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1 BC-0005 Bases Computacionais da Ciência Apresentação e Fundamentos da Computação David Correa Martins Jr david.martins@ufabc.edu.br �David Correa Martins Jr (CMCC) � david.martins@ufabc.edu.br � Sala 541, torre 2, bloco A (Santo André) � Área de pesquisa: Reconhecimento de padrões com aplicações em bioinformática e visão computacional � atualmente com foco em biologia sistêmica, especialmente modelagem e inferência de redes de regulação gênica Apresentação do professor 2 �Nome �Já decidiu pelo curso no qual pretende se formar? Apresentação do aluno 3 � Cada vez mais os computadores estão presentes nas diferentes áreas da Ciência e Tecnologia � Qual a diferença entre Ciência e Tecnologia? Motivação 4 � A palavra Ciência está relacionada com a compreensão das coisas (entendimento de comportamentos) � Perguntas de quem está fazendo Ciência: � O que acontece se … ? � Quais as diferenças e as semelhanças entre … ? � Qual a relação entre... ? � Existe relação... ? Exemplos de estudos científicos: � Investigar como pessoas se comportam no fenômeno do pânico em multidão � Investigar se o ar ocupa mais espaço quando está quente ou quando está frio � Investigar se existe uma relação direta entre produtividade e colaboração (quantificar). Ciência e Tecnologia 5 A Tecnologia está relacionada com encontrar soluções práticas para problemas: � especialmente criar algo que vá de encontro às necessidades humanas Perguntas de quem está fazendo tecnologia: � Como podemos fazer isto? � Como identificar focos de doenças? Ciência e Tecnologia 6 Em Tecnologia há a aplicação de idéias científicas, combinadas com idéias criativas para produzir modelos que funcionam Quem paga e quem realiza atividade de ciência e tecnologia nos Estados Unidos, Japão, Alemanha, França, Inglaterra e Canadá. Fonte: Unesco "Science and Technology in the World, 1996" e para o Brasil: "Indicadores Nacionais de C&T do MCT, 1990-1994") Ciência e Tecnologia 7 Cada vez mais os computadores estão presentes nas diferentes áreas da Ciência e Tecnologia Motivação 8 Ter um bom domínio sobre os computadores é uma competência importante para um Bacharel em Ciência e Tecnologia (BC&T) ou um Bacharel em Ciências e Humanidades (BC&H): Auxilia a resolver vários problemas durante a vida acadêmica e profissional Motivação 9 A disciplina “Bases Computacionais da Ciência” lança as bases para uma formação (básica) computacional dos alunos. � Apresenta como a Computação pode ser usada como apoio para o tratamento de conteúdos presentes em todas as profissões: funções e gráficos, estatística, etc � Sugerir formas de emprego da Computação para a produção de conhecimento científico e tecnológico Objetivos da disciplina 10 Habilidades Cognitivas: � Ao final do curso, o aluno deve ser capaz de articular conhecimentos da Computação com outros campos do conhecimento científico Habilidades Práticas: � Ao final do curso, o aluno deve ser capaz de avaliar de forma crítica a eficiência de ferramentas e métodos da Computação para a geração de novos conhecimentos científicos e tecnológicos Desenvolvimento de competências 11 � 1) Fundamentos da Computação � 2) Representação e Análise de Dados • Representação Gráfica de Funções • Noções de Estatística • Correlação e Regressão • Base de Dados � 3) Algoritmos • Lógica de Programação � 4) Modelagem e Simulação Computacional Conteúdo programático 12 Duas horas-aulas semanais, em Laboratório de Computação Na primeira metade da aula é apresentado o conteúdo teórico Na segunda metade tem-se a parte prática, com a aplicação da teoria via um sistema computacional Metodologia 13 �Os alunos devem desenvolver atividades e exercícios extra-classe: • Uso da Biblioteca e da Internet • Essencial para o aprendizado! �Os alunos contarão com apoio de monitores: • Durante as aulas • Em horários pré-determinados �Objetivo da monitoria: • Esclarecer dúvidas • Não é aula particular Metodologia 14 Cada disciplina na UFABC é representada por três algarismos: T–P–I BC-0005 (0-2-2) � T: Número de horas semanais de aulas expositivas presenciais da