第3章學(xué)科形態(tài)和內(nèi)在聯(lián)系2015

1、第第3章章 學(xué)科形態(tài)和內(nèi)在聯(lián)系學(xué)科形態(tài)和內(nèi)在聯(lián)系內(nèi)容提要內(nèi)容提要o 一個(gè)實(shí)例：感性認(rèn)識(shí)、理性認(rèn)識(shí)、設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)例：感性認(rèn)識(shí)、理性認(rèn)識(shí)、設(shè)計(jì) o 計(jì)算學(xué)科中的三個(gè)學(xué)科形態(tài)計(jì)算學(xué)科中的三個(gè)學(xué)科形態(tài)o 三個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系三個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系o 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展三個(gè)學(xué)科形態(tài)：抽象，理論，設(shè)計(jì)三個(gè)學(xué)科形態(tài)：抽象，理論，設(shè)計(jì) o 認(rèn)識(shí)過(guò)程認(rèn)識(shí)過(guò)程n 感性認(rèn)識(shí)感性認(rèn)識(shí)(抽象抽象)理性認(rèn)識(shí)理性認(rèn)識(shí)(理論理論)實(shí)踐實(shí)踐(設(shè)計(jì)設(shè)計(jì))o 科學(xué)技術(shù)方法論科學(xué)技術(shù)方法論n抽象、理論抽象、理論和和設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 3個(gè)過(guò)程稱為學(xué)科形態(tài)個(gè)過(guò)程稱為學(xué)科形態(tài)n抽象、理論抽象、理論和和設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)是其研究的主要內(nèi)容是其研

2、究的主要內(nèi)容o 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論n 是對(duì)計(jì)算領(lǐng)域認(rèn)識(shí)和實(shí)踐過(guò)程中一般方法及其性質(zhì)、是對(duì)計(jì)算領(lǐng)域認(rèn)識(shí)和實(shí)踐過(guò)程中一般方法及其性質(zhì)、特點(diǎn)、內(nèi)在聯(lián)系和變化發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)研究的學(xué)問(wèn)。特點(diǎn)、內(nèi)在聯(lián)系和變化發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)研究的學(xué)問(wèn)。n 三個(gè)學(xué)科形態(tài)三個(gè)學(xué)科形態(tài)概括了計(jì)算學(xué)科的基本內(nèi)容。概括了計(jì)算學(xué)科的基本內(nèi)容。引引 言言o 現(xiàn)實(shí)問(wèn)題現(xiàn)實(shí)問(wèn)題: n 現(xiàn)給出現(xiàn)給出“學(xué)生學(xué)生”和和“課程課程”二個(gè)實(shí)體，它們的聯(lián)二個(gè)實(shí)體，它們的聯(lián)系為：一個(gè)學(xué)生可以選修若干門課程，每門課程系為：一個(gè)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(gè)信息管理系統(tǒng)，可以被任意學(xué)生所選修。建立一個(gè)信息

3、管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)以實(shí)現(xiàn)對(duì)“學(xué)生選課學(xué)生選課”這一信息的管理。這一信息的管理。o 解題步驟解題步驟:n 感性認(rèn)識(shí)感性認(rèn)識(shí)(抽象抽象)：概念模型：概念模型(E-R模型模型)，數(shù)據(jù)模型，數(shù)據(jù)模型n 理性認(rèn)識(shí)（理論）：理性認(rèn)識(shí)（理論）：關(guān)系模型的形式化關(guān)系模型的形式化n 實(shí)踐（設(shè)計(jì)）：實(shí)踐（設(shè)計(jì)）：關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、編程關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、編程1、一個(gè)關(guān)于、一個(gè)關(guān)于“學(xué)生選課學(xué)生選課”的例子的例子概念模型概念模型o 用于用于信息世界信息世界的建模，是客觀世界到信息世界的的建模，是客觀世界到信息世界的抽象。抽象。o 概念模型中的主要概念有：實(shí)體、屬性、碼、域、概念模型中的主要概念有：實(shí)體、屬性、碼、域、聯(lián)系等。聯(lián)系

4、等。n 實(shí)體：客觀存在并可相互區(qū)別的事物。實(shí)體：客觀存在并可相互區(qū)別的事物。n 屬性：實(shí)體所具有的某一種特性。屬性：實(shí)體所具有的某一種特性。n 碼：能惟一標(biāo)識(shí)實(shí)體的屬性集。碼：能惟一標(biāo)識(shí)實(shí)體的屬性集。n 域：屬性的取值范圍。域：屬性的取值范圍。n 聯(lián)系：指不同實(shí)體集之間的聯(lián)系。聯(lián)系：指不同實(shí)體集之間的聯(lián)系。 兩個(gè)實(shí)體之間的聯(lián)系分為：一對(duì)一（兩個(gè)實(shí)體之間的聯(lián)系分為：一對(duì)一（1:1）、一）、一對(duì)對(duì) 多（多（1:N）、多對(duì)多（）、多對(duì)多（N:M）3類。類。 E-R模型（模型（Entity-Relationship）o 1976年，美籍華人陳平山提出的年，美籍華人陳平山提出的實(shí)體實(shí)體-聯(lián)系方法聯(lián)系方法

