Pengertian Ilmu Komputasi

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.