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  • 计算思维案例及平时成绩讨论题资料.doc
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    2021-06-25 01:55:13

    1.5本章计算思维的典型案例

    案例1:

    计算作为人类文明的开端从最远古的手指计数到中国古代的算盘计算到近代西方的纳皮尔算筹及斯卡机械计算至当前的电子计算机的高速度计算不管是计算方法还是计算工具都有了变革性的创新计算也作为一种思维方式存在并成为人类科学思维的重要一员。章中介绍的冯·诺依曼体系结构就是对现代计算机体系结构的一种抽象认识新一代计算机的发展趋势是什么?.4本章计算思维的典型案例

    案例1:

    现实世界可以表示为0 和1→用0 和1 可进行逻辑与算术运算→0 和1 可以用电子技术实现→用二极管、三极管等实现基本门电路→组合逻辑电路实现→芯片(复杂组合逻辑电路)。

    具体来说,0 和1 的思维蕴含着:信息表示。数值信息和非数值信息均可用0 和1 表示,均能够被计算;符号化数字化。物理世界/语义信息→符号化→0和1(进位制与编码)→数字计算(算术运算,逻辑运算)→硬件与软件实现。即任何事物只要能表示成信息,也就能够表示成0 和1,也就能够被计算,也就能够被计算机所处理。

    案例2:

    递归是计算思维的方法之一。当我们通过键盘将字母“A”输入到计算机,在计算机内部它将以二进制代码形式存储,但从显示器或打印机输出的依然是字母“A”,由此体现了一种递归的方式。

    究竟什么是递归呢?其实,递归就是大鱼吃小鱼,就是一条蛇咬住自己的尾巴。递归是指一样东西自己包含了自己。例如,当两面镜子相互之间近似平行时,镜中嵌套的图像是以无限递归的形式出现的。递归在数学与计算机科学中,是指在函数的定义中使用函数自身的方法。递归一词还较常用于描述用相似方法重复事物的过程。

    案例3:

    当数据被储存在硬盘或传送到网络上时,它们一般是不会发生改变的.不过,有时候一些故障也会导致数据值突然改变,比如电子干扰。而避免这类事件的发生至关重要。利用类似奇偶校验的方法,可以保护计算机中几乎所有的数据。数据硬盘、CD、DVD、闪存、网络下载、电子邮件和网页都在数据中添加了你看不到的校验码。一旦系统中个别比特发生错误,计算机就会在你不知情的情况下自动恢复原始数据。这充分体现了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。

    奇偶校验是一种校验代码传输正确性的方法。根据被传输的一组二进制代码的数位中“1”的个数是奇数或偶数来进行校验。采用奇数的称为奇校验,反之,称为偶校验。采用何种校验是事先规定好的。通常专门设置一个奇偶校验位,用它使这组代码中“1”的个数为奇数或偶数。若用奇校验,则当接收端收到这组代码时,校验“1”的个数是否为奇数,从而确定传输代码的正确性。

    在本章中,介绍了ASCII码为7位编码,占1个字节,空出来的最高位通常为0。但在需要传输数据时可以用作奇偶校验的校验位。例如偶校验时,若7位ASCII码中“1”的个数为偶数,则校验位置为“0”;若7位ASCII码中“1”的个数为奇数,则校验位置为“1”。这样就可以保证传送数据满足校验的要求。在接收方收到数据时,将按照奇校验的要求检测数据中“1”的个数,如果是数,表示传送正确,否则表示传送错误。奇偶校验位是最简单的错误检测码011010010110000100100001 0110100101111001011101014.对于下面一组不同编码的数,请按照从小到大的顺序排列。

    (+01110)原 (01101)补 (10110)反 (10000)反 (10110)原 (10010)补

    3.7 本章计算思维的典型案例

    案例1:

