用例证讲授计算机的应用领域

文章编号：1962-5913(2008)11-0043-04

摘要：本文介绍了笔者在“计算机文化基础”课程教学中使用的大量例证，涉及科学计算、数据处理、过程控制、人工智能等领域。

关键词：教学交流；计算机应用；例证

中图分类号：G642

文献标识码：B

1问题的提出

笔者从事计算机文化基础教学多年，使用过不少版本的教材，发现很多教材在说明计算机的应用领域时，或许是篇幅的限制，只是简单地陈述了计算机应用的几个方面，如科学计算、数据处理、过程控制和人工智能等。如果教师在讲授时没有进一步举出实际应用的例子，可能造成学生对计算机应用的了解过于肤浅。特别是非计算机专业，不少学生把计算机的应用只停留在资料搜索、文字处理和电脑游戏上。为了让教师在讲授过程中能找到更多的实际例子，也让学生在计算机基础课程的学习中能更好地感受计算机的神奇和带来的变化，笔者将多年讲授该课程积累的一些生动浅显的例子与同行分享。

2科学计算

2.1公式验证

计算机20小时=手工20年。法国天文学家Delaunay，为了用天体力学的方法求解月球的运动轨迹，花了10年时间去求解一个摄动级数展开式。后来为了验证结论，他又花了10年功夫，整整20年的“笔”和“纸”的辛劳，于1867年公布了他的研究成果，出版了专著，其中记述了计算月球轨迹运动的Delaunay公式，这个公式证明长达400页。100多年后的1970年，美国波音科学实验室的三位青年学家用计算机代数的算法，在一台小型计算机上仅花了20个小时的时间验算了使用了100多年的计算月球运动的Delaunay公式，验算结果发现Delaunay公式有三处错误。

2.2圆周率的计算

提起圆周率，就有说不尽的话题。对 的计算机体现一个国家，一个时代的科学技术水平。三国时期魏国人刘徽割圆至正96边形，得到3.141，写下了第一个世界纪录。南北朝时期，先是何乘天割圆至正1536边形，得到3.1416；随后是祖冲之集前人之大成，割圆至24576边形，得到了3.141593，相继树立了求 的两个里程碑。英国一名数学家，名叫香克斯(音译)，他把一生中的70年全部投入到圆周率的计算中，结果创造了当时一个了不起的记录，他把圆周率算到了小数点后707位。而刚出世不久的计算机仅仅用了40秒的时间就打破了香克斯的记录。而且证明了香克斯的第528位计算是错误的，其后的一百多位的计算，香克斯白算了，这就是说，香克斯有将近一半的时间在劳而无功。

之后日本和美国利用计算机展开了圆周率计算竞赛，首先美国人创造了震惊世界的纪录，算出了1亿位。未几，日本东京大学的金田康正将它翻了一番，算出了2.1亿位。美国人不甘示弱，哥伦比亚大学的数学家丘得诺夫斯基兄弟俩立即予以刷新，求得了4.8亿位，并声称还可以求任意多位，可以从任意位后算起。4.8亿位是什么概念呢?相当于100万字的厚书，要480本摞起来。

1997年7月，日本东京大学的计算机中心教授金田康正和助手高桥大介将圆周率演算到小数点后515.396亿位，大大超过了他们两年前创造的小数点后64亿位的世界纪录。

3数据处理

3.1人口普查

1982年进行的全国第三次人口普查，第一次使用电子计算机进行数据处理。这次人口普查共调查19个项目，其中按人填报的有13项，按户填写报的有6项。这样全国按10亿人口估计，填报的登记表重量约2000吨，填报的数据约400亿字符。这些数据分别集中由各省用当时的中型计算机系统进行处理。开始由3000多名计算机录入人员用1年多的时间录入和核对，然后经计算机处理后打印输出国家，各省市的人口数据汇总表100多类，如人口的地区分布，人口的性别、年龄、民族、文化程度、行业、家庭、婚姻、生育等各种统计报表。仅省一级就整理出50000页左右的资料。这些省级表用计算机统计几分钟就可以即可完成，并且数据准确可靠。如果用人工统计，有人估计要15个人干1年，每天工作足8小时，节假日不准休息，并且统计出来的数据错误在所难免。这只是省级表，全国要求共15万种表，如果没有计算机，靠手工将是什么样呢？。

