文章編號(hào)：1962-5913(2008)11-0043-04

摘要：本文介紹了筆者在“計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)”課程教學(xué)中使用的大量例證，涉及科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、過程控制、人工智能等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：教學(xué)交流；計(jì)算機(jī)應(yīng)用；例證

中圖分類號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1問題的提出

筆者從事計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)教學(xué)多年，使用過不少版本的教材，發(fā)現(xiàn)很多教材在說明計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)，或許是篇幅的限制，只是簡單地陳述了計(jì)算機(jī)應(yīng)用的幾個(gè)方面，如科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、過程控制和人工智能等。如果教師在講授時(shí)沒有進(jìn)一步舉出實(shí)際應(yīng)用的例子，可能造成學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的了解過于膚淺。特別是非計(jì)算機(jī)專業(yè)，不少學(xué)生把計(jì)算機(jī)的應(yīng)用只停留在資料搜索、文字處理和電腦游戲上。為了讓教師在講授過程中能找到更多的實(shí)際例子，也讓學(xué)生在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)中能更好地感受計(jì)算機(jī)的神奇和帶來的變化，筆者將多年講授該課程積累的一些生動(dòng)淺顯的例子與同行分享。

2科學(xué)計(jì)算

2.1公式驗(yàn)證

計(jì)算機(jī)20小時(shí)=手工20年。法國天文學(xué)家Delaunay，為了用天體力學(xué)的方法求解月球的運(yùn)動(dòng)軌跡，花了10年時(shí)間去求解一個(gè)攝動(dòng)級(jí)數(shù)展開式。后來為了驗(yàn)證結(jié)論，他又花了10年功夫，整整20年的“筆”和“紙”的辛勞，于1867年公布了他的研究成果，出版了專著，其中記述了計(jì)算月球軌跡運(yùn)動(dòng)的Delaunay公式，這個(gè)公式證明長達(dá)400頁。100多年后的1970年，美國波音科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的三位青年學(xué)家用計(jì)算機(jī)代數(shù)的算法，在一臺(tái)小型計(jì)算機(jī)上僅花了20個(gè)小時(shí)的時(shí)間驗(yàn)算了使用了100多年的計(jì)算月球運(yùn)動(dòng)的Delaunay公式，驗(yàn)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)Delaunay公式有三處錯(cuò)誤。

2.2圓周率的計(jì)算

提起圓周率，就有說不盡的話題。對(duì) 的計(jì)算機(jī)體現(xiàn)一個(gè)國家，一個(gè)時(shí)代的科學(xué)技術(shù)水平。三國時(shí)期魏國人劉徽割圓至正96邊形，得到3.141，寫下了第一個(gè)世界紀(jì)錄。南北朝時(shí)期，先是何乘天割圓至正1536邊形，得到3.1416；隨后是祖沖之集前人之大成，割圓至24576邊形，得到了3.141593，相繼樹立了求 的兩個(gè)里程碑。英國一名數(shù)學(xué)家，名叫香克斯(音譯)，他把一生中的70年全部投入到圓周率的計(jì)算中，結(jié)果創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)一個(gè)了不起的記錄，他把圓周率算到了小數(shù)點(diǎn)后707位。而剛出世不久的計(jì)算機(jī)僅僅用了40秒的時(shí)間就打破了香克斯的記錄。而且證明了香克斯的第528位計(jì)算是錯(cuò)誤的，其后的一百多位的計(jì)算，香克斯白算了，這就是說，香克斯有將近一半的時(shí)間在勞而無功。

之后日本和美國利用計(jì)算機(jī)展開了圓周率計(jì)算競賽，首先美國人創(chuàng)造了震驚世界的紀(jì)錄，算出了1億位。未幾，日本東京大學(xué)的金田康正將它翻了一番，算出了2.1億位。美國人不甘示弱，哥倫比亞大學(xué)的數(shù)學(xué)家丘得諾夫斯基兄弟倆立即予以刷新，求得了4.8億位，并聲稱還可以求任意多位，可以從任意位后算起。4.8億位是什么概念呢?相當(dāng)于100萬字的厚書，要480本摞起來。

1997年7月，日本東京大學(xué)的計(jì)算機(jī)中心教授金田康正和助手高橋大介將圓周率演算到小數(shù)點(diǎn)后515.396億位，大大超過了他們兩年前創(chuàng)造的小數(shù)點(diǎn)后64億位的世界紀(jì)錄。

