《计算机科学实验》课件

计算机科学实验课程介绍欢迎参加计算机科学实验课程！本课程旨在通过实践操作加深对计算机科学理论知识的理解，培养学生的动手能力和解决问题的技能在未来的几个月里，我们将深入探索计算机科学的多个领域，从基础的硬件认识到高级的人工智能应用实验内容设计全面且循序渐进，确保每位学生都能获得最佳的学习体验本课程采用理论结合实践的教学模式，通过系列精心设计的实验，帮助学生将抽象的理论知识转化为具体的技术能力让我们一起踏上这段激动人心的计算机科学探索之旅！课程目标与学习成果培养实践能力通过动手实验，将理论知识转化为实际技能，提升解决实际问题的能力深化理论理解通过实验验证和探索理论概念，加深对计算机科学基础知识的理解增强团队协作部分实验将以小组形式开展，培养学生的沟通能力和团队合作精神激发创新思维鼓励学生在实验中探索创新方案，培养创造性思维和问题解决能力通过本课程的学习，学生将能够独立设计和实现基本的计算机系统和应用程序，掌握计算机科学各领域的核心实验技能，为未来的学术研究或工业实践奠定坚实基础课程安排与实验环境课程时间安排1每周两次课，周二理论讲解（2小时），周四实验操作（3小时）实验环境准备2主机配置Intel i7处理器，16GB内存，500GB SSD存储软件环境3操作系统Windows10专业版和Ubuntu

20.04LTS双系统网络环境4千兆以太网，实验室内部局域网，受限互联网访问实验室设有专门的技术支持人员，在实验课期间提供技术帮助所有学生都将获得个人实验账号，用于访问实验环境和保存个人实验数据请务必在每次实验结束后备份重要数据实验安全注意事项设备安全实验前检查电源和连接线是否完好，发现损坏立即报告严禁擅自更换或拆卸实验室设备使用完毕后，按规定程序关闭电源数据安全重要数据至少保存两份副本禁止在实验室电脑上存储个人敏感信息定期更新实验账号密码，不与他人共享账号信息网络安全严禁在实验室网络进行攻击行为或下载非法内容使用实验室网络时遵守学校网络使用规定，不访问与实验无关的网站个人安全保持实验室整洁，不在实验室饮食熟悉紧急出口位置和消防设备使用方法如遇紧急情况，按照安全指示有序疏散实验安全是所有实验活动的前提请认真遵守上述安全规定，确保自身安全和设备安全违反安全规定者将受到相应处罚，严重者可能被取消实验资格实验报告撰写指南报告格式使用统一模板，包含封面、摘要、目录、正文、参考文献等部分正文使用宋体，五号字，

1.5倍行距内容要求详细描述实验目的、原理、步骤、结果分析及结论重点突出个人理解和创新点，避免简单复制实验指导书代码规范程序代码需格式规范，添加必要注释关键算法需附上流程图或伪代码说明完整代码附在报告末尾附录中提交时间实验报告需在实验结束后一周内提交至指定平台迟交将扣除相应分数，无故不交视为实验不合格优秀的实验报告不仅是对实验过程的记录，更是对实验结果的深入思考和对相关知识的融会贯通鼓励在报告中提出问题、分析问题并尝试解决问题，展示个人的学习收获和独特见解评分标准与要求评分项目占比评分要点出勤与态度10%准时参加实验，态度认真，积极参与讨论实验操作30%操作熟练，步骤规范，能独立完成实验任务实验报告40%内容完整，分析深入，格式规范，表达清晰创新能力10%有独特见解，能提出改进方案或创新点综合项目10%学期末综合设计项目的完成质量本课程采用百分制评分，60分为及格线最终成绩将综合以上各项因素确定特别优秀的学生有机会获得实验之星称号，并在期末展示中展示自己的优秀作品请注意学术不端行为（如抄袭报告、篡改实验数据等）一经发现，将直接导致该实验零分处理，情节严重者可能导致整门课程不及格实验一计算机基础硬件认知系统操作识别计算机基本硬件组件，了解其功能与熟悉Windows和Linux操作系统的基本使参数用命令应用网络配置掌握基本命令行操作，进行文件管理与系完成基础网络设置，理解网络连接原理统配置实验一将带领学生建立对计算机系统的整体认识，从硬件到软件，从理论到实践通过亲手拆装计算机组件、配置操作系统和进行基础网络设置，学生将对计算机工作原理有更加直观的理解本实验为后续所有实验打下基础，务必认真完成实验中遇到问题鼓励自主解决，培养解决问题的能力计算机硬件组成中央处理器内存存储设备CPU RAM计算机的大脑，负责执行指令临时存储程序和数据的地方永久保存数据的组件比较机和数据处理识别不同架构区分不同类型内存，如DDR

