《信息科学与技术导论》课件 - 副本 (7).ppt
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1、第七章第七章 学科关系学科关系1.信息科学与计算机科学2.信息科学技术与自动化科学技术7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.1 计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容v为了讨论信息科学技术与计算机科学技术之间的关系,有必要首先了解什么是计算机科学技术以及计算机科学技术的基本问题。v1、什么是计算机科学技术?、什么是计算机科学技术?v计算机科学技术是描述和处理信息的算法理论与技术(可见它与信息科学技术的“信息处理”密切相关),包括理论、分析、设计、效率分析、实现和应用的系统研究。全部计算科学技术的基本问题可以归结为:什么问题能够(
2、有效地)自动进行计算,什么问题不能(有效地)自动进行计算。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。v20世纪60-70年代是计算机科学技术发展的青年时期,面对学科发展中遇到的许多重大问题,如怎样实现高级语言的编译系统,如何设计各种新语言,如何提高计算机运算速度和存贮容量,如何设计操作系统,如何设计和实现数据库管理系统,如何保证软件的质量等问题,发展了一大批理论、方法和技术。7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.1 计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容计算机科学技术的概
3、念、发展过程和研究内容v2、计算机科学技术的发展过程、计算机科学技术的发展过程v计算机科学的发展在时间上可以粗略地划分为如下几个阶段:v在计算机科学技术发展的早期,大约在20世纪30年代至50年代末,对计算机科学技术研究的主流方向主要集中在计算模型、计算机设计、高级语言和科学计算方面。由于主要的应用是大量的科学计算,与数学关系密切,加之计算机的设计强烈依赖于逻辑和布尔代数,导致大量从事数学研究的人员转入计算科学领域。v20世纪60-70年代是计算机科学技术发展的青年时期,面对学科发展中遇到的许多重大问题,如怎样实现高级语言的编译系统,如何设计各种新语言,如何提高计算机运算速度和存贮容量,如何设
4、计操作系统,如何设计和实现数据库管理系统,如何保证软件的质量等问题,发展了一大批理论、方法和技术。v从20世纪80年代起,针对集成电路芯片可预见的设计极限和一些深入研究中所遇到的困难,如软件工程、计算模型、计算语言、大规模复杂问题的计算与处理、大规模数据存贮与检索、人工智能,计算可视化等方面出现的问题,人们开始认识到:学科正在走向深化。7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.1 计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容v3、计算机科学技术研究的主要内容、计算机科学技术研究的主要内容v计算机科学技术是研究计算机以及利用计算机来解决各种
5、问题的科学技术,主要包括理论计算机科学、计算机系统结构、软件、(狭义)人工智能和算法等。(1)理论计算机学)理论计算机学v理论计算机学是研究计算机基本理论的学科。在几千年的数学发展中,人们研究了各式各样的计算,创立了许多算法。但是,以计算或算法本身的性质为研究对象的数学理论,却是在20世纪30年代才发展起来的。v当时,由几位数理逻辑学者建立的算法理论,即可计算性理论或称递归函数论,对20世纪40年代现代计算机设计思想的形成产生过影响。此后,关于现实计算机及其程序的数学模型性质的研究,以及计算复杂性的研究等不断有所发展。v理论计算机科学包括自动机论、形式语言理论、程序理论、算法分析,以及计算复杂
6、性理论等。自动机是现实自动计算机的数学模型,或者说是现实计算机程序的模型,自动机理论的任务就在于研究这种抽象机器的模型;程序设计语言是一种形式语言,形式语言理论根据语言表达能力的强弱分为O3型语言,与图灵机等四类自动机逐一对应;程序理论是研究程序逻辑、程序复杂性、程序正确性证明、程序验证、程序综合、形式语言学,以及程序设计方法的理论基础;算法分析研究各种特定算法的性质;计算复杂性理论研究算法复杂性的一般性质。7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.1 计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容v3、计算机科学技术研究的主要内容、计算机
7、科学技术研究的主要内容(2)计算机系统结构)计算机系统结构v计算机系统结构是程序设计者所见的计算机属性,着重于计算机的概念结构和功能特性,硬件、软件和固件子系统的功能分配及其界面的确定。使用高级语言的程序设计者所见到的计算机属性,主要是软件子系统和固件子系统的属性,包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等的用户界面。使用机器语言的程序设计者所见到的计算机属性,则是硬件子系统的概念结构(硬件子系统结构)及其功能特性,包括指令系统(机器语言),以及寄存器定义、中断机构、输入输出方式、机器工作状态等。v硬件子系统的典型结构是冯诺伊曼结构,它由运算器、控制器、存储器和输入输出设备组成,采用
