信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)導(dǎo)論需要解決的問題分析

宋奇慶+陳華舟+封全喜

[摘 要]專業(yè)導(dǎo)論課是學(xué)生了解專業(yè)、建立專業(yè)認(rèn)同、把握專業(yè)內(nèi)涵的重要窗口。利用該例闡述科技應(yīng)用開發(fā)中，信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)知識(shí)的使用流程和涉及的課程知識(shí)。利用該例闡述科技應(yīng)用開發(fā)中，信息與計(jì)算科學(xué)中各個(gè)學(xué)科的交叉滲透，以及信息處理、應(yīng)用開發(fā)中的數(shù)學(xué)知識(shí)。

[關(guān)鍵詞]信息與計(jì)算科學(xué)；案例；建模；計(jì)算；開發(fā)

[中圖分類號(hào)] G420 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2016）08-0017-03

一、前言

課程建設(shè)是專業(yè)建設(shè)中的重要組成部分，專業(yè)導(dǎo)論課往往在第一學(xué)年開設(shè)，是學(xué)生了解專業(yè)、建立專業(yè)概念和專業(yè)認(rèn)同的重要課程，對(duì)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)和發(fā)展有著重要的引領(lǐng)和指導(dǎo)作用。[1] [2] [3]

信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)是信息科學(xué)、計(jì)算科學(xué)、運(yùn)籌與控制、計(jì)算機(jī)及應(yīng)用等學(xué)科交叉而形成的專業(yè)，往往設(shè)置為理科專業(yè)。多種學(xué)科知識(shí)的交叉滲透，加上因?qū)I(yè)名稱的望文生義，使學(xué)生容易產(chǎn)生簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)——“信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)是數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)結(jié)合的專業(yè)”。這樣籠統(tǒng)的認(rèn)識(shí)可能會(huì)導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)為該專業(yè)“要么學(xué)數(shù)學(xué)，要么學(xué)計(jì)算機(jī)”，至于“怎么結(jié)合”搞不清，不重視專業(yè)的其他重要方面，甚至連信息與計(jì)算科學(xué)的專業(yè)特點(diǎn)和核心競(jìng)爭(zhēng)力也模糊不清。

關(guān)于信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)課程體系建設(shè)的論述已有很多，然而關(guān)于該專業(yè)大導(dǎo)論課程的研究還不多見。針對(duì)上述存在的種種問題，本文認(rèn)為信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)設(shè)置專業(yè)導(dǎo)論課程是極為必要的，而且在課程體系中應(yīng)作為獨(dú)立的重要一環(huán)。因?yàn)樽鳛樾畔⑴c計(jì)算科學(xué)（信計(jì)）專業(yè)的導(dǎo)論課程，需要回答的問題多且必要：信計(jì)專業(yè)培養(yǎng)什么樣的人才？什么是信計(jì)專業(yè)？信計(jì)的核心競(jìng)爭(zhēng)力是什么？如何實(shí)現(xiàn)？信息處理、應(yīng)用開發(fā)中有哪些數(shù)學(xué)知識(shí)？信息挖掘、信息安全與算法設(shè)計(jì)的聯(lián)系如何？建模能力如何鑄就？計(jì)算分析能力怎樣打造？就業(yè)崗位對(duì)信計(jì)的現(xiàn)實(shí)要求有哪些？等等。

信計(jì)專業(yè)導(dǎo)論課的開設(shè)需要對(duì)信計(jì)專業(yè)的發(fā)展歷史，專業(yè)的研究應(yīng)用進(jìn)展和前沿有深入、廣泛的了解，通過精選教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容形成體系，以達(dá)到解決學(xué)生關(guān)切問題、培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)思想、建立學(xué)生專業(yè)認(rèn)同、激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)過程中典型的教學(xué)案例對(duì)學(xué)習(xí)興趣的提高有明顯的促進(jìn)作用，在專業(yè)學(xué)習(xí)中能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)專業(yè)的興趣，促進(jìn)學(xué)生對(duì)專業(yè)的理解，特別是有利于學(xué)生加深對(duì)專業(yè)的宏觀認(rèn)識(shí)以及對(duì)專業(yè)的一些具體方向的感性認(rèn)識(shí)。本文將結(jié)合教學(xué)典型案例深入剖析信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)導(dǎo)論教學(xué)中需要解決的問題。

