計算機科學專業介紹


        計算機科學(Computer Science,縮寫為CS)是系統性研究信息與計算的理論基礎以及它們在計算機系統中如何實現與應用的實用技術的學科。它通常被形容為對那些創造、描述以及轉換信息的算法處理的系統學習。 


        CS包含很多分支領域;其中一些,比如計算機圖形學強調特定結果的計算,而另外一些,比如計算復雜性理論是學習計算問題的性質?;褂幸恍┝煊蜃ㄗ⒂諤粽皆躚迪旨撲?。比如編程語言理論學習描述計算的方法,而程序設計是應用特定的編程語言解決特定的計算問題,人機交互則是專注于挑戰怎樣使計算機和計算變得有用、可用,以及隨時隨地為人所用。 

        隨著計算機的普及以及在不同領域的廣泛使用,IT高科技尖端人才大受追捧。而美國可以稱為是CS方面的鼻祖,擁有非常先進的計算機技術。留學美國就讀CS專業的人也越來越多,申請壓力越來越大。在準備留學美國之前,對于計算機科學這個專業的內涵與外延有一個概念性的了解尤為必要。 

    一般的大學只要設置了Computer Science 這個專業或系一般都包括下面涉及到的這些研究方向。 


一、 計算機研究方向 

1.計算理論 (Theory of computation) 

        計算理論用來研究計算的過程與功效的數學理論。1936年,數理邏輯專家便提出了計算模型的問題,借以解決每個問題是否都有解。通用圖靈機影響了計算機的設計思想。主要包括最優化(optimization),計算幾何和拓撲(computational geometry and topology),近似算法(approximation algorithms),密碼(cryptography) 和安全計算(secure computation),網絡設計(network design),數據挖掘(data mining),機器學習 (machine learning),有限元網格生成 (finite-element mesh generation) 和自動化軟件驗證(automatic software verification)。作為計算機科學的理論基礎的計算理論已經廣泛應用于科學的各個領域,程序存儲式計算模型就是以圖靈機為基礎產生的,程序設計中則使用了遞歸函數的思想,自動機作為一種基本工具被廣泛的應用在程序設計的編譯過程中。隨著科技的發展,計算理論會更多的應用于其他領域。 
        計算理論是完全偏向理論的學科,研究的不只是算法,更加重要的是算法的有效性和可行性。算法可行性,算法復雜度,密碼學相關領域都是這個偏理論的方向的研究對象。本專業不太建議同學們申請,從各個渠道得來的消息都是這個專業不好找工作。這一點在美國和中國都是一樣的,過于偏重理論和科技前沿探索的專業方向往往工作比較難找。 



2.計算幾何學 (Computational geometry) 

        計算幾何學是研究幾何問題的算法。在現代工程學與數學,諸如計算機圖形學,計算機輔助設計,機器人學都要應用計算幾何學。主要內容如:貝塞爾曲線和曲面, B樣條曲線和曲面, 孔斯曲面。 

3.并行計算 (Parallel computation) 
        并行計算(Parallel Computing)是指同時使用多種計算資源解決計算問題的過程。延伸學科有:并行編譯程序(parallel zing compilers), 并行程序設計語言(parallel programming language ),并行處理系統(parallel processing system),并行數據庫(parallel database),并行算法(parallel algorithm)。 

4.形式化方法(formal methods

        用于開發計算機系統的形式化方法是描述系統性質的基于數學的技術,這樣的形式化方法提供了一個框架,可以在框架中以系統的而不是特別的方式刻劃、開發和驗 證系統。 

        形式化方法的一個重要研究內容是形式規約(Formal Specification,也稱形式規范或形式化描述),它是對程序“做什么”(what to do)的數學描述,是用具有精確語義的形式語言書寫的程序功能描述,它是設計和編制程序的出發點,也是驗證程序是否正確的依據。 

        根據說明目標軟件系統的方式,形式化方法可以分為兩類: 面向模型的形式化方法和面向屬性的形式化方法。根據表達能力,形式化方法可以分為五類:基于模型的方法,基于邏輯的方法,代數方法和基于網絡的方法。 



5.程序設計語言理論 (Theory of programming language) 

        研究書寫計算機程序語言的學科。主要內容:研究語法,語義,語用以及程序設計語言的優劣。有許多用于特殊用途的程序設計語言,只在特殊情況下使用。例如,PHP專門用來顯示網頁;Perl更適合文本處理;C語言被廣泛用于操作系統和編譯器(所謂的系統編程)的開發。 


6.人工智能(Artificial Intelligence, AI) 


