普通高等院校計算機基礎教育“十三五”規劃教材

以培養創新能力為核心的信息技術基礎系列教材

計算機應用基礎

主編黃容陳強趙毅

內容簡介

本書探索新工科人才培養的要求與理念，既強調核心的計算機基礎知識，培養計算思

維，又訓練學生運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解

等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維過程。本書系統地介紹計算機科學與技術的基本概

念，深入淺出地闡述計算機科學與技術領域的基本原理和基本方法，可以讓學生學會計算

機的基本操作，掌握計算機的基本原理、知識、方法和解決實際問題的能力，具備較強的

信息系統安全與社會責任意識，為后續課程的學習打下必要的基礎。

全書由緒論、信息技術基礎理論篇和計算機應用技術篇組成。信息技術基礎理論篇分

為4章，主要內容包括計算機基礎知識、Windows10操作系統、計算機網絡基礎、應用創

新與新技術。計算機應用技術篇分為8章，主要介紹Word、Excel、PowerPoint、Visio、

Photoshop、Flash、Dreamweaver等常見應用軟件的使用。

本書適合作為高等院校計算機基礎課程的教材，也可作為計算機等級考試的自學用書。

圖書在版編目（CIP）數據

計算機應用基礎/黃容,陳強,趙毅主編.—北京:中國鐵道

出版社有限公司，2020.9

以培養創新能力為核心的信息技術基礎系列教材普通高等

院校計算機基礎教育“十三五”規劃教材

ISBN978-7-113-27296-8

Ⅰ.①計…Ⅱ.①黃…②陳…③趙…Ⅲ.①電子計算機-高等學校

-教材Ⅳ.①TP3

中國版本圖書館CIP數據核字(2020)第182560號

書名：計算機應用基礎

作者：黃容陳強趙毅

策劃：曹莉群劉麗麗編輯部電話：（010）51873202

責任編輯：劉麗麗李學敏

封面設計：劉穎

責任校對：繩超

責任印制：樊啟鵬

出版發行：中國鐵道出版社有限公司（100054，北京市西城區右安門西街8號）

網址：/51eds/

印刷：三河市興達印務有限公司

版次：2020年9月第1版2020年9月第1次印刷

開本：787mm×1092mm1/16印張：14.25字數：337千

書號：ISBN978-7-113-27296-8

定價：42.00元

版權所有侵權必究

凡購買鐵道版圖書，如有印制質量問題，請與本社教材圖書營銷部聯系調換。電話：（010）63550836

打擊盜版舉報電話：（010）63549461

以培養創新能力為核心的

信息技術基礎系列教材

編委會

顧問：蔣宗禮

主任：方志軍

副主任：陳強李媛媛

委員：趙毅胡浩民黃容

周晶王澤杰胡建鵬

張曉梅劉惠彬潘勇

序

信息技術正在通過促進產品更新換代而帶動產業升級，在我國經濟轉型發展中正發

揮著基礎性、關鍵性支撐作用。信息技術基礎教材的編寫需要體現新工科建設對課程教

學的新要求，體現現代工程教育的特點，適應新的培養要求。各專業的信息技術基礎公

共課程應將計算思維、創新思維和創新能力培養作為課程教學的基本目標。

上海工程技術大學面向應用型工程人才的培養，組織編寫了一套以培養創新能力為

核心的信息技術基礎系列教材，以期為非計算機專業的大學生打下堅實的信息技術基

礎，提高其信息技術基礎與專業知識結合的能力。本系列教材包括《計算機應用基礎》

《C語言程序設計》《Python程序設計》《Java程序設計》《VB程序設計》等。

教材具有以下特點：

（1）以地方工科院校本科機械、電子工程專業的計算機基礎教育為主，兼顧汽車、

軌道交通、材料科學與工程、化工、服裝等專業的計算機基礎教育的需求。

（2）基于案例驅動的教學模式。教材以案例為分析對象，通過對案例的分析和討論

以及對案例中處理事件基本方案的研究、評價，在案例發生的原有情境下提出改進思路

和相應方案。以課程知識點為載體，進行工程思維訓練。

（3）以問題為引導。教材選擇來源于具體的工程實踐的問題設置情境，以問題為對

象，通過對問題的了解、探討、研究和辯論，學會應用和獲取知識，辨別和收集有效數

據，系統地分析和解釋問題，積極主動地去探究、引導和啟發學生主動發現、尋求問題

的各種解決方案，培養計算思維、工程思維能力。

（4）配有實驗教材。按“基礎實驗→綜合實驗→開放實驗→實踐創新”四層循序遞

進，逐步提升學生的實踐能力。

本套教材可作為地方工科院校本科生信息技術基礎教材，也可供有關專業人員學習

參考。

蔣宗禮

2019年11月

前言

“計算機應用基礎”課程一直是各高等院校新生入學后的第一門計算機基礎課程。

社會信息化的發展對大學生的信息資源運用能力也提出了更高的要求，使現行的“計算

機應用基礎”課程在教學內容的選取、知識結構的設置、教學的組織、方法和實驗方式

都要做較大的改革，以滿足社會發展對人才培養的要求。以培養創新能力為核心的信息

技術基礎系列教材正是這種改革的結果。

本教材旨在探索新工科人才培養的有效途徑，既注重核心的計算機基礎知識的講解和

計算思維的培養，又訓練學生運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及