二、信息與計(jì)算科學(xué)的直觀印象

信息與計(jì)算科學(xué)作為交叉學(xué)科，和其他一些專業(yè)的易混淆性，使得我們必須首先回答什么是信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)，更為緊要的是在大一階段應(yīng)該如何從直觀的角度來闡述它。我們知道，隨著現(xiàn)代信息計(jì)算科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，上班考勤甚至上課考勤都有系列的產(chǎn)品可供選擇，常見的考勤機(jī)為指紋考勤機(jī)器——這是一個(gè)很典型的利用信息與計(jì)算科學(xué)知識(shí)和方法進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的產(chǎn)品。在教學(xué)中，類似的案例可以體現(xiàn)信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)各學(xué)科之間的交叉滲透，為學(xué)生提供直觀的專業(yè)認(rèn)識(shí)印象，具體闡述如下。

1.利用該例闡述科技應(yīng)用開發(fā)中，信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)知識(shí)的使用流程和涉及的課程知識(shí)。指紋考勤機(jī)首先要采集被識(shí)別人的指紋信息，并以此作為樣本；預(yù)處理后把樣本信息存儲(chǔ)為向量或數(shù)據(jù)，通過建立樣本的特征提取模型，進(jìn)行特征提??；之后輸入建立的識(shí)別模型，對(duì)待識(shí)別的指紋進(jìn)行計(jì)算識(shí)別；接下來是針對(duì)硬件的編程實(shí)現(xiàn)和測(cè)試，最后再植入匹配的設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)傳入后臺(tái)系統(tǒng)，完成系統(tǒng)測(cè)試，投入使用。由于建立特征提取模型和識(shí)別模型的方法很多，快速計(jì)算的方法選擇有所不同，這涉及信息與計(jì)算科學(xué)中許多數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和數(shù)學(xué)建模方法等?？偟膩碚f，考勤機(jī)的工作流程可以歸納為5步：（1）信息采集和預(yù)處理；（2）特征提取和識(shí)別模型；（3）識(shí)別、計(jì)算分析；（4）編程實(shí)現(xiàn)；（5）植入硬件。分別講述其中各個(gè)環(huán)節(jié)可涉及的專業(yè)課程：信息采集和預(yù)處理可涉及高等代數(shù)、概率統(tǒng)計(jì)等課程；特征提取和識(shí)別模型可涉及高等代數(shù)、數(shù)學(xué)分析、概率統(tǒng)計(jì)、運(yùn)籌優(yōu)化、數(shù)學(xué)建模等課程；識(shí)別、計(jì)算分析涉及高等代數(shù)、數(shù)學(xué)分析、運(yùn)籌優(yōu)化、數(shù)值分析等課程；編程實(shí)現(xiàn)可涉及程序設(shè)計(jì)語言、算法設(shè)計(jì)、軟件開發(fā)測(cè)試，等等。這樣結(jié)合專業(yè)課程知識(shí)與應(yīng)用實(shí)例的詳細(xì)講解，易于讓學(xué)生了解信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用流程，使學(xué)生對(duì)信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)知識(shí)有直觀的認(rèn)識(shí)。

2.利用該例闡述科技應(yīng)用開發(fā)中，信息與計(jì)算科學(xué)中各個(gè)學(xué)科的交叉滲透。如前所述，由于一個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)可能涉及的知識(shí)點(diǎn)很多，可采取的模型方法也是多種多樣，這些知識(shí)之間的應(yīng)用就會(huì)有交叉。例如，特征提取、識(shí)別模型的建立有可能用到信息處理的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，這時(shí)又需要考慮該模型是否能設(shè)計(jì)出快速的計(jì)算方法來滿足實(shí)際計(jì)算速度的要求；識(shí)別模型的實(shí)現(xiàn)最后需要計(jì)算機(jī)編程來完成，這又涉及合適的模型、快速的算法和良好的程序設(shè)計(jì)之間的協(xié)調(diào)融合。當(dāng)然，完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)還需要考慮到采集設(shè)備的精度、程序植入等其他學(xué)科的知識(shí)。這樣講解，學(xué)生就會(huì)對(duì)信息與計(jì)算科學(xué)知識(shí)的交叉有較為宏觀的認(rèn)識(shí)。

