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计算思维与人工智能素养


作者:
主编:周彦、姚志强、谭貌 副主编:张正鹏、王冬丽、周高典
定价:
49.80 元
版面字数:
560.00千字
开本:
16开
装帧形式:
平装
页数:
384
最新
印次时间:
2026年09月
ISBN:
978-7-04-068251-9
物料号:
68251-00
出版时间:
2026-09-28
读者对象:
高等教育
一级分类:
计算机/教育技术类
二级分类:
计算机基础课程

本书面向理工科本科生,以计算思维筑基、人工智能(AI)素养提升为核心主线,系统构建“思维训练—技术认知—实践应用—伦理升华”的一体化知识体系。全书紧扣工程教育认证要求,融合计算思维与人工智能核心内容,依次讲解计算思维、人工智能基础、机器学习基础、深度学习、自然语言处理、计算机视觉、分布式智能与多智能体系统、大模型与生成式AI、人工智能伦理与安全等内容,并配套人工智能数学基础模块。教材兼顾科普性与专业性,突出工业场景应用与Python编程实践,强化知识素养、能力素养、伦理素养协同培育。通过数字化资源、递进式实践任务与素养评估体系,帮助学生掌握智能时代的核心思维与技术应用能力,树立负责任的技术创新理念,成长为适应智能时代需求的复合型人才。 本书可作为高等学校理工科各专业人工智能通识课教材,也可作为工程技术人员了解计算思维与人工智能基础的参考用书。
  • 目录
    • 前辅文
      • 第1章 绪论
        • 1.1 人工智能时代
          • 1.1.1 智能时代的技术融合特征
            • 1.1.2 智能时代的能力重构要求
              • 1.1.3 计算思维与AI素养的时代必要性
              • 1.2 计算思维概述
                • 1.2.1 定义与本质
                  • 1.2.2 工科应用价值
                  • 1.3 人工智能素养概述
                    • 1.3.1 定义与内涵
                      • 1.3.2 构成维度
                      • 1.4 学习建议
                        • 1.4.1 内容框架
                          • 1.4.2 素养培养
                            • 1.4.3 实践路径
                            • 本章小结
                              • 思考题
                              • 第2章 计算思维
                                • 2.1 概述
                                  • 2.1.1 计算思维的概念
                                    • 2.1.2 计算思维的重要性
                                      • 2.1.3 计算思维的要素
                                      • 2.2 抽象与建模
                                        • 2.2.1 抽象
                                          • 2.2.2 建模
                                            • 2.2.3 案例解析:电力负荷预测中的变量筛选与建模
                                              • 2.2.4 思维训练:问题抽象与模型构建
                                              • 2.3 分解与递归
                                                • 2.3.1 分解
                                                  • 2.3.2 递归
                                                    • 2.3.3 案例解析:智能交通系统的层次化分解
                                                      • 2.3.4 思维训练:问题分解结构设计
                                                      • 2.4 算法设计与优化
                                                        • 2.4.1 算法基础
                                                          • 2.4.2 算法优化
                                                            • 2.4.3 案例解析:冒泡排序的算法优化
                                                              • 2.4.4 思维训练:算法方案比较与改进
                                                              • 2.5 自动化与泛化
                                                                • 2.5.1 自动化
                                                                  • 2.5.2 泛化
                                                                    • 2.5.3 案例解析:从单一到多品类质检的自动化泛化
                                                                      • 2.5.4 思维训练:自动处理方案设计
                                                                      • 2.6 计算思维综合训练
                                                                        • 2.6.1 案例背景
                                                                          • 2.6.2 步骤一:抽象与建模
                                                                            • 2.6.3 步骤二:分解
                                                                              • 2.6.4 步骤三:算法设计
                                                                                • 2.6.5 步骤四:自动化与泛化
                                                                                • 本章小结
                                                                                  • 思考题
                                                                                  • 第3章 人工智能基础
                                                                                    • 3.1 定义与目标
                                                                                      • 3.1.1 定义解读
                                                                                        • 3.1.2 层级划分
                                                                                          • 3.1.3 计算思维与AI的内在关系
                                                                                          • 3.2 人工智能的发展历程
                                                                                            • 3.2.1 第一阶段:符号主义萌芽期(1956—1974年)
                                                                                              • 3.2.2 第二阶段:机器学习崛起期(1980—2010年)
                                                                                                • 3.2.3 第三阶段:深度学习与生成式AI爆发期(2012年至今)
                                                                                                • 3.3 技术体系:数据-算法-算力
                                                                                                  • 3.3.1 数据
                                                                                                    • 3.3.2 算法
                                                                                                      • 3.3.3 算力
                                                                                                        • 3.3.4 三要素的协同关系
                                                                                                        • 3.4 人工智能的核心分支
                                                                                                          • 3.4.1 计算机视觉
                                                                                                            • 3.4.2 自然语言处理
                                                                                                              • 3.4.3 强化学习
                                                                                                              • 3.5 人工智能的硬件支撑基础
                                                                                                                • 3.5.1 核心计算芯片
                                                                                                                  • 3.5.2 并行计算与分布式训练
                                                                                                                    • 3.5.3 硬件与AI的协同逻辑
                                                                                                                    • 3.6 人工智能的应用领域
                                                                                                                      • 3.6.1 应用概述
                                                                                                                        • 3.6.2 工业机器人
                                                                                                                          • 3.6.3 特种机器人
                                                                                                                            • 3.6.4 具身智能与人形机器人
                                                                                                                            • 本章小结
                                                                                                                              • 思考题
                                                                                                                              • 第4章 机器学习基础
                                                                                                                                • 4.1 机器学习的定义
                                                                                                                                  • 4.1.1 传统程序与机器学习的区别
                                                                                                                                    • 4.1.2 机器学习核心要素
                                                                                                                                      • 4.1.3 机器学习的基本流程
                                                                                                                                      • 4.2 监督学习
                                                                                                                                        • 4.2.1 监督学习的基本原理
