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、理性認(rèn)識、設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)例：感性認(rèn)識、理性認(rèn)識、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)語言的發(fā)展計(jì)算機(jī)語言的發(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)識過程認(rèn)識過程n 感性認(rèn)識感性認(rèn)識(抽象抽象)理性認(rèn)識理性認(rèn)識(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)過程稱為學(xué)科形態(tài)個(gè)過程稱為學(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 是對計(jì)算領(lǐng)域認(rèn)識和實(shí)踐過程中一般方法及其性質(zhì)、是對計(jì)算領(lǐng)域認(rèn)識和實(shí)踐過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。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。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)問題現(xiàn)實(shí)問題: 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)對以實(shí)現(xiàn)對“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)識感性認(rèn)識(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（理論）：理性認(rèn)識（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、編程關(guān)系數(shù)據(jù)庫、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)識實(shí)體的屬性集。碼：能惟一標(biāo)識實(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：一對一（兩個(gè)實(shí)體之間的聯(lián)系分為：一對一（1:1）、一）、一對對 多（多（1:N）、多對多（）、多對多（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模型模型來描述客觀世界并建立來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)對客觀事物的感性認(rèn)識，必須將客觀世界要實(shí)現(xiàn)對客觀事物的感性認(rèn)識，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，姓名，年齡，性別）學(xué)生（學(xué)號，姓名，年齡，性別）課程（課程號，課程名）課程（課程號，課程名）學(xué)生選課（學(xué)號，課程號，成績）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)庫領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)庫管理系統(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：前圖前圖對對“學(xué)生選課學(xué)生選課”的感性認(rèn)識的感性認(rèn)識o “學(xué)生選課學(xué)生選課”的的感性認(rèn)識感性認(rèn)

8、識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)識中存在的問題感性認(rèn)識中存在的問題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、刪除異常問題。例如，未招學(xué)生時(shí)無插入異常、刪除異常問題。例如，未招學(xué)生時(shí)無法將系名和系主任插入到數(shù)據(jù)庫中。法將系名和系主任插入到數(shù)據(jù)庫中。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（理論）理性認(rèn)識（理論）n 使問題形式化，內(nèi)容與形式分開。使問題形式化，內(nèi)容與形式分開。o問題形式化：關(guān)系模式的形式化

9、定義問題形式化：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中屬性所來自的域；中屬性所來自的域； （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)非主屬性不存在對碼的，且每一個(gè)非主屬性不存在對碼的部分函數(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)非主屬性不存在對碼的，且每一個(gè)非主屬性不存在對碼的傳遞函數(shù)依賴傳遞函數(shù)依賴。nBCNF、4NF、5NF。對對“學(xué)生選課學(xué)生選課”的理性認(rèn)識的理性認(rèn)識簡化為：簡化為：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)榱恕Ｒ驗(yàn)槌霈F(xiàn)了傳遞函數(shù)依賴：學(xué)號（碼）出現(xiàn)了傳遞函數(shù)依賴：學(xué)號（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)系模型都會出現(xiàn)插入異常、

11、刪的所有關(guān)系模型都會出現(xiàn)插入異常、刪除異常和冗余的問題。除異常和冗余的問題。n 還必須依靠分解算法對模式進(jìn)行分解，并滿足還必須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(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，系名，系主任名），從而滿足了關(guān)系模（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(shí)現(xiàn)了對例子的理性認(rèn)識。式規(guī)范化的要求，實(shí)現(xiàn)了對例子的理性認(rèn)識。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)識過程由感性認(rèn)識（抽象）型）的轉(zhuǎn)換，其實(shí)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(gè)過程包含兩上升到理性認(rèn)識（理論）的過程，這個(gè)過程包含兩方面的內(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)對客觀世界的理性認(rèn)識。中，實(shí)現(xiàn)對客觀世界的理性認(rèn)識。n 前者是對前者是對科學(xué)研究科學(xué)研究而言的，而后者是對而言的，而后者是對工程設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)而言的。而言的。“學(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)識感性認(rèn)識o “學(xué)生選課學(xué)生選課”的的理性認(rèn)識理性認(rèn)識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、編程等。實(shí)現(xiàn)以上關(guān)系模型、數(shù)據(jù)庫、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)庫關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理系統(tǒng)對該模型進(jìn)行定義：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) )； . . . . . .o 完成對完成對“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)簡單的查詢：一個(gè)簡單的查詢： 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)號歲以上的所有學(xué)生的學(xué)號和姓名：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”需求說需求說明書，明書， 三個(gè)過程三個(gè)過程學(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)語言程序設(shè)計(jì)語言(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社會和職業(yè)的問題社會和職業(yè)的問題(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)問題本質(zhì)問題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)過程的內(nèi)在聯(lián)系與發(fā)展規(guī)律的內(nèi)容。個(gè)過程

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)問題，矩陣中的科學(xué)問題，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)、社會和職業(yè)問題構(gòu)成了方法論的主、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。要內(nèi)容。o 把握計(jì)算學(xué)科的本質(zhì)問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)問題歸約為把握二維

18、定義矩陣的本質(zhì)問題本質(zhì)問題 。（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同類事物去除其現(xiàn)象的、次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)知過程和思維方法?？茖W(xué)抽象是科學(xué)認(rèn)識由感性認(rèn)識向理性認(rèn)識維方法?？茖W(xué)抽象是科學(xué)認(rèn)識由感性認(rèn)識向理性認(rèn)識飛躍的決定性環(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)格來說還是粗糙的、近似的。因此，要實(shí)現(xiàn)別，但嚴(yán)格來說還是粗糙的、近似的。因此，要實(shí)現(xiàn)對事物本質(zhì)的認(rèn)識還必須通過經(jīng)驗(yàn)與理性的結(jié)合，完對事物本質(zhì)的認(rèn)識還必須通過經(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 按人們對客觀事物認(rèn)識的先后次序，將按人們對客觀事物認(rèn)識的先后次序，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；）建造模型并作出預(yù)測； （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）對結(jié)果進(jìn)行分析。）對結(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 對對“學(xué)生選課學(xué)生選課”問題的抽象就是通過建立問題的抽象就是通過建立“學(xué)生選課學(xué)生選課”的的E-R模型和關(guān)系模型來實(shí)現(xiàn)的