人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維過程。

本書編寫的指導思想是：教材應充分反映本學科領域的最新科技成果；根據學生的特點，

以人才培養的應用性、實踐性為重點，調整學生的知識結構和能力素質；系統地介紹計算機

科學與技術的基本概念，深入淺出地闡述計算機科學與技術領域的基本原理和基本方法，讓

學生學會計算機的基本操作，掌握計算機的基本原理、知識、方法和解決實際問題的能力，

具備較強的信息系統安全與社會責任意識，為后續課程的學習打下必要的基礎。

本書內容新穎，實踐性強，注重理論基礎又突出實用性，計算機應用技術篇各章配以

一定數量的示范性實驗，結合配套的《計算機應用基礎實驗指導》(黃容主編，中國鐵道出

版社有限公司出版)，加深對實驗內容的理解和掌握，提高學生的動手能力和操作技能。在

每章之后，附有一定的習題供讀者測試學習效果。

全書由緒論、信息技術基礎理論篇和計算機應用技術篇組成。信息技術基礎理論篇

分為4章，主要內容包括計算機基礎知識、Windows10操作系統、計算機網絡基礎、應

用創新與新技術。計算機應用技術篇分為8章，主要介紹Word、Excel、PowerPoint、Visio、

Photoshop、Flash、Dreamweaver等常見應用軟件的使用。

本書由黃容、陳強、趙毅任主編，全書由黃容、陳強、趙毅統編定稿。另外，為本

書編寫提供幫助的老師還有胡建鵬、胡浩民、王澤杰、劉惠彬、張曉梅、潘勇等，在此

一并表示感謝。

由于計算機技術發展迅速，加之編者水平有限，書中難免有疏漏與不妥之處，敬請

專家、教師及讀者多提寶貴意見。

編者

2020年6月

目錄

0.2數據思維5

第0章緒論1

0.2.1數據思維和數據賦能

0.1計算思維2

（計算思維2.0）5

0.1.1計算思維的概念2

0.2.2數據科學與數據思維6

0.1.2計算思維2.0的新內容3

0.3工程師的數字化能力6

0.1.3計算思維1.0到2.04

第1篇信息技術基礎理論

第1章計算機基礎知識9習題34

1.1計算機的概念及其發展歷史9第2章Windows10操作系統35

1.1.1計算機的概念92.1Windows概述35

1.1.2計算機簡史92.1.1Windows的發展35

1.1.3計算機的發展階段102.1.2Windows10的簡介35

1.1.4微型計算機的發展階段122.1.3Windows10的安裝37

1.1.5計算機的發展趨勢132.2Windows10的基本操作37

1.2計算機的用途142.2.1鼠標操作37

1.3計數制及數據在計算機中的2.2.2窗口操作38

表示152.2.3菜單操作39

1.3.1數制152.3Windows10桌面操作39

1.3.2不同數制之間的轉換172.4文件及文件夾41

1.3.3容量單位、存儲容量及字2.4.1文件夾及文件的創建41

和字長212.4.2文件類型42

1.3.4計算機內的數據表示212.4.3文件及文件夾的查看

1.4計算機系統23

及排序方式43

1.4.1計算機系統的組成232.4.4文件及文件夾的選定44

1.4.2計算機硬件系統242.4.5文件及文件夾的重命名44

1.4.3計算機的工作原理262.4.6文件及文件夾的刪除44

1.4.4計算機軟件系統262.4.7文件及文件夾的屬性45

1.5信息化與信息安全282.4.8文件及文件夾的復制

1.5.1信息化與信息化社會28和移動45

1.5.2信息安全292.4.9文件及文件夾的搜索45

1.5.3信息安全的威脅292.5控制面板及其他46

1.5.4信息安全技術30

計算機應用基礎

2.5.1控制面板46創業77

2.5.2附件514.1.4“互聯網+”商業模式78

2.5.3搜索功能544.2物聯網78

2.5.4虛擬桌面554.2.1物聯網的含義78

習題554.2.2物聯網的發展79

4.2.3物聯網系統的構成79

第3章計算機網絡基礎57

4.3云計算82

3.1網絡技術基礎57

4.3.1云計算的含義82

3.1.1計算機網絡的基本概念57

4.3.2云計算的發展82

3.1.2計算機網絡協議59

4.3.3云計算的特征和分類83

3.1.3局域網基本技術60

4.3.4云計算體系結構85

3.2網絡安全與防護65

4.3.5主要云計算平臺介紹86

3.2.1網絡安全的概念65

4.3.6云計算的關鍵技術87

3.2.2網絡系統的安全威脅65

4.4區塊鏈88

3.2.3常用的網絡安全技術67

4.4.1區塊鏈的定義和分類88

3.3互聯網技術及應用68

4.4.2區塊鏈的“共識”90

3.3.1互聯網68

4.4.3從互聯網思維到區塊鏈

3.3.2TCP/IP協議69

思維90

3.3.3Internet的接入方法72

4.4.4區塊鏈的價值91

習題73

4.4.5區塊鏈的應用前景92

第4章應用創新與新技術744.5人工智能93

4.1“互聯網+”744.5.1人工智能的概念93

4.1.1“互聯網+”的概念744.5.2人工智能典型技術95

