第一部分認識篇
第1章認識計算機3
【情景問題】無處不在的計算機3
1.1計算機的史前史——計算工具的發展簡史3
1.1.1手動式計算工具4
1.1.2機械式計算工具5
1.1.3機電式計算機7
1.1.4電子計算機8
1.2計算機的歷史和未來9
1.2.1計算機的發展簡史9
1.2.2計算機的發展趨勢12
1.3什麼是計算機14
1.3.1馮·諾依曼體繫結構14
1.3.2計算機的工作原理15
1.3.3計算機的分類和特點16
1.4什麼是計算機繫統19
1.4.1繫統科學與分層方法19
1.4.2計算機繫統的分層結構20
閱讀材料——中國計算機發展簡史22
習題122

第2章認識計算機學科25
【情景問題】“計算作為一門學科”的存在性證明25
2.1什麼是計算機學科26
2.1.1計算機學科的定義26
2.1.2計算機學科的知識體繫26
2.1.3計算機學科的基本能力28
2.1.4計算機學科的勝任力30
2.2計算機學科的根本問題31
2.2.1圖靈對計算本質的揭示31
2.2.2可計算問題與不可計算問題33
2.2.3易解問題與難解問題34
2.2.4NP問題與NP完全問題35
2.3計算機學科的科學問題36
2.3.1計算的平臺與環境問題36
2.3.2計算過程的能行操作與效率問題38
2.3.3計算的正確性問題40
閱讀材料——計算機學科的核心概念41
習題243

計算機學科概論（第3版）
目錄

第二部分繫統篇
第3章計算機的運算基礎47
【情景問題】模擬數據與數字數據47
3.1數理邏輯基礎47
3.1.1數理邏輯的起源和發展47
3.1.2命題代數與邏輯代數48
3.2二進制50
3.2.1進位計數制50
3.2.2二進制數和十進制數之間的轉換51
3.3數字化原理——信息的編碼53
3.3.1整數的編碼53
3.3.2浮點數的編碼54
3.3.3字符的編碼55
3.3.4漢字的編碼57
3.3.5聲音的編碼57
3.3.6圖形和圖像的編碼58
3.3.7指令的編碼59
3.4邏輯電路60
3.4.1門60
3.4.2組合電路61
3.4.3時序電路63
3.4.4集成電路63
3.5計算機部件64
3.5.1存儲器64
3.5.2中央處理器CPU67
3.5.3輸入/輸出設備70
閱讀材料——著名計算機獎項72
習題373

第4章程序設計基礎77
【情景問題】七橋問題77
4.1問題求解與程序設計78
4.1.1程序設計的一般過程78
4.1.2程序設計的關鍵78
4.2數據表示——數據結構79
4.2.1基本的數據結構79
4.2.2數據結構的存儲表示81
4.3程序的靈魂——算法82
4.3.1算法的重要性82
4.3.2算法的描述方法83
4.3.3算法分析84
4.4程序設計語言85
4.4.1程序設計語言的發展85
4.4.2程序設計語言的基本要素87
4.4.3程序設計的環境88
4.5翻譯程序89
4.5.1翻譯程序的工作方式89
4.5.2編譯程序的基本過程90
閱讀材料——幾種經典的高級語言91
習題492

第5章操作繫統94
【情景問題】操作繫統為我們做了什麼94
5.1什麼是操作繫統95
5.1.1操作繫統的定義95
5.1.2操作繫統的用戶界面96
5.1.3操作繫統的分類97
5.2操作繫統的工作方式98
5.2.1操作繫統的啟動98
5.2.2操作繫統的中斷類型99
5.3操作繫統的基本功能100
5.3.1處理器管理100
5.3.2存儲管理102
5.3.3設備管理103
5.3.4文件管理104
閱讀材料——幾種常用的操作繫統105
習題5106

第6章應用軟件108
【情景問題】“著名”軟件錯誤108
6.1人機交互109
6.1.1人機交互的定義109
6.1.2人機交互界面110
6.1.3人機交互的發展趨勢112
6.2數據庫管理繫統113
6.2.1數據庫113
6.2.2數據庫管理繫統114
6.2.3結構化查詢語言SQL115
6.2.4建立數據庫115
6.2.5操作數據庫118
6.2.6數據保護機制119
6.3軟件工程120
6.3.1軟件危機120
6.3.2軟件工程的定義121
6.3.3軟件工程的基本原理122
6.3.4軟件過程123
6.3.5軟件質量125
6.3.6軟件測試126
閱讀材料——軟件、硬件和人件127
習題6127

第7章計算機網絡與信息安全130
【情景問題】網絡帶來的變化130
7.1計算機通信130
7.1.1計算機通信繫統模型131
7.1.2信息的編碼132
7.1.3數據交換134
7.1.4尋址135
7.2計算機網絡137
7.2.1計算機網絡的拓撲結構137
7.2.2計算機網絡的基本組成138
7.2.3網絡體繫結構140
7.2.4TCP/IP協議141
7.3信息安全142
7.3.1常見的信息安全問題142
7.3.2信息加密144
7.3.3數字認證145
7.3.4網絡檢測與防範146
閱讀材料——我國因特網的起源和發展148
習題7149

