第 1 章 计算机科学技术的研究范畴 内 容 提 要l本章在介绍计算机的定义、分类、特点、用途和发展等基本概念的基础上，概要地介绍了计算机科学技术的研究范畴计算机的应用领域和计算机应用能力培养方向，明确今后学习的目标和内容 l17世纪，欧洲出现了计算尺和机械式计算机19世纪英国数学家巴贝奇(1792-1871)提出通用计算机的基本设计思想l19世纪中叶，英国杰出的数学家,哲学家布尔(1824 -1898)和其它杰出的科学家一起，通过对人类思维进行数学化精确地刻画，奠定了智慧机器的思维结构与方法，今天计算机内使用的逻辑基础布尔代数，正是他所创立的 l1934年，科学家图灵发表了一篇名为"On Computable Numbers with an Application to the Entscheidungs-problem"的论文在该论文中，图灵通过对人的计算过程的哲学分析，描述了计算一个数的过程，提出了有限状态自动机也就是图灵机的概念 l图灵机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，只需要保留一些最简单的指令，一个复杂的工作只用把它分解为这些最简单的操作就可以实现了，图灵机理论上是通用机。
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这些指令的问题图灵在理论上奠定了计算机产生的基础l由于图灵对计算科学所作出的杰出贡献，ACM 于1966 年设立了以图灵名字命名的计算机科学大奖——图灵奖，以纪念这位杰出的科学家图灵机被公认为是现代计算机的原型后人也将图灵誉为计算机科学之父 l图灵机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学科各分支领域均可以用模型与实现来描述模型反映的是计算学科的抽象和理论两个过程，实现反映的是计算学科的设计过程模型与实现已蕴含于计算学科的抽象、理论和设计3 个过程之中计算学科各分支领域中的抽象和理论两个过程关心的是解决具有能行性和有效性的模型问题，设计过程关心的是模型的具体实现问题正因为如此计算学科中的3 个过程是不可分割、密切相关的 冯·诺依曼 l冯·诺依曼迅速发现了这种后来被称之为计算机的通用机器的用处在于解决一些实际问题因为战争的原因，冯·诺依曼开始接触到许多数学的分支，使他开始萌生了使用一台机器进行计算的想法。
l理论和实践的紧密联系给计算学科带来了力量和生机正是由于计算学科理论与实践的紧密联系并伴随着计算技术的飞速发展，计算学科现已成为一个极为宽广的学科 现代计算机的产生以及计算学科的定义现代计算机的产生以及计算学科的定义l现代计算机的产生l在图灵机模型提出不到10 年的时间里，由于应用的需求以及电子技术的发展，1946 年2 月14 日世界上第一台数字电子计算机ENIAC 在美国宾夕法尼亚大学研制成功ENIAC是第一台使用电子线路来执行算术和逻辑运算以及信息存储的真正工作的计算机器它的成功研制显示了电子线路的巨大优越性，但是ENIAC 的结构在很大程度上是依照机电系统设计的，还存在重大的线路结构等问题，要计算一个新的题目，就得将线路另外重新搭接一次 l在图灵等人的工作影响下，1946 年6 月美籍匈牙利数学家冯▪诺依曼（Von Neumann）及其同事完成了关于电子计算装置逻辑结构设计的研究报告，具体给出了由控制器、运算器、存储器、输入和输出设备5 类部件组成的、被称为冯▪诺依曼型计算机或存储程序式计算机的组织结构新思想及实现方法为现代计算机的研制奠定了基础该原理被称为冯▪诺依曼原理冯▪诺依曼被人们誉为计算机之父。
计算机科学技术的应用领域 1.1.计算机系统概述计算机系统概述 2.2.计算学科的传统应用领域计算学科的传统应用领域3.3.计算学科新的应用领域及未来的展望计算学科新的应用领域及未来的展望 一.计算机系统概述 l计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统 1. 计算机系统l计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分组成 (1) 计算机硬件系统计算机硬件系统l计算机硬件系统是由一系列电子元器件按照一定逻辑关系联接而成，它是计算机系统的物质基础l计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制该原理最初是由匈牙利数学家冯·诺依曼于1946年提出来的，故称为冯·诺依曼原理l按照冯·诺依曼原理构造的计算机又称冯·诺依曼计算机，其体系结构称为冯·诺依曼结构目前计算机已发展到了第四代，基本上仍然遵循着冯·诺依曼原理和结构但是，为了提高计算机的运行速度，实现高度并行化，当今的计算机系统已对冯·诺依曼结构进行了许多变革，如指令流水线技术 (2) 计算机软件系统计算机软件系统l计算机软件的定义：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资料。
l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他程序都通过系统软件来使用计算机 l一般把靠近内层、为方便使用和管理计算机资源的软件，称为系统软件计算机系统软件l由操作系统、语言处理系统、以及各种软件工具等各种软件程序组成计算机软件指挥、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的说，l系统软件的功能主要是简化计算机操作，扩展计算机处理能力和提高计算机的效益 l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应用软件一般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，应用软件将会逐步地标准化、模块化，并逐步地按功能组合成各种软件包以方便用户的使用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 （3）计算机的基本运作方式 l计算机的基本运作方式可概括为所谓的“IPOS循环”IPOS循环即输入（Input）、处理（Processing）、输出（Output）和存储（Storage）,它反映了计算机进行数据处理的基本步骤l■ 输入接受由输入设备（如键盘、鼠标器、扫描仪等）提供的数据。
