本教材的编写按照教育部高等学校大学计算机课程教学指导委员会2016年编制的《大学计算机基础课程教学基本要求》，特别关注学生信息素养和计算思维能力的培养，将课程内容中的相关知识进行提炼，建立从知识认识到计算思维意识构建的桥樑，既强调教材的基础性和系统性，又注重内容宽度和知识深度的结合，并通过把科学思维的要素、方法融入问题和案例，从问题分析着手，强调面向计算思维和信息素养的培养，从而提高学生主动使用计算机解决问题的意识和计算思维的能力。

本教材共8章，主要介绍计算文化与计算思维、0和1的思维、系统思维、算法思维、程式思维、数据思维、网路化思维、伦理思维，围绕现代工程师应具备的素质要求，每章后还有基本知识练习和能力拓展与训练题，从多方位、多角度培养学生的工程能力。附录给出了《弟子规》原文，旨在使读者感悟中华传统文化的真谛。

此外，为便于读者学习，对于一些重点、难点和抽象的知识点，提供了动画短片，可以通过二维码进行线上学习；编写并出版了与本教材配套的教辅《大学计算机——计算文化与计算思维基础实验实训》；配备了相应的教学课件。而且，访问中国大学视频公开课官方网站“爱课程”网的河北工程大学“心连‘芯’的思维之旅”课程，也可以线上学习本教材的相关视频。

本教材既可作为大中专院校和相关计算机技术培训的教材，也可作为办公自动化从业人员的参考用书。

大学计算机——计算文化与计算思维基础近年来，以美国麻省理工学院为首的世界几十所大学展开了CDIO（Conceiving，Design，Implement，Operate，构思设计实施操作/运营）工程教育模式的改革。CDIO大纲的第二部分为个人和职业技能和特质。该大纲指出，工程师应该具备的三种思维模式是工程思维、科学思维、系统思维。其中科学思维包括三种:以观察和归纳自然规律为特徵的实证思维，以推理和演绎为特徵的逻辑思维，以抽象化和自动化为特徵的计算思维。因此，计算思维的培养将大大利于提高工程师的科学思维能力，符合CDIO理念的要求。

计算思维概念，最早是2006年3月由美国卡内基·梅隆大学周以真（JeannetteM.Wing）教授在CommunicationoftheACM上给出并定义的。她指出，计算思维是每个人的基本技能，不仅仅属于计算机科学家。我们应当使每个孩子在培养解析能力时不仅掌握阅读、写作和算术，还要学会计算思维。

以往的计算机文化基础课程採用以操作和技能讲解为主线的教学模式，淡化了计算机科学的精髓。信息素养的培养，要求学生能够对于获取的各种信息通过自己的思维进行深层次的加工和处理，从而产生新的信息。

无论是计算机教育工作者，还是计算机普通用户，在学习和使用计算机的过程中，应该着眼于“悟”和“融”:感悟和提炼计算机科学思维模式，并将其融入可持续发展的计算机套用中，这是作为工程人才不可或缺的基于信息技术的行动能力。大学生学习计算机基础课程，不仅要了解计算机是什幺、能够做什幺、如何做，更重要的是要了解这个学科领域解决问题的基本方法与特点。因此，在非计算机专业第一门计算机课程中引入计算思维能力的培养，是提高大学生信息素养和工程能力的有效途径，是CDIO教学模式改革中极其重要的环节。

计算思维是计算机和软体工程学科的灵魂，作为第一门非计算机专业的大学计算机基础课程，应该把培养重点放在培养学生的计算思维与信息素养能力上，让学生了解和掌握如何充分利用计算机技术，对现实世界中的问题进行抽象和形式化，达到人类求解问题的目的，应注重可持续发展的计算机套用能力培养，强调在分析问题和解决问题当中终身学习的能力，从而提高学生的思维能力，扩展思维宽度，提高解决实际问题的能力。

本教材特色如下。

（1）本教材的编写宗旨是建设符合我国实际的DRCDIO(DoubleRegressionCDIO，回归人本，回归工程)人才培养模式的教材体系，有针对性地进行教学任务设计，特别是对于涉及计算思维运用的教学内容的设计。按照认知规律，採用由浅入深、由外入内的教学模式。教材内容不只是讲授计算机方面的知识，更注重展现计算机学科的思维方式以及读者思维能力和工程能力的训练。