5、。o 用用E-R模型模型來(lái)描述客觀世界并建立來(lái)描述客觀世界并建立概念模型概念模型的抽象方的抽象方法，從中抽取實(shí)體和實(shí)體間的聯(lián)系。法，從中抽取實(shí)體和實(shí)體間的聯(lián)系。o 實(shí)體用矩形表示，屬性用橢圓形表示，聯(lián)系用菱形實(shí)體用矩形表示，屬性用橢圓形表示，聯(lián)系用菱形表示，實(shí)體間的聯(lián)系有表示，實(shí)體間的聯(lián)系有3種：種：1:1，1:N，N:Mo 要實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀事物的感性認(rèn)識(shí)，必須將客觀世界要實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀事物的感性認(rèn)識(shí)，必須將客觀世界（如（如“學(xué)生選課學(xué)生選課”）抽象為信息世界。）抽象為信息世界。o 聯(lián)系也可以有屬性。聯(lián)系也可以有屬性。o E-R模型模型是各種是各種數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型的共同基礎(chǔ)，它比的共同基礎(chǔ)，它比數(shù)據(jù)模

6、型數(shù)據(jù)模型更一般、更抽象、更現(xiàn)實(shí)世界。更一般、更抽象、更現(xiàn)實(shí)世界。選修選修學(xué)生學(xué)生課程課程mn學(xué)生選課學(xué)生選課E-R圖圖關(guān)系模型：關(guān)系模型：學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別）學(xué)生（學(xué)號(hào)，姓名，年齡，性別）課程（課程號(hào)，課程名）課程（課程號(hào)，課程名）學(xué)生選課（學(xué)號(hào)，課程號(hào)，成績(jī)）學(xué)生選課（學(xué)號(hào)，課程號(hào)，成績(jī)）性別年齡學(xué)號(hào)性別成績(jī)課程號(hào)課程名數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型o 概念模型概念模型不是機(jī)器世界所支持的不是機(jī)器世界所支持的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型，而是客觀世界到機(jī)器世界的一個(gè)中間層次。而是客觀世界到機(jī)器世界的一個(gè)中間層次。n 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。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

7、。n 在數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（在數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）能支持）能支持的的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型有：有：層次模型，網(wǎng)狀模型，關(guān)系模型，面層次模型，網(wǎng)狀模型，關(guān)系模型，面向?qū)ο竽Ｐ拖驅(qū)ο竽Ｐ蚾 關(guān)系模型關(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)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。件三部分組成。n 其中關(guān)系就是一張二維表。其中關(guān)系就是一張二維表。n 關(guān)系模型：關(guān)系模型：前圖前圖對(duì)對(duì)“學(xué)生選課學(xué)生選課”的感性認(rèn)識(shí)的感性認(rèn)識(shí)o “學(xué)生選課學(xué)生選課”的的感性認(rèn)識(shí)感性認(rèn)

8、識(shí)n 概念模型概念模型n 實(shí)體實(shí)體-關(guān)系（關(guān)系（E-R）模型）模型n 數(shù)據(jù)模型：關(guān)系模型數(shù)據(jù)模型：關(guān)系模型o 感性認(rèn)識(shí)中存在的問(wèn)題感性認(rèn)識(shí)中存在的問(wèn)題n 在學(xué)生關(guān)系中增加系名、系主任等屬性時(shí)，出現(xiàn)在學(xué)生關(guān)系中增加系名、系主任等屬性時(shí)，出現(xiàn)插入異常、刪除異常問(wèn)題。例如，未招學(xué)生時(shí)無(wú)插入異常、刪除異常問(wèn)題。例如，未招學(xué)生時(shí)無(wú)法將系名和系主任插入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。法將系名和系主任插入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。n 冗余太大，系名和系主任重復(fù)。冗余太大，系名和系主任重復(fù)。o 如何解決？如何解決？n 理性認(rèn)識(shí)（理論）理性認(rèn)識(shí)（理論）n 使問(wèn)題形式化，內(nèi)容與形式分開(kāi)。使問(wèn)題形式化，內(nèi)容與形式分開(kāi)。o問(wèn)題形式化：關(guān)系模式的形式化

9、定義問(wèn)題形式化：關(guān)系模式的形式化定義關(guān)系模式（關(guān)系模式（R）是一個(gè)四元組，即：）是一個(gè)四元組，即：R= 其中：（其中：（1）U表示關(guān)系中所有屬性的集合；表示關(guān)系中所有屬性的集合； （2）D表示屬性集合表示屬性集合U中屬性所來(lái)自的域；中屬性所來(lái)自的域； （3）dom是屬性到域的映射；是屬性到域的映射； （4）F是屬性集合是屬性集合U上的一組上的一組數(shù)據(jù)依賴數(shù)據(jù)依賴。 o數(shù)據(jù)依賴數(shù)據(jù)依賴n1NF的定義：每一個(gè)分量必須是不可再分的數(shù)據(jù)項(xiàng)。的定義：每一個(gè)分量必須是不可再分的數(shù)據(jù)項(xiàng)。n2NF的定義：的定義：R1NF，且每一個(gè)非主屬性不存在對(duì)碼的，且每一個(gè)非主屬性不存在對(duì)碼的部分函數(shù)依賴部分函數(shù)依賴。即每

