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大学计算机——计算思维导论（双色）

作译者：战德臣,聂兰顺等

出版时间：2013-07 千字数：500 版次：01-01 页数：320

开本：16(185*260) 装帧： I S B N ：9787121207228

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第1章 引论 001
1.1 什么是计算 002
1.2 计算机科学与计算科学 002
1.3 来自计算机发展史的启示 003
1.3.1 来自计算工具发展的启示 003
1.3.2 来自元器件发展的启示 005
1.3.3 来自计算机硬件发展的启示 007
1.3.4 来自计算机软件发展的启示 009
1.3.5 一些重要思想/重要事件及其带来的影响 011
1.4 计算机应用 013
1.5 计算机发展趋势 015
1.5.1 高性能计算：无所不能的计算 015
1.5.2 普适计算：无所不在的计算 016
1.5.3 服务计算与云计算：万事皆服务的计算 017
1.5.4 智能计算 018
1.5.5 生物计算 019
1.5.6 未来互联网与智慧地球 020
思考题 022
参考文献 023
第2章 计算系统的基本思维 025
2.1 理解0和1的思维 026
2.1.1 语义符号化的典型案例：0/1与《易经》 026
2.1.2 思维方式与逻辑运算：0/1与逻辑 027
2.1.3 二进制与算术运算：0/1与数值信息 028
2.1.4 编码与符号运算：0/1与非数值信息 031
2.1.5 0和1与电子元器件 034
2.1.6 0和1思维小结 038
2.2 图灵机与冯·诺依曼计算机 039
2.2.1 图灵机：关于通用机器及指令、程序及其自动执行 039
2.2.2 冯·诺依曼计算机 041
2.2.3 存储器：可按地址自动存取内容的部件 042
目 录
XVIII
2.2.4 机器指令与机器级程序与算法 045
2.2.5 机器级程序的存储与执行 047
2.2.6 关于冯·诺依曼计算机的贯通性思维小结 050
2.3 现代计算机 051
2.3.1 现代计算机的构成 051
2.3.2 存储体系：不同性能资源的组合优化思维 052
2.3.3 为什么要有操作系统——硬件功能扩展的基本思维 055
2.3.4 化整为零的基本思维——磁盘与文件管理 057
2.3.5 任务-作业与内存管理：
分工合作与协同求解复杂系统问题的基本思维 059
2.3.6 分时-并行控制思维：任务-作业管理与处理机管理 062
2.3.7 现代计算机的工作过程 064
2.3.8 现代计算机的发展 065
2.3.9 关于现代计算机的贯通性思维小结 067
2.4 不同抽象层级的计算机（软件） 067
2.4.1 人-机交互层面的计算机——计算机语言与编译器 068
2.4.2 机-机交互层级的计算机：
协议与编码器/解码器/转换器/处理器 075
2.4.3 分层抽象进行复杂问题化简的示例：
操作系统对设备的分层控制 078
2.4.4 关于不同抽象层级计算机的思维小结 085
思考题 085
参考文献 087
第3章 问题求解框架 089
3.1 传统程序的基本构成要素 090
3.1.1 常量、变量、表达式 090
3.1.2 语句与程序控制 092
3.1.3 函数与函数调用 097
3.1.4 常量/变量、数据存储与数据结构 098
3.1.5 程序构造及其表达方法 102
3.2 算法类问题求解框架 105
3.2.1 算法的基本概念 105
3.2.2 数学建模：建立问题的数学模型 108
3.2.3 算法思想：算法策略选择 109
3.2.4 算法设计：算法思想的精确表达 110
3.2.5 算法的模拟与分析 113
3.2.6 算法的复杂性 114
XIX
3.2.7 算法类问题求解框架 115
3.3 现代程序的基本构成要素 116
3.3.1 对象与类的概念——通俗示例 116
3.3.2 类与对象的概念——面向对象的程序 119
3.3.3 面向对象程序构造的一个例子——可视化编程的思维模式 121
3.3.4 现代程序构造及其表达方法 123
3.4 系统类问题求解框架 126
3.4.1 什么是系统 126
3.4.2 建立问题域/业务模型 130
3.4.3 建立软件域模型 135
3.4.4 软件模块的构造与实现 141
3.4.5 软件系统的构造与实现 145
3.4.6 软件系统的测试、部署与运行 147
3.4.7 软件体系结构与软件模式问题 150
3.4.8 系统的可靠性和安全性问题 156