8、“指令驱动”方式。当初,它是为解非线性微分方程而设计的,并未预见到高级语言、操作系统等的出现,以及适应其他应用环境的特殊要求。在相当长的一段时间内,软件子系统都是以这种冯诺伊曼结构为基础而发展的。但是,其间不相适应的情况逐渐暴露出来,从而推动了计算机系统结构的变革。v计算机组织与实现是研究组成计算机的功能、部件间的相互连接和相互作用,以及有关计算机实现的技术,均属于计算机组织与实现的任务。7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.1 计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容v3、计算机科学技术研究的主要内容、计算机科学技术研究的主要内
9、容(3)软件)软件v软件的研究领域主要包括程序设计、基础软件、软件工程三个方面。程序设计指设计和编制程序的过程,是软件研究和发展的基础环节。程序设计研究的内容,包括有关的基本概念、规范、工具、方法以及方法学等。这个领域发展的特点是:从顺序程序设计过渡到并发程序设计和分布程序设计;从非结构程序设计方法过渡到结构程序设计方法;从低级语言工具过渡到高级语言工具;从具体方法过渡到方法学。v基础软件指计算机系统中起基础作用的软件。计算机的软件子系统可以分为两层:靠近硬件子系统的一层称为系统软件,使用频繁,但与具体应用领域无关;另一层则与具体应用领域直接有关,称为应用软件;此外还有支援其他软件的研究与维护
10、的软件,专门称为支援软件。v软件工程是采用工程方法研究和维护软件的过程,以及有关的技术。软件研究和维护的全过程,包括概念形成、要求定义、设计、实现、调试、交付使用,以及有关校正性、适应性、完善性等三层意义的维护。软件工程的研究内容涉及上述全过程有关的对象、结构、方法、工具和管理等方面。v软件研究系统的任务是:在软件工程中采用形式方法:使软件研究与维护过程中的各种工作尽可能多地由计算机自动完成;创造一种适应软件发展的软件、固件与硬件高度综合的高效能计算机。7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.1 计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容计算机科学技术的概念、发展过程和研究
11、内容v3、计算机科学技术研究的主要内容、计算机科学技术研究的主要内容(4)(狭义)人工智能)(狭义)人工智能v如果仅从行为学的角度来看,(狭义)人工智能在计算机科学技术领域要解决的问题是如何使计算机的表现智能化,使计算机能灵活高效地为人类服务。只要计算机能够表现出与人类相似的智能行为、就算是达到了目的,而不在乎在这过程中计算机是依靠某种算法还是真正理解了:在这个意义也仅仅在这个意义上,(狭义)人工智能是计算机科学中涉及研究、设计和应用智能计算机的个分支,这样理解的人工智能,它的目标就是研究怎样用计算机来模仿和执行人脑的某些与逻辑思维相联系的智力功能,并开发相关的技术产品,建立有关的理论。v这里
12、之所以强调了“狭义”人工智能,是因为,人工智能本身存在许多不同的分支,包括基于结构模拟方法的人工智能(如人工神经网络),基于功能模拟方法的人工智能(如专家系统),基于行为模拟方法的人工智能(如感知动作系统),以及它们的统一理论 基于机制模拟方法的人工智能。这里的“狭义人工智能”指的是基于功能模拟方法的人工智能(而不是其它的人工智能)。由于这种“狭义的人工智能”是以冯诺依曼计算机为硬件平台来设计的,因此可以在一定意义上看作是计算机科学的一个分支。其它分支的人工智能分支(如人工神经网络和感知动作系统)则与冯诺依曼计算机没有直接关系。7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.1
13、计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容计算机科学技术的概念、发展过程和研究内容v3、计算机科学技术研究的主要内容、计算机科学技术研究的主要内容(5)算法)算法v有的学者定义计算机科学为研究算法的一门学科。因此研究算法无疑是计算机科学中最重要的基础领域之一。v在美国计算机教师协会最新发布的K-12计算机科学课程标准中,非常强调算法的学习。因为算法的思想不但可以让学生了解数学的观念,还能提升他们解决实际生活问题的能力。在K-2年级,计算机课程标准就列出了对二进制学习的要求;在3-5年级,课标要求学生了解一些简单的算法,如:文本压缩算法、搜索算法、网络路由算法。在6-8年级,课标要求学生学习一些简
14、单的逻辑原理。下面举例说明在K-8年级的一些算法范例:v1.迷宫寻路(海龟图形)v2.一只狗取回一个被丢的球v3.烘焙饼干v4.从学校回家v5.制造一个沙子城堡v6.在依字母顺序的次序中安排一连串的字v这些都可以培养学生的算法思想,发现解决问题的一般策略。7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.2信息科学技术与计算机科学技术的关系信息科学技术与计算机科学技术的关系v1、信息科学技术与计算机科学技术的区别、信息科学技术与计算机科学技术的区别v虽然信息科学技术与计算机科学技术都是以信息为研究对象,但这两个学科有显著的不同。首先,它们研究的范围不同。v计算机科学技术主要集中在与
15、信息处理相关的理论、方法与应用,目前主要包括:可计算性理论,算法设计与复杂性分析,密码算法与信息安全,分布式计算理论,并行计算理论,生物信息计算,计算几何学,程序语言理论等等。v信息科学是以信息为研究对象、以信息过程的全部规律为研究内容、以信息科学方法论为指导、以研究扩展人的信息功能(特别是它的整体 智能)为研究目标的学科。它的研究覆盖了整个信息的过程,包括信息理论、信息获取、信息传递、信息处理、信息认知与决策、信息执行以及信息系统的优化。v其次,信息科学技术侧重于信息本质和基于信息本质的各种信息系统的研究,计算机科学技术则侧重于计算本质以及基于计算的各种工具的研究,并应用这些工具来设计和开发
