计算机科学概论（微课版）-图书-人邮教育社区

内容摘要

本书以计算机系统能力培养为核心，结合计算机系统详细介绍了计算机科学的概念、原理和方法，同时融入大量关于大数据、云计算、人工智能的基础知识及前沿应用。全书共分为 10 章，主要内容包括绪论、计算机发展概述、数据表示与运算、数据存储、数据传输、数据结构、算法、大数据、云计算和人工智能。
本书紧跟计算机前沿技术的发展趋势，内容体系完整，案例丰富，适合作为计算机类、电子信息类、电气类、自动化类等专业计算机科学概论相关课程的教材，也可作为软件设计人员和工程技术人员的参考书。

前言

在当今数字化时代，计算机技术已深度融入社会的各个层面，成为推动科技进步、经
济发展和社会变革的核心力量。从日常生活中的智能设备到科研领域的超级计算，计算机
的应用无处不在，其重要性不言而喻。《计算机科学概论（微课版）》作为引领读者走进
计算机世界的关键读物，旨在全面且系统地阐述计算机学科的基础知识、核心概念和前沿
技术，为读者构建坚实的学科知识体系。
本书特色
1．理论与实践结合，夯实知识基础
本书在讲解计算机知识时，注重理论联系实际。在阐述计算机原理、数据结构和算法
等基础理论知识的同时，通过大量实际案例和应用场景，帮助读者更好地理解和掌握相关
知识。例如，在介绍数据结构时，以学生成绩管理系统为例，讲解数组、链表和结构体的
应用；在讲解算法时，通过约瑟夫环问题、背包问题等实例，让读者深入理解算法的设计
与实现。通过理论与实践相结合的方式，本书不仅能帮助读者建立扎实的知识基础，还能
提高读者运用知识解决实际问题的能力。
2．紧跟技术前沿，展现学科动态
计算机技术发展迅速，新的技术和应用不断涌现。本书紧跟时代步伐，及时反映学科
的最新发展动态。本书对大数据、云计算、人工智能等前沿领域进行了详细介绍，包括基
本概念、核心技术和应用场景。例如，在大数据章节，介绍了大数据的 5V特征、发展历
程、核心技术以及在工业、农业、政府等领域的应用；在人工智能章节，涵盖了人工智能
的概念、简史、知识表示及推理方法、机器学习、自然语言处理和计算机视觉等内容。通
过相关知识的学习，读者能够了解计算机学科的前沿技术，拓宽视野，为未来的学习和研
究奠定基础。
3．强化习题与拓展知识，培养探索精神
本书每章的习题内容丰富，不仅包括对基础知识的考查，还涉及知识应用和拓展
的挑战，读者可以巩固所学知识，加深对概念的理解，提高解题能力。同时，拓展知
识部分介绍了相关领域的深入知识、研究热点和应用案例，激发读者对计算机领域探
索的兴趣，培养创新思维和自主学习能力。例如，在算法这一章的拓展知识中，介绍
了图算法、高级动态规划算法、流网络算法等内容，为有兴趣的读者提供进一步学习
的方向。
4．注重知识体系构建，提升学习效果
本书各章节之间逻辑紧密，层层递进，从计算机的基本概念、硬件和软件基础，
到数据处理、算法设计，再到前沿技术应用，逐步构建完整的知识体系。每章章首的
学习目标明确、具体，让读者清晰了解学习重点；本章知识导图展示了本章内容的结
构和脉络，帮助读者更好地理解和掌握相关知识。这种系统性的设计有助于读者建立
清晰的知识框架，提升学习效果。
5．结合生活实例，降低学习难度
在讲解过程中，大量运用生活中的实例，将抽象的计算机知识转化为通俗易懂的内
容。例如，用旅行信息管理来解释数据结构的概念，用超市找零的场景说明贪心算法的应
用。这些生动形象的例子能够帮助读者将计算机知识与实际生活关联，从而降低学习难
度，提高学习的积极性和主动性。
6．引入导图与思维梳理，轻松掌握核心逻辑
为了满足学习的系统化需求，每一章均配以知识导图，通过整体框架帮助读者掌握本
章的重点知识脉络；在章节结束时，通过总结和延伸进一步巩固知识。同时，针对学习重
点和难点提供了详细的解释，并配以插图和表格，对不同的技术概念进行对比和解析。通
过理论、图解和总结的多层次设计，读者能够轻松掌握知识重点，并在学习后对全书形成
系统性的认知。

