【计算机】计算机导论课讲义.ppt

,计算机导论武汉大学计算机学院计算机导论课程组,分四讲(18学时),计算机概论、计算机软件；6（何炎祥教授）计算机硬件；4（张焕国教授）计算机理论；4（毋国庆教授）计算机应用；4（周洞汝教授）,上课时间和地点,周4 3区 附1-401教室,1-2节:16 班,3-4节:711班.,参考教材,计算机科学引论(影印版),T.J.OLeary,L.I.OLeary,高等教育出版社,2000.计算机科学技术导论,陶树平,黄国兴等,高等教育出社,2002.计算机导论,姚爱国等,武汉大学出版社,2003.计算机导论,黄国兴,陶树平等,清华大学出版社,2004.,本课程的基本目的,通过本课程的学习，应理解计算机的基本概念、信息化社会的特征、信息化社会对计算机人才的需求，初步了解计算机科学技术学科的内涵、知识体系、课程体系和研究范畴等，以及作为一名计算机专业的学生应具有的基本知识和能力，明确今后学习的目标和内容，树立作为一个未来计算机工作者的自豪感和责任感。,计算机的出现是20世纪最卓越的成就之一，计算机的广泛应用极大的促进了生产力的发展，在当今信息化社会中，计算机已经成为必不可少的工具。,1.1 计算机的基本概念,20世纪40年代诞生的电子数字计算机（简称计算机-Computer）是20世纪最重大的发明之一，是人类科学技术发展史中的一个里程碑。半个世纪以来，计算机科学技术有了飞速发展，计算机的性能越来越高，价格越来越便宜，应用越来越广泛。时至今日，计算机已经广泛的应用于国民经济以及社会生活的个个领域，计算机科学技术的发展水平和应用程度已经成为衡量一个国家现代化水平的重要标志。,1.1.1 什么是计算机,计算机在诞生的初期主要是用来进行科学计算的，因此被称为“计算机”。现在计算机的处理对象已经远远超过了“计算”这个范围，它可以对数字，文字，声音以及图形图像等各种形式的数据进行处理。,实际上，计算机是一种能够按照事先储存的程序，自动、高速的对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。一个计算机的系统包括硬件和软件两大部分：硬件是由电子的、磁性的、机械的器件组成的物理实体，包括运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备等5个基本组成部分。,软件则是程序和有关文档的总称，主要包括系统软件和应用软件两类。系统软件是为了对计算机的硬件资源进行管理，提高计算机系统的使用率和方便用户而编制的各种通用软件，一般由计算机生产厂商提供，常用的系统软件有操作系统，程序设计语言翻译系统，连接系统，诊断系统等。应用软件是指专门为某一应用目的而编制的软件，常用的应用软件有字处理软件，表处理软机，统计分析软件，数据库管理系统，计算机辅助软件，实时控制与实时处理软件以及其他应用于各行各业的应用程序。,计算机的主要功能,输入：接受由输入设备（如键盘、鼠标、扫描仪等）提供的数据。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和加工。输出：将处理所产生的结果等数据送到相关输出设备（如显示器、打印机、绘图仪等）。存储：可以存储程序和数据。,1.1.2 计算机分类,由于计算机科学技术的迅猛发展，计算机已经成为一个庞大的家族。按照计算机处理的对象，计算机的用途以及计算机的规模等不同的角度可以如下分类。,1按处理对象分类,按照计算机处理的对象及其数据的 表示形式可分为3类：数字计算机（digital computer）模拟计算机（analog computer）数字模拟混合计算机（hybrid computer）,（1）数字计算机 该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都是数字量，这些数据在时间上是离散的.非数字量的数据（如字符、声音、图形图像等）只要经过编码后也可以处理。（2）模拟计算机 该类计算机输入、处理、输出和存储的数据是模拟量（如电压、电流、温度等），这些数据在时间上是连续的。（3）数字模拟混合计算机 该类计算机将数字技术和模拟技术相结合，兼有数字计算机和模拟计算机的功能。,2按用途分类,按照计算机的用途及其使用的范围可分为通用计算机（general purpose computer）和专用计算机（special purpose computer）两类。（1）通用计算机 该类计算机具有广泛的用途，可应用于科学计算，数据处理和过程控制等。