    在计算机科学中,抽象是一种被广泛使用的计算思维方法。

    在本章中介绍的冯·诺依曼体系结构就是对现代计算机体系结构的一种抽象认识。在冯·诺依曼体系结构中,计算机由内存、处理单元、控制单元、输入设备和输出设备等五部分组成。这一体系结构屏蔽了实现上的诸多细节,明确了现代计算应该具备的重要组成部分及各部分之间的关系,是计算机系统的抽象模型,为现代计算机的研制奠定了基础。并行是一种重要的计算思维方法。并行计算一般是指许多指令得以同时进行的计算模式。我们在计算机系统的设计中看到了很多运用并行技术提高系统效率的例子,例如,是一种重要的计算思维方法。连接主机和外部设备之间的部件.9 本章计算思维的典型案例

    案例1:

    从裸机到虚拟机是一个用计算思维解决自身问题的典型案例。

    一台裸机通过加装软件(操作系统),并由软件提供与用户的接口,直到用户通过接口使用这台计算机,是将一台复杂的、几乎不能使用的系统变成使用简单、功能强大的系统。整个过程拥有极其丰富的计算思维活动。

    同样,以分时操作系统为例。分时操作系统是指在

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    在这里插入图片描述


    组合思维

    Unix 操作系统诞生于 20 世纪 60 年代,经过几十年的发展,技术日臻成熟。在这个过程中,Unix 独特的设计哲学和美学也深深地吸引了一大批技术开发人员,他们在维护和使用 Unix 的同时,Unix 也影响了他们的思考方式和看待世界的角度。


    Unix 哲学是一套基于 Unix 操作系统顶级开发者们的经验所提出的软件开发的准则和理念

    也就是说,Unix 哲学并不是正统的计算机科学理论,它的形成更多是以经验为基础。你一定听说过模块化、解耦、高内聚低耦合这些设计原则,还有类似开源软件和开源社区文化,这些最早都是起源于 Unix 哲学。可以说 Unix 哲学是过去几十年里对软件行业影响意义最深远的编程文化。

    Unix 设计哲学,主张组合设计,而不是单体设计;主张使用集体智慧,而不是某个人的特殊智慧

    对编程的启示:

    • 启示一:保持简单清晰性,能提升代码质量

    代码之间的相互影响越多,软件越复杂。比如,A 依赖 B,B 依赖 C……一直这样循环下去,程序就会变得非常复杂,也就是我们编程中常说的,如果一个类文件写了上万行代码,那么代码逻辑将会非常难理解。

    软件复杂度一般有以下三个来源。

    • 代码库规模。

      这个就与开发工具、编程语言等有关了,不过需要注意,代码行数与复杂度并不呈正相关。比如,Java 语言编写的库通常会比 C++ 的库的代码行数更多(语言特性决定),但不能说 Java 类库就一定比 C++ 的类库更复杂。

    • 技术复杂度。

      这个指的是不同的编程语言、编译器、服务器架构、操作系统等能够被开发人员理解的难易程度。比如,Netty 库,对于很多 Java 程序员来说,理解起来就有一定的难度,这就是有一定的技术复杂度。

    • 实现复杂度。

      不同的编程人员,对于需求的理解不同,在编程时就会有截然不同的编写风格,比如,前端程序员和后端程序员网页分页的代码实现风格就会明显不同。


    该如何降低软件复杂度呢?

    首先,在代码库规模方面,可以通过减少硬编码来控制代码量

    比如,使用设计模式中的策略模式来替换大量的 if-else 语句,使用通用工具类来减少重复的方法调用。除此之外,还可以利用语言特性来减少代码量,比如,在 Java 8 中使用 lambda 表达式来精简语句。

    其次,对于技术复杂度来说,要想在整体上保持简单性,需要在设计时就做好技术选型

    换句话说,好的技术选型能够有效控制组件引入技术复杂度的风险。比如,在做系统设计时,引入像 Kafka 这样的消息中间件之前,你需要从系统吞吐量、响应时间要求、业务特性、维护成本等综合维度评估技术复杂度,如果你的系统并不需要复杂的消息中间件,那么就不要引入它,因为一旦引入后,就会面临指派人员学习与维护、出现故障后还要能及时修复等问题。

