计算机科学技术导论

Tianjin

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Technology计算机科学导论科技大学宁爱军计算机学院宁爱军1Tianjin

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Technology冯.诺伊曼冯.诺伊曼体系结构：五个部件组成，计算器，逻辑控制装置，器，输入，输出二进制程序计算机学院宁爱军2Tianjin

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Technology图灵1.程序的思想，最早（1936年）由图灵提出。2.

图灵理论（图灵机模型）：一条带子读写头一个控制装置计算机学院宁爱军3Tianjin

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Technology图灵计算机学院宁爱军4图灵测试（1950年）：《计算机能思考吗》一个人在不接触对象的情况下，进行交谈。如果，人无法判断对方是机器还是人，那么这个计算机就具有人的智力。Tianjin

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Technology计算机科学的学科形态计算机学院宁爱军5计算机科学的基本思路：从理论研究，到抽象模型，到工程设计。理论研究是基础，是连接学科科学研究到工程应用开发的重要环节模型抽象，是对客观现象和对象的刻画和描述工程设计是对科学理论的工程实现。注意理论联系实际Tianjin

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Technology1学科形态计算机学院宁爱军6理论研究：基于计算机科学的数学基础和计算机科学理论，广泛采用数学的研究方法，包括以下4个步骤：对研究对象的概念抽象（定义）假设对象的基本性质和对象间的关系（定理）确定性质和关系的正确性（证明）解释结果Tianjin

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Technology1学科形态模型抽象基于计算机科学的实验科学方法，广泛采用实验物理研究方法。包括以下４个步骤：确定可能世界（环境）并形成假设构造模型并做出设计实验，收集数据分析结果计算机学院宁爱军7Tianjin

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Technology1学科形态计算机学院宁爱军8工程设计：广泛采用工程科学的研究方法，按照为解决某一问题而构造系统或装置的过程，包括以下４步：叙述要求给定技术条件设计并实现系统和装置测试和分析系统Tianjin

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Technology２

科学的含义和基本问题计算机学院宁爱军9计算机科学基本问题：不等于

程序设计能行问题？Tianjin

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Technology３

计算机科学的发展包括三层学科结构：理论基础层，专业基础层，应用层。理论基础层：计算的数学理论：可计算性（递归论），计算复杂性理论，形式理论，形式语义学，PETRI网理语言与自论等方向2)

高等逻辑：模型论，各种非经典逻辑与公理集合论等方向计算机学院宁爱军10Tianjin

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Technology３

计算机科学的发展1.

专业基础层，为应用层提供技术和环境。包括：1)开发方法学：顺序、并行与分布式

开发，包括

工程，个、

开发工具和环境等方向计算机网络和通信技术网络互联技术，数据通信技术，

等程序设计科学数据结构，数值和符号计算，酸法设计与分析，程序设计语言、方法，程序设计语言的描述，程序理论等方向计算机学院宁爱军11Tianjin

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Technology３

计算机科学的发展专业基础层，计算机体系结构：计算机系统基础：数字逻辑技术，计算机组成原理，鼓掌与器件检测，操作系统，编译技术，数据原理与实现，容错技术等方向计算机学院宁爱军12Tianjin

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Technology３

计算机科学的发展计算机应用层，包括：人工智能应用与系统：人工智能，机器人，神经元计算，知识工程，自然语言处理与机器翻译，自动推理等方向。信息管理与决策系统数据库设计与数据管理，数据表示与

，数据与信息检索，管理信息系统，计算机辅助系统，决策系统。计算可视化：计算机图形学，计算几何，模式识别与图象处理等。科学计算计算机学院宁爱军13Tianjin

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Technology３

计算机科学的发展三个方面：计算机语言计算机模型与

开发计算机应用计算机学院宁爱军14Tianjin

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Technology４计算机科学的若干分支构造性数学基础计算的数学理论计算机组成原理、器件与体系结构计算机应用基础计算机基本应用技术基础新一代计算机体系结构与

开发方法学机器智能计算机学院宁爱军15Tianjin

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Technology计算机科学的发展计算机学院宁爱军16计算机科学的演变计算机学科知识的特点Tianjin

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Technology计算机科学的演变计算机学院宁爱军1720世纪30年代到50年代，集中在计算模型，计算机设计，高级语言，科学计算等方面学科发展的早期，数学，电子学，高级语言，程序，是主要的专业基础知识组织不断扩大，电子技术，布尔代数，计算机组成原理，程序设计基础

发展到高等逻辑，高等计算机体系结构，并行（或分布式）算法设计，形式语义学等Tianjin

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Technology1. 20世纪60年代~70年代，以下重大问题：高级语言的编译系统设计新的语言提高计算机运算速度和

容量设计操作系统设计数据库管理系统保证

质量从而发展了一批理论、方法和技术：形式语言与自

，形式语义学，

开发方法学，算法理论，高级语言理论，并发程序的设计，大、中、小和微型计算机技术，程序理论，Petri网，CSP，CCS等计算机学院宁爱军18Tianjin

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Technology1.

