计算机科学专业介绍


        计算机科学(Computer Science,缩写为CS)是系统性研究信息与计算的理论基础以及它们在计算机系统中如何实现与应用的实用技术的学科。它通常被形容为对那些创造、描述以及转换信息的算法处理的系统学习。 


        CS包含很多分支领域;其中一些,比如计算机图形学强调特定结果的计算,而另外一些,比如计算复杂性理论是学习计算问题的性质。还有一些领域专注于挑战怎样实现计算。比如编程语言理论学习描述计算的方法,而程序设计是应用特定的编程语言解决特定的计算问题,人机交互则是专注于挑战怎样使计算机和计算变得有用、可用,以及随时随地为人所用。 

        随着计算机的普及以及在不同领域的广泛使用,IT高科技尖端人才大受追捧。而美国可以称为是CS方面的鼻祖,拥有非常先进的计算机技术。留学美国就读CS专业的人也越来越多,申请压力越来越大。在准备留学美国之前,对于计算机科学这个专业的内涵与外延有一个概念性的了解尤为必要。 

    一般的大学只要设置了Computer Science 这个专业或系一般都包括下面涉及到的这些研究方向。 


一、 计算机研究方向 

1.计算理论 (Theory of computation) 

        计算理论用来研究计算的过程与功效的数学理论。1936年,数理逻辑专家便提出了计算模型的问题,借以解决每个问题是否都有解。通用图灵机影响了计算机的设计思想。主要包括最优化(optimization),计算几何和拓扑(computational geometry and topology),近似算法(approximation algorithms),密码(cryptography) 和安全计算(secure computation),网络设计(network design),数据挖掘(data mining),机器学习 (machine learning),有限元网格生成 (finite-element mesh generation) 和自动化软件验证(automatic software verification)。作为计算机科学的理论基础的计算理论已经广泛应用于科学的各个领域,程序存储式计算模型就是以图灵机为基础产生的,程序设计中则使用了递归函数的思想,自动机作为一种基本工具被广泛的应用在程序设计的编译过程中。随着科技的发展,计算理论会更多的应用于其他领域。 
        计算理论是完全偏向理论的学科,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,算法复杂度,密码学相关领域都是这个偏理论的方向的研究对象。本专业不太建议同学们申请,从各个渠道得来的消息都是这个专业不好找工作。这一点在美国和中国都是一样的,过于偏重理论和科技前沿探索的专业方向往往工作比较难找。 



2.计算几何学 (Computational geometry) 

        计算几何学是研究几何问题的算法。在现代工程学与数学,诸如计算机图形学,计算机辅助设计,机器人学都要应用计算几何学。主要内容如:贝塞尔曲线和曲面, B样条曲线和曲面, 孔斯曲面。 

3.并行计算 (Parallel computation) 
        并行计算(Parallel Computing)是指同时使用多种计算资源解决计算问题的过程。延伸学科有:并行编译程序(parallel zing compilers), 并行程序设计语言(parallel programming language ),并行处理系统(parallel processing system),并行数据库(parallel database),并行算法(parallel algorithm)。 

4.形式化方法(formal methods

        用于开发计算机系统的形式化方法是描述系统性质的基于数学的技术,这样的形式化方法提供了一个框架,可以在框架中以系统的而不是特别的方式刻划、开发和验 证系统。 

        形式化方法的一个重要研究内容是形式规约(Formal Specification,也称形式规范或形式化描述),它是对程序“做什么”(what to do)的数学描述,是用具有精确语义的形式语言书写的程序功能描述,它是设计和编制程序的出发点,也是验证程序是否正确的依据。 

        根据说明目标软件系统的方式,形式化方法可以分为两类: 面向模型的形式化方法和面向属性的形式化方法。根据表达能力,形式化方法可以分为五类:基于模型的方法,基于逻辑的方法,代数方法和基于网络的方法。 



5.程序设计语言理论 (Theory of programming language) 

        研究书写计算机程序语言的学科。主要内容:研究语法,语义,语用以及程序设计语言的优劣。有许多用于特殊用途的程序设计语言,只在特殊情况下使用。例如,PHP专门用来显示网页;Perl更适合文本处理;C语言被广泛用于操作系统和编译器(所谓的系统编程)的开发。 


6.人工智能(Artificial Intelligence, AI) 


