《计算机科学导论》课件2

计算机科学导论课程概述课程目标学习内容12掌握计算机科学基础知识理论基础与实际应用相结合考核方式计算机科学的定义计算机科学的本质与其他学科的关系研究信息处理的系统理论与技术与数学、电子工程、认知科学等密切相关计算机科学的历史早期计算设备1算盘、差分机、分析机电子计算机2ENIAC1946年，第一台通用电子计算机现代计算机3冯·诺依曼架构奠定了现代计算机基础计算机科学的基本概念算法2解决问题的明确步骤和规则数据与信息1原始数据经过处理转化为有意义的信息程序按照算法编写的计算机可执行指令集3计算思维解决复杂问题1应用计算机科学思维方式关键能力2抽象、分解、模式识别、算法设计广泛应用3跨学科领域的通用思维方法计算机硬件基础冯诺依曼架构中央处理器·CPU存储程序计算机的基本框架计算机的大脑，执行指令和运算总线系统连接各硬件组件的数据通道存储系统主存储器存储层次辅助存储器RAM快速但易失的临时存储从寄存器到云存储的多级结构硬盘、SSD永久性数据存储设备输入输出设备输入设备输出设备复合设备键盘、鼠标、扫描仪、显示器、打印机、扬声触摸屏既是输入也是输摄像头器出设备计算机网络基础网络类型网络拓扑局域网LAN、广域网WAN、总线型、星型、环型、网状结构个人区域网PAN网络协议TCP/IP、HTTP、FTP规范通信规则互联网年19691ARPANET诞生，互联网前身年21989万维网WWW发明，信息共享变得容易现今3覆盖全球，连接数十亿设备操作系统概述资源管理用户接口12分配和调度计算机硬件资源为用户提供与计算机交互的界面文件管理程序执行43组织和控制文件的存储和访问加载和运行用户程序常见操作系统各系统有不同特点和适用场景文件系统文件组织文件操作存储管理层次目录结构存储和管创建、读取、写入、删分配和回收磁盘空间理数据除等基本功能程序设计语言概述高级语言低级语言接近人类语言，易于学习和使用接近机器语言，性能高但难学•Python•汇编语言•Java•机器语言常见编程语言Python JavaC/C++简洁易学，广泛应用于AI、数据科学跨平台，企业级应用开发首选高性能，系统级编程的标准选择程序设计基础顺序结构按照语句的先后顺序执行选择结构根据条件执行不同的代码块循环结构重复执行特定代码块直到条件不满足数据类型基本数据类型复合数据类型整数、浮点数、字符、布尔值数组、字符串、结构体、类引用数据类型指针、引用等间接访问数据的类型函数与模块化编程1函数定义封装可重用代码块，提高代码复用性参数传递2值传递、引用传递、指针传递3返回值函数执行结果的输出4模块化设计将程序分解为功能独立的模块面向对象编程类与对象封装1类是对象的模板，对象是类的实例隐藏内部实现，只暴露必要接口2多态继承43同一接口调用不同实现子类继承父类的属性和方法软件工程基础需求分析明确软件需要实现的功能设计制定实现方案和架构编码实现按照设计编写程序代码测试验证软件功能和质量维护修复问题和功能升级数据结构基础数组链表栈和队列连续内存空间存储同类型数据非连续节点通过指针连接特殊操作规则的线性结构树形结构二叉搜索树左子树值小于根节点，右子树值大于根二叉树平衡树节点每个节点最多有两个子节点特殊二叉树，保持平衡以提高效率图结构图的表示图的遍历邻接矩阵、邻接表存储复杂关系深度优先搜索、广度优先搜索图的应用社交网络、地图导航、网络路由算法设计与分析算法正确性1能够正确解决问题时间复杂度2算法执行所需时间的度量空间复杂度3算法执行所需空间的度量排序算法值表示On^x复杂度，数值越小效率越高搜索算法二分搜索分治法，时间复杂度Olog