計算科學(xué)導(dǎo)論三市公開課一等獎百校聯(lián)賽優(yōu)質(zhì)課金獎名師賽課獲獎?wù)n件

計算科學(xué)導(dǎo)論(三)計算機與信息學(xué)院蔣川qjiang@年10月1/402023/9/161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2/402023/9/162離散結(jié)構(gòu)計算學(xué)科根本問題是“能行性”問題。而凡是與“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)概念包含：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3/402023/9/163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，需要有生成并了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4/402023/9/164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組成包含：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，怎樣進行有效描述并給出算法②怎樣正確選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？③怎樣進行設(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5/402023/9/165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在各不一樣層次實現(xiàn)效率計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題6/402023/9/166算法與復(fù)雜性算法研究能夠深刻了解問題本質(zhì)和可能求解技術(shù)，而不依賴于詳細程序設(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)特定目標(biāo)選擇適當(dāng)算法并加以利用，同時認識到可能存在不適當(dāng)算法計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題7/402023/9/167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了解，以及認識到這些算法優(yōu)缺點和它們在特定環(huán)境中適宜性效率是貫通該領(lǐng)域關(guān)鍵概念計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題8/402023/9/168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？要求存放空間和計算時間有多少？空間和時間怎樣折中？②訪問數(shù)據(jù)最好方法是什么？③算法最好和最壞情況是什么？④算法平均性能怎樣？⑤算法通用性怎樣？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題9/402023/9/169體系結(jié)構(gòu)對計算機系統(tǒng)功效部件、功效特定、性能和相互作用有一定了解為了結(jié)構(gòu)程序，需要了解計算機體系結(jié)構(gòu)，從而使該程序在一臺真正機器上更有效地運行在選擇用于應(yīng)用系統(tǒng)時，應(yīng)該了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10/402023/9/1610體系結(jié)構(gòu)基本問題：①實現(xiàn)處理器、內(nèi)存和機內(nèi)通信方法是什么？②怎樣設(shè)計和控制大型計算系統(tǒng)，而且使其令人相信，盡管存在錯誤和失敗，但它依然是按照我們意圖工作？③哪種類型體系結(jié)構(gòu)能有效地包含許多在一個計算中能并行工作處理元素？④怎樣度量性能？7.4計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題11/402023/9/1611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行控制操作系統(tǒng)還負責(zé)管理計算機用戶間共享資源（如文件等）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)有深入了解計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題12/402023/9/1612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（外部特征），還要強調(diào)它設(shè)計和實現(xiàn)（內(nèi)部特征）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13/402023/9/1613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，可見對象和允許進行操作各是什么？②對每一類資源，能夠?qū)ζ溥M行有效利用最小操作集是什么？③怎樣組織接口才能使得用戶只需與抽象資源而非硬件物理細節(jié)打交道？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題14/402023/9/1614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經(jīng)過少數(shù)結(jié)構(gòu)規(guī)則重復(fù)使用進行系統(tǒng)功效擴展標(biāo)準是什么？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題15/402023/9/1615網(wǎng)絡(luò)計算包含：計算機通信協(xié)議概念和協(xié)議、多媒體系統(tǒng)、Web標(biāo)準和技術(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)包含：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)計模型評定等計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題16/402023/9/1616算法與復(fù)雜度基本問題：①網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)怎樣進行交換？②網(wǎng)絡(luò)協(xié)議怎樣驗證？③怎樣確保網(wǎng)絡(luò)安全？④分布式計算性能怎樣評價？⑤分布式計算怎樣組織才能夠使經(jīng)過通信網(wǎng)連接在一起自主計算機參加到一項計算中，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17/402023/9/1617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)計語言不一樣格調(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一樣程序設(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配等方面基礎(chǔ)知識計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題18/402023/9/1618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)、引進類型和操作機制）表示虛擬機可能組織結(jié)構(gòu)是什么？②語言怎樣定義機器？機器怎樣定義語言？③什么樣表示法（語義）能夠有效地用于描述計算機應(yīng)該做什么？7.4計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題19/402023/9/1619人機交互重點在于了解作為交互式對象人行為，知道怎樣使用以人為中心方法來開發(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)生供閱覽照片有效方法是什么？