        在美国人工智能官方教育网站上对人工智能作了如下定义: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". 
        这个领域包含广泛的研究课题,包括知识表示,机器学习,计算机视觉,推理和机器人等。
        知识表示(knowledge representation):把知识按照一种有利于推理(得出结论)的方式表示出来。 

        机器学习(machine learning):自动学习如何识别复杂模式并基于数据作出智能决策。 
        计算机视觉(computer vision):使机器自动从图像和视频中提取信息并理解其中包含的视觉概念。 

        推理(reasoning):学习推理的计算模型。 
        机器人(robotics):工程学和机器人技术,以及它们的设计,制造,应用和结构配置。 
        人工智能其实是很综合的学科,他的目的就是把人类的智能扩展到信息处理的机器的上。人工智能里面涵盖了计算机专业的很多小方向。比如机器学习系统,计算机语言,图像处理,语音识别,机器人,人机交互等等。对于申请者的计算机科学背景要求较高,包括数据结构算法之类纯计算机专业的课程,都有一定要求。人工智能的产品包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。 

        这个方向最近很热,招收的名额也比较多,也有从主要招收PhD向Master转移的趋势。完全对口的工作是纯研发的性质,找起来有一些难度,不过退一步海阔天空,在各类电子设备商处都有大批学习此类专业可以涉足的工作。唯一需要注意的是AI的某些部分在美国也一定程度上应用于国防,所以如果自己要进入的program涉及此类就不推荐了。 

        计算理论是学计算机的人的基础。多年以前,计算机系很多都是包括在数学系的。要选择这个方向的学生,需要具备比较高的数学功底和电脑基础性语言的知识储备。由于所涉及的研究领域比较枯燥和难懂,申请这些方向的人比较少,毕业生主要的就业方向也更多地是在学术界或者科研机构。 


二、 系统方向: 

1.计算机体系结构(Computer Architecture) 

        计算机体系结构主要学习和研究计算机的结构与功能,以及它们在电子技术方面的应用。研究课题包括:计算机构架,并行计算机构架,新型计算技术(自省式计算),量子计算构架,新一代DSP构架,自动遗传代码平行化,安全硬件,嵌入式系统,安全的分布式系统,低能计算,网络与安全处理器,为系统安全与可靠性提供的构架支持等。 
        计算机体系结构是CS专业领域的一个非常基础、非常重要的专业方向,它的发展贯穿了计算机设计与发展的全过程。从早期的计算机、新一代计算机、第二代计算机到目前广为应用的个人点按哦,以及未来的新型计算机,计算机体系结构的研究都起到了非常重要的作用。目前,专业排名前76的CS学校中有32所学校开设此方向,开设率为42.1%。虽然研究的热度并没有其它的CS专业方向来的热,但是它依然会为计算机的不断发展打下基础。 
就业方面,该方向的毕业生能够有不错的就业前景,可以加入一些大型的计算机、电子产品以及其它高科技产品企业参加生产与研发的相关工作,就业市场对这一部分的专业人才有非常大的需求。 

        该方向并非中国学生申请CS的热门方向,但是对于申请者来说,如果要申请此方向,需要再积累足够的软件知识的同时,也要注意计算机硬件知识水平的提高。 



2.网络与通讯(Network and Communications) 

        计算机网络与通信是计算机网络和计算机通信相结合的学科。研究内容主要包括:移动通信系统,无线网络协议(wireless protocols),Ad-hoc网络,服务质量管理(Quality of Service management,QoS),多媒体网络,计算机对等联网(peer-to-peer networking, P2P),路由,网络模拟,主动队列管理(active queue management, AQM)和传感器网络(sensor networks)。 
        这个学科申请的竞争者非常多,来自EE,ECE背景的同学也都可以申请。Telecommunication就业不错,从设备商到运营商到第三方软件开发商,都有职位可以选择。 此专业是CS下的一个老牌方向。科研历史久,应用也十分广泛。此方向的开设率高达96%。是申请的热门方向。就业对口职位主要有:系统管理员,系统工程师,网络工程师等。 

3.软件工程(Software Engineering) 