（2）专用计算机 该类计算机适用于某一特定的应用领域，如智能仪表、生产过程控制、军事装备的模拟等。,3按规模分类,按照计算机的规模可分为巨型计算机（supercompter）大中型计算机（large mediumscale computer）小型计算机（minicomputer）微型计算机（microcomputer）工作站（workstation）服务器（server）网络计算机（net computer）等。,（1）巨型计算机 指其运算速度每秒超过1亿次的超大型的计算机，该类计算机主要应用于复杂的科学计算及军事等专门的领域。例如，由我国研制的“银河”,“曙光”和“神州”系列计算机就属于这种类型。,（2）大中型计算机 该类计算机也具有较高的运算速度，每秒钟可以执行几千万条指令，并具有较大的存储容量以及较好的通用性，但价格较贵，通常被用来作为银行、铁路、石油等大型应用系统中的计算机网络的主机来使用。,（3）小型计算机 该类计算机的运算速度和存储容量略低于大中型计算机，但与终端和各种外部设备连接比较容易，适合于作为联机系统的主机，或者工业生产过程的自动控制。,（4）微型计算机 微型计算机使用大规模集成电路芯片制作微处理器、存储器和接口，并配置相应的软件，从而构成完整的微型计算机系统。它的问世在计算机的普及与应用中发挥了重大的推动作用。如果把这种微型计算机制作在一块印刷线路板上，则称其为单板机。如果在一块芯片中包含有微处理器、存储器和接口等微型计算机的最基本的配置，则这种芯片称为单片机。,（5）工作站 由高性能的微型计算机系统、输入输出设备以及专门软件组成,适合于某些特殊用途。例如，图形工作站包括高性能的主机、扫描仪、绘图仪、数字化仪、高精度的屏幕显示器、其他通用的输入输出设备以及图形处理软件，它具有很强的对图形进行输入、处理、输出和存储的能力，在工程设计和多媒体信息处理中有广泛的应用。,（6）服务器 一种在网络环境下为多个用户提供服务的共享设备。可分为文件服务器、通信服务器、打印服务器等。（7）网络计算机 它是一种在网络环境下使用的终端设备，其特点是内容量大、显示器的性能高、通信功能强，但本机中不一定配置外存，所需要的程序和数据存储在网络的服务器中。,113 计算机的特点,各种类型的计算机虽然在规模、用途、性能、结构等方面有所不同，但它们都具有以下特点：（1）运算速度快 目前的巨型机运算速度已经达到每秒钟几百万亿次运算，即使是微型计算机，其运算速度也已经大大超过了早期大型计算机的运算速度。因此，计算机可以快速的进行计算和信息处理。,（2）运算精度高 由于计算机内部采用浮点数表示方法，而且计算机的字长从8位、16位增加到32位、64位甚至更长，从而使处理的结果具有很高的精确度。（3）具有记忆能力 计算机具有内存储器和外存储器，内存储器用来存储正在运行中的程序和有关数据，外存储器用来存储需要长期保存的数据。可以记忆大量的信息和程序。,（4）具有逻辑判断能力 能够进行各种逻辑判断，并根据判断的结果自动决定下一步应该执行的指令。（5）存储程序 由于计算机内可以存储程序，从而使得计算机可以在程序的控制下自动地完成各种操作，而无需人工干预。,114 计算机的用途,由于计算机具有以上的特点，因而它对人类科学技术的发展产生了深远的影响，极大的增强了人类认识世界、改造世界的能力，在国民经济和社会生活的各个领域有着广泛的应用。按照应用领域划分，计算机有以下几个方面用途：科学计算、数据处理、实时控制、人工智能、计算机辅助工程和辅助教育、娱乐与游戏等。,1科学计算,所谓科学计算是指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，又称为数值计算。在科学研究和工程技术中通常要将实际问题归结为某一数学模型，这些数学模型内容复杂、计算量大、要求的精度高，只有以计算机为工具来计算才能快速地取得满意地结果。诸如天气预报、宇宙飞船和火箭的发射与控制、人造卫星的研制、原子能的利用、生命科学、材料科学、海洋工程等现代科学技术研究成果无一不是在计算机地帮助下才取得的。,2数据处理,所谓数据处理即使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，是计算机又一重要的应用领域。在当今信息化的社会中，每时每刻都在生成大量的信息，只有利用计算机才能管理和充分利用浩如烟海的信息。例如,利用数据库技术开发的管理信息系统和决策支持系统等,可大大提高企业或政府部门的现代化管理水平。