10、一個(gè)非主屬性。即每一個(gè)非主屬性完全函數(shù)依賴完全函數(shù)依賴于碼。于碼。n3NF的定義：的定義：R2NF，且每一個(gè)非主屬性不存在對(duì)碼的，且每一個(gè)非主屬性不存在對(duì)碼的傳遞函數(shù)依賴傳遞函數(shù)依賴。nBCNF、4NF、5NF。對(duì)對(duì)“學(xué)生選課學(xué)生選課”的理性認(rèn)識(shí)的理性認(rèn)識(shí)簡(jiǎn)化為：簡(jiǎn)化為：R=o 例子最初是屬于例子最初是屬于1NF、2NF、3NF，但是當(dāng)在屬性集，但是當(dāng)在屬性集U中增加系名和系主任后，它就不屬于中增加系名和系主任后，它就不屬于3NF了。因?yàn)榱?。因?yàn)槌霈F(xiàn)了傳遞函數(shù)依賴：學(xué)號(hào)（碼）出現(xiàn)了傳遞函數(shù)依賴：學(xué)號(hào)（碼）系名，系名系名，系名系主任。系主任。o 不屬于不屬于3NF的所有關(guān)系模型都會(huì)出現(xiàn)插入異常、

11、刪的所有關(guān)系模型都會(huì)出現(xiàn)插入異常、刪除異常和冗余的問(wèn)題。除異常和冗余的問(wèn)題。n 還必須依靠分解算法對(duì)模式進(jìn)行分解，并滿足還必須依靠分解算法對(duì)模式進(jìn)行分解，并滿足3NF的要求。例如，可以再劃分一個(gè)關(guān)系，即系的要求。例如，可以再劃分一個(gè)關(guān)系，即系（系號(hào)，系名，系主任名），從而滿足了關(guān)系模（系號(hào)，系名，系主任名），從而滿足了關(guān)系模式規(guī)范化的要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)例子的理性認(rèn)識(shí)。式規(guī)范化的要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)例子的理性認(rèn)識(shí)。n 在數(shù)據(jù)依賴?yán)碚摰闹笇?dǎo)下，可完成模式的分解。在數(shù)據(jù)依賴?yán)碚摰闹笇?dǎo)下，可完成模式的分解?？偪?結(jié)：結(jié)：o 從從概念模型概念模型向滿足規(guī)范化要求的向滿足規(guī)范化要求的數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型（關(guān)系模（關(guān)系模

12、型）的轉(zhuǎn)換，其實(shí)質(zhì)是認(rèn)識(shí)過(guò)程由感性認(rèn)識(shí)（抽象）型）的轉(zhuǎn)換，其實(shí)質(zhì)是認(rèn)識(shí)過(guò)程由感性認(rèn)識(shí)（抽象）上升到理性認(rèn)識(shí)（理論）的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程包含兩上升到理性認(rèn)識(shí)（理論）的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程包含兩方面的內(nèi)容：方面的內(nèi)容：n 一方面是有關(guān)理論的建立；（如一方面是有關(guān)理論的建立；（如3NF）n 另一方面是如何在理論的指導(dǎo)下，在具體的設(shè)計(jì)另一方面是如何在理論的指導(dǎo)下，在具體的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的理性認(rèn)識(shí)。中，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的理性認(rèn)識(shí)。n 前者是對(duì)前者是對(duì)科學(xué)研究科學(xué)研究而言的，而后者是對(duì)而言的，而后者是對(duì)工程設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)而言的。而言的?！皩W(xué)生選課學(xué)生選課”系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)o “學(xué)生選課學(xué)生選課”的的

13、感性認(rèn)識(shí)感性認(rèn)識(shí)o “學(xué)生選課學(xué)生選課”的的理性認(rèn)識(shí)理性認(rèn)識(shí)o “學(xué)生選課學(xué)生選課”系統(tǒng)的系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)n 實(shí)現(xiàn)以上關(guān)系模型、數(shù)據(jù)庫(kù)、編程等。實(shí)現(xiàn)以上關(guān)系模型、數(shù)據(jù)庫(kù)、編程等。n 建立正確的關(guān)系模型后，根據(jù)具體的建立正確的關(guān)系模型后，根據(jù)具體的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)管理系統(tǒng)對(duì)該模型進(jìn)行定義：對(duì)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) )； . . . . . .o 完成對(duì)完成對(duì)“學(xué)生選課學(xué)生選課”的管理：的管理：輸入，修改，查詢輸入，修改