16、。v以上分析表明:任何计算机都是信息系统,但不能认为所有信息系统都是计算机;任何计算过程都是信息过程,但不能认为所有信息过程都是计算过程。从这个意义上可以认为,计算机科学技术是信息科学技术的一个分支。7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.2信息科学技术与计算机科学技术的关系信息科学技术与计算机科学技术的关系v2、信息科学技术与计算机科学技术的联系、信息科学技术与计算机科学技术的联系v尽管信息科学技术与计算机科学技术有许多不同,但是归根结底计算机科学作为一门技术科学,它主要处理的对象都是信息,而信息科学处理的对象也是信息,因此这两个学科之间也有很紧密的关系。图7-1展示了
17、一个最简单的信息系统应该具备的基本结构,系统通过感测技术从外部世界获取信息,这些信息利用通信技术传递到信息施效机构,信息施效机构根据所得到的信息对外部世界进行改造,从而使得外部世界发生变化。当外部世界发生变化后又会由于感测技术获取到新的信息,这些新信息又会通过信息施效机构对外部世界进行新一轮的改造。7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.2信息科学技术与计算机科学技术的关系信息科学技术与计算机科学技术的关系v2、信息科学技术与计算机科学技术的联系、信息科学技术与计算机科学技术的联系v仅仅有最简单的信息系统并不能解决我们遇到的所有问题,这是因为在这样的信息系统中信息施效机构
18、的信息来源是直接从感测技术而来的没有经过加工的“生信息”,为了更好的解决问题,人们在信息系统的模型中加入了新的元素信息处理,这部分的工作是依靠计算机技术来完成的,这种信息系统的模式如图7-2所示。7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.2信息科学技术与计算机科学技术的关系信息科学技术与计算机科学技术的关系v在这种情况下系统信息施效机构不再是处理从感测技术而来的“生信息”,而是经过计算机针对问题、目标和“生信息”处理后的信息。这样的系统改造外部世界的能力得到了很大的提高。随着科学技术的进一步发展,人们已经不仅仅满足于图7-2所示系统的功能,而是对系统提出了更高的要求-要求系
19、统具备智能,能够根据改造外部世界希望达到的目的智能地对信息进行处理、再生,完成原先机器无法完成的策略自动生成工作。其系统模型如图7-3所示。7.17.1信息科学与计算机科学信息科学与计算机科学v7.1.2信息科学技术与计算机科学技术的关系信息科学技术与计算机科学技术的关系v综上所述,信息科学的发展离不开其它相关科学的支持,通信技术和计算机与智能技术处在整个信息技术的核心位置,感测技术和控制技术则是核心与外部世界之间的接口。没有通信和计算机与智能技术,信息技术就失去了基本的意义;而没有感测技术和控制技术,信息技术就失去了基本的作用:一方面没有信息的来源,另一方面也失去了信息的归宿。把信息技术单纯
20、理解为“一个C”(computer,计算机)、“两个C”(computer and communication,计 算 机 与 通 信)和“三 个 C”(computer,communication,control,计算机、通信、控制)都是不够全面的。信息技术是指感测、通信、计算机和智能以及控制等技术的整体。可见,信息技术的“四基元”是一个完整的体系。v目前随着信息科学技术与计算机科学技术的高速发展,促进了许多交叉学科的产生,例如计算机科学与地球科学的融合产生了地理信息科学,计算机科学向生物和医学科学渗透产生了生命信息科学等,这些交叉学科的产生在推动独立学科向前发展的同时还解决了许多独立学科所
21、不能解决的问题。计算机技术(包括硬件和软件技术)和人工智能技术,使人们能更好地加工和再生信息。7.27.2信息科学技术与自动化科学技术信息科学技术与自动化科学技术v7.2.1 自动化科学技术的基本概念自动化科学技术的基本概念v1、自动化科学技术的研究对象、自动化科学技术的研究对象v自动化(Automation)是20世纪对人类生产活动和社会生活发生重大影响的科学技术领域之一。自动化要求在少人参与以至无人干预情况下,针对一定的目标,对设备、过程或系统进行控制和管理,以达到最好或满意的状态。它通过采用各种技术工具和系统(包括计算机)以延伸人的信息获取和处理并进行决策和控制的功能,可显著提高生产能力
22、、生产水平和劳动生产率,并不断提高人和机器交互作用的水平,把人从繁重的和可程序化的工作中逐步解放出来,以从事更具创造性的劳动,还可扩展、强化人的功能和创造新的功能,增强人类认识世界和改造世界的能力。v自动化技术已被广泛应用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等领域。v信息、能量与物质构成世界的三大基本要素。从这个角度来看,自动化科学所研究的就是物质世界的信息运动规律以及信息处理方法和控制原理,而自动化技术所涉及的则是应用信息处理方法和控制原理来促进能量与物质(如能源、材料和环境资源、人力资源等)的有效利用。7.27.2信息科学技术与自动化科学技术信息科学技术与自动化科
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