大學計算機概論（簡體書）

本書著重在新工科背景下為所有工科計算機及非計算機專業的本科新生提供完整的計算機科學思維框架，以Python高級程序設計語言作為線索，簡化計算機領域中的各個分支為模型，使用Python語言進行簡易實現。
全書共8章，第1章從計算思維的角度概述計算機學科的整體脈絡；第2章著重介紹計算機中對於數據和信息的編碼原理；第3章對基礎的Python語法做出介紹；第4章主要描述使用計算機解決問題的各類經典算法思想；第5章從底層出發介紹計算機的硬件系統和軟件系統；第6章介紹計算機網絡及網絡安全；第7章介紹數據庫系統；第8章對新時代下的計算機新技術——人工智能進行發散式介紹。本書還提供了大量應用實例，每章後均附有習題。
本書適用於高等院校工科專業本科一年級的相關課程，也可供教學工作人員設計本科實踐課程時參考。

本書通過提煉算例，利用經典算法和簡化工程模型做主線，結合每一章的基本內容，在教學過程中把基礎知識點和概念串起來，應用python語言進行程序設計和算法實現，加深對計算思維的理解，並通過能反映大數據人工智能等新技術發展的案例和內容，形成較完整的知識結構。

教材在教學中具有非常重要的作用。一本優秀的教材，應該承載課程的知識體系、教學內容、教學思想和教學設計，應該是課程教學的基本參考，是學生學習知識、理論和思想方法的主要依據。在教育數字化的大背景下，教材更是教學內容組織、教學資源建設、教學模式設計與考核環節設計的依據和主線。教師講好一門課，尤其是基礎課，必須要有好教材；學生學習也需要好教材。好教材要讓教師覺得好教。好教可不是“水”，不是少講點、講淺一點。一門課的教材要使教師的教學能夠達到這門課在專業人才培養計劃中的任務，內容應該達到要求的深度和廣度，應具有一定的挑戰性。教材的知識體系結構科學，講述邏輯清晰合理，案例豐富恰當，語言精練、深入淺出，配套資源符合教學要求，就可以給教師的教學提供很好的助力，教師就會覺得這本書好教。好教材要讓學生覺得好學，學生需要什麼樣的教材呢？在各個學校普遍採用混合式教學模式的大環境下，學生參與各個教學活動時，需要自己腦子裡有一條主線，知道每個教學活動對建立整門課知識體系的作用；知道學習的相關內容在知識體系中的位置，這些都要通過教材來實現。學生復習時還需要以教材為主線，貫穿自己在各個教學活動中學到的內容，認真閱讀教材，達到對知識的融會貫通。能實現學生的這些需求，學生就會覺得這本書好學。教材要好教、好學，做到內容詳盡、博大精深，語言深入淺出、容易閱讀，才能滿足師生的需要。為了加強課程建設、教材建設，培育一批高質量的教材，提高教學質量，全國高等學校計算機教育研究會（以下簡稱“研究會”）於2021年6月與清華大學出版社聯合啟動了“十四五”規劃教材建設項目。這套叢書就是“十四五”規劃教材建設項目的成果，叢書的特點如下。（1） 準確把握社會主義核心價值觀，融入課程思政元素，教育學生愛黨、愛國。（2） 由課程的主講老師負責組織編寫。（3） 體現學校辦學定位和專業特色，注重知識傳授與能力培養相統一。（4） 注重教材內容的前沿性與時代性，體現教學方法的先進性，承〖HK〗載了可供同類課程借鑒共享的經驗、成果和模式。這套教材從選題立項到編寫過程，都是由研究會組織專家組層層把關。研究會委托清研教材工作室（研究會與清華大學出版社聯合教材工作室）對“十四五”規劃教材進行管理，立項時嚴格遴選，編寫過程中通過交流研討、專家咨詢等形式進行過程管理與質量控制，出版前再次召開專家審查會嚴格審查。計算機專業人才的培養不僅僅關係計算機領域的科技發展，而且關係所有領域的科技發展，因為計算機技術已經與各個學科深度融合，計算機技術是所有領域都必不可少的技術。本套教材承載著研究會對計算機教育的責任與使命，承載著作者們在計算機教育領域的經驗、智能、教學思想、教學設計。希望這套教材能夠成為高等學校師生們計算機課程教學的有力支撐，成為自學計算機課程的讀者們的良師益友。

