崔剑波2018年10月19日,计算科学与技术综述,,,一、计算机科学与技术的奋斗宗旨 二、什么是计算机科学 三、什么是计算机技术 四、计算机科学与技术的关系 五、什么是计算机应用 六、计算机科学与技术专业,一、奋斗宗旨,计算机科学与技术学科是一门创造性很强、涉及人类一切活动领域的综合性学科其宗旨是：通过不断地实践和科学研究，创造出有利于人类生存与发展、性能更高的自动化电子装置和相应软件，逐步用由数字装置控制的自动化机械代替体力劳动，用智能化软件控制的电脑代替人脑的同时，通过信息的获取、处理、加工和控制，为人类带来更多的物质财富和精神享受计算机学科发展与世界上一切伟大事业一样，也经历过挫折和失败，但最终由于找到了一个正确的指导思想而发展起来，以至有了今天的成就17世纪有一个伟大的科学家，他不仅与牛顿同时创立了微积分学，而且还提出了如下设想：如果能够建立一种符号化体系来表示人类的思维，并能找到模拟人类思维的演化方法，那么就可以对人类的思维进行推理这个人就是莱布尼兹！,,在莱布尼兹的设想里蕴含了这样一个命题：如果莱布尼兹的设想是成立的，那么就可以制造一种机械装置来对人类思维进行推理为了这一命题，从17世纪到19世纪30年代初，许多人为之做了大量的工作，但都不能从理论上证明这个命题。
1936年英国有一个年青人围绕莱布尼兹的设想，证明了这样一个命题：可制造一种十分简单但运算能力极强的计算装置，用来计算所有能想象得到的可计算函数1938年他果真制造出了这样的一种计算装置这个人就是被誉为人工智能之父的图灵！后人也把他制造的计算装置称为图灵机图灵机被公认为现代计算机的原型，这台机器可以读入一系列的零和一，这些数字代表了解决某一问题所需要的步骤，按这个步骤走下去，就可以解决某一特定的问题在图灵看来，这台机器只用保留一些最简单的指令，一个复杂的工作只用把它分解为若干最简单的操作就可以实现他相信有一个算法可以解决大部分问题，而困难的部分则是如何确定最简单的指令集，怎么样的指令集才是最少的，而且又能顶用，还有一个难点是如何将复杂问题分解为若干简单操作并把它们指令化的问题图灵机问世以后，立即引起了英国和美国军方的注意，他们在图灵机的基础上来研制用于军事用途的计算装置，即计算机1944年1月英国研制了世界上第一台“巨人”计算机，用以破译德军密码 1946年2月美国在 “巨人”计算机的基础上研制了ENIAC 计算机，用以弹道计算但这两台计算机的不足之出是：没有真正的存储器，只有若干个暂存器，它的程序是外插型的，指令存储在计算机的其他电路中。
这样，解题之前，必需先相好所需的全部指令，通过手工把相应的电路联通这种准备工作要花几小时甚至几天时间，而计算本身只需几分钟计算的高速与程序的手工存在着很大的矛盾为了解决计算的高速与程序的手工存在着很大的矛盾这一问题，1945年美国一位青年人提出了制造电子计算机和程序设计的新思想 ：计算机应由五个部分组成，包括：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备计算机的指令应采用二进制，逻辑代数应是逻辑电路的分析的主要方法这是计算机发展史上一个划时代的思想，它向世界宣告：电子计算机的时代开始了而提出这一思想的年青人就是： 被称为“计算机之父”的美籍匈牙利数学家冯·诺依曼上一世纪60年代之后，一方面人们开始不满足于让计算机仅仅进行科学计算和简单的符号处理，而想让计算机具有更强的逻辑运算和图形图像的符号处理能力，从而真正能够模拟人类思维，真正能够在计算机上进行采集、编辑、制作、操纵、人机交互式的展示具有图、文、声、并茂的现实虚拟世界；另一方面不满足在单一计算机上的操作，而想在多个计算机上的同时操作，实现计算的互联和相互通讯这些想法的出现，酝酿着计算机多媒体时代、网络时代、和智能时代即将开始建立在心理学刺激反应模型基础上的物理符号系统的形成，标志着计算机学科发展进入了一个崭新的阶段，即从以模拟机和智能软件并行开发为主的研究方向，逐步过渡到以智能软件为主、数字机硬件更新和完善为辅的研究方向，并由此利用智能计算来研究图像的压缩与解压缩问题、利用智能计算来解决计算机的互联问题。
