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计算机学科的发展

计算机学科的发展2009-10-1513：471计算机科学知识的演变在计算科学

的发展早期，大约在20世纪30年代至50年代末，对计算科学研究的主流方向

主要集中在计算模型、计算机设计、高级语言和科学计算方面。由于其应用主

要是大量的科学计算，与数学关系密切，加之在设计计算机的过程中，对逻辑

和布尔代数的基本要求，导致大量从事数学研究的人员转入计算科学领域。他

们不仅在数量上占有绝对优势，而且在工作中也处于主动地位。就当时的情况

来看，具有坚实的数学基础，懂得一些电子学、逻辑和布尔代数，很容易掌握

计算机的原理和设计的方法。如果还掌握了一些程序设计的技术，那他完全可

以进入学科前沿。在学科发展的早期，数学、电子学、高级语言和程序是支撑

计算科学发展的主要专业基础知识。学科经过几十年的发展变化，知识组织结

构日渐庞大，各主流发展方向所需要的共同的基础已经发生了很大的改变，从

早期的电子技术、布尔代数、计算机组成原理、程序设计基础逐步演变为高等

逻辑、计算模型与计算理论、新一代计算机体系结构、并行与分布式算法设计

基础、形式语义学这五大专业基础。目前，国内外研究生核心课程的最高起点

是：高等逻辑、高等计算机体系结构、并行(或分布式)算法设计基础、形式语

义学。学科知识组织结构及其演变对本科教学内容和要求产生的影响将是深远

的。20世纪60~70年代是计算科学蓬勃发展的时期，面对学科发展中遇到的许

多重大问题，如怎样实现高级语言的编译系统，如何设计各种新语言，如何提

高计算机运算速度和存储容量，如何设计操作系统，如何设计和实现数据库管

理系统，如何保证软件的质量等问题，发展了一大批理论、方法和技术。如形

式语言与自动机，形式语义学，软件开发方法学，算法理论联系实际，高级语

言理论，并发程序设计，大、中、小型计算机与微型计算机技术，程序理论，

Petri网，CSP，CCS等。这一时期的发展有三个显著的特点：第一是学科研究

和开发渗透到社会生活的各个方面，广泛的应用需求推动了学科持续高速发展。

第二是经过大量的实践，人们开始认识到软件和硬件之间有一个相互依托、互

为借鉴以推动计算机设计和软件发展的问题。第三是计算机理论和工程技术方

法两者缺一不可，且常常是紧密地结合在一起的。许多复杂而困难的硬件与软

件设计，离不开计算机理论的支持，而大系统的实现也应广泛采用工程方法。

对大系统实现中困难性的认识促进了软件理论、开发环境和工具的研究。大约

在此后20年里，计算机原理、编译技术、操作系统、高级语言与程序设计、数

据库原理、数据结构算法设计以及逻辑成为学科的主要专业知识基础。从20世

纪80年代起，针对集成电路芯片可预见的设计极限和一些深入研究中所遇到的

困难，如软件工程、计算模型、计算语言、大规模复杂问题的计算与处理、大

规模数据存储与检索、人工智能、计算可视化等方面出现的问题，人们开始认

识到学科正在走向深化。除了寄希望于物理学中光电子技术研究取得突破、成

倍提高机器运算速度外，面对现实，基于当前的条件，人们更加重视理论联系

实际和技术的研究。这方面的努力推动了计算机体系结构、并行与分布式算法、

形式语义学、计算机基本应用技术、各种非经典逻辑及计算模型的发展，从而

推出了并行计算机、计算机网络和各种工作站，并带动了软件开发水平和程序

设计方法技术的提高。尤其值得一提的是，在图形学和图像处理这两个相对独

立的方向上，不仅科研而且实际应用均取得了长足的进步。这两个方向的迅速

发展不仅使计算机的各种应用变得更易于为社会接受，而且随着计算机硬件和

数据库技术的进步，使计算机应用触及到了一些以前被认为是较为困难的领域，

并引发了计算几何、多媒体技术、虚拟现实等计算可视化方向的发展。基于并

行软件开发方法学、计算语言学、人工智能、超大规模计算机网络的控制与信

息安全，以及硬件芯片设计中遇到的困难和极限，人们开始对一些基本问题进

行反思。基础理论联系实际研究重新引起人们更多的重视。围绕着学科遇到的

问题，新一代计算机体系结构、高性能计算与通信系统模型、形式语义学、并

行算法设计与分析，以及各种非经典逻辑系统成为专家关注的重点。然而，由

于长期以来理论的研究滞后于技术的发展，技术和工程应用发展速度开始受到

制约。在研究的方法上甚至还出现了广泛借鉴其他学科的现象，特别是在研究

与人及其行为有关联的学科方向上，如从脑神经系统的生理结构和思维功能得

到启示产生了神经与神经元计算，试图从别的学科的进展来确定下一步工作的

思路。许多情况下确定一个取值的