自然辩证法概论期末课程论文_自然辩证法概论pdf

2012-2013学年第二学期

《自然辩证法概论》期末课程论文

结合计算机发展看科技

——科学、技术、工程的有机结合

[摘要]现代科学技术体系在纵向结构上应分成基础科学、技术科学、工程技术三个层次，本文从计算机的发展历程出发，试图说明基础科学、技术科学、工程技术的有机结合与相互促进，使科学技术不断进步与发展。科学、技术、工程在计算机发展历史上都起了重要的作用，但每个方面又具有它们自身的特点。正因为这三者对科学技术发展至关重要，所以搞清楚它们之间的关系就显得十分有必要。

[关键词]自然辩证法; 科技进步; 科学; 技术; 工程;

引言

在科学、技术、工程三元论的构架下，从生活实践的类型来看，科学是认识世界的活动，技术是改造世界的认识活动，而工程则是改造世界的造物实践活动。它们可以看做是现代科学技术的不同方面，从表现形式上来看，科学是在理论上进行完善和创新，技术是科学和工程的桥梁，工程是为了达到某种目的做出的切实行动。三者的侧重点有所不同，但它们之间相互联系、互相促进。

计算机对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响，并以强大的生命力飞速发展。计算机科学与技术作为应用性很强的一门学科，科学、技术、工程这三者都在其发展历程中得到了体现，所以本文选择计算机的发展史作为实例，力图对它们三者之间的关系和作用进行说明，并用计算机发展史中的事例对它们进一步阐述和例证。讨论科学、技术、工程的相互关系，无疑将会突出从科学向技术的“转化”和从技术向工程的“转化”问题，有助于正确地制定相应的政策，从而促进这两种“转化”。这两种转化的促进不论是对计算机的发展来说，还是对其他学科，都是十分有用的。

正文

一、科学发展对计算机学科的作用

科学是认识客观世界的知识体系，它的表现形式往往是理论、思想层面的，可能在一开始出现的时候不会直接对现实世界有实际的推动作用，他的作用需要通过技术和工程的作用表现出来。但从总体上来说，科学的发展往往能对其他方面带来突破性的进展。科学的发展也有助于人们对现实世界更好地认识，但它的研究对象一般都是经过简化的理想情况下，需要对其进行进一步地引申。通过科学认知的过程，人们往往都会对某个具体事物和现象进行建模，然后在模型的假设框架里面进行推导和讨论。这些模型可以看做是现实的一个简化，这样便于我们进行分析，并且抓住主要矛盾，方便对最本质的性质进行研究。科学就是综合

提炼具体学科领域内各种现象的性质和较为普遍的原理、原则、规律等而形成的基本理论。这些基本理论存在着延续性，往往能指导现实世界的探索和发现。

计算机已遍及学校、企事业单位，进入寻常百姓家，成为信息社会中必不可少的工具，它是人类进入信息时代的重要标志之一。计算机对人类的生产活动和社会活动产生了极其重要的影响，并以强大的生命力飞速发展。在最初，人们并没有对通用的计算机有清楚的认识，人们使用的也都是机械计算器，并不能成为现代意义上的计算机。1937年，年仅21岁的麻省理工学院研究生克劳德·香农发表了他的伟大论文《对继电器和开关电路中的符号分析》，他向人们展示了如何使用开关来实现逻辑和数学运算。这个思想是日后计算机的理论基础，提出了使用0、1来进行逻辑运算和数学运算，这个科学思想看起来非常简单，但却是一个能力很强的模型，给计算机的发展指明了方向。

英国数学家阿兰·图灵于1936年提出的图灵机是一种抽象计算模型，其更抽象的意义为一种数学逻辑机，可以看作等价于任何有限逻辑数学过程的终极强大逻辑机器。图灵的基本思想是用机器来模拟人们用纸笔进行数学运算的过程，他把这样的过程看作两种简单的动作：在纸上写上或擦除某个符号，把读写头从纸的一个位置移动到下一个位置。图灵构造出了一台假想的机器来执行上面的操作，这个机器的每一部分都是有限的，但它有一个潜在的无限长的纸带，因此这种机器只是一个理想的设备。图灵认为这样的一台机器就能模拟人类所能进行的任何计算过程。它足够简单，简单得显然能造出实物，也可以用一目了然的逻辑公式描述它的行为；它又必须足够复杂，有潜力完成任何机械能完成的计算。这并非易事，但图灵做到了，据说这是他某次长跑过后，在某块草坪上发呆的成果。他设计了一类机器，然后定义“机械计算”为“这类机器可以完成的计算”。他设计的这类机器，正是日后以他名字命名的图灵机。在没有计算机的时代，图灵不但探索了计算机能做的事，还指出了计算机永远不能做到的事。计算机诞生以后，出现了五花八门的高级编程语言，一个比一个帅气，但它们的表达能力实际上都没有超过图灵机。事实上，再庞大的流程图，再复杂的数学关系，再怪异的语法规则，最终都可以用图灵机来描述。图灵机似乎是一个终极工具，它似乎能够表达一切形式的计算方法，可以描述一切事物背后的规律。