14、，查詢o 一個(gè)簡(jiǎn)單的查詢：一個(gè)簡(jiǎn)單的查詢： 查詢性別為男性、年齡在查詢性別為男性、年齡在20歲以上的所有學(xué)生的學(xué)號(hào)歲以上的所有學(xué)生的學(xué)號(hào)和姓名：和姓名：SELECT SNO, SNFROM STUDENTWHERE SEX=M AND SAGE20;三個(gè)學(xué)科形態(tài)及內(nèi)在聯(lián)系三個(gè)學(xué)科形態(tài)及內(nèi)在聯(lián)系o “學(xué)生選課學(xué)生選課”例子中三個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系例子中三個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系n 抽象形態(tài)：源于現(xiàn)實(shí)世界、經(jīng)驗(yàn)。從科學(xué)的角度抽象形態(tài)：源于現(xiàn)實(shí)世界、經(jīng)驗(yàn)。從科學(xué)的角度分析建模，例如：分析建模，例如：A=學(xué)生，屬性，碼學(xué)生，屬性，碼, , E-R圖，關(guān)系模型圖，關(guān)系模型n 理論形態(tài)：源于數(shù)學(xué)，是抽象的抽象

15、。如：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)碚摚P(guān)系代數(shù)，關(guān)系演算，數(shù)據(jù)依賴?yán)碚?，n 設(shè)計(jì)形態(tài)：源于工程，并用于系統(tǒng)和設(shè)備的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)形態(tài)：源于工程，并用于系統(tǒng)和設(shè)備的開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)給定的任務(wù)。例如：以實(shí)現(xiàn)給定的任務(wù)。例如：D=“學(xué)生選課學(xué)生選課”應(yīng)用軟件，應(yīng)用軟件， “學(xué)生選課學(xué)生選課”需求說(shuō)需求說(shuō)明書，明書， 三個(gè)過(guò)程三個(gè)過(guò)程學(xué)科主領(lǐng)域?qū)W科主領(lǐng)域抽象抽象理論理論設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)1離散結(jié)構(gòu)（離散結(jié)構(gòu)（DS）xx2程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（PF）x3算法與復(fù)雜性（算法與復(fù)雜性（AL）xxx4體系結(jié)構(gòu)（體系結(jié)構(gòu)（AR）xxx5操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) (OS)xxx6網(wǎng)絡(luò)計(jì)算網(wǎng)

16、絡(luò)計(jì)算(NC)xxx7程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言(PL)xxx8人機(jī)交互人機(jī)交互(HC)xxx9圖形學(xué)和可視化計(jì)算圖形學(xué)和可視化計(jì)算(GV)xxx10智能系統(tǒng)智能系統(tǒng)(IS)xxx11信息管理信息管理(IM)xxx12軟件工程軟件工程(SE)xxx13社會(huì)和職業(yè)的問(wèn)題社會(huì)和職業(yè)的問(wèn)題(SP)x14科學(xué)計(jì)算科學(xué)計(jì)算(CN)xxx計(jì)算學(xué)科的二維定義矩陣計(jì)算學(xué)科的二維定義矩陣2、計(jì)算學(xué)科中的三個(gè)學(xué)科形態(tài)、計(jì)算學(xué)科中的三個(gè)學(xué)科形態(tài)二維定義矩陣與計(jì)算學(xué)科二維定義矩陣與計(jì)算學(xué)科本質(zhì)問(wèn)題本質(zhì)問(wèn)題o “橫向橫向”關(guān)系的內(nèi)容關(guān)系的內(nèi)容n 抽象、理論、設(shè)計(jì)抽象、理論、設(shè)計(jì) 3個(gè)過(guò)程的內(nèi)在聯(lián)系與發(fā)展規(guī)律的內(nèi)容。個(gè)過(guò)程

17、的內(nèi)在聯(lián)系與發(fā)展規(guī)律的內(nèi)容。o “縱向縱向”關(guān)系的內(nèi)容關(guān)系的內(nèi)容n 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。的內(nèi)容。o形成學(xué)科認(rèn)知領(lǐng)域的理論體系形成學(xué)科認(rèn)知領(lǐng)域的理論體系-計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)方法論n 矩陣中的科學(xué)問(wèn)題，矩陣中的科學(xué)問(wèn)題，3個(gè)形態(tài)與個(gè)形態(tài)與核心概念、數(shù)學(xué)方法、系統(tǒng)核心概念、數(shù)學(xué)方法、系統(tǒng)科學(xué)方法科學(xué)方法、形式化技術(shù)、社會(huì)和職業(yè)問(wèn)題構(gòu)成了方法論的主、形式化技術(shù)、社會(huì)和職業(yè)問(wèn)題構(gòu)成了方法論的主要內(nèi)容。要內(nèi)容。o 把握計(jì)算學(xué)科的本質(zhì)問(wèn)題歸約為把握二維定義矩陣的把握計(jì)算學(xué)科的本質(zhì)問(wèn)題歸約為把握二維

18、定義矩陣的本質(zhì)問(wèn)題本質(zhì)問(wèn)題 。（1）抽象形態(tài)）抽象形態(tài)一般科學(xué)技術(shù)方法論中的抽象形態(tài)一般科學(xué)技術(shù)方法論中的抽象形態(tài)o 科學(xué)科學(xué)抽象抽象是指在思維中對(duì)同類事物去除其現(xiàn)象的、次是指在思維中對(duì)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，從而做到從要的方面，抽取其共同的、主要的方面，從而做到從個(gè)別中把握一般，從現(xiàn)象中把握本質(zhì)的認(rèn)知過(guò)程和思個(gè)別中把握一般，從現(xiàn)象中把握本質(zhì)的認(rèn)知過(guò)程和思維方法。科學(xué)抽象是科學(xué)認(rèn)識(shí)由感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)維方法?？茖W(xué)抽象是科學(xué)認(rèn)識(shí)由感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)飛躍的決定性環(huán)節(jié)。飛躍的決定性環(huán)節(jié)。o 抽象抽象源于現(xiàn)實(shí)世界，源于經(jīng)驗(yàn)，是對(duì)現(xiàn)實(shí)原形的理想源于現(xiàn)實(shí)世界，源于經(jīng)驗(yàn)，

