學(xué)科形態(tài)和內(nèi)在聯(lián)系

1、關(guān)于學(xué)科形態(tài)和內(nèi)在聯(lián)系第1頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三三個學(xué)科形態(tài)：抽象，理論，設(shè)計 認(rèn)識過程感性認(rèn)識(抽象)理性認(rèn)識(理論)實踐(設(shè)計)科學(xué)技術(shù)方法論抽象、理論和設(shè)計 3個過程稱為學(xué)科形態(tài)抽象、理論和設(shè)計是其研究的主要內(nèi)容計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論是對計算領(lǐng)域認(rèn)識和實踐過程中一般方法及其性質(zhì)、特點、內(nèi)在聯(lián)系和變化發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)研究的學(xué)問。三個學(xué)科形態(tài)概括了計算學(xué)科的基本內(nèi)容。引 言第2頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三現(xiàn)實問題: 現(xiàn)給出“學(xué)生”和“課程”二個實體，它們的聯(lián)系為：一個學(xué)生可以選修若干門課程，每門課程可以被任意學(xué)生所選修。建立一個信

2、息管理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對“學(xué)生選課”這一信息的管理。解題步驟:感性認(rèn)識(抽象)：概念模型(E-R模型)，數(shù)據(jù)模型理性認(rèn)識（理論）：關(guān)系模型的形式化實踐（設(shè)計）：關(guān)系數(shù)據(jù)庫、編程1、一個關(guān)于“學(xué)生選課”的例子第3頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三概念模型用于信息世界的建模，是客觀世界到信息世界的抽象。概念模型中的主要概念有：實體、屬性、碼、域、聯(lián)系等。實體：客觀存在并可相互區(qū)別的事物。屬性：實體所具有的某一種特性。碼：能惟一標(biāo)識實體的屬性集。域：屬性的取值范圍。聯(lián)系：指不同實體集之間的聯(lián)系。 兩個實體之間的聯(lián)系分為：一對一（1:1）、一對 多（1:N）、多對多（N:M）3類。

3、 第4頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三E-R模型（Entity-Relationship）1976年，美籍華人陳平山提出的實體-聯(lián)系方法。用E-R模型來描述客觀世界并建立概念模型的抽象方法，從中抽取實體和實體間的聯(lián)系。實體用矩形表示，屬性用橢圓形表示，聯(lián)系用菱形表示，實體間的聯(lián)系有3種：1:1，1:N，N:M要實現(xiàn)對客觀事物的感性認(rèn)識，必須將客觀世界（如“學(xué)生選課”）抽象為信息世界。聯(lián)系也可以有屬性。E-R模型是各種數(shù)據(jù)模型的共同基礎(chǔ)，它比數(shù)據(jù)模型更一般、更抽象、更現(xiàn)實世界。第5頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三選修學(xué)生課程mn學(xué)生選課E-R圖

4、關(guān)系模型：學(xué)生（學(xué)號，姓名，年齡，性別）課程（課程號，課程名）學(xué)生選課（學(xué)號，課程號，成績）性別年齡學(xué)號性別成績課程號課程名第6頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三數(shù)據(jù)模型概念模型不是機(jī)器世界所支持的數(shù)據(jù)模型，而是客觀世界到機(jī)器世界的一個中間層次。概念模型還需要轉(zhuǎn)換成機(jī)器世界能支持的數(shù)據(jù)模型。在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）能支持的數(shù)據(jù)模型有：層次模型，網(wǎng)狀模型，關(guān)系模型，面向?qū)ο竽Ｐ完P(guān)系模型支持的是一種二維表結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型，它由關(guān)系數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系數(shù)據(jù)操作和關(guān)系數(shù)據(jù)的完整性約束條件三部分組成。其中關(guān)系就是一張二維表。關(guān)系模型：前圖第7頁，共35頁，2022年，5

5、月20日，21點52分，星期三對“學(xué)生選課”的感性認(rèn)識“學(xué)生選課”的感性認(rèn)識概念模型實體-關(guān)系（E-R）模型數(shù)據(jù)模型：關(guān)系模型感性認(rèn)識中存在的問題在學(xué)生關(guān)系中增加系名、系主任等屬性時，出現(xiàn)插入異常、刪除異常問題。例如，未招學(xué)生時無法將系名和系主任插入到數(shù)據(jù)庫中。冗余太大，系名和系主任重復(fù)。如何解決？理性認(rèn)識（理論）使問題形式化，內(nèi)容與形式分開。第8頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三問題形式化：關(guān)系模式的形式化定義關(guān)系模式（R）是一個四元組，即：R= 其中：（1）U表示關(guān)系中所有屬性的集合； （2）D表示屬性集合U中屬性所來自的域； （3）dom是屬性到域的映射； （4）