第8章新技術專題151
【情景問題】人與計算機的能力對比151
8.1人工智能151
8.1.1什麼是人工智能152
8.1.2人工智能的研究領域153
8.1.3機器學習156
8.1.4深度學習158
8.2大數據159
8.2.1什麼是大數據159
8.2.2大數據的處理流程160
8.2.3大數據的關鍵技術161
8.3雲計算162
8.3.1什麼是雲計算162
8.3.2雲計算的服務類型163
8.3.3雲計算的關鍵技術164
8.4物聯網165
8.4.1什麼是物聯網165
8.4.2物聯網的體繫架構166
8.4.3物聯網的關鍵技術167
閱讀材料——人機共生167
習題8168
第三部分工程篇
第9章工程思維173
【情景問題】聞名世界的港珠澳大橋173
9.1什麼是工程174
9.1.1工程的概念174
9.1.2科學、技術與工程175
9.1.3信息化工程176
9.2工程與社會177
9.2.1工程文化與人文價值178
9.2.2工程產品與公眾認知179
9.2.3環境和可持續發展179
9.3工程管理181
9.3.1工程理念181
9.3.2工程設計182
9.3.3工程進度183
9.3.4工程成本184
9.4工程素養185
9.4.1個人與團隊186
9.4.2溝通與表達187
9.4.3工程創新188
9.4.4終身學習189
閱讀材料——我國高等工程教育的發展歷程190
習題9192

第10章工程倫理與職業道德194
【情景問題】誰來為軟件錯誤負責194
10.1專業崗位194
10.1.1信息時代對計算機人纔的需求195
10.1.2計算機類專業的相關職位196
10.2工程倫理197
10.2.1道德、倫理與法律197
10.2.2工程倫理的基本問題198
10.2.3計算機領域的工程倫理199
10.2.4處理工程倫理問題的基本原則199
10.3職業道德200
10.3.1社會主義職業道德200
10.3.2軟件工程師的道德規範201
10.4計算機法律法規202
10.4.1新的法律問題202
10.4.2軟件知識產權202
10.4.3與計算機相關的法律法規204
閱讀材料——被算法支配的世界205
習題10206

參考文獻208

專業導論類課程是大學生接受大學教育的第一門專業基礎課，能夠使大學新生對本專業的內涵特點、知識能力和未來發展有一個初步的認知概念和宏觀了解。計算機類專業作為一個專業大類，包括計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程、信息安全、物聯網工程、數字媒體技術等細分專業，這些專業都屬於計算機學科，因而有很多共性的思維方式和知識體繫。本書作為國家級精品課程和省級一流課程的配套教材，提出並實施了“專業視角，認知學科；計算思維，抽像分層；工程思維，道德指引；始於問題，應用驅動；領會思想，引發思考”的教學思想。
首先梳理好基本的知識架構，再去學習日新月異的計算機技術，會讓本書的學習事半功倍。本書由3部分組成，分別是認識篇、繫統篇和工程篇，如圖0.1所示，該結構體現了如下教學思想。
（1） 專業視角，認知學科: 認識篇從專業的角度認知計算機和計算機學科，認知計算機的工作原理和計算機繫統，認知計算機學科的根本問題和思維方式，了解計算機學科的知識體繫和能力要求，為學習計算機學科提供正確的方法指導。
（2） 計算思維，抽像分層: 繫統篇采用自底向上的方式討論計算機可以做什麼以及是如何做的，使學生了解學科富有智慧的核心思想，以及計算思維在每一個分層的運用，培養學生面向學科的思維能力。
（3） 工程思維，道德指引: 工程篇通過典型案例、工程倫理、法律法規，使學生了解工程與社會的關繫，形成團隊合作、終身學習等工程素養，明確計算機從業人員的行為規範和職業道德。
圖0.1本書的組織結構
在教學設計上，始於問題，應用驅動: 每一章首先在一個較高的抽像層次上、從應用的角度提出本章要討論的頂層問題，然後由情景問題引出具體內容，每一小節後面附有若干思考題，很多問題沒有標準答案甚至沒有答案；在教學效果上，領會思想，引發思考: 在認知計算機學科和計算機繫統每一個分層的基礎上，強調學科的本質與核心思想，啟迪思維、引發思考，讓學生了解計算機學科的各個主題，並對學科本身充滿了興趣和好奇，同時又產生了太多的不理解和疑問，非常渴望進一步探索其中的科學道理。
本書第1版和第2版在使用過程中得到國內許多高校教師和同學的肯定，也得到了一些很好的建議。本書第3版在保留前兩版原有特色的基礎上，進行了如下修訂:
(1) 重新梳理了，對第二部分的章節進行了重新編排和修訂，使得層次結構更加清晰，知識表述易於理解，更符合學生的認知規律和老師的教學要求；
(2) 增加了新技術專題，以通俗易懂的筆觸介紹了人工智能、大數據、雲計算、物聯網等計算機領域的最新進展，體現教材內容的前沿性和時代性；
(3) 增加了工程思維和工程倫理相關內容，討論了工程與文化、環境和可持續發展之間的關繫，個人與團隊、溝通與表達、工程創新和終身學習等工程素養，處理工程倫理問題的基本原則，以解決專業課程對工程認證非技術指標難以支撐的問題。
本書在編寫過程中參考了大量的書籍和文章，並從互聯網上參考了部分有價值的資料，在此一並表示感謝。由於作者的知識和寫作水平有限，書稿雖幾經修改，仍難免有缺點和錯誤。衷心希望能夠得到同行專家和讀者的批評和指正。作者的郵箱是wanghongmei@ccut.edu.cn。教師讀者也可以關注作者的教學公眾號“老竹園”與作者交流。

作者
2023年1月