本书以计算思维为主线，介绍计算机的基本原理和应用思想。书中将计算思维具体化，并组织成如下6章：第1章 计算符号化思维、第2章 计算自动化与智能化思维、第3章 工程化问题求解思维与方法、第4章 算法思维、第5章 协同计算、第6章 计算虚拟化。 书中把一般有关信息技术的知识、技术和方法，纳入到有关的计算思维框架中作为实例介绍，让读者从更高层次上来认识和理解这些知识、技术和方法，以启发创新思维，进入一个更高境界。 本书讲解深入浅出、思路清晰，可以作为计算机及其相关专业的导论性课程的教材，也可作为高等理工科专业的计算机（信息技术）公共课教材，还可供有关培训班使用和有关专业技术人员参考。

将计算思维具体化为符号化思维、计算自动化与智能化思维、计算工程化思维、算法思维、协同计算思维和计算抽象化思维。? 把信息技术与理论纳入计算思维框架，使学习者获得更开阔的视野和更高的思维境界。? 力求结构严谨、内容清新、概念精准，强化思维启发、知识建构、创新培养。
流行性。书中讲解的都是JavaSE开发过程中*教材＋练习册＋上机指导53个实例，10道上机实验题，306道复习题

前言

1. 中国高等学校计算机（信息技术）基础教育发展的3个阶段

20世纪70年代中期，计算机应用之风吹到了中国大地，随之部分大学开始以

公共课的形式进行普及计算机的教学。为了交流，由我国著名的天津大学许

镇宇教授牵头，于1982年在庐山、1983年夏天在泰安连续两年召开了全国性

的高校计算机普及教育研讨会。

作者当时也在兼任这方面的工作，参加了1983年在泰安举办的会议，并拿着

自己编写的一套讲义与会展示、交流。这套讲义的内容包括二进制编码、逻

辑运算基础、计算机组成、操作系统（以DOS为例）、数据库（DBASE）和

BASIC程序设计，交流、展示后，受到许镇宇教授和与会代表的高度评价和赞

誉。在当时计算机基础教育处于起步摸索的阶段，这套讲义被大家称为中国

计算机基础教学的第一套教材。此后，正式出版的计算机基础教材才陆续问

世。

按照泰山会议的共识，1984年全国高校计算机基础教育研究会在黄山成立。

作者也以极大的热情参加了研究会的工作，并长期担任理事、常务理事、学

术委员会副主任、课程建设委员会副主任、财经信息管理委员会副主任等职

务，亲自见证并积极参与了中国高等学校计算机（信息技术）基础教育的研

究与实践。纵观这个历程，大致可以分为3个阶段。

1）面向信息（计算机）扫盲的计算机文化教育阶段

我国高校的计算机基础教育是从普及的初衷开始的。那时，国外也大致如此

。对此影响比较大的一件事是1981年，第三届世界计算机教育会议提出了

计算机文化教育的观点。第二件事是联合国教科文组织关于文盲概念

的标准的修改：在很长的时期内，人们把文盲定义为不识字的人；20世

纪70年代，联合国教科文组织又把文盲界定为不认识现代信息符号、图标

的人；之后又把文盲界定为不能应用计算机进行信息交流与管理的人

。第三件事是20世纪80年代中后期开始的以信息高速公路建设为主题的

信息化热潮。第四件事是微软公司的Windows操作系统的问世。第五件事是

Web技术的出现。伴随着这5件事的发生，我国高等学校的计算机基础教育内

容也不断更新，具体表现如下。

（1）部分学校将计算机基础课程改称计算机文化信息技术，以此名

称命名的教材开始大量出现。

（2）在内容上不断完善，先后增加了文字处理（最初是金山的WPS）、计算

机网络和多媒体技术。

（3）在平台上，由DOS逐渐转向Windows。

作者作为那个时期的弄潮儿，抢先推出了介绍Windows及其应用的教材《计算

机信息处理平台基础教程》（电子工业出版社，1997年10月，ISBN为978-7-

505-34231-6）和《信息技术与信息化基础教程》（电子工业出版社，1998年

1月，ISBN为978-7-505-34466-2）。

随着信息化浪潮的推进，我国高校计算机基础教育走向成熟，开始向高层次

发展。进入20世纪90年代中期，三层次教育的思路开始形成。1998年4月6日

的《计算机世界》上，发表了全国高等学校计算机基础教育研究会组织的两

个完整的改革方案：一个是理工类，一个是非理工类。作者撰写了其中的《

高校计算机基础教育改革方案（征求意见稿）》（适合于非理工专业）。在

这个方案中提出的三层次方案是公共基础层（面向各专业的公共基础课）、

面向专业群的技术基础层和结合专业的专业技术层。全国高校计算机基础教

育研究会于1998年10月在南昌召开的全国年会上，正式推出了这两个面向21

世纪的改革方案。

配合这个方案，作者编写了《大学计算机应用基础教程》《大学计算机应用

实验教程》《大学计算机技术基础教程》和《大学计算机技术实验教程》，

于1999年7月由科学出版社出版。

这套书的基本思想是将计算机基础分为技术和应用两部分，分别由主教材和

