大學計算機（第3版）從計算思維到AI思維

孫永香，山東農業大學信息科學與工程學院教授。1997年起至今在山東農業大學信息科學與工程學院計算機系從事教學和科研工作。主要從智慧農業和教育數字化技術的研究。近年來，主持省部級以上項目4項，在國內外刊物上發表16篇論文，其中被SCI三區收錄1篇，EI收錄5篇；申請軟件著作權13項。主編或副主編教材10部。

第　1章 計算機與計算思維　1

1.1　計算與賦能　1

1.1.1　計算之路　1

1.1.2　計算之能　2

1.1.3　計算賦能　3

1.2　認識計算機　4

1.2.1　計算機的概念　4

1.2.2　計算機的歷史　5

1.2.3　計算機的特點　6

1.2.4　計算機的分類　7

1.2.5　計算機的應用　8

1.2.6　計算機的未來　8

1.2.7　我國的計算機　10

1.3　計算思維　11

1.3.1　計算思維的起源　11

1.3.2　計算思維的基本概述　12

1.3.3　計算思維的知識體系　13

1.3.4　計算思維的應用　15

思考題　17

第　2章 數據在計算機中的表示　18

2.1　數據與信息　18

2.2　進制及其轉換　19

2.2.1　進位計數制的概念　19

2.2.2　計算機科學中常用的進制　19

2.2.3　計算機中的數據單位　20

2.2.4　不同進制之間的轉換　21

2.2.5　計算機使用二進制表示數據　22

2.3　二進制運算　22

2.3.1　二進制算術運算　22

2.3.2　二進制邏輯運算　24

2.4　計算機中的編碼　25

2.4.1　數值編碼　25

2.4.2　字符編碼　27

2.4.3　音頻編碼　30

2.4.4　圖形圖像編碼　31

2.4.5　視頻編碼　33

思考題　34

第3章　計算機系統及工作原理　35

3.1　計算機硬件系統　35

3.2　單計算機系統　35

3.2.1　圖靈機理論模型　35

3.2.2　馮·諾依曼計算機　36

3.2.3　微型計算機系統的組成　37

3.3　多計算機系統　43

3.3.1　並行計算系統　43

3.3.2　網絡計算系統　44

3.4　計算機軟件系統　44

3.4.1　計算機軟件　44

3.4.2　操作系統　45

3.5　計算機的工作原理　53

3.5.1　指令和程序　53

3.5.2　計算機工作過程　54

思考題　55

第4章　計算機網絡與安全　56

4.1　計算機網絡概述　56

4.1.1　計算機網絡的定義及發展　56

4.1.2　計算機網絡的組成與功能　58

4.1.3　網絡傳輸介質和網絡設備　59

4.1.4　計算機網絡的分類　61

4.1.5　計算機網絡的體系結構　62

4.2　Internet基礎　63

4.2.1　Internet概述　63

4.2.2　Internet的基本概念　63

4.2.3　Internet的基本服務　66

4.3　網絡空間安全概述　69

4.3.1　網絡空間安全目標　69

4.3.2　網絡監管和法規　70

4.3.3　加強安全培訓　70

4.4　網絡空間安全技術　71

4.4.1　常見安全威脅　71

4.4.2　密碼及密碼應用　72

4.4.3　訪問控制　73

4.4.4　防火墻與入侵檢測技術　73

4.4.5　物理安全　74

思考題　75

第5章　算法分析與設計　76

5.1　計算機問題求解　76

5.2　算法設計與描述　77

5.2.1　算法的基本概念及特點　77

5.2.2　算法描述方法　77

5.2.3　算法復雜度分析　79

5.2.4　數據結構基本概念　79

5.2.5　常見的數據結構　82

5.3　問題求解的綜合應用　82

思考題　86

第6章　計算機語言與程序設計　87

6.1　計算機語言　87

6.1.1計算機語言發展　87

6.1.2　計算機語言的分類　88

6.1.3　Python語言簡介　89

6.2　計算機程序　92

6.2.1　什麼是程序　92

6.2.2　由問題到程序　93

6.2.3　程序的基本控制結構　95

6.2.4　程序設計方法　95

6.3　軟件工程　96

6.3.1　基本概念　96

6.3.2　軟件生命周期　97

思考題　99

第7章　數據庫管理與應用　100

7.1　數據庫基礎知識　100

7.1.1　數據管理的應用　100

7.1.2　數據庫的基本概念　101

7.1.3　數據庫管理技術的產生和發展　101

7.1.4　數據庫技術發展新趨勢　103

7.2　數據庫設計　104

7.2.1　數據庫設計步驟　104

7.2.2　數據庫概念設計——E-R模型　105

7.2.3　數據庫邏輯設計——關系數據模型　106

7.2.4　數據庫物理設計——常用的SQL語句　108

7.3　基於Python語言的數據庫訪問　109

7.3.1　訪問數據庫的步驟　110

