计算机科学导论论文范文3篇

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计算科学导论学科论文

论文关键字: 计算科学 计算学科 计算机语言 计算机软件 网络和病毒

论文摘要:计算科学主要讲述了一种科学的思想方法,计算科学的基本概念、基本知识它的发展主线、学科分支、还有计算科学的特点、发展规律和趋势。

引言:随着存储程序式通用电子计算机在上世纪40年代的诞生,和计算科学的快速发展以及取得的大量成果。计算科学这一学科也也应运而生。《计算科学导论》 正如此书的名字,此书很好的诠释了计算科学这一学科,并且指导了我们应如何去学好这一学科。使得我们收获颇多。并且让我深深的反思了我的大学生活。正如赵老师书中所讲的:“计算科学是年轻人的科学,一旦你选择了计算科学作为你为之奋斗的专业类领域,就等于你选择了一条布满荆棘的道路。一个有志于从事计算科学研究与开发的学生,必须在大学几年的学习中,打下坚实的基础,才有可能在将来学科的高速发展中,或在计算机产品的开发和快速更新换代中有所作为。

<一>什么是计算科学和它的来历

计算科学主要是对描述和变换信息的算法过程,包括其理论、分析、设计、效率分析、实现和应用的系统研究。全部计算科学的基本问题是,什么能(有效的)自动运行,什么不能(有效的)自动运行。本科学来源于对数理逻辑、计算模型、算法理论、自动计算机器的研究,形成于20世纪30年代的后期。

随着存储程序式通用电子计算机在上世纪40年代的诞生,人类使用自动计算装置代替人的人工计算和手工劳动的梦想成为现实。计算科学的快速发展以也取得大量成果,计算科学这一学科也也应运而生。

<二>计算科学的发展

a、首先先介绍图灵机

图灵机的发明打开了现代计算机的大门和发展之路。图灵机通过一条两端可无限延长的袋子,一个读写头和一组控制读写头的(控制器)组成它有一个状态集和符号集,而此符号集一般只使用0和1两个符号。而就是这个简洁的结构和运行原理隐含了存储程序的原始思想,深刻的揭示了现代通用电子数字计算机的核心内容。现在通用的计算机是电子数字计算机,而电子数字计算机的发展是建立在图灵机的基础之上。他的二进制思想使计算机的制作的简化成只需两个稳定态的元器件。这在今后的计算机制作上无论是二极管或集成电路上都显示了明显的优越性。

b、计算机带动的计算学科

1946年随着现代意义上的电子数字计算机eniac的诞生。掀起了社会快速发展的崭新一页。计算机工作和运行就摆在了人们的面前。

1、计算机语言

我们要用计算机求解一个问题,必须事先编好程序。因此就出现了最早的机器指令和汇编语言。20世纪50年代后,计算机的发展步入了实用化的阶段。然而,在最初的应用中,人们普遍感到使用机器指令编制程序不仅效率低下,而且十分别扭,也不利于交流和软件维护,复杂程序查找错误尤其困难,因此,软件开发急需一种高级的类似于自然语言那样的程序设计语言。1952年,第一个程序设计语言short code出现。两年后,fortran问世。作为一种面向科学计算的高级程序设计语言,fortran的最大功绩在于牢固地树立了高级语言的地位,并使之成为世界通用的程序设计语言。algol60的诞生是计算机语言的研究成为一门科学的标志。该语言的文本中提出了一整套的新概念,如变量的类型说明和作用域规则、过程的递归性及参数传递机制等。而且,它是第一个用严格的语法规则——巴科斯范式(bnf)定义语言文法的高级语言。还有用于支持结构化程序设计的pascal语言,适合于军队各方面应用的大型通用程序设计语言ada,支持并发程序设计的modula-2,支持逻辑程序设计的prolog语言,支持人工智能程序设计的lisp语言,支持面积对象程序变换的smalltalk、c等。