实验教材两部分组成。之所以这样分割，是因为当时已经出现了从中学到研

究生，计算机基础教学都是协同的内容、相同的面孔的局面。这套书率先启

用了大学计算机的名称。可以说，它们是那个时期大学计算机的总结。

2）面向信息素养的大学计算机教育阶段

计算机基础教育的改革，不仅是内容的更新，更重要的是教育思想、教育理

念的提升。

1974年，美国信息产业协会主席Paul Zurkowski率先提出了信息素养

（Information Literacy）这一全新概念，并解释为利用大量的信息工具

及主要信息源使问题得到解答的技能。 1989年，美国图书馆协会

（American Library Association，ALA）下设的信息素养总统委员会在

其年度报告中对信息素养的含义进行了重新概括：要成为一个有信息素养

的人，就必须能够确定何时需要信息并且能够有效地查寻、评价和使用所需

要的信息。

1992年，Doyle在《信息素养全美论坛的终结报告》中将信息素养定义为：一

个具有信息素养的人，他能够认识到精确的和完整的信息是做出合理决策的

基础，确定对信息的需求，形成基于信息需求的问题，确定潜在的信息源，

制定成功的检索方案，从包括基于计算机和其他信息源获取信息、评价信息

、组织信息于实际的应用，将新信息与原有的知识体系进行融合以及在批判

性思考和问题解决的过程中使用信息。

1998年，美国图书馆协会和教育传播协会制定了学生学习的九大信息素养标

准，概括了信息素养的具体内容。

标准一：具有信息素养的学生能够有效地和高效地获取信息。

标准二：具有信息素养的学生能够熟练地和批判地评价信息。

标准三：具有信息素养的学生能够有精确地、创造性地使用信息。

标准四：作为一个独立学习者的学生具有信息素养，并能探求与个人兴趣有

关的信息。

标准五：作为一个独立学习者的学生具有信息素养，并能欣赏作品和其他对

信息进行创造性表达的内容。

标准六：作为一个独立学习者的学生具有信息素养，并能力争在信息查询和

知识创新中做得最好。

标准七：对学习社区和社会有积极贡献的学生具有信息素养，并能认识信息

对民主化社会的重要性。

标准八：对学习社区和社会有积极贡献的学生具有信息素养，并能实行与信

息和信息技术相关的符合伦理道德的行为。

标准九：对学习社区和社会有积极贡献的学生具有信息素养，并能积极参与

小组的活动探求和创建信息。

可以看出，美国提出的信息素养概念则包括3个层面：文化层面（知识方面）

、信息意识（意识方面）和信息技能（技术方面）。

古人云：马不伏历（枥），不可以趋道；士不素养，不可重国（《汉书

·李寻传》）。在人类社会发展的历史长河中，素养是一个永恒的话题。何

谓素养？其实非常简单：素即素质（Quality），养即教养。所以，素养就是

人的素质和教养。然而，什么是素质呢？在不同的文化背景下，它有不同的

定义，有不同的要求。信息素养是信息时代素质教育的核心内容。这个概念

一经提出，便得到广泛传播和使用。世界各国的研究机构纷纷围绕如何提高

信息素养展开了广泛的探索和深入的研究，对信息素养概念的界定、内涵和

评价标准等提出了一系列新的见解。

作者作为当时全国高等学校计算机基础教育研究会的常务理事和课程建设委

员会副主任，作为一位有责任的大学老师，有义务推行这一新概念和新理念

，并连续发表了几篇文章。

（1）《关于高校IT基础教育改革的几点思考》，高教出版信息，2002年第11

期。

（2）《信息素养21世纪计算机基础教育的坐标系》，教育信息化，2002

年第9期。

（3）《论高等信息素养教育》，计算机教育，创刊号（2003年12月1日）。

（4）《关于新时期高等学校信息基础教育第一门课的思考》，计算机教育，

2004年第1期。

（5）《高等信息素养教育框架》，计算机教育，2004年第2、3期合刊。

同时，编写了如下相应的教材。

（1）《大学生信息素养知识教程》，南京大学出版社，2007年5月，ISBN为

978-7-305-　05060-2。

（2）《大学生信息素养能力教程》，南京大学出版社，2007年5月，ISBN为

978-7-305-　05061-9。

（3）《信息素养大学教程（知识篇）》，人民邮电出版社，2013年9月，

ISBN为978-7-115-31930-2。

（4）《信息素养大学教程（实践篇）》，人民邮电出版社，2013年9月，

ISBN为978-7-115-31866-4。

3）面向计算思维培养的大学计算机教育阶段

人的素质就是人的生理元素和思维元素的质量。人的素质的高低，与人天生

的生理元素和思维元素的多少有关，也与后天培养的生理组织的健康程度和

思维系统的健全程度有关。所以在素质教育中，思维训练是极为重要的核心

内容。

2006年3月，美国卡内基?梅隆（Camegie Mellon）大学计算机科学系原主任

