第 1章　什么是計算思維　1

1.1　趣味故事：用小白鼠檢驗毒水瓶　1

1.2　什么是計算思維　2

1.2.1　二進制思維　2

1.2.2　二分法人類普遍應(yīng)用的思維　3

1.2.3　過程化與符號變換思維　4

1.2.4　計算思維的概念　5

1.3　擴展學習：計算思維的價值在哪里　5

1.3.1　0和1及其特性　6

1.3.2　偶校驗：判斷數(shù)據(jù)傳輸有無錯誤　7

1.3.3　類比小白鼠問題判斷哪一位出錯　8

1.4　基礎(chǔ)知識：進位制及其相互轉(zhuǎn)換　10

1.4.1　二進制、十進制與r進制　10

1.4.2　進位制之間的相互轉(zhuǎn)換　12

1.5　計算之樹大學計算思維教育空間　14

1.6　為什么要學習和怎樣學習計算思維　15

1.6.1　為什么：設(shè)計、構(gòu)造和應(yīng)用典型的計算工具需要計算思維　15

1.6.2　怎樣學：了解認知學習的不同深度　16

1.6.3　怎樣學：對比聯(lián)想式學習方法　16

第　2章 計算思維基礎(chǔ)：0和1與邏輯　17

2.1　用0和1表示萬事萬物　17

2.1.1　用0和1進行編碼　17

2.1.2　用0和1編碼表示英文字母與符號　18

2.1.3　用0和1表示中文文字　19

2.1.4　用0和1表示圖像　21

2.1.5　習與練：識別0/1串表示的語義　22

2.1.6　擴展學習：用0和1表示萬事萬物　23

2.2　用0和1與邏輯表達計算　26

2.2.1　基本邏輯運算：與、或、非、異或　26

2.2.2　基于0和1表達的邏輯運算　27

2.2.3　習與練：應(yīng)用邏輯運算表達復(fù)雜計算關(guān)系　28

2.3　用0和1與邏輯實現(xiàn)自動化　31

2.3.1　用開關(guān)性元件實現(xiàn)基本邏輯運算　31

2.3.2　用另一種符號表達邏輯運算　31

2.3.3　習與練：應(yīng)用邏輯運算認識電子電路　32

2.4　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　33

2.4.1　為什么：符號化計算化自動化思維是計算機最本質(zhì)的思維模式　33

2.4.2　怎樣學：習練式學習方法　34

第3章　計算思維基礎(chǔ)：0和1與機器程序　35

3.1　如何讓機器自動計算一個多項式　35

3.2　用0和1表達機器中的數(shù)據(jù)：機器數(shù)　36

3.2.1　機器存儲數(shù)據(jù)的一些限制　36

3.2.2　有符號數(shù)及符號的表達　37

3.2.3　擴展學習：小數(shù)點的表達　39

3.2.4　擴展學習：減法是可以用加法實現(xiàn)的　40

3.3　用0和1表達機器能夠完成的動作（指令）：一種形式的編碼　42

3.4　用0和1表達機器程序　43

3.4.1　習與練：讀一讀機器程序　43

3.4.2　習與練：改一改機器程序　44

3.5　基礎(chǔ)知識：機器語言、匯編語言與高級語言　45

3.5.1　計算機語言　45

3.5.2　機器語言及微程序語言　46

3.5.3　匯編語言　46

3.5.4　高級語言　46

3.6　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　48

3.6.1　為什么：數(shù)據(jù)、指令和程序是計算思維最基本的內(nèi)容　48

3.6.2　怎樣學：體驗式學習方法　48

第4章　機器程序的執(zhí)行　49

4.1　機器數(shù)據(jù)和機器程序的保存與讀寫：存儲器　49

4.1.1　存儲單元：存儲地址與存儲內(nèi)容的區(qū)別　49

4.1.2　習與練：讀一讀存儲器中的程序與數(shù)據(jù)　51

4.2　從概念層面理解機器程序的執(zhí)行　54

4.3　從內(nèi)部結(jié)構(gòu)層面理解機器程序的執(zhí)行　55

4.3.1　運算器：實現(xiàn)基本運算的部件　55

4.3.2　控制器：機器程序的解讀與執(zhí)行部件　55

4.3.3　一臺完整的計算機　56

4.3.4　擴展學習：信號傳遞次序的控制機制時鐘與節(jié)拍　57

4.4　從動態(tài)執(zhí)行過程層面理解機器程序的執(zhí)行　58

4.4.1　機器指令的執(zhí)行：取指令與執(zhí)行指令　58

4.4.2　習與練：場景中模擬機器程序的執(zhí)行　60

4.5　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　63

4.5.1　為什么：學習計算機，首先要理解機器程序是如何被執(zhí)行的　63

4.5.2　怎樣學：場景理解式學習方法　63

第5章　程序構(gòu)造是一種計算思維　65

5.1　表達程序的一種簡單方法：數(shù)值與運算組合式　65

5.1.1　一種簡單的語言：運算組合式　65

5.1.2　習與練：用運算組合式進行組合構(gòu)造訓(xùn)練　67

5.2　程序構(gòu)造基本命名計算對象　69

5.2.1　計算對象的命名、再構(gòu)造與計算執(zhí)行　69