3.4.9 小结 158
思考题 159
参考文献 161
第4章 算法与复杂性 163
4.1 排序问题及其算法 164
4.1.1 排序问题 164
4.1.2 基本排序算法 167
4.1.3 PageRank排序：排序问题的不同思考方法 174
4.2 递归及递归算法 180
4.2.1 递归：用有限的语句定义对象的无限集合 180
4.2.2 递归算法：自身调用自身，高阶调用低阶 187
4.3 遗传算法：计算复杂性与仿生学算法示例 194
4.3.1 可求解与难求解问题 194
4.3.2 遗传算法：仿生学算法的简单示例 196
4.3.3 遗传算法暨问题求解算法的进一步探讨 202
思考题 210
参考文献 211
第5章 数据抽象、设计与挖掘 213
5.1 数据与大数据 214
5.2 数据管理和数据库：数据聚集的核心 216
5.2.1 数据聚集成“库”——数据库及数据库管理 216
XX
5.2.2 数据库的基本结构形式——数据表 217
5.2.3 数据表的操作——关系操作 220
5.2.4 用数学定义数据表及其操作——关系模型 223
5.2.5 数据库语言——用计算机语言表达数据表及其操作 226
5.2.6 DBMS——数据库语言的执行或者数据表操作的自动实现 231
5.3 数据分析的核心——联机数据分析和数据挖掘 232
5.3.1 例子——超市数据库 232
5.3.2 超市数据分析方法——二维交叉表 234
5.3.3 数据仓库联机数据分析（OLAP）：
由二维数据分析到多维数据分析 235
5.3.4 数据也是生产力——数据挖掘 240
5.4 抽象、理论和设计 248
5.4.1 抽象：理解→区分→命名→表达 249
5.4.2 理论：定义→性质（公理和定理）→证明 254
5.4.3 设计：形式→构造→自动化 257
5.4.4 抽象—理论—设计之间的关系 259
思考题 260
参考文献 261
第6章 计算机网络、信息网络与网络化社会 263
6.1 网络与社会 264
6.2 计算机网络 264
6.2.1 网络通信的基本原理 264
6.2.2 计算机网络连接：不同类别的机器网络 269
6.3 因特网与Web——信息网络 279
6.3.1 由计算机网络走向文档/信息网络Web 279
6.3.2 超文本/超媒体的表达与解析 280
6.3.3 超文本/超媒体的组织与管理 284
6.3.4 无限资源库的发掘和利用：搜索引擎 286
6.3.5 互动网络与群体网络：
互联网的创新更重要的是思维的创新 287
6.4 网络化社会与网络计算：用科学方法研究网络问题 290
6.4.1 形形色色的网络 290
6.4.2 网络问题抽象与基本网络计算问题 291
6.4.3 网络计算示例：社会网络的一个问题研究 297
思考题 302
参考文献 304

序一
为了改变这种现象，教育部计算机基础教学指导委员会推动了一件很重要的工作就是使
计算思维融入计算机基础课程的教学，明确了以计算思维为核心的计算机基础课程教学
改革的方向。
对计算思维教育的探索，应该说哈尔滨工业大学在前些年做了很好的探索工作，取
得了一些成绩，他们并没有停留在“计算思维”的名词上面，而是潜心对计算学科内容进
行了以经典计算思维为目标的提取和系统化的论述工作，尤其是提出了富有一定深度的
计算之树，较好地概括了大学计算机的计算思维教育空间。以此为指导，编写了《大学计
算机——计算思维导论》一书，该书对大学计算机课程的内容进行了面向计算思维的再造，有一些较为明显的特点：克服了传统教材中单纯知识性的编写方法以及单纯以概念
讲概念和以概念讲原理的编写方法；强调“知识/术语”随着“思维”的讲解而介绍，“思
维”随着“知识”的贯通而形成，能力随着思维的理解而提高；强调从问题分析着手，强
化如何进行抽象，如何将现实问题抽象为一个数学问题或者一个形式化问题，提高问题
表述及问题求解的严谨性；强调通过图示化的规模较小的问题求解示例来展现复杂的思
维，使读者一目了然；追求从社会/自然等人们身边的问题求解讲解到计算科学家是如
何进行问题求解的；尤其强调“问题”及问题的讨论，通过逐步地提出问题，引导学生从
一个较浅的理解层次逐步过渡到较深入的理解层次，通过不同视角和递阶的讨论，逐步
引导学生怎么理解和如何确定前行的方向，进而能够建立起较为科学的研究习惯。
该书形成了大学计算机的一个有特色的教学内容体系，是大学计算机面向计算思维
通识教育的一本很好的教材。
陈国良

序二
社会信息化进程以人们无法预测的速度突飞猛进，社会和个人对计算的理解和计算机的应用水平贡献了巨大的“正能量”。高校计算机基础课程的教学内容已不能仅仅限于软件工具的使用，而应有相对稳定的、体现计算机学科思想和方法的核心内容；综合考虑技能培养与思维训练的教学目标，构建新的课程内容，成为计算机基础课程教学改革的紧迫任务。
