计算机科学基础

《计算机科学基础》是一本计算机科学入门教材，主要介绍计算机基础知识以及现有新技术的原理和应用。本书将理论与应用进行结合，让学生真正理解计算机作为数据处理机的工作原理以及实现方法。除此之外，本身将信息安全作为非常重要的一个章节介绍，希望能让学生理解信息安全的本质、掌握基本的信息安全防护方法。

刘小丽，暨南大学教师，研究方向软件安全，发表论文20余篇；主持教改项目8项，参与教改10余项；主持科研项目2项，排名第二主持、参与省部级科研项目6项；第一主编编写教材1部，排名前三参编教材4部。

1.1初识计算机1

1.1.1计算机的功能2

1.1.2计算机的发展3

1.2计算机系统的构成6

1.2.1计算机硬件系统6

1.2.2计算机软件系统13

1.3计算机的工作原理15

1.3.1冯·诺依曼原理16

1.3.2计算机的启动17

1.3.3计算机的计算原理18

1.4计算机网络与安全21

1.5计算机科学基础导学22

1.5.1计算机系统的分层模型22

1.5.2学习思路23

1.6思考题24

第2章操作系统30

2.1操作系统基础30

2.1.1操作系统概述30

2.1.2操作系统的结构和核心概念30

2.1.3操作系统分类31

2.2操作系统的功能34

2.2.1设备管理34

2.2.2存储管理35

2.2.3进程管理35

2.2.4文件管理36

2.3操作系统举例——Windows 1036计算机科学基础目录

2.3.1Windows文件管理36

2.3.2程序管理42

2.3.3硬件管理47

2.3.4常用小工具48

2.3.5输入法的安装与设置51

2.3.6使用技巧52

2.4思考题58

第3章数据的表示与存储65

3.1数据在计算机中的表示65

3.1.1数制65

3.1.2二进制67

3.1.3二进制运算67

3.1.4进制的转换68

3.1.5数值在计算机中的表示与存储71

3.2字符的编码76

3.2.1ASCII码76

3.2.2汉字的表示77

3.3多媒体数据的表示80

3.3.1图形与图像80

3.3.2音频84

3.3.3视频86

3.3.4动画87

3.4数据的存储87

3.4.1数据存储基础88

3.4.2单一类型数据存储89

3.4.3复合类型数据存储——面向对象90

3.4.4复合类型数据存储——结构化93

3.5思考题94

第4章数据管理示例100

4.1Excel电子表格101

4.1.1Excel基础知识101

4.1.2Excel数据和公式103

4.1.3Excel表的结构化106

4.1.4Excel函数108

4.1.5Excel图表111

4.1.6Excel数据管理和分析112

4.2Access数据库115

4.2.1数据库基础知识115

4.2.2Access基础知识117

4.2.3数据库及表119

4.2.4查询123

4.2.5关系数据语言SQL 127

4.3非结构化数据处理示例130

4.4思考题132

第5章算法基础135

5.1算法的概念135

5.1.1算法概述135

5.1.2算法的定义及特性136

5.1.3算法要素137

5.2算法的表示137

5.2.1自然语言137

5.2.2伪代码138

5.2.3流程图140

5.3常用的基本算法141

5.3.1迭代法141

5.3.2递归法143

5.3.3蛮力法144

5.3.4排序算法146

5.3.5查找算法148

5.4算法效率150

5.4.1分析框架150

5.4.2时间复杂度150

5.4.3空间复杂度153

5.5算法可视化工具Raptor153

5.5.1Raptor简介153

5.5.2Raptor使用基础154

5.5.3基本控制结构的表示156

5.6思考题160

第6章Python程序设计167

6.1程序设计概述167

6.1.1程序167

6.1.2程序设计与程序设计语言168

6.1.3数据与数据结构168

6.1.4程序设计的基本步骤169

6.2Python语言基础169

6.2.1引例169

6.2.2输入与输出171

6.2.3标识符与变量172

6.2.4数据类型及运算173

6.3Python程序控制结构180

6.3.1分支结构180

6.3.2循环结构182

6.3.3程序控制结构应用实例184

6.4Python函数与模块185

6.4.1常用模块中的函数186

6.4.2用户自定义函数187

6.4.3匿名函数188

6.4.4递归函数188

6.5Python数据库编程189

6.5.1数据库编程的基本步骤190

6.5.2数据库编程实例190

6.6Python非结构化数据处理192

6.6.1网络爬虫应用实例192

6.6.2中文文本分析实例196

6.7思考题198

第7章互联网技术及应用206

7.1网络基础206

7.1.1网络的定义206

7.1.2网络的功能207

7.1.3网络的性能指标208

7.1.4网络的分类210

7.2Internet基础216

