第第3 3章章 计算学科中的三个学科形态计算学科中的三个学科形态凌贺飞凌贺飞 博士博士 副教授副教授 lhefeihust.edu.cnlhefeihust.edu.cn智能与分布计算实验室智能与分布计算实验室 (http:/idc.hust.edu.cn)(http:/idc.hust.edu.cn) 华中科技大学计算机学院华中科技大学计算机学院三个学科形态三个学科形态抽象理论设计（三种形态）：计算学科中的基本内容，基本概念；同时反映了人们的认识是从感性认识（抽象）到理性认识（理论），再由理性认识（理论）回到实践（设计）中来的一般科学思维方法一般科学技术方法论中有关抽象形态的论述o 科学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。o 是科学认识由感性认识到理性认识飞跃的决 定性环节计算学科中抽象形态计算学科中抽象形态o 计算作为一门学科报告认为：抽象源于实验科 学、源于现实世界（建立对客观事物进行抽象描述 的方法，建立概念模型）。 o 包括以下4个步骤：（1）形成假设；（2）建造模型并作出预测；（3）设计实验并收集数据；（4）对结果进行分析。 o 抽象过程的目的-建立概念模型o 例：封建社会形成框架-天地君亲师。 o 资本主义社会阶级斗争(资产阶级、无 产阶级)。 o 大学层次模型 （ 学校 院 系 组）一般科学技术方法论中有关理论形态的论述o 科学认识由感性阶段上升为理性阶段，就形 成了科学理论。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。 o 理论源于数学，是从抽象到抽象的升华，它 们已经完全脱离现实事物，不受现实事物的 限制，具有精确的、优美的特征，因而更能 把握事物的本质。 计算学科中理论形态计算学科中理论形态o 在计算学科中，源于数学（建立理论体系， 建立数学模型）。 o 包括以下4个步骤：（1）表述研究对象的特征（定义和公理）；（2）假设对象之间的基本性质和对象之间可能 存在的关系（定理）；（3）确定这些关系是否为真（证明）；（4）结论。 o 例：封建社会形成框架-天地君亲师，上升到理 论-法则（约束）-天人合一，男女收授不亲等 o 资本主义社会以私营经济为主，资产阶级政党掌 权，或实行资本主义的民主政治制度。 一、生产力 高度发展，社会富裕，鼓励自由的市场经济，政府 对经济的干预尽量少。二，商品生产发展到很高的 阶段，成为社会生产普遍的和统治的形式，劳动力 变成了商品。 三，资本家占有生产资料，用雇佣劳 动的方式剥削工人阶级，生产的目的是创造利润。 四，以使用机器的大生产为特征，生产社会化同资 本主义的私人占有之间的矛盾构成资本主义社会的 基本矛盾。 o 大学培养学生， 上下级管理。一般科学技术方法论中有关设计形态的论述o 设计源于工程，并用于系统或设备的开发，以实现 给定的任务。 o 设计必须以对自然规律的认识为前提。设计必须创 造出相应的人工系统和人工条件，还必须认识自然 规律在这些人工系统中和人工条件下的具体表现形 式. o 设计形态的主要特征与抽象、理论两个形态的主要 区别：设计形态具有较强的实践性、社会性、综合性。计算学科中的设计形态计算学科中的设计形态o 源于工程（完成一个具体任务，总结与升华 ） o 包括以下4个步骤：（1）需求分析；（2）建立规格说明；（3）设计并实现该系统；（4）对系统进行测试与分析。 oo 例：学校例：学校 oo 各种规章制度；各种规章制度； oo 信息公开；信息公开； oo 教师聘任制；教师聘任制； oo 考核制度。考核制度。一般科学技术方法论中有关3个学科形态内在联系的简要论述o 在计算机科学与技术方法论的原始命题中， 蕴含着人类认识过程的两次飞跃，第一次飞 跃是从物质到精神，从实践到认识的飞跃。 这次飞跃包括两个决定性的环节：一个是科 学抽象，另一个是科学理论。 o 第二次飞跃是从精神到物质，从认识到实践 的飞跃。这次飞跃的实质对技术学科（计算 学科就是一门技术学科）而言，其实就是要 在理论的指导下，以抽象的成果为工具来完 成各种设计工作。 计算学科中有关计算学科中有关3 3个学科形态内在联系个学科形态内在联系 的论述的论述3个学科形态的内在联系 o 抽象源于现实世界。建立对客观事物进行抽 象描述的方法，建立具体问题的概念模型， 实现对客观世界的感性认识。 o 理论源于数学。建立完整的理论体系，建立 具体问题的数学模型，从而实现对客观世界 的理性认识。 o 设计源于工程 。对客观世界的感性认识和理 性认识的基础上，完成一个具体的任务；对 工程设计中所遇到的问题进行总结，提出问 题，由理论界去解决它。4、各领域中三个形态的主要内容 （P54-P59）二、例子1 信息系统（数据库）三种形态实例 （P44-P48）1、问题：实体：学生与课程，联系：多对多，要建立一个信息管理系统。o 信息管理系统涉及的软件：应用软件中间件及工具软件数据库管理系统 DBMS(Database management system)操作系统（operating system，OS）高低语言 实体：客观存在并可相互区别的事物 实体集 属性：实体所具有的某一方面的特性 关键字（码）：能唯一标识实体的属性集 联系：不同实体集之间的联系1:1， 1:N， N:M2、抽象形态建模（1）实体（Entity）、属性（Atribute）、关键字（Key）与联系（Relationship）联系o 联系：不同实体集之间的联系 o 1:1（一对一）对于实体集E1 和E2，如果E1 和E2中每一个 实体至多与另一个实体集中的一个实体有联系。 