专业导论02计算学科定义与知识体系

专业导论第2讲计算学科定义与知识体系吴伟民[e-mail]2.计算学科定义与知识体系内容提要：计算学科的定义计算学科的三种基本形态计算学科的知识与课程体系计算学科的核心课程要求：通过本讲学习，理解计算学科的定义和三种基本形态，初步了解计算机学科的研究范畴和知识体系，明确今后学习的目标和内容学科与专业学科是与知识相联系的学术概念，是自然科学、社会科学两大知识系统内知识子系统的集合概念。学科是分化的科学领域，是自然科学、社会科学概念的下位概念依据学科研究对象、研究特征、研究方法、学科的派生来源、研究目的目标等五个方面对学科进行分类专业高校或中专学校根据社会分工需要而划分的学业门类社会分工、学科知识和教育结构三位一体的组织形态，构成高校人才培养的基本单位社会分工——专业的存在基础学科知识——专业的内核教育结构——专业的表现形式作为“计算机科学与技术”专业学生，你知道它的意义、内容和方法吗？科学：关于自然、社会和思维的发展与变化规律的知识体系。技术：泛指根据生产实践经验和科学原理而发展形成的各种工艺操作方法、技能和技巧。工程：将科学原理应用到各行业生产部门中去而形成的各门学科的总称。由一群人为达到某种目的，在较长时间周期内，基于一定资源进行协作活动的过程。作为学科的计算机科学ComputingAsADiscipline什么是计算机学科？Wikipedia(维基百科)[1]Computerscience(orcomputingscience)isthestudyofthetheoreticalfoundationsofinformationandcomputation,andofpracticaltechniquesfortheirimplementationandapplicationincomputersystems.计算机科学(或计算科学)是研究信息和计算的理论基础，以及它们在计算机系统上实现和应用的实践技术[1]计算学科（Computing）计算机科学与技术：研究计算机的设计、制造和应用（利用计算机进行信息获取、表示、存储、处理、控制等）的理论、方法和技术的学科。研究核心：描述和变换信息的算法过程（包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用系统）。基本问题：什么能（有效地）自动化？什么不能（有效地）自动化？学科来源：对数理逻辑、计算模型、算法理论、自动计算机器的研究，形成于1930年代后期。计算与数学(ComputingandMathematics)计算作为数学的研究对象已有几千年。计算不等于数学，但数学起源于对计算的研究。计算的渊源可深入扩展到数学和工程。数学为计算提供了理论、方法和技术，而工程为实际计算和应用提供了可以能行自动计算的设备，并为更有效地完成计算和应用任务提供了工程方法和技术。计算学科的三种形态理论:基于相关的数学基础和本学科理论，广泛采用数学的研究方法。抽象:或称模型化，基于本学科的实验科学方法，广泛采用物理学的研究方法。设计:基于工程，广泛采用工程科学（如建筑工程、机械工程）的研究方法。本学科的三种形态之1：理论理论:基于相关的数学基础和本学科理论，广泛采用数学的研究方法。典型的4个研究步骤：（1）对研究对象的概念抽象（定义）；（2）假设对象的基本性质和对象之间可能存在的关系（定理）；（3）确定这些性质和关系是否正确（证明）；（4）解释结果（与计算机系统或研究对象形成对应）。本学科的三种形态之2：抽象抽象:或称模型化，基于本学科的实验科学方法，广泛采用物理学的研究方法。典型的4个研究步骤：（1）确定可能世界（环境）并形成假设；（2）构造模型并做出预言；（3）设计实验并收集数据；（4）分析结果。本学科的三种形态之3：设计设计:基于工程，广泛采用工程科学（如建筑工程、机械工程）的研究方法。