3、械硬盘HDD与固态硬盘SSDCPU，了解主频、核心数等参DDR4，了解容量、频率等参的性能差异和适用场景数的含义数主板连接所有硬件组件的平台识别主板上的各种插槽和接口，如PCIe、SATA、USB等在本实验中，学生将亲手拆装一台个人计算机，识别各个硬件组件并了解其功能通过观察不同组件的连接方式，理解计算机内部的数据传输路径和工作流程实验结束后，学生应能够根据具体应用需求，合理选择和配置计算机硬件组件，并排除常见的硬件故障操作系统基础操作系统操作系统Windows Linux图形化界面操作简单直观，适合初学者和日常办公使用市场份开源自由，安全稳定，资源占用低，适合服务器和开发环境命额最大，商业软件支持最全面令行操作强大灵活，自动化程度高•系统安装与基本配置•Linux发行版选择Ubuntu/CentOS•控制面板与系统设置•基本系统安装与配置•资源管理器使用技巧•包管理工具使用•常见问题排查方法•用户权限与系统安全本实验中，学生将在同一台计算机上安装Windows和Linux双系统，体验两种不同操作系统的特点通过完成相同任务在不同系统中的操作流程，比较两种操作系统的异同，加深对操作系统核心概念的理解文件管理与命令行操作基本文件操作创建、复制、移动、删除文件与目录文件查找与过滤使用find、grep等命令查找特定文件权限管理了解并修改文件权限，使用chmod、chown命令简单脚本编写创建基本Shell/Batch脚本自动化任务在这部分实验中，学生将通过命令行界面执行各种文件管理任务，体验命令行操作的高效与灵活通过比较图形界面与命令行操作的异同，理解不同操作方式的优缺点和适用场景学生需要完成一系列挑战任务，如在指定目录结构中查找特定内容的文件，批量重命名文件，设置特定的文件权限等，以锻炼实际问题解决能力实验二程序设计基础541实验课时编程任务综合项目贯穿两周半的课程安排循序渐进的编程练习整合所学知识的小型应用本实验旨在通过C语言编程实践，培养学生的程序设计思维和编码能力从环境搭建开始，逐步学习C语言的各种语法结构和编程技巧，最终能够独立设计和实现简单的应用程序每位学生将配备独立的开发环境，通过亲自编写、调试和优化代码，体验程序从构思到实现的完整过程鼓励学生在完成基本要求的基础上，尝试添加创新功能或改进程序性能通过本实验，学生将掌握程序设计的基本方法和技巧，为后续更复杂的软件开发打下坚实基础语言开发环境搭建C编译器安装Windows环境下安装MinGW或Visual Studio，Linux环境下安装GCC编译器确保正确配置环境变量，使编译命令在任何路径下可用集成开发环境配置IDE根据个人偏好选择并安装IDE，如Visual StudioCode、CodeBlocks或CLion配置代码高亮、自动补全和调试工具，提高开发效率版本控制工具安装Git，学习基本的版本控制操作创建本地仓库并进行代码提交，养成良好的代码管理习惯可选择使用GitHub平台进行远程备份测试环境验证编写并运行Hello World程序，验证环境配置是否正确尝试使用调试工具设置断点、观察变量值变化，熟悉开发工具的基本使用正确配置开发环境是编程学习的第一步本实验将指导学生搭建适合自己的C语言开发环境，并通过简单的编程练习验证环境的可用性，为后续的编程实验做好准备基本数据类型与运算符控制结构与循环条件语句循环结构控制转移•if-else语句实现决策逻辑•for循环用于已知迭代次数的场景•break语句跳出当前循环•switch-case处理多分支选择•while循环适用于条件控制的场合•continue跳过本次循环剩余部分•条件运算符:用于简单条件判断•do-while确保至少执行一次循环体•goto语句谨慎使用实现特殊流程控制本实验将通过实际编程练习，让学生掌握C语言中的各种控制结构，能够根据具体问题选择合适的控制结构实现算法逻辑重点任务包括编写程序实现数值计算、查找算法和简单游戏逻辑等学生需要比较不同控制结构的效率和适用场景，学习如何编写清晰、高效、易维护的代码通过反复的调试和优化过程，培养良好的编程习惯和问题解决能力函数与模块化编程完整应用程序集成各个模块形成最终应用功能模块相关功能的函数集合单个函数实现特定功能的代码单元基本语句构成函数的基本操作模块化编程是解决复杂问题的关键方法，通过将大问题分解为小问题，逐一解决后再整合成完整解决方案本实验重点讲解C语言中函数的定义、调用方式以及参数传递机制，包括值传递和指针传递的区别学生将学习如何设计函数接口，编写可重用的功能模块，并通过头文件和源文件的分离实现代码的模块化组织实验任务包括实现数学计算库、字符串处理函数集等，培养学生的抽象思维和模块化设计能力实验三数据结构与算法线性数据结构实现并应用数组、链表、栈和队列等基本数据结构树形数据结构构建二叉树，实现树的遍历、搜索和平衡操作图结构与算法设计图的存储结构，实现图的遍历和路径搜索算法算法分析与优化分析算法复杂度，优化算法实现提高效率数据结构是程序设计的基础，合理的数据组织方式能够极大提高程序的效率和可维护性本实验系列将带领学生从基本的线性结构开始，逐步探索复杂的树形和图结构，掌握各种数据结构的实现方法和应用场景通过手动实现各种数据结构和算法，学生将深入理解它们的工作原理和性能特点，培养算法思维和问题抽象能力，为解决复杂计算问题打下坚实基础线性数据结构数组与链表数组链表Array LinkedList连续内存空间存储同类型数据，支持随机访问离散节点通过指针连接，动态内存分配•静态数组固定大小，编译时确定•单向链表每个节点指向下一节点•动态数组运行时分配，可调整大小•双向链表节点包含前后两个指针•多维数组表示矩阵等复杂数据•循环链表首尾相连形成环状结构优点访问速度快O1，缓存友好优点插入删除高效O1，大小动态调整缺点插入删除操作慢，大小固定或调整成本高缺点随机访问慢On，额外指针占用空间本实验要求学生实现动态数组和链表的基本操作，包括插入、删除、查找和遍历等功能通过比较相同操作在数组和链表上的性能差异，加深对线性数据结构特性的理解栈与队列的实现栈队列Stack Queue后进先出LIFO的线性表，只允许在一端进行插入和删除操作先进先出FIFO的线性表，一端入队，另一端出队•顺序队列基于数组的循环实现•基于数组实现空间连续，容量固定•链式队列基于链表的实现•基于链表实现动态分配，无容量限制•优先队列元素按优先级出队典型应用典型应用•函数调用与返回•缓冲区管理•表达式求值与括号匹配•广度优先搜索•递归算法优化尾递归消除•任务调度本实验要求学生分别使用数组和链表实现栈和队列的基本操作，并通过实际应用案例如表达式求值、迷宫问题等验证实现的正确性，加深对这些抽象数据类型的理解树结构与二叉树二叉树的遍历二叉搜索树前序、中序、后序和层序遍历算法实现构建、查找、插入和删除操作树的应用平衡二叉树表达式树、哈夫曼编码等实例AVL树和红黑树的基本原理4树是一种非线性的数据结构，广泛应用于表示具有层次关系的数据本实验重点研究二叉树的实现和应用，包括各种遍历算法和特殊二叉树如二叉搜索树的构建与操作学生将实现完整的二叉树操作库，包括创建、插入、删除、查找和遍历等功能，并通过实际应用案例检验实现的正确性和效率通过比较不同类型树结构的性能特点，加深对树结构在实际问题中应用价值的理解图算法与最短路径问题图的表示邻接矩阵和邻接表两种存储方式图的遍历深度优先搜索DFS和广度优先搜索BFS算法最短路径算法Dijkstra算法和Floyd-Warshall算法实现实际应用路径规划、网络分析等问题求解图是一种表示对象之间关系的强大数据结构，本实验将探讨图的基本概念、存储方式和常见算法学生将实现图的两种表示方法邻接矩阵和邻接表，并比较它们在不同操作上的性能差异实验的核心内容是最短路径算法的实现与应用学生将手动编写Dijkstra算法和Floyd-Warshall算法，解决实际的路径规划问题，通过可视化展示算法的执行过程，加深对复杂算法工作原理的理解实验四计算机网络网络协议分析地址与子网IP学习TCP/IP协议栈的层次结构，使用抓包工具分析网络数据包，理解协议掌握IPv4/IPv6地址分配规则，进行子网划分计算，配置局域网IP地址工作原理网络工具应用编程入门Socket使用ping、traceroute、nslookup等工具进行网络诊断，监控网络状态和实现基于TCP和UDP的客户端/服务器程序，体验网络通信编程的基本方性能法计算机网络是现代信息系统的基础设施，本实验将带领学生从理论和实践两方面深入了解网络的工作原理和应用开发方法通过亲手配置网络设备、分析网络流量和编写网络应用程序，学生将获得全面的网络技术实践经验本实验要求学生组成小组完成综合网络配置任务，模拟企业网络环境的构建过程，培养团队协作能力和解决复杂网络问题的能力网络协议栈与模型OSI应用层1HTTP、FTP、SMTP等应用协议，提供用户服务传输层TCP/UDP协议，提供端到端的数据传输网络层IP协议，负责路由选择和数据转发数据链路层以太网协议，提供相邻设备间的数据传输物理层传输比特流的媒介和规范本实验将深入研究OSI七层模型和TCP/IP四层协议栈，通过抓包工具如Wireshark观察和分析实际网络通信过程中的数据包格式和协议交互过程学生将跟踪一个完整的网络请求如访问网页，观察各层协议的工作过程实验任务包括分析HTTP请求/响应、TCP连接建立与终止、IP路由选择等关键网络过程，通过实际观察加深对网络协议工作原理的理解地址与子网划分IP子网掩码CIDR表示可用IP数量常见用途