到了上一世纪80年代之后随着上述两个问题的解决，才形成了今天这样的一个信息时代在计算机科学与技术发展的过程中，人们发现：现实世界中多数问题不是数字计算，而是符号处理那么如何进行符号处理呢？现代计算机能否进行符号处理？面对这两个问题，出现了两种观点一种观点认为，以Turing理论为指导所形成的计算机，是不能进行复杂的逻辑运算和图形图像处理的，它的主要功能是数字计算而要处理复杂的逻辑运算和图形、图像处理问题，必须开发一种新型的、与现有数字计算机的结构不同的计算机来于是研究模拟机和智能软件并行开发为主要研究方向的新型课题便应用而生，被称为人工智能另一种观点认为：在不断的完善和改进现有硬件的性能和功能的基础上，从现阶段“数字计算机”的实际出发，把Turing理论与现阶段的数字计算机的实际情况结合起来，探索出一条能够用现阶段的计算机处理复杂的逻辑运算的新路子来他们首先回答了用机器处理问题的本质是什么以及如何用机器处理问题这两个核心问题，即：无论用什么样的计算机处理问题，即无论是数字计算机还是符号处理，其本质还是二进制数字计算，其理论依据还是Turing理论虽然Turing理论的原始论述只是对数论函数（以自然数为输入）而言的，但可以把它推广到任意函数、人脑功能甚至一切物理现象。
因此，处理复杂的逻辑运算问题关键在于软件而非硬件，只要方法得当，现实中任何一台计算机都能处理复杂的逻辑问题，所不同的是速度和内存问题目前，处理数值计算问题的方法已经相对比较完善，而研究思维模拟的主要方法则有四种：基于心理学的符号处理方法；基于社会学层次型的智能体方法；基于生物进化的演化计算与自适应方法以及基于生理学的人工神经网络方法 我们不应该把智能与计算对立起来，不要谈到人工智能就马上想到逻辑、规则、推理，而一谈到计算机联想到矩阵运算、解微分方程等；不要过分强调数字计算机与符号计算的区别，而应该强调综合集成要从现阶段计算机硬件实际情况出发，应用遗传算法、人工神经网络等方法，借助于现阶段的计算机处理现实存在的较为复杂的实际问题在这一思想的指导下，终于形成了一种新的理论——智能计算智能计算理论是Turing理论的丰富和完善，是人工智能的一个重要分支，是结合现阶段的计算机硬件水平，通过开发智能化软件来解决较为复杂的逻辑运算问题的一种软件开发技术这一理论之所以能够形成，最根本的一条是计算机专家们敢于解放思想，从传统的条条框框中解放出来，认为无论用什么类型的计算机处理问题都仅仅是手段，而本质的问题是数字计算，核心问题是计算方法——算法。
正是这种思想的指导下，从80年代开始，计算机的科学研究取得突破性的发展，各种智能软件相继推出，为处理大规模的人工智能问题奠定了基础例如，智能化数学软件Maple,MATHEMATICA和Axion，其共同的特点就是提供了符号运算和精确计算的功能现在，智能计算机已经广泛地运用到了最优化控制、符号回归、程序自动化生成以及模式识别等许多实际问题的求解中二、什么是计算机科学,计算机科学主要研究计算机系统结构、程序系统（即软件）、人工智能以及计算本身的性质和问题的学科计算机是一种进行算术和逻辑运算的机器，而且对于由若干台计算机联成的系统而言还有通信问题,并且处理的对象都是信息,因而也可以说，计算机科学是研究信息处理的科学计算机科学研究的课题是：计算机程序能做什么和不能做什么（可计算性）； 如何使程序更高效的执行特定任务（算法和复杂性理论）； 程序如何存取不同类型的数据（数据结构和数据库）； 程序如何显得更具有智能（人工智能）； 人类如何与程序沟通（人机互动和人机界面）计算机科学的大部分研究是基于“冯·诺依曼计算机”和“图灵机”的，它们是绝大多数实际机器的计算模型作为此模型的开山鼻祖，邱奇-图灵论题（Church-Turing Thesis）表明，尽管在计算的时间，空间效率上可能有所差异，现有的各种计算设备在计算的能力上是等同的。