    最后,就降低实现复杂度而言,可以使用统一的代码规范

    比如,使用 Google 开源项目的编码规范,里面包含了命名规范、注释格式、代码格式等要求。这样做的好处在于,能快速统一不同开发人员的编程风格,避免在维护代码时耗费时间去适应不同的代码风格。

    所以,Unix 哲学中所说的保持简单性,并不单单是做到更少的代码量,更是在面对不同复杂度来源时也能始终保持简单清晰的指导原则


    • 启示二:借鉴组合理念,有效应对多变的需求

    对于任何一个开发团队来说,最怕遇见的问题莫过于:不停的需求变更导致不停的代码变更。

    即便你花费了大量的时间,在项目前期做了详细的需求分析和系统的分析设计,依然不能完全阻挡需求的变化,而一旦需求发生变更,那么就意味着开发团队需要加班加点地修改代码。

    事实上,Unix 在设计之初就已经遇见过这些问题,那它是怎么解决的呢?下面我们就来看一下 Unix 那些能够“任意组合”的例子。

    • 所有的命令都可以使用管道来交互

    这样,所有命令间的交互都只和 STD_IN、STD_OUT 设备相关。于是,就可以使用管道来任意地拼装不同的命令,以完成各式各样的功能。

    • 可以任意地替换程序

    比如,我喜欢 zsh,你喜欢 bash,我们可以各自替换;你喜欢 awk,我不喜欢 awk,也可以替换为 gawk。快速切换到熟悉的程序,每个程序就像一个零件一样,任意插拔。

    • 自定义环境变量

    比如,Java 编译环境有很多版本,你可能用到的有版本 8、11 和 14,通过自定义 JAVA_HOME 环境变量,你就可以快速启用不同的编译环境。

    这充分说明了 Unix 哲学的组合思维把软件设计成独立组件并能随意地组合,才能真正应对更多变化的需求。

    然而,在实际工作中,你很多时候可能都只是在做“定制功能驱动”式的程序设计。比如,用户需要一个“上传文件的红色按钮”,你就实现了一个叫“红色上传按钮功能”的组件,过几天变为需要一个“上传文件的绿色按钮”时,你再修改代码满足要求……这不是组合设计,而是直接映射设计,看似用户是需要“上传”这个功能,但实际上用户隐藏了对“不同颜色”的需求。

    很多时候看上去我们是一直在设计不同的程序,实际上对于真正多变的需求,我们并没有做到组合设计,只是通过不断地修改代码来掩饰烂设计罢了。

    要想做到组合设计,Unix 哲学其实给我们提供了两个解决思路。

    第一个是解耦

    这是 Unix 哲学最核心的原则。代码与代码之间的依赖关系越多,程序就越复杂,只有将大程序拆分成小程序,才能让人容易理解它们彼此之间的关系。也就是我们常说的在设计时应尽量分离接口与实现,程序间应该耦合在某个规范与标准上,而不是耦合在具体代码实现逻辑上

    第二个是模块化

    你可能已经非常熟悉这个词语了,不过模块化还有更深层的含义——可替换的一致性。什么叫可替换的一致性?比如,你想使用 Java RPC 协议,可以选择 Dubbo、gRPC 等框架,RPC 协议的本质是一样的,就是远程过程调用,但是实现的组件框架却可以不同,对于使用者来说,只要是支持 Java RPC 协议的框架就行,可随意替换,这是可替换。而不同的框架需要实现同一个功能(远程过程调用)来保持功能的一致性(Dubbo 和 gRPC 的功能是一致的),这是一致性。

    实际上,这两个解决思路就是现在我们常说的高内聚、低耦合原则:模块内部尽量聚合以保持功能的一致性,模块外部尽量通过标准去耦合。

    换句话说,就是提供机制而不是策略,就像上传文件那个例子里,分析时应该找出用户隐含的颜色变化的需求,并抽象出一个可以自定义颜色的功能模块,解耦上传文件模块,最后将颜色变化模块组合到上传文件模块来对外提供使用。这样当用户提出修改颜色时(修改策略),只需要修改自定义颜色模块就行了,而不是连同上传文件的机制也一起修改。