6、F是屬性集合U上的一組數(shù)據(jù)依賴。 數(shù)據(jù)依賴1NF的定義：每一個分量必須是不可再分的數(shù)據(jù)項。2NF的定義：R1NF，且每一個非主屬性不存在對碼的部分函數(shù)依賴。即每一個非主屬性完全函數(shù)依賴于碼。3NF的定義：R2NF，且每一個非主屬性不存在對碼的傳遞函數(shù)依賴。BCNF、4NF、5NF。對“學(xué)生選課”的理性認(rèn)識簡化為：R=第9頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三例子最初是屬于1NF、2NF、3NF，但是當(dāng)在屬性集U中增加系名和系主任后，它就不屬于3NF了。因為出現(xiàn)了傳遞函數(shù)依賴：學(xué)號（碼）系名，系名系主任。不屬于3NF的所有關(guān)系模型都會出現(xiàn)插入異常、刪除異常和冗余的問題。還必須

7、依靠分解算法對模式進(jìn)行分解，并滿足3NF的要求。例如，可以再劃分一個關(guān)系，即系（系號，系名，系主任名），從而滿足了關(guān)系模式規(guī)范化的要求，實現(xiàn)了對例子的理性認(rèn)識。在數(shù)據(jù)依賴?yán)碚摰闹笇?dǎo)下，可完成模式的分解。第10頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三總 結(jié)：從概念模型向滿足規(guī)范化要求的數(shù)據(jù)模型（關(guān)系模型）的轉(zhuǎn)換，其實質(zhì)是認(rèn)識過程由感性認(rèn)識（抽象）上升到理性認(rèn)識（理論）的過程，這個過程包含兩方面的內(nèi)容：一方面是有關(guān)理論的建立；（如3NF）另一方面是如何在理論的指導(dǎo)下，在具體的設(shè)計中，實現(xiàn)對客觀世界的理性認(rèn)識。前者是對科學(xué)研究而言的，而后者是對工程設(shè)計而言的。第11頁，共35頁，2

8、022年，5月20日，21點52分，星期三“學(xué)生選課”系統(tǒng)的工程設(shè)計“學(xué)生選課”的感性認(rèn)識“學(xué)生選課”的理性認(rèn)識“學(xué)生選課”系統(tǒng)的工程設(shè)計實現(xiàn)以上關(guān)系模型、數(shù)據(jù)庫、編程等。建立正確的關(guān)系模型后，根據(jù)具體的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對該模型進(jìn)行定義：CREATE TABLE STUDENT / 學(xué)生表( SNO CHAR(9) NOT NULL， SN CHAR(16)， SAGE INT， SEX CHAR(1) )； . . . . . .第12頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三完成對“學(xué)生選課”的管理：輸入，修改，查詢一個簡單的查詢： 查詢性別為男性、年齡在20歲以上的所有

9、學(xué)生的學(xué)號和姓名：SELECT SNO, SNFROM STUDENTWHERE SEX=M AND SAGE20;第13頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三三個學(xué)科形態(tài)及內(nèi)在聯(lián)系“學(xué)生選課”例子中三個學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系抽象形態(tài)：源于現(xiàn)實世界、經(jīng)驗。從科學(xué)的角度分析建模，例如：A=學(xué)生，屬性，碼, , E-R圖，關(guān)系模型理論形態(tài)：源于數(shù)學(xué)，是抽象的抽象。如：T=關(guān)系代數(shù)，關(guān)系演算，數(shù)據(jù)依賴?yán)碚?，設(shè)計形態(tài)：源于工程，并用于系統(tǒng)和設(shè)備的開發(fā)，以實現(xiàn)給定的任務(wù)。例如：D=“學(xué)生選課”應(yīng)用軟件， “學(xué)生選課”需求說明書，第14頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星