7.3.2　創建數據庫和表　110

7.3.3　對數據表的操作　111

思考題　112

第8章　人工智能概述　113

8.1　人工智能概念　113

8.2　人工智能發展　114

8.3　人工智能主要流派　115

8.3.1　符號主義　115

8.3.2　連接主義　116

8.3.3　行為主義　116

8.4　人工智能行業應用　117

8.5　AI思維　119

8.5.1　AI思維的特點　119

8.5.2　AI思維與計算思維的比較及關系　120

8.5.3　AI思維的局限性　121

8.5.4　如何運用好AI思維　122

8.6　人工智能倫理　123

8.6.1　人工智能倫理的基本概念　123

8.6.2　人工智能的倫理問題　123

8.6.3　人工智能倫理的基本原則　124

8.6.4　解決人工智能倫理問題的策略　125

思考題　126

第9章　人工智能技術生態　127

9.1　物聯網——數據感知　127

9.1.1　物聯網的概念　127

9.1.2　物聯網的體系結構　128

9.1.3　物聯網的關鍵技術　129

9.1.4　物聯網應用案例：智慧農田物聯網　132

9.2　雲計算——算力支持　134

9.2.1　雲計算概念　134

9.2.2　雲計算特征　135

9.2.3　雲計算的服務模式　135

9.2.4　雲計算關鍵技術　136

9.2.5　雲計算的應用　137

9.3　大數據——數據存儲　137

9.3.1　大數據的概念　137

9.3.2　大數據的特征　138

9.3.3　大數據的技術　139

9.3.4　大數據的應用　141

9.3.5　大數據應用案例　141

9.4　區塊鏈——安全保障　143

9.4.1　區塊鏈的概念　143

9.4.2　區塊鏈基礎架構　144

9.4.3　區塊鏈核心技術　145

9.4.4　區塊鏈面臨的挑戰　146

9.4.5　區塊鏈在農業中應用　146

9.5　元宇宙——應用場景　147

9.5.1　元宇宙的概念　147

9.5.2　元宇宙的特征　148

9.5.3　元宇宙的架構　148

9.5.4　元宇宙核心技術　149

9.5.5　元宇宙的應用　149

9.5.6　元宇宙的發展前景與風險挑戰　150

9.6　AI驅動的技術生態系統　150

思考題　150

第　10章 人工智能核心技術　151

10.1　機器學習　151

10.1.1　監督學習　152

10.1.2　無監督學習　157

10.1.3　強化學習　158

10.2　神經網絡與深度學習　159

10.2.1　從生物神經元到感知機　159

10.2.2　深度學習革命　162

10.3　計算機視覺　164

10.3.1　計算機視覺概述　164

10.3.2　視覺信息處理的關鍵技術　166

10.3.3　計算機視覺的應用　173

10.4　自然語言處理　174

10.4.1　自然語言處理概述　174

10.4.2　自然語言處理的關鍵技術　177

10.4.2　自然語言處理的應用　177

思考題　179

第　11章 大語言模型　180

11.1　大語言模型概述　180

11.1.1　定義　180

11.1.2　Transformer架構　180

11.1.3　發展歷程　182

11.1.4　優勢與局限性　183

11.1.5　大語言模型的應用　184

11.2　大語言模型構建過程　185

11.2.1　預訓練　186

11.2.2　有監督微調　187

11.2.3　獎勵建模　188

11.2.4　強化學習　189

11.3　代表性大語言模型　189

11.3.1　ChatGPT　190

11.3.2　Claude　190

11.3.3　DeepSeek　191

11.3.4　文心一言　191

11.3.5　訊飛星火　192

11.3.6　通義千問　192

11.3.7　Kimi　193

11.3.8　豆包　193

思考題　194

第　12章 AIGC及其應用　195

12.1　AIGC概述　195

12.1.1　AIGC 的定義與特點　195

12.1.2　AIGC 的發展歷程　196

12.1.3　AIGC 的主要應用領域　196

12.1.4　AIGC對職業發展的影響　197

12.2　提示詞　197

12.3　AIGC應用技術　202

12.3.1　代碼生成　202

12.3.2　文本生成　205

12.3.3　圖像生成　209

12.3.4　音頻生成　211

12.3.5　視頻生成　214

思考題　215

第　13章 人工智能應用案例—智慧農業　216

13.1　智慧農業概述　216

13.2　智慧農業的關鍵技術　217

13.3　智慧農業的典型應用場景　218

13.4　智慧農業實際案例　220

13.5　智慧農業的發展前景　222

思考題　223

參考文獻　224