,3实时控制,所谓实时控制是指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。此外，在计算机应用于实时控制中还具有故障检测、报警和诊断等功能。在钢铁、石油、化工、制造业等工业企业都需要进行实时控制，以提高生产效率和产品质量。,4人工智能,所谓人工智能是由计算机来模拟或部分模拟人类的智能。传统的计算机程序虽然具有逻辑判断的能力，但它只能执行人预先设计好的动作，而不能像人类那样进行思维。例如专家系统属于人工智能的应用范畴，但现在的专家系统还远不能具备像人类那样的分析问题、解决问题的能力。计算机应用于人工智能研究的主要领域包括：自然语言理解、专家系统、机器人、机器学习、定理自动证明等。,5计算机辅助工程,计算机辅助工程包括计算机辅助设计（computeraided design，CAD）计算机辅助制造（computeraided manufacturing，CAM）计算机集成制造系统（computerintegrated manufacturing system，CIMS）,计算机辅助设计（CAD）利用计算机的计算、逻辑判断、数据处理以及绘图等功能与人的经验和判断能力相结合，共同完成各种产品或者工程项目的设计工作，实现设计过程的自动化或半自动化。计算机辅助制造（CAM）使用计算机辅助人们完成工业产品的制造任务。从对设计文档、工艺流程、生产设备等的管理，到对加工与生产装置的控制和操作，都可以在计算机的辅助下完成。计算机集成制造系统（CIMS）将计算机技术集成到制造工厂的整个制造全过程中，使企业内的信息流、物流、资金流和人员活动形成了一个统一协调的整体。CIMS的对象是制造业。,6计算机辅助教育,计算机辅助教育（computeraided instruction，CAI）涉及的层面很广，从校园到Internet,从CAI课件的制作到远程教学、从辅助儿童的智力开发到中小学和大学的教学，从辅助学生自学到辅助教师授课，从计算机辅助实验到学校的教学管理等，都可以在计算机的辅助下进行，从而提高教学质量和学校管理水平与工作效率。,7娱乐与游戏,随着计算机技术、多媒体技术、动画技术以及网络技术的不断发展，使得计算机能够以图像与声音的集成形式向人们提供最新的娱乐和游戏的方式。在计算机上可以观看影视节目，播放歌曲和音乐等。许多影视节目、歌曲、和音乐也可以从计算机网络上下载，供人们欣赏。,115 计算机的发展,自古以来人类就在不断地发明和改进计算工具，从古老的“结绳计算”到算盘、计算尺、手摇计算机，直到1946年第一台电子计算机诞生，经历了漫长的岁月。电子计算机问世至今虽然只有短短的半个多世纪，但却取得了惊人的发展，已经经历了五代的变革。,计算机发展史中的“代”通常以其所使用的主要器件（如电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路）来划分。此外，在计算机发展的各个阶段，所配置的软件和使用方式也有不同的特点，成为划分“代”的标志之一。,1第一代计算机（19461957）,计算机的早期研究是从20世纪30年代末开始的。当时英国的数学家艾伦图灵在一篇论文中描述了通用计算机应具有的全部功能和局限性，这种机器称为图灵机。1939年，美国衣阿华州大学的约翰阿塔纳索夫教授和他的研究生克利福德贝里一起制作了一台称为ABC（Atanasoff Berry computer）的机器，它是一台仅能求解方程式的专业电子计算机。1944年，哈佛大学德霍华德埃肯博士和IBM公司的一个工程师小组合作，以100万美元的巨资研制了一台称为MarkI的计算机。它的体积很大（高8英尺，长55英尺），速度也很慢（执行一次乘法操作需要35秒）。而且MarkI仅一部分是电子式的，另一部分仍然式机械式的。,1946年，宾夕法尼亚大学的约翰莫克莱博士和他的研究生普雷斯帕埃克特一起研制了称为ENIAC（电子数字积分计算机），它被公认为是世界上第一台电子计算机。ENIAC是一个庞然大物，全机共使用了18000多个电子管，1500多个继电器，占地167平方公尺。ENIAC的运算速度达到每秒钟5000次，这是划时代的“高速度”。特别是采取了普林斯顿大学数学教授冯诺依曼“存储程序”的建议，即把计算机程序与数据一起存储在计算机中，从而可以方便地返回到前面地指令或反复执行，解决了ENIAC在操作上地不便。ENIAC的诞生，开创了第一代电子计算机地新纪元。1953年，IBM公司生产了第一台商业化的计算机IBM701。随后，IBM公司共计生产了19台这种型号的计算机，满足了当时的需要。