l■ 处理对数值、逻辑、字符等各种类型的数据进行操作，按指定的方式进行转换l■ 输出将处理所产生的结果等数据由输出设备（如显示器、打印机、绘图仪等）进行输出l■ 存储计算机可以存储程序和数据 2. 计算机的分类 l根据计算机工作原理和运算方式的不同，以及计算机中信息表示形式和处理方式的不同，计算机可分为数字式电子计算机（digital computer）、模拟式电子计算机（analog computer）和数字模拟混合计算机（hybrid computer）当今广泛应用的是数字计算机，因此，常把数字式电子计算机(Electronic Digital Computer)简称为电子计算机或计算机 l按计算机的用途可分为通用计算机（general purpose computer）和专用计算机（special purpose computer ）两大类通用计算机能解决多种类型问题，是具有较强通用性的计算机一般的数字式电子计算机多属此类专用计算机是为解决某些特定问题而专门设计的计算机，如嵌入式系统 l根据计算机的总体规模(按照计算机的字长、运算速度、存储量大小、功能强弱、配套设备多少、软件系统的丰富程度)对计算机分类，可分为巨型机（super computer）、大/中型计算机（mainframe）、小型计算机（mini computer）、微型计算机（ micro computer）和网络计算机（network computer）五大类。
l常见的微型机还可以分为台式机、便携机、笔记本电脑、掌上型电脑等多种类型 3. 计算机的发展 l按照采用的电子器件划分，计算机大致已经历了四代： l第一代计算机（1946年～1957年）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；用磁鼓或磁带作为外存储器第一台计算机需要工作在有空调的房间里，如果希望它处理什么事情，需要把线路重新接一次，把成千上万的线重新焊一下l在1949发明了可以存储程序的计算机这些计算机使用机器语言编程，可存储信息和自动处理信息人类存储和处理信息的方法开始发生革命性的变化 l第二代计算机（1958年～1964年）使用晶体管代替了电子管；内存储器采用了磁芯体；引入了变址寄存器和浮点运算硬件；利用I/O处理机提高了输入输出能力；在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序，并且推出了Fortran、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序 l第三代计算机（1965年～1971年）用小规模或中规模集成电路来代替晶体管等分立元件；用半导体存储器代替磁芯存储器；使用微程序设计技术简化处理机的结构；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。
l第四代计算机（1972年～现在）使用了大规模集成电路和超大规模集成电路微型计算机、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，使得计算机进入了一个大发展的阶段 l未来计算机的研究目标是试图打破计算机现有的体系结构，使得计算机能够具有像人那样的思维、推理和判断能力已经实现的非传统计算技术有：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、光计算机或纳米计算机、DNA计算机等 4. 计算机的特点l电子计算机具有以下特点：l（1）运算速度快、精度高l现在世界上最快的计算机每秒可以运算几十亿次以上计算机的字长越长，其精度越高对于气象预报等精度要求高、时间性强的工作，没有计算机进行数据处理，靠手工已无法实现 l（2）具有逻辑判断和记忆能力l计算机有准确的逻辑判断能力和高超的记忆能力可以把庞大的国民经济信息或一个大图书馆的全部文献资料目录和索引存储在计算机系统中，随时提供情报检索服务l计算机的计算能力、逻辑判断能力和记忆能力三者的结合，使之可以模仿人的某些智能活动。
因此，计算机已经远远不只是计算的工具，而是人类的脑力延伸 l（3）高度的自动化和灵活性l计算机采取存储程序方式工作，即把编好的程序输入计算机，机器便可依次逐条执行这就使计算机实现了高度的自动化和灵活性 l每台计算机提供的基本功能是有限的，这是在设计和制造时就决定了的但计算机可以在人的精心编排设计下，用这些有限的功能，快速自动地完成多种多样的基本功能序列，从而实现计算机的通用性，达到计算机应用的各种目的l计算机系列产品多，其外形、性能指标及功能强弱差异很大，但基本工作原理都属于科学家冯·诺依曼早年提出的“存储程序、顺序执行指令”的原理，即所谓冯·诺依曼原理计算机结构的基本组成是根据冯·诺依曼原理设计的，因此计算机也称为冯·诺依曼型计算机 二 .计算学科的传统应用领域 l计算机的传统应用领域大致可分为以下五个方面： 1. 科学计算和科学研究 l使用计算机来完成科学研究和工程技术中所遇到的数学问题的计算称为科学计算，也称为数值计算l(1) 科学计算科学计算l科学计算是使用计算机完成在科学研究和工程技术领域中所提出的大量复杂的数值计算问题，是计算机的传统应用之一科学计算通常的步骤为：构造数学模型、选择计算方法、编制计算机程序、上机计算、分析结果。
