大學計算機課程精品系列

普通高等院校新形態(tài)一體化“十三五”規(guī)劃教材

河南省首批精品在線開放課程配套教材

大學計算機—面向計算思維

（微課+慕課版）

夏敏捷?齊?暉◎主?編

金?秋?孔夢榮?周雪燕?楊要科◎副主編

大學計算機——面向計算思維（微課+慕課版）_夏敏捷-文前.indd12020-9-314:38:46

內(nèi)?容?簡?介

本書依據(jù)教育部大學計算機課程教指委發(fā)布的《高等學校計算機基礎(chǔ)課程教學基本要求》，結(jié)

合計算機最新技術(shù)以及高等學校計算機基礎(chǔ)課程改革的最新動向編寫而成。本書基于新工科理念，

闡述如何運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解，重點培養(yǎng)學生利

用計算思維解決系統(tǒng)性、工程性問題的能力，為后續(xù)程序設計課程、信息系統(tǒng)開發(fā)以及專業(yè)課程的

學習奠定堅實基礎(chǔ)。全書內(nèi)容包括計算、計算機與計算思維，數(shù)據(jù)的計算基礎(chǔ)，計算系統(tǒng)與機器級

程序的執(zhí)行，計算思維與管理，萬物互聯(lián)，數(shù)據(jù)庫與大數(shù)據(jù)技術(shù)，算法與程序設計基礎(chǔ)，人工智能

技術(shù)和信息素養(yǎng)。本書結(jié)構(gòu)嚴謹、敘述準確，按照計算思維能力培養(yǎng)的要求，由淺入深，由易到

難，系統(tǒng)展開。

本書適合作為高等院校非計算機專業(yè)“大學計算機”課程的教材，也可作為計算機技術(shù)培訓

教材和自學參考書。

圖書在版編目（CIP）數(shù)據(jù)

大學計算機：面向計算思維：微課+慕課版/夏敏捷,齊暉主編.—

北京：中國鐵道出版社有限公司,2020.8

大學計算機課程精品系列普通高等院校新形態(tài)一體化

“十三五”規(guī)劃教材

ISBN978-7-113-27179-4

Ⅰ.①大…Ⅱ.①夏…②齊…Ⅲ.①電子計算機-

高等學校-教材Ⅳ.①TP3

中國版本圖書館CIP數(shù)據(jù)核字(2020)第153108號

書名：大學計算機—面向計算思維（微課+慕課版）

DAXUEJISUANJI——MIANXIANGJISUANSIWEI(WEIKE+MUKEBAN)

作者：夏敏捷?齊?暉

策??劃：韓從付編輯部電話：（010）51873202

責任編輯：劉麗麗?彭立輝

封面設計：劉?穎

責任校對：張玉華

責任印制：樊啟鵬

出版發(fā)行：中國鐵道出版社有限公司（100054，北京市西城區(qū)右安門西街8號）

網(wǎng)址：/51eds/

印刷：河北省三河市燕山印刷有限公司

版次：2020年8月第1版2020年8月第1次印刷

開本：787?mm×1?092?mm1/16印張：17字數(shù)：406千

書號：ISBN978-7-113-27179-4

定價：49.80元

版權(quán)所有侵權(quán)必究

凡購買鐵道版圖書，如有印制質(zhì)量問題，請與本社教材圖書營銷部聯(lián)系調(diào)換。電話：（010）63550836?

打擊盜版舉報電話：（010）51873659

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前言

2006年，周以真教授在美國ACM刊物上發(fā)表文章，提出計算思維的概念，激發(fā)和

推進了學術(shù)界和社會對于計算思維的普遍關(guān)注和熱烈探討。概括地講，計算思維是運用

計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學

之廣度的一系列思維活動。在面向信息社會的教育教學改革中，計算思維能力的培養(yǎng)已

成為新工科建設的重點內(nèi)容與核心觀念，作為新工科建設的基礎(chǔ)課程，“大學計算機”

