标准，需要从课程目标、教材建设、教学内容、教学方法、考核方式等多方面加以探索，我们也期待使用本教材的同行们不断给予指导和反馈。
本教材在编写方面，注意到以下几方面：
（1） 言简意赅。有人总结说，学习知识应该把一本厚书读薄，再把薄书读厚，可见教材的薄厚并不是关键。薄一些的教材可以适当减轻学生的心理负担，并帮助学生节省一些买书的费用。本教材虽然只有200页左右，但在内容的系统性和新颖性上并不逊色。
（2） 音在弦外。任何一本教材都不可能包罗万象，尤其是日新月异的信息技术相关教材。本教材在各章加入了适量的“延伸阅读”内容，鼓励学生从课堂之外汲取营养，养成自主学习的习惯。
（3） 信而通达。本教材的语言表达尽量通俗易懂，章节标题采用问句形式，尽量避免冗长的术语和公式，以消除学生对未知领域的恐惧心理。但是在概念和原理的表达上，力求准确精练，部分内容参考了多种来源的资料，并融入了作者的理解。不妥之处，敬请批评指正。
本教材第3章和第7章为李宁与侯霞编写，第5章为李宁与焦立博编写，其余4章由李宁编写。本教材在编写过程中得到许多师生的关心和帮助，在此一并表示感谢。

作者
2023年10月6日