10、期三 三個過程學(xué)科主領(lǐng)域抽象理論設(shè)計1離散結(jié)構(gòu)（DS）xx2程序設(shè)計基礎(chǔ)（PF）x3算法與復(fù)雜性（AL）xxx4體系結(jié)構(gòu)（AR）xxx5操作系統(tǒng) (OS)xxx6網(wǎng)絡(luò)計算(NC)xxx7程序設(shè)計語言(PL)xxx8人機(jī)交互(HC)xxx9圖形學(xué)和可視化計算(GV)xxx10智能系統(tǒng)(IS)xxx11信息管理(IM)xxx12軟件工程(SE)xxx13社會和職業(yè)的問題(SP)x14科學(xué)計算(CN)xxx計算學(xué)科的二維定義矩陣2、計算學(xué)科中的三個學(xué)科形態(tài)第15頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三二維定義矩陣與計算學(xué)科本質(zhì)問題“橫向”關(guān)系的內(nèi)容抽象、理論、設(shè)計 3個過程的內(nèi)在聯(lián)

11、系與發(fā)展規(guī)律的內(nèi)容。“縱向”關(guān)系的內(nèi)容即各分支領(lǐng)域中所具有的共同能反映學(xué)科某一方面本質(zhì)特征的內(nèi)容。形成學(xué)科認(rèn)知領(lǐng)域的理論體系-計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論矩陣中的科學(xué)問題，3個形態(tài)與核心概念、數(shù)學(xué)方法、系統(tǒng)科學(xué)方法、形式化技術(shù)、社會和職業(yè)問題構(gòu)成了方法論的主要內(nèi)容。把握計算學(xué)科的本質(zhì)問題歸約為把握二維定義矩陣的本質(zhì)問題 。第16頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三（1）抽象形態(tài)一般科學(xué)技術(shù)方法論中的抽象形態(tài)科學(xué)抽象是指在思維中對同類事物去除其現(xiàn)象的、次要的方面，抽取其共同的、主要的方面，從而做到從個別中把握一般，從現(xiàn)象中把握本質(zhì)的認(rèn)知過程和思維方法。科學(xué)抽象是科學(xué)認(rèn)識由感性認(rèn)識

12、向理性認(rèn)識飛躍的決定性環(huán)節(jié)。抽象源于現(xiàn)實世界，源于經(jīng)驗，是對現(xiàn)實原形的理想化。盡管理想化后的現(xiàn)實原形與現(xiàn)實事物有了質(zhì)的區(qū)別，但嚴(yán)格來說還是粗糙的、近似的。因此，要實現(xiàn)對事物本質(zhì)的認(rèn)識還必須通過經(jīng)驗與理性的結(jié)合，完成從抽象到抽象的升華。按人們對客觀事物認(rèn)識的先后次序，將抽象列為第一個學(xué)科形態(tài)，理論列為第二個學(xué)科形態(tài)。第17頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三計算學(xué)科中的抽象形態(tài)抽象源于實驗科學(xué)。按客觀現(xiàn)象的研究過程，抽象形態(tài)包括以下4個步驟的內(nèi)容： （1）形成假設(shè)； （2）建造模型并作出預(yù)測； （3）設(shè)計實驗并收集數(shù)據(jù)； （4）對結(jié)果進(jìn)行分析。在“學(xué)生選課”例子中，有關(guān)抽象

13、形態(tài)的內(nèi)容可以用集合的方式表示為： A=學(xué)生，屬性，碼，關(guān)系，E-R圖，關(guān)系模型，對“學(xué)生選課”問題的抽象就是通過建立“學(xué)生選課”的E-R模型和關(guān)系模型來實現(xiàn)的。第18頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三一般科學(xué)技術(shù)方法論中的理論形態(tài)科學(xué)認(rèn)識由感性階段上升為理性階段，就形成了科學(xué)理論?？茖W(xué)理論是經(jīng)過實踐檢驗的系統(tǒng)化了的科學(xué)知識體系，它是由科學(xué)概念、科學(xué)原理以及對這些概念、原理的理論論證所組成的體系。理論源于數(shù)學(xué)，是從抽象到抽象的升華，它們已經(jīng)完全脫離現(xiàn)實事物，不受現(xiàn)實事物的限制，更能把握事物的本質(zhì)。（2）理論形態(tài)第19頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星

