TUGAS RESUME BUKU Elements of Computational Science and Engineering Educationi
( Osman Yas¸ar† and Rubin H. Landau‡)
1. Sifat Komputasi Sains dan Teknik.
Satu dekade
terakhir telah menyaksikan kemajuan yang luar biasa dalam sains dan teknik yang
didorong, sebagian, oleh peningkatan dramatis dalam kekuatan dan kegunaan dari
komputer dan komunikasi. Kami telah memanfaatkan mereka uang muka dengan teknik
berkembang untuk modern komputer yang memungkinkan kita lebih memahami sistem
dengan kompleksitas yang terus meningkat dan realisme.
A. Definisi CSE.
Kami mendefinisikan ilmu komputer dan
rekayasa (CSE), atau komputasi sains untuk jangka pendek, dalam beberapa cara.
Kadang-kadang menunjukkan multidisiplin kombinasi teknik komputasi, peralatan,
dan pengetahuan yang dibutuhkan untuk memecahkan masalah ilmiah dan teknik
modern. Di lain waktu CSE menunjukkan ilmu pengetahuan atau teknik yang
menggunakan simulasi komputer sebagai dasar nya, dan kadang-kadang menunjukkan
penelitian dan pengembangan keterampilan komputasi dan peralatan yang
diperlukan untuk aplikasi.
B. Nilai CSE dalam Penelitian.
Disiplin paling ilmiah tampaknya menguntungkan dari komputer
pemodelan, analisis, dan visualisasi. Bahkan, yang baru ditemukan dan
Pentingnya luas perhitungan telah menggeser paradigma penelitian ilmiah untuk
memasukkan simulasi, bersama dengan percobaan dan teori, sebagai teknik dasar
ilmu pengetahuan .
Simulasi dan visualisasi memungkinkan kita
untuk memperoleh wawasan ke kehidupan nyata masalah yang terlalu rumit atau
sulit untuk belajar analitis, atau terlalu mahal, besar, kecil, atau berbahaya
untuk mengakses eksperimental. Misalnya, simulasi memungkinkan kita untuk
mempelajari kepadatan bahan bakar, energi pengapian, dan gelombang panas dalam
ruang pembakaran pada suhu di atas 3000 Kelvin ,konfigurasi tabung fluks gluon
antara quark dalam proton, dan orbit bumi mungkin bagi-asteroid tabrakan.
Sebagai ilmuwan lebih menggabungkan
perhitungan dalam pekerjaan mereka, nilai CSE untuk meningkat komunitas ilmiah.
Secara khusus, kelompok kerja CSE izin lainnya ilmuwan untuk mengejar kepentingan
mereka dalam ilmu tanpa harus menghabiskan waktu untuk mengembangkan algoritma
dan kode. Kelompok-kelompok kerja telah difokuskan pada identifikasi, belajar,
dan meningkatkan metode komputasi dan komponen perangkat lunak yang umum untuk
banyak aplikasi, dan pengujian kinerja perangkat lunak terkait di berbagai
hardware platform.
Salah satu pemenuhan kelompok kerja CSE
adalah pengembangan matematika perpustakaan subrutin untuk aljabar linear,
fungsi khusus, dan lainnya matematika teknik. Ini subrutin, yang penggunaannya
ditekankan dalam pendidikan CSE berbagai program, membentuk inti dari banyak
perhitungan skala besar komputer. Dengan demikian, adalah untuk kepentingan
masyarakat CSE untuk menjaga akurasi, kinerja, ketahanan, portabilitas, dan skalabilitas
dari perpustakaan ini karena mereka porting ke berbagai komputasi kinerja
tinggi arsitektur.
C. Sifat Pasar Kerja.
Presiden Teknologi Informasi Penasehat Komite (PITAC). telah mengakui informasi dan komputasi
teknologi sebagai salah satu mesin pertumbuhan ekonomi selama dekade terakhir.
Komite menunjukkan kebutuhan untuk sekitar satu juta orang di bidang informasi
dan komputasi teknologi, kebutuhan yang tidak dapat dipenuhi hanya oleh semua
departemen ilmu komputer bekerja pada kapasitas penuh.