l专门从事计算方法研究的科技工作者研究出了许多高效率、高精度的用于科学计算的算法，积累了许多科学计算用的程序，并且将这些程序汇集成为软件包，供科技工作者选用 l(2) 科技文献的存储与查询科技文献的存储与查询l在当前信息化的社会中，科技文献正在以爆炸性的速度急剧地增加，在这浩如烟海的信息世界，如果不使用计算机来存储和检索信息，将无法正常地进行科学研究和科技成果的交流 l著名文献存储与检索系统主要有的美国的DIALOG国际联机情报检索系统、美国国立医学图书馆建立的医学文献分析与检索系统MEDLARS、美国的文献目录信息分时联机检索系统ORBIT、欧洲空间组织情报中心的联机情报检索系统ESAIRS等国内也已经充分利用中国教育与科研网CERNET、中国科学院网CASNET以及其他公众通信网络，将全国的大学、研究机构和地方等的图书馆和情报检索中心等联接起来，并且与Internet互联，从而能够共享全球的信息资源 l电子图书馆是利用计算机技术和网络技术，将图书、文献、资料等信息以电子化和数字化的形式存储和传递，建立信息采集、加工、存储和提供的电子化信息环境，使信息的载体和服务方式都发生了重大的变化。
l(3) 计算机仿真 计算机仿真是一门利用模型进行实验研究的技术，可以应用于用其他方法需要进行繁复的实际实验或者无法进行实际实验的场合例如，在汽车制造业中可对汽车的碰撞性能进行仿真，从而大大节省了试验的成本又如可对交通基础设施、控制方式、车辆运行调度等进行仿真，为交通基础设施的改扩建以及运营组织提供科学的决策支持 2 .2 .信息信息处处理理l所谓信息处理就是使用计算机对数据进行输入、分类、加工、整理、合并、统计、制表、检索以及存储等，又称为数据处理 l(1) 座席预订与售票系统 座席预订与售票系统是一个由大型数据库和遍布全国乃至全世界的计算机终端组成的大规模计算机综合系统计算机终端可以设在火车站、机场、售票点、旅馆、旅行社、大型企业或公司等，也可以是家庭的个人计算机座席预订与售票系统的主机通过计算机网络与分布在各地的计算机或者定票终端相连接，接收定票信息，并通过专门的管理软件对大型数据库中的票务信息进行维护与管理l座席预订与售票系统方便旅客购票、售票速度快、实现客票信息共享、统一调度的优越性 l(2) 零售业中的应用零售业中的应用 在大型超市中，收银机、条形码识别器与中央处理机的数据库相连接，能够自动地更新商品的信息、计算折扣、统计销售情况、分析市场趋势。
读卡装置读取信用卡、借记卡等上的信息，并通过计算机及其所连接的网络，自动地将顾客在发卡银行帐号下的资金以电子付款的方式转入商店的账号顾客可以通过触摸屏与计算机进行对话，查询商品乃至其具体的规格和摆放的位置l利用计算机和计算机网络，将遍布各地的超市、供货商、配送中心等连接在一起，建立连锁超市良好的供货、配送、销售体系 l(3) 办公自动化l以行为科学为主导，以管理科学、系统工程学、社会科学、人机工程学为理论基础，以计算机技术、自动化技术、通信和网络技术为手段，利用计算机和其他各种办公设备，完成各种办公业务，使办公工作实现电子化、网络化、自动化和无纸化，促使办公工作的规范化和制度化，提高办公室工作的效率和质量主要有：l· 事务型办公自动化系统文字处理、工作日程安排、文档管理、行文管理、邮件处理、排版与印刷、视频会议l· 管理型办公自动化系统该系统是既能支持各种办公事务工作又能进行信息管理的办公自动化系统l· 决策型办公自动化系统该系统是办公自动化系统的最高层次，它以事务处理和信息管理为基础，主要是提供辅助决策支持的功能 3 .实时控制（也称过程控制） l实时控制能及时地采集检测数据、使用计算机快速地进行处理并自动地控制被控对象的动作，实现生产过程的自动化。
例如： l(1) 空中交通控制（空中交通控制（ATC））系统系统l利用计算机，地面指挥人员可以掌握空中的被控飞机的飞行轨迹和飞行状况，飞机上安装有接收/发送装置，负责与地面的ATC系统进行通信飞机上还可以安装上防碰撞系统，用来自动躲避已接近的其他飞行物飞机上的计算机中还可以存储气象信息，以保证在恶劣天气环境下飞机的安全 l(2) 病员监护与健康护理病员监护与健康护理 病员监护系统可以对危重病人的血压、心脏、呼吸等进行全方位的监护，以防止意外的发生监控护理系统患者或者医务人员可以利用计算机来查询病人在康复期应该注意的有关事项，解答各种疑问，使得病人尽快地恢复健康使用营养数据库可以对各种食品的营养成分进行分析，为病人或者健康人提出合理的饮食结构建议，以保证各种营养成分的均衡摄入 4 .4 .计算机辅助设计计算机辅助设计/ /辅助制造辅助制造/ /辅助教学辅助教学 l(1) 计算机辅助设计计算机辅助设计l计算机辅助设计CAD是使用计算机来辅助人们完成产品或工程的设计任务的一种方法和技术其主要技术：图形处理技术、工程分析技术、数据管理技术、软件设计与接口技术等l(2) 计算机辅助制造计算机辅助制造l计算机辅助制造CAM是使用计算机辅助人们完成工业产品的制造任务，能通过直接或间接地与工厂生产资源接口的计算机来完成制造系统的计划、操作工序控制和管理工作的计算机应用系统。