2、计算机系统和软件开发方法

现代意义上的计算机绝不是一个简单的计算机了而也包括了软件(系统软件、应用软件)。各种各样的软件使得计算机的用途大大增强。而软件开发也成为了一个重要课题和发展方向。软件开发的理论基础即是计算模型。随着计算机网络、分布式处理和多媒体的发展。在各种高级程序设计语言中增加并发机构以支持分布式程序设计,在语言中通过扩展绘图子程序以支持计算机图形学程序设计在程序设计语言中已非常的流行。之后,在模数/数模转换等接口技术和数据库技术的支持下,通过扩展高级语言的程序库又实现了多媒体程序设计的构想。进入20世纪90年代之后,并行计算机和分布式大规模异质计算机网络的发展又将并行程序设计语言、并行编译程序、并行操作系统、并行与分布式数据库系统等试行软件的开发的关键技术依然与高级语言和计算模型密切相关,如各种并行、并发程序设计语言,进程代数,petri网等,它们正是软件开发方法和技术的研究中支持不同阶段软件开发的程序设计语言和支持这些软件开发方法和技术的理论基础----计算模型

3、计算机图形学

在计算机的硬件的迅速发展中。随着它的存储容量的增大,也掀起了计算机的巨大改革。计算机图形学、图像处理技术的发展,促使图形化界面的出现。计算机图形学是使用计算机辅助产生图形并对图形进行处理的科学。并由此推动了计算机辅助设计(cad)、计算机辅助教学(cai)、计算机辅助信息处理、计算机辅助测试(cat)等方向的发展。图形化界面的出现,彻底改变了在一个黑色的dos窗口前敲代码输入控制命令的时代。同时也成就了一个伟大的公司microsoft 。

4、计算机网络

随着用户迫切需要实现不同计算机上的软硬件和信息资源共享。网络就在我们的需求中诞生了。网络的发展和信息资源的交换使每台计算都变成了网络计算机。这也促进计算机的发展和广泛应用。

<三>计算机学科的主线及发展方向

围绕着学科基本问题而展开的大量具体研究,形成学科发展的主流方向与学科发展主线和学科自身的知识组织结构。计算学科内容按照基础理论、基本开发技术、应用以及他们与硬件设备联系的紧密程度分成三个层面:

1、计算科学应用层

它包括人工智能应用与系统,信息、管理与决策系统,移动计算,计划可视化,科学计算机等计算机应用的各个方向。

2、计算科学的专业基础层

它是为应用层提供技术和环境的一个层面,包括软件开发方法学,计算机网络与通信技术,程序设计科学,计算机体系结构、电子计算机系统基础。

3、计算科学的基础层

它包括计算科学的数学理论,高等逻辑等内容。其中计算的数学理论涵盖可计算性与计算复杂性理论形式语言与计算机理论等。

<四>计算机的网络的发展及网络安全

(1)计算机网络与病毒

一个现代计算机被定义为包含存储器、处理器、功能部件、互联网络、汇编程序、 编译程序、操作系统、外部设备、通信通道等内容的系统。

通过上面定义,我们发现互联网络也被加入到计算机当中。说明了网络的重要以及普及性。21世纪是信息时代。信息已成为一种重要的战略资。信息科学成为最活跃的领域之一,信息技术改变着人们的生活方式。现在互联网络已经广泛应用于科研、教育、企业生产、与经营管理、信息服务等各个方面。全世界的互联网internet 正在爆炸性的扩大,已经成为覆盖全球的信息基础设施之一。

因为互联网的快速发展与应用,我们各行各业都在使用计算机。信息安全也显得格外重要。而随着计算机网络的发展,计算机网络系统的安全受到严重的挑战,来自计算机病毒和黑客的攻击及其他方面的威胁也越来越大。其中计算机病毒更是很难根治的主要威胁之一。计算机病毒给我们带来的负面影响和损失是刻骨铭心的,譬如1999年爆发的cih病毒以及2003年元月的蠕虫王病毒等都给广大用户带来巨大的损失。

我们想更好的让计算机为我们服务,我们就必须很好的利用它,利用网络。同时我们也应该建立起自己的防护措施,以抵抗外来信息的侵入,保护我们的信息不受攻击和破坏。

( 2 )计算机病毒及它的防范措施:

计算机病毒是一组通过复制自身来感染其它软件的程序。当程序运行时,嵌入的病毒也随之运行并感染其它程序。一些病毒不带有恶意攻击性编码,但更多的病毒携带毒码,一旦被事先设定好的环境激发,即可感染和破坏。