7.2.1因特网与互联网216

7.2.2TCP/IP217

7.2.3DNS服务222

7.2.4FTP服务224

7.3互联网新技术225

7.3.1物联网225

7.3.2云计算228

7.3.3大数据232

7.3.4人工智能239

7.4思考题244

第8章信息安全250

8.1病毒与防火墙250

8.1.1计算机病毒250

8.1.2防火墙253

8.2密码学基础256

8.2.1密码学概述256

8.2.2对称加密257

8.2.3非对称加密258

8.2.4哈希算法259

8.3密码技术及应用260

8.3.1数字签名260

8.3.2区块链262

8.3.3比特币264

8.4生活中的密码与加密269

8.4.1密码269

8.4.2设置个人密码269

8.4.3加密文件271

8.5信息安全案例剖析274

8.5.1支付宝的数字证书274

8.5.2恢复误删的数据275

8.5.3免费WiFi成诈骗“新领地”276

8.5.4防范恶意软件279

8.5.5二维码安全280

8.6思考题282

附录AASCII码一览表289

一、 系列教材背景

人类已经进入智能时代,云计算、大数据、物联网、人工智能、机器人、量子计算等是这个时代最重要的技术热点。为了适应和满足时代发展对人才培养的需要,2017年2月以来,教育部积极推进新工科建设,先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”,并发布了《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》《教育部办公厅关于推荐新工科研究与实践项目的通知》,全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验,助力高等教育强国建设。新工科有两个内涵: 一是新的工科专业;二是传统工科专业的新需求。新工科建设将促进一批新专业的发展,这批新专业有的是依托于现有计算机类专业派生、扩展而成的,有的是多个专业有机整合而成的。由计算机类专业派生、扩展形成的新工科专业有计算机科学与技术、软件工程、网络工程、物联网工程、信息管理与信息系统、数据科学与大数据技术等。由计算机类学科交叉融合形成的新工科专业有网络空间安全、人工智能、机器人工程、数字媒体技术、智能科学与技术等。

在新工科建设的“九个一批”中,明确提出“建设一批体现产业和技术最新发展的新课程”“建设一批产业急需的新兴工科专业”。新课程和新专业的持续建设,都需要以适应新工科教育的教材作为支撑。由于各个专业之间的课程相互交叉,但是又不能相互包含,所以在选题方向上,既考虑由计算机类专业派生、扩展形成的新工科专业的选题,又考虑由计算机类专业交叉融合形成的新工科专业的选题,特别是网络空间安全专业、智能科学与技术专业的选题。基于此,清华大学出版社计划出版“面向新工科专业建设计算机系列教材”。

二、 教材定位

教材使用对象为“211工程”高校或同等水平及以上高校计算机类专业及相关专业学生。计算机科学基础出版说明三、 教材编写原则

(1) 借鉴Computer Science Curricula 2013(以下简称CS2013)。CS2013的核心知识领域包括算法与复杂度、体系结构与组织、计算科学、离散结构、图形学与可视化、人机交互、信息保障与安全、信息管理、智能系统、网络与通信、操作系统、基于平台的开发、并行与分布式计算、程序设计语言、软件开发基础、软件工程、系统基础、社会问题与专业实践等内容。

(2) 处理好理论与技能培养的关系,注重理论与实践相结合,加强对学生思维方式的训练和计算思维的培养。计算机专业学生能力的培养特别强调理论学习、计算思维培养和实践训练。本系列教材以“重视理论,加强计算思维培养,突出案例和实践应用”为主要目标。

(3) 为便于教学,在纸质教材的基础上,融合多种形式的教学辅助材料。每本教材可以有主教材、教师用书、习题解答、实验指导等。特别是在数字资源建设方面,可以结合当前出版融合的趋势,做好立体化教材建设,可考虑加上微课、微视频、二维码、MOOC等扩展资源。

四、 教材特点1. 满足新工科专业建设的需要系列教材涵盖计算机科学与技术、软件工程、物联网工程、数据科学与大数据技术、网络空间安全、人工智能等专业的课程。

2. 案例体现传统工科专业的新需求

编写时,以案例驱动,任务引导,特别是有一些新应用场景的案例。

3. 循序渐进,内容全面

讲解基础知识和实用案例时,由简单到复杂,循序渐进,系统讲解。

4. 资源丰富,立体化建设

除了教学课件外,还可以提供教学大纲、教学计划、微视频等扩展资源,以方便教学。

五、 优先出版1. 精品课程配套教材主要包括国家级或省级的精品课程和精品资源共享课的配套教材。

2. 传统优秀改版教材

对于已经出版、得到市场认可的优秀教材,由于新技术的发展,计划给图书配上新的教学形式、教学资源的改版教材。

3. 前沿技术与热点教材

反映计算机前沿和当前热点的相关教材，例如云计算、大数据、人工智能、物联网、网络空间安全等方面的教材。

六、 联系方式

联系人: 白立军

“面向新工科专业建设计算机系列教材”编委会

2019年6月

计算机科学基础