    • 启示三:重拾数据思维,重构优化程序设计

    再高大上的架构设计,如果系统对数据的组织是混乱的,那么可以轻松预见随着系统的演进,系统必然会变得越来越臃肿和不可控。

    Unix 哲学在出现之初便提出了“数据驱动编程”这样一个重要的编程理念。也就是说,在 Unix 的理念中,编程中重要的是数据结构,而不是算法。

    当数据结构发生变化时,通常需要对应用程序代码进行修改,比如,添加新数据库字段、修改程序读写字段等。但在大多数应用程序中,代码变更并不是立即完成的。原因有如下:

    • 对于服务端应用程序而言,可能需要执行增量升级,将新版本部署到灰度环境,检查新版本是否正常运行,然后再完成所有的节点部署;

    • 对于客户端应用程序来说,升不升级就要看用户的心情了,有些用户可能相当长一段时间里都不会去升级软件。

    这就意味着新旧版本的代码以及新旧数据格式可能会在系统中同时共存。这时,处理好数据的兼容性就变得非常重要了。如果不具备数据思维,很可能会假设数据格式的变更不会影响代码变更。

    Unix 哲学提出的“数据驱动编程”会把代码和代码作用的数据结构分开,这样在改变程序的逻辑时,就只要编辑数据结构,而不需要修改代码了


    分层思维

    软件程序通常有两个层面的需求:

    • 功能性需求,简单来说,就是一个程序能为用户做些什么,比如,文件上传、查询数据等;

    • 非功能性需求,这个是指除功能性需求以外的其他必要需求,比如,性能、安全性、容错与恢复、本地化、国际化等。

    事实上,非功能性需求所构建起来的正是我们所熟知的软件架构。什么是软件架构?简单来说,就是软件的基本结构,包括三要素:代码、代码之间的关系和两者各自的属性。

    如果把软件比作一座高楼,那么软件架构就是那个钢筋混凝土的框架,代码就是那个框架里的砖石,正是因为有了那个框架,才能让每一个代码都能很好地运行起来。

    其中,最为经典的软件架构就是分层架构, 分层架构越是流行,我们的设计越容易僵化。这背后到底有哪些值得我们深思的地方呢?

    从架构角度来聊聊为什么代码要做分层、主要用于解决什么问题,以及存在优势和劣势有哪些。

    工程思维

    对象思维

    迭代思维

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  • 幼儿早期的思维以直觉行动思维为主,幼儿中期的思维具体形象思维为主,幼儿晚期抽象逻辑...直觉行动思维活动的典型方式是尝试错误,其活动过程依靠具体动作,是展开的,而且有许多无效的多余动作。这个阶段的孩子...

    幼儿早期的思维以直觉行动思维为主,幼儿中期的思维以具体形象思维为主,幼儿晚期抽象逻辑思维开始萌芽。

    1.直觉行动思维

    直觉行动思维,也称直观行动思维,指依靠对事物的感知,依靠人的动作来进行的思维。直觉行动思维是最低水平的思维,这种思维的进行离不开儿童自身对物体的感知,也离不开儿童自身的动作。直觉行动思维活动的典型方式是尝试错误,其活动过程依靠具体动作,是展开的,而且有许多无效的多余动作。这个阶段的孩子做事没有预先的目的,总是先做后想。2岁前的婴儿头脑中没有多少表象和经验,也不会进行逻辑推理,他们必须而且只能通过自己的动作才能发现事物间的内在联系。因此,幼儿早期的思维属于直觉行动思维。

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    2.具体想象思维

    具体形象思维,又称表象思维,是指依靠事物的形象和表现来进行的思维。一般认为2.5~3岁是幼儿从直觉行动思维向具体形象思维转化的关键年龄。3~6、7岁幼儿的思维主要就是具体形象思维。

    其主要特点是:

    (1)具体形象性。幼儿的思维主要依赖事物的具体形象或表象以及它们之间的关系来进行的。

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    (2)具有了初步抽象概括的可能性。中班幼儿能逐渐认识事物的属性,开始根据事物的本质特征进行思维。但是他们掌握的概念,往往只与具体的对象联系在一起,与物体的感知特点和感知具体情境密切联系,还不能反映该类对象的一般特征。