255.

255.

255.0/24254小型局域网

255.

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254.0/23510中型部门网络

255.

255.

252.0/221022大型企业网络

255.

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248.0/212046校园网/ISP

255.

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240.0/204094区域网络IP地址是网络通信的基础，正确规划IP地址分配和子网划分对网络性能和安全至关重要本实验将讲解IPv4和IPv6地址的结构、分类和特点，重点介绍CIDR无类域间路由技术和子网划分方法学生将通过实际操作完成子网划分计算，根据给定的网络需求设计IP地址分配方案，并在实验环境中配置IP地址、子网掩码和默认网关，验证网络连接的正确性进一步探索VLSM可变长子网掩码技术在优化IP地址利用率方面的应用网络命令与工具使用ping traceroute/tracer nslookup/digt测试网络连通性和响应查询DNS记录，解析域时间，基于ICMP协显示数据包从源到目的名对应的IP地址，排查议用于排查基本网络地经过的路由路径，帮DNS配置问题故障和测量网络性能助定位网络故障点和理解网络拓扑Wireshark专业网络抓包分析工具，可深入检查网络流量内容，进行协议分析和故障排查网络诊断工具是网络管理与排障的重要手段，本实验将指导学生掌握常用网络命令和专业工具的使用方法通过实际案例演示各种工具在网络故障排查中的应用，培养学生的网络分析和问题解决能力学生将组成小组，模拟不同的网络故障场景，使用适当的工具进行诊断和解决实验结束后，学生应能灵活运用这些工具分析和解决常见的网络连接问题简单编程socket编程编程TCP SocketUDP Socket基于连接的可靠通信无连接的快速通信