从上面举的例子可以看出，科学理论创新的力量是非常强大的，一方面理论模型往往有巨大的表达力，另一方面对实践有明确的指引作用。看似简单、脱离实际的假设，往往能够排除干扰，使真正重要的本质凸现出来，这样方便我们进一步对事物进行认识，明白实践活动的方向和范围。

二、技术发展对计算机学科的作用

技术科学是 20世纪初至第二次世界大战前，才在科学与技术之间涌现出的一个中间层次。它侧重揭示现象的机理、层次、关系，并提炼出工程技术中普遍适用的原则、规律和方法。技术科学作为科学发现和产业发展之间的桥梁，推动工程技术的迅速进步。工程技术侧重将基础科学和技术科学知识应用于工程实践，并在具体的实践过程中总结经验，创造新技术、新方法，使科学技术迅速转化为社会生产力。技术科学，一方面，它把自然科学的基础理论应用于工程实践，另一方面，它常常是选择好几门工程技术里面带共性的一些问题作深入的处理。

计算机在今天越做越小、越做越快，计算精度和存储容量比以前也有了非常大的进步，以前要用整个大屋子才能装下的计算机甚至不如现在手机的计算能力，这和技术科学的发展密不可分。具体举例来说，1946年2月14日，由美国军方定制的世界上第一台电子计算机“电子数字积分计算机”在美国宾夕法尼亚大学问世, 这台计算器使用了17840支电子管，大小为80英尺×8英尺，重达28吨，功耗为170kW，其运算速度只有每秒5000次的加法运算。这时的计算机使用的是真空电子管，主存储器采用汞延迟线、阴极射线示波管静电存储器、磁鼓、磁芯，外存储器采用磁带。这些元器件价格昂贵，速度慢，并且在容易出现故障。第二代计算机使用晶体管，主存储器采用磁芯，外存储器采用磁盘。第三代计算机使用中、小规模集成电路，主存储器仍采用磁芯。第四代计算机使用大规模和超大规模集成电路，应用范围从科学计算、事务管理、过程控制逐步走向家庭。

随着技术科学的不断发展，人们制作电子元器件的方法越来越多，它们的性能和指标也不断提高，这才是计算机的制造越来越高端，同时价格也越来越便宜。英特尔创始人之一戈登·摩尔提出摩尔定律，其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18个月翻两倍以上，这一定律揭示了技术进步给计算机发展带来的高速增长。通过从科学理论中汲取营养，结合技术的发展，能将这些理论变成现实。

从技术的角度看，随着硅片上线路密度的增加，其复杂性和差错率也将呈指数增长，同时也使全面而彻底的芯片测试几乎成为不可能。一旦芯片上线条的宽度达到纳米数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，也就让计算机界的摩尔定律走到了它的尽头，从这个制约来看更能看出技术科学对计算机发展至关重要的作用。

三、工程发展对计算机学科的作用

工程技术侧重将基础科学和技术科学知识应用于工程实践，并在具体的实践过程中总结经验，创造新技术、新方法，使科学技术迅速转化为社会生产力，是在生产建设第一线直接用以创造现实生产力的手段。

以嵌入式计算机来说，在很多情况下因为能耗、体积等资源有限的情况下，无法使用比较大型的计算机，在满足计算速度的条件下，一般会在工程实现的时候对计算机进行适当地裁剪，将计算机进行微型化，做成“麻雀虽小五脏俱全”的嵌入式计算机。这样既能满足计算要求，又能满足资源要求，虽然用的技术和原理是相同的，但是从具体制作时用到的工程手段是不同的，这里可以把工程看成在具体环境下对技术和原理的综合应用。