disciplina (teóricas) � P: Número médio de horas semanais de trabalho de laboratório, aulas práticas ou de aulas de exercícios, realizadas em sala de aula (práticas) � I: Estimativa de horas semanais adicionais de trabalho necessárias para o bom aproveitamento da disciplina (estudos) Conceitos 15 � A: desempenho excepcional, demonstrando excelente compreensão da disciplina. � B: bom desempenho, demonstrando boa capacidade de uso dos conceitos da disciplina. � C: desempenho adequado, demonstrando capacidade de uso dos conceitos da disciplina e capacidade para seguir estudos mais avançados � D: aproveitamento mínimo dos conceitos da disciplina com familiaridade parcial do assunto, mas demonstrando deficiências que exigem trabalho adicional para prosseguir em estudos avançados � F: reprovado. A disciplina deve ser cursada novamente para a obtenção do crédito Conceitos 16 A avaliação será composta por: � Duas provas (P1 e P2) � Prova substitutiva (apenas para quem faltou em uma das provas) Peso das Provas � Média Final = (P1 + P2)/2 Avaliação 17 Conceito versusMédia Final (MF) Tabela de Conversão MF >= 9,0: Conceito A 7,5 <= MF < 9,0 : Conceito B 6,0 <= MF < 7,5: Conceito C 5,0 <= MF < 6,0: Conceito D MF < 5: Conceito F Avaliação 18 � Na parte teórica da disciplina são apresentados os conceitos que embasarão a prática � Os conhecimentos teóricos direcionarão as atividades do estudante nas aulas práticas � Fundamental: estudar o tópico antes Considerações sobre a aprendizagem 19 Como aprender um conteúdo ou habilidade novos? Estudando e exercitando! 20 •Nas aulas práticas serão apresentados os sistemas computacionais a serem utilizados nos conceitos de cada aula •É indispensável, portanto, que todos os alunos estudem e treinem fora da sala de aula �Nas aulas práticas será incentivada a autonomia e a independência dos estudantes �Espera-se iniciativa e responsabilidade na execução de cada tarefa �Para facilitar o aprendizado: estudar e exercitar antes da aula �O responsável pelo aprendizado é o próprio aluno! Considerações sobre a aprendizagem 21 � Estar presente nas aulas e atento ao material apresentado � Fazer os exercícios em aula e em casa � Consultar os monitores � Procurar entender, refletir e questionar � Associar o conteúdo com sua própria experiência � Associar com o conteúdo das aulas anteriores � Consultar e estudar o material da próxima aula Considerações sobre a aprendizagem 22 Cronograma Dia Conteúdo da Aula 30/07 Apresentação da disciplina; Fundamentos da computação 06/08 Representação gráfica de funções 13/08 Noções de estatística, correlação e regressão 27/08 Bases de dados 03/09 Prova 1 10/09 Lógica de programação: estruturas sequenciais 17/09 Lógica de programação: estruturas condicionais 24/09 Lógica de programação: estruturas de repetição (laços) 01/10 Modelagem e simulação computacional 08/10 Prova 2 15/10 Prova Substitutiva Computação em todos os lugares 23 • Cada vez mais, diversas áreas do conhecimento utilizam-se dos conceitos de Computação De fato, atualmente é praticamente impensável fazer pesquisa científica sem o uso da Computação: Presença de instrumentos computadorizados coletando dados o tempo todo em todo lugar Geração de dados científicos em volumes que não podem mais ser entendidos apenas com cálculos simples FenômenoBig Data (procurem no Google) 3 hexabytes (3 X 1018 bytes) de dados gerados por dia Computação em todos os lugares 24 25 O objetivo deste projeto é desenvolver robôs humanóides sociáveis Tradicionalmente, robôs autônomos são desenvolvidos para operar de forma independente e afastada de seres humanos Entretanto, novos domínios de aplicação podem ser desenvolvidos (doméstico, entretenimento, saúde, etc) com robôs fazendo parte atuante do dia-a-dia http://www.ai.mit.edu/projects/sociable/videos.html 25 Computação em todos os lugares VIRTUAL REALITY LAB 26 Computação em todos os lugares Técnicas e ferramentas de simulação têm sido usadas em diversas áreas Pesquisadores da área médica usam ambientes simulados para treinar técnicas de cirurgia, antes de testar em pacientes reais 27 Computação em todos os