14、期三在計算學(xué)科中，從統(tǒng)一的理論發(fā)展過程來看，理論形態(tài)包括以下4個步驟的內(nèi)容：（1）表述研究對象的特征（定義和公理）；（2）假設(shè)對象之間的基本性質(zhì)和對象之間可能存在的關(guān)系（定理）；（3）確定這些關(guān)系是否為真（證明）；（4）結(jié)論。在與“學(xué)生選課”例子有關(guān)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中，理論形態(tài)的主要內(nèi)容可以用集合的方式表示為：T=關(guān)系代數(shù)，關(guān)系演算，數(shù)據(jù)依賴?yán)碚?，在?shù)據(jù)庫理論的指導(dǎo)下，在關(guān)系模型（感性認(rèn)識）的基礎(chǔ)上，建立對“學(xué)生選課”問題的理性認(rèn)識，從而為“學(xué)生選課”管理系統(tǒng)的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。計算學(xué)科中的理論形態(tài)第20頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三設(shè)計形態(tài)與抽象、理論兩個形態(tài)存在的聯(lián)

15、系設(shè)計源于工程，并用于系統(tǒng)或設(shè)備的開發(fā)，以實現(xiàn)給定的任務(wù)。設(shè)計形態(tài)（技術(shù)方法）和抽象、理論兩個形態(tài)（科學(xué)方法）具有許多共同的特點。設(shè)計作為變革、控制和利用自然界的手段，必須以對自然規(guī)律的認(rèn)識為前提，可以是科學(xué)形態(tài)的認(rèn)識，也可以是經(jīng)驗形態(tài)的認(rèn)識。（3）設(shè)計形態(tài)一般科學(xué)技術(shù)方法論中的設(shè)計形態(tài)第21頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三設(shè)計形態(tài)與抽象、理論兩個形態(tài)存在的聯(lián)系設(shè)計要達(dá)到變革、控制和利用自然界的目的，必須創(chuàng)造出相應(yīng)的人工系統(tǒng)和人工條件，還必須認(rèn)識自然規(guī)律在這些人工系統(tǒng)中和人工條件下的具體表現(xiàn)形式。所以，科學(xué)認(rèn)識方法（抽象、理論兩個形態(tài)），對具有設(shè)計形態(tài)的技術(shù)研究和開發(fā)

16、是有作用的。設(shè)計形態(tài)的主要特征（抽象、理論形態(tài)的區(qū)別）設(shè)計形態(tài)具有較強(qiáng)的實踐性。設(shè)計形態(tài)具有較強(qiáng)的社會性。設(shè)計形態(tài)具有較強(qiáng)的綜合性。一般科學(xué)技術(shù)方法論中的設(shè)計形態(tài)第22頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三在計算學(xué)科中，從為解決某個問題而實現(xiàn)系統(tǒng)的過程來看，設(shè)計形態(tài)包括以下4個步驟的內(nèi)容：（1）需求分析；（2）建立規(guī)格說明；（3）設(shè)計并實現(xiàn)該系統(tǒng)；（4）對系統(tǒng)進(jìn)行測試與分析。設(shè)計、抽象和理論3個形態(tài)針對具體的研究領(lǐng)域均起作用。在具體研究中，就是要在理論的指導(dǎo)下，運用抽象工具進(jìn)行各種設(shè)計工作，最終的成果將是計算機(jī)的軟硬件系統(tǒng)及其相關(guān)資料（如需求說明、規(guī)格說明、設(shè)計說明等）。

17、計算學(xué)科中的設(shè)計形態(tài)第23頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三3、計算機(jī)語言的發(fā)展： 三個學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系 計算機(jī)語言在計算學(xué)科中占有特殊的地位，它深刻地影響著計算學(xué)科各個領(lǐng)域的發(fā)展。本節(jié)從自然語言與形式化語言、圖靈機(jī)和馮諾依曼型計算機(jī)、機(jī)器指令與匯編語言、計算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)、高級語言、應(yīng)用語言的形式化問題等方面，介紹計算機(jī)語言發(fā)展過程中3個學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系。 自然語言與形式語言 圖靈機(jī)與馮諾依曼型計算機(jī) 機(jī)器指令與匯編語言 以虛擬機(jī)的觀點來劃分計算機(jī)的層次結(jié)構(gòu) 高級語言 應(yīng)用語言 第24頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三3.1 自然語言與形式語