上面举的例子是硬件方面的，而软件也是计算机科学与技术中一个重要的方面。从软件的角度来看，工程科学也是十分关键的，现代的软件开发已经从单一人工开发转换为集团化大规模开发，并形成了软件工程这门工程学科。在计算机编程刚刚兴起的时候，许多软件最后都得到了一个悲惨的结局，软件项目开发时间大大超出了规划的时间表。一些项目导致了财产的流失，甚至某些软件导致了人员伤亡，同时软件开发人员也发现软件开发的难度越来越大。软件工程是研究和应用如何以系统性的、规范化的、可定量的过程化方法去开发和维护软件，以及如何把经过时间考验而证明正确的管理技术和当前能够得到的最好的技术方法结合起来的学科。软件工程包括项目管理，分析，设计，程序的编写，测试和质量控制，这一系列的过程和方法运用使软件的开发更加专业、可靠。

从计算机发展历史中的硬件和软件可以看出，有了原理和技术后，还需要在特定现实条件与目标的约束下，采用一定的工程科学方法，才能使最终的现实改造活动变得更加顺利并达到最初设定的目标。在工程实现时也需要从原理假设的理想条件中加上更多的约束，还有在众多的技术中选择适合整个系统进行实施。

四、科学、技术、工程之间的关系

科学、技术、工程它们三个之间的关系应该是即相互促进，同时又相互制约的。

人首先要认识客观世界，进而才能改造客观世界，从这一基本观点出发认识客观世界的学问就是科学，改造客观世界的具体过程是工程，在科学和工程之间的桥梁就是技术。所以，现代科学技术体系内各学科、各层次之间也存在着相互补充、相互促进的内在关系。基础科学是技术科学、工程技术的先导，往往只有有了基础科学的突破，才能让人们更清晰地认识问题，从而提出新的技术和工程实践方法。结合计算机的发展可以看出，有了最开始在理论上对计算机表达能力

的形式化推导和对计算机的抽象表现，才会有后来人们利用各种电子元器件实现出电子计算机。有了更好的理论分析，也能呢个指引人们去寻找更好的技术手段，从而能让理论中的存在的模型变成现实。对技术这个方面来说，它是工程的基础，技术进步会使工程实践的选择更加多样化。反过来讲，工程也对技术有明显的选择、引导和支持作用。工程技术侧重将基础科学和技术科学知识应用于工程实践，并在具体的实践过程中总结经验，创造新技术、新方法，使科学技术迅速转化为社会生产力。工程技术的发展，必将丰富、完善技术科学、基础科学，因为它是技术科学、基础科学发展的根本动力。工程师们面临的是多因素、较复杂的实际问题，而技术科学家必须善于从这些实际问题中找到主要矛盾，创立有充分基础科学依据的、能被工程师用于设计的、有预测能力的定量理论。当发现基础科学的已有成果不够用时，也需要吸收和运用工程中经验性的规律和判断。比如在软件工程的例子中可以清楚地看到，因为在工程实践的过程中，小作坊式的软件开发模式越来越不适应需求日益复杂的大型系统开发，所以就在此基础上总结出了一整套的方法论，并对编程语言、开发环境这些技术层面提出了新的需求，在理论层面上也提出了诸如软件形式化自动验证等新的科学需求。

从相互制约的角度来看，科学理论的创新进步制约着技术和工程的发展，如果没有理论的形式化建模，只靠人工试错的话，那整个进步的过程将会是非常缓慢的。技术也对工程有着明显的约束，从计算机的发展来看，如果没有电子元器件技术的不断进步，很难让计算机变得越来越快、越来越小，若是没有电子元器件的普及，就只能使用机械结构去模拟计算机，那今天的计算机恐怕就不会如此普及和通用了。从工程的角度来看，如果一个理论和技术无法在工程中实现，那对这个理论和技术的持续性发展是致命的，没有工程实现提供的反馈和探索来指引发展，科学理论和技术就大都只能停留在空想和探索阶段，无法快速发展。五、结论与建议

结合计算机发展史的实例，可以看出科学、技术、工程的发展对某个学科的推动作用，以及它们之间相互推动、相互制约的关系。明白了它们的重要性和影响关系，就应该运用它们来指导科技更好地发展。科学是认识客观世界的知识体系，属于潜在生产力，在工程科学的推动下，科学发展为工程技术，将知识创新转化为技术创新，从而推动现实生产力的发展。在这个相互促进迭代的过程中，技术、工程上遇到的问题也能够促进理论上的不断创新，来解决现实中遇到的实际问题。同时，明白了它们之间的约束关系，就能够在发展阻碍出现前着力对当前或未来遇到的问题进行推进，这样使科技的整个发展形成良性循环，从而让我们更好地对现实世界进行改造活动。

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