、时任美国国家科学基金会计算机与信息科学与工程学部负责人的周以真（

见图0.1）教授在美国计算机权威期刊Communications of the ACM杂志上正

式提出了计算思维（Computational Thinking）的概念，并推动一项计

划：力图使所有的人都能运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设

计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。

后来，周以真教授又对它做了进一步的详细阐释。

（1）通过约简、嵌入、转化和仿真等方法，把一个看来困难的问题重新阐释

成一个人们知道问题怎样解决的方法。

（2）计算思维是一种递归思维，是一种并行处理，是一种把代码译成数据又

能把数据译成代码，是一种多维分析推广的类型检查方法。

（3）计算思维是一种采用抽象和分解来控制庞杂的任务或进行巨大复杂系统

设计的方法，是基于关注分离的方法（SOC方法）。

（4）计算思维是一种选择合适的方式去陈述一个问题，或对一个问题的相关

方面建模使其易于处理的思维方法。

（5）计算思维是按照预防、保护及通过冗余、容错、纠错的方式，并从最坏

情况进行系统恢复的一种思维方法。

（6）计算思维是利用启发式推理寻求解答，也即在不确定情况下的规划、学

习和调度的思维方法。

（7）计算思维是利用海量数据来加快计算，在时间和空间之间，在处理能力

和存储容量之间进行折中的思维方法。

计算思维是一种概念，也是一种思想、一种教育理念。2011年被陈国良院士

等人传播到国内，不仅影响计算机及其相关专业的教育，而且影响高等学校

计算机基础教育，把中国的计算机基础教育带进一个新的时期计算思维

教育阶段。

2. 本书的写作思想

周以真教授提出的计算思维，不仅为计算机教育带来新的思想，而且会影响

整个教育体制的理念。但是，这不能只靠周以真教授一人，还需要更多的人

去发展、去展开、去实践、去推行。这就是本书写作的基本思想。

关于计算思维本身，本人将其具体化为如下一些具体的思维。

（1）计算符号化思维。

（2）计算自动化与智能化思维。

（3）工程化问题求解思维。

（4）算法思维。

（5）协同计算。

（6）计算虚拟化。

这些思维不仅造就了计算、计算机本身，而且已经延伸到几乎所有领域。介

绍这些思维模式，有助于各个领域的创新发展和技术进步，这也是本书内容

组织的框架。

按照上述计算思维所包含的内容，本书分为相应的6章，并把有关信息技术的

介绍放进有关章节。这样的一种组织模式，旨在使当代大学生站在一个较高

的高度，从一个较宽的视野，获得一些较深的启迪。

为了适应不同读者的学习需求，本书前5章都设了一个知识链接栏目。这

个栏目的内容可以选学。

3. 希望与感谢

本书完全围绕计算思维，贯穿了新思想，采用了新提法，组织了新内容

，形成了新体系。这一切都是尝试。它的不成熟、不完整、不确切已经估计

到了。但作者水平也就如此，不过也留下了一个能让更多的人参与的空间。

希望有关读者、专家能就此展开讨论，提出宝贵意见，将这个事业不断向前

、向新推进。

在本书写作过程中，参考了大量资料。有些已经在相关参考文献中列出，有

些因为是网络佚名作者，还有些已经多次辗转引用，无法找到原始作者。在

此谨表感谢。

在本书写作过程中，赵忠孝、古辉、张秋菊、史林娟、张展为、董兆军、张

友明、戴璐等也参加了部分工作，也在此一并感谢。

张基温

2017年7月15日

于广州小

海之畔

·I·

张基温， 先后担任名古屋大学访问学者，山西财经大学、江南大学、华东政法大学、常熟理工学院、福建工程学院、广西职业技术学院、晋城学院等多所大学的专职、客座或兼职教授；兼任北京大学博雅方略城市发展与信息化研究中心研究员，南京大学出版社总编顾问，太原高新技术区IT研究院实验室主任，山西省紧缺人才专家委员会副主任，中国信息经济学会常务理事，全国高等院校计算机基础教育研究会常务理事兼课程建设委员会副主任，中国计算机学会教育专业委员会委员，国家NIT考试委员会委员，江苏省计算机基础教学指导委员会委员，山西省新世纪专家学者协会副会长。为清华大学出版社、电子工业出版社、中国水利水电出版社、南京大学出版社、中国铁道出版社等主编了信息管理与信息系统专业、计算机实验与实践、大学生信息素养等多个系列教材。研究和教学领域涉及计算机科学与技术、信息管理、信息经济学、电子政务与电子商务、服务科学，计算机基础教育，发表论文百余篇，已出版著作百余种。在计算机基础教育领域，在1983年的泰山会议上介绍了编写并试用多次的计算机基础讲义；于1987年率先出版了一套介绍Windows系统和Web知识的计算机基础教材（科学出版社）；从2001年开始积极倡导将计算机基础教育纳入到信息素养教育轨道，并出版了相应的教材。