<一>、病毒的入侵方式

1.无线电方式。主要是通过无线电把病毒码发射到对方电子系统中。此方式是计算机病毒注入的最佳方式,同时技术难度也最大。可能的途径有:①直接向对方电子系统的无线电接收器或设备发射,使接收器对其进行处理并把病毒传染到目标机上。②冒充合法无线传输数据。根据得到的或使用标准的无线电传输协议和数据格式,发射病毒码,使之能够混在合法传输信号中,进入接收器,进而进人信息网络。③寻找对方信息系统保护最差的地方进行病毒注放。通过对方未保护的数据链路,将病毒传染到被保护的链路或目标中。

2.“固化”式方法。即把病毒事先存放在硬件(如芯片)和软件中,然后把此硬件和软件直接或间接交付给对方,使病毒直接传染给对方电子系统,在需要时将其激活,达到攻击目的。这种攻击方法十分隐蔽,即使芯片或组件被彻底检查,也很难保证其没有其他特殊功能。目前,我国很多计算机组件依赖进口,困此,很容易受到芯片的攻击。

3.后门攻击方式。后门,是计算机安全系统中的一个小洞,由软件设计师或维护人发明,允许知道其存在的人绕过正常安全防护措施进入系统。攻击后门的形式有许多种,如控制电磁脉冲可将病毒注入目标系统。计算机入侵者就常通过后门进行攻击,如目前普遍使用的windows98,就存在这样的后门。

4.数据控制链侵入方式。随着因特网技术的广泛应用,使计算机病毒通过计算机系统的数据控制链侵入成为可能。使用远程修改技术,可以很容易地改变数据控制链的正常路径。

<二>病毒攻击的防范的对策

1.建立有效的计算机病毒防护体系。有效的计算机病毒防护体系应包括多个防护层。一是访问控制层;二是病毒检测层;三是病毒遏制层;四是病毒清除层;五是系统恢复层;六是应急计划层。上述六层计算机防护体系,须有有效的硬件和软件技术的支持,如安全设计及规范操作。

2.严把收硬件安全关。国家的机密信息系统所用设备和系列产品,应建立自己的生产企业,实现计算机的国产化、系列化;对引进的计算机系统要在进行安全性检查后才能启用,以预防和限制计算机病毒伺机入侵。

3.防止电磁辐射和电磁泄露。采取电磁屏蔽的方法,阻断电磁波辐射,这样,不仅可以达到防止计算机信息泄露的目的,而且可以防止“电磁辐射式”病毒的攻击。

4.加强计算机应急反应分队建设。应成立自动化系统安全支援分队,以解决计算机防御性的有关问题。

很多公司都有因为电脑被入侵而遭受严重经济损失的惨痛经历,不少普通用户也未能避免电脑被破坏的厄运,造成如此大损失的并不一定都是技术高超的入侵者所为,小小的字符串带给我们的损失已经太多。因此,如果你是数据库程序开发人员、如果你是系统级应用程序开发人员、如果你是高级计算机用户、如果你是论坛管理人员......请密切注意有关字符漏洞以及其他各类漏洞的最新消息及其补丁,及时在你的程序中写入防范最新字符漏洞攻击的安全检查代码并为你的系统安装最新的补丁会让你远离字符带来的危险。经常杀毒,注意外来设备在计算机上的使用和计算机对外网的链接。也可以大大有效的避免计算机被攻击。

<五>总结

在学了计算科学导论之后,让我更深入的了解了我将来要从事的学科。计算科学导论指导着我们该怎么学习计算机。让我更清楚的知道我们信息安全专业的方向。正如计算科学这座大楼一样,在不断的成长。信息安全也必将随着网络的进一步发展而更多的被人们重视。总之学习了这门课之后让我受益匪浅,也知道自己应该好好努力,争取在自己的专业领域上有所成就。

参考文献:

1、《计算科学导论》(第三版),赵志琢著 ,科学出版社2004版

2、《计算机病毒分析与对抗》 傅建明 彭国军 张焕国编著武汉大学出版社2004版

3、《计算机应用于基础》(第三版) 丁爱萍 著 西安电子科技大学出版社 2006版

4、《软件工程》 萨莫维尔 著 机械工业出版社 2007版

《计算学科导论》中的人文素质教育

摘要:本文在深入分析国内外素材的基础上,指出了计算学科导论教学过程中存在的问题和局限性,认真地分析并给出了课程的定位与教学指导思想,提出了教改的方向、目标和方法,着重探讨了该课程如何融合人文素质教育。经实践,取得了非常好的教学效果。

关键词:计算学科;导论;人文教育;教学改革

任何一门学科或专业,都含有丰富的人文内容和特质,都可以进行人文教育,使学生在学习中感受到美的熏陶与生命力量的提升。在计算学科导论的教学过程中,以一种什么样的意义来揭示该学科,就帮助学生设置了一个学习的方向。方向不同,学生在从事学习过程中进行的心理活动不同,学习的结果也不同。对知识,学生会记忆性地学;对技能,学生会模仿地学;对能力方面,学生会思维地学;对伦理方面,学生还会体验地学。无论如何,教学过程中的引导作用是非常明显也是极其重要的。

一、计算学科导论教学存在的问题与分析

多年来,通过对计算学科导论的关注,以及查阅大量的国内外的教材,在教学内容的定位、组织与设计方面,我们可以归纳和总结出国内外高校对本课程的处理方法,大体上可分为以下几类:

(1)高层次抽象。也就是用高度抽象的理论模型来刻画计算机及计算的本质问题,其特点是层次高,系统性强,且融抽象性与科学性于一体。这种教材质量较高,但对于本科生来说,难度较大,不易掌握。

(2)“浓缩”+“拼盘”。将本学科的主干课程,如操作系统、数据结构、软件工程、数库系统、计算机网络等“浓缩”起来,独立成章,然后合成一个“拼盘”。其特点是内容广而散、概念多而杂、理论深而不透,学生很难理解与掌握。此外,还存在以下几个问题:教学目的不明确;教师讲授到什么程度,学生学到什么程度,对这个“度”的把握非常困难;与后续课程内容重复等。

(3)实用主义。主要体现在以操作为主的入门教育,教学内容类似于非计算机专业的《计算机文化基础》,其特点是学生容易掌握,也可提高学生的操作技能,但却失去了“导论”课程的本质属性,学生对整个计算学科很难有所认识和把握。

(4)其他。比如以某种具体语言为主,介绍程序设计的基本概念和方法。这些内容对计算机专业的学生来说是必需的,但不宜作为“导论”课程来讲授。

二、课程的定位与教学指导思想

作为“导论”课程,计算学科导论到底要达到什么目的?起什么作用?以及如何定位?确实应该进行冷静、理智地加以分析。

首先,在定位方面,我们必须意识到以下几点:一是该课程为计算机专业的入门课程,不可能也没有必要在该课程中介绍过多的理论、方法、技术、概念和术语;二是要站在学科的高度给学生“指点江山”,使学生对计算学科有一个比较清醒的认识;三是要激发学生的学习兴趣和对职业的热情,使学生受到较好的人文精神的熏陶,真正成为社会的有用之才。鉴于此,我们认为该课程在专业知识的传授方面应该起一种“承前启后”的作用,这里所谓的“承前”一是让学生了解本学科的发展过程以及前辈们所做的贡献,二是了解计算学科的本质问题;而所谓“启后”一是介绍本学科的现状及其发展趋势,二是让学生了解应该掌握哪些知识,应该具备什么样的知识结构和能力。

其次,在教学目标方面,可以归纳为:了解本学科的发展史及其发展趋势,能从中获得必要的启示;从理论模型的层次上掌握计算及计算机的本质问题;了解本学科的知识结构及其相互之间的关系,掌握正确的学习方法;激发学生的学习兴趣;从整体上提高学生对本学科的认识水平;通过大量的事例和素材,在轻松愉快的氛围中给学生以人文精神的熏陶。