的教育必須始終貫徹這一理念。對大學生計算思維能力的培養(yǎng)，與數(shù)學和物理學的思維

能力一樣，在人才培養(yǎng)中都具有核心價值。

以往對學生科學思維能力的培養(yǎng)，基本都是依靠數(shù)學和物理學兩大類課程訓練。學

習數(shù)學培養(yǎng)嚴謹?shù)倪壿嬎季S能力，學習物理學培養(yǎng)理性的實證能力，對于通過學習計算

機應用培養(yǎng)計算思維能力重視不足，總體比重偏低，成為三大思維能力培養(yǎng)的短板。隨

著電子商務、數(shù)字媒體、智慧城市、網(wǎng)絡安全等新概念應時而起，人類已經(jīng)進入大數(shù)據(jù)

時代，出現(xiàn)了數(shù)據(jù)密集型科學，產(chǎn)生了許多顛覆性的創(chuàng)新。計算思維在理解復雜的社會

問題、經(jīng)濟運行以及人類行為方面，提供了一種描述現(xiàn)實世界的新的、有用的概念范型。

由于信息技術(shù)已經(jīng)滲透到工科的所有領(lǐng)域，傳統(tǒng)的數(shù)學和物理思維能力培養(yǎng)已無法滿足

信息社會的發(fā)展要求，計算思維能力培養(yǎng)的重要性日益突顯。

在此背景下，如何在全面培養(yǎng)學生的科學思維能力和綜合素質(zhì)基礎(chǔ)上，進一步加強

計算思維能力培養(yǎng)，已成為“大學計算機”教育教學的新課題。當然，對計算思維能力

的培養(yǎng)，既不能片面理解為教會學生“各種計算機軟硬件的應用”，也不能狹義地理解

為“計算機語言程序設計”等細枝末節(jié)的東西，而是著眼于培養(yǎng)學生的思維意識，全面

提高學生利用計算機技術(shù)解決問題的思維能力和研究能力，以及在此基礎(chǔ)上的系統(tǒng)分析

能力，包括培養(yǎng)學生在面對問題時具有計算思維的主動意識，以及應用計算思維解決問

題的良好習慣。

本書就是基于培養(yǎng)高校學生計算思維能力而編寫的一門大學計算機基礎(chǔ)教材，按照

計算思維能力培養(yǎng)的邏輯順序，由淺入深，由易到難，系統(tǒng)展開。本書建議教學學時為

45學時，其中理論課程為35學時，實踐課程為10學時，各學校在教學過程中可根據(jù)

專業(yè)類別、學生層次和學時的不同，選擇書中的內(nèi)容組織教學，應以實踐為主線安排教

學進度。

全書共分9章，主要內(nèi)容如下：

第1章計算、計算機與計算思維，首先帶領(lǐng)讀者走進計算機，講述計算、計算機、

計算思維的基本概念，以及計算工具的發(fā)展、計算機的基礎(chǔ)知識，從計算模型著手，講

解計算機的工作原理和整體結(jié)構(gòu)，以及基于計算機進行問題求解的一般過程。

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第2章數(shù)據(jù)的計算基礎(chǔ)，主要介紹語義符號化、常用計數(shù)制及其轉(zhuǎn)換、各種信息的