1.创建套接字socket

1.创建UDP套接字socket

2.服务器绑定地址并监听bind,listen

2.服务器绑定地址bind

3.客户端连接服务器connect

3.直接发送和接收数据sendto,recvfrom

4.服务器接受连接accept

4.关闭套接字close

5.数据交换send,recv适用场景音视频流、实时游戏等允许少量丢包的应用

6.关闭连接close适用场景文件传输、网页浏览等要求可靠的应用Socket编程是网络应用开发的基础，本实验将指导学生使用C语言实现基本的TCP和UDP客户端/服务器程序通过亲自编写网络通信代码，学生将深入理解网络协议的工作原理和网络编程的基本模式实验任务包括开发简单的聊天程序、文件传输工具等实用应用，学习处理并发连接、超时重传等实际网络编程中的常见问题实验结束后，学生应能独立开发基本的网络应用程序实验五数据库系统数据库设计编程SQL学习ER建模和规范化理论掌握数据定义和操作语言性能优化事务处理4学习索引设计和查询优化理解并发控制和恢复机制数据库系统是现代应用程序的核心组件，本实验将系统性地介绍关系型数据库的原理和实践技术从数据库设计开始，通过实际案例学习规范化理论和ER建模方法，培养良好的数据库设计习惯学生将使用主流的数据库管理系统如MySQL或PostgreSQL，通过一系列实验任务掌握SQL语言的基本语法和高级特性，理解事务处理的ACID特性和实现机制实验结束后，学生应能设计合理的数据库结构，编写高效的SQL查询，并理解数据库系统的内部工作原理关系型数据库概念关系模型基础数据完整性•表Table数据的基本组织单位•实体完整性主键唯一且非空•元组Tuple/Row表中的一条记录•参照完整性外键值必须存在于主表•属性Attribute/Column记录的特征•域完整性属性值必须满足约束•键Key唯一标识元组的属性集•用户定义完整性特定业务规则数据库范式•第一范式1NF属性不可分•第二范式2NF消除部分依赖•第三范式3NF消除传递依赖•BC范式BCNF进一步规范化关系型数据库是当今最流行的数据管理系统，本实验将介绍关系模型的基本概念和理论基础学生将学习实体-关系ER建模方法，通过实际案例理解如何将现实世界的问题转化为结构化的数据模型实验任务包括分析给定业务场景，识别实体、属性和关系，绘制ER图，并将其转换为关系模式，应用规范化理论优化数据库设计通过这一过程，学生将掌握数据库设计的基本原则和方法论语言基础SQL结构化查询语言SQL是关系型数据库的标准语言，本实验将全面介绍SQL的基本语法和使用方法内容涵盖数据定义语言DDL、数据操作语言DML和数据查询语言DQL三大类，从简单的表创建和数据插入，到复杂的多表连接查询和聚合操作学生将使用MySQL或PostgreSQL数据库系统，完成一系列从基础到高级的SQL练习，包括创建表和索引、插入和修改数据、基本查询和筛选、多表连接、子查询、聚合函数和分组统计等通过这些实践操作，学生将掌握SQL语言的核心功能，为后续的数据库应用开发打下坚实基础数据库设计与图ER需求分析收集和分析用户需求，明确数据管理目标概念设计识别实体、属性、关系，绘制ER图逻辑设计转换ER图为关系模式，应用规范化理论物理设计定义表结构、索引、视图等物理存储结构实现与优化创建数据库，加载数据，性能测试和优化良好的数据库设计是高效稳定的信息系统的基础，本实验将带领学生完成一个完整的数据库设计过程从需求分析开始，通过实体-关系建模方法，将业务需求转化为结构化的数据模型，再转换为具体的数据库实现实验任务是设计一个小型图书管理系统的数据库，包括读者、图书、借阅等核心业务实体学生需要绘制ER图，设计关系模式，实现数据库并插入测试数据，最后编写常用业务查询通过这一综合实践，培养学生的数据库系统分析与设计能力数据库事务与并发控制4特性ACID事务的四个关键特性原子性、一致性、隔离性、持久性3并发问题脏读、不可重复读、幻读三种典型并发异常4隔离级别读未提交、读已提交、可重复读、串行化四个标准级别2锁机制共享锁和排他锁两种基本锁类型事务处理是数据库系统保证数据一致性和可靠性的核心机制，本实验将深入讲解事务的ACID特性及其实现原理学生将通过实例了解并发访问可能导致的问题，如脏读、不可重复读和幻读，以及数据库系统如何通过不同的隔离级别和锁机制解决这些问题实验任务包括模拟银行转账等典型事务场景，观察并发事务的执行效果，比较不同隔离级别的行为差异，理解事务回滚和恢复机制学生将编写事务处理代码，亲身体验事务的原子性和隔离性，掌握实际应用中的事务管理技巧实验六操作系统原理进程管理内存管理进程创建、调度和同步机制研究存储分配算法和虚拟内存技术探索设备管理文件系统驱动程序开发和I/O调度算法实践文件组织和存储结构实现操作系统是计算机系统的核心软件，本实验旨在通过实践操作，深入理解操作系统的工作原理和实现技术实验将采用多种方法，包括使用模拟器、分析开源操作系统代码和编写关键模块的实现，全面探索操作系统的各个子系统本实验系列要求学生具备良好的C语言编程能力和计算机系统基础知识实验过程中，学生将接触到底层系统编程，理解硬件与软件的交互机制，培养系统编程的思维方式和技能实验结束后，学生将对计算机系统有更深入的理解进程管理与调度算法进程概念与状态调度算法比较进程是程序的执行实例，拥有独立的地址空间和系统资源不同调度算法适用于不同应用场景进程状态转换•先来先服务FCFS简单公平，但可能导致短进程等待时间过长•新建New进程创建中•最短作业优