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1、1对计算学科的理解和专业学习规划摘要：简要概述对计算学科的认识和理解及对计算机学科专业的学习规划，说明计算学科的起源、发展现状、产生的背景、内容及意义。简单了解计算学科中抽象、理论和设计三个过程及其内在联系。掌握计算学科中的核心概念、数学方法、系统科学方法、社会和职业问题等内容，对于计算机专业对现实生活的重要以及对专业学习的规划。关键词：计算学科、计算机、专业学习规划。1 引言计算学科是对描述和变换信息的算法过程，包括对理论分析、设计、效率、实现和应用等进行的系统研究。它来源对算法理论、数学逻辑、计算模型、自动计算机的研究，并与存储式电子计算机的发明形成与 20 世纪 40 年代初期。计算学科
2、的研究包括了从算法与可算性的研究到根据可计算硬件和软件的实际实现问题研究的内容，也包括满足给定规格要求的软、硬件设计它包括所有科目的理论研究、实验方法和工程设计。2 计算学科2.1 计算学科的本质计算学科的根本问题是“什么能被有效地自动运行？” 。计算学科的根本问题讨论的是能行性的相关内容，而凡是与能行性有关的讨论都是处理离散对象的。因为非离散对象（连续对象）是很难进行处理的，因此能行性这个计算学科的根本问题决定了计算机本身的结构和它处理的对象都是离散的。许多连续性的问题也必须在转化为离散型问题后才能被计算机处理。尽管计算学科已成为一个极为宽广的学科，但其根本问题仍然是什么能有效的自动运行。甚
3、至还可以直率的说，计算学科所有分支领域的根本任务就是进行计算，其本质也就是字符串的变换。2.2 计算学科的过程计算学科的实质是学科方法论的思想，其关键问题是理论、抽象和设计三个过程相互作用的问题。理论、抽象和设计三个学科形态概括了计算学科的基本内容，是计算学科认识领域最原始的概念。人类的认识过程是从感性认识（抽象）到理性认识（理论） ，再从理性认识（理论）回到时间的过程。对工程设计而言，认识过程由感性认识上升到理性认识的过程是如何在理论的指导下，在具体的设计中实现对客观世界的理性认识。认识的一般过程体现在具体研究中，就是要在其理论指导下，运用其抽象工具进行各种设计工作，最终成果是计算机的软硬件
4、系统及其相关资料。理论是数学科学的根本。应用数学家门都认为，科学的进展都是基于纯数学的。应用数学用数学的方法经验科学和工程学的发展，同时又不断刺激对新数学的需要，为纯理论数学题出新的问题，应用数学家们认为科学的发展都是建立在数学基础之上。它的研究内容表现在两个方面：一方面是建立完整的理论体系；另一方面是在现有的理论指导下，建立具体问题的的数学模型，从而实现对客观世界的理性认识。抽象（模型化）是自然科学的根本。科学家们相信，科学进展的过程基本上都是形成假设，然后用模型化过程去求证。它的研究内容表现在两个方面：一方面是建立对客观事物进行抽象描述的方法；另一方面是要采用现有的抽象方法建立具体问题的概
5、念模型，从而实现对客观世界的感性认识。设计是工程的根本。工程师们认为，工程进展基本上都是提出问题，然后通过设计区构造系统以及解绝问题。他的研究内容同理论抽象一样也表现在两个方面：一方面是在对客观世界的感性认识和理性认识的基础上去完成一个具体任务；另一方面是要对工程设计所遇到的问题进行总结，提出问题，有理论解去解决它。同时也要将工程设计所积累的经验和教训进行总结，最后形成方法。理论、抽象和设计三个过程的划分，有助于正确的理解计算学科三个过程的地位和作用。在计算学2科中，人们可以独立地从理论、抽象和设计三个过程出发开展工作，这种工作方式可以是研究人员将精力集中在所关新的过程中。计算机科学侧重理论和
