本書是一個新的計算機教育時代的產物，計算思維就是這個時代的名稱。一般認為科學思維主要分為理論思維、實驗思維和計算思維三大類，所以理論、實驗和計算成為推動人類文明進步和科技發展的三大支柱。而計算思維的主要內容則包括了問題求解、系統設計和人類行為理解。
在高等院校的計算機教育領域，一直存在兩種截然不同的教材： 一種是面向計算機和信息專業領域的，眾多成熟和系統性很強的教材并形成學科教育的基礎；另一種則是面向所有專業的計算機基礎教材，由于其中的內容大部分是面向計算機基本應用的，所以技術選擇對平臺工具具有一定的依賴性，而且隨著技術的變換而不斷變化。
由于計算機與網絡技術的迅猛發展，技術和平臺工具選擇的相互依賴會導致大部分專業工作者在學校所接觸到的信息技術和產品不久就成為"明日黃花"并為更新的技術和產品所替代，甚至一種計算工具尚未掌握，新一代的工具又產生了。這種狀況往往令人目不暇接，以至于無所適從。另一方面，計算機科學的基礎內容，那些在計算機科學課程系列中被認為極為重要的核心理念和基本方法，雖然變化緩慢，但由于其枯燥艱深，難以為廣大的其他專業工作者所了解和掌握。
在這個新的計算機教育時代，大學計算機課程的重要任務之一是讓學習者體驗到計算原理的相互影響以及問題有效解決的思維方式，并從中獲得計算的愉悅。
本書的目的就是朝著這個方向努力。希望在有限的時間里，將計算機科學的核心理念傳播給非計算機專業的讀者，并且，希望這些理念是可以觀察、驗證和投入實際應用的--即使這種應用水平還屬于初級階段，可能存在很多需要改進的地方。
進入21世紀，社會信息化不斷向縱深發展，各行各業的信息化進程不斷加速。我國的高等教育也進入了一個新的歷史發展時期，尤其是高校的計算機基礎教育，正在步入更加科學，更加合理，更加符合21世紀高校人才培養目標的新階段。
為了進一步推動高校計算機基礎教育的發展，教育部高等學校計算機科學與技術教學指導委員會近期了《關于進一步加強高等學校計算機基礎教學的意見暨計算機基礎課程教學基本要求》(以下簡稱《教學基本要求》) . 《教學基本要求》針對計算機基礎教學的現狀與發展，提出了計算機基礎教學改革的指導思想；按照分類、分層次組織教學的思路，《教學基本要求》提出了計算機基礎課程教學內容的知識結構與課程設置。《教學基本要求》認為，計算機基礎教學的典型核心課程包括大學計算機基礎、計算機程序設計基礎、計算機硬件技術基礎(微機原理與接口、單片機原理與應用)、數據庫技術及應用、多媒體技術及應用、計算機網絡技術及應用?！督虒W基本要求》中介紹了上述六門核心課程的主要內容，這為今后的課程建設及教材編寫提供了重要的依據。在下一步計算機課程規劃工作中，建議各校采用"1+X"的方案，即"大學計算機基礎"+ 若干必修或選修課程。
教材是實現教學要求的重要保障。為了更好地促進高校計算機基礎教育的改革，我們組織了國內部分高校教師進行了深入的討論和研究，根據《教學基本要求》中的相關課程教學基本要求組織編寫了這套"大學計算機基礎教育規劃教材".
本套教材的特點如下：
(1) 體系完整，內容先進，符合大學非計算機專業學生的特點，注重應用，強調實踐。
(2) 教材的作者來自全國各個高校，都是教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會推薦的專家、教授和教學骨干。
(3) 注重立體化教材的建設， 除主教材外，還配有多媒體電子教案、習題與實驗指導，以及教學網站和教學資源庫等。
(4) 注重案例教材和實驗教材的建設，適應教師指導下的學生自主學習的教學模式。
(5) 及時更新版本，力圖反映計算機技術的新發展。
本套教材將隨著高校計算機基礎教育的發展不斷調整，希望各位專家、教師和讀者不吝提出寶貴的意見和建議，我們將根據大家的意見不斷改進本套教材的組織、編寫工作，為我國的計算機基礎教育的教材建設和人才培養做出更大的貢獻。
"大學計算機基礎教育規劃教材"叢書主編
教育部高等學校計算機基礎課程教學指導委員會副主任委員
程向前
生于1954年11月，男，管理信息理學碩士，高級工程師，西安交通大學計算機教學實驗中心副主任。
教授課程：計算機網絡技術與應用；管理信息系統；負責計算機教學實驗中心的實驗環境建設和日常運行；負責計算機網絡，管理信息系統課程雙語教學改革項目；"計算機網絡"精品課程的主要完成人之一。
合作出版教材及教輔資料10本，獨立出版教材2本。其中，《計算機網絡》2002年2月獲教材一等獎(排名第四)，《硬件技術基礎》2002年2月獲教材二等獎(排名第三)。
第1章 RAPTOR程序設計基礎1
1.1 程序與算法的基本概念1
1.1.1 為什么要學習程序設計1
1.1.2 程序設計的發展階段2
1.1.3 為什么要使用RAPTOR可視化程序設計環境6
1.1.4 程序設計語言的基本概念8
1.1.5 RAPTOR的特點10
1.2 RAPTOR基本程序環境10
1.2.1 基本符號10