3數(shù)據(jù)處理

3.1人口普查

1982年進(jìn)行的全國第三次人口普查，第一次使用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這次人口普查共調(diào)查19個(gè)項(xiàng)目，其中按人填報(bào)的有13項(xiàng)，按戶填寫報(bào)的有6項(xiàng)。這樣全國按10億人口估計(jì)，填報(bào)的登記表重量約2000噸，填報(bào)的數(shù)據(jù)約400億字符。這些數(shù)據(jù)分別集中由各省用當(dāng)時(shí)的中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。開始由3000多名計(jì)算機(jī)錄入人員用1年多的時(shí)間錄入和核對(duì)，然后經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后打印輸出國家，各省市的人口數(shù)據(jù)匯總表100多類，如人口的地區(qū)分布，人口的性別、年齡、民族、文化程度、行業(yè)、家庭、婚姻、生育等各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表。僅省一級(jí)就整理出50000頁左右的資料。這些省級(jí)表用計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)幾分鐘就可以即可完成，并且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。如果用人工統(tǒng)計(jì)，有人估計(jì)要15個(gè)人干1年，每天工作足8小時(shí)，節(jié)假日不準(zhǔn)休息，并且統(tǒng)計(jì)出來的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤在所難免。這只是省級(jí)表，全國要求共15萬種表，如果沒有計(jì)算機(jī)，靠手工將是什么樣呢？。

第五次全國人口普查首次采用光電錄入技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)錄入速度，減輕錄入人員的工作量。

3.2天氣預(yù)報(bào)

氣象科學(xué)的不斷發(fā)展，在天氣預(yù)報(bào)方面，除了廣泛應(yīng)用大范圍天氣圖和經(jīng)驗(yàn)來預(yù)測(cè)未來的天氣外，還利用電子計(jì)算機(jī)這一現(xiàn)代工具來進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)。氣象工作者稱它為數(shù)值預(yù)報(bào)，即數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)是應(yīng)用流體力學(xué)、熱力學(xué)、高等數(shù)學(xué)等來研究大氣變化的物理規(guī)律；根據(jù)大氣運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，可以得出一套反映這些物理規(guī)律的數(shù)學(xué)方程式(即天氣預(yù)報(bào)方程組)，然后依據(jù)一些已知條件(如某日某時(shí)的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)力等等)來解釋這一方程組，得出天氣的未來變化情況，這樣就可以達(dá)到預(yù)報(bào)目的了。數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)是應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的一些理論和方法，并根據(jù)歷史上的大量氣象資料，找出一些描述天氣、氣候變化的統(tǒng)計(jì)規(guī)律的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方程式，用以預(yù)報(bào)長期天氣趨勢(shì)，也可用作預(yù)測(cè)幾天后的氣象要素。這兩種方法都涉及到大量的數(shù)據(jù)和算術(shù)運(yùn)算，如果僅僅依靠普通計(jì)算機(jī)來計(jì)算，那是很難實(shí)現(xiàn)的。由于電子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為我們提供了既可靠又快速的計(jì)算工兵——電子計(jì)算機(jī)，這樣我們應(yīng)用計(jì)算數(shù)學(xué)的一些方法，把數(shù)學(xué)方程式化為加、減、乘、除的四則運(yùn)算方案，并把它譯成機(jī)器語言(即計(jì)算命令)，連同各地氣象要素的觀測(cè)資料(大量數(shù)據(jù))一起輸入電子計(jì)算機(jī)，就好像讓未來的天氣變化，事前在電子計(jì)算機(jī)里預(yù)演一樣，讓計(jì)算機(jī)既迅速又可靠地完成龐大而復(fù)雜的天氣預(yù)報(bào)計(jì)算任務(wù)。

我國國家氣象中心1986年10月1日首次應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)制作電視天氣預(yù)報(bào)節(jié)目。內(nèi)容由NOAA－9軌鑲拼國內(nèi)全景彩色云圖、BMS不同區(qū)域彩色靜止衛(wèi)星云圖、天氣系統(tǒng)特寫放大云圖、天氣尺度系統(tǒng)動(dòng)畫云圖、天氣區(qū)域預(yù)報(bào)圖、天氣系統(tǒng)等壓線分布圖、臺(tái)風(fēng)路徑實(shí)況和預(yù)報(bào)以及風(fēng)雨分布圖、冷鋒活動(dòng)圖、海洋氣象預(yù)報(bào)圖、城市天氣預(yù)報(bào)圖等組成。衛(wèi)星云圖經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理，其他彩色圖像通過微型計(jì)算機(jī)制作，內(nèi)容豐富，信息量大，具有實(shí)用性、知識(shí)性和趣味性。

