用例證講授計算機的應用領域

文章編號：1962-5913(2008)11-0043-04

摘要：本文介紹了筆者在“計算機文化基礎”課程教學中使用的大量例證，涉及科學計算、數據處理、過程控制、人工智能等領域。

關鍵詞：教學交流；計算機應用；例證

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1問題的提出

筆者從事計算機文化基礎教學多年，使用過不少版本的教材，發現很多教材在說明計算機的應用領域時，或許是篇幅的限制，只是簡單地陳述了計算機應用的幾個方面，如科學計算、數據處理、過程控制和人工智能等。如果教師在講授時沒有進一步舉出實際應用的例子，可能造成學生對計算機應用的了解過于膚淺。特別是非計算機專業，不少學生把計算機的應用只停留在資料搜索、文字處理和電腦游戲上。為了讓教師在講授過程中能找到更多的實際例子，也讓學生在計算機基礎課程的學習中能更好地感受計算機的神奇和帶來的變化，筆者將多年講授該課程積累的一些生動淺顯的例子與同行分享。

2科學計算

2.1公式驗證

計算機20小時=手工20年。法國天文學家Delaunay，為了用天體力學的方法求解月球的運動軌跡，花了10年時間去求解一個攝動級數展開式。后來為了驗證結論，他又花了10年功夫，整整20年的“筆”和“紙”的辛勞，于1867年公布了他的研究成果，出版了專著，其中記述了計算月球軌跡運動的Delaunay公式，這個公式證明長達400頁。100多年后的1970年，美國波音科學實驗室的三位青年學家用計算機代數的算法，在一臺小型計算機上僅花了20個小時的時間驗算了使用了100多年的計算月球運動的Delaunay公式，驗算結果發現Delaunay公式有三處錯誤。

2.2圓周率的計算

提起圓周率，就有說不盡的話題。對 的計算機體現一個國家，一個時代的科學技術水平。三國時期魏國人劉徽割圓至正96邊形，得到3.141，寫下了第一個世界紀錄。南北朝時期，先是何乘天割圓至正1536邊形，得到3.1416；隨后是祖沖之集前人之大成，割圓至24576邊形，得到了3.141593，相繼樹立了求 的兩個里程碑。英國一名數學家，名叫香克斯(音譯)，他把一生中的70年全部投入到圓周率的計算中，結果創造了當時一個了不起的記錄，他把圓周率算到了小數點后707位。而剛出世不久的計算機僅僅用了40秒的時間就打破了香克斯的記錄。而且證明了香克斯的第528位計算是錯誤的，其后的一百多位的計算，香克斯白算了，這就是說，香克斯有將近一半的時間在勞而無功。

之后日本和美國利用計算機展開了圓周率計算競賽，首先美國人創造了震驚世界的紀錄，算出了1億位。未幾，日本東京大學的金田康正將它翻了一番，算出了2.1億位。美國人不甘示弱，哥倫比亞大學的數學家丘得諾夫斯基兄弟倆立即予以刷新，求得了4.8億位，并聲稱還可以求任意多位，可以從任意位后算起。4.8億位是什么概念呢?相當于100萬字的厚書，要480本摞起來。

1997年7月，日本東京大學的計算機中心教授金田康正和助手高橋大介將圓周率演算到小數點后515.396億位，大大超過了他們兩年前創造的小數點后64億位的世界紀錄。

3數據處理

3.1人口普查

1982年進行的全國第三次人口普查，第一次使用電子計算機進行數據處理。這次人口普查共調查19個項目，其中按人填報的有13項，按戶填寫報的有6項。這樣全國按10億人口估計，填報的登記表重量約2000噸，填報的數據約400億字符。這些數據分別集中由各省用當時的中型計算機系統進行處理。開始由3000多名計算機錄入人員用1年多的時間錄入和核對，然后經計算機處理后打印輸出國家，各省市的人口數據匯總表100多類，如人口的地區分布，人口的性別、年齡、民族、文化程度、行業、家庭、婚姻、生育等各種統計報表。僅省一級就整理出50000頁左右的資料。這些省級表用計算機統計幾分鐘就可以即可完成，并且數據準確可靠。如果用人工統計，有人估計要15個人干1年，每天工作足8小時，節假日不準休息，并且統計出來的數據錯誤在所難免。這只是省級表，全國要求共15萬種表，如果沒有計算機，靠手工將是什么樣呢？。

