計(jì)算機(jī)科學(xué)導(dǎo)論課程概述1課程目標(biāo)掌握計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)2學(xué)習(xí)內(nèi)容理論基礎(chǔ)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合考核方式計(jì)算機(jī)科學(xué)的定義計(jì)算機(jī)科學(xué)的本質(zhì)研究信息處理的系統(tǒng)理論與技術(shù)與其他學(xué)科的關(guān)系與數(shù)學(xué)、電子工程、認(rèn)知科學(xué)等密切相關(guān)計(jì)算機(jī)科學(xué)的歷史1早期計(jì)算設(shè)備算盤、差分機(jī)、分析機(jī)2電子計(jì)算機(jī)ENIAC(1946年)，第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)3現(xiàn)代計(jì)算機(jī)馮·諾依曼架構(gòu)奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)科學(xué)的基本概念數(shù)據(jù)與信息原始數(shù)據(jù)經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為有意義的信息1算法解決問題的明確步驟和規(guī)則2程序按照算法編寫的計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令集3計(jì)算思維1解決復(fù)雜問題應(yīng)用計(jì)算機(jī)科學(xué)思維方式2關(guān)鍵能力抽象、分解、模式識(shí)別、算法設(shè)計(jì)3廣泛應(yīng)用跨學(xué)科領(lǐng)域的通用思維方法計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)馮·諾依曼架構(gòu)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的基本框架中央處理器(CPU)計(jì)算機(jī)的大腦，執(zhí)行指令和運(yùn)算總線系統(tǒng)連接各硬件組件的數(shù)據(jù)通道存儲(chǔ)系統(tǒng)主存儲(chǔ)器RAM：快速但易失的臨時(shí)存儲(chǔ)輔助存儲(chǔ)器硬盤、SSD：永久性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)層次從寄存器到云存儲(chǔ)的多級(jí)結(jié)構(gòu)輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、攝像頭輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)、揚(yáng)聲器復(fù)合設(shè)備觸摸屏既是輸入也是輸出設(shè)備計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)類型局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)、個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇偩€型、星型、環(huán)型、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議TCP/IP、HTTP、FTP規(guī)范通信規(guī)則互聯(lián)網(wǎng)11969年ARPANET誕生，互聯(lián)網(wǎng)前身21989年萬維網(wǎng)(WWW)發(fā)明，信息共享變得容易3現(xiàn)今覆蓋全球，連接數(shù)十億設(shè)備操作系統(tǒng)概述資源管理分配和調(diào)度計(jì)算機(jī)硬件資源1用戶接口為用戶提供與計(jì)算機(jī)交互的界面2程序執(zhí)行加載和運(yùn)行用戶程序3文件管理組織和控制文件的存儲(chǔ)和訪問4常見操作系統(tǒng)各系統(tǒng)有不同特點(diǎn)和適用場(chǎng)景文件系統(tǒng)文件組織層次目錄結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)文件操作創(chuàng)建、讀取、寫入、刪除等基本功能存儲(chǔ)管理分配和回收磁盤空間程序設(shè)計(jì)語言概述高級(jí)語言接近人類語言，易于學(xué)習(xí)和使用PythonJava低級(jí)語言接近機(jī)器語言，性能高但難學(xué)匯編語言機(jī)器語言常見編程語言Python簡潔易學(xué)，廣泛應(yīng)用于AI、數(shù)據(jù)科學(xué)Java跨平臺(tái)，企業(yè)級(jí)應(yīng)用開發(fā)首選C/C++高性能，系統(tǒng)級(jí)編程的標(biāo)準(zhǔn)選擇程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)順序結(jié)構(gòu)按照語句的先后順序執(zhí)行選擇結(jié)構(gòu)根據(jù)條件執(zhí)行不同的代碼塊循環(huán)結(jié)構(gòu)重復(fù)執(zhí)行特定代碼塊直到條件不滿足數(shù)據(jù)類型基本數(shù)據(jù)類型整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符、布爾值復(fù)合數(shù)據(jù)類型數(shù)組、字符串、結(jié)構(gòu)體、類引用數(shù)據(jù)類型指針、引用等間接訪問數(shù)據(jù)的類型函數(shù)與模塊化編程1函數(shù)定義封裝可重用代碼塊，提高代碼復(fù)用性2參數(shù)傳遞值傳遞、引用傳遞、指針傳遞3返回值函數(shù)執(zhí)行結(jié)果的輸出4模塊化設(shè)計(jì)將程序分解為功能獨(dú)立的模塊面向?qū)ο缶