19、是對(duì)現(xiàn)實(shí)原形的理想化。盡管理想化后的現(xiàn)實(shí)原形與現(xiàn)實(shí)事物有了質(zhì)的區(qū)化。盡管理想化后的現(xiàn)實(shí)原形與現(xiàn)實(shí)事物有了質(zhì)的區(qū)別，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)還是粗糙的、近似的。因此，要實(shí)現(xiàn)別，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)還是粗糙的、近似的。因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)還必須通過(guò)經(jīng)驗(yàn)與理性的結(jié)合，完對(duì)事物本質(zhì)的認(rèn)識(shí)還必須通過(guò)經(jīng)驗(yàn)與理性的結(jié)合，完成從抽象到抽象的升華。成從抽象到抽象的升華。o 按人們對(duì)客觀事物認(rèn)識(shí)的先后次序，將按人們對(duì)客觀事物認(rèn)識(shí)的先后次序，將抽象抽象列為第一列為第一個(gè)學(xué)科形態(tài)，個(gè)學(xué)科形態(tài)，理論理論列為第二個(gè)學(xué)科形態(tài)。列為第二個(gè)學(xué)科形態(tài)。計(jì)算學(xué)科中的抽象形態(tài)計(jì)算學(xué)科中的抽象形態(tài)o 抽象源于實(shí)驗(yàn)科學(xué)。按客觀現(xiàn)象的研究過(guò)程，抽象形抽象

20、源于實(shí)驗(yàn)科學(xué)。按客觀現(xiàn)象的研究過(guò)程，抽象形態(tài)包括以下態(tài)包括以下4個(gè)步驟的內(nèi)容：個(gè)步驟的內(nèi)容： （1）形成假設(shè)；）形成假設(shè)； （2）建造模型并作出預(yù)測(cè)；）建造模型并作出預(yù)測(cè)； （3）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)；）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)； （4）對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。）對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。o 在在“學(xué)生選課學(xué)生選課”例子中，有關(guān)抽象形態(tài)的內(nèi)容可以用例子中，有關(guān)抽象形態(tài)的內(nèi)容可以用集合的方式表示為：集合的方式表示為： A=學(xué)生，屬性，碼，關(guān)系，學(xué)生，屬性，碼，關(guān)系，E-R圖，關(guān)系模型，圖，關(guān)系模型，o 對(duì)對(duì)“學(xué)生選課學(xué)生選課”問(wèn)題的抽象就是通過(guò)建立問(wèn)題的抽象就是通過(guò)建立“學(xué)生選課學(xué)生選課”的的E-R模型和關(guān)系模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的

21、。模型和關(guān)系模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般科學(xué)技術(shù)方法論中的理論形態(tài)一般科學(xué)技術(shù)方法論中的理論形態(tài)o 科學(xué)認(rèn)識(shí)由感性階段上升為理性階段，就形成了科科學(xué)認(rèn)識(shí)由感性階段上升為理性階段，就形成了科學(xué)理論。科學(xué)理論是經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的系統(tǒng)化了的科學(xué)理論?？茖W(xué)理論是經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的系統(tǒng)化了的科學(xué)知識(shí)體系，它是由科學(xué)概念、科學(xué)原理以及對(duì)這學(xué)知識(shí)體系，它是由科學(xué)概念、科學(xué)原理以及對(duì)這些概念、原理的理論論證所組成的體系。些概念、原理的理論論證所組成的體系。o 理論源于數(shù)學(xué)，是從抽象到抽象的升華，它們已經(jīng)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(shí)事物，不受現(xiàn)實(shí)事物的限制，更能把完全脫離現(xiàn)實(shí)事物，不受現(xiàn)實(shí)事物的限制，

22、更能把握事物的本質(zhì)。握事物的本質(zhì)。（2）理論形態(tài)）理論形態(tài)o在計(jì)算學(xué)科中，從統(tǒng)一的理論發(fā)展過(guò)程來(lái)看，理論形態(tài)包括在計(jì)算學(xué)科中，從統(tǒng)一的理論發(fā)展過(guò)程來(lái)看，理論形態(tài)包括以下以下4個(gè)步驟的內(nèi)容：個(gè)步驟的內(nèi)容：（1）表述研究對(duì)象的特征（定義和公理）；）表述研究對(duì)象的特征（定義和公理）；（2）假設(shè)對(duì)象之間的基本性質(zhì)和對(duì)象之間可能存在的關(guān)系）假設(shè)對(duì)象之間的基本性質(zhì)和對(duì)象之間可能存在的關(guān)系（定理）；（定理）；（3）確定這些關(guān)系是否為真（證明）；）確定這些關(guān)系是否為真（證明）；（4）結(jié)論。）結(jié)論。o在與在與“學(xué)生選課學(xué)生選課”例子有關(guān)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域中，理論形態(tài)例子有關(guān)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域中，理論形態(tài)的主要內(nèi)容可

