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1.2.3现代电子计算机10 1.2.4计算机的发展趋势12 1.3计算技术的应用14 1.4信息化社会与人19 1.5计算思维概论21 1.6小结23 1.7习题23 第2章Python简介25 2.1引言25 2.2Python基本元素26 2.2.1对象、表达式和数值类型27 2.2.2变量和赋值28 2.2.3str类型与输入29 2.3内置数据结构31 2.3.1列表31 2.3.2元组33 2.3.3字典34 2.4控制语句35 2.4.1分支语句35 2.4.2循环36 2.5函数37 2.6递归及递归函数40 2.7使用模块42 2.8面向对象基础43 2.9Python编程示例——打印月历47 2.10小结51 2.11习题51 大学计算机基础(第4版)目录第3章计算思维54 3.1概述55 3.2逻辑思维与算法思维58 3.2.1逻辑思维58 3.2.2算法思维62 3.2.3小结64 3.3问题求解策略64 3.3.1基本步骤65 3.3.2分解法66 3.3.3关注点分离68 3.3.4模式与归纳70 3.3.5小结73 3.4抽象与建模73 3.4.1抽象74 3.4.2建模77 3.5评价解决方案79 3.5.1解是否正确80 3.5.2解的效率如何81 3.5.3小结83 3.6应对错误83 3.6.1避免错误84 3.6.2减缓错误危害86 3.6.3测试与调试88 3.7“捉狐狸”问题求解示例92 3.8小结95 3.9习题95 第4章信息、编码及数据表示97 4.1信息论基础97 4.2编码及其解释100 4.3数值的数字化104 4.4计算机数值表示106 4.4.1计算机码制106 4.4.2定点数和浮点数109 4.5字符的数字化111 4.5.1汉字编码112 4.5.2Ｕｎｉｃｏｄｅ码113 4.6声音的数字化114 4.7图像的数字化116 4.8用Python设计数字电路120 4.9信息处理示例123 4.9.1数据压缩示例及Python实现123 4.9.2生成图像验证码及Python实现126 4.9.3利用Python绘制分形图形127 4.10小结129 4.11习题129 第5章计算机系统133 5.1概述134 5.2计算机硬件系统136 5.2.1中央处理器137 5.2.2存储系统141 5.2.3总线144 5.2.4输入输出系统145 5.3操作系统146 5.3.1概述147 5.3.2进程管理148 5.3.3存储管理152 5.3.4文件管理153 5.3.5设备管理155 5.3.6用户接口156 5.3.7操作系统的加载158 5.4利用Python构建冯·诺依曼体系结构模拟器159 5.5利用Python设计微处理器核162 5.6利用Python模拟进程调度164 5.7利用Python访问操作系统167 5.7.1利用Python查看进程信息167 5.7.2利用Python查看系统存储信息169 5.7.3Python文件操作171 5.8小结173 5.9习题173 第6章计算机网络及应用177 6.1计算机网络基础177 6.1.1计算机网络的发展历史178 6.1.2计算机网络的分类180 6.1.3计算机网络协议与体系结构182 6.1.4计算机网络传输介质及设备186 6.2Internet基础188 6.2.1Internet概述188 6.2.2TCP/IP191 6.2.3Python TCP/IP网络编程195 6.3Internet应用199 6.3.1万维网200 6.3.2电子邮件202 6.3.3文件传输203 6.3.4搜索引擎205 6.3.5Python编程示例205 6.4无线网络207 6.5物联网210 6.6小结212 6.7习题212 第7章数据库技术应用基础213 7.1概述213 7.1.1数据管理发展简史215 7.1.2数据库的基本概念215 7.1.3数据库技术管理数据的主要特征217 7.1.4数据库的应用218 7.2数据模型220 7.2.1概念模型221 7.2.2逻辑模型225 7.2.3ER模型到关系模型的转换230 7.3数据库管理系统231 7.3.1数据库管理系统的功能231 7.3.2常见数据库管理系统软件233 7.4Python构建数据库管理系统示例234 7.5Python访问MySQL数据库示例239 7.6小结241 7.7习题241 第8章科学计算243 8.1泰勒级数244 8.1.1泰勒级数的主项244 8.1.2余项及误差246 8.2插值及拟合248 8.2.1拉格朗日插值248 8.2.2牛顿插值249 8.2.3埃尔米特插值251 8.2.4函数拟合252 8.3数值微积分254 8.3.1数值微分254 8.3.2数值积分256 8.4非线性方程数值解259 8.4.1二分法求根259 8.4.2函数迭代法求根260 8.4.3牛顿迭代法求根261 8.5线性方程组求解262 8.5.1直接法求解262 8.5.2迭代法求解265 8.6符号计算267 8.7小结272 8.8习题272 第9章计算机发展新技术274 9.1高性能计算275 9.1.1高性能计算的含义及意义275 9.1.2高性能计算的关键技术276 9.1.3高性能计算的典型应用280 9.1.4高性能计算的发展挑战280 9.1.5Python高性能编程——计算π282 9.2云计算与大数据284 9.2.1云计算284 9.2.2大数据286 9.3人工智能288 9.3.1人工智能的基本概念与发展历程288 9.3.2搜索290 9.3.3知识表示与推理291 9.3.4机器学习293 9.3.5智能控制295 9.3.6Python机器学习示例——预测外卖配送时间296 9.4新型计算技术299 9.4.1量子计算299 9.4.2光计算300 9.4.3生物计算301 9.5小结302 9.6习题302 参考文献304 內容試閱： 大学计算机基础(第4版)习近平总书记在党的二十大报告中指出: 教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略，这三大战略共同服务于创新型国家的建设。