計算機科學與計算思維導論課程(含學習輔導)

教學大綱

課程教學大綱(Syllabusofcurriculumteaching)是根據教學計劃要求，課程在教

學計劃中的地位、作用，以及課程性質、目的、任務而規定的課程內容、體系、范圍

和教學實施的基本綱要。

1

課程基本描述

"計算機科學與計算思維導論〃是計算機科學、計算機工程、軟件工程、

信息技術、信息系統等分支學科的學生全面了解計算機學科基本概貌的引

導性課程，也是電子信息類學生全面了解計算機科學內容和方法的通識課

程。通過該課程學習，讓學生了解計算機學科的基本內涵，知道該學什么

和應該怎么學，并使學生對本學科產生濃厚的興趣，為后續課程學習奠定

良好基礎。由于該課程涉及計算機學科領域的各個方面，具有一定的廣度

和深度，而在這之前學生并沒有該學科的任何知識背景，難免使學生在學

習過程中感到茫然。因此，開設本課程的目的意義猶如一個人到了一個陌

生的城市，雖然對該城市的基本概況一無所知，但如果先站在該城市的最

高處俯瞰整個城市，就會立即對該城市的概貌有個大致了解。

表1課程開設描述

課程編號課程名稱計算機（科學）導論（概述）

課程類別專業必修開課學期第一學年的第一學期

授課對象本科生/雙學位/自考本科/等課程性質計算機或電子信息類的必修題課程

主教材名計算機科學與計算思維導論輔助教材計算機科學與計算思維導論學習輔導

適用專業計算機科學、計算機工程、軟件工程、信息技術、信息系統、電子信息類等

先修課程高等數學、程序設計方法：C語言程序設計）等

學分理論教學時數實驗教學時數總學時

學分學時

5483280

考核比例平時作業20%理論考核50%實驗考核30%三項考核合過100分

2

課程教學定位

1.課程性質

計算機科學導論是計算機學科的窗口，其作用是透視〃導論〃屬性，體現

"導"與"論〃的真實內涵。作為計算機學科全程教學內容的導引課程，

應俯瞰計算機學科全貌。課程構建的實質是尋求一種統一的思想來認知計

算機學科，并對計算機學科進行系統化和科學化的描述，注重學科發展的

動態性和知識傳授的有效性；突出計算機科學方法論在本課程教學中的引

導作用；揭示計算思維與計算學科形態的內在關系；體現計算思維在課程

教學與人才培養中的作用意義。2.課程特點計算機學科是一門新興綜合性

學科，且與數學、物理學、電子學等學科的發展有著密切關系。作為計算

機學科導論課程，在課程構建上，以計算機的發展趨勢與前沿技術為課程

視野，全面概括計算機學科知識體系及其理論基礎，并體現本課程的基礎

特性；在教學內容上，涉及計算機科學與計算機技術的幾乎所有領域，并

具有相當的廣度和深度；在教學方法上，突顯計算機學科方法論及其計算

思維在課程教學和人才培養中的引導作用，并充分體現計算機學科的形態

特征。3.課程目標本課程力圖將理論基礎學習與能力培養完美結合，通過

本課程學習，力圖實現如下教學目標。（1）了解計算機科學及其學科體系

的形成、發展趨勢、知識結構、經典問題、學科方法論等。（2）掌握正確

的學習方法、計算機科學基礎理論知識，為后續課程學習和持續發展奠定

基礎。（3）激發學習興趣和探索問題的求知欲，培養學生運用計算思維分

析問題和解決問題的能力。（4）認識本課程的基礎性、科學性、邏輯性、

時代性，以及本課程在計算機學科體系中的作用地位，使學生在潛移默化

中意識到能力培養的全面性、知識更新的重要性、自我提升的必要性。（5）

展示學術魅力、培養計算思維、傳承計算文化、弘揚科學精神、激發探索

熱情，實現知識、能力、素質的全面提高。使本課程在大學甚至整個職業生

涯學習中具有重要的引導作用。

3

課程知識體系

本課程與其他課程知識體系的最大區別是突出科學方法論在計算機學科中

的作用，科學方法論是關于人們認識世界、改造世界的方法理論，是一種以