n 例： 省省长，国家国旗，学生学号身份证（约 束条件）。 o 1:N （一对多）对于实体集E1 和E2，如果E1 中至少有一个 实体与E2中的多个实体有联系，且E2 中每一个实体至多与 与E1中的一个实体有联系。 n 例： 班主任学生，经理员工（约束条件）。 o N:M （多对多）对于实体集E1 和E2，如果E1 中至少有一 个实体与E2中的多个实体有联系，且E2 中至少有一个实体 与E1中的多个实体有联系。 n 例： 老师学生，学生社团，学生课程。 三种图元素：实体(矩形)、属性(椭圆)、联系(菱形) P45 图3.1 学生选课E-R图（2）E-R模型E-RE-R模型模型（Entity-RelationshipEntity-Relationship）oo 19761976年，美籍华人陈品山（年，美籍华人陈品山（Peter Peter Pingshan ChenPingshan Chen）提出的。提出的。 oo 用用E-RE-R模型来描述客观世界并建立概念模型模型来描述客观世界并建立概念模型 的抽象方法。的抽象方法。 oo 实体用矩形表示，属性用椭圆形表示，联系实体用矩形表示，属性用椭圆形表示，联系 用菱形表示，实体间的联系有一对一（用菱形表示，实体间的联系有一对一（1:11:1 ）、一对多（）、一对多（1:1:NN）和多对多（和多对多（N:MN:M）3 3种种 情况。情况。 oo 要实现对客观事物的感性认识，必须将客观要实现对客观事物的感性认识，必须将客观 世界（在例中客观世界就是世界（在例中客观世界就是“ “学生选课学生选课” ”）抽）抽 象为信息世界。象为信息世界。E-RE-R模型模型（Entity-RelationshipEntity-Relationship）oo 型与值的区别型与值的区别 oo 实体与实体集的区别实体与实体集的区别 oo 例子：作者写书、储户在储蓄所存钱，劫匪例子：作者写书、储户在储蓄所存钱，劫匪 抢劫银行等。抢劫银行等。E-RE-R图示例图示例1 1E-RE-R图示例图示例2 2图3.1 学生选课E-R图学生选课E-R图扩展概念模型概念模型oo 概念模型：概念模型：用于信息世界的建模，是客观世界到信用于信息世界的建模，是客观世界到信 息世界的抽象。息世界的抽象。描述系统中描述系统中实体集与实体集之间的 联系，同时要便于计算机实现。 oo 概念模型不是机器世界所支持的数据模型，而是客概念模型不是机器世界所支持的数据模型，而是客 观世界到机器世界的一个中间层次。观世界到机器世界的一个中间层次。 n n 概念模型还需要转换成机器世界能支持的数据模概念模型还需要转换成机器世界能支持的数据模 型。型。 n n 随描述方法不同会产生不同的概念模型随描述方法不同会产生不同的概念模型 n n 在数据库领域中，数据库管理系统（在数据库领域中，数据库管理系统（DBMSDBMS）能能 支持的数据模型有：层次、网状、关系以及面向支持的数据模型有：层次、网状、关系以及面向 对象等数据模型。对象等数据模型。 实体及实体之间的联系均用关系（二维表）表示 笛卡尔积：设D1，D2，Dn为任意集合，定义D1，D2，Dn笛卡尔积为：D1 D2 Dn = (d1, d2, , dn)|diDi, i=1, , n 关系：笛卡尔积D1 D2 Dn的任意一个子集，称为D1，D2，Dn上的一个n元关系 关系模式：二维表的表框架，R = U：关系中所有属性的集合F：属性集合U上的一组函数依赖（3）关系模型准备知识准备知识- -笛卡尔积笛卡尔积oo 给定一组域给定一组域D1D1，D2D2，DnDn，这些域中可以有相同的。，这些域中可以有相同的。 D1D1，D2D2，DnDn的的笛卡尔积笛卡尔积为：为：D1D2D1D2DnDn（d1d1，d2d2，dndn）didiDiDi，i i1 1，2 2，n n 所有所有域域的所有取值的一个组合不能重复。的所有取值的一个组合不能重复。 oo 案例案例 n n 给出三个域： 给出三个域： n n D1=SUPERVISOR = D1=SUPERVISOR = 张清玫，刘逸张清玫，刘逸 n n D2=SPECIALITY=D2=SPECIALITY=计算机专业，信息专业计算机专业，信息专业 n n D3=POSTGRADUATE=D3=POSTGRADUATE=李勇，刘晨，王敏李勇，刘晨，王敏 n n 则 则D1D1，D2D2，D3D3的笛卡尔积为的笛卡尔积为DD：oo案例案例 oo 给出三个域： 给出三个域： oo D1=SUPERVISOR = D1=SUPERVISOR = 张清玫，刘逸张清玫，刘逸 oo D2=SPECIALITY=D2=SPECIALITY=计算机专业，信息专业计算机专业，信息专业 oo D3=POSTGRADUATE=D3=POSTGRADUATE=李勇，刘晨，王敏李勇，刘晨，王敏 oo 则 则D1D1，D2D2，D3D3的笛卡尔积为的笛卡尔积为DD： oo D=D1D2D3 D=D1D2D3 oo ( (张清玫，计算机专业，李勇张清玫，计算机专业，李勇) )，( (张清玫，计算机专业，刘晨张清玫，计算机专业，刘晨) )， oo ( (张清玫，计算机专业，王敏张清玫，计算机专业，王敏) )，( (张清玫，信息专业，李勇张清玫，信息专业，李勇) )， oo ( (张清玫，信息专业，刘晨张清玫，信息专业，刘晨) )，( (张清玫，信息专业，王敏张清玫，信息