編碼，計算機中常見邏輯運算、對應門電路以及加法器的實現(xiàn)，從而幫助讀者建立0、1

思維，理解計算機能夠進行自動計算的原理。

第3章計算系統(tǒng)與機器級程序的執(zhí)行，講解計算系統(tǒng)的核心是指令、程序及其自動

執(zhí)行，介紹馮·諾依曼計算機、機器指令與機器級程序、程序的自動存取與自動執(zhí)行的

基本原理，以及機器指令與機器級程序的執(zhí)行過程。

第4章計算思維與管理，講述操作系統(tǒng)的概念、操作系統(tǒng)的基本功能、分類及發(fā)展，

理解存儲體系和現(xiàn)代計算機的工作過程，并以Windows10操作系統(tǒng)為例，介紹如何

使用操作系統(tǒng)管理和控制計算機的軟硬件資源，包括處理機管理、文件與磁盤管理和設

備管理。

第5章萬物互聯(lián)，介紹構(gòu)成網(wǎng)絡化社會的核心—互聯(lián)網(wǎng)，以及網(wǎng)絡化社會的基

礎(chǔ)—物聯(lián)網(wǎng)，同時介紹了目前信息網(wǎng)絡中信息的組織、傳播、搜索方式，并通過經(jīng)典

案例討論了基于互聯(lián)網(wǎng)的思維模式的轉(zhuǎn)變與創(chuàng)新。

第6章數(shù)據(jù)庫與大數(shù)據(jù)技術(shù)，介紹數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展、數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)知識、數(shù)據(jù)

庫的基本模型和關(guān)系模型；了解大數(shù)據(jù)相關(guān)的計算思維以及數(shù)據(jù)庫設計的一般步驟和大

數(shù)據(jù)基礎(chǔ)知識。

第7章算法與程序設計基礎(chǔ)，從算法的角度介紹程序設計，同時介紹目前常用的兩

種程序設計方法—結(jié)構(gòu)化程序設計與面向?qū)ο蟪绦蛟O計，以及使用Raptor編程設計

程序。

第8章人工智能技術(shù)，介紹人工智能的基本概念、發(fā)展史及具體應用領(lǐng)域。同時對

人工智能的研究分支—機器學習、知識圖譜和知識推理、自然語言處理進行介紹，以

增強讀者對人工智能技術(shù)的切身體驗。

第9章信息素養(yǎng)，介紹在Office2010環(huán)境下，信息排版和電子表格處理方面的知

識，這是和人們學習生活更為貼近的一種能力，是必備的信息素養(yǎng)。

本書由夏敏捷、齊暉任主編，金秋、孔夢榮、周雪燕、楊要科任副主編，李楓、潘惠勇、

劉姝、胡海燕參與編寫。其中：第1章由楊要科編寫，第2章由金秋編寫，第3章由齊暉、

李楓編寫，第4章由孔夢榮編寫，第5章由周雪燕編寫，第6章由潘惠勇編寫，第7章

由胡海燕（鄭州輕工業(yè)大學）編寫，第8章由夏敏捷編寫，第9章由劉姝編寫，高麗平

老師參與本書視頻錄制工作。全書由夏敏捷、齊暉審閱并統(tǒng)稿。

本書是一本側(cè)重培養(yǎng)大學生計算機思維能力，重點講解計算科學思想和方法的大學

計算機教材，但由于新生的計算機基礎(chǔ)水平參差不齊，“大學計算機”這門課教學內(nèi)容

的選取及相應教材的編寫依然是難點。鑒于這樣的特殊性，加之編者學識水平所限，書

中疏漏和不妥之處在所難免，懇請廣大師生不吝指正。

編?者

2020年5月

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目錄

第1章?計算、計算機與計算思維................................................................................................1

1.1?計?算........................................................................................................................1

1.1.1計算的基本概念........................................................................................................1

1.1.2計算工具的探索........................................................................................................2

1.2?計算機........................................................................................................................2

1.2.1計算機的發(fā)展............................................................................................................3

1.2.2計算機基礎(chǔ)知識........................................................................................................4

1.2.3計算機新技術(shù)............................................................................................................6

1.3?計算模型..................................................................................................................11

1.3.1圖靈機模型..............................................................................................................11

1.3.2馮·諾依曼計算機模型..........................................................................................12

1.4?計算機系統(tǒng)...............................................................................................................13

1.4.1計算機系統(tǒng)的組成..................................................................................................13

1.4.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)..........................................................................................16

1.4.3計算機的基本工作原理..........................................................................................17

1.5?計算思維概述...........................................................................................................18

1.6?計算機安全基礎(chǔ)........................................................................................................20

1.6.1基本概念..................................................................................................................20

1.6.2信息安全..................................................................................................................21

1.6.3計算機病毒與防治..................................................................................................24

1.6.4防火墻技術(shù)..............................................................................................................25

習題..................................................................................................................................26

第2章?數(shù)據(jù)的計算基礎(chǔ)..............................................................................................................28