解決問題為目標的理論體系或系統。在計算機科學中最為典型的科學方法是

數學方法、計算思維（抽象與自動化）和計算學科形態（抽象、理論、設計），

它們是分析問題、解決問題的過程和思想，是人類求解問題的有效途徑。

基于計算思維的計算機科學導論，是以計算思維為引導，以學科形態為紐

帶，以能力培養為目標，力圖通過計算機的形成與發展，揭開計算機科學

的神秘面紗；通過數據表示、計算系統、程序設計、算法構建揭示計算思

維的本質；通過數據庫技術、網絡技術、前沿技術，揭示計算機學科的形

態特征，并且將計算思維與學科形態融入到本課程的各個章節中，從而形

成了計算思維、學科形態、知識主領域三者相融合的課程知識結構，其邏

輯結構如圖1所示。

圖1計算思維、學科形態、知識主領域相融合的課程體系結構

本課程的教學目標是使學生全面了解計算機學科所涉及的各個主領域，并

以基本概念-基本方法-基本技術這一進階式-模塊化結構規劃教學進程，

課程教學內容設計如圖2所示。

圖2計算機科學與計算思維導論課程體系

1.基本概念計算機科學、計算機學科、計算思維是一個形成與發展的過程。

本模塊從這三個方面（3章），闡述計算機科學和計算機學科的形成與發展過

程以及計算思維在計算機學科中的作用體現。本模塊是后續各章的概念和

方法的基礎，是形成科學的知識體系和穩定的知識結構的依據。將計算機

科學、計算機學科、計算思維三者相融合，形成如圖1所示的課程體系結

構。（1）計算機科學全面介紹了從原始計算工具到現代計算機的形成、

發展過程、發展趨勢和未來新一代計算機的概況。通過從原始計算工具到

現代計算機的描述，將計算機專業知識與相關的人文知識、人文精神和學

科發展史有機地緊密結合，以此揭開計算機的神秘面紗、克服學生對計算

機的神秘感和畏懼心理、無形而自然地啟迪學習思想、激發探索精神、培

養創新意識。（2）計算機學科計算機從一種純粹的計算工具發展成為一

門舉世矚目的計算機學科，如今不僅成為一種社會文化，而且成為世界各

國發展的重要戰略手段。作為一門新興學科，它包括哪些知識領域？具有

哪些形態特征？等等。所有這些都是計算機學科的學生必須了解和掌握的。

通過本章學習，使學生對本學科有一個清晰的認識和明確的學習方向，懂

得應該掌握哪些知識，應該具備什么樣的知識結構和能力，并在往后的學

習過程中不會感到困惑和茫然。（3）計算思維屬于科學思維的范疇,雖

然計算思維與計算機沒有必然聯系，但計算機的出現給計算思維的發展帶

來了根本性的變化，這一變化對計算機科學及其計算機學科教育的縱深發

展起到了極大的促進作用，因而受到計算機學界的高度關注和重視。通過

本章學習，了解計算思維的本質特征、計算思維在計算機學科中的作用體

現、計算思維能力的培養等。2.基本方法計算機是計算的機器，也是程序

的機器，涉及數據表示、軟硬件組成、程序設計、算法設計。本模塊從數

據表示、計算系統、程序設計、算法構建等四個方面（4章），闡述利用計

算機解決計算問題的基本方法和必要條件，并且全面體現了計算思維方法。

（1）數據表示是對數值數據、字符數據、邏輯數據、多媒體數據的抽象，

把人們習慣使用的語義符號轉換成便于計算機處理的數字符號，即實現語

義符號數字化。（2）計算系統是對計算機硬件和軟件的抽象，計算系統

由硬件系統、軟件系統和它們管理的數據構成，解決計算問題以及與人機

交互問題。具體說，計算系統以〃計算”為目的，探索問題求解的過程抽

象和工作方式；以"系統”為研究和應用對象，探索系統的存在方式和變

化規律。（3）程序設計是對問題求解過程的抽象，包括對程序設計語言

和程序設計方法的抽象，它體現了計算思維的本質特征一一抽象與自動化。

（4）算法構建是對實際問題數學描述的抽象，是問題求解的靈魂。計算