l主要技术：数字控制、可编程序逻辑设计、计算机辅助编制加工、机器人工程学、制造质量控制技术等l(3) 计算机辅助教学计算机辅助教学l计算机辅助教学CAI是把计算机用作教学媒体，使它充当指导者、工具和学习者角色，学生通过与计算机的对话进行学习的一种新型教学技术 l计算机辅助教学系统由三部分组成：硬件系统、系统软件和课件硬件系统包括计算机主机及其附属外部设备，硬件提供了辅助教学的物质基础软件是在硬件设备上运行的各种程序及相关的文档资料，包括系统软件和应用软件课件是为实现教学目标而设计的应用软件、有关教材、文档资料等 5 .5 .人工智能人工智能l人工智能（AI）这个英文单词最早是在1956年的一次会议上提出的所谓人工智能，就是让计算机能够象人一样思考，让计算机代替人类进行简单的智力活动，把人类解放用于其它更有益的工作人工智能是包括十分广泛的科学，它由不同的领域组成，如机器学习，计算机视觉、自然语言理解、专家系统、机器翻译、机器人、定理自动证明等AI是一门极富挑战性的科学从事人工智能工作的人必须懂得计算机知识，心理学和哲学 l在1963年，为了在冷战中保持对苏联的均衡，美国政府和美国国防部资助麻省理工学院进行人工智能的研究，使人工智能得到了巨大的发展。
麻省理工大学开发出了可以解决代数问题的STUDENT系统；在70年代出现的专家系统使计算机可以代替人类专家进行一些工作由于计算机硬件性能的提高，计算机开始有了简单的思维和视觉，人工智能得以进行一系列重要的活动，如统计分析数据，参与医疗诊断等等，它作为生活的重要方面开始改变人类生活在理论方面，70年代也是大发展的一个时期，诞生了另一个人工智能语言Prolog，Prolog和LISP一起几乎成了人工智能工作者不可缺少的工具模糊控制，决策支持等等方面都有人工智能的影子现在已经有软件可以通过图灵测试的子测试，可以解决一些人类智力的问题 三 .计算学科新的应用领域及未来的展望 l近年来，由于计算机科学技术的迅速发展，特别是网络技术和多媒体技术的迅速发展，计算机不断地拓展新的应用领域通信技术与计算机技术的结合，产生了计算机网络和Internet；卫星通信技术与计算机技术的结合，产生了全球卫星定位系统（GPS），地理信息系统（GIS）；多媒体技术的发展更是如日中天，在音乐、舞蹈、电影、电视和娱乐、虚拟现实、辅助设计、辅助教学中得到了广泛的应用 1. 1. InternetInternet带带来的深刻影响来的深刻影响l20世纪90年代以来，计算机网络技术得到了飞速发展，信息的处理和传递突破了时间和地域的限制，网络化与全球化成为不可抗拒的世界潮流，Internet已进入社会生活的各个领域和环节，并愈来愈成为人们关注的焦点。
据统计，到2000年底Internet用户数已经发展到二亿 lInternet互联网最大的优点是消除了地域上的障碍，使得地球上的每一个人均可方便地与另一端的用户通讯由于网络交易的实时性、方便性、快捷性及低成本性，随着计算机的网络化和全球化，人们日常生活中的许多活动将逐步转移到网络上来企业用户可以通过网络进行信息发布、广告、营销、娱乐和客户支持等，同时可以直接与商业伙伴直接进行合同签订和商品交易，用户通过网络可以获得各种信息资源和服务，如购物、娱乐、求职、教育、医疗、投资等 Internet大大促进了现代社会信息化、全球化的进程，对社会政治、经济、生活带来了深刻的影响 l目前已经实施的和正在实施的“金桥”、“金关”、“金卡”、“金税”、“金企”、“金农”、“金卫”等“金系列”工程，大大地促进了国家信息基础设施的建设，加快了社会信息化的进程我国己作为第71个国家网加入Internet，已有四个主网干线即中国科学技术网(CSTNET)、中国教育与科研计算网(CERNET)、中国公用计算机互联网(CHINANET，邮电网)和国家公用经济信息网(CHI-NAGBN)与Internet相连 2. 多媒体技术带来的新的应用领域 l计算机多媒体系统不仅有计算机的存储记忆、高速运算、逻辑判断、自动运行的功能，还能将符号、文本、声音、图形、动画和图像等多种媒体信息有机地集成于一体，使人通过多个感官获取相关信息，不仅提高信息的传播效率，同时由于多媒体的图形交互界面和窗口交互操作，使人机交互能力大大提高，实现信息双向交流。
l超文本系统允许学生在材料中自己选择各种不同的路径在超媒体系统中，不仅能够访问相关的文本材料，而且能够访问声音、图形、图像、动画和视频图像等其他媒体元素超媒体可以理解成在计算机控制下使用多媒体 l多媒体系统最突出的领域是计算机虚拟现实技术的应用在制造业、科学研究中，多媒体可实现试验的可视化；在教育与培训、遥控操作、心理测试、通信与协同工作和艺术中，多媒体也得到了广泛的应用；多媒体还可以图像与声音的集成形式提供最新的娱乐和游戏的方式 3. 嵌入式系统 l嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中简单的说就是系统的应用软件与系统的硬件一体化它具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点特别适合于要求实时的和多任务的体系当今，计算机的速度越来越快，体积越来越小，其应用领域也越来越扩大许多机器和设备上都装上了嵌入式计算机智能汽车、信息家电和数字仪器已经成为人们工作和日常生活中不可缺少的助手 4. 人工智能l人工智能是由计算机来模拟或部分模拟人类的智能，包括自然语言理解、专家系统、机器人、神经网络以及遗传算法等l深蓝是美国IBM 公司研制的一台高性能并行计算机，它由多个专为国际象棋比赛设计的微处理器组成，该系统每秒可计算2 亿步棋。
1997年5月初，在美国纽约公平大厦，深蓝与国际象棋冠军卡斯帕罗夫交战，深蓝以两胜一负三平战胜卡斯帕罗夫 l目前的机器人已经具有一定的视觉、听觉、触觉和行走的能力，但其智能还十分有限未来的机器人的视觉、听觉、触觉、行走能力及其所具有的智能都将进一步提高，在工业界、航天航空、宇宙探索乃至服务业等领域将得到更加广泛的应用l神经网络是人工智能领域的一个重要的分支，它用计算机处理单元来模拟人脑的神经元，并将这些处理单元像人脑的神经元那样互相连接起来，构成一个网络，采用神经网络设计的计算机与传统的冯•诺依曼型的计算机截然不同 计算机科学教育课程体系的形成与发展计算机科学教育课程体系的形成与发展 l计算机科学是从电子学、科学、数理逻辑和计算数学的交界处发展起来的在20世纪50年代初到60年代中期，数值分析、开关理论、逻辑设计、计算模型构成这一领域的核心，而把操作系统、编译器、数据库、网络、处理器硬件作为其应用20世纪80年代及90年代初期开展的关于计算机科学教育的争论，重点似乎都放在如何教问题求解技巧及编程语言的选择上，而忽略了计算机科学教育目的本身 l1991年ACM/IEEE计算机课程体系(CC91教程)提出了计算机学科的九个主科目，即算法与数据结构，计算机体系结构，人工智能与机器人，数据库与信息检索，人—机通信，数值与符号计算，操作系统，程序设计语言，软件方法学与工程。