在这一背景下，“增强计算思维能力培养”成为大家的共识。2010年11月，陈国良院士在第六届大学计算机课程报告论坛上所作的报告中第一次正式提出了将“计算思维能力培养”作为计算机基础课程教学改革切入点的倡议。2010年7月，由西安交通大学主办的“985”首批九所高校参与的“九校联盟（C9）计算机基础课程研讨会”发表了《九校联盟（C9）计算机基础教学发展战略联合声明》，宣示九校达成的四点共识。令人高兴的是，仅时隔2年， 2012年7月教指委在与西安交大共同举办的“第一届计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会”上已经有了许多深入的研究成果。同年，教育部高等教育司专门对“大学计算机课程改革”立项22个项目，引导这一改革工作。2013年7月，“第二届计算思维与大学计算机课程教学改革研讨会”和“全国高校计算思维与大学计算机高峰论坛”即将召开。这些都表明“增强计算思维能力培养”已引起各方面的广泛重视并被寄予厚望。
把计算思维能力培养作为计算机基础教学的一项教学要求，不论是将其视为教学核心任务，还是摆在教学要求“之一”的位置，都是一件前无古人的开创性工作。目前，培养计算思维尚缺少经验，再说思维似乎不可捉摸，思维的培养比技能、能力培养“玄乎”得多。欲把这项改革“落地”，必须从理论、系统、操作和实践等层面，对教学各环节进行认真、细致的研究和实践。所幸这一命题已引起了许多有识之士的浓厚兴趣，贡献了智慧，踏踏实实地做了许多工作，有了令人鼓舞的成果。我们这一代致力于计算机教学的教师将有可能破解这个难题，而且笔者还斗胆设想：“增强计算思维能力培养”也许会成为计算机基础教学改革的第三个里程碑。
在这项改革中，许多老师令人尊敬，哈尔滨工业大学的战德臣教授就是其中一位。他很早就致力于计算机基础教学的改革研究和实践探索，2009年出版了体现计算思维能力培养的计算机基础教材《大学计算机》。我现在看到的这本新教材《大学计算机——计算思维导论》更加令人振奋：第一，该书对如何构建计算思维培养的教学体系提出了新思路，对如何表达计算思维的基本内容、描述计算思维相关的知识内容及其之间的关系，给出了一种解释，其结构、表达、素材是全新的，很有创意；第二，直面以往教材编写中的弊端，如单纯知识性介绍、以概念讲原理、追求深入性就增加理论与数学深度等，这些对于计算机通识教育教材是致命的，作者都试着一一破解。当我拜读书稿时，确是爱不释手，颇有耳目一新之感。本书的其他作者，如我认识的北京航空航天大学的艾明晶老师等，都非常优秀、敬业，战老师组织这样优秀的团队参与创作，用心良苦，真乃读者之幸。
冯博琴
 
冯博琴（1942—），男，江苏常州人，教授，博士生导师，首届国家级教学名师，全国五一劳动奖章获得者，曾任教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会副主任、非计算机专业计算机课程教学指导分委员会主任委员，先后获得多项国家级教学成果一等奖和二等奖，主要研究方向是智能网络和编译理论。


计算思维与计算之树：一种表述计算思维的框架
战德臣 聂兰顺 徐晓飞

1．计算思维
计算思维，顾名思义，是指计算机、软件及计算相关学科中的科学家和工程技
术人员的思维模式。2006年，美国CMU大学周以真教授显性地提出了“计算思维
（Computational Thinking）”的概念，将其提升到一个新的高度，即“计算思维是运用计算
科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的
一系列思维活动”，“其本质是抽象和自动化，即在不同层面进行抽象，以及将这些抽象
机器化”。其目的是希望所有人都能像计算机科学家一样思考，将计算技术与各学科理
论、技术与艺术进行融合实现新的创新。
也有很多学者，如陈国良院士、李廉教授等，将计算思维看作是除理论思维、实验思
维外的第三大思维。理论思维是以推理和演绎为特征的“逻辑思维”，用假设/预言-推理
和证明等理论手段研究社会/自然现象及规律，实验思维是以观察和总结为特征的“实证
思维”，用实验—观察—归纳等实验手段研究社会/自然现象及规律，计算思维则是以设
计和构造为特征的“构造思维”，是以计算手段研究社会/自然现象及规律。随着社会/自
然探索内容的深度化和广度化，传统的理论手段和实验手段已经受到很大限制，实验产
生的大量数据是很难通过观察获得的，此时不可避免地需要利用计算手段来实现理论与
实验的协同创新。
那么，如何概括计算学科中所体现的重要的计算思维呢？本文提出了计算之树（见
彩插），试图给出一种多维度观察计算思维的框架。