思維的核心是問題求解，被公認為計算科學的基石，包括數值數據的數值計

算、非數值數據（數據結構）的數據處理、數據元素的排序和查找等。對初學

者而言，程序設計的難點在于語言基本要素和語法規則的掌握，而設計出

高水平程序的基礎是臭好的算法設計。3,基本技術本模塊從數據庫技術、

計算機網絡技術、計算機前沿技術等三個方面（3章），闡述計算機技術的

綜合應用與能力培養。數據庫技術和網絡技術全面體現了計算思維本質（抽

象與自動化）和計算機學科形態（抽象、理論、設計）；而計算機前沿技

術概括了目前計算機新技術應用的6個主要方面（人工智能、虛擬現實、

移動互聯網、物聯網、云計算、大數據）。對計算機學科學生來說，全面

了解這些新技術的基本概況（基本概念、關鍵技術、技術應用）是非常必

要的。

4

課堂教學實施

本課程由《計算機科學與計算思維導論》和《計算機科學與計算思維導論學習輔

導》兩部分組成，即分為理論教學與學習輔導兩個部分。（一）理論教學理論教

學10章，為了便教便學，各章給出了【問題引出】、【教學重點】和【教學目

標】，從而使教學過程有的放矢，讓學生帶著問題在課程中尋找問題答案。理論

教學各章的教學內容及其學時分配如表2所示。

表2課程理論教學

章序名稱與課時教學重點教學目標

計算機科學體系的形成、基于馮?諾依曼結構了解人類計算工具的演化過程、計算機科學體

第1章計算機的結構組成、計算機的發展趨勢遂術系的形成和發展趨勢；熟悉基于馮諾依曼結

計算機科學概述

展望（如何突破和超越馮?諾依曼結構計算機）構計算機的結構組成與性能特點;掌握電子計

（4課時）等.苴機科學理論及其新技術的基本概念.

第2章計算機學科體系、計算機學科方法論、計算機掌握計算機學科的基本概念;熟悉計算機學科

計算機學科體系學科的數學方法、計算機學科的根本問題、計為知識體系;了解計算機學科形態、學科特點、

（4課時）算機學科的經典問題等.科學方法、根本問題、經典問題等.

第3章計尊思維的基本概念及其本質特征、計算思維掌握計算思維的基本概念;熟悉計尊思維的本

計其思維及其作用體與問題求解、計算思維在計算機科學中的作質與學科形態的關系;認識計算■在計算機

現（4課時）用、計算恁雄在人才培養中的作用.學科中的作用體現和對其他學科a9影響.

計算機中的常用進位計數制、計數制的相互轉熟悉數值數據、字符數據、邏輯數據和多媒體

第4章換、數值數據的編碼表示、字符數據的編碼表數據的編碼表示方法;掌握各種進位計數制的

數據表示的基本思維

示、邏輯數據的編碼表示、多媒體數據的編碼表示、轉換和］運算方法；深刻理解語義符號數

（6課時）表示等.值化和信息符號數字化的計算思維.

計算系統的基本構成與層次關系、各硬件子系熟悉處理器系統、存儲器系統、總線系統、輸

第5章統的工作原理、操作系統對各硬件子系統以及入/輸出接口等的基本結構組成；了解操作系

計算系統的基本思維磁盤文件的組織與管理、硬件設備的相互連統在計算機系統中的作用和地位,操作系統對

（6課時）接、操作系統對信息交換的控制與管理等.各硬件子系統和文件系統的管理方法.

掌握程序設計的基本思維及其抽象概念;熟悉

第6章程序設計的問題抽象、語言抽象、方法抽象、

源程序的翻譯方式和編譯過程；了解程序開發

程序設計的基本思維過程抽象，以及程序設計語言的基本成分與

的軟件工程方法;深刻認識和全面了解通過程

（6課時）源程序的翻譯方法等.

序設計實現問題求解的計算思維.

掌握算法的基本概念;了解數值數據的常用描

第7章數值數據的描述、計算的復雜性、數值數據的述方法和計算的復雜性概念;熟悉數值數據的

算法構建的基本思維常用算法、非數值數據的數據結構類型及其處常用G法工且數值數據的常見組陶及具處理方

（6課時）理方法、數據元素的查找與^序.法、數據元素的直找與排序方法.

