学科形态和内在联系

1、关于学科形态和内在联系第1页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三三个学科形态：抽象，理论，设计 认识过程感性认识(抽象)理性认识(理论)实践(设计)科学技术方法论抽象、理论和设计 3个过程称为学科形态抽象、理论和设计是其研究的主要内容计算机科学与技术方法论是对计算领域认识和实践过程中一般方法及其性质、特点、内在联系和变化发展进行系统研究的学问。三个学科形态概括了计算学科的基本内容。引 言第2页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三现实问题: 现给出“学生”和“课程”二个实体，它们的联系为：一个学生可以选修若干门课程，每门课程可以被任意学生所选修。建立一个信

2、息管理系统，以实现对“学生选课”这一信息的管理。解题步骤:感性认识(抽象)：概念模型(E-R模型)，数据模型理性认识（理论）：关系模型的形式化实践（设计）：关系数据库、编程1、一个关于“学生选课”的例子第3页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三概念模型用于信息世界的建模，是客观世界到信息世界的抽象。概念模型中的主要概念有：实体、属性、码、域、联系等。实体：客观存在并可相互区别的事物。属性：实体所具有的某一种特性。码：能惟一标识实体的属性集。域：属性的取值范围。联系：指不同实体集之间的联系。 两个实体之间的联系分为：一对一（1:1）、一对 多（1:N）、多对多（N:M）3类。

3、 第4页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三E-R模型（Entity-Relationship）1976年，美籍华人陈平山提出的实体-联系方法。用E-R模型来描述客观世界并建立概念模型的抽象方法，从中抽取实体和实体间的联系。实体用矩形表示，属性用椭圆形表示，联系用菱形表示，实体间的联系有3种：1:1，1:N，N:M要实现对客观事物的感性认识，必须将客观世界（如“学生选课”）抽象为信息世界。联系也可以有属性。E-R模型是各种数据模型的共同基础，它比数据模型更一般、更抽象、更现实世界。第5页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三选修学生课程mn学生选课E-R图

4、关系模型：学生（学号，姓名，年龄，性别）课程（课程号，课程名）学生选课（学号，课程号，成绩）性别年龄学号性别成绩课程号课程名第6页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三数据模型概念模型不是机器世界所支持的数据模型，而是客观世界到机器世界的一个中间层次。概念模型还需要转换成机器世界能支持的数据模型。在数据库领域中，数据库管理系统（DBMS）能支持的数据模型有：层次模型，网状模型，关系模型，面向对象模型关系模型支持的是一种二维表结构的数据模型，它由关系数据结构、关系数据操作和关系数据的完整性约束条件三部分组成。其中关系就是一张二维表。关系模型：前图第7页，共35页，2022年，5

5、月20日，21点52分，星期三对“学生选课”的感性认识“学生选课”的感性认识概念模型实体-关系（E-R）模型数据模型：关系模型感性认识中存在的问题在学生关系中增加系名、系主任等属性时，出现插入异常、删除异常问题。例如，未招学生时无法将系名和系主任插入到数据库中。冗余太大，系名和系主任重复。如何解决？理性认识（理论）使问题形式化，内容与形式分开。第8页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三问题形式化：关系模式的形式化定义关系模式（R）是一个四元组，即：R= 其中：（1）U表示关系中所有属性的集合； （2）D表示属性集合U中属性所来自的域； （3）dom是属性到域的映射； （4）

6、F是属性集合U上的一组数据依赖。 数据依赖1NF的定义：每一个分量必须是不可再分的数据项。2NF的定义：R1NF，且每一个非主属性不存在对码的部分函数依赖。即每一个非主属性完全函数依赖于码。3NF的定义：R2NF，且每一个非主属性不存在对码的传递函数依赖。BCNF、4NF、5NF。对“学生选课”的理性认识简化为：R=第9页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三例子最初是属于1NF、2NF、3NF，但是当在属性集U中增加系名和系主任后，它就不属于3NF了。因为出现了传递函数依赖：学号（码）系名，系名系主任。不属于3NF的所有关系模型都会出现插入异常、删除异常和冗余的问题。还必须

7、依靠分解算法对模式进行分解，并满足3NF的要求。例如，可以再划分一个关系，即系（系号，系名，系主任名），从而满足了关系模式规范化的要求，实现了对例子的理性认识。在数据依赖理论的指导下，可完成模式的分解。第10页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三总 结：从概念模型向满足规范化要求的数据模型（关系模型）的转换，其实质是认识过程由感性认识（抽象）上升到理性认识（理论）的过程，这个过程包含两方面的内容：一方面是有关理论的建立；（如3NF）另一方面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。前者是对科学研究而言的，而后者是对工程设计而言的。第11页，共35页，2