第五次全國人口普查首次采用光電錄入技術，提高了數據錄入速度，減輕錄入人員的工作量。

3.2天氣預報

氣象科學的不斷發展，在天氣預報方面，除了廣泛應用大范圍天氣圖和經驗來預測未來的天氣外，還利用電子計算機這一現代工具來進行天氣預報。氣象工作者稱它為數值預報，即數值天氣預報和數理統計預報。數值天氣預報是應用流體力學、熱力學、高等數學等來研究大氣變化的物理規律；根據大氣運動的特點，可以得出一套反映這些物理規律的數學方程式(即天氣預報方程組)，然后依據一些已知條件(如某日某時的氣壓、溫度、濕度、風力等等)來解釋這一方程組，得出天氣的未來變化情況，這樣就可以達到預報目的了。數理統計預報是應用數理統計學的一些理論和方法，并根據歷史上的大量氣象資料，找出一些描述天氣、氣候變化的統計規律的數理統計方程式，用以預報長期天氣趨勢，也可用作預測幾天后的氣象要素。這兩種方法都涉及到大量的數據和算術運算，如果僅僅依靠普通計算機來計算，那是很難實現的。由于電子計算技術的發展，為我們提供了既可靠又快速的計算工兵——電子計算機，這樣我們應用計算數學的一些方法，把數學方程式化為加、減、乘、除的四則運算方案，并把它譯成機器語言(即計算命令)，連同各地氣象要素的觀測資料(大量數據)一起輸入電子計算機，就好像讓未來的天氣變化，事前在電子計算機里預演一樣，讓計算機既迅速又可靠地完成龐大而復雜的天氣預報計算任務。

我國國家氣象中心1986年10月1日首次應用計算機技術制作電視天氣預報節目。內容由NOAA－9軌鑲拼國內全景彩色云圖、BMS不同區域彩色靜止衛星云圖、天氣系統特寫放大云圖、天氣尺度系統動畫云圖、天氣區域預報圖、天氣系統等壓線分布圖、臺風路徑實況和預報以及風雨分布圖、冷鋒活動圖、海洋氣象預報圖、城市天氣預報圖等組成。衛星云圖經過計算機處理，其他彩色圖像通過微型計算機制作，內容豐富，信息量大，具有實用性、知識性和趣味性。

4計算機輔助設計(CAD)與計算機輔助制造(CAM)

4.1計算機輔助服裝設計與制造

計算機輔助設計(CAD)技術的發展，使長期來依靠人工進行服裝設計的艱苦工作得以實現自動化。20世紀末，由美國格柏公司、法國力克公司等推出的利用計算機三維人體自動掃描測量技術和設備，并在此基礎上由計算機輔助設計技術和設備自動制作需要的二維紙樣。首先通過計算機三維人體掃描技術和設備，完成對人體基本尺寸的自動測量，獲得一系列人體數據并儲存。然后依靠電腦服裝設計軟件，根據測量獲得的一系列人體數據，由電腦自動進行計算機輔助設計，制作生產需要的二維紙樣，并進行自動優化排版。利用這類紙樣生產的服裝，即可節省材料，又提高了效率，更使服裝制作完成后，可以達到適合人體的效果。服裝CAD的應用，不僅可以提高服裝廠設計效率，降低服裝生產的材料消耗，而且增強了服裝的多樣化、個性化的能力，使服裝設計走上自動化的道路。

采用計算機輔助服裝制造的技術和設備已經有不少產品。例如“十五”期間，美國格柏公司推出的服裝CAM系統支持的自動裁床，日本川上公司推出的SUPER CAM系統。由于服裝CAD技術和設備的發展和成熟，為電腦控制服裝紙樣的制作設備和裁剪設備的生產，創造了十分有利的前提條件。在服裝CAD完成后，服裝紙樣的制作、服裝材料的裁剪，就可以應用服裝CAD所獲得的設計數據，進行計算機控制下的進行服裝紙樣的制作、服裝材料的裁剪。

同時，利用電腦自動控制技術完成服裝的熨燙、粘合等，上海威士機械有限公司開發的“NHJ-Q1000B氣動式雙壓輥熱熔粘合機”，采用電子邏輯元器件控制技術，多點溫控系統進行溫度精確控制，雙氣壓雙輥方式粘合，實現了高質量的粘合產品的質量要求。該公司開發的智能化熨燙機，采用電子控制技術和比例閥控制技術，對主要的工藝參數壓力、時間、溫度、蒸汽量進行控制和協調，實現熨燙機的多參數控制的智能化功能，并采用功能數據顯示和機器故障診斷技術，實現功能參數的人機對話，提高了操作可靠性，提高產品的熨燙質量。

