如何认识和学习计算机科学 赵致琢 博士 厦门大学计算机科学系教授 厦门大学漳州校区，361005， 赵致琢 博士 厦门大学计算机科学系教授 厦门大学漳州校区，361005， 电子邮件：zzzhao@xmu.edu.cn 电话：2187653（办） 8/12/2004

一、什么是第一流的专业技术人才？ 在通才教育观下，第一流人才应该具备三个必要的条件： ⑴ 具有高尚的品德和良好的人文素养； ⑴ 具有高尚的品德和良好的人文素养； ⑵ 具有坚实的专业基础和深厚的专业功底； ⑶ 富有创新意识，具有科学的思想方法。 如何来学习、培养和造就大批第一流的人才呢？我们需要从科学的认识论的角度来认识。 科学认识事物方式方法的三步曲： 一个科学的认识：建立在对于事物性质、特点和发展变化规律的深入的认识基础之上； 一套科学的方法：基于科学的认识，通过寻

找、建立，改进或引用，发展解决这个问题的一套科学的方法； 一套科学的程序：着眼于具体解决这个问题，在科学认识的基础之上，依据确定的一套科学的方法，制定实际解决问题的一个严密的、科学的程序，确定第一步做什么，怎么做，第二步做什么，怎么做，……，确定每一步怎么检验，出了问题怎么处理，等等。 二、科学地认识计算机科学 先介绍三个基本术语，它们是科学、技术和工程。 科学是关于自然、社会和思维的发展与变化规律的知识体系。技术是泛指根据生产实践经验和科学原理而发展形成的各种工艺操作方法

、技能和技巧。工程是指将科学原理应用到工农业生产部门中去而形成的各门学科的总称。 1. 什么是计算科学？ 计算科学是对描述和变换信息的算法过程，包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用的系统的研究。全部计算科学的基本问题是，什么能（有效地）自动进行，什么不能（有效地）自动进行。本学科来源于对数理逻辑、计算模型、算法理论、自动计算机器的研究，形成于本世纪30年代后期。现在，计算已成为继理论、实验之后的第三种科学形态。 2. 学科的基本问题和发展主线 一个学科如果没有问题需要解决，这个学科的

生命就结束了。每一个学科在发展的不同时期，都存在一些基本问题和重大问题，它们的解决推动了学科持续的发展。那么，哪些是计算科学学科发展的重大问题和基本问题呢？ 重大问题是比较容易理解的，而且，相对于不同时期，重大问题既是相对的，也是比较多的。例如，学科发展早期提出的什么是可计算与不可计算的概念，50年代末60年代初提出的高级程序设计语言的形式化描述问题，60年代末70年代初提出的操作系统中的并发控制问题，等等。然而，在学科经历了几十年的发展后，当我们今天以科学哲学的观点回顾历史的进程，系统总结学科的内容时，可以发现：如同数学等一些基础学科一

样，在学科各个分支学科方向的发展进程中，不断地出现了一些在表现形式上虽然不同，但在科学哲学的解释下本质上是相同或相近的问题，即学科研究与发展普遍关心的基本问题。 ⑴ 计算的平台与环境问题 ⑵ 计算过程的能行操作与效率问题 ⑶ 计算的正确性问题 在学科发展的历程中，不断地追求制造出各种新型计算机系统，拓展和提高计算机的应用领域和应用水平这样两个目标，围绕学科的三个基本问题使学科的发展形成了三条相对独立的主线，形成了许多相对独立的分支学科和研究方向。同时，我们也注意到，在学科的发展过程中，不同时期，围绕着学科的一些重大问题和基本问题，

若干方向便构成了所谓的主流方向，由主流方向又形成了学科的发展主线。 ⑴ 计算模型与计算机系统 ⑵ 计算模型、语言与软件开发方法学 ⑶ 应用数学与计算机应用 3. 计算科学的分类与分支学科简介（略） 3.1 构造性数学基础 3.2 计算的数学理论 3.3 计算机组成原理、器件与体系结构 3.4 计算机应用基础 3.5 计算机基本应用技术 3.6 软件基础 3.7 新一代计算机体系结构与软件开发方法学

4. 计算科学与数学和其它相关学科的关系 数学是计算科学的主要基础，数学与电子科学构成了我们今天计算机系统的基础，也构成了计算科学的基础。但是，与数学相比，电子技术基础地位的重要性不及数学，原因是数学提供了计算科学最重要的学科思想和学科的方法论基础，而电子技术主要是提供了今日计算机的实现技术，它仅仅是对计算科学许多数学思想和方法的一种当前最现实、最有效的实现技术。试问，假如有一天，其它的某一项技术可以更有效地取代电子技术，那么，计算科学的基础是否会发生变化呢？相比之下，作为数学和计算科学理论的内容，由于其为计算科学提供的是最重要的学科思想、技

术理论和方法，因此，它们的生命力就更长，影响也更深远。 5. 数理逻辑和代数是计算科学的主要基础 我们所以这样说是基于以下几点： (1) 首先，从计算模型和可计算性的研究来看，可计算函数和可计算谓词（一种能够能行判定其真值的断言或逻辑公式）是等价的，相互之间可以转化。这就是说，计算可以用函数演算来表达，也可以用逻辑系统来表达。作为计算模型可以计算的函数恰好与可计算谓词是等价的，而且，数理逻辑本身的研究也广泛使用代数方法，同时，逻辑系统又能通过自身的无矛盾性保证这样一种计算模型是合理的。由此可见，作为一种数学形