lugares Na indústria projetos de máquinas, processos e produtos são inicialmente desenvolvidos em ambientes controlados de simulação 28 Computação em todos os lugares RoboCup http://www.robocup.org/ 29 Computação em todos os lugares 30 Computação em todos os lugares 31 Computação em todos os lugares Rede de colaboração entre pesquisadores da UFABC (intra e inter institutos) (Gerado pelo scriptLattes – procurem no Google) 32 Computação em todos os lugares Análise e inferência de redes de regulação gênica 33 Diversas áreas de pesquisa estão se tornando cada vez mais dependentes da Computação Segundo George Johnson no artigo "All Science is Computer Science", publicado no New York Times em 2001: Toda Ciência, ao que parece, está se tornando Ciência da Computação Toda Ciência, ao que parece, está se tornando Ciência da Computação Física é quase inteiramente computacional Física é quase inteiramente computacional Até dez anos atrás, os biólogos desconsideravam a necessidade de Computação Até dez anos atrás, os biólogos desconsideravam a necessidade de Computação Computação em todos os lugares O computador 34 Um sistema de computação é: uma coleção de componentes que realizam operações lógicas e aritméticas (transformação) sobre um conjunto de dados (entrada) e fornecem uma saída (os dados transformados) Um computador é uma máquina capaz de executar automaticamente alguma transformação no conjunto de dados de entrada • Programa é uma sequência de ordens (comandos, instruções) dadas a um computador que, a partir de dados inseridos, obtem um resultado que será disponibilizado por algum dispositivo de saída Entrada de Dados Processamento dos comandos de um programa Saída de Dados 2*5 10 35 O computador Aplicação informática: conjunto de um ou vários programas que realizam determinada atividade (ferramenta computacional) 36 O computador No dia-a-dia, no senso comum, os termos •software •aplicação •programa são usados como sinônimos 37 Um programa de computador é um conjunto de instruções arranjadas em uma determinada ordem (algoritmo) O computador executa estas instruções Um computador pode desempenhar diferentes funções, dependendo do programa e dos dados carregados em um sistema de memória O computador • O hardware de um sistema computacional é formado por seus componentes mecânicos e eletromecânicos, que podem ser classificados em quatro subcategorias: o Dispositivos de entrada: � Teclado, mouse, câmera de vídeo, etc. o Dispositivos de saída: � Monitores, impressoras, etc o Unidade de processamento: � Processa os dados de entrada, transformando nos dados de saída (CPU) o Dispositivos de armazenamento: � Memória RAM, Disco rígido, pen drive, CD/DVD, etc Hardware 38 • Softwares são programas de computadores que permitem explorar os recursos dos hardwares, executar determinadas tarefas e resolver problemas de forma automática • É através do software que interagimos com a máquina e tornamos o sistema computacional operacional Software 39 Os três principais tipos de softwares são: o Softwares de Sistema: � Permite interagir com os componentes de hardware do computador. Ex: BIOS, drivers, Sistema Operacional (SO) o Softwares de Aplicação: � Programas criados para resolver tarefas específicas. Ex: Acessar a internet, editar um texto, etc o Softwares de Serviço (Aplicativos Web): � Não precisam ser instalados em um sistema computacional. Ex: Google Maps, Tidia, Computação na nuvem, etc Tipos de software 40 Modelo de Turing A idéia de um dispositivo de computação universal foi descrita, pela primeira vez, por Alan Turing, em 1937 Turing propôs que toda a computação poderia ser realizada por um tipo especial de máquina, denominada Máquina de Turing Computador Baseado no Modelo de Turing 41 Computador Baseado no Modelo de Turing • O modelo de Turing é melhor para um computador de propósito geral, porque acrescenta um elemento extra de computação específica: o PROGRAMA • Nesse modelo, os dados de saída dependem da combinação de dois fatores: os dados de entrada o programa 42 Modelo de Turing Com o mesmo programa, podemos gerar diferentes resultados, se modificarmos