采用電腦控制吊掛自動輸送、儲存、分配系統，提高了工作效率，改善了生產過程中的輸送、儲存、分配效率和質量。上海奧乃實公司開發的“772智能型管理懸掛輸送系統”是通過光、機、氣、電等多項先進技術綜合的智能型管理輸送系統，主要采用電腦控制技術統一信息管理，運用射頻信號識別，光纜信號傳輸，氣、電控制系統和多個位置氣缸分配執行機構，軌道鏈式主動輸送機構和軌道位差滾動輸送方式，工位機械手遞送，電腦終端同步顯示和信息輸出、輸入等相關執行元器件組成的智能系統。該系統能夠根據需要順利完成柔性、多品種衣片的普通輸送，溢出輸送，分配輸送，優先輸送，分類輸送，實現多品種、多生產組織方式、多工藝生產需要的輸送功能。適應生產組織變化多、生產品種多、工藝復雜的服裝生產過程中多參數的計算機實時管理。

4.2過程控制

日本日立制作所神奈工場的海老名分場，是6層建筑(見圖示)，專門從事計算機裝配。所有的裝配用的零件以及文件資料都放在一個小運輸車上，小車從計算機那里接受命令后，就把所裝的東西運送到指定地點。例如，計算機命令小車送貨到第3層第5車間第8裝配臺，小車接受命令后自動駛到電梯口，自動轉彎進入電梯，到第3層電梯停下，又自動駛出電梯，沿指定的路線前進，遇到障礙物，小車會停下來發出呼叫，人工排隊后，小車繼續前進，一直到5號車間8號臺前停下，由工人卸貨物，然后又回到第6層待命。

5人工智能

5.1專家系統

專家系統是人工智能發展的重要成就之一。專家系統解決的問題主要表現在預測解釋、設計、規劃、監視、診斷、修理、指導和控制等方面。

著名的專家系統有美國斯坦福大學1965年研制的用以識別化合物分子結構的Dandral系統和1976年研制的Nycin醫療診斷系統。目前專家系統工具逐步成熟，不久將達到系統軟件水平。目前一些產品還未達到系統軟件水平，最終還需要靠人們去識別、判斷，不要全信。1986年，一名德國婦女從她深信不疑的電腦的醫療診斷系統中，得到世界末日般的結果，說她以及她的兩個未成年的孩子都患有不治之癥，萬念俱灰的她，殺死了兩個孩子后自殺。但事后調查發現，這部電腦出現了差錯，診斷結果純屬子虛烏有。

5.2指紋識別

指紋是人體的一個重要特征，具有唯一性。北京大學有關專家對數字圖像的離散幾何性質進行了深入研究，建立了從指紋灰度圖像精確計算紋線局部方向、進而提取指紋特征信息的理論與算法，隨后研究成功了適于民用身份鑒定的全自動指紋鑒定系統，以及適于公安刑事偵破的指紋鑒定系統。從而開創了我國指紋自動識別系統應用的先河。北大指紋自動識別系統的推出，使我國公安干警從指紋查對的繁重人工處理中解放出來。浙江省從1997年開始使用北大指紋自動識別系統，采取省地(市)二級建庫、省地(市)縣三級查詢的方式，形成了獨特的“浙江模式”。省公安廳現已建立了100多萬人的指紋庫，是目前國內的第二大庫。在100多萬人的指紋庫中，檢索一枚現場指紋僅需4分鐘左右。2000年浙江省用指紋自動識別系統直接破案3063起，連帶破案12000多起。破案率為全國第一，并遙遙領先于國內其它指紋識別系統，被公安部樹為指紋系統建設應用樣板。

6小結

本文主要用例子說明了計算機在科學計算、數據處理、過程控制以及人工智能等領域的應用，當然計算機的應用領域不止這些，實際應用的例子也很豐富多彩，只要我們平時多加關注，勤于積累，會找到更多生動有趣的例子，使我們的教學更具說服力和感染力！

參考文獻

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[2] 中國制衣技術網. 電腦控制技術在服裝設備上的應用[EB/OL]. http://www.lendon1818.com.

[3] 楊傳斌. 我們身邊的人工智能應用[M]. 杭州:浙江師范大學出版社，2005.