計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中的系統(tǒng)論與辯證法

摘要:本文探討了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中的系統(tǒng)論及辯證法，包括物質(zhì)和意識(shí)、聯(lián)系與發(fā)展、時(shí)間和空間、理論和實(shí)踐等范疇以及對(duì)立統(tǒng)一、質(zhì)量互變、否定之否定等基本規(guī)律。應(yīng)用上述理論闡述計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與算法、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)軟硬件發(fā)展等方面存在的基本哲學(xué)問(wèn)題，并將其應(yīng)用于計(jì)算機(jī)教學(xué)，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī);系統(tǒng)論;辯證法;認(rèn)識(shí)論;哲學(xué)

世界是普遍聯(lián)系和永恒發(fā)展的，以系統(tǒng)的觀點(diǎn)和辯證的觀點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)世界是人們認(rèn)識(shí)自然、社會(huì)及人類自身的最寶貴的思想武器。計(jì)算機(jī)是人類的發(fā)明，在計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中一定存在著系統(tǒng)論和辯證法的思想，發(fā)明者和使用者都在自覺(jué)和不自覺(jué)地運(yùn)用它。

在計(jì)算機(jī)各專業(yè)課程的教學(xué)中普遍存在著重部分，輕整體;重微觀，輕宏觀;重分析，輕綜合;重“點(diǎn)”輕“面”的現(xiàn)象。其原因主要在于缺乏宏觀意義上的方法論作為指導(dǎo)。

將蘊(yùn)藏于計(jì)算機(jī)各專業(yè)課程中的系統(tǒng)論和辯證法思想提取出來(lái)有利于教學(xué)計(jì)劃制定者科學(xué)合理的安排課程;有利于教師從最一般意義上認(rèn)識(shí)和分析問(wèn)題，有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué);有利于學(xué)生掌握各課程之間的聯(lián)系和各課程的本質(zhì)，從而更好地理解和學(xué)習(xí)相關(guān)課程。

在國(guó)內(nèi)，已有部分工作采用系統(tǒng)論與辯證法來(lái)闡釋計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中的某些問(wèn)題。趙致琢等[1][5]在計(jì)算科學(xué)導(dǎo)論中闡述了計(jì)算科學(xué)的意義、內(nèi)容和方法，具體包括:什么是計(jì)算科學(xué)，計(jì)算科學(xué)發(fā)展主線和學(xué)科的基本問(wèn)題，并將其應(yīng)用于計(jì)算科學(xué)的教學(xué)計(jì)劃和課程體系制定。董榮勝等[2]闡述了計(jì)算學(xué)科中各主領(lǐng)域發(fā)展的基本規(guī)律，揭示了各領(lǐng)域之間的內(nèi)在聯(lián)系，有助于人們對(duì)計(jì)算學(xué)科的深入理解。周長(zhǎng)林等[3]在操作系統(tǒng)課程中從最一般意義上給出了操作系統(tǒng)的基本理論，指出了資源共享和進(jìn)程并發(fā)是操作系統(tǒng)的兩個(gè)基本特性，操作系統(tǒng)的所有內(nèi)容都是圍繞資源和進(jìn)程展開的。陳次白等[4]應(yīng)用對(duì)立統(tǒng)一思想分析了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中存在的時(shí)間與空間、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)、絕對(duì)與相對(duì)等問(wèn)題。

本文將系統(tǒng)論與辯證法引入到計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中，用辯證觀點(diǎn)解釋計(jì)算機(jī)中的相關(guān)問(wèn)題，并應(yīng)用于課程教學(xué)和培養(yǎng)計(jì)劃制定，取得了較好的效果。

1馬克思主義哲學(xué)的主要觀點(diǎn)

1.1辯證的唯物論

世界是物質(zhì)的。物質(zhì)決定意識(shí)，意識(shí)對(duì)物質(zhì)具有反作用。物質(zhì)是運(yùn)動(dòng)的。運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的，靜止是相對(duì)的。時(shí)間和空間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的形式。

1.2唯物的辯證法

(1) 總觀點(diǎn):世界是普遍聯(lián)系和永恒發(fā)展的。

(2) 三大基本規(guī)律:對(duì)立統(tǒng)一、質(zhì)量互變和否定之否定。

(3) 若干范疇:整體與部分，具體與抽象，現(xiàn)象與本質(zhì)等。

1.3認(rèn)識(shí)論

(1) 理論與實(shí)踐:實(shí)踐是理論的基礎(chǔ);理論來(lái)源于實(shí)踐，對(duì)實(shí)踐具有指導(dǎo)作用。

(2) 理性認(rèn)識(shí)和感性認(rèn)識(shí):感性認(rèn)識(shí)是理性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)，理性認(rèn)識(shí)是感性認(rèn)識(shí)的升華。