        软件工程是一门研究用工程化方法构建和维护有效的、实用的和高质量的软件的学科。它涉及到程序设计语言,数据库,软件开发工具,系统平台,标准,设计模式等方面。 


        研究课题主要包括:需求工程,软件设计与演变,软件测试与分析,软件维护,嵌入式系统,软件评审与测试等。 

        在现代社会中,软件应用于多个方面。典型的软件比如有电子邮件,嵌入式系统,人机界面,办公套件,操作系统,编译器,数据库,游戏等。同时,各个行业几乎都有计算机软件的应用,比如工业,农业,银行,航空,政府部门等。因为此专业就业前景非常广阔。而这个方向的培养目标主要是培养出专业的软件工程师,包括系统分析员、软件设计师、系统构架师、程序员、软件质量测试员等等。 

        此方向几乎属于CS内部第一大的方向了,录取名额很多,奖学金也有一些。 


4.数据库系统( Database System) 


        学习与数据管理相关的所有方面,包括数据存储,数据检索,数据分析和视觉化,例如为超大型数据组开发高效算法,为各种新型的应用领域建立大型的数据系统,也有与其他领域进行跨学科的研究,可应用的领域有电脑游戏设计,数据隐私与安全等。 


        数据库是商业的灵魂和大脑,无论公司是自己开发应用软件还是购买第三方应用软件,几乎都会设计到数据库,最常见的职位如DBA(数据库管理员),主要工作内容涉及到数据库安装升级,存储方案,创建存储结构,创建数据库对象,根据反馈修改数据库结构,维护数据库安全,保证数据库使用符合相关法规,监控用户对数据库的存取访问,优化数据库性能等。 


5.计算机图形学(Computer Graphics) 


        计算机图形学是一种使用数学算法将二维或三维图形转化为计算机显示器的栅格形式的科学。研究课题主要集中在,图形硬件,图形标准,图形交互技术,光栅图形生成算法,曲线曲面造型,实体造型,真实感图形计算与现实算法,科学计算可视化,计算机动画,自然警务仿真,虚拟现实,图形恢复,对称性探测。表层重塑,网眼编辑,面部造型,全球光照,3D展示等。 


        目前,计算机图形学与计算机视觉化技术合作开发出令人瞩目的新型视像信息,开发出一系列的技术如基于图像的场景模拟,基于图像的表现手法,计算视像,视像用户界面等。 

        计算机图形学主要应用方面如艺术设计,游戏设计,动画与漫画。这些领域都是计算机图形学毕业生就业的最佳方向。 



        计算机系统中的这些方向是中国的计算机科学系培养的大学生的中心方向。所以每年有很多的申请者申请这个方向里的内容。主要集中在网络与通讯,软件工程,数据库系统等几个方向。这几个方向的竞争性比较大。因此条件一般的申请者注意避开上面几个专业方向申请会把握比较大。 



三、 计算机应用 

1.科学与工程计算(Scientific and Engineering Computing) 

        在许多情况下,或者是理论模型复杂甚至理论尚未建立,或者是实验费用昂贵甚至不能进行实验,计算就成为解决问题的唯一活主要的手段。计算极大地增强了人们从事科学研究的能力,加速了把科技转化为生产力的过程,深刻地改变着人类认识世界和改造世界的方法和途径。科学和工程计算的方法和理论座位新的研究手段及新的设计和制造技术的理论基础,正推动着当代科学和高新技术向纵深发展。 

        科学和工程计算的主要任务是构造求解科学和工程各领域中所提出的数学问题的计算方法,研究算法的数学机理和复杂性,在计算机上设计和记性计算试验,分析这些数值试验的误差,并与相应的理论和可能的实验相对比和印证。习惯上,人们往往重视计算机硬件的作用,不在注意计算方法的重要性。其实这两者对于提高计算能力是同等重要的。 

        计算机科学与工程计算具体包括生物信息学(这个目前影响力最大),气象数据处理,数字处理算法,计算物理,计算化学等等。这个专业的特点就是交叉,往往要求申请者除了计算机科学相关的背景还要有一点生物、物理、化学等等方面的背景。目前此类学科属于前沿新生的专业,就业形势不明朗。很多学习此类专业的同学就业的时候还是转向了传统的写代码相关的岗位。 


2.电子商务(electronic commerce) 


        电子商务通常是指是在全球各地广泛的商业贸易活动中,在因特网开放的网络环境下,基于浏览器/服务器应用方式,买卖双方不谋面地进行各种商贸活动,实现消费者的网上购物、商户之间的网上交易和在线电子支付以及各种商务活动、交易活动、金融活动和相关的综合服务活动的一种新型的商业运营模式。 