4計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)與計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)

4.1計(jì)算機(jī)輔助服裝設(shè)計(jì)與制造

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)的發(fā)展，使長期來依靠人工進(jìn)行服裝設(shè)計(jì)的艱苦工作得以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。20世紀(jì)末，由美國格柏公司、法國力克公司等推出的利用計(jì)算機(jī)三維人體自動(dòng)掃描測(cè)量技術(shù)和設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)備自動(dòng)制作需要的二維紙樣。首先通過計(jì)算機(jī)三維人體掃描技術(shù)和設(shè)備，完成對(duì)人體基本尺寸的自動(dòng)測(cè)量，獲得一系列人體數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存。然后依靠電腦服裝設(shè)計(jì)軟件，根據(jù)測(cè)量獲得的一系列人體數(shù)據(jù)，由電腦自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，制作生產(chǎn)需要的二維紙樣，并進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化排版。利用這類紙樣生產(chǎn)的服裝，即可節(jié)省材料，又提高了效率，更使服裝制作完成后，可以達(dá)到適合人體的效果。服裝CAD的應(yīng)用，不僅可以提高服裝廠設(shè)計(jì)效率，降低服裝生產(chǎn)的材料消耗，而且增強(qiáng)了服裝的多樣化、個(gè)性化的能力，使服裝設(shè)計(jì)走上自動(dòng)化的道路。

采用計(jì)算機(jī)輔助服裝制造的技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)有不少產(chǎn)品。例如“十五”期間，美國格柏公司推出的服裝CAM系統(tǒng)支持的自動(dòng)裁床，日本川上公司推出的SUPER CAM系統(tǒng)。由于服裝CAD技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展和成熟，為電腦控制服裝紙樣的制作設(shè)備和裁剪設(shè)備的生產(chǎn)，創(chuàng)造了十分有利的前提條件。在服裝CAD完成后，服裝紙樣的制作、服裝材料的裁剪，就可以應(yīng)用服裝CAD所獲得的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制下的進(jìn)行服裝紙樣的制作、服裝材料的裁剪。

同時(shí)，利用電腦自動(dòng)控制技術(shù)完成服裝的熨燙、粘合等，上海威士機(jī)械有限公司開發(fā)的“NHJ-Q1000B氣動(dòng)式雙壓輥熱熔粘合機(jī)”，采用電子邏輯元器件控制技術(shù)，多點(diǎn)溫控系統(tǒng)進(jìn)行溫度精確控制，雙氣壓雙輥方式粘合，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的粘合產(chǎn)品的質(zhì)量要求。該公司開發(fā)的智能化熨燙機(jī)，采用電子控制技術(shù)和比例閥控制技術(shù)，對(duì)主要的工藝參數(shù)壓力、時(shí)間、溫度、蒸汽量進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)熨燙機(jī)的多參數(shù)控制的智能化功能，并采用功能數(shù)據(jù)顯示和機(jī)器故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)功能參數(shù)的人機(jī)對(duì)話，提高了操作可靠性，提高產(chǎn)品的熨燙質(zhì)量。

采用電腦控制吊掛自動(dòng)輸送、儲(chǔ)存、分配系統(tǒng)，提高了工作效率，改善了生產(chǎn)過程中的輸送、儲(chǔ)存、分配效率和質(zhì)量。上海奧乃實(shí)公司開發(fā)的“772智能型管理懸掛輸送系統(tǒng)”是通過光、機(jī)、氣、電等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)綜合的智能型管理輸送系統(tǒng)，主要采用電腦控制技術(shù)統(tǒng)一信息管理，運(yùn)用射頻信號(hào)識(shí)別，光纜信號(hào)傳輸，氣、電控制系統(tǒng)和多個(gè)位置氣缸分配執(zhí)行機(jī)構(gòu)，軌道鏈?zhǔn)街鲃?dòng)輸送機(jī)構(gòu)和軌道位差滾動(dòng)輸送方式，工位機(jī)械手遞送，電腦終端同步顯示和信息輸出、輸入等相關(guān)執(zhí)行元器件組成的智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)需要順利完成柔性、多品種衣片的普通輸送，溢出輸送，分配輸送，優(yōu)先輸送，分類輸送，實(shí)現(xiàn)多品種、多生產(chǎn)組織方式、多工藝生產(chǎn)需要的輸送功能。適應(yīng)生產(chǎn)組織變化多、生產(chǎn)品種多、工藝復(fù)雜的服裝生產(chǎn)過程中多參數(shù)的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)管理。

