计算机科学与技术(计算机科学方向)专业规范

计算机科学与技术（计算机科学方向）专业规范教育部高等学校计算机科学与技术专业教学指导分委员会2005年10月17日近十年来，计算机学科发生了巨大的变化，这一变化对计算机专业的教育产生了深远的影响。从历史上看，在计算机学科发展的早期，数学、逻辑、电子学、程序语言和程序设计是支撑学科发展的主要专业基础知识。到了20世纪60—70年代，数据结构与算法、计算机原理、编译技术、操作系统、程序设计与程序语言、数据库系统原理等成为学科的主要专业基础知识。从20世纪80年代开始，并行与分布计算、网络技术、软件工程等开始成为新的学科内容，突破了计算机学科原有的专业设置框架，逐渐形成了在“计算机科学与技术”一个专业之下分为计算机科学、计算机工程、软件工程、信息技术、信息系统等多个专业方向的新格局。本规范分为五个部分：一、历史、现状及发展方向；二、培养目标与规格；三、教育内容和知识体系；四、办学条件；五、主要参考指标。第三部分的专业教育内容和知识体系仅阐明了知识体系、课程设置的总体描述与指导原则，详细内容见附录1与附录2。在历史、现状及发展方向这部分中，规范从整个专业，即计算机科学与技术的角度进行了阐述，而没有局限在计算机科学领域内。一、历史、现状及发展方向1.主干学科概况计算机科学是计算机科学与技术领域最早出现的学科。从1956我国高校开办“计算装置与仪器”专业算起，到现在采用的“计算机科学与技术”一级学科的称谓，计算机专业教育在中国已经走过了近50年的历程。(1)发展初期（1956—1977年）1956年，国务院制定了新中国第一个科学技术发展规划，即《1956—1967年十二年科学技术发展远景规划》。这个规划除确定了56项重大研究任务以外，还确定了发展电子计算机、半导体、无线电电子学和自动化技术等6项紧急措施，从而促使我国计算机教育事业发展第一个高潮的到来。到1958年，共有15所高校开办了计算机专业。该阶段的计算机教育有以下特点：1)专业创始人从国外学习归来，带回计算机新技术。2)大多采取“以任务带学科，以科研带队伍”的发展模式，人才培养面向国防和科学研究。这一发展模式一直持续到70年代中期，形成了中国计算机教育发展的独特模式。3)当时新建的计算机专业大多称为“计算装置”，强调从基本元器件开始的计算机硬件系统的设计与实现，大多设置在自动控制系，形成了与应用系统结合的计算机教育。同时，一些重点大学在数学系新建了计算数学专业，从事算法设计人才的培养，这是我国早期培养的软件人才具有坚实数学基础的一个重要原因。1966年至1976年期间，大学教育处于一个特殊的历史时期，计算机专业的教育基本上处于停滞状态，没有正规的专业教学计划，缺乏专业教材。这使得我国计算机人才培养与教育的发展与国外产生了极大的差距。(2)发展时期（1978—1993年）随着十年动乱的结束，国家的工作重点逐步转移到四个现代化建设上。在国家科委主持14起草的《1978—1985年全国科学技术发展规划纲要》中，又把电子计算机列为8个影响全局的综合性课题，放在突出的地位，我国计算机教育迎来了第二个发展高潮。在1978—1986年之间共有74所院校开办了计算机专业。在70年代末和80年代，计算机专业基本上限定在重点理工科院校里。90年代开始，随着计算机应用的越来越广泛，社会对计算机人才的需求量高速增长，很多大学都开办起计算机、计算机应用技术专业。研究生教育随着学位制的恢复开始走上正轨，并逐渐地扩大规模。硕士研究生教育、博士研究生教育开始在探索中逐渐完善和提高。该阶段的计算机教育有以下特点：1)改革开放促进了计算机新技术、新课程的引进。例如，80年代初，在向西方先进国家大量派出进修教师、访问学者的同时，一些重点大学邀请美国大学教授来讲课与讲学，对外交流逐步展开。2)计算机软件开始得到普遍重视，计算机应用技术教育开始普及。随着微处理器技术的快速发展，数据管理、信息处理、工业控制、人工智能、数字图像等应用技术教育在计算机教育中增强。