        在美國人工智能官方教育網站上對人工智能作了如下定義:Artificial Intelligence, or AI for short, is a combination of computer science, physiology, and philosophy. AI is a broad topic, consisting of different fields, from machine vision to expert systems. The element that the fields of AI have in common is the creation of machines that can "think". 
        這個領域包含廣泛的研究課題,包括知識表示,機器學習,計算機視覺,推理和機器人等。
        知識表示(knowledge representation):把知識按照一種有利于推理(得出結論)的方式表示出來。 

        機器學習(machine learning):自動學習如何識別復雜模式并基于數據作出智能決策。 
        計算機視覺(computer vision):使機器自動從圖像和視頻中提取信息并理解其中包含的視覺概念。 

        推理(reasoning):學習推理的計算模型。 
        機器人(robotics):工程學和機器人技術,以及它們的設計,制造,應用和結構配置。 
        人工智能其實是很綜合的學科,他的目的就是把人類的智能擴展到信息處理的機器的上。人工智能里面涵蓋了計算機專業的很多小方向。比如機器學習系統,計算機語言,圖像處理,語音識別,機器人,人機交互等等。對于申請者的計算機科學背景要求較高,包括數據結構算法之類純計算機專業的課程,都有一定要求。人工智能的產品包括機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等。 

        這個方向最近很熱,招收的名額也比較多,也有從主要招收PhD向Master轉移的趨勢。完全對口的工作是純研發的性質,找起來有一些難度,不過退一步海闊天空,在各類電子設備商處都有大批學習此類專業可以涉足的工作。唯一需要注意的是AI的某些部分在美國也一定程度上應用于國防,所以如果自己要進入的program涉及此類就不推薦了。 

        計算理論是學計算機的人的基礎。多年以前,計算機系很多都是包括在數學系的。要選擇這個方向的學生,需要具備比較高的數學功底和電腦基礎性語言的知識儲備。由于所涉及的研究領域比較枯燥和難懂,申請這些方向的人比較少,畢業生主要的就業方向也更多地是在學術界或者科研機構。 


二、 系統方向: 

1.計算機體系結構(Computer Architecture) 

        計算機體系結構主要學習和研究計算機的結構與功能,以及它們在電子技術方面的應用。研究課題包括:計算機構架,并行計算機構架,新型計算技術(自省式計算),量子計算構架,新一代DSP構架,自動遺傳代碼平行化,安全硬件,嵌入式系統,安全的分布式系統,低能計算,網絡與安全處理器,為系統安全與可靠性提供的構架支持等。 
        計算機體系結構是CS專業領域的一個非?;?、非常重要的專業方向,它的發展貫穿了計算機設計與發展的全過程。從早期的計算機、新一代計算機、第二代計算機到目前廣為應用的個人點按哦,以及未來的新型計算機,計算機體系結構的研究都起到了非常重要的作用。目前,專業排名前76的CS學校中有32所學??璐朔較?,開設率為42.1%。雖然研究的熱度并沒有其它的CS專業方向來的熱,但是它依然會為計算機的不斷發展打下基礎。 
就業方面,該方向的畢業生能夠有不錯的就業前景,可以加入一些大型的計算機、電子產品以及其它高科技產品企業參加生產與研發的相關工作,就業市場對這一部分的專業人才有非常大的需求。 

        該方向并非中國學生申請CS的熱門方向,但是對于申請者來說,如果要申請此方向,需要再積累足夠的軟件知識的同時,也要注意計算機硬件知識水平的提高。 



2.網絡與通訊(Network and Communications) 

        計算機網絡與通信是計算機網絡和計算機通信相結合的學科。研究內容主要包括:移動通信系統,無線網絡協議(wireless protocols),Ad-hoc網絡,服務質量管理(Quality of Service management,QoS),多媒體網絡,計算機對等聯網(peer-to-peer networking, P2P),路由,網絡模擬,主動隊列管理(active queue management, AQM)和傳感器網絡(sensor networks)。 
        這個學科申請的競爭者非常多,來自EE,ECE背景的同學也都可以申請。Telecommunication就業不錯,從設備商到運營商到第三方軟件開發商,都有職位可以選擇。 此專業是CS下的一個老牌方向??蒲欣肪?,應用也十分廣泛。此方向的開設率高達96%。是申請的熱門方向。就業對口職位主要有:系統管理員,系統工程師,網絡工程師等。 

3.軟件工程(Software Engineering) 


