淺談計算機科學與技術

麻立冬

摘 要： 本文介紹了"Computing as a discipline"和"Computing Curricula 1991"報告的重要內容，指出了它們對計算機科學與技術方法論的重要貢獻。在此基礎上，我們以一般科學技術方法論為指導，給出了計算機科學與技術方法論的定義，闡述了計算機科學與技術方法論中的抽象、理論和設計三個學科形態、核心概念、根本問題、數學方法和系統方法的基本內容，指出了計算機科學與技術方法論是計算認知領域的一個理論體系的思想。

關鍵詞：方法論；學科形態；核心概念 ；根本問題；數學方法；系統方法

2計算機科學與技術方法論的定義以及學科二維定義矩陣

在計算領域中認識指的是抽象過程（感性認識）和理論過程（理性認識），實踐指的是學科中的設計過程。抽象、理論和設計是具有方法論意義的三個過程，這三個過程是科學技術方法論中最重要的研究內容。從認識論的角度來看，學科的基本內容包含在抽象、理論和設計三個過程（或形態）之中，不僅如此，也正是因為它們之間的相互作用，促進了學科的發展。

顯然，“Computing as a discipline”報告遵循了認識論的思想，給出了計算學科二維定義矩陣（以下簡稱定義矩陣）的概念并細化了其內容。定義矩陣的一維是“三個過程”（抽象、理論和設計），另一維是主領域。特別當主領域僅為計算學科時，定義矩陣便是本文所指的“知識框架”。該“知識框架”反映了計算領域中人們的認識是從感性認識（抽象）到理性認識（理論），再由理性認識（理論）回到實踐（設計）中來的辯證唯物主義思想。在這里，這個“知識框架”也稱作學科的知識內涵，它是穩定的；“知識框架”的內容（值）指的是學科的外延，它包括主領域以及各主領域“三個過程”的內容，這些內容（值）將隨著計算技術的發展而變化。就“兩報告”而言，ACM和IEEE/CS攻關組對學科本質的研究采用了內涵與外延相結合的方法。

3 計算學科中的抽象、理論和設計及其內在聯系

3.1 學科的抽象形態

在科學技術方法論中， 科學抽象是指在思維中對同類事物去除其現象的、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，從現象中把握本質的認知過程和思維方法。科學抽象的成果有：科學概念、科學符號、思想模型等內容[6]。

“Computing as a discipline”報告認為：理論、抽象和設計是我們從事本領域工作的三種主要形態（Paradigm），或稱文化方式，它提供了我們定義學科的條件。第一個學科形態是抽象（按方法論研究的習慣，我們將報告中理論和抽象原來的次序對調），抽象源于實驗科學。按客觀現象的研究過程，抽象形態包括以下四個步驟的內容：

（1）.形成假設；

（2）.建造模型并做出預測；

（3）.設計實驗并收集數據；

（4）.對結果進行分析。

3.2 學科的理論形態

科學認識由感性階段上升為理性階段，就形成了科學理論，科學理論是經過實踐檢驗的系統化了的科學知識體系，它是由科學概念、科學原理以及對這些概念、原理的理論論證所組成的體系。

在計算學科中， 第二種學科形態是理論，理論源于數學。按統一的合理的理論發展過程，理論形態包含以下四個步驟的內容：

（1）.表述研究對象的特征（定義和公理）；

（2）.假設對象之間的基本性質和對象之間可能存在的關系（定理）；

（3）.確定這些關系是否為真（證明）；

（4）.結論和解釋。

3.3 學科的設計形態

在計算學科中， 第三個形態是設計，設計源于工程。按為解決某個問題而實現系統或裝置的過程來看，設計形態包含以下四個步驟的內容：

（1）.需求分析；

（2）.建立規格說明；

（3）.設計并實現該系統；

（4）.對系統進行測試與分析。

設計、抽象和理論三個形態針對具體的研究領域均起作用，在具體研究中，就是要在其理論的指導下，運用其抽象工具進行各種設計工作，最終的成果將是計算機的軟硬件系統及其相關資料（如，需求說明、規格說明和設計與實現方法說明等）。

3.4.三個學科形態的內在聯系

理論是數學的根本：應用數學家們認為，科學的進展都是建立在數學基礎上的。抽象（建模）是自然科學的根本：科學家們認為，科學的進展過程主要是通過形成假說，然后系統地按照建模過程對假說進行驗證和確認取得的。類似地，設計是工程的根本：工程師們認為，工程的進展主要是通過提出問題，并系統地按照設計過程，用建立模型而加以解決的。許多有關數學、科學和工程相對優劣的爭論都隱含的基于抽象、理論和設計三個過程中某一個更為更根本的假設。

“Computing as a discipline”報告認為，更詳細的研究揭示出：在計算學科中，“三個過程”是錯綜復雜地纏繞在一起的，以至于把任何一個作為根本都是不合理的。

當專家們把注意力集中于“三個過程”誰更為根本的時候，學科方法論中的關鍵問題—抽象、理論和設計三個過程的相互作用被忽視了。不僅如此，在一定程度上還轉移了我們的視線，削弱了我們對報告本質的理解，以致“CC2001”任務組不得不承認，與報告密切相關的“CC1991”計劃的執行并沒有達到預期的效果。

“Computing as a discipline”報告的實質是學科方法論的思想，其關鍵問題是—抽象、理論和設計三個過程的相互作用的問題，正是因為它們之間的相互作用，促進了學科的發展。文[2]介紹了這方面的有關內容。

5結束語

綜上所述，由抽象、理論和設計三個過程以及學科各主領域組成的計算學科二維定義矩陣，它不僅隱含了學科中的科學問題、核心概念、數學方法以及系統科學方法，其實它還隱含了學科中一些有趣的問題。

在面向學科的思維方式這類問題上，世界著名計算機科學家、圖靈獎獲得者Dijkstra教授在充分的論述后，告誡我們在計算科學的教學過程中不要用擬人化的術語，而是要用數學的形式化方法。我國學者趙致琢博士也提出了思維方式的數學化的思想。我們認為，面向學科的思維能力應包含兩層意思：其一是面向學科方法論的思維能力；其二是面向學科的數學思維能力。

參考文獻：

[1]Carl K.Chang. Curricula 2001： Bringing the Future to the Classroom. Computer， 1999，32（9）： 85-88