,第一代计算机的共同特点是：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；使用机器语言编程。虽然第一代计算机的体积大、速度慢、能耗高、使用不便且经常发生故障，但是它一开始就显示了强大的生命力。,2第二代计算机（19581964）,第二代计算机的主要特点是：用晶体管代替了电子管；内存储器采用了磁心体；引入了变址寄存器和浮点运算硬件；利用了I/O处理机提高了输出能力；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。,由于第二代计算机使用了晶体管，与第一代计算机相比，它的体积小、速度快、能耗低、可靠性高。由于高级程序设计语言的广泛使用，将计算机从少数专业人员手中解放出来，成为广大科技人员都能够使用的工具，推进了就计算机的普及与应用。这个时期典型的计算机有IBM公司生产的IBM7094和CDC(Control Data Corporation，控制数据公司)生产的CDC1640计算机等。,3第三代计算机（19651971）,1958年，第一个集成电路（integrated circuit，IC）问世。所谓集成电路是将大量的晶体管和电子线路组合在一块硅晶片上，故又称其为芯片。小规模集成电路每个芯片上的元件数为100个以下，中规模集成电路每个芯片上则可以集成10010000个原件。1965年，DEC（Digital Equipment Corporation，数字设备公司）推出了第一台商业化的使用集成电路为主要器件的小型计算机PDP8，从而开创了计算机发展史上的新纪元。,第三代计算机的共同特点是：用小规模或中规模的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心存储器；使用微程序设计技术简化处理机的结构；在软件方面则广泛引入多道程序、并行处理、虚拟存储系统以及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。典型的第三代计算机是IBM公司的IBM360和370系列，DEC的PDPX系列等。这些类型的计算机在应用中曾经发挥了重要作用。,4第四代计算机（1972至今）,第四代计算机最为显著的特征是使用了大规模集成电路和超大规模集成电路。大规模集成电路（large scale integration，LSI）每个芯片上则可以集成10000个以上的元件。此外，使用了大容量的半导体存储器作为内存储器；在体系结构方面进一步发展了并行处理、多机系统、分布式计算机系统和计算机网络系统；在软件方面则推出了数据库系统、分布式操作系统以及软件工程标准等。,在第四代计算机中要算微型计算机最为引人注目了。微型计算机的诞生是超大规模集成电路应用的直接结果。1975年，第一台商业化的微型计算机MITSAltair问世，它使用了Inter公司的8080芯片。不过，当时的微型计算机并未形成主流，仅仅是面向计算机业余爱好者而已。1977年苹果计算机公司成立，并先后成功开发了“APPLE-1”和“APPLE-II”型的微型计算机系统，使得苹果计算机公司成为微型计算机市场的主导力量之一。1980年IBM公司与微软公司合作，为个人微型计算机IBMPC配置了专门的操作系统，1981年IBMPC机问世。此后许多厂商陆续生产了现在称之为IBM兼容机的类似产品。,时至今日，奔腾系列微处理器应运而生，使得现在的微型计算机体积越来越小、性能越来越强、可靠性越来越高、价格越来越低、应用范围越来越广。出现了笔记本和掌上型等超微型计算机。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，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阶段。,5第五代计算机,第五代计算机尚在研制之中，而且进展比较缓慢。第五代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。也就是说，第五代计算机的主要特征是人工智能，它具有一些人类智能的属性，例如自然语言理解能力、模式识别能力和推理判断能力等。,生物计算机光计算机,12 计算机科学与技术学科(计算机学科)的定义,121 计算机学科计算机科学技术是研究计算机的设计与制造,和利用计算机进行信息获取、表示、存储、处理、控制和传输等的理论、原则、方法和技术的学科。,它包括科学与技术两方面。