熟悉關系雌模型、模式和關系數據庫管理系

數據庫技術概念、關系數據模型與關系數據庫

第8章統；了解關系犍的窗切優化、規范化的基

一抽象；關系數據的查詢、優化與規范化

數據庫技術本方法以及數據庫應用系統的設計方法;掌握

理論；構建雌庫應用系統——設計.

（4課時）開發數據庫應用系統的方法和步驟.

計算機網絡的基本類型、體系結構抽象；了解計算機網絡的發展過程、網絡的基本類

第9章

網絡信息傳輸、數據調制編碼、分組交換一型、網絡數據傳輸；熟悉網絡的結構組成、

計算機網絡技術

理論；網絡結構組成與因特網設計、計算網絡互聯、因特網的基本應用和信息安全技

（4課時）

機信息安全技術——理論與設計.術；掌握網絡通信協議和層次模型等概念.

熟悉計算機新技術中，入_L智能、虛擬現實、

按照計算機學科的三個形態特征，介紹人工智物聯網、移動互聯網、云計算、大數據等，了

第10章

能技術、虛擬現實技術、移動互聯網技術、物

計算機前沿技術解這些新技術的基本概念、掌握基本結構與

聯網技術、云計算技術、大數據技術的基本概

（4課時）組成;了解這些新技術的關鍵技術及其在相關

念、關健技術和技術應用.領域中的廣泛應用.