4.2過程控制

日本日立制作所神奈工場(chǎng)的海老名分場(chǎng)，是6層建筑(見圖示)，專門從事計(jì)算機(jī)裝配。所有的裝配用的零件以及文件資料都放在一個(gè)小運(yùn)輸車上，小車從計(jì)算機(jī)那里接受命令后，就把所裝的東西運(yùn)送到指定地點(diǎn)。例如，計(jì)算機(jī)命令小車送貨到第3層第5車間第8裝配臺(tái)，小車接受命令后自動(dòng)駛到電梯口，自動(dòng)轉(zhuǎn)彎進(jìn)入電梯，到第3層電梯停下，又自動(dòng)駛出電梯，沿指定的路線前進(jìn)，遇到障礙物，小車會(huì)停下來發(fā)出呼叫，人工排隊(duì)后，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)，一直到5號(hào)車間8號(hào)臺(tái)前停下，由工人卸貨物，然后又回到第6層待命。

5人工智能

5.1專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是人工智能發(fā)展的重要成就之一。專家系統(tǒng)解決的問題主要表現(xiàn)在預(yù)測(cè)解釋、設(shè)計(jì)、規(guī)劃、監(jiān)視、診斷、修理、指導(dǎo)和控制等方面。

著名的專家系統(tǒng)有美國斯坦福大學(xué)1965年研制的用以識(shí)別化合物分子結(jié)構(gòu)的Dandral系統(tǒng)和1976年研制的Nycin醫(yī)療診斷系統(tǒng)。目前專家系統(tǒng)工具逐步成熟，不久將達(dá)到系統(tǒng)軟件水平。目前一些產(chǎn)品還未達(dá)到系統(tǒng)軟件水平，最終還需要靠人們?nèi)プR(shí)別、判斷，不要全信。1986年，一名德國婦女從她深信不疑的電腦的醫(yī)療診斷系統(tǒng)中，得到世界末日般的結(jié)果，說她以及她的兩個(gè)未成年的孩子都患有不治之癥，萬念俱灰的她，殺死了兩個(gè)孩子后自殺。但事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這部電腦出現(xiàn)了差錯(cuò)，診斷結(jié)果純屬子虛烏有。

5.2指紋識(shí)別

指紋是人體的一個(gè)重要特征，具有唯一性。北京大學(xué)有關(guān)專家對(duì)數(shù)字圖像的離散幾何性質(zhì)進(jìn)行了深入研究，建立了從指紋灰度圖像精確計(jì)算紋線局部方向、進(jìn)而提取指紋特征信息的理論與算法，隨后研究成功了適于民用身份鑒定的全自動(dòng)指紋鑒定系統(tǒng)，以及適于公安刑事偵破的指紋鑒定系統(tǒng)。從而開創(chuàng)了我國指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用的先河。北大指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的推出，使我國公安干警從指紋查對(duì)的繁重人工處理中解放出來。浙江省從1997年開始使用北大指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，采取省地(市)二級(jí)建庫、省地(市)縣三級(jí)查詢的方式，形成了獨(dú)特的“浙江模式”。省公安廳現(xiàn)已建立了100多萬人的指紋庫，是目前國內(nèi)的第二大庫。在100多萬人的指紋庫中，檢索一枚現(xiàn)場(chǎng)指紋僅需4分鐘左右。2000年浙江省用指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)直接破案3063起，連帶破案12000多起。破案率為全國第一，并遙遙領(lǐng)先于國內(nèi)其它指紋識(shí)別系統(tǒng)，被公安部樹為指紋系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用樣板。

6小結(jié)

本文主要用例子說明了計(jì)算機(jī)在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、過程控制以及人工智能等領(lǐng)域的應(yīng)用，當(dāng)然計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不止這些，實(shí)際應(yīng)用的例子也很豐富多彩，只要我們平時(shí)多加關(guān)注，勤于積累，會(huì)找到更多生動(dòng)有趣的例子，使我們的教學(xué)更具說服力和感染力！

參考文獻(xiàn)

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