计算机导论(2009)第9章 计算机学科方法论内容来源中国计算机学会计算机学科教程研究组发布中国计算机科学与技术学科教程2002。教育部计算机教学指导委员会编制高等学校计算机发展战略研究报告暨专业规范（2006） 。IEEE-CS/ACM发布CC1991（Computing Curricular 1991）. CC2001, CC2004, CC2005.计算机导论(2009)第9章 计算机学科方法论学习目的深入理解计算机学科的本质。提高学习质量。提高科学研究和技术开发能力。拓宽思路、强化知识的系统性、培养创新思维 。 知识、方法、思想。计算机导论(2009)第9章 计算机学科方法论9.1 计算机学科方法论简介9.2 计算机学科的定义9.3 计算机学科方法论9.4 计算机学科的三个过程9.5 计算机学科中的核心概念 9.6 计算机学科中的数学方法9.7 计算机学科中的系统科学方法 9.8 本章小结 计算机导论(2009)9.1 计算机学科方法论简介计算机学科的发展计算机专业教学背景计算机导论(2009)9.1.1 计算机学科的发展计算机学科的划分计算机科学。计算机工程/软件工程。信息系统/信息技术。扩充之后的计算机学科也称为计算学科（ Computing Discipline） 计算机导论(2009)知识体系的变化计算机发展早期 数学/离散数学/电子学/程序设计。20世纪60-70年代 数据结构与算法/计算机组成原理。 编译原理/操作系统/数据库原理。20世纪80年代以后 并行技术/分布计算/网络技术。 软件工程/嵌入式系统。 9.1.1 计算机学科的发展计算机导论(2009)国际背景1962年美国普渡大学 首开计算机学位课程。 1991年IEEE-CS/ACM发布 Computing Curricula 1991（CC1991）.2001年IEEE-CS/ACM发布 Computing Curricula 2001（CC2001）. 目前演变成CC2004, CC2005.9.1.2 计算机专业教学背景 计算机导论(2009)国内背景专业设置 1956年哈尔滨工业大学首开计算装置与仪器专业。 经历了计算机及应用、计算机软件、计算机科学教育 、计算机器件及设备等名称的变化。 1998年统一为计算机科学与技术专业。 从2001年开始又增设了软件工程和网络工程专业。 招生学校与人数 2004年全国有505所高校开办有计算机本科专业，在校学生数近30万人。9.1.2计算机专业教学背景 计算机导论(2009)国内背景教学计划 2002年中国计算机学会计算机学科教程研究组发布 中国计算机科学与技术学科教程2002。 2006年教育部计算机教学指导委员会编制 高等学校计算机专业发展战略研究报告暨专业规范。 2008年教育部计算机教学指导委员会编制 高等学校计算机科学与技术专业公共核心知识体系与课程。 高等学校计算机科学与技术专业实践教学体系与规范。9.1.2 计算机专业教学背景 计算机导论(2009)计算的本质计算机学科的根本问题9.2 计算机学科的定义 计算机导论(2009)9.2.1 计算的本质图灵描述了计算的本质计算就是计算者对一条两端可无限延长的纸带上的一串0 和1执行指令；一步一步地改变纸带上的0或1；经过有限 步骤, 最后得到一个满足预先规定的符号串的变换过程 。任一过程是能行的, 当且仅当它能够被一台图灵机实现 。图灵机反映的是一种具有能行性的用数学方法精确定义 的计算模型，现代计算机正是这种模型的具体实现。计算机导论(2009)9.2.2 计算机学科的根本问题计算机学科的定义计算机学科是研究计算机的设计、制造和利用计 算机进行信息获取、表示、存储、处理、控制等 的理论、原则、方法和技术的学科，包括科学和 技术两方面。 计算机科学侧重于研究现象、揭示规律。 计算机技术侧重于研制计算机和研究使用计算机进行 信息处理的方法和手段。 科学与技术相辅相成，相互作用。科学技术计算机导论(2009)计算机学科还具有较强的工程性理论教学与实践教学并重。基础理论知识扎实/动手能力强。计算机学科是科学性/工程性/技术性的统一侧重点不同的学科分支计算机科学/计算机工程/软件工程/信息技术。计算机学科和数学密切相关 9.2.2 计算机学科的根本问题计算机导论(2009)9.3 计算机学科方法论计算机学科方法论的定义计算机学科方法论的主要内容计算机学科方法论研究的意义Computer Science计算机导论(2009)9.3.1 计算机学科方法论的定义计算机学科方法论对计算机领域认识和实践过程中一般方法及其性 质、特点、内在联系和变化规律进行系统研究的 理论总结。是认知计算机学科的方法和工具，也是计算机学 科认知领域的理论体系。对于计算机领域的科学研究、技术开发和人才培 养具有重要指导意义。计算机导论(2009)9.3.2 计算机学科方法论的主要内容主要内容学科的三个过程 抽象过程/理论总结过程/设计过程。重复出现的12个核心概念 绑定/大问题的复杂性/概念和形式模型。 一致性和完备性/效率/演化/抽象层次。 按空间排序/按时间排序/重用/安全性/折衷和结论。典型的学科方法 数学方法/系统科学方法。计算机导论(2009)9.3.3 计算机学科方法论研究的意义重要意义有助于总结经验，促进计算机学科的快速发展。有助于确立正确的思维方式，把握正确的研究方 向。有助于计算机学科的建设和人才培养 。计算机导论(2009)9.4 计算机学科的三个过程理论总结过程科学理论是经过实践检验的系统化了的科学知识体系， 它是由科学概念、科学原理以及对这些概念、原理的理 论论证所组成的体系。