5.2.2　習與練：計算對象的命名、再構(gòu)造與計算執(zhí)行　70

5.3　程序構(gòu)造基本：定義新運算/新過程　70

5.3.1　定義新運算符，即新的運算（或新的過程）　70

5.3.2　習與練：新運算符的定義、使用與計算執(zhí)行　72

5.3.3　運算組合式的兩種計算模式　75

5.4　擴展學習：復(fù)雜程序的構(gòu)造　75

5.4.1　運算組合式中條件的表達方法　75

5.4.2　習與練：用條件運算組合式構(gòu)造復(fù)雜的程序　77

5.5　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　79

5.5.1　為什么：程序是體現(xiàn)計算系統(tǒng)千變?nèi)f化功能的表達手段　79

5.5.2　怎樣學：練中學與學中練　80

第6章　程序的基本構(gòu)造手段：遞歸與迭代　81

6.1　一些需要遞歸表達的示例　81

6.2　計算中的遞推式與遞歸函數(shù)　83

6.2.1　遞推式與遞歸函數(shù)的概念　83

6.2.2　習與練：體驗遞歸函數(shù)的構(gòu)造魅力　84

6.3　體驗兩種不同遞歸函數(shù)的魅力　86

6.3.1　習與練：體驗兩種遞歸函數(shù)的計算過程　86

6.3.2　兩種遞歸函數(shù)的計算過程分析　87

6.4　習與練：遞歸與迭代的運用　88

6.4.1　語言語法要素的遞歸定義及運用　88

6.4.2　漢諾塔一種似乎只能用遞歸求解的問題　91

6.5　擴展學習：遞歸程序的執(zhí)行過程　92

6.5.1　實現(xiàn)階乘運算的遞歸程序和迭代程序執(zhí)行過程比較　92

6.5.2　實現(xiàn)斐波那契數(shù)列的遞歸程序和迭代程序執(zhí)行過程比較　94

6.6　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　96

6.6.1　為什么：遞歸和迭代是表達機器重復(fù)執(zhí)行動作的基本方法　96

6.6.2　怎樣學：模擬式學習方法　96

第7章　計算機語言與程序編寫　97

7.1　一個高級語言程序設(shè)計的示例及分析　97

7.2　高級語言程序的基本要素　100

7.2.1　常量、變量與賦值語句　100

7.2.2　算術(shù)表達式、比較表達式與邏輯表達式　101

7.2.3　分支結(jié)構(gòu)控制語句If　102

7.2.4　有界循環(huán)結(jié)構(gòu)控制語句For　103

7.2.5　條件循環(huán)結(jié)構(gòu)控制語句Do While　104

7.2.6　函數(shù)結(jié)構(gòu)語句　104

7.2.7　系統(tǒng)函數(shù)及其調(diào)用　106

7.2.8　幾種計算機語言的程序基本要素書寫規(guī)范比較　106

7.3　習與練：用高級語言編寫程序　108

7.3.1　基本表達式及賦值語句的書寫練習　108

7.3.2　基本程序控制語句的書寫練習　109

7.3.3　啤酒瓶問題求解的程序設(shè)計　110

7.3.4　利用差分法求解多項式的程序設(shè)計：迭代法　111

7.3.5　閱讀并模擬執(zhí)行高級語言程序　113

7.4　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　115

7.4.1　為什么：計算機語言是人與機器交流的工具　115

7.4.2　怎樣學：寫程序與讀程序　115

第8章　理解復(fù)雜計算環(huán)境：計算思維與管理　116

8.1　基本的計算環(huán)境：存儲體系　116

8.1.1　不同類型的存儲器　116

8.1.2　不同類型的存儲器需組合使用，實現(xiàn)性能價格的優(yōu)化　117

8.1.3　現(xiàn)代計算機的基本計算環(huán)境　119

8.2　計算環(huán)境的管理者：操作系統(tǒng)　120

8.2.1　操作系統(tǒng)的作用　120

8.2.2　分工合作協(xié)同思維理解操作系統(tǒng)　121

8.3　習與練：存儲資源的化整為零與還零為整　123

8.3.1　一個化整為零的示例　123

8.3.2　磁盤與文件管理　124

8.3.3　進一步理解化整為零與還零為整　127

8.4　現(xiàn)代計算機的演進與發(fā)展　130

8.4.1　了解操作系統(tǒng)管理CPU的方式　130

8.4.2　現(xiàn)代計算機的演進與發(fā)展　132

8.5　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　134

8.5.1　為什么：由理解計算資源的管理到理解社會資源的管理　134

8.5.2　怎樣學：化復(fù)雜為簡單　135

第9章　問題求解策略與算法表達　136

9.1　問題求解與算法：兩個問題的提出　136

9.2　算法及其基本表達方法　139

9.2.1　一種問題求解思維及算法的概念　139

9.2.2　算法的3種基本表達方法　140

9.2.3　習與練：基本算法的表達　142

9.3　習與練：用遍歷策略與貪心策略進行問題求解　147

