計算科學(xué)導(dǎo)論三市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

/10/101計算科學(xué)導(dǎo)論(三)計算機與信息學(xué)院蔣川qjiang@10月第1頁第1頁/10/102計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題離散結(jié)構(gòu)程序設(shè)計基礎(chǔ)算法與復(fù)雜性體系結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計算程序設(shè)計語言人機交互圖形學(xué)和可視化計算智能系統(tǒng)信息系統(tǒng)軟件工程社會和職業(yè)問題科學(xué)計算第2頁第2頁/10/103離散結(jié)構(gòu)計算學(xué)科主線問題是“能行性”問題。而但凡與“能行性”相關(guān)討論，都是處理離散對象許多領(lǐng)域工作都要用到離散結(jié)構(gòu)概念包括：集合論、數(shù)理邏輯、代數(shù)系統(tǒng)、圖論和組合數(shù)學(xué)等主要內(nèi)容計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第3頁第3頁/10/104離散結(jié)構(gòu)離散結(jié)構(gòu)內(nèi)容在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法有廣泛應(yīng)用在形式規(guī)約、驗證以及密碼學(xué)研究和學(xué)習(xí)中，需要有生成并理解形式證實能力在計算機網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、編譯系統(tǒng)等領(lǐng)域要用到圖論概念在軟件工程和數(shù)據(jù)庫等領(lǐng)域需要使用集合論概念計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第4頁第4頁/10/105程序設(shè)計基礎(chǔ)程序設(shè)計實踐中所需要基本技能和概念構(gòu)成包括：基本程序設(shè)計概念、基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、算法程序等基本問題：①對給定問題，如何進(jìn)行有效描述并給出算法②如何正確選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？③如何進(jìn)行設(shè)計、編碼、測試和調(diào)試程序？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第5頁第5頁/10/106算法與復(fù)雜性算法是計算機科學(xué)與軟件工程基礎(chǔ)現(xiàn)實世界中任何軟件系統(tǒng)性能僅依賴于兩個方面：①所選擇算法②在各不同層次實現(xiàn)效率計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第6頁第6頁/10/107算法與復(fù)雜性算法研究能夠深刻理解問題本質(zhì)和也許求解技術(shù)，而不依賴于詳細(xì)程序設(shè)計語言、程序設(shè)計模式、計算機硬件或其它任何與實現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容計算一個主要內(nèi)容就是依據(jù)特定目的選擇適當(dāng)算法并加以利用，同時結(jié)識到也許存在不適當(dāng)算法計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第7頁第7頁/10/108算法與復(fù)雜性依賴于對那些含有良好定義主要問題求解算法理解，以及結(jié)識到這些算法優(yōu)缺點和它們在特定環(huán)境中適宜性效率是貫穿該領(lǐng)域關(guān)鍵概念計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第8頁第8頁/10/109算法與復(fù)雜度基本問題：①對于給定問題類，最好算法是什么？要求存儲空間和計算時間有多少？空間和時間如何折中？②訪問數(shù)據(jù)最好辦法是什么？③算法最好和最壞情況是什么？④算法平均性能如何？⑤算法通用性如何？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第9頁第9頁/10/1010體系結(jié)構(gòu)對計算機系統(tǒng)功效部件、功效特定、性能和互相作用有一定理解為了結(jié)構(gòu)程序，需要理解計算機體系結(jié)構(gòu)，從而使該程序在一臺真正機器上更有效地運營在選擇用于應(yīng)用系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)理解各種部件之間折中，如CPU、時鐘頻率與內(nèi)存大小折中7.4計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第10頁第10頁/10/1011體系結(jié)構(gòu)基本問題：①實現(xiàn)處理器、內(nèi)存和機內(nèi)通信辦法是什么？