2．计算之树：计算思维的一种多维度观察框架
计算（机）学科存在着哪些“核心的”计算思维，哪些计算思维对学生会产生影响和
借鉴呢？对这些问题的探讨将有助于计算机及软件相关学科的人才培养、课程规划及其
教学内容的选取和确定，有助于学生深入理解所学习的课程及其意义。
自20世纪40年代出现电子计算机以来，计算技术与计算系统的发展好比一棵枝繁叶
茂的大树，不断地成长与发展，为此本文将计算技术与计算系统的发展绘制成一棵树，
我们称其为“计算之树”（见彩插）。
计算思维与计算之树：一种表述计算思维的框架
战德臣 聂兰顺 徐晓飞
VI
2.1 “计算之树”的树根——计算技术与计算系统的奠基性思维
计算之树的树根体现的是计算技术与计算系统的最基础、最核心的或者说奠基性的
技术或思想，这些思想对于今天乃至未来研究各种计算手段仍有着重要的影响。仔细分
析这些思想，本文认为“0和1”、“程序”、“递归”三大思维最重要。
①“ 0和1”的思维。计算机本质上是以0和1为基础来实现的，现实世界的各种信息
（数值性和非数值性）都可被转换成0和1，进行各种处理和变换，然后将0和1转换成满足
人们视、听、触等各种感觉的信息。0和1可将各种运算转换成逻辑运算来实现，逻辑运
算又可由晶体管等元器件实现，进而组成逻辑门电路再构造复杂的电路，由硬件实现计
算机的复杂功能，这种由软件到硬件的纽带是0和1。“0和1”的思维体现了语义符号化、
符号0（和）1化、0（和）1计算化、计算自动化、分层构造化、构造集成化的思维，是最
重要的一种计算思维。
②“ 程序”的思维。一个复杂系统是怎样实现的？系统可被认为是由基本动作（基本
动作是容易实现的）以及基本动作的各种组合所构成（多变的、复杂的动作可由基本动
作的各种组合来实现）。因此实现一个系统仅需实现这些基本动作以及实现一个控制基
本动作组合与执行次序的机构。对基本动作的控制就是指令，指令的各种组合及其次序
就是程序。系统可以按照“程序”控制“基本动作”的执行，以实现复杂的功能。计算机
或者计算系统就是能够执行各种程序的机器或系统，指令和程序的思维也是最重要的一
种计算思维。
③“ 递归”的思维。递归是计算技术的典型特征。递归是可以用有限的步骤描述实现
近于无限功能的方法；它借鉴的是数学上的递推法，在有限步骤内，根据特定法则或公
式，对一个或多个前面的元素进行运算得到后续元素，以确定一系列元素的方法。从前
往后的计算方法，即依次计算第1个元素值（或者过程）、第2个元素值直到计算出第
n个元素值的方法被称为迭代方法。在有些情况下，从前往后计算并不能直接推出第n个
元素（见第4章），这时要采取从后往前的倒推的计算，即通过调用—返回的计算模式，第
n个元素的计算调用第n-1个元素的计算，第n-1个元素的计算调用第n-2个元素的计算，直
到调用第1个元素的计算才能得到值，然后返回计算第2个元素值、第3个元素值最后
得到第n个元素的值，这种构造方法被称为递归方法。可以认为，递归包含了迭代，而迭
代包含不了递归。递归被广泛地用于构造语言、构造过程、构造算法、构造程序中，用于
具有自相似性的近于无限事物（对象）的描述，用于自身调用自身、高阶调用低阶的算法
与程序的构造中，是实现问题求解的一种重要的计算思维。
2.2 “计算之树”的树干——通用计算环境的进化思维
计算之树的树干体现的是通用计算环境暨计算系统的发展和进化。深入理解通用计
算系统所体现出的计算思维对于理解和应用计算手段进行各学科对象的研究，尤其是专
VII
业化计算手段的研究有重要的意义。这种发展，本文认为可从以下4方面来看。
① 冯诺依曼机。冯诺依曼计算机体现了存储程序与程序自动执行的基本思维。程
序和数据事先存储于存储器中，由控制器从存储器中一条接一条地读取指令、分析指令
并依据指令按时钟节拍产生各种电信号予以执行。它体现的是程序如何被存储、如何被
CPU（控制器和运算器）执行的基本思维，理解冯诺依曼计算机如何执行程序对于利用
算法和程序手段解决社会/自然问题有重要的意义。
② 个人计算环境。个人计算环境本质上仍旧是冯诺依曼计算机，但其扩展了存储
资源，由内存（RAM/ROM）、外存（硬盘/光盘/软盘）等构成了存储体系，随着存储体系
的建立，程序被存储在永久存储器（外存）中，运行时被装入内存再被CPU执行。引入了
操作系统，以管理计算资源，体现的是在存储体系环境下程序如何在操作系统协助下被
硬件执行的基本思维。
③ 并行与分布计算环境。并行分布计算环境通常是由多CPU（多核处理器）、多磁
盘阵列等构成的具有较强并行分布处理能力的复杂的服务器环境，这种环境通常应用于
局域网络/广域网络的计算系统的构建，体现了在复杂环境下（多核、多存储器），程序如
何在操作系统协助下被硬件并行、分布执行的基本思维。