每个科目领域都有理论基础、抽象和程序设计三个过程，贯穿于九个主科目的始终 l91课程体系鼓励了计算机科学和工程中教学计划的多样性，并要求保有公共内核该内核定义成一系列知识单元（KUs），可用这些知识单元组合课程目的在于为学生提供设计与构造计算机系统的基本原理，通过程序设计语言训练学生掌握自动处理数据与信息的算法过程重点放在用于开发计算机应用的软件、硬件工具的开发，而不是那些应用的本身 lACM与IEEE联合起草的CC2001课程标准主要体现了技术的发展变化，特别是计算机网络与通信和多媒体技术的发展CC2001中把学科所包含的教学内容归结为14个知识体，提炼出了更精简的核心知识单元在技术方面增加了网络技术及应用、软件安全及嵌入式系统等内容在课程方面，除了提出对算法、离散结构应加强外，还将计算机学科中许多以前的研究成果（如视觉、图形学、模式识别等）也列入了本科课程 l在CC2001的14个知识体中还专门列有一个对学生人文知识和职业道德等方面内容的传授包括贯彻爱国主义教育的研究、培养辩证唯物主义观点的研究及培养学生优良品德和科学态度的研究等l为了适应目前技术和应用的需要，CC2001提出把原来的计算学科划分成计算机科学、计算机工程、软件工程、信息系统等四个方向，并准备分别制订各自的教学计划纲要。
l从上述课程体系的历史发展可见，计算机科学课程体系模型一直在推陈出新，不断发展无论如何，未来计算机课程体系都必将提供统一的形式，但这并不意味课程实验的结束伴随这种过程，受教育者终身学习变得越来越重要，面对终身学习和职业常变的未来必须具有适应新模式的能力这必然强调计算机科学课程体系基本的核心理论课程和应用技术课程，使之在二者之间求得平衡 计算机科学课程体系的核心内容 l计算机科学在加强自身课程体系的建设的同时，要注意与其它计算科系的合作和通信更为重要在开发更一致的计算机科学课程集，促进计算机科学课程体系的发展，又要准备教授更多的服务课程集，以便与学习者的知识架构相联系、相适应为学习者提供一个整体的课程方案，使他们适应未来的技术背景并作为职业生涯的起点这就要求计算机科学运用一般科学技术方法论，建构既有弹性又有核心课程集的课程体系 l计算学科课程体系的教学内容归结为14个知识体，包括： 1 .离散结构l计算学科是以离散型变量为研究对象，离散数学对计算技术的发展起着十分重要的作用随着计算技术的迅猛发展，离散数学越来越受到重视CC2001 报告为了强调它的重要性，特意将它从CC1991 报告的预备知识中抽取出来，列为计算学科的第一个主领域，并命名为“离散结构”以强调计算学科对它的依赖性。
l该主领域的主要内容包括：集合论、数理逻辑、近世代数、图论以及组合数学等该领域与计算学科各主领域有着紧密的联系该主领域以抽象和理论两个过程出现在计算学科中它为计算学科各分支领域解决其基本问题提供了强有力的数学工具 2. 程序设计基础 l该主领域的主要内容包括：程序设计结构、算法问题求解和数据结构等l《计算作为一门学科》报告指出了程序设计在计算学科的正确地位：程序设计是计算学科课程中固定练习的一部分，是每一个计算学科专业的学生应具备的能力，是计算学科核心科目的一部分，程序设计语言还是获得计算机重要特性的有力工具l该主领域要解决的基本问题包括：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 3 .算法与复杂性 l该主领域的主要内容包括：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P 类和NP 类问题、自动机理论、密码算法以及几何算法等l该主领域要解决的基本问题包括：.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？访问数据的最好方法是什么？算法最好和最坏的情况是什么？算法的平均性能如何？算法的通用性如何？ 4 .体系结构 l该主领域的主要内容包括：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、多道处理和预备体系结构、性能优化、网络和分布式系统的体系结构等知识。
l该主领域要解决的基本问题包括：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，使其令人相信，尽管存在错误和失败，但它仍然是按照意图工作的；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；如何度量性能 5 .操作系统 l该主领域的主要内容包括：操作系统的逻辑结构、并发处理、资源分配与调度存储管理、设备管理文件系统等l该主领域要解决的基本问题包括：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？作业调度内存管理通信软件资源访问并发任务间的通信以及可靠性与安全的控制策略是什么？通过少数构造规则的重复使用进行系统功能扩展的原则是什么？ 6 .网络计算 l该主领域的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l该主领域要解决的基本问题包括：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？如何评价分布式计算的性能？而网络协议主机地址带宽和资源则具有透明性。