The Science dan Teknologi Nasional Dewan memiliki berulang kali
melaporkan masalah industri dan laboratorium nasional yang mereka tidak dapat
memenuhi kebutuhan mereka yang berkembang pada orang terlatih dalam informasi
dan komputasi teknologi. Selain itu, pemerintah federal proyek-proyek seperti
Departemen Energi Accelerated Computing Initiative Strategis (ASCI) dan
Teknologi Informasi Inisiatif Presiden bergantung pada orang dengan ilmiah
serta pengetahuan komputasi.
Sama seperti komputer sekarang menyerap banyak aspek dari kehidupan kita
sehari-hari baik di tempat kerja dan di rumah, mereka juga sangat mempengaruhi
pasar kerja teknis. Salah satu cara tersebut adalah dengan menempatkan orang
dalam posisi yang membutuhkan pengetahuan di wilayah di luar pendidikan mereka
dan (usang) deskripsi pekerjaan. Akibatnya, memiliki beberapa keterampilan dan
jurusan yang dipandang sebagai cara untuk meningkatkan pemasaran seseorang dan
waktu kerja.
2. Sifat Pendidikan CSE.
Karena sebagian laporan dan hibah dari pemerintah
federal pemerintah, pendidikan dalam ilmu dan teknik telah menanggapi kemajuan
komputasi ilmu pengetahuan. Pada tahun 1989, Kantor Sains dan Teknologi
Kebijakan menantang sistem pendidikan untuk meningkatkan pasokan siswa
dipersiapkan untuk karir di ilmu pengetahuan, teknologi, teknik, dan
matematika, dan meningkatkan ilmiah, matematika keaksaraan, teknologi, dan
komputasi dari semua siswa. Baru-baru ini, National Science Foundation (NSF)
telah diakui dan menganjurkan perhitungan sebagai pedagogi yang tepat untuk
ilmu pengetahuan dan pendidikan matematika. Wright dan S Chorin NSF laporan mendesak penciptaan program
pemodelan matematika (yang dasar pendekatan CSE) bahkan untuk siswa SMA.
Ajaran tradisional ilmu pengetahuan cenderung berfokus
pada teori. Sebaliknya, CSE pendidikan menawarkan pemahaman ilmu pengetahuan
melalui aplikasi komputer model matematika. Ini mengajarkan ilmu pengetahuan
melalui metode penyelidikan di mana komputer berfungsi sebagai laboratorium
virtual yang mensimulasikan alam. Untuk membantu penyelidikan, fakta-fakta yang
disajikan sesuai kebutuhan bukan sebagai objek individu untuk menghafal.
sebagai konsekuensi dari sifatnya pemecahan masalah,
pandangan CSE melengkapi pengajaran tradisional ilmu pengetahuan dan
matematika. Hal ini juga membuat banyak ilmu pengetahuan dan matematika lebih
mudah diakses oleh siswa yang dinyatakan mungkin konsep tidak dihubungi,
misalnya, para siswa yang tidak tertarik pada perangkat keras komputer,
software, dan algoritma untuk kepentingan mereka sendiri [29]. Selain itu, CSE
memperkaya ilmu kurikulum dengan memperluas contoh yang digunakan dalam
pendidikan untuk memasukkan masalah yang mungkin tidak memiliki solusi
analitik, sehingga memperpanjang berbagai masalah terbuka untuk belajar.
Yayasan Nasional untuk Meningkatkan Pendidikan telah
memeriksa jenis pembelajaran didukung oleh CSE [30]. Ini termasuk
pelajar-berpusat atau konstruktivis melihat yang menunjukkan bahwa siswa
belajar lebih baik ketika mereka secara aktif berinteraksi dengan, bukan hanya penerima, pengetahuan. Pendekatan CSE sering
baik projectand Tim-berbasis, serta pelajar-based dan mendukung pembelajaran
otentik. Ketika sukses, ini kombinasi dari unsur-unsur yang dapat
mentransformasikan tidak terlibat, beresiko siswa menjadi pembelajar yang aktif
dan diinvestasikan.