幊填惻c對(duì)象類是對(duì)象的模板，對(duì)象是類的實(shí)例1封裝隱藏內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，只暴露必要接口2繼承子類繼承父類的屬性和方法3多態(tài)同一接口調(diào)用不同實(shí)現(xiàn)4軟件工程基礎(chǔ)需求分析明確軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)制定實(shí)現(xiàn)方案和架構(gòu)編碼實(shí)現(xiàn)按照設(shè)計(jì)編寫程序代碼測(cè)試驗(yàn)證軟件功能和質(zhì)量維護(hù)修復(fù)問題和功能升級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)組連續(xù)內(nèi)存空間存儲(chǔ)同類型數(shù)據(jù)鏈表非連續(xù)節(jié)點(diǎn)通過指針連接棧和隊(duì)列特殊操作規(guī)則的線性結(jié)構(gòu)樹形結(jié)構(gòu)二叉樹每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多有兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)二叉搜索樹左子樹值小于根節(jié)點(diǎn)，右子樹值大于根節(jié)點(diǎn)平衡樹特殊二叉樹，保持平衡以提高效率圖結(jié)構(gòu)圖的表示鄰接矩陣、鄰接表存儲(chǔ)復(fù)雜關(guān)系圖的遍歷深度優(yōu)先搜索、廣度優(yōu)先搜索圖的應(yīng)用社交網(wǎng)絡(luò)、地圖導(dǎo)航、網(wǎng)絡(luò)路由算法設(shè)計(jì)與分析1算法正確性能夠正確解決問題2時(shí)間復(fù)雜度算法執(zhí)行所需時(shí)間的度量3空間復(fù)雜度算法執(zhí)行所需空間的度量排序算法值表示O(n^x)復(fù)雜度，數(shù)值越小效率越高搜索算法線性搜索順序查找，時(shí)間復(fù)雜度O(n)二分搜索分治法，時(shí)間復(fù)雜度O(logn)哈希搜索通過哈希函數(shù)，平均時(shí)間復(fù)雜度O(1)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)1關(guān)系型數(shù)據(jù)庫以表格形式存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)2SQL語言結(jié)構(gòu)化查詢語言，操作數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)3數(shù)據(jù)完整性確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性4事務(wù)處理保證操作的原子性、一致性、隔離性和持久性數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)不同DBMS適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景大數(shù)據(jù)概述數(shù)據(jù)量大PB級(jí)以上的數(shù)據(jù)規(guī)模1多樣性結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)2高速度數(shù)據(jù)生成和處理速度快3價(jià)值密度低需要分析挖掘才能發(fā)現(xiàn)價(jià)值4人工智能基礎(chǔ)11950年代AI概念提出，圖靈測(cè)試21980-90年代專家系統(tǒng)興起，AI冬季32010年后深度學(xué)習(xí)突破，AI迅速發(fā)展機(jī)器學(xué)習(xí)監(jiān)督學(xué)習(xí)使用標(biāo)記數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型無監(jiān)督學(xué)習(xí)從無標(biāo)記數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)模式強(qiáng)化學(xué)習(xí)通過獎(jiǎng)懲機(jī)制學(xué)習(xí)最優(yōu)策略深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬人腦結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型深度架構(gòu)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取復(fù)雜特征應(yīng)用領(lǐng)域圖像識(shí)別、語音處理、自然語言處理計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)2D圖形平面圖像的生成和處理3D圖形三維模型的構(gòu)建和渲染計(jì)算機(jī)視覺1圖像處理濾波、增強(qiáng)、分割等基本操作2目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別圖像中的特定物體3人臉識(shí)別分析人臉特征進(jìn)行身份識(shí)別4場(chǎng)景理解理解圖像中物體間的關(guān)系和環(huán)境虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)創(chuàng)造完全沉浸式的數(shù)字環(huán)境增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)在現(xiàn)實(shí)世界疊加數(shù)字信息混合現(xiàn)實(shí)(MR)現(xiàn)實(shí)與虛擬世界的融合多媒體技術(shù)音頻處理壓縮、編碼、效果處理視頻處理編碼、壓縮、特效制作媒體流實(shí)時(shí)音視頻傳輸技術(shù)信息安全