4.1.2“互聯網+”思維76習題97

4.1.3“互聯網+”與大學生創新

第2篇計算機應用技術

第5章Word文字處理軟件985.3.2Word段落設置105

5.1Word基本組成985.3.3Word分欄105

5.1.1Word窗口組成985.4Word文檔操作106

5.1.2Word文檔的創建995.4.1Word特殊文檔的使用

5.1.3Word視圖的使用101——郵件合并106

5.2Word文檔編輯1015.4.2制作目錄109

5.2.1Word文本輸入和編輯1025.4.3Word文檔的引用與審閱...111

5.2.2Word文本查找與替換1035.4.4Word文檔的保存116

5.3Word文檔格式化1045.4.5自動恢復功能117

5.3.1Word字體設置1045.4.6Word文檔保存的類型118

II

目錄

5.5Word圖文混排119第7章PowerPoint演示文稿制作146

5.5.1插入文本框1197.1PowerPoint概述146

5.5.2插入圖片1207.1.1PowerPoint2010基本

5.5.3插入形狀120概念146

5.5.4插入SmartArt圖形1217.1.2工作界面147

5.5.5插入藝術字1237.1.3PowerPoint文檔創建147

5.6Word表格處理1247.1.4PowerPoint導出演示文稿148

5.6.1創建表格1247.1.5PowerPoint幻燈片視圖149

5.6.2編輯表格1267.1.6PowerPoint幻燈片編輯150

5.6.3設置表格格式1277.2PowerPoint文檔編輯151

習題1287.2.1PowerPoint文本編輯151

第6章Excel電子表格處理軟件1297.2.2PowerPoint幻燈片格式151

6.1Excel工作簿窗口的組成1297.2.3PowerPoint幻燈片母版152

6.2Excel表格操作1307.3PowerPoint中對象的插入153

6.2.1表格范圍選取及輸入1307.4PowerPoint動畫與播放155

6.2.2表格中行高和列寬的7.4.1PowerPoint自定義動畫155

設定1307.4.2PowerPoint幻燈片切換

6.2.3表格中數據的填充131動畫156

6.3Excel工作表與單元格格式1327.4.3PowerPoint中的超鏈接157

6.3.1工作表的定義1327.4.4PowerPoint幻燈片放映158

6.3.2工作表操作133習題160

6.3.3工作表格式化134第8章Visio2010辦公繪圖軟件

6.4Excel公式應用136

應用161

6.4.1公式的定義136

8.1Visio2010簡介161

6.4.2單元格的引用137

8.2Visio2010的工作界面162

6.5Excel數據處理138

8.3使用Visio2010繪圖的幾個

6.5.1數據排序138

主要概念165

6.5.2數據篩選138

8.4常用的操作技巧173

6.5.3分類匯總139

習題177

6.5.4數據圖表139

6.5.5數據透視表與數據第9章音頻與視頻178

透視圖1419.1多媒體技術概述178

6.6Excel常用函數1429.1.1多媒體定義178

6.6.1函數的使用1439.1.2多媒體技術178

6.6.2常用函數1439.1.3多媒體系統179

6.6.3公式與函數常見問題1449.2音頻信息的處理179

習題1449.2.1聲音的數字化179

9.2.2常用聲音文件格式181

III

計算機應用基礎

9.2.3音頻處理18111.2創建網頁文本對象201

9.2.4語音合成與識別18111.3繪制網頁動畫圖形202

9.3視頻信息的處理18211.4編輯網頁動畫圖形203

9.3.1視頻的數字化18211.5創建網頁元件對象204

9.3.2常用視頻文件格式18211.5.1元件類型204

9.3.3視頻處理18311.5.2創建圖形元件204

習題18311.5.3在不同的模式下編輯

元件205

第10章Photoshop圖像信息處理184

11.6制作網頁動畫特效205

10.1色彩的基本知識184

習題206

10.2圖形圖像處理基礎185

10.2.1數字圖像的分類185第12章網頁制作基礎207

10.2.2位圖圖像的重要參數18612.1網站的規劃207

10.2.3圖像的獲取與處理18712.1.1網站的基本概念207

10.3圖像文件格式18712.1.2靜態網站與動態網站207

10.4數字圖像文件的壓縮18812.1.3網站開發流程208

10.5圖像處理軟件PhotoshopCS618912.1.4網站的總體規劃

10.5.1PhotoshopCS6概述189與設計208

10.5.2基本編輯操作19112.2網頁設計概述209

10.5.3高級編輯操作19512.3DreamweaverCS5

習題199工作環境212

習題215

第11章Flash動畫信息處理200

11.1了解FlashCS5工作界面200參考文獻216