目录

第1章 计算符号化思维 1

1.1 信息与符号 1

1.1.1 信息 1

1.1.2 符号 1

1.1.3 八卦符号 3

1.2 数值的0、1编码 6

1.2.1 十进制数与二进制数 6

1.2.2 基于二进制的运算规则 6

1.2.3 二进制与十进制之间的转换 8

1.2.4 原码、反码、补码和移码 10

1.2.5 机器数的浮点形式与定点形式 13

1.3 非数值的0、1编码 14

1.3.1 声音的0、1编码 14

1.3.2 图形/图像的0、1编码 16

1.3.3 文字的0、1编码 19

1.3.4 指令的0、1编码与计算机程序设计语言 22

1.4 抗干扰编码 24

1.4.1 数据传输中的错误 24

1.4.2 奇偶校验 25

1.5 条形码 26

1.5.1 一维条形码 26

1.5.2 二维条形码 33

1.5.3 其他条形码 36

1.6 数字逻辑 37

1.6.1 布尔代数基本法则 37

1.6.2 逻辑代数的基本定律 39

1.6.3 组合逻辑电路 39

1.7 数字系统中的信息单位与量级 40

1.7.1 数字系统中的信息单位 40

1.7.2 数字系统中的量级 41

习题1 41

参考文献1 43

第2章 计算自动化与智能化思维 44

2.1 计算工具的进步 44

2.1.1 程序控制工具的原型 算盘 44

2.1.2 提花机与Babbage计算模型 45

2.1.3 计算机进入内动力时代 48

2.2 Neumann计算机组成 54

2.2.1 Neumann计算模型 54

2.2.2 计算机存储器 55

2.2.3 计算机控制器 60

2.2.4 总线 62

2.2.5 主板 67

2.3 Neumann体系改进 72

2.3.1 从以运算器为中心到以存储器为中心 72

2.3.2 从串行结构到并行结构 73

2.3.3 哈佛模型与拟态计算机 75

2.4 计算机系统 76

2.4.1 计算机的自我管理 76

2.4.2 操作系统的功能结构 77

2.4.3 现代计算机系统结构 79

2.4.4 自动计算理论的再讨论 80

2.5 计算性能及其评测 80

2.5.1 计算机的主要性能指标 80

2.5.2 天梯图 85

2.6 计算智能化 86

2.6.1 人工智能 86

2.6.2 智能计算机 92

2.6.3 人工神经元网络 94

习题2 97

参考文献2 99

第3章 工程化问题求解思维 100

3.1 面向过程的程序开发 100

3.1.1 数据类型 100

3.1.2 标识符及其声明 102

3.1.3 表达式 103

3.1.4 操作符与表达式的求值规则 106

3.1.5 语句及其流程控制 109

3.1.6 组织过程 112

3.1.7 库函数与头文件 116

3.1.8 派生数据类型 116

3.2 面向对象程序开发 122

3.2.1 对象模型的建立和对象的生成 122

3.2.2 对象的生成 123

3.2.3 继承与聚合 124

3.3 程序错误和异常 126

3.3.1 程序错误和异常 126

3.3.2 程序测试及其形式 127

3.3.3 程序的结构测试 128

3.3.4 程序的功能测试 130

3.4 软件工程 134

3.4.1 软件开发过程及其模型 134

3.4.2 程序设计风格和规范 136

3.4.3 软件开发工具与环境 138

3.4.4 软件再工程 141

3.4.5 复用技术对OO方法的支持 143

3.5 知识链接 145

3.5.1 领域工程 145

3.5.2 软件能力成熟度模型 145

习题3 147

参考文献3 148

第4章 算法思维 149

4.1 算法基础 149

4.1.1 穷举 149

4.1.2 迭代与递推 150

4.1.3 递归 152

4.2 模拟算法 154

4.2.1 产品随机抽样 154

4.2.2 用蒙特卡洛方法求(的近似值 157