此后的20年的专业基础知识1)计算机原理，编译技术，操作系统，高级语与程序设计，数据库原理，数据结构法设计，逻辑20世纪80年代：针对集成电路可预见设计极限和一些深入研究的，如工程，计算模型，计算语言，大规模复杂问题的计算与处理，大规模数据和检索，人工智能，计算可视化，等方面的问题计算机学院宁爱军19Tianjin

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Technology1.

人们寄希望于光电子技术的突破，机器速度的成倍提高以外，还对以下方面作出努力：计算机体系结构，并行与分布式计算，形式语义学，计算机基本应用技术，各种非经典逻辑以及计算模型的发展，推出了：并行计算机，计算机网络和工作站，带动了软件开发水平和程序设计技术的提高。图形学，图像处理也得到长足的发展。发展了计算几何，多技术，虚拟现实等计算可视化。计算机学院宁爱军20Tianjin

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Technology1.

观点：计算机学院宁爱军21确定一个取值得范围，比直接确定一个值得方法更重要；发现一个不能自动进行的问题，比解决一个问题更重要。Tianjin

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Technology1.

预计未来20年，研究的重点：新一代计算机体系结构，包括神经元计算，计算机设计与制造，网络与通信技术，大容量设备，容错模型的研究等。并行与分布式开发方法学的研究。包括数理逻辑，计算理论，形式语义学，高级语言与程序设计理论，系统设计，工程，容错理论等人工智能理论及应用，包括数理逻辑，算法理论，知识工程，神经元计算，人工智能高级语言，人工智能程序设计等计算机应用的

，围绕计算可视化与虚拟现实技术，计算几何，科学计算着几个重点开展工作，并带动数据库技术，计算机图形学，自然语言处理与机器翻译，模式识别与图像处理等方面。计算机学院宁爱军22Tianjin

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Technology计算机学科的特点计算机学科以数学和电子学为基础，理论与实际相结合的一门新兴学科。数学是主要基础，离散数学为代表的应用数学是描述学科理论、方法和技术的主要工具。微电子技术和程序技术，是反映学科产品的主要技术形式。并非所有计算机科学理论研究，都有实际应用价值。算法，可以采用多种方法实现，

，硬件，电子线路，机械等计算机学院宁爱军23Tianjin

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Technology1.

计算机学科，与工程方法相结合。计算机学院宁爱军242.学科发展，在各个方向和层面，深入和复杂化。如网络协议描述，程序设计语言描述，并发程序的语义描述，计算机系统及恶狗，人工智能逻辑基语义模型等。Tianjin

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Technology计算机科学与其他学科的关系计算机学院宁爱军25计算机科学与哲学计算机科学与数学计算机科学与光电子学计算机科学与生物学计算机科学与其他学科Tianjin

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Technology1.

哲学：是系统化、理论化的世界观，是对自然知识、社会知识和思维知识的概括和总结，他还是世界观和方法论的

体；而科学是哲学的源泉。2.

科学追求真理，哲学追求智慧。计算机学院宁爱军26Tianjin

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Technology1

与硬件的哲学意义1.

与硬件相辅相成，相互促进，教互主导，协调发展。2.

““硬件”概念的泛化，延伸。除了技术装备的概念，还有社会生活的各个方面，都可以用软硬件的概念表述。如：软经济、软科学、软管理、软系统等。人工智能与大脑的关系：大脑产生意识，思维，意识，无意识。智能系统靠神经系统传递信息，传递是

面的人工系统，传递信息有界面。计算机学院宁爱军27Tianjin

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Technology计算机科学与数学计算机学院宁爱军28数学是一门工具性很强的学科。现在计算机学科和数学学科相互依赖。著名的地图四色就是由计算机证明的。插图P258计算机之父图灵，就是数学家。他根据观察笔算过程，发现了计算的本质，从而导致计算机的发明。结论：任何计算，都可看作由一个人（或计算机）做的，它使用线性带子上的0和1串，不外乎执行（写0、写1，左移，右移，决定下一步，结束）等工作。Tianjin