2計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中的系統(tǒng)論與辯證法

2.1軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。唯物辯證法認(rèn)為，物質(zhì)決定意識(shí)，意識(shí)對(duì)物質(zhì)具有反作用。硬件相當(dāng)于物質(zhì)，軟件相當(dāng)于意識(shí)，二者相互影響、相互制約，處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。好的硬件如果沒(méi)有好的軟件來(lái)配合，實(shí)際上是對(duì)硬件的一種浪費(fèi)。好的軟件如果沒(méi)有好的硬件作依托，那么軟件就無(wú)法發(fā)揮它的功能。硬件的發(fā)展能為軟件的升級(jí)預(yù)留空間，軟件的發(fā)展也對(duì)硬件的發(fā)展不斷提出新的要求。

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的雛形是馮諾一曼模型，該模型由主機(jī)、輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)組成，其設(shè)計(jì)體現(xiàn)了系統(tǒng)學(xué)的思想。

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的雛形是圖靈機(jī)。圖靈機(jī)實(shí)際上就是對(duì)0，1數(shù)據(jù)的操作，按中國(guó)古代哲學(xué)的觀點(diǎn)，0和1分別表示陰和陽(yáng)，二者對(duì)立統(tǒng)一，是表示信息的基本“細(xì)胞”。計(jì)算機(jī)所表現(xiàn)出來(lái)的各種文本、圖像、動(dòng)畫、視頻等信息都屬于現(xiàn)象，而這些信息在最底層實(shí)際上都是0，1組合，是以布爾邏輯作為理論基礎(chǔ)的，這才是本質(zhì)。

2.2操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)的靈魂，是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“管家婆”，是軟件和硬件之間連接的紐帶，負(fù)責(zé)軟硬件資源的協(xié)調(diào)和使用。資源共享和進(jìn)程并發(fā)是操作系統(tǒng)的兩個(gè)基本組成部分。資源總是有限的，進(jìn)程的目標(biāo)就是要使有限的資源發(fā)揮最大的作用。通常情況下，應(yīng)用軟件向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)請(qǐng)求使用資源，操作系統(tǒng)綜合考慮效率、公平等情況，然后對(duì)各種請(qǐng)求進(jìn)行協(xié)調(diào)，對(duì)各種資源進(jìn)行分配。

時(shí)間和空間是操作系統(tǒng)必須要考慮的因素。操作系統(tǒng)中有很多時(shí)間和空間相互結(jié)合的例子。虛擬存儲(chǔ)技術(shù)(請(qǐng)求分頁(yè)、請(qǐng)求分段、請(qǐng)求段頁(yè)式)是以時(shí)間換空間的例子;在該技術(shù)中，訪問(wèn)時(shí)間增加了，但是擴(kuò)充了主存的邏輯容量，使得大于主存容量的程序也可以得到執(zhí)行。緩沖區(qū)技術(shù)、快表、外存分配方式中的索引分配都是以空間換時(shí)間的例子;在該技術(shù)中，本來(lái)需要在速度很慢的設(shè)備上進(jìn)行輸入輸出的，但是從存儲(chǔ)區(qū)域劃出一部分做緩沖區(qū)，就可以減少訪問(wèn)時(shí)間。

2.3程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和算法

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是實(shí)現(xiàn)算法的工具。程序總是在一定的時(shí)間和空間內(nèi)運(yùn)行。變量是一個(gè)程序的重要元素。以C語(yǔ)言為例，變量分為靜態(tài)變量和自動(dòng)變量，分別具有自己的作用域和生存期。

在結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)中，對(duì)復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行分析的一個(gè)主要方法就是自頂向下，逐步細(xì)化。函數(shù)是結(jié)構(gòu)化程序的基本組成部分。可以把函數(shù)看做系統(tǒng)，它由輸入、輸出和控制體三部分組成。函數(shù)輸入就是函數(shù)參數(shù)表的參數(shù)，參數(shù)表是函數(shù)對(duì)外聯(lián)系的通道;函數(shù)輸出就是是函數(shù)的返回值。函數(shù)的控制體就是函數(shù)體。

