《计算机科学导论》课件2

计算机科学导论课程简介计算机科学是什么？计算机科学是一门研究计算机及其应用的学科，它涵盖了广泛的领域，包括算法、数据结构、编程语言、操作系统、计算机网络、数据库、人工智能等等计算机科学的历史与发展1930年代图灵机模型提出，奠定了现代计算机理论基础121940年代第一台电子计算机诞生，开启了计算机时代1950年代高级编程语言出现，使得编程变得更加容易341960年代互联网的前身-ARPANET诞生，连接了不同的计算机1970年代个人电脑出现，将计算机带入千家万户561980年代互联网蓬勃发展，信息时代正式来临1990年代互联网普及，改变了人们的生活方式78计算机科学的核心概念抽象将复杂问题分解成简单的概念，从而更容易理解和解决算法解决问题的一系列步骤，计算机执行的指令集数据结构组织和管理数据的方式，例如数组、链表、树、图等编程语言用代码表达计算机指令，例如Python、Java、C++等算法计算机科学的灵魂算法是计算机科学的核心概念之一，它是一系列解决问题算法的效率取决于时间复杂度和空间复杂度，好的算法能的步骤或指令集够有效地利用计算机资源数据结构组织数据的方式数组线性结构，按顺序存储数据，访问速度快链表线性结构，用指针连接数据，灵活插入和删除数据树非线性结构，层次化组织数据，适合搜索和排序图非线性结构，表示节点之间的关系，适合模拟网络和社交关系编程语言人与计算机的桥梁Python易学易用，Java跨平台，面向C++高效，面向对适合快速开发对象，广泛应用于企象，适合系统级编程业级开发计算机系统硬件与软件的协同2内存CPU存储数据和程序指令1中央处理器，负责执行程序指令硬盘3长期存储数据输出设备输入设备5显示器、打印机、音响等键盘、鼠标、摄像头等4操作系统管理计算机资源Windows桌面操作系统，用户友好12macOS苹果电脑操作系统，注重用户体验Linux开源操作系统，灵活稳定34Android移动操作系统，拥有庞大的用户群iOS苹果手机操作系统，安全易用5计算机网络连接世界局域网LAN:连接同一区域内的计算机，例如家庭网络广域网WAN:连接不同地理位置的计算机，例如互联网无线网络:使用无线信号连接计算机，例如Wi-Fi移动网络:使用手机网络连接计算机，例如4G、5G数据库存储和管理数据关系型数据库RDBMS:数据以表格形式存储，例如MySQL、PostgreSQL非关系型数据库NoSQL:数据存储方式灵活多样，例如MongoDB、Redis云数据库:提供云端的数据库服务，例如AWS RDS、Azure SQLDatabase人工智能让机器像人一样思考机器学习1从数据中学习模式，例如图像识别、语音识别深度学习2使用神经网络进行学习，例如自动驾驶、自然语言处理专家系统3模拟人类专家的知识和推理能力，例如医疗诊断、金融分析自然语言处理4让机器理解和生成自然语言，例如机器翻译、聊天机器人计算机视觉5让机器看懂图像，例如人脸识别、物体检测机器学习从数据中学习监督学习使用标记数据训练模型，无监督学习使用未标记数据训练模强化学习让机器通过试错学习，例例如分类和回归型，例如聚类和降维如游戏AI、机器人控制深度学习神经网络的强大力量卷积神经网络CNN1用于图像识别和计算机视觉任务循环神经网络RNN2用于自然语言处理和时间序列分析生成对抗网络GAN3用于生成逼真图像和数据计算机图形学创造视觉世界游戏电影设计医学其他计算机视觉让机器看懂图像100亿人脸识别系统应用于安全监控、身份验证等领域1000万物体检测系统用于自动驾驶、医疗诊断等领域自然语言处理让机器理解语言机器翻译聊天机器人情感分析将一种语言翻译成另一种语言，例如模拟人类对话，例如客服机器人、智分析文本的情感倾向，例如识别正面、谷歌翻译、百度翻译能助手负面或中性情感软件工程构建可靠的软件软件工程是一门研究如何开发和维护软件的学科，它涵盖软件工程的目标是构建高质量、可靠、可维护的软件系统了从需求分析、设计、编码、测试到部署和维护的