式系统，图林机及其与它等价的计算模型的逻辑基础是坚实的。 (2) 实际计算机的设计与制造中，使用数字逻辑技术实现计算机的各种运算的理论基础是代数和布尔代数。布尔代数只是在形式演算方面使用了代数的方法，其内容的实质仍然是逻辑。依靠代数操作实现的指令系统具有（原始）递归性，而数字逻辑技术和集成电路技术只是计算机系统的一种产品的技术形式。 (3) 从计算机程序设计语言方面考察，语言的理论基础是形式语言、自动机与形式语义学。而形式语言、自动机和形式语义学所采用的主要研究思想和方法来源于数理逻 辑和代数。程序设计语言中的许多机制和方法，

如子程序调用中的参数代换、赋值等都出自数理逻辑的方法。此外，在语言的语义研究中，四种语义方法最终可归结为代数和逻辑的方法。这就是说，数理逻辑和代数为语言学提供了方法论的基础。 (4) 在计算机体系结构的研究中，象容错计算机系统、Transputer计算机、阵列式向量计算机、可变结构的计算机系统结构及其计算模型等都直接或间接与逻辑与代数密不可分。如容错计算机的重要基础之一是多值逻辑，Transputer计算机的理论基础是CSP理论，阵列式向量计算机必须以向量运算为基础，可变结构的计算机系统结构及其计算模型主要采用逻辑与代数的方法。

(5) 从计算机各种应用的程序设计方面考察，任何一个可在存储程序式电子数字计算机上运行的程序，其对应的计算方法首先都必须是构造性的，数据表示必须离散化，计算操作必须使用逻辑或代数的方法进行，这些，都应体现在算法和程序之中。此外，到现在为止，程序的语义及其正确性的理论基础仍然是数理逻辑，或进一步的模型论。 ⑹ 高等代数和一般抽象代数只解决了个体对象为简单个体的论域上的大量运算问题，但是对具有结构特征和属性成分的复杂个体的论域上的运算问题，表达和处理是不方便的，常常是有困难的。针对这类对象的运算操作及其正确性等语义学问题，有必要发展泛代数和高阶逻辑理论。

5. 计算科学与其它相关学科的关系（略） 6. 计算科学的学科范型（范式）（略） 7. 计算科学知识组织结构及其演变（略） 8. 计算科学的学科特点和内在规律 ⑴ 学科源于对可计算性问题的研究，是在数学和电子科学的基础上建立起来的学科； ⑵ 理论与实践相结合，理论与实践的高度统一是整个学科最重要的特点。学科兼有理论科学、技术科学和工程科学的内涵； ⑶ 学科高速发展，知识更新周期短，技术更新换代快，软件开发周期缩短，人员流动频率快，各类系统原理趋于复杂，系统构成日渐庞大，多

学科交叉渗透明显，从事计算机应用与开发人员的技术准入条件不断提高，专业管理日趋复杂； ⑷ 抽象描述与具体实现相分离的特点 ⑸ 优先发展计算模型的特点 ⑹ 问题求解的质量和效率的高低主要取决于处理对象抽象的数据与信息表示的优劣 其他许多特点略。

三、如何学习计算机科学 ⑴ 人才培养的科学定位 学科发展型人才：面向基础研究、应用基础研究、技术开发、工程技术应用，核心特点是创新； 学科一般应用型人才：熟练地运用本学科的理论、方法、技术，针对具体问题，能够有效地解决大量一般性的具体的问题，核心特点是熟练，富有经验和技能。 学科职业技术人才：熟练地运用本学科的技术方法、技能，针对具体问题和项目主任工程师（负责人）的技术安排，能够有效地、熟练地、规范地解决大量一般性的具体的问题，核心特点是熟练、规范，富有细微层面的经验和技能。

⑵ 数学是计算机科学最重要的基础。数学基础课程的学习对于计算机科学专业的意义： 为后续课程提供必要的数学基础，通过严格的训练，实现思维方式的数学化； ⑶ 数理逻辑和抽象代数（近世代数）是计算机科学数学基础中两块最重要的基石，但是，学习数学基础知识必须分两步走； ⑷ 学习任何一个学科，基础课程、核心专业基础课程是最重要的。对于中国学生来说，需要重视外语的学习，对技术科学的学生来说，还需要重视实验技能的练习，重视实践能力的训练； ⑸ 对于平时课程学习的建议和要求 认真听课，反复读书、独立思考、做习题（

正确、简洁、规范）、分析、归纳、概括、总结、提炼、体会，要多层次、全方位、多视角、立体地审视对象； ⑹ 对于实验和实践训练的要求 强化实验过程的规范操作，教师要弱化对实验结果的评判； ⑺ 理解科学而不是背诵科学技术知识； ⑻ 科学素养和良好的精神风貌

预祝2004级全体同学身体健康，学习进步，顺利完成学业。 谢谢大家！