②如何設(shè)計和控制大型計算系統(tǒng)，并且使其令人相信，盡管存在錯誤和失敗，但它仍然是按照我們意圖工作？③哪種類型體系結(jié)構(gòu)能有效地包括許多在一個計算中能并行工作處理元素？④如何度量性能？7.4計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第11頁第11頁/10/1012操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是對計算機硬件行為抽象，程序員用它來對硬件進(jìn)行控制操作系統(tǒng)還負(fù)責(zé)管理計算機用戶間共享資源（如文獻(xiàn)等）操作系統(tǒng)及其抽象機制相對于應(yīng)用軟件愈加復(fù)雜，要求學(xué)生在系統(tǒng)學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)內(nèi)部算法實現(xiàn)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之前，對操作系統(tǒng)有進(jìn)一步理解計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第12頁第12頁/10/1013操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)課程不但要強調(diào)操作系統(tǒng)使用（外部特性），還要強調(diào)它設(shè)計和實現(xiàn)（內(nèi)部特性）操作系統(tǒng)中許多思想在其它計算科學(xué)領(lǐng)域用廣泛應(yīng)用，比如：并行程序設(shè)計、算法設(shè)計與實現(xiàn)、虛擬環(huán)境創(chuàng)建、網(wǎng)絡(luò)高速緩存、安全系統(tǒng)創(chuàng)建、網(wǎng)絡(luò)管理等計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第13頁第13頁/10/1014操作系統(tǒng)基本問題：①在計算機系統(tǒng)操作每一個級別上，可見對象和允許進(jìn)行操作各是什么？②對每一類資源，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效利用最小操作集是什么？③如何組織接口才干使得用戶只需與抽象資源而非硬件物理細(xì)節(jié)打交道？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第14頁第14頁/10/1015操作系統(tǒng)基本問題：④作業(yè)調(diào)度、內(nèi)存管理、通信、軟件資源訪問、并發(fā)任務(wù)間通信以及可靠性與安全控制策略是什么？⑤通過少數(shù)結(jié)構(gòu)規(guī)則重復(fù)使用進(jìn)行系統(tǒng)功效擴展原則是什么？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第15頁第15頁/10/1016網(wǎng)絡(luò)計算包括：計算機通信協(xié)議概念和協(xié)議、多媒體系統(tǒng)、Web原則和技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全、移動計算以及分布式系統(tǒng)等要精通這個領(lǐng)域，必須有理論和實踐兩方面知識實踐教學(xué)包括：數(shù)據(jù)搜集和綜合、建模、源代碼級協(xié)議分析、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包監(jiān)控、軟件結(jié)構(gòu)以及對備選設(shè)計模型評估等計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第16頁第16頁/10/1017算法與復(fù)雜度基本問題：①網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)如何進(jìn)行互換？②網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如何驗證？③如何確保網(wǎng)絡(luò)安全？④分布式計算性能如何評價？⑤分布式計算如何組織才干夠使通過通信網(wǎng)連接在一起自主計算機參與到一項計算中，而網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、主機地址、帶寬和資源則含有透明性？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第17頁第17頁/10/1018程序設(shè)計語言是程序員與計算機交流主要工具一個程序員不但要最少掌握一個程序設(shè)計語言，更要了解各種程序設(shè)計語言不同格調(diào)為了快速掌握一門新語言，程序員必須了解程序設(shè)計語言語義以及在不同程序設(shè)計范式之間設(shè)計上折中為了了解程序設(shè)計語言實用一面，還要求含有程序設(shè)計語言翻譯和諸如存放分派等方面基礎(chǔ)知識計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第18頁第18頁/10/1019程序設(shè)計語言基本問題：①語言（數(shù)據(jù)類型、操作、控制結(jié)構(gòu)、引進(jìn)類型和操作機制）表示虛擬機也許組織結(jié)構(gòu)是什么？