(中化地质矿山总局内蒙古地质勘查院，内蒙古 呼和浩特 010070)
摘 要：从计算科学的概念、学科分类、学科特点、学科基本问题、发展主线、发展规律、主要基础、知识结构，学科形态与核心概念，计算科学研究方法等方面对计算科学进行了分析论述。对如何学好计算科学，怎样卓有成效地做好计算科学工作，如何加快我国计算科学事业发展的步伐阐明了个人的观点和主张。
关键词： 计算科学；内涵；创新发展
中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)08—0076—02
1 什么是计算科学
计算科学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、实现和应用的系统的研究。学科的基本问题是，什么能有效地自动进行，什么不能有效地自动进行。计算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年代后期。计算科学所研究的全部问题的核心是能行问题，能行问题贯穿在整个学科包括硬件和软件在内的理论、方法、技术的研究，以及应用各个方向的研究与开发之中。
2 计算科学的内涵
2.1 计算科学层面与发展主线
计算科学的学科内容按照基础理论、基本开发技术、应用以及它们与硬件设备联系的紧密程度可以分成三个层面：第一层面是计算科学的应用层，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、计算可视化、科学计算等计算机应用的各个方向。第二层面是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、计算机体系结构和电子计算机系统基础。第三层面是计算科学的基础层，它包括计算的数学理论、高等逻辑等内容。支撑这三个层面的是计算科学这一学科的理工科基础科目，包括物理学，基础数学等。在上述三个层面构成的计算科学
发展历程中，不断地追求制造出各种新型计算机系统，拓展和提高计算机的应用领域和应用水平这样两个目标使学科的发展形成了三条相对独立的主线。它们是计算模型与计算机，计算模型、语言与软件开发方法学，应用数学与计算机应用。由计算模型与计算机，计算模型、语言与软件开发方法学，应用数学与计算机应用。由计算模型与计算机，计算模型、语言与软件开发方法学，应用数学与计算机应用。由计算模型与计算机这条发展主线可以看出，社会需求是计算机得以发展的外在推动力。想制造出新型计算机，要有两个基本条件：一是要有成熟的理论指导，二是要有成熟的技术包括相关产业技术的支持。计算语言学是计算科
学与语言学的一个交叉学科，其主要任务是运用数学和计算科学的理论与技术研究语言学的基本规律，形式语言与自动机理论、数理逻辑和形式语义学是计算语言学研究最主要的数学和计算科学理论工具。在计算机应用领域，科学计算是一个长久不衰的方向。该方向主要依赖于应用数学中的数值计算的发展，而数值计算的发展也受到来自计算机系统结构的影响。计算机应用主线各方向上的研究工作，都与应用数学有着密切的联系。理论上凡是可以用计算机来处理的问题及其处理过程，都可以用应用数学来描述；凡是可以用以离散数学为代表的构造性数学描述的问题及其处理过程，只要所涉及的论域是有穷的，或虽为无究但存在有
穷表示，也一定可以用计算机来实现，在计算科学中，计算比实现计算的技术更重要，计算科学这一学科属性决定了它不是以经验科学占主要成份的学科，而是一门以数学为主要基础的学科，是一门科学技术。
2.2 计算科学基础和学科特点
数学是计算科学的主要基础,数学与电子科学构成了计算机系统的基础。数学提供了计算科学最重要的学科思想和学科的方法论基础。数理逻辑和代数是计算科学最主要的基础，数理逻辑是研究推理的科学，它揭示了计算的极限，与代数一道构成计算科学最重要的基础。与计算科学联系最紧密的学科有哲学中的逻辑学，数学中的构造性数学和电学中的微电子科学。计算科学是在数学和电子科学基础之上发展起来的一门新兴学科。理论和技术是计算科学两个互为依托的侧面。计算科学的理论，绝大多数属于技术理论。数学是计算科学的主要基础，离散数学为代表的应用数学是描述学科理论、方法和技术的主要工具。微电子技术和程
序技术则是反映学科产品的主要技术形式。计算科学的发展方式与其它学科不同，是抽象描述与具体实现相分离的方式，即在计算科学的发展中，对大量的各种有深度的问题的处理采用了将理论上解决问题的抽象描述计算方法、算法和技术的内容与具体解决问题细节、具体实现计算的技术内容相分离。抽象描述与具体实现相分离是计算科学发展过程中一个重要特点，说明计算模型在学科发展中无可替代的作用。计算科学发展的另一个重要特点是几乎在学科各个方向各个层面，当研究工作走向深入，研究内容具有比较复杂的特点，人们首先是发展相应的计算模型和数学工具将研究工作推向深入。
2.3 计算科学的基本问题
计算科学研究与发展过程中普遍关心的问题有三方面:一、计算的平台与环境问题。其内容实质可归纳为计算的模型问题，也就是说，这个基本问题实际上关心的是计算问题在理论是否能行的问题。二是计算过程的能行操作与效率问题。这一基本问题的核心是算法问题。三、计算的正确性问题。整个学科正是在围绕这些基本问题而展开的研究与发展中形成了学科的发展主线与主流方向。
2.4 计算科学的知识结构