1.2.2 變量11
1.2.3 常量15
1.2.4 輸入語句15
1.2.5 數據處理語句16
1.2.6 過程調用語句19
1.2.7 輸出語句20
1.2.8 注釋21
1.3 RAPTOR控制結構23
1.3.1 順序控制23
1.3.2 選擇控制23
1.3.3 決策表達式24
1.3.4 循環控制27
1.4 RAPTOR數組變量31
1.4.1 一維數組的創建32
1.4.2 二維數組的創建33
1.4.3 數組的運算34
1.4.4 如何使用數組變量34
1.4.5 平行數組35
1.4.6 數組應用中的注意事項35
1.5 RAPTOR子程序和子圖的定義及調用35
1.6 計算問題求解的一般過程401.6.1 理解問題40
1.6.2 制定計劃41
1.6.3 執行計劃42
1.6.4 回顧與總結42
1.6.5 使用計算機進行問題求解: 程序開發周期43
1.7 小結與回顧44
習題44
第2章 算法設計與可視化46
2.1 算法初步46
2.1.1 算法的由來與定義46
2.1.2 算法的特性49
2.1.3 算法設計的要求49
2.2 算法效率的度量51
2.2.1 算法效率的基本估算方法51
2.2.2 實驗驗證方法53
2.3 算法復雜度53
2.3.1 函數的漸近增長54
2.3.2 算法時間復雜度定義54
2.3.3 推算大?O?階方法55
2.4 計算的可視化問題57
2.4.1 算法設計的可視化57
2.4.2 計算過程的可視化58
2.4.3 計算問題和結果的可視化60
2.4.4 RAPTOR與流程圖規范之間的關系與差別61
2.5 RAPTOR算法設計常用子程序63
2.5.1 隨機數的產生與存儲63
2.5.2 將計算結果存儲到文件64
2.5.3 從文件中讀入基礎數據65
2.5.4 RAPTOR圖形輸出67
2.5.5 RAPTOR圖形窗口中的用戶交互74
2.5.6 圖形輸出案例: 隨機漫步的模擬模型75
2.6 小結與回顧81
習題81
第3章 基本算法和策略83
3.1 基本算法83
3.1.1 蠻力法83
3.1.2 分段函數84
3.1.3 遞推法86
3.1.4 模運算89
3.1.5 字符和字符串運算89
3.1.6 遞歸93
3.1.7 數論問題98
3.1.8 組合計算102
3.1.9 迭代法105
3.2 基本策略108
3.2.1 貪心策略108
3.2.2 分治策略110
3.2.3 回溯策略111
3.2.4 動態規劃114
3.2.5 將遞歸算法轉化為非遞歸的實現117
3.2.6 基本算法策略的討論119
3.3 小結與回顧121
習題121
第4章 模型化124
4.1 從有限狀態機到圖靈機124
4.1.1 什么是模型125
4.1.2 如何建立模型126
4.1.3 什么是有限狀態機126
4.1.4 如何設計和應用有限狀態機129
4.1.5 可視化有限狀態機的實現案例: 電子寵物游戲130
4.1.6 什么是圖靈機136
4.1.7 如何使用RAPTOR模擬圖靈機139
4.1.8 有限狀態機與圖靈機的比較148
4.2 使用RAPTOR實現抽象數據類型149
4.2.1 對現實世界中的問題進行數據抽象149
4.2.2 使用RAPTOR實現線性表151
4.2.3 使用RAPTOR實現樹155
4.3 小結與回顧164
習題164
第5章 排序與查找166
5.1 排序166
5.1.1 計算機如何進行排序167
5.1.2 直接插入排序169
5.1.3 桶排序172
5.1.4 冒泡排序172
5.1.5 快速排序176
5.1.6 歸并排序178
5.1.7 排序算法的分析178
5.2 查找180
5.2.1 順序查找180
5.2.2 二分查找181
5.2.3 分塊查找182
5.2.4 哈希查找188
5.2.5 查找算法的分析198
5.3 小結與回顧199
習題199
第6章 信息論、哈夫曼編碼與二叉樹201
6.1 問題的引入201
6.1.1 信息表達203
6.1.2 數字表達204
6.1.3 字符表達205
6.2 信息論基礎207
6.2.1 什么是信息207
6.2.2 信息的量化208
6.3 哈夫曼編碼212
6.3.1 哈夫曼編碼原理213
6.3.2 使用RAPTOR實現哈夫曼編碼的算法215
6.4 二叉樹220
6.4.1 二叉樹的遍歷224
6.4.2 堆排序227
6.4.3 二叉搜索樹228
6.4.4 平衡二叉樹236
6.5 小結和回顧240
習題241
第7章 圖論基礎與應用243
7.1 圖的定義和常用術語244
7.2 圖的存儲246
7.2.1 鄰接矩陣存儲原理246
7.2.2 使用RAPTOR建立已知圖的鄰接矩陣248
7.2.3 鄰接表存儲原理249
7.2.4 使用RAPTOR建立已知圖的鄰接表252
