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5.2 我们要什么样的知识和能力结构？
学习了计算机类专业，这只是一个大体的分类。在专业内分工渐细的背景下，进入这个大类专业的大学生，逐渐失去了成为专业中通才的可能。为了便于计算机类专业大学生找到自己可以在细分的方向上的选择，明确专业方向，是确定要具备什么样的知识和能力结构的基础，决定了自己在专业上学习的侧重之处。
计算学科的方向
对计算学科方向最新的权威划分由CC2004给出，认为计算学科由五个部分组成：计算机科学（Computer Science，CS）、计算机工程（Computer Engineering，CE）、软件工程（Software Engineering，SE）和信息系统（Information System，IS）和信息技术（Information Technology，IT）。在CC2005中，分别规定了每个方向的知识体系以及相应的核心课程，这为各专业教学计划的设计奠定了基础，同时也为公众认知和选择专业方向提供了帮助。随后几年，这五个分支学科陆续给出了更新版的报告，但对学科方向结构上的认识一直没有发生改变。
对于计算机类专业的学生，有必要了解这五个分支学科方向。在这个大类专业中，一个大学生会有无限可能发展，不必要早早就将自己套在了哪一个方向之中，但在未来职业规划中，以及大学学习的安排中，如果能够有所考虑，无疑会掌握更多的主动性。
计算机科学涉及到了很宽的范围，包括了计算的理论、算法和实现，以及机器人技术、计算机视觉、智能系统、生物信息学和其他新兴的有前途的领域。谈及计算机科学家，他们可以是有能力设计和实现诸如操作系统等复杂系统软件的人，能够指导其他程序设计人员，承担具有挑战性的程序设计方面的工作；他们可以提供使用计算机的新方式，网络、数据库、人机交互方式等新的进展依赖于他们的工作；他们以深厚的理论基础，去解决系统设计中的关键问题，设计有效的算法，以使系统达到最佳性能。计算机科学是计算学科中各方向的基础，计算机科学方向培养的学生，更关注计算的理论基础和算法。选择该方向的不少大学生毕业后继续深造钻研学科的核心。
计算机工程涉及到计算机和基于计算机系统的设计和构造，包括了计算机硬件、软件，以及它们之间的交互，将传统的电子工程、数学中的原理，应用到设计计算机以及制造基于计算机的设备中去。专注计算机工程方向，要学习现代计算系统和由计算机控制的有关设备的软件与硬件的设计、构造、实施和维护，更关注设计并实施集软件和硬件设备为一体的系统。和其他方向相比，计算机工程更加强调硬件知识，至少讲究软、硬件设计能力的平衡。近年来受到重视的嵌入式系统，是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，诸如手机、音视频播放机、智能家用电器，甚至汽车、航空器的部件等，都需要将硬件与嵌入其中的软件集成到一起，这是计算机工程可以胜任的工作。
软件工程原本是计算机科学与技术中的一个方向，但是由于其发展速度之快，市场之大，用人需求之强，抽取出自有的体系而成为了一个新的专业。近年来，软件从规模、影响范围等多个角度，在系统中所占的比例越来越重要，软件的安全性也越发突出。软件工程以开发和维护能可靠、有效运行，并满足客户的要求的软件系统为目标。由于软件没有具体形态，在操作上不具有连续的特性，软件工程与其他工程学科有很大的区别，追求将数学、计算科学与工程实践的结合。与其他工程学科类似的是，软件工程也以系统、学科、定量的方法，把工程原理应用于软件的开发、运行和维护。软件工程专业的学生，要修读不少与计算机科学和计算机工程的学生相同的课程，但软件工程更关注以工程规范进行的软件系统开发与维护。有不少人一提到学习软件开发就是学习编程语言，学习程序设计，而实际上，这只是最基本的能力，软件工程专业学生的能力，最终要落实到“工程”二字上。