Sebuah pendidikan CSE ini juga cocok untuk pedagogi
deduktif, yaitu, yang bekerja dari umum ke yang khusus. Siswa mulai dengan
kesadaran bahwa alam dan proses yang diatur oleh sejumlah kecil hukum ilmiah
dasar; rincian dan analisis matematis ditambahkan sesuai kebutuhan. Dalam kasus
di mana matematika siswa ' keterampilan terbatas, simulasi dapat dipahami
melalui visualisasi tanpa mempelajari ke rincian matematika dan ilmiah. Dengan
demikian, pendidikan CSE menumbuhkan pandangan bahwa fenomena alam pada
dasarnya sederhana, berbeda dengan siswa umum.
persepsi ilmu pengetahuan yang kompleks. Hal ini juga
memberikan kerangka dasar yang di atasnya siswa dapat membangun sebagai
peningkatan keterampilan mereka. Kemampuan untuk merangsang keingintahuan siswa
dengan contoh-contoh menarik dan realistis dan memberikan pembelajaran berlapis
adalah motivasi utama bagi pendidik untuk menerapkan dan menguasai alat-alat
teknologi.
A. Tahapan Pendidikan CSE
Sementara kita
berharap tahap dewasa masa depan pendidikan CSE menyerupai apa yang kita miliki
sekarang, sulit untuk membuat prediksi dapat diandalkan di tengah-tengah
perubahan yang cepat. Namun demikian, kita akan memprediksi bahwa jumlah
program CSE dan kursus akan terus meningkat baik sebagai dorongan yang
disengaja dalam perhitungan atau tidak langsung sebagai ilmu pengetahuan,
teknologi, teknik, dan matematika disiplin mempekerjakan fakultas dengan
spesialisasi CSE. Kami melihat semakin banyak kursus di "X
komputasi," di mana X adalah didirikan disiplin seperti matematika,
biologi, keuangan, fisika, kimia, atau ilmu sosial. Tekanan untuk kursus-kursus
dapat berasal dari berbagai sumber.
B. Tuntutan Pendidikan CSE
Karena CSE telah
dikembangkan di sekitar kebutuhan untuk menggabungkan perhitungan dalam
pemecahan masalah ilmiah modern, itu adalah sebuah researchdriven lapangan yang
menghubungkan fakultas tertarik pada perhitungan untuk mereka yang tertarik
pada aplikasi. Fakultas tertarik kinerja perangkat keras komputer dan perangkat
lunak yang dapat ditemukan di CSE baik dan ilmu komputer, fakultas tertarik
pada kinerja prosedur numerik dapat ditemukan di kedua CSE dan matematika
terapan, fakultas tertarik dalam mencari berbasis komputer solusi untuk
memperpanjang upaya teoritis dan eksperimental yang umum untuk kedua CSE dan
area aplikasi seperti fisika, kimia, biologi, ilmu bumi, bisnis, dan keuangan.
Fakultas cenderung tertarik untuk CSE karena menyediakan sarana bagi mereka
untuk menggabungkan penelitian mereka alat dan perkembangan dalam kursus
modern. Hal ini juga menghemat fakultas waktu dengan membawa siswa ke tingkat
di mana mereka dapat membantu fakultas dalam mereka penelitian.
C. Intelektual Isi Pendidikan CSE.
Sementara ada pengakuan
yang luas bahwa ilmu komputasi tidak sama dengan ilmu komputer, saat ini ada
ada kurikulum CSE nasional terakreditasi. Kursus CSE pertama diajarkan di
lembaga penelitian yang diakui ketergantungan mereka tumbuh perhitungan canggih
sebagai alat penelitian. Beberapa dari program ini adalah tambahan berarti bagi
kurikulum reguler diajarkan di pusat-pusat superkomputer lokal dan cenderung
lebih ke arah pelatihan untuk terbaru mesin daripada pendidikan dasar. Kursus lain yang diajarkan
dalam departemen sebagai bagian lulusan-mahasiswa persiapan penelitian, dan
beberapa menimbulkan suatu tingkat yang berisi akhiran "dengan
komputasi". Sarjana kelas segera diikuti, dan hari ini bahkan ada K-12
kelas dengan konten CSE. terutama di
tingkat sarjana, beberapa pemahaman intelektual isi pendidikan CSE diperlukan untuk
menghargai pendekatan yang berbeda pendidikan itu.
Meskipun tidak semua bobot yang sama, komponen ini
semua penting dan harus tertutup baik dalam kursus khusus atau dalam konteks
kursus lainnya:
1.
