计算机学科方法论

1、第12章 计算机学科方法论,12.1 什么是计算机学科方法论 12.2 计算机学科的三个形态 12.3 计算机学科的核心概念 12.4 计算机学科的系统科学方法 12.5 计算机学科的典型方法,什么是计算机学科方法论,方法论在层次上有：哲学方法论、一般科学技术方法论、具体科学技术方法论。 计算机学科方法论是在哲学方法论和一般科学技术方法论的指导下，对计算机领域认识和实践过程中的一般方法、性质、特点、内在联系和变化规律进行的系统研究和理论总结。 计算机学科方法论是认知计算机学科的方法和工具，也是计算机学科认知领域的理论体系，对于计算机领域的科学研究、技术开发和人才培养具有重要的指导意义。,计算机

2、学科方法论的主要内容,（1）学科的知识体系 （2）学科的3个形态 （3）重复出现的12个核心概念 （4）典型的学科方法,计算机学科的三个形态,所谓学科形态是指从事一类学科研究与发展工作且具有共性的文化方式。 计算机学科不但包括总体上对算法和信息处理过程进行研究，也包括满足给定规格要求的有效而可靠的软硬件的设计包括理论研究、实验方法和工程设计。,理论形态,理论指为理解一个领域中的对象之间的关系而构建的基本概念和符号。 理论形态基于计算科学的数学基础和计算科学理论，广泛采用数学的研究方法。 （1）对研究对象的概念进行抽象（定义）； （2）假设对象的基本性质和对象之间可能存在的关系（定理）； （3）

3、确定这些性质和关系是否正确（证明）； （4）解释结果（与计算机系统或研究对象形成对应）。,抽象形态,抽象（实验）指研究不同应用领域内的系统和体系结构的模型，并判断这些模型是否预测了新的行为。 基于计算机学科的实验科学方法，抽象广泛采用实验物理学的研究方法。 （1）确定可能世界（环境）并形成假设 （2）构造模型并做出预言； （3）设计实验并收集数据； （4）分析结果。,设计形态,设计是构造支持不同应用领域的计算机系统 。 广泛采用工程学（如建筑工程）的研究方法。 （1）叙述要求； （2）给定技术条件； （3）设计并实现该系统或装置； （4）测试和分析该系统。,三个形态之间的关系,计算机学科的核心

4、概念,核心概念是CC1991报告首次提出的，是具有普遍性、持久性的重要思想、原则和方法，核心概念具有如下基本特征： （1）在学科及各分支学科中普遍出现； （2）在理论、抽象和设计的各个层面上都有很多示例； （3）在理论上具有可延展和变形的作用，在技术上有高度的独立性。,1. 绑定 绑定是通过将一个对象（或事物）与其某种属性相联系，从而使抽象的概念具体化的过程。例如，将一个进程与一个处理机、一个变量与其类型或值分别联系起来。这种联系的建立，实际上就是建立了某种约束。 2. 大问题的复杂性 大问题的复杂性是指随着问题规模的增长使问题的复杂性呈非线性增加的效应。这种非线性增加的效应是区分和选择各种现

5、有方法和技术的重要因素。,计算机学科的核心概念,3. 概念和形式模型 概念和形式模型是对一个想法或问题进行形式化、特征化、可视化思维的方法。抽象数据类型、语义数据类型以及指定系统的图形语言，如数据流图和E-R图等都属于概念模型，而逻辑理论、开关理论和计算理论中的模型大都属于形式模型。概念模型和形式模型以及形式证明是将计算机学科各分支统一起来的重要核心概念。,计算机学科的核心概念,4. 一致性和完备性 一致性包括用于形式说明的一组公理的一致性、事实和理论的一致性，以及一种语言或接口设计的内部一致性。完备性包括给出的一组公理的完备性、使其能获得预期行为的充分性、软件和硬件系统功能的充分性，以及系统

6、处于出错和非预期情况下保持正常行为的能力等。,计算机学科的核心概念,5. 效率 效率是关于时间、空间、人力和财力等资源消耗的度量。在计算机软硬件的设计中，要充分考虑某种预期结果达到的效率，以及一个给定的实现过程较之替代的实现过程的效率。 6. 演化 演化指的是系统的结构、状态、特征、行为和功能等随着时间的推移而发生的更改。这里主要指的是了解系统更改的事实和意义以及应采取的对策。在软件进行更改时，不仅要充分考虑更改时对系统各层次造成的影响，还要充分考虑到软件的有关抽象、技术和系统的适应性等问题。,计算机学科的核心概念,计算机学科的核心概念,7. 抽象层次 抽象层次指的是通过对不同层次的细节和指标

7、的抽象对一个系统或实体进行表述。在复杂系统的设计中，隐藏细节，对系统各层次进行描述（抽象），从而控制系统的复杂程度。 8. 按空间排序 按空间排序指的是各种定位方式，如物理上的定位（如网络和存储中的定位），组织方式上的定位（如处理机进程、类型定义和有关操作的定位）以及概念上的定位（如软件的辖域、耦合、内聚等）。按空间排序是计算技术中一个局部性和相邻性的概念。,计算机学科的核心概念,9. 按时间排序 按时间排序指的是事件的执行对时间的依赖性。例如，在具有时态逻辑的系统中，要考虑与时间有关的时序问题，在分布式系统中，要考虑进程同步的问题。 10. 重用 重用指的是在新的环境下，系统中各类实体、技术