IV

第0章緒論

信息技術發展非?？?，普通高校計算機教學改革任務緊迫，但有限的課時，不是減少教學

內容的理由，反而是梳理線條、明確目標、改進教材與教學的契機。本教材指導思想是：引導

學生建立計算、計算思維、數據思維、數字化工程師思維。有了主線，學習者沿著主線，查漏

補缺，為專業學習、未來工作打下扎實的信息技術基礎。

計算機應用基礎作為高校學生學習的第一門課程，也可能是唯一一門計算機課程，肩負著

使學生學會使用計算機、理解計算機系統、初步形成計算思維等重任，因而受到了各大高校的

普遍重視。

計算機作為現代信息社會的必備工具，其應用已遍及國民經濟與社會生活的各個方面，

在諸多領域發揮著十分重要的作用，這也使得使用計算機成為21世紀每個人都應掌握的基本

技能之一。因此，國內外許多高校將計算機入門課程設置為各專業學生均需學習的一門基礎

課程。但是，計算機領域具有知識點多、涉及面廣、應用性強、發展迅速等特點，這些特點

也為此類課程的實施帶來了問題。例如，如何合理設置課程目標，如何對內容進行取舍，如

何有效培養學生的計算機應用能力，如何科學評價學生的學習情況等。這些問題是目前國內

很多高校面臨的共同問題，也是對計算機基礎課程進行改革時需著重關注的問題，而世界一

流大學的做法對解決這些問題具有重要的借鑒意義。表0-1所示是幾所國外大學關于計算機

基礎課程的開設情況。

表0-1幾所國外大學關于計算機基礎課程的開設情況

序號學校（在本文的縮寫）課程名（課程號）學期

1美國麻省理工學院（MIT）IntroductiontoComputerScienceandProgramminginPython（6.0001）2016秋

2美國斯坦福大學（Stanford）IntroductiontoComputingPrinciples（CS101）2018秋

3美國加州大學伯克利分校（UCB）TheBeautyandJoyofComputing（CS10）2018秋

4美國哈佛大學（Harvard）GreatIdeasinComputerScience（CS1）2016春

5美國卡耐基·梅隆大學（CMU）PrinciplesofComputing（15-110）2019春

6美國普林斯頓大學（Princeton）ComputersinOurWorld（COS109）2018秋

資源來自：楊歡、周競文等，計算機教育，2020，3：84-87，91

課程的目標是基本一致的，即讓學生會用計算機，更具體地說，是使零基礎的學生學會用

編程的方法解決實際問題。在此過程中，理解計算機的工作原理、基本思想、相關技術等，從

而初步建立計算思維、形成信息素養。另外，也應看到，計算機基礎課程的建設是一個長期的、

多樣化的、動態變化的過程，他校的有效經驗并不一定適合本校。個人的認知與專業的差異，

都會有不同的路徑。因此，在具體學習過程中，還應結合實際情況，經過不斷探索，才能制定

1

計算機應用基礎

出適合本校的、本人的計算思維及其數據思維的學習計劃。

數字化技術的快速發展正在改變傳統制造業的發展基礎和經營方式，中國相關產業在轉型

和結構調整過程中面臨著巨大挑戰，同時對產業急需的數字化轉型中的工程師能力提出了全新

要求。工程技術大學培養未來的工程師，需要的計算機基礎能力，強化數字化工程師意識。

有學者把實驗驗證稱為科學研究第一范式，理論推導稱為第二范式；計算模擬稱為第三范

式（對應本章計算思維1.0）；數據思維與數據賦能稱為第四范式（計算思維2.0）。

本章內容包括計算思維、數據思維、數字化工程師意識等，旨在引導學生樹立計算思維、

數據思維理念。因為工程技術類大學學科建設、新工科建設的需求需要增強計算思維、數據思

維引導。這里只是引導，并沒有給出更詳細的內容，因為本門課程是一個基礎課程，重點仍然

是計算機的基礎。本課程受課時所限，無法包絡萬象，但是新技術、新學科、新工科、新形勢

又迫使我們不得不增加一些引導，這是設置第0章的初衷。相關參考文獻已經在章后面列出，

讀者可查閱。

0.1計算思維

自周以真于2006年在美國ACM（AssociationforComputingMachinery，國際計算機學會）

通訊上提出計算思維以來，計算思維的概念已經逐步滲透到大學的專業和非專業教學內容，并

進一步延伸到中學和小學，成為新時代公民教育中像語言、算術那樣必不可少的基本素質。

隨著大數據、人工智能等領域的興起，計算思維的深刻內涵被進一步挖掘。到了2020年，

人們對于計算思維的認識，無論從概念內容上，還是從應用實踐上，都已經有了新的飛躍。

0.1.1計算思維的概念

什么是計算思維？這是計算思維最基本的問題，對于它的研究也一直沒有停止。2006年，

周以真在介紹計算思維時，表述為“計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系

統設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動”。請思考以下問題：

“計算機”的思維:計算機是如何工作的?計算機的功能是如何越來越強大的?

利用計算機的思維:現實世界的各種事物如何利用計算機來進行控制和處理?