科学侧重于研究现象、揭示规律；技术则侧重于研制计算机,和研究使用计算机进行信息处理的方法与技术手段。科学是技术的依据，技术是科学的体现。科学与技术相辅相成、互为作用，二者高度融合是计算机科学与技术学科的突出特点。计算机科学技术学科还具有较强的工程性，因此，它是一门科学性与工程性并重的学科，表现为理论性和实践性紧密结合的特征。,122 计算机学科概述,计算机学科 包含了计算机科学、计算机工程、软件工程、信息工程等领域，计算机科学技术的迅猛发展，除了源于微电子学等相关学科的发展外，主要源于其应用的广泛性与巨大的需求。它已逐渐渗透到人类社会的各个领域，成为经济发展的倍增器，科学文化与社会的催化剂。应用是计算机科学技术发展的动力、源泉和归宿，而计算机科学技术又不断为应用提供日益先进的方法、设备与环境。,计算机学科与电子科学、工程以及数学有很深地渊源。计算机科学家一向被认为是独立思考、富有创造性和想象力的。数学是计算机科学与技术学科的重要基础之一，数学及其形式化描述、严密的表达和计算是计算机科学与技术学科所用的重要工具.建立物理符号系统并对其实施变换是计算机科学与技术学科进行问题描述和求解的重要手段。,123 计算机科学技术的研究范畴,计算机科学技术的研究范畴包括计算机理论、硬件、软件、网络及应用等，按照研究的内容，也可以划分为基础理论、专业基础和应用3个层面。在这些研究领域中，有些方面已经研究得比较透彻，取得了许多成果；有些方面则还不够成熟和完备，需要进一步去研究、完善和发展。,1计算机理论的研究内容,（1）离散数学 由于计算机所处理得对象是离散型的，所以离散数学是计算机科学的理论基础，主要研究数理逻辑、集合论、近世代数和图论等。（2）算法设计与分析 主要研究算法设计与分析中的数学方法与理论，如组合数学、概率论、数理统计等，用于分析算法的时间复杂性和空间复杂性。（3）形式语言与自动机 研究程序设计语言以及自然语言的形式化定义、分类、结构等有关理论以及识别各类语言的形式化模型（自动机模型）及其相互关系。,（4）程序设计语言理论 运用数学和计算机科学的理论研究程序设计语言的基本规律，包括形式语言文法理论、形式语义学（如代数语义、公理语义、操纵语义、指称语义等）和计算机语言学等。（5）程序设计方法学 研究如何从好结构的程序定义出发，通过对构成程序的基本结构的分析，给出能保证高质量程序的各种程序设计规范化方法等。,2计算机硬件的研究内容,（1）元器件与存储介质 研究构成计算机硬件的各类电子的、磁性的、机械的、超导的元器件和存储介质。（2）微电子技术 研究构成计算机硬件的各类集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路芯片的结构和制造技术等。（3）计算机组成原理 研究通用计算机的硬件组成结构以及运算器、控制器、存储器、输入和输出设备等各部件的构成和工作原理。,（4）微型计算机技术 研究目前使用最为广泛的微型计算机的组成原理、结构、芯片、接口及其应用技术。（5）计算机体系结构 研究计算机硬件的总体结构、计算机的各种新型体系结构（如并行处理机系统、精简指令系统计算机、共享存储结构计算机、阵列计算机、集群计算机、网络计算机、容错计算机等）以及进一步提高计算机性能的各种新技术。,3计算机软件的研究内容,（1）程序设计语言的设计 根据实际需要设计新颖的程序设计语言，即定义程序设计语言的词法规则、语法规则和语义规则。（2）数据结构与运算 研究数据的逻辑结构和物理结构，以及它们之间的关系，并对这些结构定义相应的运算，设计出实现这些运算的算法，而且确保经过这些运算后所得到的新结构仍然是原来的结构类型。（3）程序设计语言翻译系统 研究程序设计语言翻译系统（如编译程序）的基本理论、原理和实现技术。包括：词法规则和语法规则的形式化定义、程序设计语言翻译系统的体系结构及其各模块（如词法分析、语法分析、中间代码生产、优化和目标代码生成）的实现技术。,（4）操作系统 研究如何自动地对计算机系统的软硬件资源进行有效的管理，并最大限度地方便用户。研究内容包括进程管理、处理机管理、存储器管理、设备管理、文件管理、以及现代化操作系统中地一些新技术（如多任务、多线程、多处理机环境、网络操作系统、分布式操作系统等）。（5）数据库系统 主要研究数据模型以及数据库系统地实现技术。包括层次数据模型、网状数据模型、关系数据模型、ER数据模型、面向对象数据模型、基于逻辑的数据模型、数据库语言、数据库管理系统、数据库的存储结构、查询处理、查询优化、事务管理、数据库安全性和完整性约束、数据库设计、数据库管理、数据库应用、分布式数据库系统、多媒体数据库以及数据仓库等。