先SJF减少平均等待时间，但可能导致长进程饥•就绪Ready等待CPU分配饿•运行Running占用CPU执行•时间片轮转RR适合交互式系统，响应时间可预测•阻塞Blocked等待事件发生•优先级调度灵活，但需要合理设置优先级•终止Terminated执行完毕•多级反馈队列综合以上优点，复杂但高效进程管理是操作系统的核心功能之一，本实验将探讨进程的创建、调度、同步和通信机制学生将编写程序模拟不同的进程调度算法，比较它们在不同工作负载下的性能表现，直观理解调度策略对系统效率的影响实验还将涉及进程同步问题，通过经典的生产者-消费者问题和哲学家就餐问题等案例，实现信号量、互斥锁等同步原语，体验并发编程的挑战和解决方案内存管理与虚拟内存内存分配策略实现并比较首次适应First-Fit、最佳适应Best-Fit和最差适应Worst-Fit等分配算法，分析它们的优缺点和适用场景分页管理机制模拟分页内存管理系统，实现虚拟地址到物理地址的转换，理解页表结构和转换过程页面置换算法实现并评估FIFO、LRU、Clock等页面置换算法，通过模拟不同访问模式，比较算法性能抖动问题研究通过实验观察系统在内存不足时的抖动现象，研究工作集模型和页面置换策略对抖动的影响内存管理是操作系统的基础功能，直接影响系统性能和稳定性本实验将深入探讨现代操作系统中的虚拟内存技术，通过模拟实现和性能测试，理解内存分配、地址转换和页面置换等关键机制的工作原理学生将开发一个简化的内存管理模拟器，实现各种内存管理算法，观察不同工作负载下系统的行为，分析内存管理策略对程序执行效率的影响，培养系统优化的思维和能力文件系统实现应用程序1通过文件API访问文件系统文件系统接口2提供统一的文件操作抽象存储管理层负责块分配和缓存管理设备驱动层控制物理存储设备文件系统是操作系统中管理持久数据的重要组件，本实验将探讨文件系统的内部结构和实现技术学生将了解文件的组织方式、目录结构、存储分配方法和访问控制机制，比较不同文件系统如FAT、NTFS、ext4等的特点和性能实验的核心任务是实现一个简单的文件系统，包括文件创建、读写、目录管理等基本功能通过亲手构建文件系统的各个组件，学生将深入理解文件系统的工作原理，掌握系统级软件开发的方法和技巧实验还将涉及文件系统性能优化，如缓存策略、预读取等技术的实现和评估设备驱动程序开发驱动程序设计了解设备特性，确定驱动程序架构和接口设计，规划初始化和资源管理策略设备初始化实现驱动加载函数，完成设备探测、资源分配和硬件初始化，注册设备到内核操作实现I/O编写读写处理函数，管理数据传输，实现中断处理和DMA操作，确保数据一致性测试与调试设计测试用例，验证功能正确性和性能表现，使用内核调试工具定位和修复问题设备驱动程序是操作系统与硬件设备通信的桥梁，本实验将讲解Linux内核驱动开发的基本原理和方法学生将学习字符设备、块设备和网络设备驱动的开发流程，了解中断处理、DMA传输和I/O调度等关键技术实验任务是开发一个简单的字符设备驱动，实现基本的读写操作和控制功能通过亲身体验内核模块的编译、加载和调试过程，学生将掌握底层系统编程的技能，理解操作系统与硬件交互的机制，为嵌入式系统开发和系统优化打下基础实验七计算机图形学图形学基础了解图形学基本概念和OpenGL编程环境，掌握基本图元绘制和变换操作图形算法2D实现线段绘制、填充和裁剪等基本算法，开发简单的2D绘图应用图形技术3D学习三维几何变换和投影技术，构建和渲染3D模型，实现基本的相机控制光照与材质掌握光照模型和着色技术，实现不同的材质效果，提升渲染真实感计算机图形学是一门融合计算机科学与数学的学科，本实验将带领学生探索计算机生成和处理视觉图像的原理和技术从基本的图形绘制算法到高级的三维渲染技术，通过实际编程练习，掌握现代图形学的核心概念和方法实验采用OpenGL作为主要编程平台，通过一系列渐进式的实验任务，从简单的2D图形开始，逐步过渡到复杂的3D场景渲染学生将开发一个小型的图形应用程序，理解计算机图形从抽象数据到视觉图像的生成过程图形学基本概念与OpenGL图形学基础概念像素、颜色空间、图元理解计算机图形的基本表示单位和组成元素坐标系统掌握世界坐标、视图坐标和设备坐标等不同坐标系的概念和转换关系环境搭建OpenGL安装OpenGL库和开发工具，配置GLFW窗口管理库和GLEW扩展加载库设置开发环境和项目结构，确保能够编译和运行基本的OpenGL程序基本绘图OpenGL创建OpenGL上下文和窗口，了解渲染循环的基本结构学习顶点缓冲对象VBO、顶点数组对象VAO和着色器程序的使用方法，绘制基本图形变换与投影掌握模型变换、视图变换和投影变换的基本原理使用矩阵数学库如GLM实现平移、旋转和缩放等基本变换，设置不同的投影方式观察场景本实验将介绍现代计算机图形学的基本概念和OpenGL图形编程的基础知识OpenGL是一个跨平台的图形API，广泛应用于游戏开发、科学可视化和虚拟现实等领域学生将从创建窗口和基本的图形渲染开始，逐步学习OpenGL的核心概念，如渲染管线、着色器编程和图形变换等通过实践操作，建立对计算机图形生成过程的直观理解，为后续更复杂的图形应用开发打下基础图形绘制算法2D线段绘制算法多边形填充裁剪算法Bresenham算法是一种高效的线段绘制算法，通扫描线填充算法通过逐行扫描多边形，确定每行Cohen-Sutherland算法是一种高效的线段裁剪算过整数运算确定像素位置，避免浮点计算学生的填充范围学生将实现基本的扫描线算法，并法，通过编码快速判断线段位置学生将实现该将