整个过程软件开发生命周期需求分析阶段了解用户的需求，明确软件的目标12设计阶段设计软件的架构、功能和界面编码阶段编写代码实现软件的功能34测试阶段发现并修复软件中的缺陷部署阶段将软件发布到用户环境中56维护阶段修复软件中的错误，改进软件的功能需求分析了解用户需求收集用户需求通过访谈、分析用户需求将用户的需问卷调查等方式了解用户的求转化为明确的软件需求文需求档验证用户需求与用户确认需求的准确性和完整性设计软件的蓝图架构设计界面设计设计软件的整体结构和模块设计软件的用户界面，确保划分易用性和美观数据库设计设计数据库的结构，存储软件中的数据编码实现设计选择合适的编程语言根据软件的功编写代码将设计文档转换为可执行代码规范遵循代码规范，提高代码能和平台选择合适的编程语言的代码的可读性和可维护性测试发现缺陷单元测试测试代码集成测试测试多个系统测试测试整个中的单个函数或模块模块之间的交互软件系统部署发布软件选择部署环境选择适合软件运行的硬件和软件环境安装软件将软件安装到部署环境中配置软件根据实际情况配置软件的参数发布软件将软件发布给用户使用维护修复和改进软件修复软件缺陷解决软件运改进软件功能根据用户的行过程中出现的错误反馈，改进软件的功能和性能升级软件版本发布新的软件版本，修复错误和改进功能计算机伦理道德与责任隐私保护1保护用户的个人信息，避免数据泄露网络安全2防御网络攻击，保障信息安全知识产权3尊重知识产权，保护创新成果公平与公正4避免歧视和偏见，确保算法公平责任与问责5对软件开发和应用带来的后果负责任隐私保护保护个人信息数据最小化原则仅收集必要的信息，数据加密对敏感数据进行加密，防数据匿名化对数据进行处理，隐藏避免过度收集数据止数据泄露用户的身份信息网络安全防御攻击防火墙1阻止来自外部网络的攻击，保护内部网络的安全入侵检测系统IDS2检测网络入侵行为，并发出警报反病毒软件3防御病毒攻击，保护计算机的安全知识产权保护创新计算机科学的应用领域科学计算金融科技医疗健康使用计算机解决科学问题，例如天体利用计算机技术革新金融行业，例如使用计算机技术改善医疗服务，例如物理、化学模拟、气候模型数字货币、金融分析、风险管理医疗影像分析、疾病诊断、药物研发科学计算解决科学问题使用超级计算机模拟复杂系统，例如气候变化、宇宙演化开发科学计算软件，帮助科学家进行数据分析和建模金融科技改变金融行业1数字货币例如比特币、以太坊，去中心化的数字资产金融分析利用机器学习进行市场预测、风险评估23金融交易使用算法进行高频交易，提高交易效率医疗健康改善医疗服务医疗影像分析使用计算机视觉识别疾病特征，帮助医生诊断疾病药物研发使用计算机模拟药物分子，加速药物研发过程远程医疗使用视频通话进行远程问诊，方便病人就医教育技术创新教育方式在线教育平台提供在线课程、学习资源和互动平台智能化教学系统根据学生的学习情况提供个性化的学习内容和建议虚拟现实/增强现实教学使用VR/AR技术提升教学体验，例如虚拟解剖、博物馆参观交通运输优化交通系统100亿无人驾驶汽车使用人工智能和传感器实现自动驾驶，提升交通安全和效率10万智能交通管理系统利用传感器和数据分析优化交通流量，减少拥堵游戏开发创造娱乐体验游戏策划游戏程序1设计游戏剧情、玩法和规则编写游戏代码，实现游戏功能2游戏音效游戏美术43创作游戏音乐和音效设计游戏画面、角色和场景电子商务改变购物方式电商平台例如淘宝、亚马逊，提供移动支付例如支付宝、微信支付，个性化推荐根据用户行为和喜好推商品展示、交易和物流服务方便快捷的支付方式荐商品，提升购物体验社交媒体连接人们社交网络例如Facebook、Twitter，连接用户，分享信息1和观点社交电商例如小红书、抖音，将社交与电商结合，提升购2物体验社交游戏例如王者荣耀、和平精英，结合社交元素，增强3游戏互动性和趣味性云计算提供计算资源基础设施即服务平台即服务IaaS