（二）學習輔導計算機學科的最大特點是知識面寬、實踐性強、軟/硬件技

術更新換代快。因此，既要重視理論學習能力的培養，也要重視實際動手

能力的培養，更要重視自我提高能力的培養。為此，編寫了《計算機科學

與計算思維導論學習輔導》，內容包括關聯知識、習題解析、知識背景、

基礎實驗。1.關聯知識由于主教材篇幅的有限，故將那些與主教材教學內

容密切相關的知識點作為“關聯知識"，它是對主教材相關知識的補充和

拓展，更是為學生自主學習和拓寬探索視野提供引導。作為專業導論課程，

介紹與本專業相關的知識領域是極為重要的，有利于學生日后研究和探索。

2.習題解析習題題型包括選擇題、問答題和討論題。通過習題解析，可對

照檢查學習效果，在鞏固各章所學知識的同時，加深整體概念的理解和認

識。討論題為學生課外學習提供思考和交流。3,知識背景知識背景描述與

計算機科學相關的科學家的生平事跡，以此拓展學生的專業知識視野、提

高人文素質、增強科學探索的信心，激發學生堅韌不拔、鍥而不舍、頑強

拼搏的精神品質。4.基礎實驗雖然本課程是計算機學科的一門專業基礎課

程，但現在高等學校的計算機基礎教育已不再是"零起點"，因而應注重

培養學生分析問題和解決問題的能力。考慮到實驗設施的可行性并兼顧新

生計算機基礎參差不齊等因素，我們設計了8個實驗單元，每個實驗單元

包含多個實驗項目。基礎實驗的內容及其實驗時數如表3所示。

表3課程實驗教學

章序實驗總元實驗項目課時

第”章構建微機系統3個項目：構建微機硬件系統、BIOS設置、構建微機軟件系統4

第12章文字錄入方法3個項目：打字指法練習、漢字拼音輸入法、五筆字形輸入法4

4個項目：Windows7對資源的管理、Windows7的附件工具、

第13章Windows7基本應用4

Windows7的多媒體功能、文件壓縮與解壓

4個項目：文檔的建立與編輯、制作Word表格、文檔的圖文混

第14章Word2010基本應用4

排、Word文檔的高級設置

第15章Excel2010基本應用3個項目：創建Excel表格、計其和分析數據、數據管理與打印4

3個項目：創建和編輯演示文稿、在演示文稿中插入對象、幻燈

第16章PowerPoint2010基本應用4

片的規劃設計和制作

第17章Internet基本應用3個項目：獲取網絡信息資源、收發電子郵件、網上信息發布4

第18章信息安全與數據加密2個項目：殺毒工具軟件、數據加密軟件4

8個實驗單元25個實蛉項目32

我們打破了以計算機基本操作步驟來訓練基本操作方法的傳統實驗模式，

采用了基于任務驅動的案例教學模式，即將實臉內容以任務（案例）的形式給

出，通過實驗描述（提出問題）、實驗分析（分析問題）、實驗實施（解決問題），

讓學生帶著對案例的濃厚興趣，在實驗過程中熟悉基本操作方法、掌握基

本操作技能、提高綜合應用能力。例如，Office方面的實驗，完成一個實

驗項目，就是完成一項基本創作；完成一個實驗單元，就能提交一份完美

的作品（如畢業論文、求職材料、網上應聘等）。實踐表明，采用這種教

學模式，能激發同學們的學習興趣和創作熱情，從而克服了為熟悉基本操

作而實驗的枯燥性，體現了案例教學的趣味性、提高了實驗教學的有效性。

使學生能以一種愉悅的心境學習和提高計算機的應用能力，并在無形中抹

平入校時參差不齊的差異。

參考書籍

gg本科計算機專業特色吧

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計

第

禮

科

學

與

沙

克

思

雎

導

論

計算機科學

與計算思維導論

李云峰李婷丁紅梅編著

《計算機科學與計算思維導論》

作者：李云峰、李婷、丁紅梅

價格：59.8元

內容簡介

本書參照國際電氣與電子工程師學會計算機協會和美國計算機協會

（IEEE-CS&ACM）計算學科教程（CC2005）和中國計算機科學與技術

學科教程（CCC2002）編寫，并按照〃新工科"（新概念、新體系、新結

構、新模式、新質量）建設思想，構建體現計算機學科基礎特性（基本概

念、基本方法、基本技術），凸顯計算機學科方法（典型方法、學科形態、

計算思維），突出計算機新技術（人工智能、虛擬現實、移動互聯網、物

聯網、云計算、大數據）應用的課程知識體系。本書共10章，涵蓋了計

算機學科知識主領域的全部內容。

本書從學科認知科學化、系統化和邏輯化出發，站在學科的高度闡述計算

機科學與技術知識，注重學科知識體系的完整性、邏輯性、創新性和時代

性，具有結構新穎、層次分明、由淺入深、循序漸進的特點。

本書可作為高等院校計算機類、電子信息類和電氣信息類"計算機（科學）

導論"課程教材，也可作為相關專業的教師和從事計算機科學與技術工作

的工程技術人員的參考書。

目錄

向上滑動閱覽

緒論——課程導學1

0.1課程教學定位1

0.2課程教學思維2

0.3課程知識結構4

0.4課程教學輔導6

基本概念一一計算機與計算思維

第1章計算機科學概述10

1.1人類計算工具的進步10

1.1.1手工時代10

1.1.2機械時代12

1.1.3機電時代15

1.1.4電子時代16

1.2計算機科學體系的形成19

1.2.1布爾提出的邏輯代數19

1.2.2香農提出的邏輯電路19

1.2.3維納提出的計算機設計原則20

1.2.4圖靈提出的圖靈機和圖靈測試20

1.2.5馮?諾依曼提出的EDVAC23

1.3基于Neumann結構的現代計算機25

13.1計算機的結構組成25

13.2計算機的主要特點26

1.3.3計算機的基本性能27

13.4計算機的主要應用28

1.4突破與超越Neumann結構31