3.啟發(fā)學(xué)生對(duì)信息與計(jì)算科學(xué)中的相關(guān)問題進(jìn)行思考。

（1）指紋樣本信息采集是很微妙的事，如果當(dāng)采集一個(gè)樣本的次數(shù)太多，超出了很多人的承受范圍，比如一個(gè)手指的指紋采集超過了三次，這樣產(chǎn)品的便利性、應(yīng)用性和競(jìng)爭(zhēng)力就值得懷疑了。因?yàn)橥ǔＧ闆r下，我們很自然的認(rèn)為事不過三為好。那么，如何以最少的采集次數(shù)達(dá)到要求的識(shí)別效果？這就是值得考慮的問題。

（2）如何提高產(chǎn)品的識(shí)別效果（正確識(shí)別率），提升產(chǎn)品質(zhì)量，這除了與團(tuán)隊(duì)的專業(yè)知識(shí)相關(guān)以外，還與獲取知識(shí)的能力有很大關(guān)系。例如能不能利用已有的專業(yè)知識(shí)積累從現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)中獲取最新的技術(shù)信息，能不能利用國(guó)外的技術(shù)文獻(xiàn)，等等。這些都是由典型案例所延伸出的值得思考的問題。這些問題有利于開拓思路，使學(xué)生對(duì)將來的工作和研究研發(fā)空間充滿期待。

三、信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力

信息與計(jì)算科學(xué)是由多個(gè)學(xué)科專業(yè)合并和綜合而來的，其重視基礎(chǔ)能力，培養(yǎng)能解決實(shí)際中信息與科學(xué)工程計(jì)算應(yīng)用問題的寬口徑專業(yè)人才。考慮到專業(yè)的名稱與計(jì)算機(jī)、信息工程等專業(yè)有相似之處，專業(yè)導(dǎo)論課程需要闡明該專業(yè)與其他專業(yè)，特別是一些計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)、信息工程專業(yè)和數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)之間的區(qū)別。因此，信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)課程的核心是什么？專業(yè)人才的核心競(jìng)爭(zhēng)力是什么？這兩個(gè)問題是無法回避的。針對(duì)這些問題，除了上述案例，圖像（信息）的壓縮處理也是一個(gè)很直觀的例子。利用圖像壓縮，可以給學(xué)生展示壓縮編碼技術(shù)、壓縮的算法、軟件開發(fā)等，這涉及信息編碼、密碼學(xué)、算法設(shè)計(jì)能力、應(yīng)用開發(fā)能力等。結(jié)合這些案例，我們信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)并不是單純的涉及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程、建模能力、算法設(shè)計(jì)或者計(jì)算機(jī)科學(xué)其中的某一方面，它的核心競(jìng)爭(zhēng)力在于“數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與建模能力、計(jì)算分析與算法設(shè)計(jì)、程序語言與應(yīng)用開發(fā)”這三者的有機(jī)融合。單單講某個(gè)方面還不足以稱之為專業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。因?yàn)閷I(yè)人才的定位是解決信息與科學(xué)工程計(jì)算的應(yīng)用問題，這些實(shí)際問題本身與這三方面多有緊密的聯(lián)系，單強(qiáng)調(diào)某一方面或重視某一模塊容易和上述一些類似名稱的專業(yè)混淆。因而，與這三方面相關(guān)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程有數(shù)學(xué)分析、高等代數(shù)、解析幾何、微分方程、概率統(tǒng)計(jì)等；與這三方面相關(guān)的一些專業(yè)課程需要凝聚成為專業(yè)的核心課程，如數(shù)值分析、離散數(shù)學(xué)、程序語言、數(shù)學(xué)建模等。

四、信息處理、應(yīng)用開發(fā)中的數(shù)學(xué)知識(shí)