7.3 圖的遍歷253
7.3.1 深度優先搜索254
7.3.2 廣度優先搜索255
7.3.3 求圖的連通分量 256
7.4 圖算法的應用258
7.4.1 最小網絡建設成本258
7.4.2 最短的旅行路線260
7.4.3 地圖著色問題266
7.4.4 商業網點的最省布點方案269
7.5 在RAPTOR中實現圖算法的可視化271
7.5.1 圖類算法的問題可視化271
7.5.2 真實的地圖與抽象圖的疊加274
7.5.3 棋類游戲的實現276
7.6 小結與回顧279
習題279
第8章 計算工具的評估和選擇281
8.1 計算工具的精度評估281
8.1.1 誤差的來源282
8.1.2 誤差、相對誤差和有效數字283
8.1.3 計算工具的精度設計與誤差284
8.1.4 誤差分析與實踐289
8.2 從RAPTOR到C++的算法環境轉換290
8.2.1 遞歸程序290
8.2.2 文件輸入輸出292
8.2.3 圖形問題294
8.2.4 RAPTOR的轉換和編譯問題297
8.2.5 RAPTOR與C/C++的比較與選擇300
8.3 面向對象的程序設計與RAPTOR303
8.3.1 OOP的基本概念304
8.3.2 封裝304
8.3.3 繼承305
8.3.4 多態性305
8.3.5 典型的面向對象的程序語言306
8.3.6 RAPTOR對OOP的支持306
8.4 逆向工程: 從代碼到流程圖312
8.4.1 CVF介紹312
8.4.2 CVF流程圖與RAPTOR的比較315
8.4.3 AutoFlowchart介紹315
8.5 電子表格軟件與數值計算316
8.6 小結與回顧320
習題320
附錄A RAPTOR圖形操作指南322
A.1 RAPTOR圖形坐標322
A.2 色彩322
A.2.1 設置顏色323
A.2.2 生成隨機色彩323
A.3 繪圖操作323
A.3.1 清理窗口324
A.3.2 畫弧324
A.3.3 畫圓325
A.3.4 畫橢圓325
A.3.5 繪制可以旋轉角度的橢圓326
A.3.6 繪制位圖326
A.3.7 裝載位圖327
A.3.8 畫線327
A.3.9 填色327
A.3.10 取得像素的色彩328
A.3.11 設置像素的色彩328
A.4 鍵盤操作328
A.4.1 取鍵值329
A.4.2 取鍵字符串329
A.4.3 判斷某個鍵是否處于按下狀態330
A.4.4 判斷某個擊鍵動作是否已經發生過330
A.4.5 等待鍵入331
A.5 鼠標操作331
A.5.1 取得鼠標按鍵與指針位置331
A.5.2 取得鼠標指針的X值331
A.5.3 取得鼠標指針的Y值332
A.5.4 判斷鼠標鍵是否處于按下狀態332
A.5.5 判斷鼠標鍵是否被按下過332
A.5.6 判斷鼠標鍵是否已經釋放333
A.5.7 等待某個鼠標按鍵動作333
A.6 文本操作333
A.6.1 顯示數字334
A.6.2 顯示文本334
A.6.3 取得字模的高度334
A.6.4 取得字模的寬度335
A.6.5 設置字號335
A.7 窗口操作335
A.7.1 關閉窗口335
A.7.2 取得窗口的較大高度336
A.7.3 取得窗口的較大寬度336
A.7.4 判斷圖形窗口是否打開336
A.7.5 打開圖形窗口337
A.7.6 設置窗口的標題欄337
A.7.7 平滑動畫顯示效果337
術語對照表339參考文獻348參考網站349
參考文獻197
希望該書成為計算思維領域最實用的學習工具，為我國計算機相關專業的發展作出應有的貢獻。
——廣東工業大學 程良倫 教授
該書將程序設計語言、算法、數據結構、圖論等傳統課程中基礎性、應用性較強的知識融合在一起，可使得教學工作事半功倍。
——肇慶學院 胡忠望 教授
該書內容很，涉及計算學科所需相關知識和相應的工具。
——福州大學 陳國龍 教授
作者的工作非常有意義。這種可以理解和操作的"計算思維能力培養"具有很大的示范效應，可以推廣到所有的學校和專業。
——桂林電子科技大學 董榮勝 教授
該書非常適合廣大非計算機專業的學生使用，即使對于低年級的專業學生，也是很好的教材。
——華東理工大學 陳志華 副教授
We invented RAPTOR because our students here in the United States also are primarily visual learners. We found that RAPTOR allowed them to be more successful in designing and implementing small algorithms than using a traditional programming language.
——Dr.Martin C. Carlisle