④ 云计算环境。云计算环境通常由高性能计算结点（多CPU）和大容量磁盘存储结
点构成，为充分利用计算结点和存储结点，其能够按使用者需求动态配置形成所谓的
“虚拟机”、“虚拟磁盘”，每个虚拟机的每个虚拟磁盘则像一台计算机一个磁盘一样来执
行程序或存储数据。云计算体现的是按需索取、按需提供、按需使用的一种计算资源虚
拟化服务化的基本思维。
2.3 “计算之树”的双色枝杈——交替促进与共同进化的问题求解思维
利用计算手段进行面向社会/自然的问题求解思维，主要包含交替促进与共同进化
的两方面：算法和系统。
①“ 算法”。算法被誉为计算系统之灵魂，算法是一个有穷规则之集合，用规则规定
了解决某一特定类型问题的运算序列，或者规定了任务执行或问题求解的一系列步骤。
问题求解的关键是设计算法，设计可实现的算法，设计可在有限时间和空间内执行的算
法，设计尽可能快速的算法。
②“ 系统”。尽管系统的灵魂是算法，但仅有算法是不够的。系统是计算与社会/自然
环境融合的统一体，对社会/自然问题提供了泛在的、透明的、优化的综合解决方案。系
统是由相互联系、相互作用的若干元素构成且具有特定结构和功能的统一整体。设计和
开发计算系统（如硬件系统、软件系统、网络系统、信息系统、应用系统等）是一项综合
的复杂的工作。如何对系统的复杂性进行控制，化复杂为简单？如何使系统相关人员理
解一致，采用各种模型（更多的是非数学模型，用数学化的思维建立起来的非数学的模
VIII
型）来刻画和理解一个系统？如何优化系统的结构（尤其是整体优化），保证可靠性、安
全性、实时性等系统的各种特性？这些都需要“系统”或系统科学思维。
算法和系统就好比是：系统是龙，而算法是睛，画龙要点睛。
2.4 “计算之树”的树枝——计算与社会/自然环境的融合思维
计算之树的树枝体现的是计算学科的各个分支研究方向，如智能计算、普适计算、
个人计算、社会计算、企业计算、服务计算等，也体现了计算学科与其它学科相互融合
产生的新的研究方向，如计算物理学、计算化学、计算生物学、计算语言学、计算经济学
等。
①“ 社会/自然的计算化”：由树叶到树干，体现了社会/自然的计算化，即社会/自然
现象的计算的表达和推演，着重强调利用计算手段来推演/发现社会/自然规律。换句话
说，将社会/自然现象进行抽象，表达成可以计算的对象，构造对这种对象进行计算的算
法和系统，来实现社会/自然的计算，进而通过这种计算发现社会/自然的演化规律。
②“ 计算/求解的自然化”：由树干到树叶，体现了计算/求解的自然化，着重强调用
社会/自然所接受的形式或者说与社会/自然相一致的形式来展现计算及求解的过程与结
果。例如，将求解的结果以听觉视觉化的形式展现（多媒体），将求解的结果以触觉的形
式展现（虚拟现实），将求解的结果以现实世界可感知的形式展现（自动控制）等。
社会/自然的计算化和计算/求解的自然化本质上体现了不同抽象层面的计算系统的
基本思维，其根本是“抽象”和“自动化”，这种抽象和自动化可在多个层面予以体现，简
单而言，可划分为如下三个层面。
 机器层面——协议（抽象）和编码器/解码器/转换器等（自动化），解决机器与机器
之间的交互问题。
 人-机层面——语言（抽象）和编译器/执行器（自动化），解决人与机器之间的交
互问题。
 业务层面——模型（抽象）和执行引擎/执行系统（自动化），解决业务系统与计算
系统之间的交互问题。
计算与社会/自然环境的融合促进了网络化社会的形成，由计算机构成的机器网络
——局域网、广域网，到由网页/文档构成的信息网络——具有无限广义资源的互联网
络，再到物联网、知识与数据网、服务网、社会网，促进了物物互连、物人互连、人人互
连为特征的网络化环境和网络化社会，极大地改变了人们的思维，促进了网络化思维的
形成和发展，不断地改变着人们的生活与工作习惯。
同样，从学科的角度，计算与社会/自然环境的融合促进了早期仅仅关注狭义的“计
算机”、计算机科学，发展为更广泛的面向社会/自然问题的计算技术的计算科学，体现
了计算科学是由计算机学科与其他学科相互融合所形成的具有更广泛研究对象的学科。
IX
 计算机：着重在计算机器（含系统软件等）的设计、建造、开发和应用研究。
 计算机科学：着重在计算机、可计算问题和可计算系统的研究，着重在计算手段
的发现、发展与实现。
 计算科学：着重在面向社会各个领域面向各个学科融合的计算手段的研究及其应
用，着重在基于数据、基于内容的社会/自然规律的发现与实现。
3. 计算思维对各学科人才未来的影响
前面的计算之树给出了计算思维的一个框架，或者说给出了计算思维的一个知识空
间。接下来我们要观察计算思维对各学科人才的未来有什么影响。
计算思维对计算机学科、软件工程学科的影响是不言而喻的，应该说，计算思维是