因此,我们认为计算学科导论应该体现出以下几个方面的指导思想:努力强化“导论”二字,贯彻以“发展沿革、计算模型、兴趣驱动、知识架构、学习导向、人文熏陶”为方针的教学指导思想。在“发展沿革”方面,主要强调两方面的知识。一是计算学科的发展史;二是计算学科发展过程中的局限性及其带给人们的启示。“计算模型”是描述如何在计算机中完成计算的一种概念性方法,不涉及硬件和软件细节,从抽象以及方法论的层次上揭示计算及计算机的本质特性。“兴趣驱动”的目的在于激发学生学习本学科的内在的、强烈的本能冲动;“知识架构”侧重于介绍本学科的知识结构及其相互之间的关系。“学习导向”着重讨论本学科的特点、规律以及学习方法。“人文熏陶”着重培养学生良好的人文精神,使学生成为健全的、高尚的、具有高度责任感和“大爱”的社会有用之才。

三、课程教学中的人文素质教育

1.计算学科发展史

知识的传授不能脱离知识的背景以及知识产生、发展的历史。只有这样,才能促使学生更深刻地理解知识,了解知识的来龙去脉;才能促进学生把外在的知识内化为自身精神构架的有机成分。历史的发展过程,无不反映着辩证思维的过程。通过对史实的分析、综合形成概念,再运用概念进行判断、推理,可以获得对历史发展的规律性的认识。只有学习和熟悉历史,深刻地认识过去,才能更加自觉和正确地把握现实与未来。对于大学生来说,可以提高他们的文化素养,可以培养他们的创新思维和实践能力,也可以让他们学会怎样做人等。

2.历史人物的事迹与成就

在计算学科的发展史上,涌现出一大批杰出的学者和专家。他们的奋斗经历、挫折和成功、团结与协作、百折不挠的惊人毅力、爱国主义和国际主义精神以及他们创造性的智慧,都蕴涵着丰厚的人文精神。如阿兰•图灵(Alan Turing,1912-1954)年仅23岁就被选为剑桥大学国王学院院士,在量子力学、概率论等领域都做了许多开创性的工作,他对计算学科的重要贡献在于提出了有限状态自动机(即图灵机)以及“图灵测试”。人们为了纪念这位伟大的科学家,将计算机界的最高奖定名为“图灵奖”。

又如计算机之父──冯•诺依曼(John Von Neumann,1903-1957)在格论、连续几何、理论物理、原子能和经济学等领域都做过重要的工作。冯•诺依曼对人类的最大贡献是对计算机科学、计算机技术和数值分析的开拓性工 作。

3.业界公司的兴衰与成败

短短的几十年里,计算机界诞生了许多富有传奇色彩的、实力雄厚的跨国公司,这些公司的管理理念、经营策略、企业文化、技术路线、成功与失败的经验教训等,蕴涵着丰富的人文精神。自1975年微软公司创立以来,在短短的几十年里,比尔•盖茨创造了一个又一个现代神话。到1999年7月16日,微软公司的股票市值已突破5000亿美元的大关,而当时世界上只有8个国家的经济规模超过了5000亿美元。比尔•盖茨的成功,验证了一条经济学的基本规律:如果市场起飞,那些恰好在起飞点进入市场的人,将会获得超过一般数学期望值的投资回报。英特尔(Intel)公司是美国最大的独立半导体制造商,成立于1968年8月。该公司为何能在短短的40年里创造辉煌?除了雄厚的科研、技术以外,注重新产品开发、强化质量意识、全力营造和谐的企业文化、出色的营销沟通能力对英特尔的发展功不可没。

创造神话的公司还有很多,比如IBM,HP,Yahoo,APPLE……这些公司的成败与兴衰的背后,有很多曲折、感人的故事,从这些故事里,人们可以获取很多智慧、经验、教训、感悟,对从业者来说,没有比这更宝贵的精神财富了。

4.学习兴趣的激发与培养

“兴趣驱动”的目的在于激发学生学习本学科的内在的、强烈的本能冲动。学习兴趣是学生对学习活动或学习对象产生的积极探究的认识倾向。当一个学生对某门课程发生浓厚的、稳定的兴趣时,学习这门课程就有了内在的、持久的动力,这种内因的作用能充分调动学生学习的积极性、主动性。