②語言如何定義機器？機器如何定義語言？③什么樣表示法（語義）能夠有效地用于描述計算機應(yīng)當(dāng)做什么？7.4計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第19頁第19頁/10/1020人機交互重點在于理解作為交互式對象人行為，知道如何使用以人為中心辦法來開發(fā)和評價交互式軟件系統(tǒng)基本問題：①表示物體和自動產(chǎn)生供閱覽照片有效辦法是什么？②接受輸入和給出輸出有效辦法是什么？③如何才干減少產(chǎn)生誤解和由此產(chǎn)生人為錯誤風(fēng)險？④圖表和其它工具如何才干通過存儲在數(shù)據(jù)集中信息去理解物理現(xiàn)象？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第20頁第20頁/10/1021圖形學(xué)和可視化計算——計算機圖形學(xué)研究如何用計算機生成、處理和顯示圖形一個學(xué)科分支領(lǐng)域，目的是對人視覺中心及其它認(rèn)知中心有進(jìn)一步進(jìn)一步理解詳細(xì)要求：①要求表示信息和結(jié)構(gòu)應(yīng)有助于圖像產(chǎn)生和觀測②要求以便用戶，使之能夠通過精心設(shè)計設(shè)備和技術(shù)與模型進(jìn)行交互③要求提供繪制模型技術(shù)④要求設(shè)計有助于圖像保留計算計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第21頁第21頁/10/1022圖形學(xué)和可視化計算——可視化指使用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示，并進(jìn)行交互處理理論、辦法和技術(shù)可視化技術(shù)主要是摸索人類視覺能力以及聲音和觸覺（觸摸）；其目的在于，通過它們進(jìn)一步發(fā)覺人類信息處理過程計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第22頁第22頁/10/1023圖形學(xué)和可視化計算——虛擬現(xiàn)實是綜合利用計算機三維圖形技術(shù)、仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等合成一個虛擬環(huán)境，這種環(huán)境是計算機生成一個以視覺感受為主，也包括視覺、觸覺綜合可感知人工環(huán)境，是計算機與用戶之間一個更為理性化人—機界面形式。計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第23頁第23頁/10/1024圖形學(xué)和可視化計算——計算機視覺研究如何利用計算機實現(xiàn)人視覺功效（包括對客觀世界三維場景感知、辨認(rèn)和理解）一個分支領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C視覺理解和實踐取決于計算學(xué)科中關(guān)鍵概念，但也和物理、數(shù)學(xué)和心理學(xué)等密切相關(guān)計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第24頁第24頁/10/1025圖形學(xué)和可視化計算基本問題：①如何選擇支撐圖像產(chǎn)生以及信息瀏覽更加好模型?②如何提取科學(xué)（計算和醫(yī)學(xué)）和更抽象相關(guān)數(shù)據(jù)？③圖像形成過程解釋和分析辦法計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第25頁第25頁/10/1026智能系統(tǒng)人工智能關(guān)注是自主系統(tǒng)設(shè)計和分析有些是軟件系統(tǒng)，而有些系統(tǒng)還配有傳感器和傳送器（如機器人或航天器），一個智能系統(tǒng)要有感知環(huán)境、執(zhí)行既定任務(wù)以及與其它代理進(jìn)行交流能力這些能力包括計算機視覺、規(guī)劃和動作、機器人學(xué)、多代理系統(tǒng)、語音辨認(rèn)和自然語言理解等計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第26頁第26頁/10/1027智能系統(tǒng)智能系統(tǒng)依賴于一整套關(guān)于問題求解、搜索算法以及機器學(xué)習(xí)技術(shù)專門知識表示機制和推理機制人工智能為求解其它辦法難以處理或者不太現(xiàn)實問題提供了一些技術(shù)，包括：啟發(fā)式搜索和規(guī)劃算法、知識表示形式化機制、機器學(xué)習(xí)技術(shù)以及語言理解、計算機視覺、機器人學(xué)等領(lǐng)域中所包括感知和動作問題辦法要求學(xué)生能夠針對特定問題選擇適當(dāng)辦法處理問題計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第27頁第27頁/10/1028智能系統(tǒng)基本問題：①基本行為模型是什么？