信息技术从广义上讲，包括了计算技术的所有方面。作为计算机类专业中的一个学科方向，侧重通过选择、创造、应用、集成和管理计算机技术来满足企业、政府、医院、学校和其他各行各业各类组织中用户的需求。信息技术扎根于社会经济、生产、生活的实际需要之中，成为一个新的、快速增长的领域，有大量的用人缺口。目前几乎所有的机构和部门的工作、生产，包括家庭的生活，都依赖于信息技术。各种计算机系统要正常工作，安全需要保证，需要适时升级、维护和更换软硬件设施，这些都需要擅长于信息技术的人员支持。据统计，在各种机构中，专门从事信息技术的员工占到了4%。信息技术方向的学生，在理论知识和实际动手能力方面应均衡发展，能够很好地理解计算机系统和软件，致力于解决任何与计算机相关的问题。从事信息技术方面的工作，更关注选择硬件和软件产品以适用于一个组织机构的需求，并能使用相关的信息技术来计划、实施和配置计算机系统，培训计算机用户，此外，其职责还包括网络安装、网络管理、网页设计，多媒体资源的开发、通信组件安装、电子邮件系统的监督，以及对所有机构实施的信息技术项目进行规划并参与管理。
让计算机技术能够参与到社会生产、生活中去，仅是各种开发、维护等技术性工作是不够的。培养信息系统方向的学生，就是要将信息技术的方法与企业生产和商业流通结合起来，专注于信息技术解决方案和业务流程的整合，以满足各行业对信息的需求，使他们能够以有效、高效的方式实现自己的目标。常见的一种情形是，某机构的业务需要一种新的计算机系统支持，由信息系统人员组织实施方案的论证，信息系统人员参与技术开发的工作，负责需求的确定、开发过程的监管，以及系统的验收。而对于某些环节，可能用不着开发，而是实施对软件、硬件系统的采购即可，这要由从事信息系统的人员去参与招标、采购、安装验收，起草系统运行的规则，并对相关的人员实施必要的培训等。信息系统方向强调信息技术是作为一种工具，为信息的生成、处理和传播服务。与信息技术相比，信息系统重于“信息技术”的“信息”层面，而信息技术则更关注于“信息技术”的“技术”层面。信息系统培养的学生，更关注信息资源的获取、部署、管理及使用，并能分析信息的需求和相关的商业过程，能够详细描述并设计出与目标相一致的系统。在管理类的学科中设有管理信息系统专业，更强调的组织和行为方面，相对而言，计算机类专业的信息系统方向要求的技术背景又深一些。
对这五个专业方向的论述并没有覆盖到计算机类专业涉及的所有方面，但这也给我们整理出了一个线条。在这一学科变得日益庞大之时，作为个人，其选择是需要有所侧重的。计算机类专业培养方案中，各方向有公共的知识基础，体现在专业基础课中，而作为形成方向的课程，总是依靠专业选修课去体现。专业基础自然应该扎实，而专业选修意在形成自己的特色。大学生在修读课程的选择上，就应该从形成自己的知识体系的角度出发，而不是将是否容易学、是否容易及格等无关知识体系的因素当作了选课标准。
计算机类专业培养什么样的人才
一个普遍的问题是，计算机类专业的大学生，在毕业后应该具有什么样的能力？能力需要有知识作为支撑，这涉及到了对学科方向的选择，也涉及到了要从事工作的需要。
有必要先甄别科学与工程、科学家与工程师之间的联系与差别了。科学面对客观世界，探索自然、社会和思维的发展与变化中存在的客观规律，强调分析，强调结论的唯一性。工程面对人造世界，是人们综合应用科学理论和技术手段去改造客观世界的实践活动。工程将科学原理应用到生产实践中，从形式上，工程是科学的应用。工程强调综合，强调方案的比较论证，其核心是建造，常有明确的经济和社会服务目标。对应地，科学家侧重于理论研究，研究某一事物的自然规律，而工程师则侧重于利用科学家所发现的自然规律去设计、发明某一适应需要的产品。冯·卡门（von Kármán）教授有句名言：“科学家研究已有的世界，工程师创造未来的世界。”