在面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中，類和對(duì)象是兩個(gè)最基本的概念，二者是抽象和具體、共性與個(gè)性、一般和個(gè)別的關(guān)系。程序是由對(duì)象組成的，對(duì)象之間是有聯(lián)系的(組合、繼承等)，對(duì)象之間相互協(xié)作完成某個(gè)問(wèn)題的求解。這體現(xiàn)了世界是物質(zhì)的以及事物是普遍聯(lián)系的這一基本哲學(xué)思想。

算法是正確求解問(wèn)題的關(guān)鍵，一個(gè)好的算法除了要正確之外，還要求有較小的時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度。小的時(shí)間復(fù)雜度可能需要較高的空間復(fù)雜度，反之亦然，而這通常不能兼得。總之，在設(shè)計(jì)算法時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮時(shí)空關(guān)系，使設(shè)計(jì)的算法達(dá)到最優(yōu)。

遞歸程序設(shè)計(jì)，是求解很多復(fù)雜問(wèn)題的有效方法。所謂遞歸，就是根據(jù)事物整體與部分具有某種相似性的原理，反復(fù)調(diào)用自身，從而完成問(wèn)題的求解。分治、回溯和動(dòng)態(tài)規(guī)劃都是基于遞歸這一思想。

需要強(qiáng)調(diào)的是，面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)不是對(duì)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的否定，他們之間具有緊密的聯(lián)系。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的繼承和發(fā)展，結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)最終的落腳點(diǎn)仍是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。

2.4計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

需求是技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力。資源共享的需要是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)本身就是一個(gè)系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了世界是普遍聯(lián)系的這一特征。網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)實(shí)體之間存在異構(gòu)，如何在異構(gòu)的實(shí)體之間保證通訊的正常進(jìn)行是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論的關(guān)鍵問(wèn)題。為此，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中采用了“分層”的思想。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型中，將信息傳輸過(guò)程分為7個(gè)層次，每一層相當(dāng)于通訊過(guò)程的一個(gè)階段，層與層之間通過(guò)接口進(jìn)行聯(lián)系，下層為上層提供服務(wù)。

2.5計(jì)算機(jī)軟硬件產(chǎn)品的發(fā)展

在計(jì)算機(jī)發(fā)展的過(guò)程中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，即一種產(chǎn)品通常有兩個(gè)主流商家在做。例如操作系統(tǒng)有微軟的Windows和免費(fèi)開源的Linux;程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言有微軟的.Net平臺(tái)和Sun公司的Java平臺(tái);大型數(shù)據(jù)庫(kù)有微軟的SQL Server和開源的MySql;CPU有Intel和AMD等等。

以上雙方既對(duì)立、又統(tǒng)一，各有特色、相互促進(jìn)、取長(zhǎng)補(bǔ)短、共同發(fā)展。作為用戶來(lái)講，不希望某個(gè)產(chǎn)品的發(fā)展一枝獨(dú)秀，因?yàn)橐恢Κ?dú)秀可能意味著壟斷、意味著技術(shù)的停滯。

事實(shí)上，各個(gè)產(chǎn)家之間在競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)展，沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)，就沒(méi)有發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)會(huì)促進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。各個(gè)產(chǎn)家在競(jìng)爭(zhēng)中處于一種動(dòng)態(tài)的平衡狀態(tài)，一個(gè)平衡打破了，一定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的平衡，市場(chǎng)會(huì)對(duì)其自動(dòng)進(jìn)行調(diào)解。這種發(fā)展的結(jié)果一方面給用戶帶來(lái)了利益，另一方面也促進(jìn)了技術(shù)的進(jìn)步。

總之，計(jì)算機(jī)軟硬件產(chǎn)品的發(fā)展是一個(gè)否定之否定的過(guò)程，各品牌產(chǎn)品不斷從競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中吸取營(yíng)養(yǎng)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)自身進(jìn)行改進(jìn)，推動(dòng)技術(shù)的不斷進(jìn)步。

3應(yīng)用

3.1在計(jì)算機(jī)課程教學(xué)中的應(yīng)用

我們認(rèn)為知識(shí)的講授和學(xué)習(xí)應(yīng)該是一個(gè)從宏觀(整體)到微觀(部分)，再?gòu)奈⒂^(部分)到宏觀(整體)的過(guò)程;是一個(gè)從感性到理性，再?gòu)睦硇缘礁行缘倪^(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程不是一個(gè)原地不動(dòng)的圓，而是一個(gè)螺旋遞進(jìn)的圓，是一個(gè)否定之否定的過(guò)程。

