第3章 3个学科形态.PPT

第3章 3个学科形态 ? 抽象、理论和设计是计算学科中的3个学科形态，它反映了人们从感性认识到理性认识，再由理性认识回到实践的认识过程。本章分别从一般科学技术方法论和计算学科的角度对抽象、理论和设计3个学科形态进行论述，并以“学生选课”为例，按“3个学科形态”对相关概念进行划分。然后，以计算机语言的发展为主线，介绍学科的相关内容，包括自然语言与形式语言、图灵机和冯·诺依曼计算机、机器指令与汇编语言、计算机的层次结构、虚拟机、高级语言、应用语言和自然语言的形式化问题等。最后，给出计算机科学14个分支领域抽象、理论和设计3个学科形态的主要内容。 3.1 引 言 “计算作为一门学科”报告在确定计算学科二维定义矩阵的“横向”关系时，最初有两种方案：一种是“模型（Model）”与“实现（Implementation）”相对；另一种是“算法（Algorithm）”与“机器（Machine）”相对。 显然，以上两种方案都可以反映计算学科研究的基本内容。但是，在对分支领域有关概念归属于何种形态时，出现了分类界限模糊的问题。后来，专家们认识到，计算学科的基本原理已被纳入理论、抽象和设计3个过程中，学科的各分支领域正是通过这3个过程来实现它们的目标。因此，选择了3个过程作为计算学科二维定义矩阵的“横向”内容，并将其确定为学科的3个学科形态，也即从事学科领域工作的3种文化方式。 抽象、理论和设计3个概念源于一般科学技术方法论，是计算学科中的3个最基本概念。为便于理解，我们分别从一般科学技术方法论的角度、计算学科的角度对3个学科形态进行论述，并对一个关于“学生选课”实例的相关概念进行学科形态的划分。 3.2 一个关于“学生选课”的例子 众所周知，人类的认识过程是从感性认识到理性认识，再回到实践中去的过程。感性认识是采用一定的方式，以可感知的文字或图形等形式对客观事物的特征进行描述，并通过构建模型而实现。感性认识包括两个方面的内容：一方面是感性认识的认识方法（或工具）的建立；另一方面是采用已建立起来的认识方法来实现对客观世界的感性认识。 在计算领域，感性认识、理性认识、实践分别与更为具体的抽象、理论和设计3个学科形态相比应。 下面，我们举一个“学生选课”的例子，为计算机初学者学习和掌握学科方法论中最基本的内容——感性认识（抽象）、理性认识（理论）和实践（设计）的学习作个铺垫。 例3.1 现给出“学生”和“课程”两个实体，它们的联系为：一个学生可以选修若干门课程，每门课程可以被任一学生选修。请建立一个信息管理系统，以实现对“学生选课”这一信息的管理。 对“学生选课”例子的感性认识 现给出“学生”和“课程”两个实体,它们的联系为： 一个学生可以选修若干门课程 每门课程可以被任一学生所选修 请建立一个信息管理系统，以实现对“学生选课”这一信息的管理。 概念模型 用于信息世界的建模，是客观世界到信息世界的抽象。 概念模型中的主要概念有：实体、属性、码、域、联系等。 实体：客观存在并可相互区别的事物。 属性：实体所具有的某一种特性。 码：能惟一标识实体的属性集。 域：属性的取值范围。 联系：指不同实体集之间的联系。两个实体之间的联系分为：一对一（1:1）、一对多（1:N）、多对多（N:M）3类。 E-R模型（Entity-Relationship） 1976年，美籍华人陈平山（Peter Pingshan Chen）提出的 用E-R模型来描述客观世界并建立概念模型的抽象方法。 实体用矩形表示，属性用椭圆形表示，联系用菱形表示，实体间的联系有一对一（1:1）、一对多（1:N）和多对多（N:M）3种情况。 要实现对客观事物的感性认识，必须将客观世界（在例中客观世界就是“学生选课”）抽象为信息世界。 图3.1 学生选课E-R图 关系模型 概念模型不是机器世界所支持的数据模型，而是客观世界到机器世界的一个中间层次 概念模型还需要转换成机器世界能支持的数据模型。 在数据库领域中，数据库管理系统（DBMS）能支持的数据模型有：层次、网状、关系以及面向对象等数据模型。 关系模型支持的是一种二维表结构的数据模型，它由关系数据结构、关系数据操作和关系数据的完整性约束条件三部分组成。 其中关系就是一张二维表。 概念模型（E-R图）——》关系模型 转换： 学生（学号，姓名，年龄，性别）； 课程（课程号，课程名）； 学生选课（学号，课程号，成绩） 概念模型是对现实原形的理想化，因此，将概念模型直接转换成关系模型，还不能说完全达到了对“学生选课”这一客观世界的理性认识，换言之，就是所转换的关系模型有可能还存在问题。 感性认识中存在的问题 在学生（学号，姓名，年龄，性别）关系中增加系