4.2.3 事件步长法 中子扩散问题 158

4.2.4 时间步长法 盐水池问题 161

4.3 数组元素的排序与查找 164

4.3.1 直接选择排序 165

4.3.2 冒泡排序 167

4.3.3 二分查找 168

4.4 常用算法设计策略 170

4.4.1 分治 170

4.4.2 回溯 173

4.4.3 贪心策略 177

4.4.4 动态规划 180

4.5 算法综述 182

4.5.1 算法及其要素 182

4.5.2 算法的中间描述工具 183

4.5.3 算法的特征 188

4.5.4 算法评价 189

4.6 知识链接 190

4.6.1 数据结构 190

4.6.2 文本压缩算法 195

4.6.3 搜索引擎网页排序算法 198

4.6.4 数据挖掘算法 201

习题4 206

参考文献4 215

第5章 协同计算 216

5.1 层次型协同 216

5.1.1 计算机系统的层次协同 216

5.1.2 计算机网络的层次模型 217

5.1.3 数据库的三级模式 223

5.2 协议型协同 225

5.2.1 地址类协议 225

5.2.2 认证类协议 232

5.2.3 可靠传输协议 235

5.3 时序控制型协同 239

5.3.1 计算机微操作的时序控制 240

5.3.2 通信中的时序控制 242

5.3.3 TCP连接与释放 245

5.4 中间代理型协同 248

5.4.1 代理服务器 248

5.4.2 I/O接口 249

5.4.3 中间件技术 252

5.4.4 网络协同攻击 254

5.5 资源共享型协同 261

5.5.1 竞争型资源共享 261

5.5.2 基于优先权的资源共享 264

5.5.3 封锁性资源共享 268

5.6 并行计算 271

5.6.1 并行性及其等级 271

5.6.2 基于并行性的处理器体系Flynn分类 272

5.6.3 并行性开发的基本思想 274

5.7 计算机支持的协同工作 275

5.7.1 计算机支持的协同工作概述 275

5.7.2 CSCW的类型 276

5.8 物联网 276

5.8.1 物联网的技术架构 276

5.8.2 物联网公共技术 277

习题5 278

参考文献5 280

第6章 计算虚拟化 281

6.1 计算虚拟化概述 281

6.1.1 虚拟化：模式与优势 281

6.1.2 计算虚拟化：特点与部署 282

6.1.3 计算虚拟化的解决方案与实现技术 283

6.2 CPU虚拟化 285

6.2.1 指令重叠与流水 285

6.2.2 VMM技术 286

6.2.3 迁移技术 287

6.3 I/O虚拟化 288

6.3.1 I/O虚拟化思路 288

6.3.2 基于VMM的I/O虚拟化 289

6.3.3 虚拟现实、增强现实与现实虚拟 290

6.4 桌面虚拟化 297

6.4.1 桌面虚拟化及其发展 297

6.4.2 桌面虚拟化技术构架 298

6.4.3 桌面虚拟化应用模式 299

6.5 网络虚拟化 301

6.5.1 分组交换、虚电路与数据报 301

6.5.2 信道的多路复用 306

6.5.3 虚拟局域网VLAN 310

6.5.4 虚拟专用网VPN 312

6.5.5 交换机虚拟化 313

6.5.6 服务器虚拟化 315

6.6 存储虚拟化 317

6.6.1 概述 317

6.6.2 虚拟存储器 318

6.6.3 Cache-主存机制 321

6.6.4 基于VMM的内存虚拟化 324

6.6.5 网络存储模式与云存储 325

6.7 云计算、雾计算与霾计算 329

6.7.1 云计算 329

6.7.2 雾计算、边缘计算与霾计算 333

6.8 软件定义计算 334

6.8.1 软件定义网络 335

6.8.2 软件定义存储 338

6.8.3 云计算、大数据 软件定义的主领域 340

习题6 341

参考文献6 343

·VII·