典型的4个设计步骤：（1）叙述要求；（2）给定技术条件；（3）设计并实现该系统或装置；（4）测试和分析该系统。计算机各专业的异同（1）计算机科学（2）计算机科学与技术（3）计算机工程（4）计算机应用（5）计算机及应用（6）软件工程（7）计算机网络（工程）形形色色，眼花缭乱。异同主要在课程体系中对学科的三种形态的偏重。偏“理”，还是偏“工”，以及偏重某类“专业课程”。明了道理，就可以把握专业学习的主动。国外大学典型专业设置理学院：计算机科学工学院：E&E(硬件、控制)Electrical&Electronic商学院：信息(网络)请时常自问：“做游戏高手，还是设计游戏的高手？”“做赛车高手，还是设计赛车的高手？”计算机软件与硬件的关系硬件——计算机应用的物质基础软件——提供发挥硬件功能的方法和手段扩大应用范围改善人机界面软件与硬件在功能上具有等效性，其界限并非绝对计算机系统的许多功能，既能在一定硬件基础上，用软件实现，也可用专门硬件实现，称为固件(Firmware)。硬件实现造价高，速度快；软件实现成本低，速度较慢，但灵活，更改升级方便。软件与硬件的发展相互促进硬件性能的提高，可为软件创造更好开发环境，可开发出功能更强软件。微机每次升级改型，其操作系统版本也随之提高，并产生一系列新版应用软件。软件发展也对硬件更高要求，促使硬件性能提高，甚至产生新硬件。科学硬件软件计算学科主要关联领域网络计算机学科的知识体系结构3个层次：知识领域（area）特定的学科子领域一个知识领域可以分解成若干个知识单元知识单元（unit）知识领域中独立的主题（thematic）模块一个知识单元又包含若干个知识点知识点（topic）知识单元的基本单位计算机学科的知识领域1.DS.离散结构2.PF.程序设计基础3.AL.算法与复杂性4.AR.计算机组织与体系结构5.OS.操作系统6.NC.网络及其计算7.PL.程序设计语言8.HC.人-机交互9.GV.图形学和可视化计算10.IS.智能系统11.IM.信息系统12.SP.社会与职业问题13.SE.软件工程14.CN.数值计算科学教育部计算机科学与技术教学指导委员会《高等学校计算机科学与技术专业发展战略研究报告暨专业规范(试行)》高等教育出版社2006近年细化的计算专题知识领域软件设计程序设计语言理论科学计算(数值方法)图形学和可视化智能系统(AI)信息管理(DB)理论程序设计基础算法与复杂性操作系统原理与设计信息管理(DB)实践操作系统配置与使用网络为中心原理与设计保密：论题与原则计算机体系结构与组织人机交互法律/职业/伦理/社会技术需求分析集成程序设计网络使用与配置保密：实现与管理软件模型化与分析数字逻辑嵌入式系统分布式系统平台技术软件过程信息系统开发软件工程工程基础软件质量软件V&V(验证与测评)系统集成计算系统工程商业需求分析技术支持系统管理数字媒体开发软件工程经济学软件进化（维护）电子商务信息系统组织的管理计算机学科课程体系知识体系的14个知识领域及相应的知识单元、知识点、定义了计算机专业学生的知识结构。但这并不就是实施教学的课程体系，14个知识领域并不恰好是14门课。根据专业特色和培养目标，构建课程体系。计算机理论的研究内容离散数学：研究数理逻辑、集合论、近世代数和图论等算法分析理论：研究算法设计与算法的时间复杂性和空间复杂性分析中的数学方法与理论，如组合数学、概率论、数理统计等形式语言与自动机理论：研究程序设计语言以及自然语言的形式化定义、分类、结构等有关理论以及识别各类语言的形式化模型及其相互关系程序设计语言理论：运用数学和计算机科学的理论研究程序设计语言的基本规律，包括形式语言文法理论、形式语义学和计算语言学等程序设计方法学：研究能保证高质量程序的各种程序设计规范化方法，并研究程序正确性证明理论等计算机硬件的研究内容元器件与存储介质：研究构成计算机硬件的各类元器件和存储介质微电子技术：研