大学计算机——计算文化与计算思维基础前言（2）围绕现代工程师应具备的素质要求，多方位多角度培养学生工程能力。

教材中利用“思考与探索”“角色模拟”“分析与认证”“能力拓展与训练”等栏目多方位、多角度培养学生工程能力，包括终身学习能力、团队工作和交流能力、社会及企业环境下建造产品的系统能力、可持续发展的计算机套用能力等。

“思考与探索”是面向计算思维的对于知识的一种解析，旨在培养学生的计算思维能力和善于观察、勤于思考、勤于探索的良好学习习惯和品质。

“角色模拟”主要是通过模拟工程师与真实世界之间的互动，通过项目分析、设计与实现，培养学生工程实践套用能力，培养学生在团队中有效合作、有效沟通、有效管理的能力，提高学生套用工程知识的能力和处理真实世界问题的能力。

“能力拓展与训练”包括一些思维密度较大、思维要求较高和需要自主学习的问题和要求，旨在培养学生的系统思维能力、发散思维能力、创新思维能力、沟通能力、适应变化的自信和能力以及团队协作创新的工作理念，激发学生自主探究的积极性，在拓展创作中实现自我价值，并培养主动学习、经验学习和终身学习的能力。

（3）强调教育的根本目标是人的完善。

目前的教育过于重视学科知识和智力培养，偏离了“人的完善”这一教育根本目标。本教材按照DRCDIO人才培养模式，重视人的全面发展，在附录中附有《弟子规》原文，旨在传承中国传统文化之精华，充分发挥中国传统文化对校园和社会所产生的净化心灵、薰陶品质的作用，使读者感悟中华文化的真谛，提高内涵素养和外在修养，从而塑造正确的思想道德观念和人生价值观念，提升德行修养，塑造健全人格。

总之，本教材的编写，在涵盖适度的基础知识与理论体系基础上，突出回归人本和回归工程的教学方法论，既强调内容宽度和知识深度的结合，又通过把科学思维的要素、方法融入问题和案例，从问题分析着手，强调面向计算思维和信息素养的培养，力求达到“教师易教，学生乐学，技能实用”的目标。

本教材共8章，主要内容包括认识计算文化与计算思维，0和1的思维——信息在计算机内的表示，系统思维——计算机系统基础，算法思维，程式思维——程式设计基础（Python），数据思维——数据的组织、管理与挖掘，网路化思维，伦理思维——信息安全与信息伦理。

本教材由申艳光、王彬丽、宁振刚主编，参与编写的还有方启泉、杨丽（大）、杨丽（小）、刘志敏、张艳丽、薛红梅、生龙、王瑞林8位老师。邯郸市丛台飞扬多媒体设计服务有限公司製作了动画短片，在此一併表示感谢！

由于作者的水平有限及时间仓促，书中难免存在不足之处，恳请读者批评和指正，以使其更臻完善！

本书配套出版了《大学计算机——计算文化与计算思维基础实验实训》（刘志敏主编，清华大学出版社），同时提供电子课件和实验实训素材，可以登录出版社网站下载。本教材内容的相关视频，参考河北工程大学的“心连‘芯’的思维之旅”课程。

