《计算机科学导论》之二.ppt

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1、第二讲∶计算机科学的内容计算学科的根本问题三个学科形态主要领域基本问题典型问题示例计算机科学的根本问题计算机科学与计算科学定义：计算学科是对描述和变换信息的算法过程，包括对其理论分析、设计、效率实现和应用等进行的系统研究。计算学科的根本问题计算学科的根本问题是什么能被有效地自动进行。计算学科中的3个学科形态抽象形态学科中的抽象形态包含着学科中所具有的科学概念、科学符号和思想模型。按客观现象的研究过程，抽象形态包括以下4个步骤的内容：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）对结果进行分析计算学科中的3个学科形态理论形态理论是经过实践检验的系统化了的科学知识体系，

2、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。在计算学科中，理论形态包括以下4个步骤的内容：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）结论计算学科中的3个学科形态设计形态设计形态具有较强的实践性，社会性和综合性。在计算学科中，从为解决某个问题而实现系统或装置的过程来看，设计形态包括以下4个步骤的内容：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计算学科中的3个学科形态三种形态关系设计、抽象和理论3个形态针对具体的研究领域均起作用，在具体研究中，就是要在其理论的指

3、导下，运用其抽象工具进行各种设计工作，最终的成果将是计算机的软硬件系统及其相关资料。抽象源于现实世界理论源于数学设计源于工程计算机学科各主领域的基本问题离散结构主要内容：包括集合论、数理逻辑、近世代数、图论、以及组合数学等。计算机学科各主领域的基本问题程序设计基础1）主要内容：包括程序设计结构、算法、问题求解和数据结构等2）基本问题主要包括：对给定的问题，如何进行有效的描述并给出算法？如何正确选择数据结构？如何进行设计、编码、测试和调试程序？计算机学科各主领域的基本问题算法与复杂性1)主要内容：包括算法的复杂度分析、典型的算法策略、分布式算法、并行算法、可计算理论、自动机理论、密

4、码算法等2）基本问题主要包括对于给定的问题类，最好的算法是什么？要求的存储空间和计算时间有多少？空间和时间如何折衷？算法最好和最坏的情况是什么？算法的通用性如何？计算机学科各主领域的基本问题体系结构1)主要内容：包括数字逻辑数据的机器表示、汇编级机器组织、存储技术、接口和通信、性能优化网络和分布式系统的体系结构等2）基本问题主要包括:实现处理器内存和机内通信的方法是什么？如何设计和控制大型计算系统？哪种类型的体系结构能够有效地包含许多在一个计算中能够并行工作的处理元素？计算机学科各主领域的基本问题操作系统1）主要内容：包括操作系统的逻辑结构、并发处理资源分配与调度、存储管理、设备

5、管理等2）基本问题主要包括：在计算机系统操作的每一个级别上，可见的对象和允许进行的操作各是什么？对于每一类资源能够对其进行有效利用的最小操作集是什么？如何组织接口才能使得用户只需与抽象的资源而非硬件的物理细节打交道？作业调度、内存管理、并发任务间的通信等。计算机学科各主领域的基本问题网络计算1）主要内容：包括计算机网络的体系结构、网络安全、网络管理、无线和移动计算，以及多媒体数据技术等2）基本问题主要包括网络中的数据如何进行交换？网络协议如何验证？如何保证网络的安全？分布式计算的性能如何评价？分布式计算如何组织才能够使通过通信网连接在一起的自主计算机参加到一项计算中？计算机学科各

6、主领域的基本问题程序设计语言1）主要内容：包括程序设计模式、类型系统、执行控制模型、语言翻译系统、程序设计语言的语义学等2）基本问题主要包括语言（数据类型、操作、控制结构、引进新类型和操作的机制）表示的虚拟机的可能组织结构是什么？语言如何定义机器？机器如何定义语言？什么样的表示法语义可以有效地用于描述计算机应该做什么？计算机学科各主领域的基本问题人机交互1）主要内容：包括以人为中心的软件开发和评价，图形用户接口设计，多媒体系统的人机接口等2）基本问题主要包括表示物体和自动产生供阅览的照片的有效方法是什么？接受输入和给出输出的有效方法是什么？怎样才能减小产生误解和由此产生的人为错误

7、的风险？图表和其他工具怎样才能通过存储在数据集中的信息去理解物理现象？计算机学科各主领域的基本问题图形学和可视化计算1）主要内容：包括计算机图形学、可视化、虚拟现实、计算机视觉等4个学科子领域的研究内容2）基本问题主要包括支撑图像产生以及信息浏览的更好模型？如何提取科学的计算和医学和更抽象的相关数据？图像形成过程的解释和分析方法？计算机学科各主领域的基本问题智能系统1）主要内容：知识表示和推理、Agent、自然语言处理、机器学习和神经网络、人工智能和机器人学等2基本问题主要有基本