23、以用集合的方式表示為：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)系關(guān)系代數(shù)，關(guān)系演算，數(shù)據(jù)依賴?yán)碚?，演算，?shù)據(jù)依賴?yán)碚?，o在數(shù)據(jù)庫(kù)理論的指導(dǎo)下，在關(guān)系模型（感性認(rèn)識(shí)）的基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)庫(kù)理論的指導(dǎo)下，在關(guān)系模型（感性認(rèn)識(shí)）的基礎(chǔ)上，建立對(duì)建立對(duì)“學(xué)生選課學(xué)生選課”問(wèn)題的理性認(rèn)識(shí)，從而為問(wèn)題的理性認(rèn)識(shí)，從而為“學(xué)生選課學(xué)生選課”管理系統(tǒng)的管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。奠定基礎(chǔ)。計(jì)算學(xué)科中的理論形態(tài)計(jì)算學(xué)科中的理論形態(tài)o 設(shè)計(jì)形態(tài)與抽象、理論兩個(gè)形態(tài)存在的聯(lián)系設(shè)計(jì)形態(tài)與抽象、理論兩個(gè)形態(tài)存在的聯(lián)系n 設(shè)計(jì)源于工程，并用于系統(tǒng)或設(shè)備的開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)源于工程，并用于系統(tǒng)或設(shè)備的開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)給定的

24、任務(wù)。給定的任務(wù)。設(shè)計(jì)形態(tài)設(shè)計(jì)形態(tài)（技術(shù)方法）和（技術(shù)方法）和抽象、理論抽象、理論兩個(gè)形態(tài)（科學(xué)方法）具有許多共同的特點(diǎn)。兩個(gè)形態(tài)（科學(xué)方法）具有許多共同的特點(diǎn)。n 設(shè)計(jì)作為變革、控制和利用自然界的手段，必須以設(shè)計(jì)作為變革、控制和利用自然界的手段，必須以對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)為前提，可以是科學(xué)形態(tài)的認(rèn)識(shí)，對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)為前提，可以是科學(xué)形態(tài)的認(rèn)識(shí)，也可以是經(jīng)驗(yàn)形態(tài)的認(rèn)識(shí)。也可以是經(jīng)驗(yàn)形態(tài)的認(rèn)識(shí)。（3）設(shè)計(jì)形態(tài)）設(shè)計(jì)形態(tài)一般科學(xué)技術(shù)方法論中的設(shè)計(jì)形態(tài)一般科學(xué)技術(shù)方法論中的設(shè)計(jì)形態(tài)o 設(shè)計(jì)形態(tài)與抽象、理論兩個(gè)形態(tài)存在的聯(lián)系設(shè)計(jì)形態(tài)與抽象、理論兩個(gè)形態(tài)存在的聯(lián)系n 設(shè)計(jì)要達(dá)到變革、控制和利用自然界的目的

25、，必設(shè)計(jì)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)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(shí)自然規(guī)律在這些人工系統(tǒng)中和人工條件下的具識(shí)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(shí)方法（體表現(xiàn)形式。所以，科學(xué)認(rèn)識(shí)方法（抽象、理論抽象、理論兩個(gè)形態(tài)），對(duì)具有設(shè)計(jì)形態(tài)的技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)兩個(gè)形態(tài)），對(duì)具有設(shè)計(jì)形態(tài)的技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)是有作用的。是有作用的。o 設(shè)計(jì)形態(tài)的主要特征（抽象、理論形態(tài)的區(qū)別）設(shè)計(jì)形態(tài)的主要特征（抽象、理論形態(tài)的區(qū)別）n 設(shè)計(jì)形態(tài)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。設(shè)計(jì)形態(tài)具有較強(qiáng)的實(shí)踐性。n 設(shè)計(jì)形態(tài)具有較強(qiáng)的社會(huì)性。設(shè)計(jì)形態(tài)具有較強(qiáng)的社

26、會(huì)性。n 設(shè)計(jì)形態(tài)具有較強(qiáng)的綜合性。設(shè)計(jì)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(jì)形態(tài)一般科學(xué)技術(shù)方法論中的設(shè)計(jì)形態(tài)o 在計(jì)算學(xué)科中，從為解決某個(gè)問(wèn)題而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過(guò)程在計(jì)算學(xué)科中，從為解決某個(gè)問(wèn)題而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過(guò)程來(lái)看，設(shè)計(jì)形態(tài)包括以下來(lái)看，設(shè)計(jì)形態(tài)包括以下4個(gè)步驟的內(nèi)容：個(gè)步驟的內(nèi)容：（1）需求分析；）需求分析；（2）建立規(guī)格說(shuō)明；）建立規(guī)格說(shuō)明；（3）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)；）設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)；（4）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與分析。）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試與分析。o 設(shè)計(jì)、抽象和理論設(shè)計(jì)、抽象和理論3個(gè)形態(tài)針對(duì)具體的研究領(lǐng)域均起個(gè)形態(tài)針對(duì)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(yùn)用作用。在