os dados de entrada MESMO PROGRAMA, DIFERENTES DADOS DE ENTRADA 43 Modelo de Turing Com os mesmos dados de entrada podemos gerar diferentes resultados, se modificarmos o programa MESMOS DADOS DE ENTRADA, DIFERENTES PROGRAMAS 44 Modelo de Turing Máquina de Turing Assim, Turing demonstrou que praticamente qualquer ação imaginada, seja somar números ou desenhar figuras, poderia ser traduzida em passos lógicos simples que a máquina seria capaz de seguir Na Máquina de Turing, o operador da máquina só precisaria escrever claramente as instruções a serem seguidas, pois a Máquina não teria de entender o significado daquelas instruções, mas apenas executá-las 45 Em 1944, John Von Neumann propôs uma arquitetura para computadores na qual o hardware é dividido em quatro subsistemas: 46 Modelo de Von Neumann 1) Unidade de controle É o “cérebro” do computador 2) Unidade de Lógica e Aritmética: onde ocorrem as operações de lógica e de cálculos. 3) Memória principal 4) Unidades de entrada e saída ARQUITETURA GERAL DE UM COMPUTADOR ProcessamentoDados Resultados Memória Principal (RAM) Memória Secundária 47 Modelo de Von Neumann Dispositivos de entrada e saída 48 Unidades de Entrada mouse Monitor Touch- Screen teclado scanner Monitor Impressora Unidades de Saída Dispositivos de entrada e saída Computador da Apple (1984) O primeiro mouse (1963) Unidade Central de Processamento (CPU) Unidade de Controle Unidade Lógica e Aritmética Processamento • A Unidade de Controle é o centro nervoso de computador. Assume toda a tarefa de controle das ações a serem realizadas pelo computador, comandando os demais componentes de sua arquitetura • A Unidade Lógica e Aritmética executa operações aritméticas e lógicas CPU - Microprocessador 50 Unidades Centrais de Processamento de Computadores Pessoais Microship Smart Cards 51 CPU - Microprocessador Memória principal: Primária • Na memória principal estão armazenados os programas e os dados a serem manipulados pelo processador (CPU) • Random Access Memory (RAM): Local onde o processador executa os dados e programas Memória Principal (RAM) Memória Secundária 52 o A memória RAM (Random Access Memory) armazena informações apenas enquanto o computador está ligado (memória volátil) o Só a parte do programa que está sendo executada é que ficana RAM o O restante fica em outros dispositivos de armazenamento, tais como HD ou pen-drives o Funciona como uma mesa de trabalho o Os chips de RAM são vendidos na forma de pentes de memória 53 Memória principal: Primária 54 Memória principal: Primária 55 Memória principal: Primária A função da placa mãe é criar meios para que o processador (CPU) possa se comunicar com componentes do computador tais como periféricos, memórias, HDs, placas de vídeo, etc Placa mãe 56 Atividades para casa 57 Como material complementar, assistir: Video “What most schools don’t teach” http://www.youtube.com/watch?v=nKIu9yen5nc Vídeo “A saga de um processador” http://www.youtube.com/watch?v=q17lIclz_fM Vídeo “Historia do computador em minutos” http://www.youtube.com/watch?v=F3qWg1JBPZg Criar uma conta no Tidia Instruções: http://prograd.ufabc.edu.br/comunicados-ingressantes Após inscrição, envie seu login institucional da UFABC (@aluno.ufabc.edu.br) por email para david.martins@ufabc.edu.br (o professor fará o cadastro na turma de Bases Computacionais correspondente) Inscreva-se no material complementar BC0005-2Q-2013 Seção 2.5 no livro que consta do próximo slide (Referências bibliográficas) Capítulos 2 e 3 do livro que consta do próximo slide (Referências bibliográficas) Slides da Aula 1 (referentes ao capítulo 2 do livro) Tidia, seção Repositório Slides da Aula 2 (referentes ao capítulo 3 do livro) Tidia, seção Repositório 58 Atividades para casa Referências bibliográficas • Edson Pinheiro Pimentel, Juliana Cristina Braga. Fundamentos da Computação, Material Didático da Disciplina Bases Computacionais da Ciência, 2011 O livro está disponível no Tidia (seção Repositório) e no seguinte endereço: http://dl.dropbox.com/u/21968253/bc0005-livro-bases-computacionais.pdf 59
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