3)高层次人才培养开始起步。1978年，我国恢复研究生招生。经国务院学位委员会审定，在部分重点大学建立了计算机学科硕士点和博士点，多层次的计算机人才教育体系基本形成。(3)高速发展时期（1994年至今）90年代，万维网（WorldWideWeb）在世界范围的蓬勃兴起使“计算”的概念发生了深刻的变化，社会对于计算机人才的需求急剧增长。这种变化不可避免地反映到教育中，一方面，若干相关课程被引入到计算机专业的教学计划中，另一方面，一些学校办起了网络工程、软件工程、电子商务、信息安全等新专业。1995年全国科学技术大会的召开，“科教兴国”发展战略的实施，使我国计算机教育进入一个快速发展期，现在开设计算机科学与技术专业的505所高校中，有368所是在1994年后开办的。该阶段的计算机教育特点是：1)计算机专业的内涵和外延发生较大变化。计算机专业的教育内容已不再局限于传统的计算理论、计算机组织与体系结构，而计算机软件、计算机网络、多媒体及其应用技术、网络与信息安全等教育内容得以强化。2)办学单位和在校生人数迅速增加，一大批青年人补充进教师队伍，在数量上逐步完成教学第一线人员的新老交替。3)教材内容逐步与国际接轨。2000年前后，我国高等教育出版社、清华大学出版社、机械工业出版社等从国外著名出版公司引进了成套的计算机专业教材。回顾我国计算机教育历史，可以得到一些计算机教育发展规律的启迪。1)计算机教育发展要以国家需求为目标我国计算机教育发展的三次高潮均是在国家提出科技进步、经济发展的阶段目标前提下形成的。进入21世纪，党的十六大提出“加快信息化进程，用信息化带动工业化”，我国的计算机教育必须服务于这一宏伟目标。2)发展中国家必须注重学习国际先进技术我国计算机教育发展的三个重要阶段，均与从国外引进和学习先进的计算机技术、学习先进的教育思想与内容密不可分。在当今信息时代，我们必须在坚持自主教育创新的同时，注重与国际计算机教育接轨。3)充分认识计算机专业的实践性特点我国计算机专业的初建历程本身就是一部计算机教育与实践相结合的创业史，许多优秀学生的成长历程也说明计算机实践教育之重要性。因此，新世纪的计算机教育不仅要重视扎15实的专业基础理论学习，更要强调系统设计与开发能力的培养。4)师资队伍是保证教育质量的关键历史证明了高质量的计算机教育必须依赖于高素质的师资队伍，目前的当务之急是要提高青年教师的业务素质和教学水平。5)计算机教育内容必须与时俱进48年来，我国计算机教育历程就是不断完善和更新的过程。因此，计算机教育内容必须与时俱进，应该在吸收国际先进的计算机教育理念、模式、体系的同时，提出适合我国国情的计算机教育发展思路和创新模式，以促进我国计算机教育的健康发展。2.主干学科的方法论介绍在计算机科学与技术学科的教育中，学科方法论的内容占有非常重要的地位。计算机科学与技术学科方法论系统研究该领域认识和实践过程中使用的一般方法，研究这些方法及其性质、特点、内在联系、变化与发展，它主要包含三个方面：学科方法论的三个过程（又称为学科的三个形态）、重复出现的12个基本概念、典型的学科方法。前者描述了认识和实践的过程，后两者分别描述了贯穿于认识和实践过程中问题求解的基本方面与要点。(1)三个过程学科方法论的三个过程为：理论、抽象、设计。理论：它与数学所用方法类似，主要要素为定义和公理、定理、证明、结果的解释。用这一过程来建立和理解计算机科学与技术学科所依据的数学原理。其研究内容的基本特征是构造性数学特征。抽象（模型化）：源于实验科学，主要要素为数据采集方法和假设的形式说明、模型的构造与预测、实验分析、结果分析。在为可能的算法、数据结构和系统结构等构造模型时使用此过程。然后对所建立的模型的假设、不同的设计策略，以及所依据的理论进行实验。用于和实验相关的研究，包括分析和探索计算的局限性、有效性、新计算模型的特性，以及对未加以证明的理论的预测的验证。抽象的结果为概念、符号、模型。设计：源于工程学，用来开发求解给定问题的系统和设备。