第五次全国人口普查首次采用光电录入技术，提高了数据录入速度，减轻录入人员的工作量。

3.2天气预报

气象科学的不断发展，在天气预报方面，除了广泛应用大范围天气图和经验来预测未来的天气外，还利用电子计算机这一现代工具来进行天气预报。气象工作者称它为数值预报，即数值天气预报和数理统计预报。数值天气预报是应用流体力学、热力学、高等数学等来研究大气变化的物理规律；根据大气运动的特点，可以得出一套反映这些物理规律的数学方程式(即天气预报方程组)，然后依据一些已知条件(如某日某时的气压、温度、湿度、风力等等)来解释这一方程组，得出天气的未来变化情况，这样就可以达到预报目的了。数理统计预报是应用数理统计学的一些理论和方法，并根据历史上的大量气象资料，找出一些描述天气、气候变化的统计规律的数理统计方程式，用以预报长期天气趋势，也可用作预测几天后的气象要素。这两种方法都涉及到大量的数据和算术运算，如果仅仅依靠普通计算机来计算，那是很难实现的。由于电子计算技术的发展，为我们提供了既可靠又快速的计算工兵――电子计算机，这样我们应用计算数学的一些方法，把数学方程式化为加、减、乘、除的四则运算方案，并把它译成机器语言(即计算命令)，连同各地气象要素的观测资料(大量数据)一起输入电子计算机，就好像让未来的天气变化，事前在电子计算机里预演一样，让计算机既迅速又可靠地完成庞大而复杂的天气预报计算任务。

我国国家气象中心1986年10月1日首次应用计算机技术制作电视天气预报节目。内容由NOAA－9轨镶拼国内全景彩色云图、BMS不同区域彩色静止卫星云图、天气系统特写放大云图、天气尺度系统动画云图、天气区域预报图、天气系统等压线分布图、台风路径实况和预报以及风雨分布图、冷锋活动图、海洋气象预报图、城市天气预报图等组成。卫星云图经过计算机处理，其他彩色图像通过微型计算机制作，内容丰富，信息量大，具有实用性、知识性和趣味性。

4计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)

4.1计算机辅助服装设计与制造

计算机辅助设计(CAD)技术的发展，使长期来依靠人工进行服装设计的艰苦工作得以实现自动化。20世纪末，由美国格柏公司、法国力克公司等推出的利用计算机三维人体自动扫描测量技术和设备，并在此基础上由计算机辅助设计技术和设备自动制作需要的二维纸样。首先通过计算机三维人体扫描技术和设备，完成对人体基本尺寸的自动测量，获得一系列人体数据并储存。然后依靠电脑服装设计软件，根据测量获得的一系列人体数据，由电脑自动进行计算机辅助设计，制作生产需要的二维纸样，并进行自动优化排版。利用这类纸样生产的服装，即可节省材料，又提高了效率，更使服装制作完成后，可以达到适合人体的效果。服装CAD的应用，不仅可以提高服装厂设计效率，降低服装生产的材料消耗，而且增强了服装的多样化、个性化的能力，使服装设计走上自动化的道路。

采用计算机辅助服装制造的技术和设备已经有不少产品。例如“十五”期间，美国格柏公司推出的服装CAM系统支持的自动裁床，日本川上公司推出的SUPER CAM系统。由于服装CAD技术和设备的发展和成熟，为电脑控制服装纸样的制作设备和裁剪设备的生产，创造了十分有利的前提条件。在服装CAD完成后，服装纸样的制作、服装材料的裁剪，就可以应用服装CAD所获得的设计数据，进行计算机控制下的进行服装纸样的制作、服装材料的裁剪。