Komputasi
Tools, Sejauh komputer itu sendiri merupakan alat utama CSE, adalah penting
untuk memberikan lingkungan dan situasi di mana siswa menjadi nyaman
menggunakan komputer. Kursus khas di mana hal ini terjadi sering disebut
"An Pengantar "atau" Fundamental dalam "salah satu dari
berikut: ilmu komputer, pemodelan, pemecahan masalah, alat komputasi, atau ilmu
komputer. Tambahan Pengetahuan dapat diperoleh melalui kursus seperti struktur
data, software canggih alat, dan aljabar linear numerik. Hasil belajar yang
spesifik termasuk
·
pemrograman dalam bahasa yang dikompilasi
seperti Fortran90, C, C + +, atau Java;
·
kemampuan untuk bekerja dengan sistem operasi
UNIX dan WINDOWS;
·
keakraban dengan pemecahan masalah lingkungan
seperti Maple, MATLAB, Macsyma, dan Mathematica untuk perhitungan numerik dan
simbolik;
·
keakraban dengan floating-point perhitungan dan
metode numerik seperti integrasi, diferensiasi, solusi dari persamaan
diferensial biasa dan parsial, dan Monte Carlo teknik;
·
penggunaan perpustakaan subroutine matematika
dan repositori seperti BLAS, ScaLAPACK, NetSolve, dan JAMA;
·
penggunaan paket perangkat lunak dua dan
tiga-dimensi visualisasi seperti AVS, gnuplot, ACE / gr (Xmgr), dan Visad.
2.
High-Performance
Computin. Pengetahuan tentang komputer performa tinggi hardware dan
software adalah penting untuk pemrograman komputasi intensif aplikasi. Topik
meliputi komputasi paralel, bahasa tingkat tinggi, dan mengoptimalkan dan
tuning teknik. Pengetahuan teoritis yang terkait akan datang dari kursus dalam
arsitektur komputer dan teori bahasa pemrograman. Spesifik pembelajaran hasil
termasuk
·
pemrograman pada superkomputer atau cluster PC;
·
pemahaman kecepatan program, hirarki memori,
tolok ukur kinerja, dan presisi;
·
memahami hubungan antara arsitektur, bahasa, dan
kinerja;
·
pengalaman dengan benchmark industri seperti
Benchmark Linpack;
·
keakraban dengan perpustakaan paralel seperti
PVM, MPI, dan MPJ.
3.
Matematika
Terapan dan Komputasi Metode.Pengetahuan dasar di sini berasal dari kursus
di diferensial, integral, dan kalkulus vektor, sebaiknya dengan fokus pada
aplikasi dan contoh. Numerik analisis dan persamaan diferensial dapat
menyediakan lebih terfokus pengetahuan, sebagai kursus kekuatan seperti terapan
dan komputasi matematika, komputasi metode dalam ilmu fisika, dan komputasi
fisika. Akhirnya, setidaknya satu kursus di probabilitas dan statistik yang
dibutuhkan di mana Data laboratorium yang sebenarnya cocok. Hasil belajar yang
spesifik termasuk
·
pengetahuan tentang metode komputasi untuk
solusi numerik diferensial dan integral persamaan, seperti terbatas-perbedaan,
hingga-elemen, diskrit partikel, diskrit koordinat, generasi mesh, jerat
adaptif, high-order ODE pemecah seperti Runge-Kutta, fast Fourier transformasi,
dan Monte Carlo metode;
·
keakraban dengan persamaan diferensial parsial
dijumpai dalam ilmu dan teknik;
·
penggunaan perpustakaan subrutin ilmiah;
·
matriks perhitungan dengan perpustakaan subrutin
ilmiah.
4.
Simulasi
dan Pemodelan, Mata kuliah ini penting untuk mencapai itu CSE Tujuan dari
pemecahan masalah realistis. Keterampilan dapat diajarkan dalam berbagai kursus
seperti sebagai simulasi dan pemodelan, sistem dinamis, pemecahan masalah, dan
"komputasi X. "hasil belajar spesifik termasuk
•
Keakraban dengan persamaan yang tepat dan
perkiraan gerak untuk sistem alami. Contohnya termasuk persamaan kontinuitas,
persamaan momentum untuk, 796 OSMAN YAS ¸ AR DAN RUBIN H. Landau energi, dan
konservasi massa, persamaan transportasi, dinamika populasi, protein folding,
hukum Newton, dan Schr ¨ persamaan odinger.