报告同时强调: 推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。 人要成功融入社会所 的思维能力，是由其所处时代能够获得的工具决定的。计算机是推动战略性新兴产业融合集群发展，构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎的 工具之一，有效利用计算机分析和解决问题，将与阅读、写作和算术一样，成为 21 世纪每个人的基本技能，而这不仅仅属于计算机专业人员。计算机正在对人们的生活、工作，甚至思维产生深刻的影响。 “大学计算机基础”是大学本科教育的第一门计算机公共基础课程，它的改革越来越受到人们的关注。本课程的主要目的是从使用计算机、理解计算机系统和计算思维3个方面培养学生的计算机应用能力。从2008年开始，以“计算思维”的培养为主线开展计算科学通识教育，逐渐成为国内外计算机基础教育界的共识。 基于这种认识，第4版对第3版教材进行了较大幅度的修改，增加了计算思维所占的比重。指导思想是兼顾计算机基础知识和计算思维，选择Python作为实践语言，将信息表示与处理、计算机系统、计算机网络、数据库、多媒体等知识既作为教学内容，又作为计算思维求解问题的研究对象，加以实践，教材内容更偏重于如何将计算思维应用于各领域求解问题。最终，通过这种问题求解的学习和实践，希望学生在理解计算机基础知识的同时，能主动在各自的专业学习中利用计算思维的方法和技能，进行问题求解，能动手解决具有一定难度的实际问题。 经过近4年的实践，综合各方面的反馈，对第3版教材进行了改版，目标是使教材内容更贴近实际，能落地。 (1) 对计算思维内容进行了重新梳理，去除了第3版中难以深入阐述的算法设计、程序语言等内容，调整为运用计算思维进行问题求解时，如何预防、减缓、发现和修正错误，这对初学者来说更有意义。 (2) 对Python基础知识进行了微调，引入了递归与递归函数，介绍了数学归纳法与递归的关系，以及如何用数学归纳法设计递归算法的原理。 (3) 在第3版利用Python模拟冯·诺依曼体系结构来理解其工作原理的基础上，在横向与纵向上进行了扩展。在横向上，通过模拟操作系统进程调度策略、构建简单的数据库管理系统，展示了以计算机系统知识为研究对象时，计算思维的运用方法。在纵向上，向底层延伸，结合敏捷微处理器设计研究进展，展现了实际数字电路、微处理器核的设计描述与实现。 第4版教材包含9章内容，大致可分为如下部分: 计算与社会(第1章);Python简介(第2章);计算思维(第3章);信息、编码及数据表示(第4章);计算机系统、计算机网络及应用、数据库技术应用基础(第5、6、7章);科学计算(第8章);以及计算机发展新技术(第9章)。 本书内容涉及计算机专业多门课程的知识，概念庞杂，术语繁多。表面上看，章与章之间的联系松散。对于初学者来说，学好这门课程不容易，融会贯通就更加困难。如何把握全书的脉络?作者建议以 “信息表示和信息处理”“计算思维与计算机问题求解”作为理解章节内容联系的两条主要线索。 计算机系统是信息处理的工具，而信息处理依赖于某种形式的信息表示。本书中主要介绍了用01符号串表示数值信息、字符信息、声音信息和图像信息的方法；介绍了以文件和数据库形式组织信息的技术；介绍了计算机系统处理信息的工作原理。每个计算机系统功能都涉及某类或某几类信息，每个计算机系统功能都可以转换为信息处理过程。读者应该思考: 这些信息是怎样表示的?为什么要使用这种表示方法?计算机系统的功能由哪些信息处理过程组成?这些处理过程包含哪些步骤?处理步骤是如何(自动)实现的? 在理解信息表示和信息处理的基础上，学习计算思维，是为了更好地发挥计算机的作用，解决具体问题。读者在学习计算思维时，应该考虑: 以计算机基础知识为研究内容，用计算思维如何思考问题和解决问题?如何类比其他领域的问题?碰到具体问题时，可以思考该问题是否有计算的解?解是什么?如何实现解?如何让计算机帮助求解? 同时，这两条线索又是统一的，本书的案例以计算机系统本身作为对象，展示了用计算思维与计算机问题求解来研究计算机系统的方法。为读者将计算思维扩展到其他学科领域做了良好的示范。 如果这些问题都明晰了，对融会贯通全书内容有很大帮助。 本书适用于计算机专业和非计算机专业一年级新生，不要求有计算机程序设计经验，并且也不是以程序设计为主要内容，而是要求学生专注于理解计算思维求解问题的方法和技能。一些Python语言基础知识的介绍，是帮助读者阅读和理解教材中给出的Python程序。希望读者能在理解的基础上，对这些程序进行小修改，来实践自己的问题求解方法。同时建议与本书配套的《大学计算机基础实验教程》（第2版）配合使用，效果更好。 本书的第 1～7章主要由李暾编写或在前两版基础上进行了更新，第8章由刘万伟编写，第9章由陈立前编写。各章案例及新增内容由李暾、毛晓光、刘万伟、周海芳、周竞文等编写。全书由李暾、毛晓光负责统稿。王志英、宁洪、陈怀义、王保恒等教授对本书的编写给予了许多指导，陈立前、周竞文为本书的文字整理和校对做了大量工作。此外，本书还参考了很多文献资料和网络素材，在此一并表示衷心的感谢。 本书的写作集体根据多年的教学实践，在内容的甄选、全书组织形式等方面，既借鉴了同类书的成功经验，也做出了自己的努力。但是改进的空间还很大，热切希望广大读者能够予以斧正。 编者 2023年1月

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