学科的灵魂、学科的重要思想。下面我们主要看计算思维对其他学科人才的影响，先从
一个成功案例谈起。
3.1 John Pople因计算机应用于化学领域而获得诺贝尔化学奖
有很多非计算机专业人才借助于计算思维取得成功的案例。本文仅举一个案例——
1998年诺贝尔化学奖的获得者John Pople。他获得诺贝尔奖是因为
作为把计算机应用于化学研究的主要科学家，其建立了可用于化学各个分
支的一整套量子化学方法，把量子化学发展成一种工具，并已为一般化学家所
使用，以便在计算机里模拟分子赋予它们异种特性的方法，研究分子间如何相
互发生作用并如何随环境而改变，从而使化学迈向用实验和理论共同研究探索
分子体系各种性质的新时代。
这个工具就是Gaussian量子化学综合软件包，它可实现如下研究：分子能量和结构，
键和反应能量，分子轨道，多重矩，原子电荷和电势，振动频率，红外和拉曼光谱，核磁
性质，极化率和超极化率，热力学性质，反应路径计算等。它已成为研究许多化学领域课
题的重要工具，如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能、周期体系的能量预
测，结构和分子轨道等。
从John Pople开发的Gaussian软件包我们可以看出，计算思维对其有很大的影响。例
如：
 符号化计算化可视化思维的影响：如何将分子及其特性表达为计算机可以处理、
可以显示的符号，将分子及其对象转化为“计算对象”。
 算法思维的影响：如何计算分子轨道，如何计算密度，如何计算库仑能，如何计算
分子的各种特性，这就需要算法，如初始轨道猜测算法、密度拟合近似算法、库仑
能算法等。
X
 系统思维的影响：如何形成完整的工具与系统，如何通过语言/模型来让研究者表
达分子及其特性，表达其所要进行的研究内容，通过编译器/执行引擎，即调用计
算机程序来按语言/模型表达的内容进行分析与计算等。
 聚集数据成“库”的思维：将信息聚集成“库”，基于“库”所聚集的大量信息进行
分析与研究，可发现规律和性质。
 物理世界与信息世界的转换思维：这是信息处理的一般思维，即协议与编码器/解
码器的思维，以采集、转换、存储、显示数据，实现物理世界与信息世界的转换。
 
可以看出，“0和1”、“程序”、“递归”、“算法”、“系统”以及通用计算环境等都对其产
生了影响，可以说，任何一个计算手段的研究都离不开一些“核心”的计算思维。
3.2 各学科专业人才未来对计算能力的需求
John Pople的成功体现了计算思维对各学科专业人才的一种影响，这种影响是深远
的。又如，携程网、维基百科、淘宝网、脸谱网的成功是计算机的影响还是计算思维的影
响呢？进一步分析我们可看出，各学科专业学生未来将可能利用计算机或计算技术从事
如下两类工作。
（1）应用计算手段进行各学科研究和创新
不可否认，研究和应用本学科的理论与技术或者艺术等，是各学科专业学生未来的
主要工作内容。面对科学、技术或艺术研究的新形势，传统的手段如实验—观察手段、理
论—推证手段等将会受到很大的限制，如实验产生的大量数据及结果是很难通过观察手
段获得的，此时不可避免地需要利用计算手段来辅助创新，利用计算手段来实现理论与
实验的协同创新。
各学科均可应用计算手段进行学科问题的研究和创新。例如，艺术类学科可通过一些
计算模型产生大量数据，通过计算、模拟和仿真等获取创新灵感，产生新的艺术品或艺术
形态；再如，生物学科利用各种仪器获取大量实验数据，通过计算、模拟和比较分析等，
研究细胞、组织、器官等的生理、病理与药理机制，产生疾病治疗的新手段新药物等。
著名的计算机科学家、1972年图灵奖得主Edsger Dijkstra说：
我们所使用的工具影响着我们的思维方式和思维习惯，从而也将深刻地影
响着我们的思维能力。
利用计算手段进行相关内容的研究将成为未来各学科人才进行创新的主要手段之一。
（2）支持各学科研究创新的新型计算手段
虽然应用已有的计算手段进行学科研究创新很重要，然而如何将通用计算手段与各
XI
学科具体研究对象结合起来形成面向不同学科对象的新型计算手段却更重要。换句话
说，利用一条生产线生产汽车很重要，但制造能够生产汽车的新生产线更体现了创新。
因此，研究支持各学科研究创新的新型计算手段，如诺贝尔化学奖获得者波普所做的工
作，也将是各学科专业学生未来的工作内容之一。
例如，从事音乐创作的人能否将其创作的经验凝练于一个计算手段（软件或硬件）
中，使广大群众也能够方便地基于该计算手段进行音乐创作，一个音乐家能否将其对音
乐的理解凝练于一个计算手段中，使广大群众可以通过该计算手段训练自己的音乐才
能。3D/4D电影中体现出的虚拟人—现实人的互动技术、场景建模、构建及与现实的融
合技术等都需要艺术与计算技术的结合。
创新需要复合。这种面向不同学科创新的新型计算手段的研究尤其需要复合型人