实现该算法，绘制不同斜率的线段，并比较与扩展支持不同的填充模式和反走样技术，提高渲算法，处理线段与矩形窗口的裁剪问题，并扩展OpenGL内置函数的效果差异染质量到多边形裁剪2D图形算法是计算机图形学的基础，本实验将通过实现经典的2D图形绘制算法，加深对像素级图形操作的理解学生将编写自己的图形库，实现基本的线段绘制、多边形填充和裁剪等功能，体验底层图形算法的工作原理通过对比手动实现的算法与OpenGL内置函数的性能和效果差异，学生将理解现代图形硬件加速的优势，同时掌握基本的图形算法设计思想和优化技巧图形变换与投影3D三维几何变换视图与投影齐次坐标系统下的基本变换视图变换•平移变换改变物体位置•相机位置和方向设置•旋转变换围绕坐标轴旋转•视景体Frustum定义•缩放变换改变物体大小•观察矩阵计算•组合变换多种变换的顺序应用投影类型变换矩阵的数学表示和计算方法，使用GLM库实现各种变换•正交投影工程制图常用•透视投影模拟人眼视觉•投影矩阵参数调整三维图形变换和投影是构建3D场景的核心技术，本实验将深入讲解三维空间中的几何变换原理和数学表示学生将学习使用变换矩阵实现物体的平移、旋转和缩放，以及组合这些基本变换创建复杂的动画效果视图变换和投影是将三维场景映射到二维屏幕的关键步骤实验将介绍正交投影和透视投影的区别及适用场景，指导学生构建灵活的相机系统，实现场景的自由观察和导航通过交互式演示程序，直观理解各种变换和投影参数的影响光照模型与着色技术光照和着色是提升3D渲染真实感的关键技术，本实验将介绍常见的光照模型和着色算法从基本的环境光、漫反射和镜面反射组成的Phong光照模型，到现代的基于物理的渲染PBR技术，学生将通过OpenGL着色器语言GLSL实现各种光照效果实验将比较平面着色Flat shading、Gouraud着色和Phong着色等不同着色技术的视觉效果和性能特点，讲解法线和材质参数对渲染效果的影响学生将开发一个材质编辑器，通过调整不同参数，观察各种材质如金属、塑料、陶瓷等的渲染效果，深入理解光照计算的原理和技巧实验八人工智能导论481实验模块课时安排项目要求包括机器学习基础、神经网络、计算机视觉和自每个模块2课时，共8课时的实验课程每位学生需完成1个综合AI应用项目然语言处理人工智能是当前计算机科学最活跃的研究领域之一，本实验系列旨在通过实践操作，帮助学生理解人工智能的基本原理和应用技术实验内容涵盖机器学习、神经网络、计算机视觉和自然语言处理四个主要方向，从基础算法到实际应用，全面介绍人工智能的核心技术实验采用Python语言和主流的AI框架如TensorFlow、PyTorch等，通过一系列循序渐进的实验任务，引导学生掌握AI模型的构建、训练和评估方法实验结束后，学生将能够理解基本的AI算法原理，并具备开发简单AI应用的能力机器学习基础数据预处理模型选择清洗、标准化、特征工程算法分析与适用场景评估优化模型训练性能度量与模型改进参数优化与过拟合防范机器学习是人工智能的核心技术，本实验将介绍机器学习的基本概念、工作流程和常用算法从数据收集和预处理开始，到模型选择、训练和评估，学生将通过实际案例了解完整的机器学习应用开发过程实验将实现几种经典的机器学习算法，包括线性回归、逻辑回归、决策树和支持向量机等，通过解决实际问题如房价预测、垃圾邮件分类等，理解不同算法的工作原理、优缺点和适用场景学生将使用scikit-learn库构建模型，学习交叉验证、超参数调优等提升模型性能的技术神经网络与深度学习神经元模型感知器结构与激活函数网络架构前馈网络、CNN、RNN等反向传播梯度下降与权重更新网络训练批处理、正则化、优化器深度学习是近年来人工智能领域最重要的突破技术，本实验将深入介绍神经网络的基本原理和深度学习的核心概念从单个神经元模型开始，逐步构建多层神经网络，理解激活函数、损失函数和反向传播算法的作用实验将使用TensorFlow或PyTorch框架，实现基本的前馈神经网络、卷积神经网络CNN和循环神经网络RNN，解决图像分类和序列预测等典型问题学生将学习网络调优的关键技术，如批归一化、dropout正则化和不同优化器的选择，培养深度学习模型设计和训练的实践能力计算机视觉实践图像处理基础传统计算机视觉•滤波与边缘检测•特征提取SIFT、HOG•形态学操作•目标检测基本方法•图像增强与复原•运动分析与跟踪•OpenCV库基本使用•传统识别算法深度学习视觉•卷积神经网络原理•图像分类与识别•目标检测YOLO、SSD•图像分割技术计算机视觉是人工智能的重要分支，致力于使计算机理解和处理视觉信息本实验将从基础的图像处理技术开始，介绍传统计算机视觉方法，再过渡到基于深度学习的现代视觉技术，全面探索计算机视觉的发展和应用实验将使用OpenCV库和深度学习框架，实现一系列视觉任务，包括图像滤波和增强、特征提取和匹配、物体检测和分类等通过构建实用的视觉应用如人脸识别系统、物体跟踪器等，培养学生解决实际视觉问题的能力自然语言处理入门文本预处理分词、词形还原、停用词过滤等基础处理，使用NLTK库实现文本表示词袋模型、TF-IDF权重、词嵌入Word2Vec、GloVe等向量化方法文本分析情感分析、文本分类、命名实体识别等常见NLP任务文本生成基于RNN/LSTM的简单文本生成模型，理解序列预测原理自然语言处理NLP是使计算机理解和生成人类语言的技术，本实验将介绍NLP的基本概念和方法从文本数据的预处理和表示开始，到构建能够分析和生成文本的模型，学生将了解NLP的核心技术和应用领域实验将使用Python的NLTK、spaCy等库和深度学习框架，实现一系列NLP任务，如文本分类、情感分析、命名实体识别等通过开发一个简单的聊天机器人或文本摘要系统，综合应用所学知识，体验NLP技术在实际应用中的潜力和挑战实验九并行与分布式计算并行计算模型编程分布式编程性能分析与优化OpenMP