7 .程序设计语言 l该主领域的主要内容包括程序设计模式、虚拟机、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、基于语言的并行构件等l该主领域要解决的基本问题包括：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 8 .人-机交互 l该主领域的主要内容包括：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l该主领域要解决的基本问题包括：表示物体和自动产生供阅览的影像的有效方法是什么？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？ 9. 图形学和可视化计算 l该主领域的主要内容包括：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l该主领域要解决的基本问题包括：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； 10 .信息管理 l该主领域的主要内容包括：信息模型与信息系统、数据库系统、数据建模、关系数据库、数据库查询语言、关系数据库设计、事务处理、分布式数据库、数据挖掘、信息存储与检索、超文本和超媒体、多媒体信息与多媒体系统、数字图书馆等。
l该主领域要解决的基本问题包括：使用什么样的建模概念来表示数据元素及其相互关系？怎样把基本操作如存储定位匹配和恢复组合成有效的事务？这些事务怎样才能与用户有效地进行交互？高级查询如何翻译成高质量的程序？哪种机器体系结构能够进行有效的恢复和更新？怎样保护数据以避免非授权访问泄露和破坏？如何保护大型的数据库以避免由于同时更新引起的不一致性？当数据分布在许多机器上时如何保护数据保证性能？文本如何索引和分类才能够进行有效的恢复？ 11 .软件工程 l该主领域的主要内容包括：软件过程、软件需求与规格说明、软件设计、软件验证、软件演化、软件项目管理、软件开发工具与环境、基于构件的计算形式化方法、软件可靠性、专用系统开发等l该主领域要解决的基本问题包括：程序和程序设计系统发展背后的原理是什么？如何证明一个程序或系统满足其规格说明？如何编写不忽略重要情况且能用于安全分析的规格说明？软件系统是如何历经不同的各代进行演化的？如何从可理解性和易修改性着手设计软件？ 12.科学计算 l该主领域的主要内容包括：数值分析、运筹学、模拟和仿真、高性能计算l该主领域要解决的基本问题包括：如何精确地以有限的离散过程近似表示连续和无限的离散过程；如何处理这种近似产生的错误；给定某一类方程在某精确度水平上能以多快的速度求解；如何实现方程的符号操作如积分微分以及到最小项的归约；如何把这些问题的答案包含到一个有效的可靠的高质量的数学软件包中。
13.社会和职业问题 l该主领域的主要内容包括：计算的历史、计算的社会背景、分析方法和工具、专业和道德责任、基于计算机系统的风险与责任、知识产权、隐私与公民的自由、计算机犯罪、与计算有关的经济问题、哲学框架等l该主领域要解决的基本问题包括：计算学科本身的文化社会法律和道德的问题；有关计算的社会影响问题以及如何评价可能的一些答案的问题；哲学问题；技术问题以及美学问题 l未来计算机科学的课程体系与2001课程相比必然发生变化，但其核心课程变化不大，因为计算机科学已经进入一个工程学科的正常发展轨道这使得课程体系的构成既具有核心集，又要灵活和富有弹性，突现教育的个性化同时，由于计算学科的理论与实践密切联系，伴随计算机技术的飞速发展，计算学科现已成为一个极为广泛的学科因而重视基本理论和基本技能的培训内容主要表现在与计算技术有关的学位教学计划的多样性和计算机科学本身课程体系的多样性这意味着计算机科学相对以前更成为一个工程学科和学术服务的学科，二者之间始终处于既相互协调又相互矛盾的发展过程中，使得计算知识和技能成为高等教育的基本需求 计算机学科特有的思维方式 lCC1991 报告的重要贡献之一，就是提取了计算学科中具有方法论性质的12 个反复出现的核心概念。
这些核心概念在学科中多处出现，在各分支领域及抽象理论和设计的各个层面上都有很多示例，在技术上有高度的独立性，一般都在数学科学和工程中出现它们表达了计算机学科特有的思维方式，在整个本科教学过程中起着纲领作用，是在计算学科中具有普遍性持久性的重要思想原则和方法 l1 绑定l绑定（Binding）指的是通过将一个对象或事物与其某种属性相联系，从而使抽象的概念具体化的过程例如将一个进程与一个处理机、一个变量与其类型或值分别联系起来这种联系的建立实际上就是建立了某种约束l2 大问题的复杂性l大问题的复杂性（Complexity of Large Problems）是指随着问题规模的增长而使问题的复杂性呈非线性增加的效应这种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 l3 概念和形式模型l概念和形式模型（Conceptual and Format Models）是对一个想法或问题进行形式化、特征化、可视化思维的方法抽象数据类型、语义数据类型以及指定系统的图形语言（如数据流图和E-R 图）等都属于概念模型，而逻辑开关理论和计算理论中的模型大都属于形式模型概念模型和形式模型以及形式证明是将计算学科各分支统一起来的重要的核心概念。