8、022年，5月20日，21点52分，星期三“学生选课”系统的工程设计“学生选课”的感性认识“学生选课”的理性认识“学生选课”系统的工程设计实现以上关系模型、数据库、编程等。建立正确的关系模型后，根据具体的关系数据库管理系统对该模型进行定义：CREATE TABLE STUDENT / 学生表( SNO CHAR(9) NOT NULL， SN CHAR(16)， SAGE INT， SEX CHAR(1) )； . . . . . .第12页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三完成对“学生选课”的管理：输入，修改，查询一个简单的查询： 查询性别为男性、年龄在20岁以上的所有

9、学生的学号和姓名：SELECT SNO, SNFROM STUDENTWHERE SEX=M AND SAGE20;第13页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三三个学科形态及内在联系“学生选课”例子中三个学科形态的内在联系抽象形态：源于现实世界、经验。从科学的角度分析建模，例如：A=学生，属性，码, , E-R图，关系模型理论形态：源于数学，是抽象的抽象。如：T=关系代数，关系演算，数据依赖理论，设计形态：源于工程，并用于系统和设备的开发，以实现给定的任务。例如：D=“学生选课”应用软件， “学生选课”需求说明书，第14页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星

10、期三 三个过程学科主领域抽象理论设计1离散结构（DS）xx2程序设计基础（PF）x3算法与复杂性（AL）xxx4体系结构（AR）xxx5操作系统 (OS)xxx6网络计算(NC)xxx7程序设计语言(PL)xxx8人机交互(HC)xxx9图形学和可视化计算(GV)xxx10智能系统(IS)xxx11信息管理(IM)xxx12软件工程(SE)xxx13社会和职业的问题(SP)x14科学计算(CN)xxx计算学科的二维定义矩阵2、计算学科中的三个学科形态第15页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三二维定义矩阵与计算学科本质问题“横向”关系的内容抽象、理论、设计 3个过程的内在联

11、系与发展规律的内容。“纵向”关系的内容即各分支领域中所具有的共同能反映学科某一方面本质特征的内容。形成学科认知领域的理论体系-计算机科学与技术方法论矩阵中的科学问题，3个形态与核心概念、数学方法、系统科学方法、形式化技术、社会和职业问题构成了方法论的主要内容。把握计算学科的本质问题归约为把握二维定义矩阵的本质问题 。第16页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三（1）抽象形态一般科学技术方法论中的抽象形态科学抽象是指在思维中对同类事物去除其现象的、次要的方面，抽取其共同的、主要的方面，从而做到从个别中把握一般，从现象中把握本质的认知过程和思维方法。科学抽象是科学认识由感性认识

12、向理性认识飞跃的决定性环节。抽象源于现实世界，源于经验，是对现实原形的理想化。尽管理想化后的现实原形与现实事物有了质的区别，但严格来说还是粗糙的、近似的。因此，要实现对事物本质的认识还必须通过经验与理性的结合，完成从抽象到抽象的升华。按人们对客观事物认识的先后次序，将抽象列为第一个学科形态，理论列为第二个学科形态。第17页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三计算学科中的抽象形态抽象源于实验科学。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。在“学生选课”例子中，有关抽象

13、形态的内容可以用集合的方式表示为： A=学生，属性，码，关系，E-R图，关系模型，对“学生选课”问题的抽象就是通过建立“学生选课”的E-R模型和关系模型来实现的。第18页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三一般科学技术方法论中的理论形态科学认识由感性阶段上升为理性阶段，就形成了科学理论。科学理论是经过实践检验的系统化了的科学知识体系，它是由科学概念、科学原理以及对这些概念、原理的理论论证所组成的体系。理论源于数学，是从抽象到抽象的升华，它们已经完全脱离现实事物，不受现实事物的限制，更能把握事物的本质。（2）理论形态第19页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星

14、期三在计算学科中，从统一的理论发展过程来看，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。在与“学生选课”例子有关的关系数据库领域中，理论形态的主要内容可以用集合的方式表示为：T=关系代数，关系演算，数据依赖理论，在数据库理论的指导下，在关系模型（感性认识）的基础上，建立对“学生选课”问题的理性认识，从而为“学生选课”管理系统的设计奠定基础。计算学科中的理论形态第20页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三设计形态与抽象、理论两个形态存在的联