主要要素为需求说明、规格说明、设计和实现方法、测试和分析，用来开发求解给定问题的系统。(2)重复出现的12个基本概念蕴含学科基本思想的重要概念是计算机科学与技术学科方法论的第二个方面。作为问题求解过程中要考虑的一些要点，对它们的深入了解，并在实际工作中使用这些概念，是毕业生成为成熟的计算机科学家和工程师的重要标志之一。这些概念包括：绑定：通过把一个抽象的概念和附加特性相联系使得抽象的概念具体化的过程。也就是具体问题的合理抽象描述和抽象描述对具体问题的恰当表示。大问题的复杂性：随着问题规模的增长，复杂性呈非线性增加的效应。这是区分和选择各种方法的重要因素。依此来度量不同的数据规模、问题空间和程序规模。概念和形式模型：对一个想法或问题进行形式化、特征化、可视化和思维的各种方法。这是实现计算机问题求解的最典型、最有效的途径。一致性和完备性：包括正确性、健壮性和可靠性这类相关概念。从某种意义上说，这是一个计算机系统所追求的。效率：关于诸如空间、时间、人力、财力等资源消耗的度量，要求人们在设计和实现系统时，要对相应的因素给予强烈的关注。演化：变更的实施和它的意义。变更时对整个系统的各个层次所造成的影响，以及面对变更的事实，抽象、技术和系统的适应性及充分性。抽象层次：计算中抽象的本质和使用。在处理复杂事物、构造系统、隐藏细节和获取重复模式方面使用抽象，通过具有不同层次的细节和指标的抽象，能够表达一个实体和系统。16按空间排序：在计算机科学与技术学科中局部性和近邻性的概念。除物理上的定位外（如在网络和存储中），还包括组织方式的定位（如：处理机进程、类型定义和有关操作的定位），即概念上的定位（如：软件的辖域、耦合、内聚）。按时间排序：事件排序的时间概念。包括在形式概念中把时间作为参数，把时间作为分布于空间的进程同步的手段，作为算法执行的基本要素。重用：在新的情况或环境下，特定的技术概念和系统成分可被再次使用的能力。安全性：软件和硬件系统对合适的请求给予响应，并抗拒不合适的、非预期的请求以保护自己的能力；系统承受灾难事件的能力。折衷与决策：计算中折衷的现实和这种折衷的处理意见。选择一种设计来代替另一种设计所产生的技术、经济、文化及方面的影响。折衷是存在于所有知识领域各层次上的基本事实。例如：算法研究中时间和空间的折衷，对于矛盾的设计目标的折衷，硬件设计折衷，在各种制约下优化计算能力所蕴含的折衷。(3)典型的学科方法典型的学科方法是计算机科学与技术学科方法论的第三部分。包括数学方法和系统科学方法。1)数学方法数学方法是指以数学为工具进行科学研究的方法,该方法用数学语言表达事物的状态、关系和过程，经推导形成解释和判断。包括问题的描述、变换。如：公理化方法、构造性方法（以递归、归纳和迭代为代表）、内涵与外延方法、模型化与具体化方法等。其基本特征是：高度抽象、高精确、具有普遍意义。它是科学技术研究简洁精确的形式化语言、数量分析和计算方法、逻辑推理工具。2)系统科学方法系统科学方法的核心是将研究的对象看成一个整体，以使思维对应于适当的抽象级别上，并力争系统的整体优化。一般遵循如下原则：整体性、动态、最优化、模型化。具体方法有：系统分析法（如：结构化方法、原型法、面向对象的方法等）、黑箱方法、功能模拟方法、整体优化方法、信息分析方法等。我们在系统设计中常用的具体方法还有：自底向上、自顶向下、分治法、模块化、逐步求精等。对不同类型的学生，在教学中可以突出不同的方法要求。一般地，要求掌握系统设计中的典型设计方法。3.相关学科及影响本专业教育的因素计算机科学与技术学科正在成为基础技术学科，它正在加速向其他学科渗透，不仅成为信息科学的基础，而且还在同其他学科的结合中形成新的研究领域。因此，一方面，计算机科学与技术学科在其他学科的改造中扮演着重要的角色，另一方面，不断增长的应用需求和学科本身研究的进展推动着计算机科学与技术学科迅速地发展和延伸，以至于人们认为计算机科学已经难以涵盖所有的内容，因此开始将扩展