计算机学科的理论与数学所用的方法类似，主要要素为 定义和公理、定理、证明、结果的解释。用这一过程来建立和理解计算机学科所依据的数学原理 。其研究内容的基本特征是构造性数学特征。计算机导论(2009)9.4 计算机学科的三个过程抽象过程抽象是指在思维中对同类事物去除其现象的、次 要的方面，抽取其共同的、主要的方面，从而做 到从个别中把握一般，从现象中把握本质的认知 过程和思维方法。抽象源于现实世界, 是对现实原型的理想化 。计算机导论(2009)9.4 计算机学科的三个过程设计过程用来开发求解给定问题的系统和设备。包括需求分析、建立规格说明、设计并实现系统、对系 统进行测试分析、修改完善等内容。三个过程贯穿计算机学科各个分支领域 图论中体现的是抽象与理论过程。软件工程中综合体现了设计、抽象与理论三个过程。计算机导论(2009)9.5 计算机学科中的核心概念 绑定（Binding）通过把一个抽象的概念和附加特性相联系，从而使抽象 的概念具体化。具体问题的抽象描述和抽象描述对具体问题的表示。大问题的复杂性（Complexity of Large Problems）随着问题规模的增长而使求解该问题的复杂性呈非线性 增加的效应。是区分和选择各种现有方法和技术的重要因素。计算机导论(2009)9.5 计算机学科中的核心概念概念和形式模型（Conceptual and Format Models） 对一个想法或问题进行形式化、特征化、可视化思 维的各种方法。计算机求解问题的基础就是对问题的概念抽象和形式 化描述。概念和形式模型是实现计算机问题求解的最典型、最 有效的途径。计算机导论(2009)9.5 计算机学科中的核心概念一致性和完备性（Consistency and Completeness）一致性包括 一组公理的一致性/事实和理论的一致性。 一种语言或接口设计的内部一致性。完备性包括 给出的一组公理，使其能获得预期行为的充分性。 软件和硬件系统功能的充分性。 系统处于出错和非预期情况下保持正常行为的能力。在计算机系统设计中，正确性、健壮性和可靠性就是一 致性和完备性的具体体现。计算机导论(2009)9.5 计算机学科中的核心概念效率（Efficiency）关于空间、时间、人力、财力等资源消耗的度量。在计算机软硬件系统的设计实现中，要充分考虑效率 问题。要想在空间、时间、人力、财力各方面都达到最优是 不可能的，可以根据具体环境重点考虑某一方面达到 最优或考虑达到综合最优。计算机导论(2009)9.5 计算机学科中的核心概念演化（Evolution）系统的结构、状态、特征、行为和功能等随着时 间的推移而发生的更改。对计算机硬件进行更新换代，要考虑到已有软件 的适应性，对软件进行更新换代，要考虑到现有 硬件的适应性。向下兼容是一种很好的演化模式。计算机导论(2009)9.5 计算机学科中的核心概念抽象层次（Levels of Abstraction）通过对不同层次的细节和指标的抽象，对一个系 统或实体进行表述。在复杂系统的设计中，对系统进行不同层次的抽 象描述，从而既能控制系统的复杂程度，又能充 分描述系统的特性。在数据库系统设计中，分层E-R图的思想就是这 一核心概念的具体应用。计算机导论(2009)9.5 计算机学科中的核心概念按时间排序（Ordering in Time）事件的执行对时间的依赖性 在具有时态逻辑的系统中，要考虑与时间有关的时序 问题。 在分布式系统中，要考虑进程同步的时间问题。 在依赖于时间的算法执行中，要考虑其基本的组成要 素。计算机导论(2009)9.5 计算机学科中的核心概念按空间排序（Ordering in Space） 各种定位方式 物理上的定位，如在网络和存储中的定位。 组织方式上的定位，如处理机进程、类型定义和有关 操作的定位。 概念上的定位，如软件的辖域、耦合、内聚等。是计算技术中一个局部性和相邻性的概念。计算机导论(2009)9.5 计算机学科中的核心概念重用（Reuse）在新的环境下，系统中各类实体、技术、概念等 可被再次使用的能力。在软件工程中，软件重用是一个重要的研究领域，有着很好的应用前景。 计算机导论(2009)9.5 计算机学科中的核心概念安全性（Security） 计算机软硬件系统对合法用户的响应及对非法请 求的抗拒，以保护系统不受外部影响和攻击的能 力。一旦遭受攻击受损，系统恢复到正确状态的能力 。计算机导论(2009)9.5 计算机学科中的核心概念折衷和结果（Tradeoff and Consequences） 折衷指的是为满足系统的可实施性而对系统设计中的 技术方案所作出的一种合理的取舍。折衷的结果是指选择一种方案代替另一种方案所产生 的技术、经济、文化及其他方面的影响。 折衷存在于计算机学科领域的各个层次上。 在设计算法时，要考虑空间和时间的折衷。 在设计系统时，要考虑成本和可靠性的折衷。计算机导论(2009)9.6 计算机学科中的数学方法数学的基本特征数学方法的作用数学中的证明方法递归方法与迭代方法公理化方法形式化方法计算机数学计算机导论(2009)9.6.1 数学的基本特征数学研究现实世界的空间形式和数量关系的一 门科学。三个特征 高度的抽象性/严密的逻辑性/普遍的适用性。算法(程序)设计的基础是数学。计算机导论(2009)9.6.2 数学方法的作用对科学技术研究的作用提供简洁精确的形式化语言提供定量分析和计算的方法提供严密的逻辑推理工具 计算机导论(2009)9.6.3 数学中的证明方法直接证明法含义：假定A为真，通过使用公理或已证明的定理