15、系设计源于工程，并用于系统或设备的开发，以实现给定的任务。设计形态（技术方法）和抽象、理论两个形态（科学方法）具有许多共同的特点。设计作为变革、控制和利用自然界的手段，必须以对自然规律的认识为前提，可以是科学形态的认识，也可以是经验形态的认识。（3）设计形态一般科学技术方法论中的设计形态第21页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三设计形态与抽象、理论两个形态存在的联系设计要达到变革、控制和利用自然界的目的，必须创造出相应的人工系统和人工条件，还必须认识自然规律在这些人工系统中和人工条件下的具体表现形式。所以，科学认识方法（抽象、理论两个形态），对具有设计形态的技术研究和开发

16、是有作用的。设计形态的主要特征（抽象、理论形态的区别）设计形态具有较强的实践性。设计形态具有较强的社会性。设计形态具有较强的综合性。一般科学技术方法论中的设计形态第22页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三在计算学科中，从为解决某个问题而实现系统的过程来看，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。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，就是要在理论的指导下，运用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（如需求说明、规格说明、设计说明等）。

17、计算学科中的设计形态第23页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三3、计算机语言的发展： 三个学科形态的内在联系 计算机语言在计算学科中占有特殊的地位，它深刻地影响着计算学科各个领域的发展。本节从自然语言与形式化语言、图灵机和冯诺依曼型计算机、机器指令与汇编语言、计算机的层次结构、高级语言、应用语言的形式化问题等方面，介绍计算机语言发展过程中3个学科形态的内在联系。 自然语言与形式语言 图灵机与冯诺依曼型计算机 机器指令与汇编语言 以虚拟机的观点来划分计算机的层次结构 高级语言 应用语言 第24页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三3.1 自然语言与形式语

18、言 自然语言的定义人类的语言(文字)是人类最普遍使用的符号系统。其最基本、最普遍的形式是自然语言符号系统。自然语言是某一社会发展中形成的一种民族语言。例如，汉语、英语、法语和俄语等。 自然语言符号系统的基本特征歧义性；不够严格和不够统一的语法结构。第25页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三 形式语言的定义人们在自然语言符号系统的基础上，逐步建立起了人工语言符号系统，使语言符号保持其单一性、无歧义性和明确性。人工语言符号系统发展的第二阶段叫形式语言。形式语言是进行形式化工作的元语言，它是以数学和数理逻辑为基础的科学语言。 形式语言的基本特点有一组初始的、专门的符号集；有一组

19、精确定义的，由初始的、专门的符号组成的符号串转换成另一个符号串的规则。不允许出现根据形成规则无法确定的符号串。第26页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三3.2 图灵机 图灵的观点及结论凡是能用算法方法解决的问题，也一定能用图灵机解决；凡是图灵机解决不了的问题，任何算法也解决不了。 图灵机的特征图灵机由一条两端可无限延长的带子、一个读写头、一组控制读写头工作的命令组成。图灵机的带子被划分为一系列方格，读写头可以左右移动，在方格上进行读写。b表示空格第27页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三 图灵机的工作原理一个给定机器的“程序”认为是机器内的五元组形式

20、的指令集。五元组定义了机器在一个特定状态下读入一个特定字符时所采取的动作，包括机器当前状态、读入的符号、写入的符号、移动方向、下一步机器的状态。 实例：P67q1 0 1 L q2q1 1 0 L q3q1 b b N q4第28页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三3.3 冯诺依曼型计算机 1946年6月，美国数学家冯诺依曼（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，提出了冯诺依曼计算机的体系结构。至今为止，大多数计算机采用的仍然是冯诺依曼计算机的体系结构，只是作了一些改进而已。因此，冯诺依曼被人们誉为“计算机器之父”。 冯诺依曼计

21、算机体系结构由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等5个基本部件组成。提出二个重要概念:保存程序和数据的存储器指令的顺序执行第29页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三 冯诺依曼计算机体系结构第30页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三3.4 机器指令与汇编语言机器指令CPU能识别的二进制编码指令。机器语言：指令集合以及编码系统。在裸机级，计算机语言关于算法的描述采用的是机器指令，它的符号集是 0, 1 。汇编语言：符号化语言，采用字符和十进制数来代替二进制代码的思想。 裸机级计算机语言中三个形态语言的符号集为：0，1；用机器指令对算法进行描述抽象理论设计计算机语言：裸机级的主要内容和成果图灵机（过程语言的基础）、波斯特系统（字符串处理语言的基础）、-演算（函数式语言的基础）等计算模型冯诺依曼型计算机等实现技术；数字电子计算机产品第31页，共35页，2022年，5月20日，21点52分，星期三3.5 以虚拟机的观点划分计算机的层次结构 虚拟机：抽象的计算机由软件实现，并与实际机器一样，都具有一个指令集并可以使用不同的存储区域。一台机器上配有C语言和Pascal语言的编译程序，对C语言用户来说，这台机器就是以C语言为机器语言的