尽管这个理论通常被认为是计算机科学的基础，可是科学家也研究其它种类的机器，如在实际层面上的并行计算机和在理论层面上概率计算机和量子计算机计算机科学分为理论计算机科学和实验计算机科学两个部分后者时常称为“计算机科学”而不冠以“实验”二字前者还有其他名称，如计算理论、计算机理论、计算机科学基础、计算机科学数学基础等在数学文献中所说的计算机科学，一般是指理论计算机科学实验计算机科学还包括有关开辟计算机新的应用领域的研究学科起源 计算机科学中的理论部分在第一台数字计算机出现以前就已存在一般认为,计算机科学主要包括理论计算机科学、计算机系统结构、软件工程的一部分和人工智能理论计算机科学是在20世纪30年代发展起来的 20世纪40年代机电与电子的计算机出现后，关于现实计算机及其程序的数学模型性质的研究以及计算复杂性(早期称作计算难度)的研究迅速发展起来，形成自动机论、形式语言理论、程序设计理论、算法设计与分析和计算复杂性理论几个领域计算机系统结构 上一世纪50年代以来，计算机的性能在计算速度和编址空间方面已提高了几个数量级但大部分是通过元件更新而获得的在系统结构方面基本上仍是属于40年代后期形成的存储程序型，即所谓诺伊曼型机器。
这种结构的主要特点是它属于控制流型在这种结构中，一项计算先做什么后做什么是事先确定了的，程序中指令的顺序是事先确定了的为了在计算机的性能方面取得大的进展，需要突破这种旧的形式计算机系统结构方面的重要课题之一，是探索非诺伊曼型机器的设计思想在非诺伊曼型机器中，有一种是70年代初提出的数据流机器（又名数据驱动机器）美国、苏联和英国都已制成这种机器这种机器的特点是，在一项计算中先做什么后做什么不是事先确定，所执行的指令是动态排序的排序的原则是操作数已准备就绪的先做，因而称作数据驱动机器这种类型的机器更便于实现并行计算软件工程 程序设计在相当长的时间内是一种类似“手艺”而不是类似现代工程的技术上一世纪60年代以来出现了大程序这些大程序的可靠性很难保证到上一世纪60年代后期，西方国家出现了“软件危机”这是指有些程序过于庞大（包含几十万条以至几百万条指令），成本过高而可靠性则比较差于是提出了软件工程的概念，目的在于使软件开发遵守严格的规范，使用一套可靠的方法，从而保证质量现代软件工程的方向是形式化和自动化，而形式化的目的在于自动化这里所说的自动化就是将程序设计中可以由机器来完成的工作，尽量交给机器去做。
中心课题之一是程序工具和环境的研究程序工具是指辅助人编程序的程序，如编译程序、编辑程序、排错程序等；程序环境则是指一套结合起来使用的用来辅助人编程序的程序工具人工智能用计算机模拟人的智能，特别是模拟思维活动的技术及其有关理论 由于人的思维活动离不开语言,而且人对于某一类问题进行思索和探索解法时,总是需要以关于这一类问题的基本知识(专业知识或常识)作为出发点于是，知识表示和机器对自然语言的理解就构成人工智能的两个重要领域 所谓知识表示，是指将原来用自然语言表示的知识转换成用符号语言表示的，从而可以储存在机器内供机器使用的知识人工智能的研究角度有探索法的角度和算法的角度通常所说的解题算法是指机械的和总是有结果的方法，而这里所说的算法却是广义的，包括那些机械的而在使用时不一定有结果的算法这种方法时常称作半可判定的方法人在解决问题时，时常采用探索法这种方法具有“试错法”的性质，也就是说，试验若干条途径，一条路走不通时再试另一条，直到问题得到解决时为止机器可以模拟人用探索法解题的思维活动但由于可能途径的数目非常之大，不可能进行穷举式的探索人一般是只选出一些最有希望得到结果的途径去进行探索人的这种能力，就是进行创造性思维的能力。
这是机器极难模拟的事情。