•
Keakraban dengan langkah-langkah (masalah,
teori, model, pelaksanaan, penilaian) dalam pemodelan sebagai diterapkan ke
berbagai bidang. Contoh termasuk mesin pembakaran, elektromagnetik, dinamika
molekuler, genetika, desain obat, mekanika kuantum, pemodelan iklim, sistem
dinamis, dan keuangan.
•
Kemampuan untuk melakukan analisa statistik yang
berarti data dari kedua percobaan dan simulasi.
5.
Visualisasi
Tool,Keakraban dengan software visualisasi untuk run-time dan Data postsimulation.
Alat harus dapat menangani set data yang besar, memungkinkan dua dan
tiga-dimensi plot, serta mengiris dan dicing data dimensi tinggi set, dan
menghasilkan publikasi berkualitas angka. Tingkat seharusnya adalah bahwa dari
AVS, MATLAB, ACE / gr, gnuplot, dan OpenGL. Program untuk mengajarkan
keterampilan ini termasuk ilmiah komputasi, visualisasi, dan alat komputasi.
6.
Aplikasi
Science atau Teknik,Sebuah bagian penting dari pendidikan CSE adalah
memiliki siswa fokus pada bidang tradisional yang menarik seperti kimia,
fisika, biologi, ilmu bumi, bisnis, peradilan pidana, seni, atau rekayasa. Ini
akan membantu siswa dalam pasar kerja, dalam menerapkan ke sekolah
pascasarjana, dan dalam memahami berbeda dan realistis cara melihat masalah.
Hanya yang bidang dan program studi dapat mencapai tujuan ini terbaik mungkin
adalah fungsi dari politik lokal, keahlian, dan minat siswa. Seringkali "X
komputasi" Tentu saja melayani tujuan ini dengan baik, karena memberikan
paparan aplikasi sambil memperkenalkan siswa untuk komputasi aspek disiplin X.
D. Jenis Program dan Gelar
Kami sekarang
menjawab pertanyaan (masih gelisah) transformasi isi intelektual CSE ke dalam
kurikulum kursus. Karena CSE adalah bidang baru dan berbeda yang dapat menarik
siswa jauh dari tradisional departemen, akademi secara alami lambat untuk
mengesahkan program CSE. Selain itu, CSE adalah multidisiplin dan tidak ada
aturan yang ditetapkan yang memberikan keseimbangan yang tepat dan mendalam
dari empat komponen . Akhirnya, masih ada keputusan untuk apakah CSE harus
diajarkan pada tingkat sarjana atau sarjana, dan bagaimana konten akan berbeda
utuk dua. Graduate Degree. merupakan kedalaman dan luasnya lulusan dan sarjana
program di CSE. Meskipun mungkin tampak bahwa kedalaman yang dibutuhkan untuk
Ph.D. Program membuatnya tangguh untuk mengatur, itu mungkin kurang dari
tantangan dari program sarjana. Hal ini disebabkan oleh kendala ganda luas dan
kredit beban terbatas yang biasanya dikenakan pada gelar sarjana.
3. Hasil Survei
Untuk mengembangkan beberapa pemahaman kuantitatif
dari intelektual isi program CSE, kami telah menganalisis kurikulum dari dua
program rinci dalam Tabel 2.2 2.1and serta beberapa program CSE lainnya yang
kita sadar. Tujuan kami adalah untuk menyediakan bahan-bahan untuk diskusi
informasi dan kritis pada sifat pendidikan CSE. Pilihan program yang dipandu
oleh informasi kami diperoleh pada konferensi, versi terbaru dari survei
Swanson program CSE , ilmu terbaru portal Web komputasi di SUNY Brockport, dan
kami Web pencarian sendiri. Untuk survei program sarjana, kita merujuk pembaca
untuk Swanson survei , yang SIAM Working Group on CSE Pendidikan , serta daftar
SIAM program pascasarjana CSE.