对于计算学科,如何提高学生的学习兴趣,我们认为有几条途径。一是通过直观、形象的手段(如多媒体CAI)展示计算学科的经典应用,如科学计算、天气预报、导弹制导、CAD等,让学生切实感受到计算学科给人类所带来的震撼人心的变革;二是介绍计算学科未来引人的美好前景及其对人类生活的影响;三是实事求是地告诉学生计算学科尚存许多需要解决的问题,在某种程度上也可激发学生的热情和创造力。

5.社会责任感

社会责任感是人对社会和他人负责的心理体验。社会责任感一旦确立,就会成为性格心理的组成部分,就具有稳定性,使人能自觉、主动、积极地尽职尽责。因此,在人文素质教育中,除了引导学生学什么、怎么学以外,还应该在学生的人格培养上多下工夫。其中重要的一条就是要引导学生关注现实,立足现实,从时展与社会进步的高度来把握个人的前途和命运。社会责任感的培养可以从三个方面着手:第一,让学生了解所学理论的社会价值;第二,介绍与学科有关的优秀历史人物,激发学生树立崇高的正义感与社会责任感;第三,介绍学科与当前民众利益的密切关系,激发学生献身于造福人类与社会伟大事业的热情。

作者单位:广西工学院

参考文献:

[1]石茵译.计算机科学导论[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003:15.

[2]杨跃民.高校人文教育:问题与建议[J].理论探讨,2005,(6):140-142.

[3]杨叔子.现代大学与人文教育[J].高等教育研究,1999,(4):1-5.

[4]李耀平.走向科学教育与人文教育融合的大科学时代[J].思想教育研究,2005,(10):21-24.

信息与计算科学专业导论需要解决的问题分析

[摘 要]专业导论课是学生了解专业、建立专业认同、把握专业内涵的重要窗口。利用该例阐述科技应用开发中,信息与计算科学专业知识的使用流程和涉及的课程知识。利用该例阐述科技应用开发中,信息与计算科学中各个学科的交叉渗透,以及信息处理、应用开发中的数学知识。

[关键词]信息与计算科学;案例;建模;计算;开发

[中图分类号] G420 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437(2016)08-0017-03

一、前言

课程建设是专业建设中的重要组成部分,专业导论课往往在第一学年开设,是学生了解专业、建立专业概念和专业认同的重要课程,对学生的专业学习和发展有着重要的引领和指导作用。[1] [2] [3]

信息与计算科学专业是信息科学、计算科学、运筹与控制、计算机及应用等学科交叉而形成的专业,往往设置为理科专业。多种学科知识的交叉渗透,加上因专业名称的望文生义,使学生容易产生简单的认识――“信息与计算科学专业是数学与计算机结合的专业”。这样笼统的认识可能会导致学生认为该专业“要么学数学,要么学计算机”,至于“怎么结合”搞不清,不重视专业的其他重要方面,甚至连信息与计算科学的专业特点和核心竞争力也模糊不清。

关于信息与计算科学专业课程体系建设的论述已有很多,然而关于该专业大导论课程的研究还不多见。针对上述存在的种种问题,本文认为信息与计算科学专业设置专业导论课程是极为必要的,而且在课程体系中应作为独立的重要一环。因为作为信息与计算科学(信计)专业的导论课程,需要回答的问题多且必要:信计专业培养什么样的人才?什么是信计专业?信计的核心竞争力是什么?如何实现?信息处理、应用开发中有哪些数学知识?信息挖掘、信息安全与算法设计的联系如何?建模能力如何铸就?计算分析能力怎样打造?就业岗位对信计的现实要求有哪些?等等。

信计专业导论课的开设需要对信计专业的发展历史,专业的研究应用进展和前沿有深入、广泛的了解,通过精选教学内容,使教学内容形成体系,以达到解决学生关切问题、培养学生专业思想、建立学生专业认同、激发学生专业学习兴趣的教学目标。教学过程中典型的教学案例对学习兴趣的提高有明显的促进作用,在专业学习中能够激发学生对专业的兴趣,促进学生对专业的理解,特别是有利于学生加深对专业的宏观认识以及对专业的一些具体方向的感性认识。本文将结合教学典型案例深入剖析信息与计算科学专业导论教学中需要解决的问题。