MPI学习共享内存和消息传递两掌握OpenMP指令集和运行学习MPI库的核心功能，编使用并行分析工具评估程序种主要并行编程模式，了解时库的使用方法，实现基于写基于消息传递的分布式应性能，识别瓶颈和优化机任务分解和负载均衡策略，共享内存的多线程并行程用程序，实现大规模数据并会，应用并行算法优化技掌握并行算法设计的基本原序，优化计算密集型应用的行处理，提升跨节点计算效术，提高计算效率和资源利则性能率用率并行与分布式计算是现代高性能计算的基础，本实验将介绍多核处理器和集群系统上的并行程序设计方法从理论模型到实际编程技术，学生将学习如何利用多处理器资源提高计算效率，解决大规模计算问题实验将采用两种主流的并行编程框架用于共享内存系统的OpenMP和用于分布式内存系统的MPI，通过一系列渐进式的编程练习，帮助学生掌握并行编程的基本技能和优化策略，为高性能计算应用开发打下基础并行计算概念与模型并行计算架构并行算法设计并行计算系统的主要分类并行算法开发的核心概念•Flynn分类法SISD、SIMD、MISD、MIMD•任务分解划分算法为可并行执行的任务•内存架构共享内存、分布式内存、混合架构•负载均衡确保各处理单元工作量均衡•处理器组织多核CPU、多处理器系统、GPU加速•通信开销最小化处理单元间的数据交换•同步机制协调不同任务的执行顺序不同架构的特点、优缺点和适用场景比较常见并行模式数据并行、任务并行、流水线并行本实验将介绍并行计算的基本概念、系统架构和编程模型，建立对并行计算原理的系统理解学生将了解现代计算机系统中的并行性来源，如指令级并行、线程级并行和数据级并行，以及如何有效利用这些并行机制提高程序性能通过分析几个经典问题如矩阵乘法、排序算法的顺序实现和并行实现，学生将掌握并行算法设计的基本方法和性能评估指标，如加速比、效率和可扩展性实验还将介绍并行编程中的常见挑战，如死锁、竞态条件和负载不均等，及其解决策略并行编程OpenMPOpenMP是一种用于共享内存系统的并行编程标准，本实验将系统介绍OpenMP的编程模型、指令集和运行时库从基本的并行区域parallel region和工作分享work sharing构造开始，到高级的任务task和SIMD指令，全面掌握OpenMP的核心功能实验任务包括使用OpenMP将顺序程序并行化，实现并优化几个计算密集型应用，如矩阵运算、数值积分和图像处理等学生将学习如何控制线程数量、划分循环迭代、管理共享和私有变量、使用同步机制如critical、atomic、barrier等避免数据竞争，以及使用调度策略如static、dynamic、guided等优化负载均衡分布式编程MPI并行算法设计与优化极致性能硬件特定优化与调优算法优化2并行算法结构与数据访问模式改进实现优化3负载均衡、同步优化、通信减少基本并行化任务分解与初步并行实现并行算法设计是高性能计算的核心挑战，本实验将深入探讨并行算法的设计原则和优化策略从问题分析和任务分解开始，到算法选择和实现优化，系统学习如何开发高效的并行程序，最大限度地利用现代并行计算资源实验将重点研究几个经典问题的并行解决方案，如并行排序、图算法、数值方法等，比较不同并行策略的性能特点学生将学习使用性能分析工具识别瓶颈，应用缓存优化、SIMD指令、细粒度同步等技术提高性能，并通过实际测试评估优化效果实验结束后，学生将掌握系统的并行算法设计和优化方法实验十信息安全与密码学加密算法实践数字签名与认证实现和分析对称加密、非对称加密和散列算法，了解现代密码学的基本原理掌握数字签名的生成和验证过程，实现基于PKI的身份认证系统，保障通信安和安全特性全网络安全技术安全测试实践学习防火墙配置、入侵检测和VPN搭建，构建安全的网络环境，防御常见网使用漏洞扫描和渗透测试工具，识别系统安全弱点，提升安全防护能力络攻击信息安全是当今数字世界的关键挑战，本实验系列将从理论和实践两方面介绍信息安全与密码学的核心概念和技术通过动手实验，学生将理解各种安全威胁的本质和防御机制，培养信息安全意识和基本的安全防护能力实验采用沙盒环境进行安全实践，确保在合法合规的前提下学习安全技术从基础的加密算法实现，到网络安全配置和漏洞分析，全面覆盖信息安全的多个层面，为学生提供系统的安全技术训练常见加密算法实现数字签名与认证消息准备计算消息哈希值，作为签名的对象签名生成使用私钥对哈希值进行加密，形成数字签名消息发送将原始消息和数字签名一起发送给接收方签名验证接收方使用发送者公钥验证签名的有效性数字签名是确保电子通信真实性和完整性的关键技术，本实验将详细介绍数字签名的工作原理、实现方法和安全特性从基本的RSA签名算法到更高效的ECDSA，学习不同签名方案的特点和应用场景实验任务包括实现基本的数字签名系统，了解证书颁发机构CA的角色和公钥基础设施PKI的工作流程，构建基于证书的身份验证系统学生将通过模拟电子文档签名和验证过程，理解数字签名在电子商务、安全通信和身份认证中的重要作用网络安全与防火墙配置防火墙架构技术入侵检测系统VPN防火墙是网络安全的第一道防线，提供访问虚拟专用网络VPN通过公共网络建立安全的入侵检测系统IDS通过分析网络流量和系统控制和流量过滤功能现代防火墙分为包过私有连接，保障数据传输的机密性和完整行为，识别潜在的安全威胁和攻击行为实滤、状态检测和应用层防火墙三种主要类性实验将搭建基于OpenVPN的安全隧道，验将安装和配置Snort等开源IDS工具，创建规型，各有特点和适用场景实验中将学习配置加密和认证参数，测试远程安全访问功则检测常见攻击，分析告警和日志信息Linux