                                                                                                                                          • 4.2.2 监督学习的建模基础
                                                                                                                                            • 4.2.3 典型监督学习方法
                                                                                                                                              • 4.2.4 模型评估与优化
                                                                                                                                              • 4.3 无监督学习
                                                                                                                                                • 4.3.1 无监督学习的基本问题
                                                                                                                                                  • 4.3.2 数据结构与相似性分析
                                                                                                                                                    • 4.3.3 强化学习
                                                                                                                                                      • 4.3.4 自动化建模与泛化能力
                                                                                                                                                      • 4.4 机器学习的硬件适配与效率优化
                                                                                                                                                        • 4.4.1 机器学习的计算特性
                                                                                                                                                          • 4.4.2 计算资源与硬件体系结构
                                                                                                                                                            • 4.4.3 硬件选择与计算效率优化
                                                                                                                                                            • 4.5 机器学习实践
                                                                                                                                                              • 4.5.1 数据预处理与特征构建
                                                                                                                                                                • 4.5.2 模型训练与性能评估
                                                                                                                                                                  • 4.5.3 工业场景案例
                                                                                                                                                                  • 本章小结
                                                                                                                                                                    • 思考题
                                                                                                                                                                    • 第5章 深度学习
                                                                                                                                                                      • 5.1 定义与优势
                                                                                                                                                                        • 5.1.1 深度学习的基本概念
                                                                                                                                                                          • 5.1.2 传统机器学习与深度学习的对比分析
                                                                                                                                                                            • 5.1.3 深度学习的分层分解机制
                                                                                                                                                                              • 5.1.4 人脸识别中的深度学习应用
                                                                                                                                                                                • 5.1.5 自然语言处理中的深度学习应用
                                                                                                                                                                                  • 5.1.6 深度学习的核心优势
                                                                                                                                                                                  • 5.2 神经网络的基本结构与工作原理
                                                                                                                                                                                    • 5.2.1 生物神经元的结构
                                                                                                                                                                                      • 5.2.2 神经元数学模型
                                                                                                                                                                                        • 5.2.3 人工神经网络的结构和工作原理
                                                                                                                                                                                        • 5.3 典型深度学习模型
                                                                                                                                                                                          • 5.3.1 卷积神经网络
                                                                                                                                                                                            • 5.3.2 循环神经网络
                                                                                                                                                                                              • 5.3.3 生成对抗网络
                                                                                                                                                                                                • 5.3.4 注意力机制
                                                                                                                                                                                                • 5.4 深度学习的训练与优化
                                                                                                                                                                                                  • 5.4.1 深度学习的训练过程
                                                                                                                                                                                                    • 5.4.2 正则化策略
                                                                                                                                                                                                      • 5.4.3 训练策略与实践技巧
                                                                                                                                                                                                        • 5.4.4 模型评估与调优
                                                                                                                                                                                                        • 5.5 深度学习的硬件需求
                                                                                                                                                                                                          • 5.5.1 深度学习硬件的核心性能指标
                                                                                                                                                                                                            • 5.5.2 深度学习的主流硬件架构
