浅述计算机科学与技术的方法论

范亚隆

摘 要：计算机科学与技术方法论是关于计算领域认识和实践过程中一般方法及其性质、特点、内在联系和变化发展的系统研究。它是计算认知领域的一个理论体系，是我们认知计算技术的一个有效工具和方法。

关键词：计算机；科学与技术；方法论

在计算领域中认识指的是抽象过程（感性认识）和理论过程（理性认识），实践指的是学科中的设计过程。抽象、理论和设计是具有方法论意义的三个过程，这三个过程是科学技术方法论中最重要的研究内容。从认识论的角度来看，学科的基本内容包含在抽象、理论和设计三个过程（或形态）之中，不仅如此，也正是因为它们之间的相互作用，促进了学科的发展。

一、计算学科中的抽象、理论和设计及其内在联系

方法论在层次上有哲学方法论、一般科学技术方法论、具体科学技术方法论之分，它们相互依存、互为作用。在一般科学技术方法论中，抽象、理论和设计是其研究的主要内容。以下我们以一般科学技术方法论为指导，阐述计算学科中的抽象、理论和设计内容。

（一）学科的抽象形态

在科学技术方法论中， 科学抽象是指在思维中对同类事物去除其现象的、次要的方面，抽取其共同的、主要的方面，从而做到从个别中把握一般，从现象中把握本质的认知过程和思维方法。科学抽象的成果有：科学概念、科学符号、思想模型等内容。

“Computing as a discipline”报告认为：理论、抽象和设计是我们从事本领域工作的三种主要形态（Paradigm），或称文化方式，它提供了我们定义学科的条件。第一个学科形态是抽象（按方法论研究的习惯，我们将报告中理论和抽象原来的次序对调），抽象源于实验科学。按客观现象的研究過程，抽象形态包括以下四个步骤的内容：形成假设；建造模型并做出预测；设计实验并收集数据；对结果进行分析。

（二）学科的理论形态

科学认识由感性阶段上升为理性阶段，就形成了科学理论，科学理论是经过实践检验的系统化了的科学知识体系，它是由科学概念、科学原理以及对这些概念、原理的理论论证所组成的体系。

在计算学科中， 第二种学科形态是理论，理论源于数学。按统一的合理的理论发展过程，理论形态包含以下四个步骤的内容：表述研究对象的特征（定义和公理）；假设对象之间的基本性质和对象之间可能存在的关系（定理）；确定这些关系是否为真（证明）；结论和解释。

（三）学科的设计形态

在计算学科中， 第三个形态是设计，设计源于工程。按为解决某个问题而实现系统或装置的过程来看，设计形态包含以下四个步骤的内容：需求分析；建立规格说明；设计并实现该系统；对系统进行测试与分析。

设计、抽象和理论三个形态针对具体的研究领域均起作用，在具体研究中，就是要在其理论的指导下，运用其抽象工具进行各种设计工作，最终的成果将是计算机的软硬件系统及其相关资料（如，需求说明、规格说明和设计与实现方法说明等）。

设计形态（技术方法）和抽象、理论二个形态（科学方法）具有许多共同的方面。这是因为，设计作为变革、控制和利用自然界的手段，必须以对自然规律的认识为前提（可以是科学形态的认识，也可以是经验形态的认识）；设计要达到变革、控制和利用自然界的目的，必须创造出相应的人工系统和人工条件，还必须认识自然规律在这些人工系统中和人工条件下的具体表现形式。所以，科学认识方法（抽象、理论二个形态），对具有设计形态的技术研究和技术开发是有作用的。但是设计形态毕竟还有其不同于抽象形态和理论形态的特点。其中最主要的是设计形态有更强的实践性；其次，设计形态具有更强的社会性；第三，设计形态具有更强的综合性。

二、三个学科形态的内在联系

理论是数学的根本：应用数学家们认为，科学的进展都是建立在数学基础上的。抽象（建模）是自然科学的根本：科学家们认为，科学的进展过程主要是通过形成假说，然后系统地按照建模过程对假说进行验证和确认取得的。类似地，设计是工程的根本：工程师们认为，工程的进展主要是通过提出问题，并系统地按照设计过程，用建立模型而加以解决的。许多有关数学、科学和工程相对优劣的争论都隐含的基于抽象、理论和设计三个过程中某一个更为更根本的假设。

“Computing as a discipline”报告认为，更详细的研究揭示出：在计算学科中，“三个过程”是错综复杂地缠绕在一起的，以至于把任何一个作为根本都是不合理的。

当专家们把注意力集中于“三个过程”谁更为根本的时候，学科方法论中的关键问题—抽象、理论和设计三个过程的相互作用被忽视了。不仅如此，在一定程度上还转移了我们的视线，削弱了我们对报告本质的理解，以致“CC2001”任务组不得不承认，与报告密切相关的“CC1991”计划的执行并没有达到预期的效果。

“Computing as a discipline”报告的实质是学科方法论的思想，其关键问题是—抽象、理论和设计三个过程的相互作用的问题，正是因为它们之间的相互作用，促进了学科的发展。

参考文献：

[1]赵致琢.关于计算机科学与技术认知问题的研究简报（Ⅰ，Ⅱ）.计算机研究与发展.2001，38（1）：1-15.

[2]王浩.数理逻辑通俗讲话.科学出版社，1983.