PaaS提供开发平台和工具，方便提供计算、存储、网络等基用户开发和部署应用程序础设施服务软件即服务SaaS提供完整的软件服务，用户无需安装和维护软件大数据分析海量数据数据采集从各种来源收集数据，例如网络日志、传感器数据数据存储使用分布式存储系统存储海量数据数据分析使用机器学习和数据挖掘算法分析数据，发现规律和洞察数据可视化将数据结果以图表和图形的形式呈现，方便理解和分析物联网连接万物传感器感知物理世网络连接将传感器应用程序开发应用界的信息，例如温度、和设备连接到互联网，程序，利用物联网数湿度、光线实现信息共享据提供各种服务区块链构建信任体系去中心化数据存储在多个节点上，不可篡改数据一旦写入区块链，就透明可追溯所有交易记录都公开透没有中心化的管理机构无法修改，保证数据的真实性明，可以追溯到源头计算机科学的未来趋势量子计算利用量子力学原理进行计算，拥有强大的计算能力无人驾驶使用人工智能和传感器实现自动驾驶，改变出行方式虚拟现实/增强现实创造沉浸式的体验，应用于游戏、教育、医疗等领域边缘计算将计算资源部署在靠近数据源的边缘设备上，提高数据处理效率量子计算颠覆计算模式药物研发1加速药物研发，开发新的药物材料科学2设计新的材料，例如超导材料人工智能3开发更强大的人工智能算法，解决更复杂的问题无人驾驶改变出行方式安全驾驶1减少人为错误，提高交通安全提高效率2优化交通流量，减少拥堵便捷出行3为老年人、残疾人提供便捷出行服务虚拟现实增强现实创造沉浸式体验/游戏教育医疗设计其他边缘计算靠近数据源的计算100毫秒减少数据传输延迟，提高数据处理速度10亿支持物联网设备，处理海量数据生物计算用生物分子进行计算基因测序药物研发使用生物计算技术进行基因测序，诊断疾病和预测风险利用生物计算技术设计药物分子，提高药物研发的效率人工通用智能创造真正的智能人工通用智能AGI能够像人类一样思考和学习，拥有广AGI有望解决各种复杂问题，例如科学研究、医疗保健、泛的知识和技能社会治理计算机科学的学习方法打好基础学习计算机科学实践操作通过动手实践，的基础知识，例如算法、数加深对理论知识的理解和应据结构、编程语言用持续学习计算机科学是一个快速发展的领域，需要不断学习新知识和技能基础知识的重要性基础知识是学习计算机科学的基石，例如算法、数据结构、扎实的基础知识可以帮助你更好地理解计算机科学的概念编程语言，是掌握更高级知识和技能的基础和原理，并能够更高效地学习和应用新技术实践的重要性动手实践可以帮助你将理论知识转化为实际技能，并1能够更快地发现和解决问题2通过实践项目，你可以积累经验，提升解决实际问题的能力3实践操作可以让你更好地理解计算机科学的概念和原理，并能够更快地学习和应用新技术持续学习的重要性阅读书籍参加课程阅读计算机科学领域的最新参加在线课程或线下培训课书籍，了解最新的技术和理程，学习新技能和知识论关注博客关注计算机科学领域的博客和论坛，获取最新的技术资讯参与开源项目参与开源项目可以让你学习优秀开源项目社区是一个良好的学习代码，并能够与其他开发者交流交流平台，可以帮助你解决问题，学习并获得来自其他开发者的帮助参加竞赛和活动参加编程竞赛可以锻炼你的编程能力和解决问题的能力参加计算机科学相关的活动可以让你结识同领域的人，并能够了解最新的技术和趋势计算机科学的职业发展软件工程师开发软件应用程序，例如网站、手机应用、游戏数据科学家分析数据，发现规律和洞察，帮助企业做出决策网络工程师设计、构建和维护计算机网络，保障网络安全系统管理员管理和维护计算机系统，保证系统的稳定运行软件工程师软件工程师需要具备扎实的编程技能，熟悉各种编程语言他们需要理解用户需求，设计和开发高质量的软件应用程和开发工具序数据科学家数据科学家需要具备数据分析、机器学习和统计建模1等技能2他们需要从海量数据中提取有价值的信息，帮助企业做出更明智的决策网络工程师网络安全网络管理网络设计负责保障网络安全，防御网络攻管理和维护计算机网络，保证网设计和构建计算机网络，满足企击络的稳定运行业的需求系统管理员管理和维护计算机系统，例如服保障系统安全，防御网络攻击务器、网络设备、操作系统。