27、具體研究中，就是要在理論的指導(dǎo)下，運(yùn)用抽象工具進(jìn)行各種設(shè)計(jì)工作，最終的成果將是計(jì)算機(jī)抽象工具進(jìn)行各種設(shè)計(jì)工作，最終的成果將是計(jì)算機(jī)的軟硬件系統(tǒng)及其相關(guān)資料（如需求說(shuō)明、規(guī)格說(shuō)明、的軟硬件系統(tǒng)及其相關(guān)資料（如需求說(shuō)明、規(guī)格說(shuō)明、設(shè)計(jì)說(shuō)明等）。設(shè)計(jì)說(shuō)明等）。 計(jì)算學(xué)科中的設(shè)計(jì)形態(tài)計(jì)算學(xué)科中的設(shè)計(jì)形態(tài)3、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展：、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的發(fā)展： 三個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系三個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言在計(jì)算學(xué)科中占有特殊的地位，它深刻地影響著計(jì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言在計(jì)算學(xué)科中占有特殊的地位，它深刻地影響著計(jì)算學(xué)科各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。本節(jié)從自然語(yǔ)言與形式化語(yǔ)言、圖靈機(jī)和算學(xué)科各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。本節(jié)從自然語(yǔ)言與形式化語(yǔ)言

28、、圖靈機(jī)和馮馮諾依曼型計(jì)算機(jī)、機(jī)器指令與匯編語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)、諾依曼型計(jì)算機(jī)、機(jī)器指令與匯編語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)、高級(jí)語(yǔ)言、應(yīng)用語(yǔ)言的形式化問(wèn)題等方面，介紹計(jì)算機(jī)語(yǔ)言發(fā)展過(guò)高級(jí)語(yǔ)言、應(yīng)用語(yǔ)言的形式化問(wèn)題等方面，介紹計(jì)算機(jī)語(yǔ)言發(fā)展過(guò)程中程中3個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系。個(gè)學(xué)科形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系。n 自然語(yǔ)言與形式語(yǔ)言自然語(yǔ)言與形式語(yǔ)言 n 圖靈機(jī)與馮圖靈機(jī)與馮諾依曼型計(jì)算機(jī)諾依曼型計(jì)算機(jī)n 機(jī)器指令與匯編語(yǔ)言機(jī)器指令與匯編語(yǔ)言 n 以虛擬機(jī)的觀點(diǎn)來(lái)劃分計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)以虛擬機(jī)的觀點(diǎn)來(lái)劃分計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu) n 高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言n 應(yīng)用語(yǔ)言應(yīng)用語(yǔ)言 3.1 自然語(yǔ)言與形式語(yǔ)言自然語(yǔ)言與形式語(yǔ)言o 自然

29、語(yǔ)言的定義自然語(yǔ)言的定義n人類的語(yǔ)言人類的語(yǔ)言(文字文字)是人類最普遍使用的符號(hào)系統(tǒng)。是人類最普遍使用的符號(hào)系統(tǒng)。n其最基本、最普遍的形式是自然語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)。其最基本、最普遍的形式是自然語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)。n自然語(yǔ)言是某一社會(huì)發(fā)展中形成的一種民族語(yǔ)言。自然語(yǔ)言是某一社會(huì)發(fā)展中形成的一種民族語(yǔ)言。例如，漢語(yǔ)、英語(yǔ)、法語(yǔ)和俄語(yǔ)等。例如，漢語(yǔ)、英語(yǔ)、法語(yǔ)和俄語(yǔ)等。 o 自然語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)的基本特征自然語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)的基本特征n歧義性；歧義性；n不夠嚴(yán)格和不夠統(tǒng)一的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)。不夠嚴(yán)格和不夠統(tǒng)一的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)。o 形式語(yǔ)言的定義形式語(yǔ)言的定義n人們?cè)谧匀徽Z(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，逐步建立起了人們?cè)谧匀徽Z(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上

30、，逐步建立起了人工語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)，使語(yǔ)言符號(hào)保持其單一性、無(wú)人工語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)，使語(yǔ)言符號(hào)保持其單一性、無(wú)歧義性和明確性。歧義性和明確性。n人工語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)發(fā)展的第二階段叫形式語(yǔ)言。人工語(yǔ)言符號(hào)系統(tǒng)發(fā)展的第二階段叫形式語(yǔ)言。n形式語(yǔ)言是進(jìn)行形式化工作的元語(yǔ)言，它是以數(shù)學(xué)形式語(yǔ)言是進(jìn)行形式化工作的元語(yǔ)言，它是以數(shù)學(xué)和數(shù)理邏輯為基礎(chǔ)的科學(xué)語(yǔ)言。和數(shù)理邏輯為基礎(chǔ)的科學(xué)語(yǔ)言。 o 形式語(yǔ)言的基本特點(diǎn)形式語(yǔ)言的基本特點(diǎn)n有一組初始的、專門的符號(hào)集；有一組初始的、專門的符號(hào)集；n有一組精確定義的，由初始的、專門的符號(hào)組成的有一組精確定義的，由初始的、專門的符號(hào)組成的符號(hào)串轉(zhuǎn)換成另一個(gè)符號(hào)串的規(guī)則。符號(hào)串轉(zhuǎn)換成