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Technology计算机科学与光电子学光电子技术正在飞速发展，

已经超过了

。贝尔

发布了第一个光学晶体管。光计算机的速度将比电子计算机快1000倍。20世纪末，一个硅片单片可装1-10亿个电子元件，立体型取代平面电路。5.《呼声》

评论“21世纪具有代表性的主导产业，第一是光电子产业，第二是信息通信产业，第三是健康和福利产业。。。。”，光电子，将广泛用在大容量通信，光

，光显示，光信息处理，激光加工，激光医疗，军事等。计算机学院宁爱军29Tianjin

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Technology计算机与生物科学1952年，微生物学家沃森和克里克宣布破译DNA遗传。计算机领域的很多词汇，都来自生物学。1997年，深蓝战胜卡斯帕罗夫。计算机在生命科学的研究中，担任了重要角色。近年来，已经绘处出完整的人类DNA

图谱。生物技术

工程、蛋白质工程和微电子技术、自动化技术已聚合物化学、人造膜工艺等学科平行发展，生物计算机的设想也出现了。在分子水平上，完成开关和逻辑操作。计算机学院宁爱军30Tianjin

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Technology计算机科学与其他学科计算机科学与哲学的逻辑学，数学的构造性数学，电学的微电子学、通信系统原理、结构与安全性；与光电子学，生物科学中的遗传学和神经生理学，物理和化学的精细材料科学。他们的影响主要集中在信息、信息传递、认知过程、大规模信息传输的介质和激励方面。计算机科学的发展引起了科学研究方法的。计算机学院宁爱军31Tianjin

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Technology1)

设计人工智能系统，必须提前知道如何产生意识。而意识，必须在系统制造以后才能显现。

设计制造机器，依靠头脑中现有的规则和逻辑，可以确定其功能。但是，

不能设计一种

不能理解和预期行为的机器。设计机器，只能模拟大脑的功能。计算机学院宁爱军32Tianjin

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Technology学好专业知识与提高综合素质计算机学院宁爱军33人才需求思维方式培养典型方法的掌握综合素质的培养Tianjin

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Technology人才需求高校本科计算机专业学生，可以服务信息产业，学校以及科研单位，以及社会各行各业的信息部门。部分继续深造，从事科学研究、开发和高校工作高校教学和培养目标：系统掌握理工科公共基础知识初步了解学科发展现状和未来发展趋势具有进一步掌握学

基础知识和某一专业方向基础知识的能力。能通过文献检索和其他方式，获取科技信息。计算机学院宁爱军34Tianjin

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Technology实验课的学习实验是学习的重要环节。每一个实验都从各门课程中选取，能够充分反映技术课程的典型方法和技术，对掌握学习内容用重要意义。能够培养实际工作经验，以及试验能力，形成理论联系实际的工作作风。学生应该掌握各种

技术，在操作和应用计算机上达到相当于高级程序员或工程师水平，并且取得基础课程的好成绩。计算机学院宁爱军35Tianjin

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Technology思维方式的培养计算机学院宁爱军36数学教育堆积三级科学专业知识的居于重要作用：数学使得学生具有进一步学习专业知识的数学基础。通过严格的数学训练，实现思维方式和思维过程的数学化。数学家的思维，能够通过对事物的抽象，运用符号或语言系统，研究事物的空间数量关系、位置关系、结构关系和变换规律，研究具有共同抽象概念、性质的一类事物的内在规律，并认识事物。Tianjin

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Technology1.

例如：N根火柴，两人依次取，规定每人每次可取1~M根，取得最后1根者输。是否有

法，可事先确定谁输呢。长度小于M的字符串，逆序。图灵机的停机问题。计算机学院宁爱军37Tianjin

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Technology1.

计算理论表明，凡

上可由计算机处理的问题，都可以数学化或形式化，即用数学符号系统描述。反之，凡是能够用离散数学为代表的构造性数学描述的为及处理过程，只要能有穷或存在有穷表示，都可以用计算机处理。2.

计算科学专业的学生，没有坚实的数学技术，就不可不能从事的计算机科学寻找解决问题途径、能从事高起点，其他专业

技术工作，特别是需要专业理论、方法和技术的问题。计算机学院宁爱军38Tianjin

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Technology1.

思维过程的数学化，对计算机专业

具有重要意