《自然辩证法概论》期末课程论文

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