n线性搜索哈希搜索顺序查找，时间复杂度On通过哈希函数，平均时间复杂度O1数据库基础1关系型数据库以表格形式存储和管理数据2SQL语言结构化查询语言，操作数据库的标准3数据完整性确保数据的准确性和一致性4事务处理保证操作的原子性、一致性、隔离性和持久性数据库管理系统不同DBMS适用于不同应用场景大数据概述数据量大多样性12PB级以上的数据规模结构化、半结构化和非结构化数据价值密度低高速度需要分析挖掘才能发现价值数据生成和处理速度快43人工智能基础年代19501AI概念提出，图灵测试年代21980-90专家系统兴起，AI冬季年后20103深度学习突破，AI迅速发展机器学习监督学习强化学习无监督学习使用标记数据训练模型通过奖惩机制学习最优策略从无标记数据中发现模式深度学习神经网络深度架构应用领域模拟人脑结构的计算模多层神经网络提取复杂图像识别、语音处理、型特征自然语言处理计算机图形学基础图形3D三维模型的构建和渲染图形2D平面图像的生成和处理计算机视觉1图像处理滤波、增强、分割等基本操作目标检测2识别图像中的特定物体3人脸识别分析人脸特征进行身份识别4场景理解理解图像中物体间的关系和环境虚拟现实与增强现实虚拟现实VR增强现实AR混合现实MR创造完全沉浸式的数字环境在现实世界叠加数字信息现实与虚拟世界的融合多媒体技术音频处理视频处理媒体流压缩、编码、效果处理编码、压缩、特效制作实时音视频传输技术信息安全基础保密性完整性12防止未授权访问信息确保信息不被篡改可追溯性可用性记录和跟踪系统活动确保系统正常运行，信息可访问43加密技术对称加密非对称加密同一密钥加解密，速度快但密钥公钥加密私钥解密，解决密钥分分发难发问题哈希函数单向映射，用于数字签名和完整性验证网络安全常见威胁病毒、钓鱼、DDoS攻击、中间人攻击安全设备防火墙、入侵检测系统、VPN安全策略访问控制、数据备份、漏洞修复云计算SaaS1软件即服务，提供应用程序PaaS2平台即服务，提供开发环境IaaS3基础设施即服务，提供计算资源物联网感知层传感器收集环境数据网络层数据传输与通信处理层数据分析与决策应用层实现智能控制和服务边缘计算概念优势将计算任务在网络边缘处理低延迟、减轻带宽压力、本地数据处理应用场景自动驾驶、智能制造、远程医疗区块链技术分布式账本共识机制1多方共同维护的不可篡改记录确保各节点达成一致的规则2智能合约密码学保障43自动执行的程序化协议使用加密算法确保安全量子计算量子位量子叠加量子纠缠可同时处于多种状态的基本单位同时处理多种可能性的能力量子位间的特殊关联并行计算多核处理集群计算网格计算单芯片多处理器并行执多台计算机协同解决问地理分布的异构资源共行任务题享分布式系统1特点2挑战多节点协作、资源共享、高可一致性、容错性、网络延迟靠性3应用大规模网站、分布式存储、云计算平台计算机仿真工程仿真科学仿真结构分析、流体动力学物理过程、化学反应模拟培训仿真飞行模拟器、医疗手术训练计算科学数值计算科学可视化计算建模利用数值方法求解复杂问题将复杂数据转化为直观图像构建现实世界的数学模型生物信息学序列分析结构预测基因组学DNA、RNA和蛋白质序列的比较和分预测蛋白质的三维结构全基因组的分析和解读析计算机辅助设计（）CAD各行业设计工作的强大工具计算机辅助制造（）CAM1概念2优势利用计算机控制制造设备和流提高精度、节约时间、减少浪程费3应用CNC加工、3D打印、机器人装配自然语言处理情感分析语音识别分析文本中的情感倾向将语音转换为文本机器翻译在不同语言间自动转换计算机伦理隐私保护知识产权个人数据的合理收集和使用软件版权、专利和开源问题12数字鸿沟43算法公平技术接入和使用的不平等避免偏见和歧视绿色计算能源效率电子废弃物可持续设计低功耗设计和能源管理回收和环保处理废旧设延长设备寿命，减少资备源消耗计算机职业发展30%5M+年均增长率全球开发者IT行业就业需求持续增长软件开发人才缺口巨大15+专业方向从开发到管理的多元化岗位计算机科学前沿量子霸权通用人工智能脑机接口量子计算机解决经典计算机难以处理的问具有类人思维能力的AI系统大脑与计算机直接通信的技术题计算机科学的未来展望技术趋势AI、量子计算、虚拟现实将改变生活社会影响自动化将重塑就业结构伦理问题隐私保护和数字权利日益重要跨学科融合与生物、医学、艺术等领域深度结合课程总结实践应用1将理论知识应用到实际问题中原理掌握2理解计算机科学的核心概念基础知识3计算机组成、编程、数据结构等基础参考资源推荐书籍在线学习平台•《计算机科学概论》•中国大学MOOC•《算法导论》•Coursera•《深入理解计算机系统》•edX。