第1章　绪论　1
1.1　计算机学科　3
1.1.1　计算机学科的形成与发展　3
1.1.2　计算机学科的本质　4
1.1.3　计算机学科的知识体系　4
1.1.4　计算机学科的核心内容　4
1.2　计算的起源　5
1.2.1　计算历史　5
1.2.2　计算思维与算法　6
1.3　计算工具　7
1.3.1　手动计算工具　7
1.3.2　机械式计算器　7
1.3.3　机电式计算器　8
1.3.4　电子计算机　8
1.3.5　超级计算机　10
1.4　计算机应用　10
1.5　小结　12
1.6　拓展知识　12
1.7　习题　13
第2章　计算机发展概述　14
2.1　图灵模型　15
2.1.1　图灵模型诞生背景　15
2.1.2　数据处理器　16
2.1.3　可编程数据处理器　17
2.1.4　通用图灵机　17
2.2　冯·诺依曼体系结构概述　18
2.2.1　冯·诺依曼体系结构诞生背景　18
2.2.2　冯·诺依曼体系结构　19
2.3　计算机硬件　20
2.3.1　CPU　21
2.3.2　主存　21
2.3.3　输入/输出设备　22
2.4　计算机软件　22
2.4.1　系统软件　22
2.4.2　应用软件　23
2.5　计算机相关知识　23
2.5.1　计算机的类型　23
2.5.2　计算机的数据　25
2.5.3　计算机的特点　26
2.5.4　计算机的性能评估　27
2.5.5　计算机的基本工作方式　28
2.6　小结　28
2.7　拓展知识　29
2.8　习题　29
第3章　数据表示与运算　30
3.1　计算机中的数据表示　31
3.1.1　数制及转换　32
3.1.2　机器数和码制　34
3.1.3　定点数和浮点数　35
3.2　逻辑运算　36
3.2.1　情景案例　36
3.2.2　逻辑运算的定义　37
3.2.3　位层面上的逻辑运算　37
3.2.4　模式层面上的逻辑运算　39
3.3　移位运算　39
3.3.1　逻辑移位运算　40
3.3.2　算术移位运算　40
3.4　算术运算　41
3.4.1　定点数加减运算　41
3.4.2　浮点数加减运算　41
3.4.3　乘除运算　42
3.5　数据运算的硬件实现　43
3.5.1　数字电路的基础知识　43
3.5.2　加法器　44
3.6　小结　47
3.7　拓展知识　47
3.8　习题　48
第4章　数据存储　49
4.1　数据存储技术的发展　50
4.1.1　打孔纸带　50
4.1.2　磁介质存储器　52
4.1.3　光盘存储器　54
4.1.4　半导体存储器　54
4.2　文本存储　56
4.2.1　位与字节　56
4.2.2　英文编码：ASCII　57
4.2.3　汉字编码：GB 2312和大五码　57
4.2.4　统一编码：Unicode　57
4.3　多媒体存储　59
4.3.1　音频存储　59
4.3.2　图像存储　60
4.3.3　视频存储　62
4.4　数据压缩　63
4.4.1　Run-Length编码　63
4.4.2　Huffman编码　64
4.5　数据恢复　65
4.5.1　数据副本　65
4.5.2　纠删码　65
4.6　小结　66
4.7　拓展知识　66
4.8　习题　66
第5章　数据传输　67
5.1　传输介质的发展　68
5.1.1　导向型传输介质　69
5.1.2　非导向型传输介质　71
5.2　传输方式的发展　73
5.2.1　现代通信技术的开端　73
5.2.2　互联网　74
5.2.3　未来通信技术　78
5.3　网络协议　78
5.3.1　协议　79
5.3.2　互联网协议栈　79
5.4　传输层　81
5.4.1　面向连接的传输：TCP　81
5.4.2　无连接的传输：UDP　84
5.5　网络层　85
5.5.1　网络层寻址　85
5.5.2　路由器　89
5.6　数据链路层　91
5.6.1　链路层寻址　91
5.6.2　交换机　93
5.7　小结　94
5.8　拓展知识　95
5.9　习题　96
第6章　数据结构　97
6.1　数据表示及数据结构　98
6.1.1　信息世界层的数据表示　98
6.1.2　数据结构及其分类　99
6.2　数组　100
6.2.1　数组的定义　100
6.2.2　数组的操作　100
6.2.3　多维数组　101
6.3　链表　101
6.3.1　数组与链表　101
6.3.2　链表的操作　102
6.3.3　链表的类型　103
6.4　结构体　104
6.4.1　结构体的定义　104
6.4.2　结构体的操作　104
6.4.3　结构体数组　105
6.5　抽象数据类型　105
6.5.1　定义　106
6.5.2　栈　106
6.5.3　队列　107
6.5.4　树　107
6.5.5　图　109
6.6　小结　109
6.7　拓展知识　110
6.8　习题　110
第7章　算法　111
7.1　算法基础　112
7.1.1　算法的定义　113
7.1.2　从实例看算法　113
7.1.3　算法的复杂度分析　114
7.2　递归与分治算法　114
7.2.1　递归的基本思想及案例　114
7.2.2　分治的基本思想及案例　116
7.3　动态规划算法　117
7.3.1　动态规划的基本思想及案例　118
7.3.2　动态规划的递归与迭代实现　119
7.3.3　动态规划的优化策略　120
7.4　贪心算法　120
7.4.1　钱币找零问题　121
7.4.2　区间调度问题　121
7.4.3　Prim算法与Kruskal算法　122
7.5　回溯算法　122
7.5.1　八皇后问题　122
7.5.2　图着色问题　124
7.5.3　货郎问题　124
7.6　小结　124
7.7　拓展知识　125
7.8　习题　126
第8章　大数据　128
8.1　大数据概述　129
8.1.1　从数据到大数据　129
8.1.2　大数据核心技术　131
8.1.3　大数据应用　132
8.2　大数据采集　134
8.2.1　数据源　134
8.2.2　ETL　135
8.2.3　网络爬虫　136
8.3　大数据存储　137
8.3.1　分布式文件系统　137
8.3.2　分布式数据库　139
8.4　大数据分析　141
8.4.1　数据理解与预处理　141
8.4.2　数据挖掘　142
8.4.3　数据可视化　145
8.5　大数据处理　146
8.5.1　大数据计算框架　146
8.5.2　MapReduce　148
8.6　小结　150
8.7　拓展知识　150
8.8　习题　151
第9章　云计算　152
9.1　云计算概述　153
9.1.1　云计算的产生与发展　153
9.1.2　云计算的原理与特点　154
9.1.3　云计算的服务类型　155
9.1.4　云计算的部署方式　156
9.2　云计算技术　157
9.2.1　分布式计算技术　157
9.2.2　分布式存储技术　160
9.2.3　虚拟化技术　162
9.3　云计算平台　163
9.3.1　Web技术　163
9.3.2　多租户技术　165
9.3.3　容器技术　166
9.4　云计算安全　168
9.4.1　安全威胁和挑战　168
9.4.2　云计算安全参考架构　169
9.4.3　云计算安全机制　171
9.5　小结　173
9.6　拓展知识　173
9.7　习题　176
第10章　人工智能　177
10.1　人工智能概述　178
10.1.1　什么是人工智能　178
10.1.2　人工智能简史　179
10.1.3　图灵测试　180
10.1.4　智能体　181
10.2　知识表示及推理方法　181
10.2.1　语义网　181
10.2.2　框架　182
10.2.3　谓词逻辑　183
10.2.4　经典推理技术　184
10.3　搜索技术　185
10.3.1　问题空间与状态空间　185
10.3.2　基本搜索策略　185
10.3.3　高级搜索方法　186
10.4　机器学习　186
10.4.1　什么是机器学习　187
10.4.2　机器学习的历史　187
10.4.3　机器学习方法的类型　188
10.4.4　朴素贝叶斯法及其应用　188
10.5　自然语言处理　190
10.5.1　发展历史　190
10.5.2　原理简介　191
10.5.3　典型应用场景　192
10.5.4　未来发展趋势　193
10.6　计算机视觉　193
10.6.1　计算机视觉为什么重要　193
10.6.2　什么是计算机视觉　194
10.6.3　计算机视觉的挑战　195
10.6.4　问题分类和应用　196
10.7　小结　198
10.8　拓展知识　198
10.9　习题　198