自2022年底OpenAI公司發布智能聊天機器人ChatGPT以來，關於人工智能的社會探討與科學研究無疑再次被賦予了極高的熱度。本書根據當下行業發展，以人工智能為引線，將Python作為實踐工具，為工科專業本科新生提供全面的計算機科學視角，以便學生們可以在今後的學習和發展中充分利用這一工具。
本書由傅向華任主編，李經宇、張妙任副主編。第1章由傅向華編寫，第2章由劉羽朦、張妙編寫，第3章由谷也編寫，第4章由李經宇編寫，第5章由陳釩、張妙編寫，第6章由呂羽編寫，第7章由楊曉杏編寫，第8章由趙珩編寫。
作者在編寫本書的過程中參考了許多書籍和文獻資料，在此對文獻的作者表示感謝。由於作者們的知識水平有限，書中難免有不妥和錯誤之處，懇請讀者批評指正。

作者2024年5月20日

第1章計算概論1
1.1計算的概念2
1.1.1計算與自動計算2
1.1.2算法6
1.2計算機編程10
1.2.1什麼是程序10
1.2.2程序設計語言11
1.2.3編程解決問題舉例15
1.3計算機系統17
1.3.1計算機硬件系統17
1.3.2計算機軟件系統18
1.3.3計算機操作系統19
1.3.4計算機系統層次20
1.4計算模型22
1.4.1可計算性23
1.4.2計算複雜性24
1.4.3圖靈機模型27
1.5計算思維與計算機問題求解29
1.5.1計算思維29
1.5.2問題描述與抽象30
1.5.3基於計算機的問題求解方法32
1.6本章小結35
1.7習題35
第2章計算機中的信息編碼36
2.1進制36
2.1.1進制的概念36
2.1.2二進制與十進制37
2.1.3八進制與十六進制39大學計算機概論目錄2.2計算機的數值表示41
2.2.1計算機碼制42
2.2.2計算機中的小數表示44
2.3計算機的邏輯運算46
2.3.1二進制的四則運算46
2.3.2二進制的數字電路47
2.3.3半加器與全加器49
2.4非數值信息的數字化51
2.4.1字符的數字化51
2.4.2聲音的數字化54
2.4.3圖像的數字化56
2.5人工智能中的數據表示58
2.6本章小結61
2.7習題61
第3章Python編程基礎63
3.1引言63
3.2Python安裝與運行63
3.3Python基本元素66
3.3.1數值類型67
3.3.2運算符與表達式67
3.3.3常量與變量68
3.3.4字符串與輸入輸出68
3.4Python序列71
3.4.1列表71
3.4.2元組72
3.4.3字典與集合73
3.5控制語句75
3.5.1條件表達式75
3.5.2分支結構75
3.5.3循環結構77
3.6函數78
3.6.1函數的定義與調用78
3.6.2參數的傳遞方式79
3.6.3變量的作用域80
3.7模塊的使用81
3.8面向物件基礎82
3.8.1類的定義與實例化82
3.8.2類的繼承84
3.8.3綜合示例86
3.9本章小結87
3.10習題87
第4章算法89
4.1算法的概念89
4.1.1算法的概念及特徵89
4.1.2算法的描述91
4.2算法設計思想93
4.2.1窮舉思想93
4.2.2遞歸思想96
4.2.3貪心思想102
4.2.4動態規劃思想104
4.2.5典型實際問題及其他算法思想106
4.3算法的評價與分析109
4.3.1算法的評價標準109
4.3.2難解問題初探111
4.4本章小結112
4.5習題112
第5章計算機系統114
5.1概述114
5.1.1計算機的基本組成116
5.1.2計算機的工作原理119
5.2計算機硬件子系統121
5.2.1中央處理器121
5.2.2主存儲器124
5.2.3輔助存儲器126
5.2.4總線128
5.2.5接口131
5.2.6I/O設備132
5.3計算機軟件子系統133
5.3.1計算機操作系統的形成與發展133
5.3.2操作系統的特徵134