從內(nèi)容上說(shuō)，在講授每門課程之前，先從宏觀上闡述本門課程的地位、作用、與其他課程的聯(lián)系方式以及本門課程存在的系統(tǒng)論與辯證法。這有助于學(xué)生從宏觀上認(rèn)識(shí)本門課程，使得學(xué)生的頭腦中始終有一個(gè)清晰的線索，避免過(guò)早的陷入細(xì)節(jié)問(wèn)題。

從方法上來(lái)說(shuō)，按照感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)之間的關(guān)系，在教學(xué)中使用案例式教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)。例如，在程序設(shè)計(jì)教學(xué)的第一堂課，首先給出一些趣味性、經(jīng)典性的問(wèn)題(如雞兔同籠，素?cái)?shù)，魔方陣，積分，學(xué)生成績(jī)排序等問(wèn)題)，并告訴學(xué)生，我們學(xué)完這門課就可以解決以上問(wèn)題，這樣就容易激發(fā)學(xué)生的興趣，他們會(huì)帶著問(wèn)題來(lái)學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)，伴隨著課程的學(xué)習(xí)及問(wèn)題的逐步解決，學(xué)生獲得成就感，激發(fā)他們更積極的進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3.2在制定教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃中的應(yīng)用

一切從實(shí)際出發(fā)是制定培養(yǎng)方案的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。總的原則是解放思想、實(shí)事求是，結(jié)合本校的實(shí)際情況和專業(yè)的特點(diǎn)，創(chuàng)建適合本校的、具有本專業(yè)特色的培養(yǎng)方案。

根據(jù)應(yīng)用型本科院校的實(shí)際，以培養(yǎng)應(yīng)用型創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，設(shè)置了基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課三個(gè)層次的計(jì)算機(jī)課程，設(shè)置了軟件、硬件和網(wǎng)絡(luò)三個(gè)培養(yǎng)方向。在課程設(shè)置中堅(jiān)持計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論和計(jì)算機(jī)實(shí)際操作緊密結(jié)合，使其既不同于以培養(yǎng)計(jì)算機(jī)理論人才為目標(biāo)的高校，又不同于以培養(yǎng)職業(yè)技術(shù)人才為目標(biāo)的職業(yè)學(xué)校。

按照理論和實(shí)踐的關(guān)系，科學(xué)安排理論課和實(shí)驗(yàn)課時(shí)間，形成了平時(shí)試驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)三位一體的實(shí)踐過(guò)程。比如在程序設(shè)計(jì)教學(xué)的安排上，平時(shí)試驗(yàn)主要解決語(yǔ)法問(wèn)題，課程設(shè)計(jì)主要解決算法問(wèn)題，畢業(yè)設(shè)計(jì)主要解決綜合應(yīng)用型問(wèn)題。

4結(jié)語(yǔ)

本文采用馬克思主義哲學(xué)觀點(diǎn)分析和闡述了計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)中存在的系統(tǒng)論和辯證法等規(guī)律，涵蓋了計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)發(fā)展等各方面。將上述規(guī)律應(yīng)用于計(jì)算機(jī)專業(yè)的教學(xué)和培養(yǎng)方案的制定，取得了良好的效果。計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)將繼續(xù)迅猛發(fā)展，但萬(wàn)變不離其宗，采用系統(tǒng)論與辯證法分析計(jì)算機(jī)發(fā)展中出現(xiàn)的新問(wèn)題、新技術(shù)仍會(huì)得到有意義的結(jié)論。

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System Theory and Dialectics in Computer Science and Technology

YU He-long1， ZHAO Yu-xin2

(1. College of Information Technology， Jilin Agricultural University， Changchun 130118， China;

2. Department of Environmental Engineering， Jilin Architectural and Civil Engineering Institute， Changchun 130021， China)

Abstract: System theory and dialectics in computer science and technology are discussed， including some concepts such as matter and consciousness， connection and development， time and space， theory and practice，also including some laws such as unity of opposites，variable quality of each other. Then the above theories are used to explain the philosophy problem in computer hardware and software system， operating system， programming language and algorithm， computer network， development of computer hardware and software. Finally， these ideas are applied in computer teaching and good teaching effect is acquired.

Key words: computer; system theory; dialectics; epistemology; philosophy

(編輯:白杰)