計算思維（ComputationalThinking）是運用計算機科學的基礎概念去求解問題、設計系統和

理解人類行為，其本質是抽象和自動化。

計算思維的學習，不僅僅是會不會用計算機的問題，而是會不會利用計算思維來解決身邊

的或社會、自然的問題。

現代計算是所有科學的研究范式之一，區別于理論和實驗，所有的學科都面臨算法化的“巨

大挑戰”，所有涉及自然和社會現象的研究都需要使用計算模型做出新發現和推進學科發展。

各種各樣的計算模擬技術為研究生命體的發育、成長、競爭、進化等提供了嶄新的視角和豐富

的成果。1975年，諾貝爾生理學或醫學獎得主D.Baltimore認為生物學是信息科學。事實上，

計算思維正在改變著所有學科的面貌。這種改變的源頭不是從計算機科學輸入的，而是學科自

身的發展從內部產生的，計算機科學只是跟隨這些學科的發展而發展，并為其他的學科發展提

供新的算法設計理論和計算應用武器。因此從起源來講，計算思維不是唯一來自計算機科學的，

2

第0章緒論

而是來自于所有學科的。盡管前期的計算思維已經萌芽和發育，但是直到2006年，周以真在

ACM通訊上發表了題為《計算思維》的文章，計算思維才正式作為一種研究對象受到人們的重

視，進入學科殿堂。聯合國教科文組織在2019年發布的《人工智能教育報告》中寫道：雖然計

算思維明顯屬于計算機科學領域，但它是一種在其他學科中普遍應用的能力。2018年出版的闡

述中國計算機教育發展與改革的《計算機教育與可持續競爭力》（簡稱“藍皮書”）寫道：計

算思維是以信息和信息運動為認知對象和操作對象的思想及方法論，因此是涵蓋所有學科的第

三種思維范式。

各種各樣的計算思維定義：

“計算思維能力是抽象思維能力和邏輯思維能力，算法設計與分析能力，程序設計與實

現能力，計算機系統的認知、分析、設計和應用能力”。

“計算思維并不是僅僅為計算機編程，而是在多個層次上抽象的思維，是一種以有序編

碼、機械執行和有效可行方式解決問題的模式?！?/p>

“計算思維是一個思想過程，涉及描述問題使得它們的解決能夠通過計算步驟和算法，

被信息處理裝置有效實現，計算模型是核心概念?！?/p>

美國國際計算機教師協會（ISTE）將計算思維定義為具有以下特征的問題解決過程：以一

種能夠使用計算機和其他工具制訂解決問題的方案，合理組織和分析數據，通過模型和模擬等

抽象手段表示數據，通過算法思維（一系列有序步驟）實現解決方案的自動化，分析和評價解

決方案以實現最有效的過程和資源組合，將問題解決方案和過程遷移到其他類型的問題。

《計算機教育與可持續競爭力》一書中提出：“計算思維是以信息的獲取和有效計算，進行算

法求解、系統構建、自然與人類行為理解為主要特征，實現認知世界和解決問題的思想與方法?！?/p>

歐洲信息聯盟主席E.Nardelli在2019年的ACM通訊上發文提出：計算思維是涉及建立計

算模型，并且使用計算設備可以有效操作以達到某種目標的思維過程，如果沒有計算模型和有

效計算，就僅僅是數學。

近十幾年來，隨著對于計算思維理論的深入研究，以及實踐應用的經驗增長，關于計算思

維的本質內涵也有了越來越深刻的認識，上面舉出的對于計算思維定義的演進過程也說明了這

一點。計算思維不僅僅是計算機科學家解決問題的思想方法，也是所有科學家在使用計算時所

具有的思維模式，它的關鍵是計算模型，而在物理學、生物學等不同的學科里，計算模型具有

不同的形式和性質。計算思維是覆蓋所有學科的思維模式，并且在不同學科中有不同的表現和

內容。計算思維不是從計算機科學輸入到其他科學的，而是在每一個學科里，都蘊含著豐富的

計算思維內容，我們的任務是把它開發出來。

0.1.2計算思維2.0的新內容

隨著大數據、人工智能等的發展，計算思維有了新的內涵。2017年，Denning在《科學美

國人》上發表的文章指出，計算思維最本質的概念是計算模型。作為現代科學，模型是十分重

要和基礎的，所有學科的研究都是在一個或者幾個模型架構上展開的，即使對于社會科學和人

文科學也是如此。當然不同的學科對于模型的結構和性質是不同的，僅就計算而言，傳統的物