        电子商务主要研究如何利用市场营销观念,商业策略,经济学理论和计算机技术来开发新的商业,以及如何通过运用互联网和相关信息技术转化目前存在的商业模式。美国电子商务的应用领域和规模都远远领先于其他国家,目前在全球电子商务交易额中,大约有50%发生在美国。在全球商务网站中,美国占有90%以上。这与美国良好的网络状况、大量的高学历网民、完善的法律体系、健全的电子支付手段、成熟的社会信用体制等一系列情况是分不开的。在中国电子商务迅猛发展的今天,促使很大一部分学生留学美国就读电子商务专业。 

        在知识经济快速发展的二十一世纪,“电子商务”无疑是当前最大的热门话题。对电子商务人才的需求也越来越迫切。电子购物平台相关的公司(如eBay)都是毕业生不错的就业选择。 


3.人机交互(Human Computer Interaction) 

        人机交互是一门研究人、计算机以及它们之间的相互影响的学科。人机交互技术是指通过计算机输入、输出设备,以有效的方式实现人与计算机对话的技术。它包括计算器通过输出或显示设备给人提供大量有关信息及提示请示等,人通过输入设备给机器输入有关信息,回答问题等。人机交互技术是计算机用户界面设计中的重要内容之一。它与认知学、人机工程学、心理学等学科领域有密切的联系。 
        人机交互的研究课题主要有:新型信息视觉化,上下文感知系统,感知界面,合作与学习,眼光与人类视觉仿真,3D图像交互技术,多媒体创作与设计工具等。 
        虽然开设这个专业的学校并不多,大概只有38%左右,但是这不能代表它在当今CS领域的地位。人机交互技术是当前信息产业竞争的一个焦点,世界各国都将人机交互技术作为重点研究的一项关键技术。这个专业的就业前景也十分可观。美国总统信息技术顾问委员会发布的“21世纪的信息技术报告”中列出了新世纪四项重点发展的信息技术,其中人机交互就榜上有名。 
        人机交互和人工智能专业互相交叉。并且此专业是计算机科学、行为科学、人体工程学、设计类的一个交叉领域。这样的专业的特点就是对工作经验比较看重。与人工智能一样,这样的领域如果找完全对口的工作有时候较难,但是凭借着扎实的计算机科学相关专业功底,可以在大量工作机会中寻找突破口。 


4.信息安全 

        本专业是计算机、通信、数学、物理、法律、管理等学科的交叉学科,主要研究确保信息安全的科学和技术。培养能够从事计算机、通信、电子商务、电子政务、电子金融等领域的信息安全高级专门人才。 
研究课题主要有:理论与应用密码学,软件安全,入侵检测,网络安全,防火墙技术,病毒机制与防护技术等。 
在网络信息技术高速发展的今天,信息安全已变得至关重要,信息安全已成为信息科学的热点课题。最需要信息安全人才的典型行业保罗政府,银行和证券,各种商业机构也有迫切的人才需求。因此毕业生的就业前景非常乐观。然而,由于信息安全的敏感度,此研究方向在美国的招生更加偏向于有绿卡的本土学生。而且外国人在美国研究网络安全也会受一些限制,比如有的科研基金或者工作只提供给美国公民,但是这也不是大问题,不受限制的基金和工作还是很多的。而且网络安全的博士办绿卡也相对容易。绿卡中有一类叫做国家利益豁免,简单点说,就给具有美国国家利益急需技能的人的绿卡。网络安全是容易往这类绿卡上靠的。 


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

        管理信息系统是一个以人为主导,利用计算机硬件、软件、网络通信设备以及其它办公设备,进行信息的收集、传输、加工、存储、更新和维护,以企业战略竞优、提高效益和效率为目的,支持企业的高层决策、中层控制、基层运作的集成化的人机系统。 

        完整的MIS应包括:决策支持系统(DSS)、工业控制系统(CCS)、办公自动化系统(OA)以及数据库、模型库、方法库、知识库和与上级机关及外界交换信息的接口。办公自动化系统(OA)、与上级机关及外界交换信息等都离不开Intranet(企业内部网)的应用。因此此专业的就业也十分不错,就业面很广,做政府管理信息系统的开发,以及银行等企业内部管理信息系统开发都是不错的选择。


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