2.1?語義的符號表示........................................................................................................28

2.1.1自然現(xiàn)象用符號表示..............................................................................................28

2.1.2思維邏輯用符號表示..............................................................................................29

2.2?計算機中的數(shù)制與運算.............................................................................................31

2.2.1常用計數(shù)制..............................................................................................................31

2.2.2數(shù)制與數(shù)制間的轉(zhuǎn)換..............................................................................................31

2.2.3二進制數(shù)的運算......................................................................................................34

2.2.4機器數(shù)的表示和運算..............................................................................................35

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大學計算機——面向計算思維（微課+慕課版）

2.3?信息編碼..................................................................................................................36

2.3.1數(shù)值信息的表示......................................................................................................37

2.3.2字符信息的編碼......................................................................................................37

2.3.3漢字信息的編碼......................................................................................................38

2.3.4多媒體信息的編碼..................................................................................................40

2.4?邏輯代數(shù)基礎(chǔ)...........................................................................................................42

2.4.1關(guān)于邏輯..................................................................................................................42

2.4.2基本邏輯運算..........................................................................................................42

2.4.3其他邏輯運算..........................................................................................................43

2.5?電子元器件與基本門電路.........................................................................................43

2.5.1二極管和三極管的開關(guān)特性..................................................................................44

2.5.2簡單的與門電路......................................................................................................45

2.5.3簡單的或門電路......................................................................................................45

2.5.4簡單的非門電路......................................................................................................45

2.5.5加法器......................................................................................................................46

習題..................................................................................................................................49

第3章?計算系統(tǒng)與機器級程序的執(zhí)行...................................................................................53

3.1?計算系統(tǒng)與程序........................................................................................................53

3.1.1計算系統(tǒng)的構(gòu)造......................................................................................................53

3.1.2程序的構(gòu)造..............................................................................................................55

3.2?圖靈機模型...............................................................................................................61

3.2.1圖靈機的基本思想..................................................................................................61

3.2.2圖靈機模型程序的表達及其執(zhí)行..........................................................................62

3.3?馮·諾依曼計算機....................................................................................................65

3.3.1馮·諾依曼計算機的基本原理..............................................................................65

3.3.2馮·諾依曼計算機的基本結(jié)構(gòu)..............................................................................66

3.3.3存儲器......................................................................................................................67

3.3.4運算器和控制器......................................................................................................68

3.4?機器級算法與程序....................................................................................................69

3.4.1問題求解與機器級算法..........................................................................................70

3.4.2機器指令與機器程序..............................................................................................70

3.4.3機器程序的存儲與執(zhí)行..........................................................................................71

習題..................................................................................................................................74

第4章?計算思維與管理..............................................................................................................76

4.1?計算機的神經(jīng)中樞—操作系統(tǒng)..............................................................................76

4.1.1操作系統(tǒng)的概念......................................................................................................76

II

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目?錄

4.1.2操作系統(tǒng)分類..........................................................................................................78

4.2常用操作系統(tǒng)簡介....................................................................................................80

4.2.1Windows操作系統(tǒng)..................................................................................................80

4.2.2UNIX操作系統(tǒng).......................................................................................................81

4.2.3Linux操作系統(tǒng)........................................................................................................82

4.2.4MacOS.....................................................................................................................82

4.2.5蘋果移動設備操作系統(tǒng)（iOS）............................................................................82

4.2.6安卓（Android）操作系統(tǒng).....................................................................................83

4.3?現(xiàn)代計算機的工作過程.............................................................................................84

4.3.1運行BIOS程序.......................................................................................................84

4.3.2讀取主啟動記錄......................................................................................................85

4.3.3加載操作系統(tǒng)..........................................................................................................85

4.4?存儲管理—不同性能資源的組合優(yōu)化思維............................................................86

4.4.1存儲體系..................................................................................................................86

4.4.2程序的裝入和連接..................................................................................................87

4.4.3地址映射..................................................................................................................87

4.4.4存儲擴充..................................................................................................................87

4.4.5存儲保護..................................................................................................................88