②接收輸入和給出輸出有效方法是什么？③怎樣才能降低產(chǎn)生誤解和由此產(chǎn)生人為錯誤風(fēng)險？④圖表和其它工具怎樣才能經(jīng)過存放在數(shù)據(jù)集中信息去了解物理現(xiàn)象？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題20/402023/9/1620圖形學(xué)和可視化計算——計算機圖形學(xué)研究怎樣用計算機生成、處理和顯示圖形一個學(xué)科分支領(lǐng)域，目標(biāo)是對人視覺中心及其它認知中心有深入深入了解詳細要求：①要求表示信息和結(jié)構(gòu)應(yīng)有利于圖像產(chǎn)生和觀察②要求方便用戶，使之能夠經(jīng)過精心設(shè)計設(shè)備和技術(shù)與模型進行交互③要求提供繪制模型技術(shù)④要求設(shè)計有利于圖像保留計算計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題21/402023/9/1621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，并進行交互處理理論、方法和技術(shù)可視化技術(shù)主要是探索人類視覺能力以及聲音和觸覺（觸摸）；其目標(biāo)在于，經(jīng)過它們深入發(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22/402023/9/1622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，也包含視覺、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23/402023/9/1623圖形學(xué)和可視化計算——計算機視覺研究怎樣利用計算機實現(xiàn)人視覺功效（包含對客觀世界三維場景感知、識別和了解）一個分支領(lǐng)域?qū)τ嬎銠C視覺了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)等親密相關(guān)計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題24/402023/9/1624圖形學(xué)和可視化計算基本問題：①怎樣選擇支撐圖像產(chǎn)生以及信息瀏覽更加好模型?②怎樣提取科學(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方法計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題25/402023/9/1625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)以及與其它代理進行交流能力這些能力包含計算機視覺、規(guī)劃和動作、機器人學(xué)、多代理系統(tǒng)、語音識別和自然語言了解等計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題26/402023/9/1626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方法難以處理或者不太現(xiàn)實問題提供了一些技術(shù)，包含：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)以及語言了解、計算機視覺、機器人學(xué)等領(lǐng)域中所包含感知和動作問題方法要求學(xué)生能夠針對特定問題選擇適當(dāng)方法處理問題計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題27/402023/9/1627智能系統(tǒng)基本問題：①基本行為模型是什么？怎樣建造模擬它們機器?②規(guī)則評定、推理、演繹和模式計算在多大程度上描述了智能？③經(jīng)過這些方法模擬行為機器最終性能怎樣？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題28/402023/9/1628智能系統(tǒng)基本問題：④傳感數(shù)據(jù)怎樣編碼才使得相同模式有相同代碼？⑤電機編碼怎樣與傳感編碼相關(guān)聯(lián)？⑥學(xué)習(xí)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)怎樣？⑦這些系統(tǒng)是怎樣表示它們對這個世界了解？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題29/402023/9/1629信息系統(tǒng)包含：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放信息算法、數(shù)據(jù)建模和數(shù)據(jù)抽象以及物理文件存放技術(shù)、共享數(shù)據(jù)信息安全、隱私性、完備性和保護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)適合信息管理處理方案計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題30/402023/9/1630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)元素及其相互關(guān)系?②怎樣把基本操作（如存放、定位、匹配和恢復(fù)）組合成有效事務(wù)？③這些事務(wù)怎樣才能與用戶有效地進行交互？④高級查詢怎樣翻譯成高質(zhì)量程序？⑤哪種機器體系結(jié)構(gòu)能夠進行有效恢復(fù)和更新？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題31/402023/9/1631信息系統(tǒng)基本問題：⑥怎樣保護數(shù)據(jù)，以防止非授權(quán)訪問、泄露和破壞？⑦怎樣保護大型數(shù)據(jù)庫，以防止因為同時更新引發(fā)不一致性？⑧當(dāng)數(shù)據(jù)分布在許多機器上時怎樣保護數(shù)據(jù)、確保性能？⑨文本怎樣索引和分類才能夠進行有效恢復(fù)？計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題32/402023/9/1632軟件工程是一門關(guān)于怎樣有效構(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)，包含：需求分析和規(guī)格、設(shè)計、構(gòu)建、測試、運行和維護等軟件系統(tǒng)生存周期全部階段使用工程化方法、過程、技術(shù)和度量標(biāo)準計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問題33/402023/9/1633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)量評定和控制工具、確保有條不紊且有控制實施軟件進化和復(fù)用工具軟件可由一個開發(fā)者或者一組開發(fā)者進行開發(fā)，他們需要選擇最適合已知開發(fā)環(huán)境工具和方法質(zhì)量、進度、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34/402023/9/1634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)不一樣各代進行演化？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35/402023/9/1635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怎樣評價可能一些答案問題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36/402023/9/1636科學(xué)計算數(shù)值計算許多有價值思想和技術(shù)，包含數(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斷層攝影術(shù)計算機化計算科學(xué)各主領(lǐng)域及其基本問