l4 一致性和完备性l一致性（Consistency）包括用于形式说明的一组公理的一致性事实和理论的一致性，以及一种语言或接口设计的内部一致性完备性（Completeness）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，以及系统处于出错和非预期情况下保持正常行为的能力等l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 l5 效率l效率（Efficiency）是关于空间、时间、人力、财力等资源消耗的度量在计算机软硬件的设计中，要充分考虑某种预期结果所能达到的效率，以及一个给定的实现过程较之替代的实现过程的效率l6 演化l演化（Evolution）指的是系统的结构、状态、特征、行为和功能等随着时间的推移而发生的更改这里主要是指了解系统更改的事实和意义以及应采取的对策在软件进行更改时，不仅要充分考虑更改对系统各层次造成的冲击，还要充分考虑到软件的有关抽象技术和系统的适应性问题 l7 抽象层次l抽象层次（Levels of Abstraction）指的是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l在复杂系统的设计中，隐藏细节对系统各层次进行描述抽象，从而控制系统的复杂程度。
例如在软件工程中，从规则说明到编码各个阶段层次的详细说明计算机系统的分层思想，计算机网络的分层思想等 l8 按空间排序l按空间排序（Ordering in Space）指的是各种定位方式，如物理上的定位、网络和存储中的定位、组织方式上的定位、处理机进程类型定义和有关操作的定位以及概念上的定位如软件的辖域、耦合、内聚等按空间排序，是计算技术中一个局部性和相邻性的概念 l9 按时间排序l按时间排序（Ordering in Time）指的是事件的执行对时间的依赖性例如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l10 重用l重用（Reuse）指的是在新的环境下，系统中各类实体、技术、概念等可被再次使用的能力例如软件库和硬件部件的重用等 l11 安全性l安全性（Security）指的是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，以保护自己不受外部影响和攻击的能力如为防止数据的丢失泄密，而在数据库管理系统中提供的口令更换、操作员授权等功能 l12 折衷和结论l折衷（Tradeoff）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。
结论（Consequences）是折衷的结论，即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是存在于计算学科领域各层次上的基本事实如在算法的研究中，要考虑空间和时间的折衷；对于矛盾的设计目标，要考虑诸如易用性和完备性、灵活性和简单性、低成本和高可靠性等方面所采取的折衷等 五五. .理论、抽象、设计三个过程的学习方法理论、抽象、设计三个过程的学习方法 l所谓学习方法通常是指人们为了获得或达到一定目标或成果而进行学习所采用的有意识的、合乎逻辑的一系列行动在计算机科学与技术课程的学习过程中，学习方法主要有以下几个方面 1. 学习计划的制定l计划是学习策略的具体化，学习策略决定后，就要通过制定计划来体现有计划学习与无计划学习的效果迥然不同有效的学习计划，能统筹兼顾地安排好各科学习，是优秀生的共同点l目前，学生学习上的无计划性、盲目性、随意性十分严重有的同学认为，学校和老师的教育教学是有计划的，自己不必再定学习计划，跟着老师走、按学校要求就行了这种想法不对每个学生除了遵照执行学校和老师的教育教学计划外，还应该针对自己的学习情况和个性特点，更具体地制定个人学习计划，与之相适应配合，方能收到更好的学习效果，学习成绩才能提高。
2. 2. 常常规规学学习习方法方法l常规学习方法就是依次地按照“预习→上课→复习→作业→小结”五个环节推进这五个环节形成一个周期，各个周期衔接交替，不断地循环往复一般说来五个环节都不能缺少，先后次序也不能颠倒 l预习：预习也叫预学，是上课前的一种准备l上课：上课要全神贯注，做到四个到，即眼到、心到、耳到、手到其中关键是心到，要积极开动脑筋，进行思维活动l复习：复习是温习已经学过的教材l作业与操作：作业和操作的基本目的在于通过实验将知识转化为技能、技巧，由获得知识进而运用知识，锻炼分析和解决问题的能力计算机科学技术课程是离不开上机实验的课程重视和加强上机操作能使学生主动地学习，切实掌握学科的基础知识和基本技能，提高分析问题和解决问题的能力l开拓视野：应尽量开拓视野，培养举一反三的迁移能力和创新精神l小结：小结是指阶段总结性的系统复习，亦即综合性的总复习 3. 3. 理理论论、抽象、、抽象、设计设计三个三个过过程的学程的学习习方法方法l计算专业的学生如能在大学的学习中系统地接受学科方法论的指导，以了解懂得研究工作的一般程序、操作、技术与正确的思维方法，无疑有助于自己的成长l计算机科学与技术学科的学习是一个极其复杂的过程。
要把学习过程的各个环节有机地结合，以保证学习过程的统一性、完整性和高效性概括起来就是理论、抽象、设计三个过程的学习方法 l在以前，学习是指导的结果：这是一个线性的、分层的过程，作为专家的教师向顺从的学生的大脑中灌输知识当今是一个“知识爆炸”的的世界，所学习的“专业知识” 很快就会过时；每个人必须迎接学习的挑战掌握学习的方法要比学习知识本身更为重要计算机专业的学生不仅要掌握某一方面的专业知识，更要求具有利用现代技术不断学习、善于思考、积极探索、努力创新的能力 l(1) 理论理论l第一个过程叫作理论它与数学的方法类似其主要要素是：定义和公理、定理、证明、结果的解释 l数学具有以下三个基本特征：l· 高度的抽象性数学的抽象程度大大超过自然科学中一般的抽象它最大的特点在于抛开现实事物的物理、化学和生物学等特性而仅保留其量的关系和空间的形式l· 逻辑的严密性数学高度的抽象性和逻辑的严密性是紧密相关的若数学没有逻辑的严密性，那么用数学方法对现实世界进行抽象就失去了意义正是由于数学的逻辑严密性，需要在运用数学工具解决问题时只有严格遵守形式逻辑的基本法则，充分保证逻辑的可靠性才能保证结论的正确性 l普遍的适用性。