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出版信息

书　　名：计算机科学概论（微课版）
执行编辑：本书的内容有任何问题，请联系许金霞
出版日期：2025-12-01
书　　号：978-7-115-67059-5
作　　者： 冯丹
定　　价：59.80 元
页　　数：198
印刷方式：双色印刷
开　　本：16开
出版状态：上市销售

作者介绍

冯丹，华中科技大学教授，国家杰出青年基金获得者，国家级人才计划入选者，电气电子工程师学会会士，中国计算机学会理事。现任华中科技大学副校长，武汉光电国家研究中心光电信息存储研究部主任，信息存储系统教育部重点实验室主任。主持 973 项目、863 重项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委创新研究群体项目。获国家技术发明奖二等奖 2 项、国家科学技术进步奖二等奖、国家级教学成果奖二等奖、高等学校科学研究优秀成果奖一等奖、湖北省技术发明奖一等奖 2 项、湖北省科技进步奖一等奖。

胡燏翀，华中科技大学教授，计算机科学与技术学院院长助理，国家级青年人才计划入者。从事计算机存储系统、存储编码、数据可靠性等方面研究。主持国家重点研发计划青年科学家项目和 3 项国家自然科学基金项目。近 5 年在 A 类会议和期刊发表论文 60 余篇。获国家科学技术进步奖二等奖，国家级教学成果奖二等奖，湖北省科技进步奖一等奖。