才，即一方面理解学科专业的研究对象与思维模式，另一方面理解计算思维。
3.3 计算思维可有效帮助各学科专业人才跨越鸿沟
当前，各学科专业学生可能更关注计算机及其通用计算手段应用知识与应用技能的
学习，如能否教我使用Office，能否教我使用Matlab，能否教我使用SQL Server，能否教我
使用Photoshop，能否教我使用各种各样的软件，等等。这种计算机和具体软件应用方面
的学习固然重要，但是如果没有计算思维，那么你只是学会了操作这个软件，如果你领
会了计算思维，这些软件可能无师自通——毕竟软件工作者的目标是让每个人都会使用
他的软件而不是必须受过大学教育。即使你学会了这些软件，未来的变化也可能是很大
的，我们学过的软件很可能已经被淘汰，很可能出现许多更新的软件。
大学教育的目标是通过教育对学生未来的发展有所贡献。如图1所示，仅关注当前
具体系统具体操作层面是难以满足各学科专业学生未来计算能力的需求的，难以跨越由
通用计算手段学习到未来的专业计算手段应用与研究之间的鸿沟。如果培养的是计算思
维，计算思维与其他学科的思维相互融合，便可促进各学科学生创造性思维的形成，可
以说，计算学科的普适思维是各学科学生创造性思维培养的重要组成部分。
图1 各学科专业学生未来对计算能力的需求
XII
为什么说计算思维可有效帮助各学科专业人才跨越鸿沟呢？
首先，思维的特性决定了它能给人以启迪，给人创造想象的空间。思维可使人具有
联想性、具有推展性；思维既可概念化，又可具象性，具有普适性；知识和技能具有时
间性的局限，而思维则可跨越时间性，随着时间的推移，知识和技能可能被遗忘，思维却
可能潜移默化地被融入到未来的创新活动中。
具体而言，思维是由一系列知识所构成的完整的解决问题的思路。思维的每个环节
可能需要知识的铺垫，基于一定的知识可理解每个环节，通过“贯通”各环节进而理解
“解决问题”的整个思维。这种贯通性的思维是“可实现的思维而非实现的细节”，尽管其
可抽象化概念化，但能留在人们记忆中的可能是其可视化形象化的表现。
计算学科中体现了很多这样的思维，如前所述，这些典型的计算思维对各学科学生
的创造性思维培养是非常有用的，尤其是对其创新能力的培养是有用的，例如：
 “0和1”和“程序”有助于学生形成研究和应用自动化手段求解问题的思维模式，。
 “并行分布计算”和“云计算”有助于学生形成现实空间与虚拟空间、并行分布虚
拟解决社会自然问题的新型思维模式。
 “算法”和“系统”有助于学生形成化复杂为简单、层次化结构化对象化求解问题
的思维模式。
 “数据化”和“网络化”有助于学生形成数据聚集与分析、网络化获取数据与网络
化服务的新型思维模式。借鉴通用计算系统的思维，研制支持生物技术研究的计
算平台，研制支持材料技术研究的计算平台等。
大学计算机就是要挖掘这样的思维，传授这样的思维，让同学不仅有“思维”，更要
能够看见并确立这种“思维”是能够实现的。
“知识”随着“思维”的讲解而介绍，“思维”随着“知识”的贯通而形成，能力随着思
维的理解而提高。希望读者能通过计算思维的学习，对自己的未来有所帮助！



前言
计算及相关技术的发展已经改变了人们的工作和生活方式，计算机已经融入人们工
作生活的方方面面，计算思维已经成为人们必须具备的基础性思维方式，国家已明确了
在大学所有本科生中普及计算机文化与计算思维教育的方针和原则。近年来，越来越多
的共识凝聚在大学计算机的通识思维教育暨计算思维教育方面，并认为计算思维是与理
论思维、实验思维互为补充的所有大学生应掌握的基本思维。
但怎样培养计算思维？大家进行了多轮次迭代的探索，应该说现在已经开始收敛。
工业和信息化部直属七所院校的教师在多年的教学与实践活动中，已经形成了一套成功
的计算思维培养方法，在教育部大学计算机课程改革项目之“理工类高校计算思维与计
算机课程研究及教材建设”项目的支持下，进一步交流和总结成果，达成共识，共同出版
并使用一套大学计算机系列教材，以深入贯彻计算思维通识教育的思想。
本书主要由以下6章内容构成：
第1章引论，主要介绍计算、计算科学，以及计算机历史、计算机应用和计算机发展
趋势。
第2章计算系统的基本思维，通过0和1、冯· 诺依曼计算机、现代计算机和不同抽象
层次计算机的介绍，试图使读者能够递进地理解计算系统。
第3章问题求解框架，通过算法类问题和系统类问题的求解过程的介绍，试图使读者
能够理解社会问题、自然问题求解的两种手段。
第4章算法与复杂性，通过几个精选的典型算法类问题的讨论与探索，试图使读者能
够建立起算法的思维方式与基本研究方法。
第5章数据抽象、设计与挖掘，通过对数据相关技术的讨论与探索，试图使读者能够
建立起以数据的获取、管理、分析与挖掘利用的思维方式，进而深入理解计算学科的基