二、信息与计算科学的直观印象

信息与计算科学作为交叉学科,和其他一些专业的易混淆性,使得我们必须首先回答什么是信息与计算科学专业,更为紧要的是在大一阶段应该如何从直观的角度来阐述它。我们知道,随着现代信息计算科学技术的发展,上班考勤甚至上课考勤都有系列的产品可供选择,常见的考勤机为指纹考勤机器――这是一个很典型的利用信息与计算科学知识和方法进行应用开发的产品。在教学中,类似的案例可以体现信息与计算科学专业各学科之间的交叉渗透,为学生提供直观的专业认识印象,具体阐述如下。

1.利用该例阐述科技应用开发中,信息与计算科学专业知识的使用流程和涉及的课程知识。指纹考勤机首先要采集被识别人的指纹信息,并以此作为样本;预处理后把样本信息存储为向量或数据,通过建立样本的特征提取模型,进行特征提取;之后输入建立的识别模型,对待识别的指纹进行计算识别;接下来是针对硬件的编程实现和测试,最后再植入匹配的设备或者网络传入后台系统,完成系统测试,投入使用。由于建立特征提取模型和识别模型的方法很多,快速计算的方法选择有所不同,这涉及信息与计算科学中许多数学基础知识和数学建模方法等。总的来说,考勤机的工作流程可以归纳为5步:(1)信息采集和预处理;(2)特征提取和识别模型;(3)识别、计算分析;(4)编程实现;(5)植入硬件。分别讲述其中各个环节可涉及的专业课程:信息采集和预处理可涉及高等代数、概率统计等课程;特征提取和识别模型可涉及高等代数、数学分析、概率统计、运筹优化、数学建模等课程;识别、计算分析涉及高等代数、数学分析、运筹优化、数值分析等课程;编程实现可涉及程序设计语言、算法设计、软件开发测试,等等。这样结合专业课程知识与应用实例的详细讲解,易于让学生了解信息与计算科学专业知识的应用流程,使学生对信息与计算科学专业知识有直观的认识。

2.利用该例阐述科技应用开发中,信息与计算科学中各个学科的交叉渗透。如前所述,由于一个产品的开发可能涉及的知识点很多,可采取的模型方法也是多种多样,这些知识之间的应用就会有交叉。例如,特征提取、识别模型的建立有可能用到信息处理的数学基础,这时又需要考虑该模型是否能设计出快速的计算方法来满足实际计算速度的要求;识别模型的实现最后需要计算机编程来完成,这又涉及合适的模型、快速的算法和良好的程序设计之间的协调融合。当然,完整的产品设计还需要考虑到采集设备的精度、程序植入等其他学科的知识。这样讲解,学生就会对信息与计算科学知识的交叉有较为宏观的认识。

3.启发学生对信息与计算科学中的相关问题进行思考。

(1)指纹样本信息采集是很微妙的事,如果当采集一个样本的次数太多,超出了很多人的承受范围,比如一个手指的指纹采集超过了三次,这样产品的便利性、应用性和竞争力就值得怀疑了。因为通常情况下,我们很自然的认为事不过三为好。那么,如何以最少的采集次数达到要求的识别效果?这就是值得考虑的问题。

(2)如何提高产品的识别效果(正确识别率),提升产品质量,这除了与团队的专业知识相关以外,还与获取知识的能力有很大关系。例如能不能利用已有的专业知识积累从现有的国内文献中获取最新的技术信息,能不能利用国外的技术文献,等等。这些都是由典型案例所延伸出的值得思考的问题。这些问题有利于开拓思路,使学生对将来的工作和研究研发空间充满期待。