8、、概念等可被再次使用的能力，如软件库和硬件部件的重用等。,计算机学科的核心概念,11. 安全性 安全性指的是计算机软硬件系统对合法用户的响应及对非法请求的抗拒，以保护系统不受外界影响和攻击的能力。 12. 折衷和结论 折衷指的是为满足系统的可实施性而对系统设计中的技术、方案所做出的一种合理的取舍。折衷是存在于计算机学科领域各层次的基本事实。,系统科学的基本概念,1. 系统和子系统 系统是指由相互联系、相互作用的若干元素构成的，具有特定功能的统一整体。系统可以形式化地定义为： S= 其中，A表示系统S中所有元素的集合，R表示系统中所有元素之间关系的集合。 一个大的系统往往是复杂的，它通常可以划分

9、为一系列较小的子系统，子系统可以形式化地定义为： Si= 其中， 。,系统科学的基本概念,2. 结构和结构分析 所谓结构是指系统内各组成部分（元素和子系统）之间相互联系、相互作用的框架。结构分析的重要内容就是划分子系统，并研究各子系统的结构以及各子系统之间的相互关系。 3. 层次和层次分析 系统结构可以表示为各级子系统和系统要素的层次结构形式。一般来说，在系统中，高层次包含和支配低层次，低层次隶属和支撑高层次。明确所研究的问题处在哪一层上，可以避免因混淆层次而造成的概念混乱。 层次分析的主要内容有：系统是否划分层次，划分了哪些层次，各层次的内容，各层次之间的关系以及层次划分的原则等。,系统科学

10、的基本概念,4. 环境、行为和功能 系统的环境是指一个系统之外的一切与它有联系的事物组成的集合。系统要发挥它应有的作用，达到应有的目标，系统自身一定要有适应环境的要求。 系统的行为是指系统相对于它的环境所表现出来的一切变化。行为属于系统自身的变化，同时又反映环境对系统的影响和作用。 系统的功能是指系统行为所引起的、有利于环境中某些事物乃至整个环境存在与发展的作用。,系统科学的基本概念,5. 状态、演化和过程 状态是指系统的那些可以观察和识别的形态特征，一般可以用系统的定量特征来表示，如温度、体积等。 演化是指系统的结构、状态、特征、行为和功能等随着时间的推移而发生的变化。系统的演化性是系统的基

11、本特性。 过程是指系统的演化所经过的发展阶段，它由若干子过程组成。过程的最基本元素是动作，动作不能再分。,系统科学遵循的一般原则,1. 整体性原则 整体性原则基于系统要素对系统的非还原性（系统的整体具有还原为部分便不存在的特性）或非加和性（整体不能完全等于各部分之和），是系统方法的根据和出发点。 2. 动态性原则 动态性原则是指系统总是动态的，永远处于运动变化之中。,系统科学遵循的一般原则,3. 最优化原则 最优化原则是指运用各种有效的方法，从系统多种目标或多种可能的途径中选择最优系统、最优方案、最优运动状态，达到整体优化的目的。 4. 模型化原则 模型化原则就是根据系统模型说明的原因和真实系

12、统提供的依据，提出以模型代替真实系统进行模拟实验，达到认识真实系统特性和规律的方法。,计算机学科的典型方法,1. 抽象方法 所谓抽象是一种思考问题的方式，它隐藏了复杂的细节，只保留实现目标所必需的信息。 计算机系统的分层表现了抽象的概念，当我们与计算机的某一个分层打交道时，没有必要考虑其他分层。 程序设计语言的发展表现了抽象的概念。程序设计语言每前进一个阶段，语言自身就变得更抽象一些。,计算机学科的典型方法,2. 内涵与外延的方法 内涵与外延是哲学的两个基本的概念。所谓内涵是指一个概念所反映的事物的本质属性的总和，也就是概念的内容。外延是指概念所界定的所有对象的集合，即所有满足概念定义属性的对

13、象集合。内涵与外延的方法广泛出现在计算科学的许多分支学科中，是一个能够对无穷对象的集合作分类处理的方法。,计算机学科的典型方法,3. 构造性方法 构造性方法是整个计算机学科最本质的方法。这是一种能够对论域为无穷的客观事物按其有限构造特征进行处理的方法。 例如：表达式的形成规则可定义为： (1) 变量、常数是表达式； (2) 若E1、E2是表达式，是一个二元运算符，则E1E2是表达式； (3) 若E是表达式，是一个一元运算符，则E是表达式； (4) 若E是表达式，则（E）是表达式。,计算机学科的典型方法,4. 公理化方法 公理化方法能帮助我们认识一个系统如何严格表述，认识完备性和无矛盾性对一个公

14、理系统的重要性，认识每一条公理深刻的背景，独立性和它的作用。 除了形式语义学的研究中使用公理化方法外，开放信息系统的思想和设计，自定义逻辑框架系统的研究，以及分布式代数系统的研究都采用了公理化方法或吸取了公理化方法的思想。,计算机学科的典型方法,5. 原型方法 原型方法的主要内涵是：在软件的开发中，随着程序代码量的日渐庞大，开发费用和周期的不断增长，人们迫切需要对软件开发中引入的新思想、新原理和采用的新方法、新技术的可行性进行验证，通过验证过程提出改进意见，为实际产品的工程技术开发提供原理性的指导。,计算机学科的典型方法,6. 演化方法 演化方法也叫进化方法，是一种模拟事物演化过程进而求解问题的方法，其主要思想是：针对具体问题，首先找到解决该问题的办法（或算法、程序、电路等），然后通过各种有效的技术方法改进解决问题的办法（或算法、程序、电路等）进而改进求解的结果。,计算机学科的典型方法,7. 展开与归约的方法 展开与归约是一对技术概念，是在处理实际事务