5.4計算機操作系統功能135
5.4.1處理器管理功能135
5.4.2存儲器管理功能139
5.4.3設備管理功能141
5.4.4文件管理功能143
5.5常用計算機操作系統144
5.5.1磁盤操作系統144
5.5.2Windows操作系統145
5.5.3UNIX操作系統145
5.5.4Linux操作系統146
5.6云操作系統146
5.6.1云操作系統的基本組成146
5.6.2云操作系統特徵147
5.6.3云操作系統實例147
5.7人工智能操作系統148
5.8GPU新發展148
5.9本章小結150
5.10習題150
第6章計算機網絡及其應用151
6.1計算機網絡基礎151
6.1.1計算機網絡的定義及特點151
6.1.2計算機網絡的發展歷史151
6.1.3計算機網絡的分類153
6.1.4計算機網絡體系結構與協議155
6.2Internet基礎158
6.2.1Internet概述158
6.2.2TCP/IP159
6.3Internet應用165
6.3.1萬維網165
6.3.2電子郵件168
6.3.3文件傳輸171
6.4無線網絡172
6.4.1無線網絡概述172
6.4.2無線網絡的分類172
6.5物聯網174
6.5.1物聯網概述174
6.5.2物聯網發展歷史175
6.5.3物聯網體系架構175
6.5.4物聯網應用175
6.6網絡安全176
6.6.1網絡信息安全概述176
6.6.2網絡安全的基本要素177
6.6.3網絡系統脆弱的原因178
6.6.4信息安全的發展歷程179
6.6.5網絡安全所涉及的內容181
6.6.6信息安全的職業道德184
6.7本章小結185
6.8習題185
第7章數據庫系統與數據分析187
7.1數據庫及數據庫管理系統的基本概念187
7.1.1數據庫技術的產生和發展187
7.1.2數據庫系統的組成189
7.1.3數據庫管理系統的功能及特點191
7.1.4MySQL簡介193
7.2數據庫方法及關係數據庫標準語言SQL197
7.2.1數據模型197
7.2.2關係數據庫198
7.2.3關係數據庫標準語言——SQL199
7.3數據庫領域的新技術202
7.3.1分布式數據庫202
7.3.2數據倉庫與數據挖掘技術203
7.3.3大數據技術207
7.4Python程序設計示例209
7.4.1Python數據庫程序設計示例209
7.4.2Python數據挖掘程序設計示例210
7.4.3Python大數據分析程序設計示例211
7.5本章小結212
7.6習題213
第8章探秘人工智能214
8.1人工智能214
8.1.1人工智能的發展類型214
8.1.2人工智能的發展歷史214
8.1.3人工智能的應用領域218
8.1.4人工智能的發展趨勢220
8.2人工智能與半導體221
8.2.1半導體技術與發展221
8.2.2人工智能芯片與硬件加速器223
8.2.3人工智能芯片在邊緣計算中的應用224
8.3人工智能與云計算225
8.3.1云計算的基礎與概念225
8.3.2云計算與人工智能的結合226
8.3.3人工智能在云計算中的應用226
8.4人工智能與區塊鏈229
8.4.1區塊鏈的基礎與概念229
8.4.2區塊鏈與人工智能的融合231
8.4.3數據隱私與安全性231
8.5人工智能與大數據232
8.5.1大數據的基礎與概念232
8.5.2人工智能與大數據分析233
8.5.3大數據在人工智能中的應用234
8.5.4數據挖掘與機器學習235
8.6人工智能與量子計算236
8.6.1量子計算的基礎236
8.6.2量子計算機的發展歷程238
8.6.3量子計算和人工智能239
8.6.4人工智能與量子計算的前沿研究241
8.7本章小結242
8.8習題243
參考文獻246