究构成计算机硬件的各类集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路芯片的结构和制造技术等计算机组成原理：研究通用计算机的硬件组成结构以及各部件的构成和工作原理微型计算机技术：研究微型计算机的组成原理、结构、芯片、接口及其应用技术计算机体系结构：研究计算机系统的总体结构、各种新型体系结构以及提高计算机性能的各种新技术计算机软件的研究内容程序设计语言的设计：根据实际需求设计新颖的程序设计语言数据结构与算法：研究数据的逻辑结构和物理结构以及它们之间的关系，并对这些结构定义相应的运算，设计实现这些运算的算法程序设计语言翻译系统：研究程序设计语言翻译系统（如编译程序、解释程序）的基本理论、原理和实现技术操作系统：研究如何自动地对计算机系统的软硬件资源进行有效的管理，并最大限度地方便用户计算机软件的研究内容（续）数据库系统：研究数据模型、数据库管理系统的实现技术及其应用算法设计与分析：研究常用算法的设计方法，并分析这些算法的时间复杂性和空间复杂性软件工程学：是指导计算机软件开发和维护的工程学科，研究如何采用工程的概念、原理、技术和方法来开发和维护软件可视化技术：研究如何用图形和图像来直观地表征数据计算机网络的研究内容网络结构：研究局域网、远程网、Internet、Intranet等各种类型网络的拓扑结构、构成方法及接入方式数据通信与网络协议：研究实现连接在网络上的计算机之间进行数据通信的介质、原理、技术以及通信双方必须共同遵守的各种规约网络服务：研究如何为计算机网络的用户提供方便的服务网络安全：研究计算机网络的设备安全、软件安全、信息安全以及病毒防治等技术计算机应用的研究内容软件开发工具：研究各种新型的程序设计语言及其编译程序、文字和报表处理工具、数据库开发工具、多媒体开发工具以及计算机辅助工程使用的工具软件等完善既有的应用系统：根据新的技术平台和实际需求对既有的应用系统进行升级、改造，使其功能更加强大、使用更加方便开拓新的应用领域：研究如何扩大计算机在国民经济以及社会生活中新的应用范畴人－机工程：研究人与计算机的交互和协同技术，为人使用计算机提供一个更加友好的环境和界面2010版计算机学科培养方案课程体系架构8毕业实习、毕业设计实训提高分流7科技、创新、竞赛计划工程项目开发实训高级计算机系统嵌入式技术模块高级数据结构与算法软件工程模块高级计算机网络网络工程模块信息技术模块平台技术课程各专业选修课程6计算机系统结构算法设计与分析软件工程编译原理计算机网络新技术专题专业课程5嵌入式系统Java程序设计操作系统数据库系统面向对象技术4大学英语数学选修计算机组成原理数据结构⁞⁞3离散数学大学物理数字逻辑与系统设计基础课程2高等数学电工&电子技术程序设计21线性代数程序设计1专业导论计算机基础学期英语数学物理、硬件软件系统专业技术说明程序设计离散数学数据结构数字逻辑与系统设计计算机组成原理操作系统编译原理数据库系统计算机网络软件工程计算机科学与技术专业主干课程及概要1、2年级3年级随着信息时代的到来，工业革命时代以微积分为代表的连续数学占主流的地位已经发生了变化，离散数学的重要性逐渐被人们认识。由于数字电子计算机是一个离散结构，它只能处理离散的或离散化的数量关系，因此，无论计算机科学本身，还是与计算机科学及其应用密切相关的现代科学研究领域，都面临着如何对离散结构建立相应的数学模型；又如何将已用连续数量关系建立起来的数学模型离散化，从而可由计算机加以处理。离散数学简介离散数学主要作用介绍：离散数学各个分支的基本概念、理论和方法大量地应用在数字电路、数据结构、编译原理、操作系统、数据库系统、算法分析与设计、人工智能、计算机网络等专业课程；该课程的训练十分有益于概括抽象能力、逻辑思维能力、归纳构造能力的提高，培养学生严谨、完整、规范的科学态度。离散数学课程不但作为计算机科学