申艳光2017年9月

大学计算机——计算文化与计算思维基础第1章认识计算文化与计算思维1

1.1计算与计算机科学1

1.1.1计算工具的发展史1

1.1.2计算文化和计算机科学3

1.2计算思维3

1.2.1计算3

1.2.2计算思维的概念4

1.2.3计算思维中的思维方式7

1.2.4计算思维的本质9

1.3计算模型与计算机11

1.3.1图灵机11

1.3.2冯·诺依曼机12

1.3.3计算机的发展13

1.3.4计算机的特点16

1.3.5计算机的分类16

1.4新的计算模式18

基础知识练习20

能力拓展与训练20第2章0和1的思维——信息在计算机内的表示21

2.1信息与信息技术21

2.1.1信息的概念21

2.1.2信息技术22

2.2数值的表示22

2.3字元编码29

2.4汉字编码30

2.5多媒体信息的表示33

2.5.1多媒体技术的基本概念33

2.5.2多媒体处理的关键技术33

2.5.3多媒体套用中的媒体元素35

2.5.4多媒体计算机的组成与套用40

2.5.5移动多媒体终端42

基础知识练习42

能力拓展与训练43大学计算机——计算文化与计算思维基础目录第3章系统思维——计算机系统基础44

3.1计算机系统44

3.1.1计算机硬体系统45

3.1.2问题求解与计算机软体系统47

3.1.3计算机的基本工作原理48

3.2微型计算机的硬体系统49

3.2.1汇流排50

3.2.2中央处理器（CPU）51

3.2.3记忆体储器52

3.2.4系统主机板53

3.2.5外存储器54

3.2.6输入设备56

3.2.7输出设备57

3.2.8微型计算机的主要性能指标和分类59

3.3计算机的启动过程59

3.4作业系统61

3.4.1作业系统概述61

3.4.2常用的作业系统62

3.4.3作业系统的管理功能64

3.4.4档案系统66

3.4.5作业系统中的计算思维69

3.5软体系统中的互动方式70

3.5.1作业系统中的互动方式70

3.5.2套用软体中的互动方式72

3.6软体工程74

3.6.1软体工程概念74

3.6.2软体生命周期76

3.6.3软体工程方法79

基础知识练习85

能力拓展与训练86第4章算法思维90

4.1算法的概念90

4.1.1什幺是算法90

4.1.2算法的分类91

4.1.3算法应具备的特徵92

4.2算法的设计与分析92

4.2.1问题求解的步骤92

4.2.2数学建模94

4.2.3算法的描述95

4.2.4常用的算法设计策略98

4.2.5算法分析109

4.3算法的实现——程式设计语言111

4.3.1程式设计语言的分类111

4.3.2语言处理程式112

4.3.3常用的高级语言113

基础知识练习116

能力拓展与训练117第5章程式思维——程式设计基础（Python）120

5.1Python起步120

5.1.1Python的版本与环境搭建121

5.1.2Python的开发环境122

5.1.3使用pip管理Python扩展库128

5.2Python编程基础129

5.2.1标识符和关键字129

5.2.2程式的书写规则130

5.2.3基本的输入和输出131

5.2.4常量、变数和对象133

5.3常用数据类型:数字、字元串和布尔型135

5.3.1数字类型135

5.3.2数字类型的运算136

5.3.3字元串类型140

5.3.4字元串类型的运算141

5.3.5布尔类型146

5.4数据类型:列表146

5.4.1列表146

5.4.2列表基本操作146

5.5数据类型:元组151

5.5.1元组151

5.5.2元组基本操作151

5.6数据类型:字典154

5.6.1字典154

5.6.2字典基本操作154

5.7数据类型:集合158

5.7.1集合158

5.7.2集合基本操作158

5.8运算符和表达式160

5.8.1运算符160

5.8.2表达式163

5.9程式设计语言的基本控制结构163

5.9.1顺序结构164

5.9.2选择结构165

5.9.3循环结构170

5.9.4异常处理语句175

5.10函式与模组182

5.10.1函式的定义183

5.10.2函式的调用184

5.10.3变数的作用域188

5.10.4导入模组190

5.10.5Python标準库中的常用模组191

5.10.6查看Python模组和函式帮助文档的方法196

5.11常用算法策略的Python实现199

5.12图形界面与图形绘製208

5.12.1常用PythonGUI库208

5.12.2tkinter入门209

5.12.3绘图模组turtle的使用212

5.13档案217

5.13.1打开和关闭档案217

5.13.2读写文本档案218

5.13.3读写二进制档案221

基础知识练习221

能力拓展与训练225第6章数据思维——数据的组织、管理与挖掘226

6.1数据的组织和管理226

6.1.1数据结构226

6.1.2档案系统和资料库232

6.2挖掘数据的潜在价值——数据仓库与数据挖掘235

6.2.1大数据235

6.2.2数据挖掘237

6.2.3数据仓库238

基础知识练习240

能力拓展与训练240第7章网路化思维241

7.1计算机网路的基本知识241

7.1.1计算机网路的基本概念241

7.1.2计算机网路的传输介质244

7.1.3计算机网路的拓扑结构246

7.1.4计算机网路协定249

7.1.5计算机网路设备251

7.1.6区域网路253

7.2Internet概述254

7.2.1Internet的形成与发展254

7.2.2Internet在中国的发展255

7.2.3Internet提供的主要服务255

7.2.4Internet基本技术257

7.2.5物联网262

基础知识练习263

能力拓展与训练263第8章伦理思维——信息安全与信息伦理267

8.1信息安全267

8.1.1信息安全的概念267

8.1.2计算机病毒及其防範267

8.1.3网路安全270

8.1.4数据加密272

8.2信息伦理273

8.2.1信息伦理的产生273

8.2.2信息伦理準则与规範274

8.2.3计算机伦理、网路伦理与信息产业人员道德规範275

8.2.4智慧财产权278

基础知识练习280

能力拓展与训练280

附录284

参考文献286