9.3.1　用遍歷策略求解TSP問題與背包問題　147

9.3.2　遍歷策略求解存在什么問題　149

9.3.3　用貪心策略求解TSP問題與背包問題　151

*9.4　習與練：算法表達　153

9.4.1　TSP問題求解的算法表達　153

9.4.2　背包問題求解的算法表達　154

9.5　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　156

9.5.1　為什么：所有的計算問題都體現(xiàn)為算法　156

9.5.2　怎樣學：閱讀算法、表達算法與構(gòu)造算法　156

第　10章 數(shù)據(jù)管理思維也是一種計算思維　158

10.1　數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)管理　158

10.2　數(shù)據(jù)的基本形態(tài)：表與關(guān)系　159

10.2.1　熟悉表及其相關(guān)的術(shù)語　159

10.2.2　習與練：深入理解表/關(guān)系的特性　161

10.3　數(shù)據(jù)表的基本操作：關(guān)系操作　164

10.3.1　熟悉表的基本操作：關(guān)系操作　164

10.3.2　習與練：用關(guān)系操作及其組合操縱數(shù)據(jù)　165

10.4　擴展學習：關(guān)系及關(guān)系代數(shù)　170

10.4.1　關(guān)系：表的數(shù)學定義　170

10.4.2　關(guān)系代數(shù)：表操作的數(shù)學定義　172

10.5　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　175

10.5.1　為什么：數(shù)據(jù)管理需要抽象、理論和設(shè)計　175

10.5.2　怎樣學：理解區(qū)分命名表達　176

第　11章 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫語言　177

11.1　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)　177

11.1.1　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)　177

11.1.2　關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本思維模式　179

11.2　關(guān)系數(shù)據(jù)庫語言SQL　180

11.2.1　由關(guān)系模型初步認識SQL　180

11.2.2　SQL語言總體概覽　181

11.2.3　熟悉建立數(shù)據(jù)庫的SQL語句　182

11.2.4　習與練：利用SQL語言建立數(shù)據(jù)庫　183

11.3　習與練：用SQL語言進行數(shù)據(jù)查詢　184

11.3.1　熟悉SELECT-FROM-WHERE-ORDER BY語句　184

11.3.2　習與練：用SELECT-FROM-WHERE-ORDERBY語句進行數(shù)據(jù)查詢　185

11.4　習與練：用SQL語言進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算　189

11.4.1　熟悉SELECT-FROM-WHERE-GROUP BY語句　189

11.4.2　習與練：用SELECT-FROM-WHERE-GROUP BY語句進行統(tǒng)計計算　189

*11.5　擴展學習：用SQL語言進行復(fù)雜查詢　192

11.5.1　熟悉子查詢　192

11.5.2　利用子查詢進行復(fù)雜查詢　193

*11.6　擴展學習：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的功能　194

11.7　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　196

11.7.1　為什么：數(shù)據(jù)管理也是計算思維　196

11.7.2　怎樣學：案例式對比式學習　196

第　12章 數(shù)據(jù)與社會：數(shù)據(jù)也是生產(chǎn)力　197

12.1　什么是大數(shù)據(jù)　197

12.2　數(shù)據(jù)分析示例：多維數(shù)據(jù)分析　198

12.2.1　一個例子：超市數(shù)據(jù)庫　198

12.2.2　熟悉最基本的數(shù)據(jù)分析方法二維交叉表　200

12.2.3　由二維數(shù)據(jù)分析發(fā)展為多維數(shù)據(jù)分析　201

12.3　數(shù)據(jù)挖掘示例：炒股不看股盤看微博　204

12.3.1　啤酒與尿布的故事　204

12.3.2　理解一些基本概念　204

12.3.3　由事務(wù)數(shù)據(jù)庫挖掘關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)挖掘示例　206