6、抽象形态，它们都在计算机理论研究的深入和计算技术的发展。3 计算机3.1 计算机的产生及发展计算机的产生不是偶然的，而是科学家们前赴后继辛勤劳动的结果。1936 年，阿兰图灵在他的一篇具有跨时代意义的论文论可计算及其在判定问题中的应用中，论述了一种假象的通用计算器，也就是理想计算机，被后人称为“图灵机” 。1946 年，美国宾尼法尼亚大学成功研制出了 ENIAC，也就是世界上第一台数字电子计算机。至今，计算机的发展大致已经经历了四个阶段：第一代计算机（1946-1957 年） ，其主要特征是逻辑器件使用电子管，用穿孔卡片机作为数据和指令的输入设备，用磁鼓和磁带作为外存储器，使用机器语言编程。第
7、一台计算机的体积大，运算速度低，存储容量小、可靠性低。几乎没有什么软件配置，主要应用于科学计算。尽管如此，第一代计算机却奠定了计算机的技术基础，如二进制、自动计算和程序设计等，对以后计算机的发展产生了深远影响。第二代计算机（1958-1964 年） ，其主要特征是使用晶体管代替了电管，内存储器采用了磁芯体，引入了变址寄存器和浮点运算软件，利用 I/O 处理机提高了输入/输出能力。这不仅是的计算机的体积缩小了许多，同时增加了机器的稳定性并提高了运算速度，而且使计算机的功耗见笑，价格降低。在软件方面配置了子程序和批处理管理程序，并且推出了一些高级程序设计语言及相应的编译程序，降低程序设计的复杂性。
8、除应用于科学计算外，它还开始应用于数据处理和工业控制等方面。第三代计算机（1965-1972 年） ，主要特征是用半导体中、小规模集成电路作为元器件代替晶体管等分立元件，用半导体存储器代替磁芯存储器，使用微程序设计简化处理剂的结构，这时的计算机的体积和耗电量显著减小，而计算速度和存储容量却有较大的提高，可靠性却大大加强。在软件方面则广泛地引入多道程序，并行处理虚拟存储系统和功能完备的操作系统，同时还提供了大量的面向用户的应用程序。计算机开始定向标准化、模块化、系统化。此时，计算机的应用进入到许多科学技术领域。第四代计算机（1972 年至今） ，其主要特征是使用了大规模和超大规模的集成电路，大规
9、模、超大规模的出现，十九世纪沿着两个方向飞速发展。一方面，利用大规模集成电路制造多种逻辑芯片，做装成大型、巨型计算机，使运算速度向每秒十万亿次、百万亿次及更高速度发展，存储容量向百兆、千兆字节发展，巨型计算机的出现，推动了许多新兴学科的发展。另一方面，利用大规模集成电路技术将运算器、控制器等部件集成在一个很小的集成电路芯片上，从而出现了微型处理器。微型计算机、笔记本型和掌上型等超微型计算机的诞生是超大规模集成电路应用的直接结果。并使计算机很快进入寻常百姓家。完善的系统软件、丰富的系统开发工具和商品化的应用程序的大量涌现，以及通信技术和计算机网络的飞速发展，使得计算机的发展进入了一个大发展的阶段
10、。现在很多国家正在研究新一代的计算机，新一代计算机将是微电子技术、光学技术、超导技术、电子仿生技术等多学科相结合的产物。它能进行知识处理、自动编程、测试和排错，以及用自然语言、图形、声音和各种文字进行输入和输出。新一代计算机的研究目标是打破计算机现有的体系结构，使得计算机能够具有向人那样的思维、推理和判断能力。已经实现的计算机技术有：超导计算、量子计算、生物计算、光计算等。未来的计算机可能是超导计算机、量子计算机、生物计算机、纳米计算技术和 DNA 计算机等。3.2 计算机系统3.2.1 计算机的硬件系统计算机的硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分组成。运算器又称为
11、算术逻辑单元，是计算机对数据进行加工处理的部件，它的主要功能是对二进制3进行加、减、乘、除等算术运算和与、或、非等基本逻辑运算，实现逻辑判断。运算器实在控制器的控制之下实现其功能的，运算结果由控制器发出的指令送到内存储器中。控制器主要由指令寄存器、译码器、程序计算器和操作控制器等组成，控制器是用来控制计算机各部件间协调工作，并使整个处理过程有条不紊地进行。它的基本功能就是从内存中取出指令和执行指令，及控制器按程序计数器指出的指令地址从内存中取出该指令进行译码，然后根据该指令功能向有关部件发出控制命令执行该命令。另外，控制器在工作过程中，还要接受各部件反馈回来的信息。通常把运算器控制器集成在一个