三、信息与计算科学专业的核心竞争力

信息与计算科学是由多个学科专业合并和综合而来的,其重视基础能力,培养能解决实际中信息与科学工程计算应用问题的宽口径专业人才。考虑到专业的名称与计算机、信息工程等专业有相似之处,专业导论课程需要阐明该专业与其他专业,特别是一些计算机科学专业、信息工程专业和数学与应用数学专业之间的区别。因此,信息与计算科学专业课程的核心是什么?专业人才的核心竞争力是什么?这两个问题是无法回避的。针对这些问题,除了上述案例,图像(信息)的压缩处理也是一个很直观的例子。利用图像压缩,可以给学生展示压缩编码技术、压缩的算法、软件开发等,这涉及信息编码、密码学、算法设计能力、应用开发能力等。结合这些案例,我们信息与计算科学专业并不是单纯的涉及数学基础课程、建模能力、算法设计或者计算机科学其中的某一方面,它的核心竞争力在于“数学基础与建模能力、计算分析与算法设计、程序语言与应用开发”这三者的有机融合。单单讲某个方面还不足以称之为专业的核心竞争力。因为专业人才的定位是解决信息与科学工程计算的应用问题,这些实际问题本身与这三方面多有紧密的联系,单强调某一方面或重视某一模块容易和上述一些类似名称的专业混淆。因而,与这三方面相关的数学基础课程有数学分析、高等代数、解析几何、微分方程、概率统计等;与这三方面相关的一些专业课程需要凝聚成为专业的核心课程,如数值分析、离散数学、程序语言、数学建模等。

四、信息处理、应用开发中的数学知识

信息与计算科学专业的大一新生对就读该专业充满了憧憬。他们能发现数学基础的老三样(数分、高代、解几)但看不到信息和计算的影子,看不出专业的特征和特色,这就需要专业导论课程加以引导。选取信息处理和应用开发中的相关案例来阐述数学基础知识在解决这些问题中的重要作用,可以使学生对数学基础知识与实际科学工程问题有直观的印象,这对学生下决心打好基础,投入前期课程学习有着重要的作用。如选择图像处理中的修补算法、游戏开发中愤怒的小鸟的技术含量为讲述案例,则这些应用案例就可结合数学基础知识来阐述。

1.图像处理中的修补算法。图形图像的基本处理分析方法,如傅里叶分析可选择进行更为全面的介绍,介绍其在工程领域、数字信号处理、医学领域的广泛应用。这样来看,大一开始学习的分析类课程作为专业的基础课程确实是名符其实。图像图像处理的修补涉及优化模型和优化算法、算法的复杂性等,而这些基本的模型形式――在一定约束要求的前提下,求目标函数的极小值,容易使学生对开始学的分析课程的导数与极值、矩阵等基本知识联系起来。

2.愤怒的小鸟的技术含量。应用开发形式多种多样,游戏开发是一种有趣生动的开发过程,许多游戏开发又与数学基础知识有紧密联系。因此,选取其中的典型案例进行介绍,容易激发学生的学习兴趣,促进学生对数学知识在应用开发中作用的理解。如该例涉及的物体碰撞检测和连续碰撞检测与向量及运算、旋转矩阵、线性变换等数学基础知识,可以由此进一步介绍物体的移动、壁障和寻路等游戏开发中常见的智能化算法,这些都将和许多基础知识紧密结合。

五、信息挖掘与算法设计

信息与计算科学专业人才应具有处理实际中信息与科学工程计算问题的能力。当前大数据处理涉及的信息挖掘的相关内容,与信计专业有天然的联系,特别是挖掘目标的设置、隐含信息的挖掘模型的建立和使用、模型的求解、算法性能分析等,与信息与计算科学中的计算能力、建模能力、程序设计等核心能力模块要求相连。这方面的热点案例很多,如可选阿里巴巴大数据竞赛、2012年和2015年深圳杯全国大学生数学建模夏令营B题进行展示,其中阿里巴巴大数据竞赛可联系到机器学习算法等。讲述这些典型的热点应用案例,对学生了解专业课程和专业的内涵有重要的指导作用。

综上,通过梳理信息与计算科学专业导论教学中一些需要澄清的问题,根据教学实践,从典型案例的视角对这些问题设置的必要性和解决方式进行了分析和探讨,剖析了这对于促进学生对专业内涵的总体把握、了解专业应用领域、品味专业学习价值的有益作用。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 杨晓东,崔亚新,刘贵富.试论高等学校专业导论课的开设[J].黑龙江高教研究,2010(7):147-149.

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