,（7）软件工程学 是指导计算机软件开发和维护的学科，研究如何采用工程的概念、原理、技术和方法来开发和维护软件。包括软件开发和维护中所使用的技术和描述工具。（8）可视化技术 是研究如何用图形和图像来直观地表征数据，即用计算机来生成、处理、显示能在屏幕上逼真运动地三维形体，并能与人进行交互式对话。它不仅要求计算结果的可视化，而且要求计算过程地的可视化。使人们可以更加直观、全面地观察和分析数据。,4计算机网络的研究内容,（1）网络结构 研究局域网、远程网、Internet、Intranet等各种类型网络地拓扑结构和构成方法及接入方式。（2）数据通信与网络协议 研究实现连接在网络上的计算机之间进行数据通信（如有线、无线、光纤、宽带、微波、卫星通信等）的介质、原理、技术以及通信双方必须共同遵守的各种协议。（3）网络服务 研究如何为网络用户提供方便地远程登录、文件传输、电子邮件、信息浏览、文档查询、网络新闻以及全球范围内地超媒体信息浏览等服务。（4）网络安全 研究网络的设备安全、软件安全、信息安全以及病毒防治等技术，以提供计算机网络的可靠性和安全性。,5计算机应用的研究内容,（1）软件开发工具 研究软件开发工具的有关技术（如软件描述技术、程序验证与测试技术、程序调试技术、代码优化技术、软件重用技术等）以及研制各种新型程序设计语言及其翻译程序、文字和处理工具、数据库开发工具、多媒体开发工具，以及如CAD等计算机辅助工程使用的工具软件等。（2）完善既有应用系统 根据新的技术平台和实际需求，对既有的应用系统进行升级、改造，使其功能更加强大、更加便于使用。（3）开拓新的应用领域 研究如何打破计算机的传统应用领域，扩大计算机在国民经济以及社会生活中的应用范畴。,6人机工程,研究人与计算机的交互和协同技术，为人使用计算机提供一个更加友好的环境和界面，人与计算机更好地共同完成预定地任务。,13 计算机学科的教育,计算机学科的发展非常迅速，计算机软、硬件系统的不断更新，使得本学科的教育已经完全不能通过跟踪流行系统的变化来跟踪学科的发展，更不能以流行的系统来确定教学内容。对计算机学科而言，“有限的在校学习时间与不断增长的知识的矛盾”更为突出。另一方面，经过几十年的发展，本学科目前正在逐步走向深入，这给计算机学科的教育既提出了新的要求，也提供了新的机遇。,131 技术的变化,影响计算机学科变化的大部分因素来自于技术的进步。Inter公司创造人戈登摩尔在1965年预测：微处理器芯片的密度将每十八个月翻一番，称之为“摩尔定律”。该定律目前继续成立。可以看到，计算机系统的计算能力是以指数速度增加的，这使得几年前还无法解决的问题在近期得到解决成为可能，而且使用起来更加方便。计算机学科其他方面的变化更大，例如WWW(万维网)出现后，网络技术迅速发展，给人们的工作和生活提供了新的方式。所有这些都要求计算机学科教育所需的知识体系能够紧跟技术的进步。,近期在技术方面变化比较大的主要有,网络技术，包括基于TCP/IP的技术，万维网及其应用图形学和多媒体技术嵌入式系统数据库技术互操作性面向对象程序设计应用程序接口（API）的使用人机交互技术软件安全和信息安全不断扩大的应用领域,由于以上这些方面的变化是很大的，所以，应该考虑将它们添加到本科生的教学中，由于学生有限的在校学习时间与不断增长的知识之间存在着矛盾，迫使人们要以不断进步的、系统的观点去看问题，去调整每年的教学计划，用新的内容去取代一些相对比较陈旧的内容。,132 文化的变化,计算机的教育除了受到计算机技术发展的影响外，还受到文化与社会发展的影响。例如,（1）新技术带来的教学法的改变 例如，计算机网络使远程教育在广播、电视之后，又有了更方便的手段，它使得远程的在线交互成为现实，从而导致这一领域的更快发展。网络还使得地理位置相隔甚远的教学单位之间能方便地共享课程资源。新技术还影响到教学法的变革。演示软件、计算机投影、实验室工作站都显著地改变了传统地教学方法。（2）全世界计算机数量和用户直接可用的计算功能大幅增加 计算机在近十年迅速普及。美国商务部的一项研究显示，已有超过三分之一的美国人能访问Internet。在其他大多数发达国家也有类似的情况。在我国，这一方面的发展更是令人瞩目。随着使用计算机获取信息和处理事务的机会增多，使得人们对计算机技术有了更多更新的认识。,（3）计算机技术增长的经济影响 高技术产业的良好发展势头，社会的极大需求所导致的极具吸引力的高待遇的良好就业前景，吸引了一大批人希望走入计算机领域。