iptables和Windows防火墙的基本配置能方法网络安全是保障信息系统安全的关键环节，本实验将介绍网络安全的基本概念和防护技术从网络威胁分析到安全架构设计，全面学习构建安全网络环境的方法和工具漏洞扫描与渗透测试信息收集与侦察使用开源情报OSINT工具收集目标系统信息，包括域名、IP地址、服务版本等掌握被动和主动侦察技术，建立完整的目标资产视图，为后续测试奠定基础漏洞扫描与分析使用自动化扫描工具如Nessus、OpenVAS发现系统和应用中的安全漏洞学习解读扫描结果，评估漏洞的严重性和可利用性，优先处理高风险问题漏洞验证与利用在受控环境中验证发现的漏洞，使用安全工具如Metasploit尝试受限的漏洞利用掌握权限提升、横向移动等基本技术，理解攻击链的形成过程报告与修复建议编写专业的安全测试报告，包括漏洞描述、风险评估和修复建议学习如何以建设性的方式沟通安全问题，帮助开发团队理解和解决漏洞安全测试是发现和修复系统安全问题的有效手段，本实验将介绍漏洞扫描和渗透测试的基本方法和工具学生将在专用的测试环境中，通过实际操作学习如何发现、验证和报告安全漏洞，培养安全测试的基本技能实验强调道德和法律意识，所有测试活动都限于授权范围内的系统和应用通过亲身体验安全测试过程，学生将更深入地理解安全威胁的本质，掌握防御思维，提高开发安全软件的能力大作业综合项目设计系统设计需求分析制定软硬件架构和技术方案明确项目目标和功能需求编码实现3按计划开发各功能模块展示报告测试验证演示成果并总结经验进行功能和性能测试大作业是本课程的重要组成部分，旨在通过综合性项目，帮助学生整合所学知识，培养团队协作和项目管理能力学生将组成3-5人的小组，选择一个感兴趣的主题，设计并实现一个完整的计算机系统或应用程序项目主题范围广泛，可以是智能应用、网络系统、数据分析工具或游戏开发等，要求综合运用课程中学习的多个技术领域的知识整个项目将持续4-6周，包括需求分析、设计规划、编码实现、测试验证和最终展示等环节项目选题与需求分析推荐项目方向需求文档内容•智能家居控制系统•项目背景与目标•分布式文件存储系统•功能需求列表•人脸识别安全门禁•非功能性需求•多人在线游戏平台•用户场景描述•自然语言处理聊天机器人•技术可行性分析•大数据分析可视化工具•项目范围与边界•网络安全防护系统•预期成果与验收标准团队角色分工•项目经理协调进度，组织会议•架构师负责系统设计•开发工程师编码实现•测试工程师验证功能•文档专员撰写文档项目启动阶段的关键任务是选择合适的主题并进行详细的需求分析良好的需求分析能够明确项目目标和范围，减少后期开发中的变更和风险本阶段需要与指导教师充分沟通，确保项目的可行性和教学价值各小组需要提交正式的项目计划书，详细描述项目目标、功能需求、技术路线、团队分工和时间规划等内容计划书将作为项目评估的重要依据，也是后续开发工作的指导文档系统设计与架构架构设计原则设计文档要求系统架构是项目成功的关键，应遵循以下原则完整的设计文档应包含•模块化功能划分清晰，接口定义明确•系统架构图展示各组件关系•可扩展性设计支持未来功能扩展•数据流图描述数据处理过程•可维护性代码结构清晰，文档完善•类图/ER图表示数据结构•性能效率资源利用合理，响应速度快•接口设计定义模块间通信•安全可靠数据保护和容错机制•算法描述关键算法的实现思路•技术选型所用工具和框架•部署图运行环境配置系统设计阶段是将需求转化为具体实现方案的过程，需要考虑功能实现、性能优化、安全性和可靠性等多方面因素良好的架构设计能够降低开发复杂度，提高代码质量和系统稳定性各小组需要组织架构评审会议，向指导教师和其他同学展示设计方案，接受反馈和建议评审通过后，才能进入正式的编码阶段设计文档应当随着开发进程不断更新，确保与最终实现保持一致编码实现与测试编码规范1制定并遵循统一的编码规范，包括命名约定、注释要求、缩进格式等，确保代码可读性和一致性版本控制2使用Git等版本控制工具管理源代码，定期提交更新，并撰写清晰的提交信息，方便协作和回溯单元测试3为关键功能模块编写单元测试，验证各部分功能的正确性，及早发现并修复问题集成测试4将各个模块组合起来进行测试，确保接口兼容和数据流转正确，系统整体功能符合预期编码实现是项目的核心阶段，团队成员需要根据设计文档，将系统功能转化为实际可运行的代码良好的编码习惯和测试策略对于保证软件质量至关重要建议采用迭代开发模式，先实现核心功能，再逐步添加其他特性测试工作应与开发同步进行，而不是在编码完成后才开始完善的测试计划包括测试用例设计、测试环境搭建、测试执行和缺陷跟踪等环节各小组需要定期进行内部代码审查，保证代码质量和一致性课程总结与展望恭喜大家完成《计算机科学实验》课程的学习！通过这一学期的实验探索，我们系统地覆盖了计算机科学的核心领域，从硬件基础到高级应用，从理论算法到实际系统，建立了全面的计算机科学实践能力计算机科学是一个不断发展的领域，未来将涌现更多创新技术，如量子计算、边缘智能和增强现实等希望通过本课程培养的探索精神和实践能力，能够帮助大家更好地迎接技术变革，持续学习和创新请记住真正的学习永远不会结束希望大家带着好奇心和创造力，在计算机科学的广阔天地中继续探索前行！。