12、大规模集成电路板上称为中央处理器，又称为 CPU。存储器是计算机的记忆装置，用于存放原始数据、中间数据、最终结果和处理程序。为了对存储的信息进行处理，把存储器划分为存储单元。存储器内的信息是按地址存取的，如要访问存储器中的某个信息 i，就必须知道它的地址。向存储器里存入信息也成为“写入” ，写入新的内容则覆盖了原来的旧内容。从存储器里取出信息也称为“读出” ，信息读出后并不破坏原来存储的内容，因此信息可以重复取出，多次利用。存储器可分为两种：内存储器和外存储器。通常把内存储器、运算器和控制器合称为计算机主机，也可以说主机是由 CPU 与内存储器组成的，而主机以外的装置称为外部设备，外部设备包括
13、输入/输出设备、外存储器等。输入/输出设备简称 I/O 设备。用户通过输入设备将程序和数据输入计算机，输出设备将计算机处理的结果（如数字、字母、符号和图形）显示或打印出来。常用的输入设备有键盘、鼠标器、扫描仪、数字化仪等；常用的输出设备有显示器、打印机、绘图仪等（如图 1 所示） 。图 1 计算机硬件系统的基本结构3.2.2 计算机的软件系统软件是指用来指挥计算机运行的各种程序的总和以及开发、使用和维护这些程序所需的技术文档。计算机软件系统分为系统软件和应用软件。没有配备任何软件的硬件计算机称为裸机，裸机向外部世界提供的界面只是机器指令。用户及其它程序都通过系统软件来使用计算机。计算机系统软件
14、由操作系统、语言处理系统以及各种软件工具等软件程序组成，指挥、控制计算机硬件系统按照预定的程序运行、工作，从而达到预定的目标。简单地说，系统软件的功能主要是简化计算机操作，扩展计算机的处理能力和提高计算机的效率。应用软件是用户利用计算机软硬件资源为解决各类应用问题而编写的软件，包括用户程序及其说明性文件资料。随着计算机应用的推广与普及，应用软件的存在与否并不影响整个计算机系统的运作，但它必须在系统软件的支持下才能工作。43.3 人工智能和虚拟现实3.3.1 人工智能人工智能是专门研究如何使用计算机来模拟人的智能的技术。计算机人工智能近年来在模式识别、语音识别、专家系统和机器人制造等方面取得了很
15、大的成就。模式识别是对某些感兴趣的客体做定量或结构的描述，研究一种自动生成技术，由计算机自动地把待识别的模式分配到各自的模式类型中去。例如对人体细胞显微图像分析，可确定内脏是否发生病变；公安机关对指纹识别可鉴定特定人员的身份等。文字语音识别、语言翻译是人工智能的一个重要应用领域。目前手写体的计算机输入系统已被广泛使用，语音录入计算机的软件也在市场上问世。不同语种的机器翻译水平也在不断提高。专家系统是人工智能研究的又一重要领域。它利用计算机构成存储量极大的经验知识库，把各类专家丰富的经验知识以数据的形式存储于知识库内，通过专用软件，为用户输入的查询请求给出答案。这种系统目前被广泛用于医疗、工程、
16、法律等领域。人工智能还被用于机器人的设计中。机器人需要进行一些复杂的活动，如海底探测、险情排除等。这就需要机器人能够根据传感器捕捉的各种信息进行一定的智能判断，并在经验知识库的协助下作出采取何种措施的判断。就目前形式来看，我们还有很长的一段路要走。3.3.2 虚拟现实虚拟现实是利用计算机生成的一种模拟环境。通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与环境直接进行交互的目的。这种模拟环境是利用计算机构成的具有表面色彩的立体图形，它可以是某一现实世界的真实写照，也可以是纯粹的构想出来的世界。目前虚拟现实在军事、教育、航天、航空以及娱乐、教育、生活中不断得到应用和扩展。如飞行员的仿真虚拟现实系统与汽车驾驶员的虚拟现实系统可以让他们在虚拟环境中感受现实环境中几乎相当的外部状况，从而可以在虚拟环境下帮助他们提高飞机或汽车的驾驶水平，减少意外事故的发生。4 对专业学习的规划现阶段，计算机的应用领域越来越广泛，已经越来越深入人们的日常生活和工作学习中，它可用于科学研究和科学计算，信息传输和信息处理，自动化控制和管理自动化，辅助设计、辅助制造、辅