在我国，相应产业的发展现状影响着人才市场对毕业生的要求，也使得更多的学生选择计算机学科作为所学专业，这些因素都或多或少地影响着计算机学科地教育。（4）学科的拓宽 当计算机学科不断发展并逐渐成为基础技术学科时，其应用范围更加广泛。近年来，计算机学科已变得更宽广、内容更丰富，计算机学科地教育必须对此有所体现。例如，社会对各类复合人才地需求要求必须对学科交叉、应用需求等进行考虑。,14 对计算机学科毕业生的基本要求,计算机学科最初源于数学学科和电子学科。所以，该学科的毕业生除了要掌握计算机科学与技术学科的各个知识领域的基本知识和技术之外，还必须具有扎实的数学功底、掌握科学地研究方法、熟悉计算机的实际应用，并且具有良好的沟通技能及和谐的团队工作能力。,141 知识、能力和素质,“知识”是基础、是载体、是表现形式。一个具有较强能力和良好素质的人必须掌握丰富的知识，而一个掌握丰富的知识的人并不一定具有较强的能力和良好的素质。知识还具有“载体”的属性，能力和素质的培养与教育必须部分地通过具体知识的传授来实施。在许多场合下，能力与素质，尤其是专业能力和专业素质，是通过知识表现出来的。,“能力”是技能化的知识，是知识的综合体现。在教学中，应强调运用知识发现问题、分析问题、解决问题的能力，反对只读书、读死书。要保证知识运用的综合性、灵活性与探索性，就需要有丰富的知识为支撑。一般说来，知识越丰富，就越容易具有更强的能力。反过来，能力增强后，又有利于学习更多的知识。,“素质”是知识和能力的升华。高素质可使知识和能力更好地发挥作用，同时还可促使知识和能力得到不断的扩展和增强。因此，教育绝对不能只停留在书本的表面知识上，一定要去挖掘深层的内容，重视科学的世界观和方法论的启迪。,知识、能力、素质是进行高科技创新的基础。只有将三者融会贯通于教育的全过程，才可能培养出高水平人才。爱因斯坦说过，想象力比知识更重要。应当说，丰富的想象力加上扎实的基本功构成创新的源泉。对飞速发展和不断变化的计算机学科更是如此。在大学里，除了通常意义下的素质外，重点是依据学科进行学科综合能力的提高和学科综合素质的培养，突出工科兼理科这个特征。,142 检验标准,为毕业生建立一个统一的标准是非常困难的，但是可以给出一个基本标准。这个基本标准主要包括以下几个方面。（1）掌握计算机的基本理论和本学科的主要知识体系。（2）在确定的环境中能够理解并应用基本的概念、原理、准则，具备对工具及技术进行选择与应用的能力。（3）完成一个项目的设计与实现，该项目应该涉及到问题的描述与定义、分析、设计和开发，为完成的项目撰写适当的文档等。该项目的工作应该能够表明自己具备有一定的解决问题和评价问题的能力，并能表现出对质量问题的适当理解和认识。,（4）具备在适当的指导下进行独立工作的能 力，以及作为团队成员和其他成员进行 合作的能力。（5）能够综合应用所学的知识。（6）能够保证所进行的开发活动是合法的和 合乎道德的。,143 优秀学生,应该为有才华的学生提供发挥潜能的机会，使这些有才华的学生能应用课程中学到的原理进行有创新性的工作，能在分析、设计、开发适应需求的复杂系统过程中作出有创意的贡献；他们能够对自己和他人的工作进行确切的评价与检验。这需要在对学生的教育过程中，鼓励他们树立起强烈的创新意识和信心，鼓励他们去探索。在鼓励教师思考“教是为了不教”的同时，鼓励学生思考“学是为了探索”。,15 信息化社会的挑战,当今世界正在迈入信息时代，信息技术与信息产业已经成为推动社会进步和社会发展的主要动力。信息化社会的发展对计算机科学技术提出了新的挑战。为了收集、存储、传输、处理和利用日益剧增的信息资源，以通信、网络和计算机技术相结合为特征的新一代信息革命正在兴起，深刻地影响着社会和经济发展的各个领域。,151 信息化社会的特征,所谓“信息化社会”的内涵是十分广泛的，可以理解为：在国民经济和社会活动中，通过普遍地采用电子信息设备和信息技术，更有效地利用和开发信息资源，推动经济发展和社会进步，使信息产业在国民经济中的比重占主导地位。信息化社会一般应具有以下主要特征。,1建立完善的信息基础设施,信息基础设施 是由信息传输网络、信息存储设备和信息处理设备集成的统一整体，建立完善的信息基础设施是信息化社会的重要标志。信息基础设施需要在全国乃至全球范围内收集、存储、处理和传输数量巨大的文字、数据、图形、图像以及声音等多媒体信息，具有空前的广泛性、综合性和复杂性，它的建立过程是一项庞大的系统工程。信息基础设施包括了遍布全球的各种类型的计算机网络和高性能的计算机系统，它是一个“网中网”，即由计算机网络组成的计算机网络。