1.4.1突破Neumann的體系結構31

1.4.2突破Neumann的組成結構34

143超越Neumann的體系結構35

本章小結37

習題137

第2章計算機學科體系39

2.1計算機學科體系的構建39

2.1.1科學與學科的概念39

2.1.2計算作為一門學科40

2.1.3CC2005學科體系42

2.1.4CCC2002學科體系45

2.2計算機學科方法論47

2.2.1計算機學科方法論概念47

2.2.2計算機學科的3個形態48

2.2.3計算機學科的核心概念49

2.2.4計算機學科的典型方法50

23計算機學科的數學方法52

23.1數學方法及其作用體現52

23.2構造性數學與證明方法54

2.3.3計算機學科的根本問題56

2.4計算機學科的經典問題57

2.4.1理論意義上的不可計算問題——圖論問題57

2.4.2現實意義上的不可計算問題一一計算的復雜性59

2.4.3理論意義上的可計算問題一一計算機智能問題63

244現實意義上的可計算問題——并發控制問題65

本章小結66

習題267

第3章計算思維及其作用體現68

3.1計算思維及其本質特性68

3.1.1人類思維的類別68

3.1.2計算思維的概念71

3.1.3計算思維的本質72

3.1.4計算思維的特性73

3.2計算思維的問題求解75

3.2.1問題求解的數學建模75

3.2.2問題求解的基本策略76

3.2.3問題求解的過程抽象78

3.3計算思維與計算機學科82

3.3.1計算思維本質與學科形態的關系82

3.3.2計算思維在計算機學科中的體現84

3.4計算思維的學科作用與能力培養89

3.4.1計算思維與計算機教育相互促進89

3.4.2計算思維有助于跨越專業鴻溝90

3.4.3計算思維有助于其他學科發展91

3.4.4計算思維能力培養的基本策略93

本章小結95

習題395

基本方法一機器計算的基本思維

第4章數據表示的基本思維98

4.1數制及其轉換一一"人機兼容"的基本思維98

4.1.1進位計數制98

4.1.2數制之間的轉換100

4.2數值數據的編碼表示一一"語義符號數值化"的基本思維104

4.2.1整型數的編碼表示104

4.2.2實型數的編碼表示109

4.3字符數據的編碼表示一一"字符信息數字化"的基本思維111

4.3.1西文字符的編碼表示111

43.2漢字字符的編碼表示113

433綜合實例——字符處理116

4.4邏輯數據的編碼表示一一"邏輯符號數字化"的基本思維117

4.4.1邏輯代數概念117

4.4.2邏輯代數運算118

4.5多媒體數據的編碼表示一一"動態信息數字化"的基本思維120

4.5.1多媒體的基本概念120

4.5.2音頻數字化的編碼表示121

4.5.3圖像數字化的編碼表示122

4.5.4視頻數字化的編碼表示124

4.5.5計算機動畫簡介125

本章小結126

習題4126

第5章計算系統的基本思維128

5.1計算系統的基本概念一一"系統組成"的基本思維128

5.1.1計算機硬件系統128

5.1.2計算機軟件系統129

5.1.3計算機操作系統130

5.1.4軟件與硬件的關系133

5.2處理器系統一一"控制執行"的基本思維134

5.2.1處理器的結構組成134

5.2.2計算機指令系統136

5.23操作系統對處理器的管理137

53存儲器系統一一"存偌優化組合”的基本思維141

5.3.1內存儲器141

5.3.2外存儲器143

53.3存儲體系144

53.4操作系統對存儲器的管理146

5.3.5綜合實例——計算機的工作過程148

5.4文件管理系統一一"長治久安"的基本思維150

5.4.1文件與文件系統150

5.4.2文件組織與結構151

5.4.3文件目錄與目錄結構152

5.5總線系統與輸入輸出系統——“組織與協調”的基本思維154

5.5.1總線系統154

5.5.2輸入輸出設備155

5.5.3輸入輸出接口157

5.5.4操作系統對I/O的管理158

本章小結160

習題5161

第6章程序設計的基本思維162

6.1程序設計概念-一"問題抽象"的基本思維162

6.1.1程序設計與問題求解162

6.1.2程序設計的基本抽象164

6.2程序設計語言一一“語言抽象"的基本思維165

6.2.1程序設計語言的演化165

6.2.2程序設計語言的構成169

6.2.3計算機源程序的翻逆173

6.3程序設計方法一一“方法抽象"的基本思維176

6.3.1面向過程程序設計方法176

6.3.2面向對象程序設計方法178

63.3程序與軟件的關系181

6.4軟件工程方法一一“過程抽象"的基本思維181

6.4.1軟件工程概念182

6.4.2軟件生存周期183

643軟件開發模型183

6.4.4軟件開發方法186

本章小結188

習題6189

第7章算法構建的基本思維190

7.1算法一一問題求解的核心190

7.1.1算法的基本概念190

7.1.2算法的設計要求191

7.1.3算法的復雜性192

7.1.4算法的描述方法194

7.2數值數據求解一一算法策略196

7.2.1窮舉算法196

7.2.2回溯算法197

7.2.3遞推算法199

7.2.4迭代算法200

7.2.5遞歸算法201

7.2.6分治算法202

7.2.7貪心算法203

7.2.8動態規劃204

7.3非數值數據處理一一數據結構205

7.3.1線性表結構205

7.3.2棧結構207

73