    皮亚杰将这一阶段幼儿的思维称为前运算阶段。皮亚杰又进一步将这一阶段分为两个阶段:前概念阶段和直观阶段。前概念阶段幼儿思维的特点表现为幼儿普遍存在的泛灵论和自我中心主义。在整个前运算阶段,幼儿思维的一个最重要的特点是不可逆性,幼儿不理解逻辑运算的可逆性。

    3.抽象逻辑思维

    6、7岁以后,儿童的思维开始进入逻辑思维阶段。抽象逻辑思维反映的是事物的本质特征,是运用概念、根据事物的逻辑关系来进行的思维。它是靠语言进行的思维,是人类特有的思维方式。幼儿阶段抽象思维仅仅开始萌芽。

    (1)幼儿开始获得可逆性思维。例如,幼儿开始认识到如果在一堆珠子中减去几个,然后增加相同数目的珠子,这堆珠子的总数将保持不变。

    (2)幼儿的思维开始能够去自我中心化。所谓去自我中心化是指幼儿认识到他人的观点可能与自己的有所不同,幼儿能站在他人的立场和角度考虑问题。例如,幼儿开始能够解决“三山问题”。

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    (3)幼儿开始能够同时将注意力集中于某一物体的几个属性,并开始认识到这些属性之间的关系。例如,幼儿开始认识到一个物体可以有重量和大小等几个属性,并且认识到这些属性是可分离的。

    (4)幼儿开始使用逻辑原则。幼儿获得的重要逻辑原则是不变性原则,即一个客体的基本属性不变。另一个原则是等价原则,即如果A的某种属性等于B,B等于C,则A必然等于C。

    了解幼儿思维,让宝爸宝妈更好地教育孩子。

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  • 人比其它动物高明的地方在于人有抽象思维,对于刚出生的孩子来说,却并具备抽象思维,根据科学实验证明,3-7岁是幼儿具体形象思维迅速发展时期,同时是抽象逻辑思维萌芽的时候,7-15岁的时候,是抽象逻辑思维发展的...

    人比其它动物高明的地方在于人有抽象思维,对于刚出生的孩子来说,却并具备抽象思维,根据科学实验证明,3-7岁是幼儿具体形象思维迅速发展时期,同时是抽象逻辑思维萌芽的时候,7-15岁的时候,是抽象逻辑思维发展的综合时期。

    数萌在线的老师提醒家长的是,靠孩子自发性的来形成抽象思维,那么他们的智力发育会十分缓慢,家长应该运用各种手段,抓住孩子抽象思维萌芽期,潜移默化中帮助孩子形成抽象思维。那孩子出现抽象思维的萌芽是什么表现?

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    抽象思维

    表现一:孩子会触摸火炉,被烫到,经过几次后,便不再触摸任何火炉了,即便是没有烫过他的,这显然是因为孩子已经从同类事物的个体中,抽象出了共性,形成朦胧的意识,不再触碰火炉,这就是抽象思维的一种。

    表现二:孩子开始有可逆性思维,比如幼儿开始认识到如果在一堆珠子中减去几个,然后增加相同数目的珠子,这堆珠子的总数将保持不变。而之前,孩子并没有这种思维,比如知道自己有哥哥,却不知道哥哥有弟弟。

    表现三:开始去中心化,在更小一点的时候,孩子对事物的看法,是以自我为中心的,在他眼中,别人的观点和他是一样的,但当孩子开始知道站在别人的立场和角度考虑问题的时候,就是抽象思维的萌芽伊始。

    表现四:当幼儿开始认识到物体有不同的属性的时候,比如物体有颜色、大小、重量等属性,也证明孩子开始有抽象逻辑思维。

    表现五:开始使用逻辑原则,他们开始认识到,一个客体的基本属性是不变的,也认识到,如果A的某种属性等于B,B等于C,那么A必然等于C。

    上述表现是孩子出现抽象思维萌芽的阶段时候会发生的事情,家长一定要抓住这段时期,帮助孩子在4-7岁形成抽象逻辑思维的基础,能影响孩子一生的发展,毕竟万丈高楼平地起,靠的是基础。