        軟件工程是一門研究用工程化方法構建和維護有效的、實用的和高質量的軟件的學科。它涉及到程序設計語言,數據庫,軟件開發工具,系統平臺,標準,設計模式等方面。 


        研究課題主要包括:需求工程,軟件設計與演變,軟件測試與分析,軟件維護,嵌入式系統,軟件評審與測試等。 

        在現代社會中,軟件應用于多個方面。典型的軟件比如有電子郵件,嵌入式系統,人機界面,辦公套件,操作系統,編譯器,數據庫,游戲等。同時,各個行業幾乎都有計算機軟件的應用,比如工業,農業,銀行,航空,政府部門等。因為此專業就業前景非常廣闊。而這個方向的培養目標主要是培養出專業的軟件工程師,包括系統分析員、軟件設計師、系統構架師、程序員、軟件質量測試員等等。 

        此方向幾乎屬于CS內部第一大的方向了,錄取名額很多,獎學金也有一些。 


4.數據庫系統( Database System) 


        學習與數據管理相關的所有方面,包括數據存儲,數據檢索,數據分析和視覺化,例如為超大型數據組開發高效算法,為各種新型的應用領域建立大型的數據系統,也有與其他領域進行跨學科的研究,可應用的領域有電腦游戲設計,數據隱私與安全等。 


        數據庫是商業的靈魂和大腦,無論公司是自己開發應用軟件還是購買第三方應用軟件,幾乎都會設計到數據庫,最常見的職位如DBA(數據庫管理員),主要工作內容涉及到數據庫安裝升級,存儲方案,創建存儲結構,創建數據庫對象,根據反饋修改數據庫結構,維護數據庫安全,保證數據庫使用符合相關法規,監控用戶對數據庫的存取訪問,優化數據庫性能等。 


5.計算機圖形學(Computer Graphics) 


        計算機圖形學是一種使用數學算法將二維或三維圖形轉化為計算機顯示器的柵格形式的科學。研究課題主要集中在,圖形硬件,圖形標準,圖形交互技術,光柵圖形生成算法,曲線曲面造型,實體造型,真實感圖形計算與現實算法,科學計算可視化,計算機動畫,自然警務仿真,虛擬現實,圖形恢復,對稱性探測。表層重塑,網眼編輯,面部造型,全球光照,3D展示等。 


        目前,計算機圖形學與計算機視覺化技術合作開發出令人矚目的新型視像信息,開發出一系列的技術如基于圖像的場景模擬,基于圖像的表現手法,計算視像,視像用戶界面等。 

        計算機圖形學主要應用方面如藝術設計,游戲設計,動畫與漫畫。這些領域都是計算機圖形學畢業生就業的最佳方向。 



        計算機系統中的這些方向是中國的計算機科學系培養的大學生的中心方向。所以每年有很多的申請者申請這個方向里的內容。主要集中在網絡與通訊,軟件工程,數據庫系統等幾個方向。這幾個方向的競爭性比較大。因此條件一般的申請者注意避開上面幾個專業方向申請會把握比較大。 



三、 計算機應用 

1.科學與工程計算(Scientific and Engineering Computing) 

        在許多情況下,或者是理論模型復雜甚至理論尚未建立,或者是實驗費用昂貴甚至不能進行實驗,計算就成為解決問題的唯一活主要的手段。計算極大地增強了人們從事科學研究的能力,加速了把科技轉化為生產力的過程,深刻地改變著人類認識世界和改造世界的方法和途徑??蒲Ш凸こ碳撲愕姆椒ê屠礪圩恍碌難芯渴侄渭靶碌納杓坪橢圃旒際醯睦礪芻?,正推動著當代科學和高新技術向縱深發展。 

        科學和工程計算的主要任務是構造求解科學和工程各領域中所提出的數學問題的計算方法,研究算法的數學機理和復雜性,在計算機上設計和記性計算試驗,分析這些數值試驗的誤差,并與相應的理論和可能的實驗相對比和印證。習慣上,人們往往重視計算機硬件的作用,不在注意計算方法的重要性。其實這兩者對于提高計算能力是同等重要的。 

        計算機科學與工程計算具體包括生物信息學(這個目前影響力最大),氣象數據處理,數字處理算法,計算物理,計算化學等等。這個專業的特點就是交叉,往往要求申請者除了計算機科學相關的背景還要有一點生物、物理、化學等等方面的背景。目前此類學科屬于前沿新生的專業,就業形勢不明朗。很多學習此類專業的同學就業的時候還是轉向了傳統的寫代碼相關的崗位。 


2.電子商務(electronic commerce) 


        電子商務通常是指是在全球各地廣泛的商業貿易活動中,在因特網開放的網絡環境下,基于瀏覽器/服務器應用方式,買賣雙方不謀面地進行各種商貿活動,實現消費者的網上購物、商戶之間的網上交易和在線電子支付以及各種商務活動、交易活動、金融活動和相關的綜合服務活動的一種新型的商業運營模式。 