理學主要依賴于確定的和非確定的計算模型，人工智能卻主要依賴各種學習模型，而社會科學

則更多使用統計計算模型。2011年，圖靈獎得主J.Pearl多次論述過模型在科學研究中的重要

性。古代巴比倫和希臘在天文學的研究中都取得了巔峰的成就，但是巴比倫人更多的是現象的

3

計算機應用基礎

描述，并沒有建立這些現象的模型，而希臘人首先建立了相關的模型，例如認為地球是圓形的，

漂浮在大海之中，不管這種模型現在看來多么荒謬，但是卻啟發了希臘人去測量地球的直徑，這是

在模型理論指導下的創新工作。而擅長各種測量的巴比倫人，盡管測量精度遠遠超越了當時的希臘

人，卻無法做出觀察之外的成果。在科學觀察和科學思維兩個方面，希臘人無疑在后者做得更好，

因此希臘人的理性主義發展成為現代科學的支柱之一。在現代科學體系中，每一個學科都依賴于模

型來表達研究對象和基本思想。計算模型對于計算學科來說也不例外，因此計算模型構成了計算思

維的核心概念，既是區別于其他思維形式的特征，也是劃分計算思維發展臺階的圭臬。

隨著大數據和人工智能的發展，當前各種模型層出不窮，它們的共同特點是揭示了數據之

間的關聯關系，而不是因果關系。

交互式證明對應于交互式圖靈機模型。這是使用交互方式進行計算（證明）的模型，傳統

的數學證明是其一個特例。交互式證明模型不僅在計算問題的復雜度分類和可行性方面提供了

很好的理論，而且也是一些學習模型，例如，生成對抗網絡（GAN）的理論基礎之一。人工智

能中使用的學習模型與傳統的物理學和數學使用的模型是不同的，不同的模型反映了對于世界

解釋的不同觀點和方法。

當前，云計算、大數據、物聯網、人工智能和移動計算被認為是信息領域最有代表性的應

用，在這些領域里，模型或者架構問題都是第一性和基礎性的。如果說，云計算、物聯網、移

動計算代表了技術發展高峰，那么大數據和人工智能則更多帶來思想觀念的啟迪。在大數據計

算領域，一些具有新型架構的并行計算被陸續提出，利用新的算法理論（如PAC算法、可拓展

算法）極大提高了問題求解的效率。對于NP類問題，用并行計算改善求解精度，對于P類問

題，則用并行技術提高求解速度。針對數據流動性的在線計算則是另一種全新的計算方法。傳

統的計算都是假定數據已經輸入好，并且在計算過程中，這些數據不會發生變化，但是在線計

算卻是在數據的不斷輸入過程中隨時接收新的數據（包括原有數據的變動），完成計算任務，

因此這是一種新的計算模型。

在機器學習領域，卷積網絡揭示了圖像信息的局部相似性和局部特征的獨立性，這與人

類識別圖像有著異曲同工之妙。深度學習采取了自適應逐層編碼的思想，這與人類在認知過

程中，分層次處理和重編碼信息是類似的方法。曾經多次完勝圍棋高手的AlphaGo，通過蒙特

卡洛樹的搜索和增強學習技術，以及深度學習網絡，具備了從少量數據甚至是無數據情況下

進行學習的能力，同時也具備了這種能力的自我演化提升，已經擁有了與人類學習和認知相

似的一些特征。

隨著計算模型的不斷創新和完善，計算思維的特征得到了持續的豐富，所有的屬于計算思

維的特征都與模型相聯系，并且在解決不同的問題時展現了多元的側面和技巧。從這個角度來

理解計算思維及其在各個領域的表現，就容易抓住計算思維的本質。

0.1.3計算思維1.0到2.0

20世紀50年代開始，逐步形成了關于計算思維的概念，到70年代，Knuth和Dijkstra對

于計算思維有了清晰刻畫，1980年S.Papert在書中出現了計算思維這個詞。從20世紀80年代

開始，在Wilson的呼吁和推動下，人們逐步認識了計算和模擬是科學研究的第三種方法。2006

年，周以真提出了關于計算思維的新理解（計算思維是像語言、計算那樣的人類生活基本技巧），

推進了社會對于計算思維的重視和普及，一些國家將計算思維的教育列入教育體系，計算思維

4

第0章緒論

成為公民教育的基本內容，很多學科也在積極推進本學科的計算化和信息化，促進了學科的變

革，這一時期可以稱為計算思維1.0時代。

近幾年來，由于信息技術的快速發展，人類社會由傳統的物理世界和人類世界組成的二元