                                                                                                                                                                                                              • 5.5.3 不同场景下的硬件配置方案
                                                                                                                                                                                                                • 5.5.4 深度学习硬件的发展趋势
                                                                                                                                                                                                                • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                  • 思考题
                                                                                                                                                                                                                  • 第6章 自然语言处理
                                                                                                                                                                                                                    • 6.1 NLP的核心任务
                                                                                                                                                                                                                      • 6.1.1 文本分类
                                                                                                                                                                                                                        • 6.1.2 情感分析
                                                                                                                                                                                                                          • 6.1.3 语音识别
                                                                                                                                                                                                                            • 6.1.4 机器翻译
                                                                                                                                                                                                                            • 6.2 文本的抽象与建模
                                                                                                                                                                                                                              • 6.2.1 核心逻辑与必要性
                                                                                                                                                                                                                                • 6.2.2 基础编码方法
                                                                                                                                                                                                                                  • 6.2.3 词向量与嵌入技术
                                                                                                                                                                                                                                    • 6.2.4 工业文本的特点
                                                                                                                                                                                                                                    • 6.3 NLP模型
                                                                                                                                                                                                                                      • 6.3.1 发展演进与核心变革
                                                                                                                                                                                                                                        • 6.3.2 机器学习NLP模型
                                                                                                                                                                                                                                          • 6.3.3 深度学习NLP模型
                                                                                                                                                                                                                                            • 6.3.4 Transformer
                                                                                                                                                                                                                                            • 6.4 工业文本故障诊断系统搭建
                                                                                                                                                                                                                                              • 6.4.1 需求分析
                                                                                                                                                                                                                                                • 6.4.2 数据层与预处理层设计
                                                                                                                                                                                                                                                  • 6.4.3 建模层与业务层设计
                                                                                                                                                                                                                                                    • 6.4.4 应用层设计
                                                                                                                                                                                                                                                    • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                                                      • 思考题
                                                                                                                                                                                                                                                      • 第7章 计算机视觉
                                                                                                                                                                                                                                                        • 7.1 计算机视觉的核心任务
                                                                                                                                                                                                                                                          • 7.1.1 计算机视觉的任务体系概述
                                                                                                                                                                                                                                                            • 7.1.2 图像分类
                                                                                                                                                                                                                                                              • 7.1.3 目标检测
                                                                                                                                                                                                                                                                • 7.1.4 图像分割
                                                                                                                                                                                                                                                                • 7.2 图像的预处理与特征提取