Swanson
mengidentifikasi satu B.S. program ilmu komputer, tiga B.S. program dalam
matematika komputasi, tiga B.S. program dalam fisika komputasi, dan konsentrasi
beberapa anak di bawah umur. Survei SIAM
mengidentifikasi hanya Brockport sebagai program sarjana CSE. Kami
dimasukkan dalam analisis kami semua program Swanson kecuali untuk University
of Chicago, yang tidak ada kurikulum sampel dapat ditemukan. Meskipun tidak
muncul dalam pencarian Web, kita termasuk di sini program gelar di UC Berkeley
yang keberadaannya disampaikan kepada kita secara pribadi. Kami analisis
komprehensif dalam cakupan derajat komputasi, dan perwakilan dari ilmu komputer
dan fisika.
4. Ringkasan dan Kesimpulan
Meskipun rincian bervariasi, CSE
pendidikan cenderung fokus pada satu set alat umum mata pelajaran yang telah
membuktikan dirinya berguna dalam pemecahan masalah dalam sejumlah disiplin.
Sementara banyak dari mata pelajaran mungkin mendapatkan cakupan dalam kursus
diajarkan oleh departemen tradisional, kita telah menggambarkan kebutuhan untuk
terpisah CSE kelas yang menempatkan alat bersama-sama, mengembangkan sesuai
problemsolving sudut pandang, lem disiplin beberapa kelas bersama-sama, dan
mengembangkan rasa saling memiliki dalam komunitas komputasi.
Politik lokal dan persembahan saja muncul
untuk menentukan bagaimana sekolah memilih untuk mengintegrasikan CSE ke dalam
program-programnya. Kami menyimpulkan bahwa kandungan CSE dari sarjana
pendidikan akan terus tumbuh, baik dengan mengintegrasikan CSE ke dalam kelas
tradisional, oleh menawarkan khusus
"X komputasi" kelas, dengan menawarkan "X komputasi"
derajat, dengan memulai berdiri sendiri unit CSE, atau dengan beberapa
kombinasi di atas.
Tidak diragukan lagi, program gelar
tertentu di CSE memiliki paling potensial untuk memberikan koheren dan dikelola
dengan baik pendidikan. Mungkin juga tidak paling untuk memajukan lapangan dan
kelangsungan jaminan dalam lembaga. Sebagai kampus mengembangkan nomor program
"X komputasi", mungkin lebih efisien dan sederhana untuk menyatukan
ini "Komputasi X" program menjadi sebuah departemen CSE. Unit tersebut
kemudian dapat melayani bahkan lebih departemen dengan menawarkan minor dalam
CSE. Namun, tampak bahwa gelar dalam "X komputasi" saat ini
memberikan pendidikan yang sangat mirip.
Link yang kuat dan kerjasama sekarang
tampaknya akan membangun antara orang-orang mengarahkan program CSE baru dan
mereka yang ingin memulai program tersebut. Memang, upaya yang didukung oleh
NSF dan DOE ]. Kami sekarang berbagi
Tentu saja bahan untuk kursus baru dikembangkan serta memberi dan menerima
bimbingan pada pengembangan kurikulum yang seimbang. Pengembangan pembelajaran
siswa hasil, membangun konsensus tentang kurikulum CSE standar, dan
pengembangan dari beberapa buku teks berkualitas tinggi akan membantu dalam
pengembangan lapangan dan di penempatan lulusan kami.
Sementara tampaknya ada kesepakatan umum
bahwa adalah tepat untuk mengajarkan CSE di tingkat pascasarjana, pendidikan
sarjana di CSE masih merupakan hal yang baru. dekade yang lalu, pandangan luas
adalah bahwa mahasiswa harus melihat komputasi metode hanya sebagai "kotak
hitam" yang harus tetap ditutup. Namun, kami percaya bahwa kegunaan dan
pentingnya perhitungan seluruh ilmu
pengetahuan dan rekayasa berarti bahwa bahkan mahasiswa harus dapat
mendaftarkan diri dalam program yang mengajarkan mereka apa yang terjadi di
dalam kotak hitam. Waktu akan menilai kelangsungan hidup dari program ini.
Ucapan Terima Kasih. Kami ingin
mengucapkan terima kasih Angela Shiflet, Charles Swanson, James Corones, Bob
Panoff, dan Joe Zachary untuk saran berharga dan dorongan; Katie Stowe dan
Rachel Ivie untuk menyediakan data survei AIP, dan wasit SIAM dan editor untuk
kritik konstruktif mereka.