18、言 自然語言的定義人類的語言(文字)是人類最普遍使用的符號系統(tǒng)。其最基本、最普遍的形式是自然語言符號系統(tǒng)。自然語言是某一社會發(fā)展中形成的一種民族語言。例如，漢語、英語、法語和俄語等。 自然語言符號系統(tǒng)的基本特征歧義性；不夠嚴(yán)格和不夠統(tǒng)一的語法結(jié)構(gòu)。第25頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三 形式語言的定義人們在自然語言符號系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，逐步建立起了人工語言符號系統(tǒng)，使語言符號保持其單一性、無歧義性和明確性。人工語言符號系統(tǒng)發(fā)展的第二階段叫形式語言。形式語言是進(jìn)行形式化工作的元語言，它是以數(shù)學(xué)和數(shù)理邏輯為基礎(chǔ)的科學(xué)語言。 形式語言的基本特點有一組初始的、專門的符號集；有一組

19、精確定義的，由初始的、專門的符號組成的符號串轉(zhuǎn)換成另一個符號串的規(guī)則。不允許出現(xiàn)根據(jù)形成規(guī)則無法確定的符號串。第26頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三3.2 圖靈機(jī) 圖靈的觀點及結(jié)論凡是能用算法方法解決的問題，也一定能用圖靈機(jī)解決；凡是圖靈機(jī)解決不了的問題，任何算法也解決不了。 圖靈機(jī)的特征圖靈機(jī)由一條兩端可無限延長的帶子、一個讀寫頭、一組控制讀寫頭工作的命令組成。圖靈機(jī)的帶子被劃分為一系列方格，讀寫頭可以左右移動，在方格上進(jìn)行讀寫。b表示空格第27頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三 圖靈機(jī)的工作原理一個給定機(jī)器的“程序”認(rèn)為是機(jī)器內(nèi)的五元組形式

20、的指令集。五元組定義了機(jī)器在一個特定狀態(tài)下讀入一個特定字符時所采取的動作，包括機(jī)器當(dāng)前狀態(tài)、讀入的符號、寫入的符號、移動方向、下一步機(jī)器的狀態(tài)。 實例：P67q1 0 1 L q2q1 1 0 L q3q1 b b N q4第28頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三3.3 馮諾依曼型計算機(jī) 1946年6月，美國數(shù)學(xué)家馮諾依曼（Von Neumann）及其同事完成了關(guān)于“電子計算裝置邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計”的研究報告，提出了馮諾依曼計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。至今為止，大多數(shù)計算機(jī)采用的仍然是馮諾依曼計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，只是作了一些改進(jìn)而已。因此，馮諾依曼被人們譽為“計算機(jī)器之父”。 馮諾依曼計

21、算機(jī)體系結(jié)構(gòu)由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等5個基本部件組成。提出二個重要概念:保存程序和數(shù)據(jù)的存儲器指令的順序執(zhí)行第29頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三 馮諾依曼計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第30頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三3.4 機(jī)器指令與匯編語言機(jī)器指令CPU能識別的二進(jìn)制編碼指令。機(jī)器語言：指令集合以及編碼系統(tǒng)。在裸機(jī)級，計算機(jī)語言關(guān)于算法的描述采用的是機(jī)器指令，它的符號集是 0, 1 。匯編語言：符號化語言，采用字符和十進(jìn)制數(shù)來代替二進(jìn)制代碼的思想。 裸機(jī)級計算機(jī)語言中三個形態(tài)語言的符號集為：0，1；用機(jī)器指令對算法進(jìn)行描述抽象理論設(shè)計計算機(jī)語言：裸機(jī)級的主要內(nèi)容和成果圖靈機(jī)（過程語言的基礎(chǔ)）、波斯特系統(tǒng)（字符串處理語言的基礎(chǔ)）、-演算（函數(shù)式語言的基礎(chǔ)）等計算模型馮諾依曼型計算機(jī)等實現(xiàn)技術(shù)；數(shù)字電子計算機(jī)產(chǎn)品第31頁，共35頁，2022年，5月20日，21點52分，星期三3.5 以虛擬機(jī)的觀點劃分計算機(jī)的層次結(jié)構(gòu) 虛擬機(jī)：抽象的計算機(jī)由軟件實現(xiàn)，并與實際機(jī)器一樣，都具有一個指令集并可以使用不同的存儲區(qū)域。一臺機(jī)器上配有C語言和Pascal語言的編譯程序，對C語言用戶來說，這臺機(jī)器就是以C語言為機(jī)器語言的