基礎(chǔ)保密性防止未授權(quán)訪問信息1完整性確保信息不被篡改2可用性確保系統(tǒng)正常運(yùn)行，信息可訪問3可追溯性記錄和跟蹤系統(tǒng)活動(dòng)4加密技術(shù)對(duì)稱加密同一密鑰加解密，速度快但密鑰分發(fā)難非對(duì)稱加密公鑰加密私鑰解密，解決密鑰分發(fā)問題哈希函數(shù)單向映射，用于數(shù)字簽名和完整性驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)安全常見威脅病毒、釣魚、DDoS攻擊、中間人攻擊安全設(shè)備防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)、VPN安全策略訪問控制、數(shù)據(jù)備份、漏洞修復(fù)云計(jì)算1SaaS軟件即服務(wù)，提供應(yīng)用程序2PaaS平臺(tái)即服務(wù)，提供開發(fā)環(huán)境3IaaS基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)，提供計(jì)算資源物聯(lián)網(wǎng)感知層傳感器收集環(huán)境數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸與通信處理層數(shù)據(jù)分析與決策應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)智能控制和服務(wù)邊緣計(jì)算概念將計(jì)算任務(wù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣處理優(yōu)勢(shì)低延遲、減輕帶寬壓力、本地?cái)?shù)據(jù)處理應(yīng)用場(chǎng)景自動(dòng)駕駛、智能制造、遠(yuǎn)程醫(yī)療區(qū)塊鏈技術(shù)分布式賬本多方共同維護(hù)的不可篡改記錄1共識(shí)機(jī)制確保各節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致的規(guī)則2密碼學(xué)保障使用加密算法確保安全3智能合約自動(dòng)執(zhí)行的程序化協(xié)議4量子計(jì)算量子位可同時(shí)處于多種狀態(tài)的基本單位量子疊加同時(shí)處理多種可能性的能力量子糾纏量子位間的特殊關(guān)聯(lián)并行計(jì)算多核處理單芯片多處理器并行執(zhí)行任務(wù)集群計(jì)算多臺(tái)計(jì)算機(jī)協(xié)同解決問題網(wǎng)格計(jì)算地理分布的異構(gòu)資源共享分布式系統(tǒng)1特點(diǎn)多節(jié)點(diǎn)協(xié)作、資源共享、高可靠性2挑戰(zhàn)一致性、容錯(cuò)性、網(wǎng)絡(luò)延遲3應(yīng)用大規(guī)模網(wǎng)站、分布式存儲(chǔ)、云計(jì)算平臺(tái)計(jì)算機(jī)仿真科學(xué)仿真物理過程、化學(xué)反應(yīng)模擬工程仿真結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)培訓(xùn)仿真飛行模擬器、醫(yī)療手術(shù)訓(xùn)練計(jì)算科學(xué)數(shù)值計(jì)算利用數(shù)值方法求解復(fù)雜問題科學(xué)可視化將復(fù)雜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀圖像計(jì)算建模構(gòu)建現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)學(xué)模型生物信息學(xué)序列分析DNA、RNA和蛋白質(zhì)序列的比較和分析結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)基因組學(xué)全基因組的分析和解讀計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）各行業(yè)設(shè)計(jì)工作的強(qiáng)大工具計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）1概念利用計(jì)算機(jī)控制制造設(shè)備和流程2優(yōu)勢(shì)提高精度、節(jié)約時(shí)間、減少浪費(fèi)3應(yīng)用CNC加工、3D打印、機(jī)器人裝配自然語言處理語音識(shí)別將語音轉(zhuǎn)換為文本機(jī)器翻譯在不同語言間自動(dòng)轉(zhuǎn)換情感分析分析文本中的情感傾向計(jì)算機(jī)倫理隱私保護(hù)個(gè)人數(shù)據(jù)的合理收集和使用1知識(shí)產(chǎn)權(quán)軟件版權(quán)、專利和開源問題2算法公平避免偏見和歧視3數(shù)字鴻溝技術(shù)接入和使用的不平等4綠色計(jì)算能源效率低功耗設(shè)計(jì)和能源管理電子廢棄物回收和環(huán)保處理廢舊設(shè)備可持續(xù)設(shè)計(jì)延長設(shè)備壽命，減少資源消耗計(jì)算機(jī)職業(yè)發(fā)展30%年均增長率IT行業(yè)就業(yè)需求持續(xù)增長5M+全球開發(fā)者軟件開發(fā)人才缺口巨大15+專業(yè)方向從開發(fā)到管理的多元化崗位計(jì)算機(jī)科學(xué)前沿量子霸權(quán)量子計(jì)算機(jī)解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理的問題通用人工智能具有類人思維能力的AI系統(tǒng)腦機(jī)接口大腦與計(jì)算機(jī)直接通信的技術(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)的未來展望技術(shù)趨勢(shì)AI、量子計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)將改變生活