如何建造模擬它們機器?②規(guī)則評估、推理、演繹和模式計算在多大程度上描述了智能？③通過這些辦法模擬行為機器最后性能如何？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第28頁第28頁/10/1029智能系統(tǒng)基本問題：④傳感數(shù)據(jù)如何編碼才使得相同模式有相同代碼？⑤電機編碼如何與傳感編碼相關(guān)聯(lián)？⑥學(xué)習(xí)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如何？⑦這些系統(tǒng)是如何表示它們對這個世界理解？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第29頁第29頁/10/1030信息系統(tǒng)涉及：信息獲取、信息數(shù)字化、信息表示、組織、轉(zhuǎn)化和信息表現(xiàn)；有效地訪問和更新存儲信息算法、數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)抽象以及物理文獻(xiàn)存儲技術(shù)、共享數(shù)據(jù)信息安全、隱私性、完備性和保護(hù)能夠建立概念和物理上數(shù)據(jù)模型，對于給定問題，能夠選擇和實現(xiàn)適合信息管理解決方案計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第30頁第30頁/10/1031信息系統(tǒng)基本問題：①使用什么樣建模概念來表示數(shù)據(jù)元素及其互相關(guān)系?②如何把基本操作（如存儲、定位、匹配和恢復(fù)）組合成有效事務(wù)？③這些事務(wù)如何才干與用戶有效地進(jìn)行交互？④高級查詢?nèi)绾畏g成高質(zhì)量程序？⑤哪種機器體系結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)行有效恢復(fù)和更新？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第31頁第31頁/10/1032信息系統(tǒng)基本問題：⑥如何保護(hù)數(shù)據(jù)，以避免非授權(quán)訪問、泄露和破壞？⑦如何保護(hù)大型數(shù)據(jù)庫，以避免由于同時更新引起不一致性？⑧當(dāng)數(shù)據(jù)分布在許多機器上時如何保護(hù)數(shù)據(jù)、確保性能？⑨文本如何索引和分類才干夠進(jìn)行有效恢復(fù)？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第32頁第32頁/10/1033軟件工程是一門關(guān)于如何有效構(gòu)建滿足用戶需求軟件系統(tǒng)所需理論、知識和實踐學(xué)科適應(yīng)各種軟件開發(fā)，包括：需求分析和規(guī)格、設(shè)計、構(gòu)建、測試、運營和維護(hù)等軟件系統(tǒng)生存周期所有階段使用工程化辦法、過程、技術(shù)和度量原則計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第33頁第33頁/10/1034軟件工程工含有管理軟件開發(fā)工具、軟件產(chǎn)品分析和建模、質(zhì)量評估和控制工具、確保有條不紊且有控制實行軟件進(jìn)化和復(fù)用工具軟件可由一個開發(fā)者或者一組開發(fā)者進(jìn)行開發(fā)，他們需要選擇最適合已知開發(fā)環(huán)境工具和辦法質(zhì)量、進(jìn)度、成本等要素對軟件系統(tǒng)生產(chǎn)都是十分主要計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第34頁第34頁/10/1035軟件工程基本問題：①程序和程序設(shè)計系統(tǒng)發(fā)展原理是什么?②怎樣證實一個程序或系統(tǒng)滿足其規(guī)格說明？③怎樣編寫不忽略主要情況且能用于安全分析規(guī)格說明？④軟件系統(tǒng)是怎樣歷經(jīng)不同各代進(jìn)行演化？⑤怎樣從可了解性和易修改性著手設(shè)計軟件？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第35頁第35頁/10/1036社會和職業(yè)問題基本問題：①計算學(xué)科本身文化、社會、法律和道德問題②相關(guān)計算社會影響問題以及如何評價也許一些答案問題③哲學(xué)問題④技術(shù)問題以及美學(xué)問題計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題第36頁第36頁/10/1037科學(xué)計算數(shù)值計算許多有價值思想和技術(shù)，包括數(shù)值表示精度、誤差分析、數(shù)值技術(shù)、建模和仿真。領(lǐng)域：分子力學(xué)、流體力學(xué)、天體力學(xué)、經(jīng)濟預(yù)測、優(yōu)化問題、材料結(jié)構(gòu)化分析、生物信息學(xué)、計算生物學(xué)、地質(zhì)建模、X斷層照相術(shù)計算機化計算科學(xué)各主