12.3.4　還能挖掘什么樣的規(guī)則　209

12.3.5　還能從哪些形式數(shù)據(jù)中挖掘　210

12.4　大數(shù)據(jù)與社會　211

12.4.1　大數(shù)據(jù)運用的一個例子　211

12.4.2　大數(shù)據(jù)價值發(fā)現(xiàn)：不一樣的思維　212

12.4.3　大數(shù)據(jù)的隱私問題　213

*12.5　擴展學習：大數(shù)據(jù)的管理　213

12.5.1　大數(shù)據(jù)管理：由結(jié)構(gòu)化到非結(jié)構(gòu)化　213

12.5.2　各種資源聚集成庫　215

12.6　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　216

12.6.1　為什么：大數(shù)據(jù)改變了人的觀念，不可能的也許就是可能　216

12.6.2　怎樣學習：思維上要浮想聯(lián)翩，技術(shù)上要不求甚解　216

第　13章 網(wǎng)絡(luò)化社會基礎(chǔ)：計算機網(wǎng)絡(luò)　218

13.1　計算機網(wǎng)絡(luò)社會互聯(lián)的基礎(chǔ)　218

13.1.1　通信基礎(chǔ)　218

13.1.2　協(xié)議、分層與不同的編解碼器　223

13.1.3　計算機網(wǎng)絡(luò)的分類　226

13.2　對比郵政網(wǎng)絡(luò)，理解計算機網(wǎng)絡(luò)　228

13.2.1　解剖郵政網(wǎng)絡(luò)　228

13.2.2　對比郵政網(wǎng)絡(luò)，理解計算機網(wǎng)絡(luò)中的有關(guān)層次及概念　229

13.3　擴展學習：TCP/IP不同層次協(xié)議的簡要解析　233

13.3.1　網(wǎng)絡(luò)層（IP層）對應(yīng)收發(fā)郵局層　233

13.3.2　應(yīng)用層協(xié)議對應(yīng)發(fā)件人/收件人層　235

13.3.3　傳輸層協(xié)議對應(yīng)聚集點/分送點層　237

13.3.4　數(shù)據(jù)鏈路層對應(yīng)發(fā)送站點/接收站點層　239

13.3.5　物理層對應(yīng)運輸層　239

13.4　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　240

13.4.1　為什么：互聯(lián)互通是信息社會的高級階段　240

13.4.2　怎樣學習：類比分析式學習法　240

第　14章 信息網(wǎng)絡(luò)：信息組織與信息傳播的基本思維　241

14.1　機器成為信息的新載體，互聯(lián)網(wǎng)成為信息傳播的新手段　241

14.2　標記語言：信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)　243

14.2.1　熟悉信息網(wǎng)絡(luò)中一種廣泛應(yīng)用的語言：標記語言　243

14.2.2　萬維網(wǎng)的基本思維　246

14.3　無限資源庫的發(fā)掘和利用　250

14.3.1　網(wǎng)絡(luò)自動搜索搜索引擎　251

14.3.2　互聯(lián)網(wǎng)半/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理：XML　253

*14.3.3　擴展學習：半/非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（文檔）的查找與搜索　256

14.3.4　擴展學習：互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁排序的基本思維　257

14.4　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　261

14.4.1　為什么：互聯(lián)網(wǎng)的智能化基礎(chǔ)　261

14.4.2　怎樣學習：內(nèi)容驅(qū)動技術(shù)的學習方法　261

第　15章 網(wǎng)絡(luò)與社會：互聯(lián)的世界　262

15.1　互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新思維　262

15.1.1　大眾產(chǎn)生內(nèi)容，大眾創(chuàng)造價值　262

15.1.2　大眾開發(fā)軟件，大眾消費軟件，大眾創(chuàng)造價值　263

15.1.3　由購買轉(zhuǎn)為租用，由銷售轉(zhuǎn)為出租：云計算/云服務(wù)　265

15.2　互聯(lián)網(wǎng) 的創(chuàng)新思維　266

15.2.1　什么是互聯(lián)網(wǎng) 　266

15.2.2　基于物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品全生命期服務(wù)：不賣產(chǎn)品賣服務(wù)　266

15.2.3　萬般皆服務(wù)與共享經(jīng)濟　268

15.2.4　智慧地球與國家人工智能規(guī)劃　270

15.3　網(wǎng)絡(luò)化與社會：問題與挑戰(zhàn)　272

15.4　為什么要學習和怎樣學習本章內(nèi)容　272

15.4.1　為什么：自動化網(wǎng)絡(luò)化智能化是發(fā)展趨勢　272

15.4.2　怎樣學習：不怕做不到，只怕想不到　273