论计算学科的系统观

摘要：本文对有关计算学科中渗透的系统科学思想进行了纵向梳理和横向概括。目的在于对计算学科中的系统科学思想有一个多角度、多层次的认识。明确系统思想在学习和应用上的重要性，以提高运用系统思想观察和思考计算学科问题的自觉性。

关键词：系统原则 系统的工程 系统性认知

系统作为一个标志事物整体的哲学范畴，它揭示任何事物都是由其内部相互联系、相互作用的要素按一定的方式所组成，并同其周围环境相互联系、相互作用所构成的整体。它把人们认识客观世界的知识体系用“系统”这一模型加以概括。

自从二十世纪中期电子计算机产生以来，计算技术作为现代技术的标志已成为世界各国许多经济增长的主要动力，计算领域也已成为一个极其活跃的领域。计算学科正以令人惊异的速度发展，并大大延伸到传统的计算机科学的边界之外，成为一门范围极为宽广的学科。如何认知这个学科引发了长期以来激烈的争论，并极大地影响着计算学科的发展和人才的培养。本文试图用系统的观念来认知计算学科。

一、计算学科体系中的系统原则

运用一般系统论的基本原则分析计算学科，可以从根本上把握计算学科体系中的系统思想。

1、整体性原则

整体性原则是基于系统要素对系统的非还原性或非加和性关系，是系统方法的根据和出发点。这一原则要求人们在研究系统时，应从整体出发，立足于整体来分析其部分及部分之间的关系，进而达到对系统整体的更深刻的理解。

在讲到系统的整体性时。就要谈到“涌现性”一词。系统科学把整体具有而部分不具有的东西(即新质的涌现)，称为“涌现性”。从层次结构的角度看，涌现性是指那些高层次具有而还原到低层次就不复存在的属性、特征、行为和功能。

2、层次性原则

这一原则指的是，构成系统的要素本身也是由其组成部分按照特定联系和作用方式结合而成，因此作为综合整体的系统便表现出特有的层次性。

层次是划分系统结构的一个重要工具，也是对系统结构分析的延伸。系统的结构可以表示为各级子系统和系统要素的层次结构形式。这可以通过环境、功能与结构三者的相对关系说明。

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，系统自身一定要适应环境的要求。

系统的功能是指系统相对于它的环境所表现出来的一切变化。功能反映系统对环境的影响和作用。

系统的结构是指构成系统的各个要素在空间、时间上相互影响、相互作用的态势。由系统的整体性原则可知，系统的结构影响系统的功能，系统整体功能的“涌现”由系统要素结构决定。

而且。环境、功能与结构三者关系是相对的。系统在其存在的环境中，与环境中的其它系统相互作用，构成更大的系统。而构成系统的要素可以是由低层次的系统构成，这也是常常将系统要素称作子系统的原因。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。

3、有序性原则

系统的有序性包括系统结构层次的有序性、时间排列的有序性和系统发展的有序性。系统的性质在很大程度上取决于系统内部要素的作用方式，而这种方式本身就体现了系统的有序性。系统的有序联系保障着系统结构的稳定性，系统有序性的降低意味着系统稳定结构的削弱或瓦解，研究系统的有序性是研究系统运动规律的重要途径。

二、软件工程中的系统工程思想

系统工程是为了更好地达到系统目的，对系统的构成要素、组织结构、信息流动和控制机构等进行分析与设计的工程技术。系统工程的基本方法是：系统分析、系统设计与系统的综合评价(性能、费用和时间等)。而指导制作软件的软件工程，则运用系统工程的方法和技术。可以说，开发软件的过程是一个系统的工程。

软件生存周期可划分为若干个阶段，各阶段都包括计划、开发、运行与维护三个时期，而每个时期又划分为若干个阶段。软件工程强调使用生存周期方法学和各种结构分析及结构设计技术。每个阶段都运用了大量的系统T程方法。

1、系统分析

在系统分析阶段，对系统的目的、功能、环境、费用、效益等问题进行充分的调查研究，在收集、分析、处理所获得的信息资料的基础上，确定系统目标，制定出达到此目标的各种方案，通过模型进行仿真和优化分析，并对各种方案进行综合评价，从而为系统设计、系统决策、系统实施提供可靠的依据。

在软件工程的可行性研究和需求分析阶段。运用系统分析方法。从系统需求入手，从用户观点出发建立系统用户模型。用户模型从概念上全方位表达系统需求及系统与用户的相互关系。系统分析在用户模型的基础上，建立适应性强的独立于系统实现环境的逻辑结构。

2、系统设计

在系统分析的基础上。设计出能满足预定目标的系统的过程。系统设计内容主要包括：确定设计方针和方法，将系统分解为若干子系统，确定各子系统的目标、功能及其相互关系，决定对子系统的管理体制和控制方式，对各子系统进行技术设计和评价，对全系统进行技术设计和评价等。

在软件工程的系统设计阶段，根据系统分析阶段所确定的新系统的逻辑模型、功能要求，在用户提供的环境条件下，设计出一个能在计算机环境上实施的方案。即建立新系统的物理模型。

3、系统的综合评价

对新开发的或改建的系统，根据预定的系统目标用系统分析的方法，从技术、经济、社会、生态等方面对系统设计的各种方案进行评审和选择，以确定最优或次优或满意的系统方案。另外，系统工程的功能模拟方法、计划评审方法(关键路径法)等技术，在软件工程领域的原型模型和极限编程方法中找到其具体应用。

三、计算教育领域的系统性认知

现代认知结构理论都认为学习过程就是认知结构不断变化和重新组织的过程，存在于人头脑中的认知结构始终处于变动与建构之中，其中，环境和学习者的个体特征是两个决定性因素。因此，最先建立学科基本结构即学科的知识体系所能抽象概括的具有普遍和强有力适应性的、能广泛迁移的系统构架，作为教学的主要任务。也正因为如此，很多学科教育体系的第一门课程，都是关于该学科的知识体系抽象概括的导论、引论、概论之类的课程。目前，计算机导论课程的开设已成为国内计算机教育领域内的共识。

综合以上几个方面的分析可知，系统思想渗透在计算学科的方方面面，在计算学科中系统地学习和掌握系统思想，有助于我们更加清晰地认识计算学科。