数学的高度抽象性决定了它的普遍适用性数学广泛地应用于其他科学与技术甚至人们的日常生活之中 l计算机学科本科生先在数学课中遇到理论，然后在算法（复杂性理论）、程序设计语言（形式文法和自动机）、系统结构（逻辑）中进一步遇到理论l对于计算机专业人士来说，学习数学和对纯粹抽象的物体和结构进行过严格推演，完成严格的、数学化的“理论”过程，是提高自己思维能力的方法在高度抽象的领域工作时，这种思维能力能让抽象的东西开始变得具体，因而变得比较容易对付 (2) 抽象抽象–第二个过程叫作抽象它来源于实验科学其主要要素是：数据采集法和假设的形式说明、模型的构造和预测、实验设计、结果分析l在为可能的算法、数据结构和系统结构等构造模型时，要有很好的算法和数学修养，还要善于使用归纳、演绎、综合分析等思维方法，使用抽象过程，然后对所建模型的假设、不同的设计决策、所依据的理论进行实验例如，冯·诺伊曼模型是计算机的基本抽象，可把这种模型与具体的计算机对照比较强调抽象过程的实验应着重分析和探索计算的局限性、新计算模型的特性，以及对未加证明理论预测进行验证 (3) 设计设计l第三个过程叫作设计它来源于工程学用来开发求解给定问题的系统或设备。
其主要要素是：需求说明、规格说明、设计和实现方法、测试和分析l“计算机学科”的专业人员进行设计时，对系统的概念受现实世界的制约，学生可以通过直接的实践和研究别人的设计来学习设计实验课中很多实验是面向设计的，使学生具有开发解决某个特定问题的一个系统或系统的某些成分的直接经验这些实验项目侧重于问题求解的综合，要求学生按现实制约的情况来评估设计、成本和性能学生通过阅读和讨论范例设计以及收集对自己设计的反馈意见来提高这种评估能力 4. 4. 确定有计划的有效的学习方法，提高学习质量确定有计划的有效的学习方法，提高学习质量确定有计划的有效的学习方法，提高学习质量确定有计划的有效的学习方法，提高学习质量 l确定有计划的有效的学习方法，对于提高学习成绩是很重要的学习方法应该根据学习者掌握知识的深广度和智能的发展水平而采取多样化的方法，而不能千篇一律学习方法应根据本人特点，又借鉴他人的经验而有所创新，不能生搬硬套例如学生在学习完某门课程的某一章以后，可写出知识的小结或知识的要点，以培养自己的文字概括能力学生自己动手做实验，进行练习，以提高计算机实验技能等 l老师对学生学习方法的指导，具有重要的作用，不容忽视。
例如，老师指导、启发学生进行联想，把一个问题的上下左右相关联的知识串联起来，理成线、织成网，总结出规律性的东西，同时进行相互间的讨论这样既可以提高学生学习计算机科学技术的积极性、促进智能的发展，同时又能培养学生独立分析和解决问题的能力，从而进一步达到对计算机科学技术课程的学习和成绩的提高 习题与思考 一、一、 简答题简答题l1. 什么是计算机？l2. 请解释冯•诺依曼所提出的“存储程序”概念l3. 计算机有哪些主要的特点？l4. 计算机有哪些主要的用途？l5. 计算机发展中各个阶段的主要特点是什么？l6. 计算机科学的研究范畴主要包括哪些？ 二、多项选择题（可有多个答案）二、多项选择题（可有多个答案）l1. 计算机是接受命令、处理输入以及产生（ ） 的系统lA. 信息 B.程序 C. 数据 D. 系统软件l2. 冯.•诺依曼的主要贡献是（）lA. 发明了微型计算机 B.提出了存储程序概念 lC. 设计了第一台电子计算机 D.设计了高级程序设计语言l3. 供科学研究、军事和大型组织用的高速、大容量计算机是（ ） lA.微型计算机B.小型计算机C.大型计算机D.巨型计算机E.个人电脑 l4. 计算机硬件由5个基本部分组成，下面 （） 不属于这5个基本组成部分。
lA.运算器和控制器B.存储器C.总线D.输入设备和输出设备l5. 存储的内容在电源断掉以后就消失，又被称为暂时存储器的部件是（ ）lA.外存储器B.基本工具C.内存储器D.硬盘l6. 拥有高度结构化和组织化的数据文件被称为（） lA.文档B.工作表C.数据库D.图片 l7. 计算机系统必须具备的两部分是（ ）lA. 输入设备和输出设备 B. 硬件和软件lC. 键盘和打印机 D. 以上都不是l8. 计算机处理的5个要素是 （ ）lA. 硬件、软件、输入、输出和打印机 B. 输入、输出、处理、打印和存储lC. 硬件、软件、数据、人和过程D. 以上都不是l9.信息系统的作用是 （ ）lA. 存储信息B. 检索信息C. 辅助人们进行统计、分析和决策D. 以上都是 l10．目前，由于（ ） 的迅猛发展，加快了社会信息化的进程lA. Novell B. Internet C. ISDN D. Windows NTl11. Internet的核心功能是实现（ ）lA. 全球数据共享B. 全球信息共享C. 全球程序共享D. 全球设备共享l12.信息高速公路是指（ ）lA. 电子邮件系统 B. 配备有监控和通信设施的高速公路lC. 国家信息基础设施 D. 快速专用信息通道 三、讨论l1．Internet和Web是当今最令人振奋的计算机网络技术的发展。
如果已经使用过Internet和Web的话，请描述一下使用它们的方法，喜欢什么以及不喜欢什么如果没有访问过Internet和Web，那么是否想过，如何生存于未来信息化的社会之中？计划将如何来使用它们？ l2．计算机提供了无限的机会和挑战利用它可以更快更好地完成许多事情，可以方便地和全世界的人们联系和通信但是，是否想过事情的反面呢？所有的变化都是积极的么？计算机和计算机网络的广泛使用会产生什么负面的影响吗？讨论这些问题和其他所能想到的问题。