计算科学从知识组织结构、学科方法论和学科知识所属的基础、专业基础与专业属性出发可分为如下学科类型：一、构造型数学基础。包括数理逻辑、代数系统、图论、集合论。数理逻辑与抽象代数是计算科学最重要的两项数学基础，它们的研究思想和研究方法在计算科学许多有深度的领域得到了最广泛的应用。二、计算的数学理论。指一切关于能行性问题的数学理论的总和，一切关于计算与计算模型问题的数学理论的总和。包括计算理论，高等逻辑、形式语言与自动机、形式语义学。三、计算机组成原理、器件与体系结构。计算机原理与设计的任务是根据要求制造具体的计算机，计算机体系结构是一个既包含硬件内容，又包含
软件内容的研究方向。四、计算机应用基础。有算法基础、程序设计、数据结构、数据库基础、微机原理接口技术等。五、计算机基本应用技术，有数值计算、图形学与图像处理、网络、多媒体、计算可视化与虚拟现实、人工智能。六、软件基础。主要有高级语言、数据结构、程序设计语言、编译原理、数据库原理、操作系统原理、软件工程。七、新一代计算机体系结构与软件开发方法学。指并行与分布式计算机系统，智能计算机系统，软件开发方法学。
3 计算科学形态与核心概念
3.1 计算科学的形态
学科形态是指从事该领域工作的文化方式。计算科学的学科形态有三种:理论、抽象、设计。第一种形态理论包含以下四个步骤：①对研究对象的概念抽象。②假设对象的基本性质和对象之间可能存在的关系。③确定这些性质和关系是否正确。④解释结果。这个学科形态的基本特征是其研究内容的构造性数学特征，是区别于更广泛的数学科学学科形态的典型特征。第二种学科形态抽象，是对客观现象和规律的描述和刻画。按照实验研究过程包含以下四个步骤：①确定可能世界并形成假设。②构造模型并做出预言。③设计实验并收集数据。④分析结果。第三种形态是设计，基于工程，广泛采用工程科学的研究方法。包含四个步骤：①叙述要求。②给定技术条件。③设计并实现该系统或装置。④测试和分析该系统。对现实世界中被研究的对象进行抽象，建立必要的基本概念，运用数学工具和方法对其进行基础和应用基础研究，研究概念的基本性质，概念与概念之间的关系，提示对象发展变化的内在规律，为实验设计和工程设计实现提供方法和技术，并开展实验和工程设计与实现工作是计算科学学科的基本工作流程方式。其中，抽象是三个基本学科形态中最重要的一个形态，它是连接学科科学研究与工程应用开发研究的重要环节。三种不同的学科形态反映了计算科学领域内从事工作的三种文化方式。理论关心的是以形式化方式揭示对象的性质和相互之间的关系，这是一种按照某种科学规律构筑人工科学的典型模式，抽象关心的是以实验方式揭示对象的性质和相互之间的关系。而设计关心的是以生产方式对这些性质和关系一些特定的实现，完成具体而有用的任务。
3.2 计算科学的核心概念
核心概念是计算科学重要思想、原则、方法、技术过程的集中体现，是方法论的重要组成内容。特点是在本学科的分支学科中普遍出现，在计算科学理论、抽象和设计这三个过程的各个层面都有许多示例，在理论上具有可延展和变形的作用，在技术上具有高度独立性。计算科学的核心概念包括计算模型与能行性，抽象与构造性描述，系统特征，计算方法，实现技术。
4 计算科学的研究方法
计算科学研究的典型方法有内涵和外延的方法，以递归、归纳和迭代技术形式为代表的构造性方法，公理化方法，快速原型方法，演化方法，展开与归纳方法。内涵与外延的方法广泛出现在计算科学的许多分支学科中，这是一个能够对无穷对象的集合作分类处理的方法。构造性方法是整个计算科学学科最本质的方法，是一种能够对论域为无穷的客观事物按其有限构造特征进行处理的方法。公理化方法可以帮助认识一个系统如何严格表述，认识到完备性和无矛盾性对一个以公理系统的重要性，认识每一条公理深刻的背景、独立性和它的作用。快速原型方法事实上是一种低成本系统原理验证性实验方法。演化方法也叫进化方法，主要
思想是，针对具体的问题，首先找到解决该问题的办法，然后通过各种有效的技术方法改进解决问题的办法。典型方法的重要性体现在深刻地揭示出学科的基本规律和各主科目之间内在联系，启发人们深入思考学科的一些基本问题，培养学生的创造性能力和科学研究能力。
5 计算科学发展趋势及我们的任务
计算科学是一门极富挑战性的学科，要想掌握好这一学科知识并在专业上有所突破，必须学好数学，具备数学思维方式；努力提高专业能力；培养良好的科学素养；还要实事求是的科学态度，脚踏实地的工作作风，平常而又良好的心态与科学道德，坚持真理的秉性，献身人类进步事业的精神。
未来一段时间内，计算计算科学研究与发展核心主流方向重点集中在以下几个方面：①新一代计算机体系结构。②并行与分析式软件开发方法学研究。③人工智能理论及基研究应用。四、计算机应用的关键技术。它们共同的基础都趋向集中在数理逻辑、形式语义学、新一代计算机体系结构、算法设计与分析、计算模型与计算机理论这五个专业基础之上。计算模型与体系结构，软件开发方法学与计算机应用技术是未来发展的主要方向。而计算理论、体系结构、高等逻辑与形式语义学是支撑学科未来发展的四大核心专业知识基础。
纵观计算科学发展历程，对人类生存方式和生活习惯、价值观念产生了深远影响和巨大改变。我国计算科学事业必须跟上现代科技发展步伐，才能屹立于世界民族之林。现代科学技术发展的特点，从基础理论研究到应用基础研究再到技术和产品开发的研究周期不断缩短，不允许我们国家再过去那种引进、消化、吸收、仿制、改进的老路。科学研究和技术开发必须建立在全面创新的认识和机制上。光有专业技术人员还不够，必须找准合适的开发项目，迅速拿出技术上相对先进的产品占领市场，然后在获得收益的同时，不断加大产品维护升级换代和新项目新产品开发的投入，实现滚动发展，保持技术领先地位和市场主导作用。
通过深入、创新来实现持续发展，只有这样，我们才能够将中国计算科学事业推向光辉的彼岸。
［参考文献］
［1］ 赵致琢计算科学导论［M］北京：科学出版社，2000.