空間，進入了物理世界、人類世界和信息世界的三元空間，并且正在向物理世界、人類世界、

信息世界和智能體世界的四元空間變化。大數據和人工智能等新領域邁入了科學和社會舞臺的

中心，促進了AI賦能的新時代發展。針對大范圍和大數量的信息分析，以及各種人工智能體的

研究、設計和應用，產生了許多新的計算模型、算法形式和計算技術，這些進展推動了計算思

維更加系統和深刻的認知，進入了新的發展時期，稱為計算思維2.0時代。

人工智能已成為當今社會發展的重要引擎之一，對于它的研究和應用也為計算思維增添

了新的內容。例如，傳統的算法設計是對于一類問題，有一個統一的計算步驟，使得面對該

類中任何具體問題，調整若干參數就可以執行相應的計算，這是從一般到具體的求解問題思

路（即所謂具化）。但是在人工智能中，我們面臨著另一類算法，它是從具體的問題出發，

通過原則上稱為歸納的方法，設計一種算法，可以對于這些具體問題所在的一大類問題給出

計算結果（即所謂泛化），這是與傳統算法完全不一樣的設計思想，是從具體到一般的求解

問題的思路。對于前者的算法，它的設計、評價和分析都具備了較為成熟的理論，包括并行

算法和近似算法。但是對于后者的算法，現在的認識還不是很深入，許多問題有待進一步解

決。由于這類算法是從具體到一般，從抽樣到整體，因此數學意義上的精確性基本是不存在

的，我們必須容許某種不精確性和不確定性，對于這類算法的設計原則，評價標準和性能比

較都需要有新的思路。這種在人工智能中大量存在的算法模式豐富了對于算法的認知，自然

也豐富了計算思維的內容。

0.2數據思維

0.2.1數據思維和數據賦能（計算思維2.0）

長期以來，人們一直是以物質（能量）和物質的運動來看待世界和解釋世界的，信息只是

貼附于物質的一種表現。隨著現代科技的進步，逐漸認識到信息本身就是世界，或者說是世界

的一種表現，信息與物質一起構成了人類認知世界的二維理論，世界是物質的，也是信息的。

從這個觀點來重新解釋和定義我們周邊的事物，成為信息時代創新的不竭源頭。例如，在

制造業，傳統的看法認為制造過程是典型的物質流，各種材料經過有序的加工環節成為產品，

是以物質流為中心組織生產，物質流帶動信息流。而數字制造卻是對于制造過程進行數字化描

述，從而在建立的數字空間中完成產品生產，是以信息流為中心組織生產，信息流帶動物質流。

這種觀點的變化，引起了制造業顛覆性的革命，形成了全新一代的數字制造技術——智能制造。

我們可以用不同的角度來看待和解釋這個世界，并且在此基礎上設計和定義各種結構、流程

和目標（社會系統或者自然系統）。如果采用信息、信息流和計算的觀點，就可以把所有的自然

過程和經濟社會過程看作是信息運動，在這個觀點下，計算和算法成為信息處理的主要手段，萬

事皆可算，萬物皆可算。這在傳統的觀念中開創了新的洞天。不僅前面說過的制造過程是信息流

的運動，零售業也是信息流的運動，消費品的需求信息帶動的商品流，導致了數字物流和電子商

務。出租汽車也是信息流的運動，快捷出行的需求信息帶動的交通流，導致了網約出租和智能汽

5

計算機應用基礎

車。甚至社會組織和結構也可以從信息流的角度來重新規劃和定義，電子政務、數字媒體、智慧

城市、網絡安全等，都是在信息觀和算法觀下對于自然、社會乃至人類自身的重新認識。

正是由于這種以物質為本到以信息為本的觀念轉變，整個社會、經濟、科學、文化都呈現了

前所未有的變革，顛覆傳統模式和習慣的創新層出不窮，比比皆是。由此產生了新產品、新業態、

新結構和新模式。這種涉及人類社會各個領域的跨越，沒有思維層面的變革是無法做到的。

從這一層意義上說，數據思維（計算思維2.0）不是一種被動的認知世界的思維方式，更是一

種主動改造世界的思維方式，對于傳統性認知的顛覆，促進了全新的社會結構和經濟系統的誕生。

0.2.2數據科學與數據思維

數據是世界的特征表現、零散的符號，數字、文字、聲音、圖像等經過組織和處理后，數

據被抽象為信息，有價值的數據稱為信息，知識是對某一個主題的理論或實際的理解。圖0-1

所示是數據轉換為知識的示例。

數據成為改變世界的力量，世界被

數據化。洞察數據背后的規律，幫助我