21、。模型和關(guān)系模型來實(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)識由感性階段上升為理性階段，就形成了科科學(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(shí)踐檢驗(yàn)的系統(tǒng)化了的科學(xué)理論。科學(xué)理論是經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)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。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)展過程來看，理論形態(tài)包括在計(jì)算學(xué)科中，從統(tǒng)一的理論發(fā)展過程來看，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）表述研究對象的特征（定義和公理）；）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）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）；（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)庫領(lǐng)域中，理論形態(tài)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

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)庫理論的指導(dǎo)下，在關(guān)系模型（感性認(rèn)識）的基礎(chǔ)上，在數(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，建立對建立對“學(xué)生選課學(xué)生選課”問題的理性認(rèn)識，從而為問題的理性認(rèn)識，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，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(yàn)形態(tài)的認(rèn)識。也可以是經(jīng)驗(yàn)形態(tài)的認(rèn)識。（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)識自然規(guī)律在這些人工系統(tǒng)中和人工條件下的具識自然規(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（體表現(xiàn)形式。所以，科學(xué)認(rèn)識方法（抽象、理論抽象、理論兩個(gè)形態(tài)），對具有設(shè)計(jì)形態(tài)的技術(shù)研究和開發(fā)兩個(gè)形態(tài)），對具有設(shè)計(jì)形態(tài)的技術(shù)研究和開發(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)的社會性。設(shè)計(jì)形態(tài)具有較強(qiáng)的社

26、會性。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)問題而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過程在計(jì)算學(xué)科中，從為解決某個(gè)問題而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的過程來看，設(shè)計(jì)形態(tài)包括以下來看，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)格說明；）建立規(guī)格說明；（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）對系統(tǒng)進(jìn)行測試與分析。）對系統(tǒng)進(jìn)行測試與分析。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)針對具體的研究領(lǐng)域均起個(gè)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(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（如需求說明、規(guī)格說明、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(jì)說明等）。設(shè)計(jì)說明等）。 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)語言的發(fā)展：、計(jì)算機(jī)語言的發(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)從自然語言與形式化語言、圖靈機(jī)和算學(xué)科各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。本節(jié)從自然語言與形式化語言

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)器指令與匯編語言、計(jì)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(jì)算機(jī)語言發(fā)展過高級語言、應(yīng)用語言的形式化問題等方面，介紹計(jì)算機(jī)語言發(fā)展過程中程中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 自然語言與形式語言自然語言與形式語言 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)器指令與匯編語言機(jī)器指令與匯編語言 n 以虛擬機(jī)的觀點(diǎn)來劃分計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)以虛擬機(jī)的觀點(diǎn)來劃分計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu) n 高級語言高級語言n 應(yīng)用語言應(yīng)用語言 3.1 自然語言與形式語言自然語言與形式語言o 自然

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

30、，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。歧義性和明確性。n人工語言符號系統(tǒng)發(fā)展的第二階段叫形式語言。人工語言符號系統(tǒng)發(fā)展的第二階段叫形式語言。n形式語言是進(jìn)行形式化工作的元語言，它是以數(shù)學(xué)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。和數(shù)理邏輯為基礎(chǔ)的科學(xué)語言。 o 形式語言的基本特點(diǎn)形式語言的基本特點(diǎn)n有一組初始的、專門的符號集；有一組初始的、專門的符號集；n有一組精確定義的，由初始的、專門的符號組成的有一組精確定義的，由初始的、專門的符號組成的符號串轉(zhuǎn)換成另一個(gè)符號串的規(guī)則。符號串轉(zhuǎn)換成

31、另一個(gè)符號串的規(guī)則。n不允許出現(xiàn)根據(jù)形成規(guī)則無法確定的符號串。不允許出現(xiàn)根據(jù)形成規(guī)則無法確定的符號串。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題，也一定能用圖靈機(jī)解決；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。凡是圖靈機(jī)解決不了的問題，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)由一條兩端可無限延長的帶子、一個(gè)讀寫頭、一組圖靈機(jī)由一條兩端可無限延長的帶子、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、寫入的符號、移動(dòng)方向、下一狀態(tài)、讀入的符號、寫入的符號、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，美國數(shù)學(xué)家馮月，美國數(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、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備運(yùn)算器、控制器、存儲器、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)的存儲器保存程序和數(shù)據(jù)的存儲器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)器指令與匯編語言機(jī)器指令與匯編語言o 機(jī)器指令機(jī)器指令n CPU能識別的二進(jìn)制編碼指令。能識別的二進(jìn)制編碼指令。n 機(jī)器語言：指令集合以及編碼系統(tǒng)。機(jī)器語言：指令集合以及編碼系統(tǒng)。n 在裸機(jī)級，計(jì)算機(jī)語言關(guān)于算法的描述采用的是機(jī)器指令，在裸機(jī)級，計(jì)算機(jī)語言關(guān)于算法的描述采用的是機(jī)器指令，它的符號集是它的符號集是 0, 1 。o 匯編語言：符號化語言，采用字符和十進(jìn)制數(shù)來代替匯編語言：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