31、另一個(gè)符號(hào)串的規(guī)則。n不允許出現(xiàn)根據(jù)形成規(guī)則無(wú)法確定的符號(hào)串。不允許出現(xiàn)根據(jù)形成規(guī)則無(wú)法確定的符號(hào)串。3.2 圖靈機(jī)圖靈機(jī)o 圖靈的觀點(diǎn)及結(jié)論圖靈的觀點(diǎn)及結(jié)論n 凡是能用算法方法解決的問(wèn)題，也一定能用圖靈機(jī)解決；凡是能用算法方法解決的問(wèn)題，也一定能用圖靈機(jī)解決；凡是圖靈機(jī)解決不了的問(wèn)題，任何算法也解決不了。凡是圖靈機(jī)解決不了的問(wèn)題，任何算法也解決不了。o 圖靈機(jī)的特征圖靈機(jī)的特征n 圖靈機(jī)由一條兩端可無(wú)限延長(zhǎng)的帶子、一個(gè)讀寫頭、一組圖靈機(jī)由一條兩端可無(wú)限延長(zhǎng)的帶子、一個(gè)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

32、可以左右移動(dòng)，在方格上進(jìn)行讀寫。列方格，讀寫頭可以左右移動(dòng)，在方格上進(jìn)行讀寫。 b b 1 0 1 0 0 0 1 0 b b b 讀寫頭 控制器 狀態(tài) ql b表示空格o 圖靈機(jī)的工作原理圖靈機(jī)的工作原理n一個(gè)給定機(jī)器的一個(gè)給定機(jī)器的“程序程序”認(rèn)為是機(jī)器內(nèi)的五元組形認(rèn)為是機(jī)器內(nèi)的五元組形式的指令集。五元組定義了機(jī)器在一個(gè)特定狀態(tài)下式的指令集。五元組定義了機(jī)器在一個(gè)特定狀態(tài)下讀入一個(gè)特定字符時(shí)所采取的動(dòng)作，包括讀入一個(gè)特定字符時(shí)所采取的動(dòng)作，包括機(jī)器當(dāng)前機(jī)器當(dāng)前狀態(tài)、讀入的符號(hào)、寫入的符號(hào)、移動(dòng)方向、下一狀態(tài)、讀入的符號(hào)、寫入的符號(hào)、移動(dòng)方向、下一步機(jī)器的狀態(tài)步機(jī)器的狀態(tài)。o 實(shí)例：實(shí)例：P

33、67q1 0 1 L q2q1 1 0 L q3q1 b b N q43.3 馮馮諾依曼型計(jì)算機(jī)諾依曼型計(jì)算機(jī) o 1946年年6月，美國(guó)數(shù)學(xué)家馮月，美國(guó)數(shù)學(xué)家馮諾依曼（諾依曼（Von Neumann）及其同事完成了關(guān)于及其同事完成了關(guān)于“電子計(jì)算裝置邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電子計(jì)算裝置邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的研究報(bào)告，提出了的研究報(bào)告，提出了馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)諾依曼計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。的體系結(jié)構(gòu)。至今為止，大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用的仍然是至今為止，大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用的仍然是馮馮諾依曼計(jì)諾依曼計(jì)算機(jī)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，只是作了一些改進(jìn)而已。因此，的體系結(jié)構(gòu)，只是作了一些改進(jìn)而已。因此，馮馮諾依曼被人們譽(yù)為諾依曼被人們譽(yù)為“計(jì)算機(jī)器

34、之父計(jì)算機(jī)器之父”。 o 馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)n 由由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等等5個(gè)基個(gè)基本部件組成。本部件組成。n 提出二個(gè)重要概念提出二個(gè)重要概念:o保存程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器保存程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器o指令的順序執(zhí)行指令的順序執(zhí)行 馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)諾依曼計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)3.4 機(jī)器指令與匯編語(yǔ)言機(jī)器指令與匯編語(yǔ)言o 機(jī)器指令機(jī)器指令n CPU能識(shí)別的二進(jìn)制編碼指令。能識(shí)別的二進(jìn)制編碼指令。n 機(jī)器語(yǔ)言：指令集合以及編碼系統(tǒng)。機(jī)器語(yǔ)言：指令集合以及編碼系統(tǒng)。n 在裸機(jī)級(jí)，計(jì)算機(jī)語(yǔ)言關(guān)于算法的描述采用的是機(jī)器指令，在裸機(jī)級(jí)，計(jì)算機(jī)語(yǔ)言關(guān)于算法的描述采用的是機(jī)器指令，它的符號(hào)集是它的符號(hào)集是 0, 1 。o 匯編語(yǔ)言：符號(hào)化語(yǔ)言，采用字符和十進(jìn)制數(shù)來(lái)代替匯編語(yǔ)言：符號(hào)化語(yǔ)言，采用字符和十進(jìn)制數(shù)來(lái)代替二進(jìn)制代碼的思