所有的计算机信息中心乃至个人计算机都应该接入这个一体化的网络。,2采用先进的信息技术,先进的信息技术 是信息化社会的根基。其中所涉及的关键技术包括：半导体和微电子技术、网络化的计算机系统和并行处理技术、数字化通信技术、计算机网络技术、海量信息存储技术、高速信息传输技术、可视化技术、多媒体技术等。,3建立广泛的信息产业,信息产业 是信息化社会的支柱，主要包括：计算机硬件制造业、计算机软件业、信息服务业以及国民经济中各行业的信息化工作（如，电子商务、电子政务、电子金融等）。信息产业不仅包括了计算机硬件和软件的研究、开发与生产能力以及信息服务业，而且还包括了使用信息技术对传统行业的改造，这体现了利用信息资源而创造的劳动价值。,4拥有高素质的信息人才,在信息化社会中，无论是信息基础设施的建设、信息技术的提供和信息产业的发展都离不开信息人才，没有或缺乏高素质的信息人才将一事无成。信息产业是资本密集型、知识密集型的产业，它的高新技术含量高，对人才素质的要求高。信息化社会不仅需要维护型、服务型、操作型的人才，还特别要求信息人才具有高度的创新性和良好的适应性。足够数量的高素质信息人才是实现信息化社会的保证和原动力。,5构建良好的信息环境,信息化社会不仅是科学技术进步的产物，而且也是社会管理体制和政策激励的结果。良好的信息环境包括为了保障信息化社会有序运作的各项政策、法律、法规和道德规范，如知识产权、信息安全、信息保密、信息标准化、产业政策、人才政策、职业道德规范等。构建良好的信息环境是实现信息化社会的重要组成部分。,152 Internet与信息化社会,Internet的诞生与发展对信息化社会产生了深刻的影响，是当今人类社会进入信息化社会的重要标志之一。Internet是当今世界上最大的计算机网络。更确切的说，Internet并不是一个单一的计算机网络，而是由世界上许多计算机网络互联而构成的，它是全球最大的、开放的、由众多计算机网络相互连接而成的“网中网”。因此，又把Internet成为国际互联网，中文译名为“因特网”。,1Internet的发展,Internet的起源可以追溯到其前身ARPA网。该网络是美国国防部高级研究计划局为进行国防研究项目而开发的一个实验型网络，它把美国许多大学和研究机构连接起来，构成一个广域网。随着小型机、微型机和局域网技术的发展，ARPA启动了一个称为Internet的研究计划，主要研究局域网和广域网的互联技术。作为该计划的重要成果就是研制出传输控制协议TCP和网络协议IP，从而使计算机网络通信有了统一的规范。以ARPA网为主干网、以TCP/IP协议为核心，将众多计算机网络互联起来，从而形成了Internet的雏形，并于20世纪80年代初成为了一个实用性的网络。,在Internet的发展历程中NSF网也曾起到重要作用。NSF网是美国国家科学基金会资助建立的一个广域网，最初连接了美国的五个超级计算机中心，并与Internet互联。从而使美国的100多所大学和研究机构共享超级计算机中心的资源。20世纪80年代后期，由于NSF网的能力不断强化，已经逐步取代了ARPA网演变成为Internet的主干网。,Internet的不断完善使其成为美国信息高速公路最重要的基础设施。覆盖全美的数字化、大容量、高速的光纤通信网使Internet延伸到了许多国家，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。,2Internet的特点,（1）系统的广域性和开放性 Internet是在全球范围内开放的互联网络，具有信息传输的广域性和网络协议的开放性。目前已有150多个国家或地区、100多万个网络、数亿台计算机与Internet相连接，用户数10亿多个。（2）信息的共享性和时效性 Internet 将通信系统、计算机、数据库等连接成为一个统一的网络，使分布在世界各地的、丰富的信息可以为广大用户所共享。此外，信息一旦进入Internet的发布平台，便可以长期储存、长效发布、随时更新。,（3）入网方式的灵活性和多样性 Internet入网方式的灵活性和多样性是其获得飞速发展的重要原因。Internet所采用的TCP/IP协议成功地解决了不同网络产品、不同硬件平台、不同操作系统之间的兼容性问题，无论是大型机、小型机、微型机或工作站都可以采用多种方式灵活地接入Internet，并通过TCP/IP协议与Internet进行通信。凡使用TCP/IP协议的计算机网络可用相同的连接方