    而且针对儿童抽象思维的启蒙教育也并不神秘复杂,一次游戏、对话等过程中就能实现,由于数学学科本身就是抽象性很高的一门学科,不但能提高抽象思维及其它能力,还能让家长更系统的帮助孩子进行训练,因此建议家长采取数学思维训练的方式来锻炼抽象思维,家长需要注意,这个阶段孩子依然是以形象思维为主,所以要从具体的物品入手,具体方法如下:

    一、数量思维

    教孩子数数,按数量取物品,从任意数数数(比如从5数到10),比较数的大小,建议利用孩子喜欢的玩具或喜欢吃的食物入手。

    二、计算演算思维

    利用生活尝试,比如孩子喜欢的玩具,喜欢吃的水果等入手,教会孩子合并拿来是加,减少拿去是减的概念,比如掰手指、让孩子数吃了几颗草莓、还剩几颗草莓等等都可以教会孩子计算。

    三、分类思维

    利用孩子喜欢的玩具,对之进行分类,可以按照形状、颜色入手,孩子熟练后,可以进行二元、多元分类,比如黑色塑料三角形分成一类。

    四、集合思维

    家长要重视几何概念的教育,比如小明10颗糖,毛毛8颗糖,小明的糖和毛毛的糖各是一集合,两集合比较相减,就得出了小明比猫猫多几颗糖,两者有什么么不同?

    五、时间思维

    认识钟表,同样要体验感受一分钟、五分钟的时间。

    六、空间思维

    多数家长只重视上下、左右、前后、里外等方位词,这里还建议家长培养孩子空间构建能力,比如玩积木、拼图等游戏。

    七、对应思维

    对应思维对孩子来说也很重要,简单的如,苹果对应水果,小狗对应动物等,在复杂一点,比如让孩子根据座位表,找到自己的座位。

    八、排序思维

    比如排列水果,一个苹果一个香蕉,再一个苹果,一个香蕉,如此反复,让孩子找到规律,能推测下一个位置该摆放什么;同样排队从前往后数第几,从后往前数第几;把物体从大往小排序,从小往大排序等。

    九、归纳总结

    比如家长平时经常穿白色衣服,突然换一身黑色的,让孩子比较家长今天和平时有什么不同,类似问题家长可以多琢磨

    十、解决问题的思维

    家长鼓励引导让孩子利用数学知识去解决问题,让孩子自己思考,得出结论,结果正确与否,并不重要,而是帮助孩子怎么去思考,比如有6颗草莓,让孩子平均分给大人。

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    千次阅读 2019-02-11 12:45:51
    架构的本质是管理复杂性,抽象、分层、分治和演化思维是我们工程师/架构师应对和管理复杂性的四种最基本武器。 在上一篇架构之道~四种核心架构思维中,我先介绍了抽象、分层、分治和演化这四种应对复杂性的基本武器...
  • 思维导图 大数据开启了一次重大的时代转型。就像望远镜让我们能够感受宇宙,显微镜让我们能够观测微生物一样,大数据正在改变我们的生活以及理解世界的方式,成为新发明和新服务的源泉,而更多改变正蓄势待发...
  • 然后说通常认为直觉思维系统比理性思维系统高级,学习就是将理性思维锻炼成直觉思维,然后举的记忆和背诵Pi的例子。 吐槽:如果将游泳这样的运动也归结为直觉思维系统,那跑步甚至呼吸这些人体的运动是不是都可以...
  • 做好软件测试需要具备的思维方式

    千次阅读 2018-11-20 14:53:08
     做好软件测试需要具备的思维方式!     最近部门来了好几位应届毕业生加入团队,我们也大张旗鼓的组织了集中式的培训,其中我需要对关于测试工作进...

空空如也

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思维的具体化过程例子

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