4.5?處理器管理...............................................................................................................89

4.5.1程序..........................................................................................................................89

4.5.2進程..........................................................................................................................89

4.5.3進程的基本狀態(tài)......................................................................................................90

4.5.4進程調(diào)度..................................................................................................................91

4.5.5線程..........................................................................................................................91

4.6?文件與磁盤管理—化整為零，零存整取................................................................92

4.6.1文件..........................................................................................................................92

4.6.2文件的結(jié)構(gòu)..............................................................................................................93

4.6.3磁盤管理..................................................................................................................95

4.6.4文件存儲空間管理..................................................................................................96

4.7?設備管理..................................................................................................................98

4.7.1外圍設備分類..........................................................................................................98

4.7.2集中、統(tǒng)一管理......................................................................................................98

習題................................................................................................................................100

第5章?萬物互聯(lián).........................................................................................................................102

5.1?網(wǎng)絡化社會.............................................................................................................102

5.1.1物聯(lián)網(wǎng)：網(wǎng)絡化社會的基礎(chǔ)................................................................................102

III

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大學計算機——面向計算思維（微課+慕課版）

5.1.2互聯(lián)網(wǎng)：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心................................................................................102

5.2?網(wǎng)絡的構(gòu)成.............................................................................................................103

5.2.1機–機互聯(lián)............................................................................................................103

5.2.2網(wǎng)–網(wǎng)互聯(lián)............................................................................................................106

5.2.3物–物互聯(lián)............................................................................................................114

5.3?信息網(wǎng)絡................................................................................................................121

5.3.1網(wǎng)絡信息資源........................................................................................................121

5.3.2標記語言................................................................................................................123

5.3.3搜索引擎................................................................................................................126

5.4?互聯(lián)網(wǎng)思維.............................................................................................................129

5.4.1互聯(lián)網(wǎng)思維體系....................................................................................................129

5.4.2“互聯(lián)網(wǎng)+”的創(chuàng)新思維.....................................................................................130

習題...............................................................................................................................132

第6章?數(shù)據(jù)庫與大數(shù)據(jù)技術(shù)..................................................................................................134

6.1?數(shù)據(jù)庫的基本概念..................................................................................................134

6.1.1計算機數(shù)據(jù)管理的發(fā)展........................................................................................134

6.1.2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)............................................................................................................136

6.1.3數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點................................................................................................137

6.2?數(shù)據(jù)模型................................................................................................................137

6.2.1數(shù)據(jù)模型的組成....................................................................................................137

6.2.2數(shù)據(jù)模型的分類....................................................................................................138

6.2.3E-R模型簡介.........................................................................................................139

6.2.4常用數(shù)據(jù)模型........................................................................................................139

6.3?關(guān)系數(shù)據(jù)庫.............................................................................................................140

6.3.1關(guān)系數(shù)據(jù)模型........................................................................................................140

6.3.2關(guān)系運算................................................................................................................141

6.3.3關(guān)系的完整性........................................................................................................143

6.4?結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL.............................................................................................143

6.4.1SQL數(shù)據(jù)定義語言................................................................................................143

6.4.2SQL數(shù)據(jù)操縱語句................................................................................................144

6.4.3SQL查詢語句........................................................................................................145

6.5?數(shù)據(jù)庫設計案例......................................................................................................146

6.5.1數(shù)據(jù)庫設計的一般步驟........................................................................................146

6.5.2Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)介紹........................................................................................147

6.5.3“學籍管理”數(shù)據(jù)庫的設計................................................................................148

IV

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目?錄

6.6?大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)知識......................................................................................................154

6.6.1大數(shù)據(jù)定義............................................................................................................154

6.6.2大數(shù)據(jù)處理基本流程............................................................................................155

6.6.3大數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)............................................................................................155

6.6.4大數(shù)據(jù)主流框架介紹............................................................................................156

6.6.5NoSQL數(shù)據(jù)庫介紹...............................................................................................158

6.6.6大數(shù)據(jù)應用............................................................................................................160

習題...............................................................................................................................161

第7章?算法與