本研究方法——抽象、理论与设计。
第6章计算机网络、信息网络和网络化社会，通过对技术网络、信息网络及形形色色
的网络的讨论与探索，试图使读者建立起网络化的思维方式，并理解网络化环境的基本
研究方法。
全书内容的选择是工业和信息化部直属七所院校经过多次交流与讨论后取得的共
识。进一步，大家对教材的创作特点也进行了深入的交流和讨论，取得了如下共识：
（1）要克服传统教材中单纯知识性介绍的编写方法，这些知识介绍引入了大量计
算机学科的概念、术语，却又未能深入阐释其出现的背景和动机，使初学者掉入概念与
术语的海洋中，虽面面俱到却不深入，进而影响了对思维的领会。本书贯彻如下创作思
想：“知识、术语”随着“思维”的讲解而介绍，“思维”随着“知识”的贯通而形成，能力
随着思维的理解而提高。
（2）要克服传统教材中为追求深入性而不断增加理论与数学深度的编写方法。本书
贯彻如下创作思想：从问题分析着手，强化如何进行抽象，如何将现实问题抽象为一个
数学问题或者一个形式化问题，提高问题表述及问题求解的严谨性，这种抽象过程的训
练对学生是重要的，这种抽象的多视角训练对学生也是重要的。“高度决定视野、角度改
变观念、尺度把握人生”，目的是使读者体会要有一定的高度，要能从不同视角来审视问
题及研究方法，要能够将其抽象到数学和形式化的角度（尺度）。
（3）要克服传统教材中单纯以概念讲概念和以概念讲原理的编写方法。本书贯彻如
下创作思想：尽量通过图示化方法来展现复杂的思维，使读者一目了然，尽量通过规模
较小的问题求解示例（可通过图示化方法完整体现求解的思想）来展示复杂的问题求解，
尽量从社会、自然等人们身边的问题求解讲解到计算科学家是如何进行问题求解的。
（4）要克服传统教材中仅仅介绍而没有讨论，进而缺乏深度的编写方法。本书贯彻
如下内容创作思想：要有一定的深度，这种深度不是追求理论与数学，而是追求“问题”
及问题的讨论。通过逐步地提出问题，引导学生从一个较浅的理解层次逐步过渡到较深
入的理解层次，通过不同视角和递阶的讨论，逐步引导学生怎么理解和如何确定前行的
方向，进而能够建立起较为科学的研究习惯。
本书适合于各类专业的大学本科学生，建议在大学一年级开设。考虑到教学进度和
学生接受程度，总学时安排72学时为宜，其中讲授36学时（含软件演示），上机实验36学
时。也可依据课程安排和学生入学的计算机水平，对教学内容做适当增减。
本书的编写团队由隶属于工业和信息化部的七所高校从事大学计算机通识教育的一
线教师组成，由战德臣教授、聂兰顺副教授、艾明晶副教授、邓磊副教授、王立松教授、
孙大烈副教授执笔。其中，战德臣教授（哈尔滨工业大学）为主创作人，孙大烈副教授
（哈尔滨工业大学）负责第1章，聂兰顺副教授（哈尔滨工业大学）负责第3章，邓磊副教
授（西北工业大学）负责第4章，艾明晶副教授（北京航空航天大学）负责第6章，王立松
副教授（南京航空航天大学）负责第5章，高飞教授（北京理工大学）、高伟副教授（哈尔
IX
滨工程大学）、张功萱教授（南京理工大学）、宋斌副教授（南京理工大学）参与了教材案
例的创作与设计。
编写团队特别邀请陈国良院士作为本书的主审。陈国良院士对本书内容进行了细致
的阅读和审核，并站在大学计算思维教育、计算科学教育等更高的高度对本书内容给出
了建议，高飞教授和张功萱教授协助陈国良院士对本书书稿做了细致的审稿工作。同时，
焦福菊、刘艳芳、张秀伟、吴良杰、俞研、朱敏等参与了本书的编写与审核工作。
哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、北京理工大学、西北工业大学、南京航空航天
大学、南京理工大学、哈尔滨工程大学等分别组织一线教师对本书书稿进行了讨论，并
提出了很好的修改建议。在此对他们表示衷心的感谢！
本书得到教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会的大力支持，尤其得到了
陈国良院士的指导和帮助，在此对他们表示衷心的感谢。同时，本书得到了工业和信息
化部人事教育司领导的重视和支持，在此对他们表示衷心的感谢。
感谢工业和信息化部直属七所大学的教务处、计算机及相关学院和电子工业出版社
对本书出版所给予的大力支持。在此对本书出版做出贡献的所有人员一并表示衷心的感
谢。
“大学计算机——计算思维导论”是一门发展中的课程，教材中的内容难免有不完善
之处，敬请广大读者谅解，并诚挚地欢迎读者提出宝贵建议。
哈尔滨工业大学 北京航空航天大学 北京理工大学 西北工业大学
南京航空航天大学 南京理工大学 哈尔滨工程大学 电子工业出版社
大学计算机系列教材编写组
2013年6月

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