        電子商務主要研究如何利用市場營銷觀念,商業策略,經濟學理論和計算機技術來開發新的商業,以及如何通過運用互聯網和相關信息技術轉化目前存在的商業模式。美國電子商務的應用領域和規模都遠遠領先于其他國家,目前在全球電子商務交易額中,大約有50%發生在美國。在全球商務網站中,美國占有90%以上。這與美國良好的網絡狀況、大量的高學歷網民、完善的法律體系、健全的電子支付手段、成熟的社會信用體制等一系列情況是分不開的。在中國電子商務迅猛發展的今天,促使很大一部分學生留學美國就讀電子商務專業。 

        在知識經濟快速發展的二十一世紀,“電子商務”無疑是當前最大的熱門話題。對電子商務人才的需求也越來越迫切。電子購物平臺相關的公司(如eBay)都是畢業生不錯的就業選擇。 


3.人機交互(Human Computer Interaction) 

        人機交互是一門研究人、計算機以及它們之間的相互影響的學科。人機交互技術是指通過計算機輸入、輸出設備,以有效的方式實現人與計算機對話的技術。它包括計算器通過輸出或顯示設備給人提供大量有關信息及提示請示等,人通過輸入設備給機器輸入有關信息,回答問題等。人機交互技術是計算機用戶界面設計中的重要內容之一。它與認知學、人機工程學、心理學等學科領域有密切的聯系。 
        人機交互的研究課題主要有:新型信息視覺化,上下文感知系統,感知界面,合作與學習,眼光與人類視覺仿真,3D圖像交互技術,多媒體創作與設計工具等。 
        雖然開設這個專業的學校并不多,大概只有38%左右,但是這不能代表它在當今CS領域的地位。人機交互技術是當前信息產業競爭的一個焦點,世界各國都將人機交互技術作為重點研究的一項關鍵技術。這個專業的就業前景也十分可觀。美國總統信息技術顧問委員會發布的“21世紀的信息技術報告”中列出了新世紀四項重點發展的信息技術,其中人機交互就榜上有名。 
        人機交互和人工智能專業互相交叉。并且此專業是計算機科學、行為科學、人體工程學、設計類的一個交叉領域。這樣的專業的特點就是對工作經驗比較看重。與人工智能一樣,這樣的領域如果找完全對口的工作有時候較難,但是憑借著扎實的計算機科學相關專業功底,可以在大量工作機會中尋找突破口。 


4.信息安全 

        本專業是計算機、通信、數學、物理、法律、管理等學科的交叉學科,主要研究確保信息安全的科學和技術。培養能夠從事計算機、通信、電子商務、電子政務、電子金融等領域的信息安全高級專門人才。 
研究課題主要有:理論與應用密碼學,軟件安全,入侵檢測,網絡安全,防火墻技術,病毒機制與防護技術等。 
在網絡信息技術高速發展的今天,信息安全已變得至關重要,信息安全已成為信息科學的熱點課題。最需要信息安全人才的典型行業保羅政府,銀行和證券,各種商業機構也有迫切的人才需求。因此畢業生的就業前景非常樂觀。然而,由于信息安全的敏感度,此研究方向在美國的招生更加偏向于有綠卡的本土學生。而且外國人在美國研究網絡安全也會受一些限制,比如有的科研基金或者工作只提供給美國公民,但是這也不是大問題,不受限制的基金和工作還是很多的。而且網絡安全的博士辦綠卡也相對容易。綠卡中有一類叫做國家利益豁免,簡單點說,就給具有美國國家利益急需技能的人的綠卡。網絡安全是容易往這類綠卡上靠的。 


5.管理信息系統(Management information system, MIS) 

        管理信息系統是一個以人為主導,利用計算機硬件、軟件、網絡通信設備以及其它辦公設備,進行信息的收集、傳輸、加工、存儲、更新和維護,以企業戰略競優、提高效益和效率為目的,支持企業的高層決策、中層控制、基層運作的集成化的人機系統。 

        完整的MIS應包括:決策支持系統(DSS)、工業控制系統(CCS)、辦公自動化系統(OA)以及數據庫、模型庫、方法庫、知識庫和與上級機關及外界交換信息的接口。辦公自動化系統(OA)、與上級機關及外界交換信息等都離不開Intranet(企業內部網)的應用。因此此專業的就業也十分不錯,就業面很廣,做政府管理信息系統的開發,以及銀行等企業內部管理信息系統開發都是不錯的選擇。


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