                                                                                                                                                                                                                                                                  • 7.2.1 计算思维视角下的图像抽象建模
                                                                                                                                                                                                                                                                    • 7.2.2 图像预处理
                                                                                                                                                                                                                                                                      • 7.2.3 手工特征提取
                                                                                                                                                                                                                                                                        • 7.2.4 基于CNN的自动特征提取
                                                                                                                                                                                                                                                                        • 7.3 计算机视觉模型
                                                                                                                                                                                                                                                                          • 7.3.1 CNN目标检测
                                                                                                                                                                                                                                                                            • 7.3.2 工业缺陷检测流程
                                                                                                                                                                                                                                                                              • 7.3.3 工业场景适配
                                                                                                                                                                                                                                                                                • 7.3.4 模型性能评估
                                                                                                                                                                                                                                                                                • 7.4 计算机视觉实践
                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 7.4.1 实训环境搭建
                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 7.4.2 工业缺陷数据集构建
                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 7.4.3 基于CNN的缺陷检测模型开发
                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 7.4.4 模型优化与部署
                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 思考题
                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 第8章 分布式智能与多智能体系统
                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.1 分布式智能概述
                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.1.1 分布式智能的概念
                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.1.2 分布式问题的求解及多智能体系统
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.1.3 多智能体系统
                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.2 智能体的机理与结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 8.2.1 智能体的机理
                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.2.2 智能体的结构
                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 8.3 多智能体系统
                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 8.3.1 智能体通信
                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 8.3.2 多智能体合作
                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.3.3 移动智能体系统
                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 8.4 基于大语言模型的智能体
                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 8.4.1 AI智能体与大语言模型
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 8.4.2 AI智能体的构建
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 8.4.3 AI智能体的实践
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 思考题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 第9章 大模型与生成式AI
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 9.1 大模型基础
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 9.1.1 大模型的定义
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 9.1.2 大模型的分类
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 9.1.3 大模型的发展历程
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 9.1.4 我国大模型的发展
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.1.5 大模型的构建过程
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.1.6 大模型的核心特征
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.2 生成式AI
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.2.1 生成式AI概述
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 9.2.2 生成式AI的特点
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 9.2.3 生成式AI的工作逻辑
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 9.2.4 生成式AI的发展趋势
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 9.3 大模型的应用
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 9.3.1 大模型辅助科研代码生成
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 9.3.2 大模型辅助实验方案设计
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.3.3 大模型文献综述辅助
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 9.4 大模型的局限性
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 9.4.1 大模型局限性的三个维度
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 9.4.2 改进方法
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 思考题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 第10章 人工智能伦理与安全
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.1 AI的典型伦理风险
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 10.1.1 算法偏见
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 10.1.2 数据隐私
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.1.3 安全漏洞
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 10.1.4 道德认定
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 10.2 人工智能伦理的核心原则与规范
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 10.2.1 人工智能伦理核心原则的内涵与价值
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.2.2 人工智能伦理的核心原则解析
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.2.3 国际视角下的AI伦理框架
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.2.4 人工智能伦理原则与规范的工科应用要求
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.3 工科领域应用场景中的AI伦理实践
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 10.3.1 工科领域应用场景AI伦理实践的核心逻辑与价值导向
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 10.3.2 典型工科领域应用场景的AI伦理实践路径
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 10.3.3 工科领域应用场景AI伦理风险的规避机制
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 10.3.4 工科领域应用场景AI伦理实践的多元主体责任担当
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 10.4 伦理素养的自我提升
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 10.4.1 理性认知人工智能
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 10.4.2 伦理判断能力培养
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      • 10.4.3 负责任创新
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 10.4.4 人工智能安全风险的应对策略
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                        • 本章小结
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 思考题
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          • 参考文献
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                            • 附录 人工智能数学基础
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              • 附录1 线性代数基础
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                • 附录2 概率论基础
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  • 附录3 最优化理论基础
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    • 附录4 数学工具与计算思维的结合

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                  相关图书