信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)的大一新生對(duì)就讀該專業(yè)充滿了憧憬。他們能發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的老三樣（數(shù)分、高代、解幾）但看不到信息和計(jì)算的影子，看不出專業(yè)的特征和特色，這就需要專業(yè)導(dǎo)論課程加以引導(dǎo)。選取信息處理和應(yīng)用開發(fā)中的相關(guān)案例來闡述數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)在解決這些問題中的重要作用，可以使學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與實(shí)際科學(xué)工程問題有直觀的印象，這對(duì)學(xué)生下決心打好基礎(chǔ)，投入前期課程學(xué)習(xí)有著重要的作用。如選擇圖像處理中的修補(bǔ)算法、游戲開發(fā)中憤怒的小鳥的技術(shù)含量為講述案例，則這些應(yīng)用案例就可結(jié)合數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)來闡述。

1.圖像處理中的修補(bǔ)算法。圖形圖像的基本處理分析方法，如傅里葉分析可選擇進(jìn)行更為全面的介紹，介紹其在工程領(lǐng)域、數(shù)字信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。這樣來看，大一開始學(xué)習(xí)的分析類課程作為專業(yè)的基礎(chǔ)課程確實(shí)是名符其實(shí)。圖像圖像處理的修補(bǔ)涉及優(yōu)化模型和優(yōu)化算法、算法的復(fù)雜性等，而這些基本的模型形式——在一定約束要求的前提下，求目標(biāo)函數(shù)的極小值，容易使學(xué)生對(duì)開始學(xué)的分析課程的導(dǎo)數(shù)與極值、矩陣等基本知識(shí)聯(lián)系起來。

2.憤怒的小鳥的技術(shù)含量。應(yīng)用開發(fā)形式多種多樣，游戲開發(fā)是一種有趣生動(dòng)的開發(fā)過程，許多游戲開發(fā)又與數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)有緊密聯(lián)系。因此，選取其中的典型案例進(jìn)行介紹，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生對(duì)數(shù)學(xué)知識(shí)在應(yīng)用開發(fā)中作用的理解。如該例涉及的物體碰撞檢測(cè)和連續(xù)碰撞檢測(cè)與向量及運(yùn)算、旋轉(zhuǎn)矩陣、線性變換等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，可以由此進(jìn)一步介紹物體的移動(dòng)、壁障和尋路等游戲開發(fā)中常見的智能化算法，這些都將和許多基礎(chǔ)知識(shí)緊密結(jié)合。

五、信息挖掘與算法設(shè)計(jì)

信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)人才應(yīng)具有處理實(shí)際中信息與科學(xué)工程計(jì)算問題的能力。當(dāng)前大數(shù)據(jù)處理涉及的信息挖掘的相關(guān)內(nèi)容，與信計(jì)專業(yè)有天然的聯(lián)系，特別是挖掘目標(biāo)的設(shè)置、隱含信息的挖掘模型的建立和使用、模型的求解、算法性能分析等，與信息與計(jì)算科學(xué)中的計(jì)算能力、建模能力、程序設(shè)計(jì)等核心能力模塊要求相連。這方面的熱點(diǎn)案例很多，如可選阿里巴巴大數(shù)據(jù)競(jìng)賽、2012年和2015年深圳杯全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模夏令營(yíng)B題進(jìn)行展示，其中阿里巴巴大數(shù)據(jù)競(jìng)賽可聯(lián)系到機(jī)器學(xué)習(xí)算法等。講述這些典型的熱點(diǎn)應(yīng)用案例，對(duì)學(xué)生了解專業(yè)課程和專業(yè)的內(nèi)涵有重要的指導(dǎo)作用。

綜上，通過梳理信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)導(dǎo)論教學(xué)中一些需要澄清的問題，根據(jù)教學(xué)實(shí)踐，從典型案例的視角對(duì)這些問題設(shè)置的必要性和解決方式進(jìn)行了分析和探討，剖析了這對(duì)于促進(jìn)學(xué)生對(duì)專業(yè)內(nèi)涵的總體把握、了解專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域、品味專業(yè)學(xué)習(xí)價(jià)值的有益作用。

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[責(zé)任編輯：陳 明]