們正確決策，數據結果反作用于人們的

行為。數據正在成為組織最重要的資產，

數據分析解讀的能力成為組織的核心競

爭力。

圖0-1數據轉換為知識的示例數據科學一般包含以下內容：多維

數據計算、數據匯總與統計、數據可視

化、機器學習、文本數據處理、圖像數據處理、時序數據處理。

數據科學研究的就是從數據形成知識的過程，通過假定設想、分析建模等處理方法，從數

據中發現可使用的知識、改進關鍵決策過程。

數據科學的最終產物是數據產品，表現為一種發現、預測、服務、推薦、決策、工具或者

系統。

0.3工程師的數字化能力

數字化技術的快速發展正在改變傳統制造業的發展基礎和經營方式，中國相關產業在轉型

和結構調整過程中面臨著巨大挑戰，同時對產業急需的數字化轉型中的工程師能力提出了全新

要求。

在新技術的驅動下，全球各國都已經或正在緊鑼密鼓地從戰略上布局產業數字化轉型。2019

年，經濟合作發展組織（OECD）提出物聯網、人工智能和區塊鏈等變革性技術將推動制造業

數字化轉型。我國作為制造業大國，為了加快工業轉型升級，國家在智能制造、大數據、人工

智能等領域發布了一系列戰略規劃。

基于新技術環境、系統設備、數據處理、工藝制造等層面的工程師數字化能力分析，有研

究認為工程師數字化能力，包括以下四點：

①適應數字環境能力：指工程師適應企業新技術環境變化，實現快速學習和合作，涉及

6

第0章緒論

設備系統、工藝制造以及企業智能工廠系統不同層面，滿足研發、生產、制造等不同環節工

作需求。

研究發現，由于企業數字化轉型全面推進，要求工程師能夠深入數字環境，推動數字技術

與業務深度融合、實現快速學習思考。而以往僅圍繞一種或單一項目實施的產學合作方式與當

前企業數字化發展階段的多重及持續需求已不匹配，亟待前瞻探索新技術環境中人才培養的系

統做法，以應對新技術所帶來的持續性挑戰。

②智能設備操控能力：指工程師智能設備和軟硬件系統操作使用，具有生產制造推進的相

關經驗，熟悉計算機的編程和修改?！熬蜕a方向的話，主要就是我們智能制造這塊，因為過

去都是純人工，但現在人工成本長得很高，可能用機械臂逐漸取代一些人員的單一工作……但

原來的工程師肯定是很難適應智能設備和操作，需要提升智能設備操控能力”。已有研究者結

合設備系統的操控提出通過“一對一”“師傅帶徒弟”等形式提升技術工人和工程師智能設備

操控能力。研究發現，由于數字化轉型中設備、系統和平臺的更新變革速度加快以及覆蓋面變

得更廣，傳統師徒制的低效率和低覆蓋面已經無法滿足新技術環境的要求，工程師所面臨的操

作對象變化顯著。

③數字抽象分析能力：指實現數據采集、集成、預測、分析，熟悉掌握主流數據庫系統

（MySQL、SQLServer、SAPHANA等），如組織協調主數據模塊工作的開展?！皵祿治鲆活?/p>

的工程師涉及跟后端打通，我們擁有大量客戶數據，通過大數據分析確定大家喜歡什么樣的車

型?！毖芯堪l現，數字抽象分析能力是數字化轉型中不可或缺的關鍵能力，對企業生產制造、

工藝設計以及銷售相當重要，而目前研究尚未解決轉型中出現的“數據孤島”問題。傳統的封

閉、模糊、少量的數據采集、分析、預測等過程已經無法滿足業務需要，因此企業面臨工程師

數字抽象分析能力提升難題。

④仿真模擬能力：指實現研發設計和生產制造環節中的工藝、流程優化。這需要工程師擁

有良好的機械、控制、汽車等專業理論知識，并熟練運用二維軟件或三維軟件（UI軟件）、工

業設計軟件、編程軟件（Java、C語言等）?！澳壳爸鸩教剿骰诖罅康臄祿治龊蜆I務整合，

現在整個行業做得比較成熟……”。已有研究者從產學合作角度提出可以通過典型項目教學、直

接引入企業課程等方式實現學生能力提升。研究發現，伴隨數字技術和業務深度融合以及智能工

廠系統的形成，企業大量緊急工藝制造難題，難以通過傳統項目教學模式進行人才培養，需要將

業務技術前沿與數字化技術深度融合，開設一批復合集成的課程以滿足企業實際需要。

資料來源：

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