计算学科，是研究计算机的设计、制造和进行信息处理等的理论、原则、方法和技术的学科，包括了科学、工程和技术：计算科学侧重于研究现象揭示规律，计算技术则侧重于研制计算机和使用计算机进行信息处理的方法和技术手段，计算机工程利用相关的方法和技术，生产出产品。这三方面互为依托，相互推进，计算科学中的研究成果转化为了技术，而计算技术的发展促进了计算科学研究的深入。用计算技术指导工程实践，而工程实践的发展转而作用于技术进步。因此，计算学科就是这样一门科学性与工程性并重的学科，其理论与实践也常常紧密地结合在一起。计算机要解决现实世界中的各种问题，模型构建和测试、评价，需要采用的是科学研究的方法，而设计和构建软硬件系统的过程，则属于工程范畴，采用工程学的方法。
在传统工业领域，产品设计和产品制造、生产之间的形态有比较大的差别，在生产链的不同环节需要的人员在知识结构方面差别较大。比如土木工程、规划、勘测、设计、施工、养护等技术和研究工作，往往由性质不同的单位实施，但在计算学科中，很多时候学科的理论、技术和工程之间的界限十分模糊，理论探索、技术开发和工程应用之间的周期很短，实验室产品和最终投放市场的产品之间几乎没有太大的差别。许多产品，尤其是软件产品，一经开发、测试完成，就可以通过复制或者通过在线的方式进行销售。计算机领域，科学与工程素质兼具的人才也更常见，科学家和工程师之间有比较明显的分工，但也有少数人既是科学家，也是十分出色的工程师。很多顶尖的公司，如谷歌公司，鼓励研究人员的成果在自己的主导下进行开发，快速变为产品，极大地缩短了新产品问世的周期，表现出的是一种强大的竞争力。
钱伟长院士谈到对科学、工程和技术的关系时说过：技术是人们制造工具和进行生产的方法，有的是根据已知的原理创造出来的，有的可能还并不了解它的原理，比如中国人发明指南针的时候，并不知道它的原理，可我们已经用上了。人们在改进技术的过程中，逐渐总结出它的规律，把它的原理弄清楚了，这就成为科学了。工程是综合了许多技术为一个总的任务服务的，比如建筑工程是盖房子的，其中需要很多技术，如采光、取暖、供水、结构的设计等等。所以工程师一定要有组织能力。一个人不可能样样精通，但至少有关各方面都知道一点，其中有一门是精通的，他要组织精通各种技术的人跟他合作，来完成一个总的任务。
在IT行业，根据工作中需要的能力要求，可以将人才分为四类：（1）学术型人才：主要是研究、发现计算学科及其应用领域的客观规律，要求具有较深厚的专业理论基础、扎实的数学基础、清晰的基本概念和多学科的知识，要具备工程实践能力和创新精神；（2）工程型人才：能运用科学原理进行工程或产业设计、工作规划与运行决策，具有一定的理论基础、较宽的知识面，以及设计开发和解决实际问题的能力；（3）技术型人才：是掌握和应用技术手段为社会谋取直接利益的人才，需要具备一定的专业基础知识，具有更宽泛而不是更精深的专门知识，强调理论在实践中的应用，综合运用各种知识解决实际问题的能力应该更强一些，对人际关系能力、群体组织能力、交流能力等有很高的要求；（4）技能型人才：主要指掌握了专门知识和技术，具备一定的操作技能，在生产和服务等领域岗位一线，并在工作实践中能够运用自己的技术和能力进行实际操作的人员。大学教育侧重于培养前三类人才，每一个IT学子可以据此设计自己的主攻方向，并设计自己学习的重点。
设计自己的学习内容
在了解了科学、工程和技术的关系之后，读者可以思考你自己在IT行业当中，将会投入到哪一个方向中去了。罗列计算机类专业及其学科方向，可以发现可供我们选择的巨大空间。在图5–1中，计算机类专业的学子可以选择纯粹“本行”的计算机科学、软件工程、计算机工程等基础性的工作，也可以贴近应用，选择信息技术、信息系统、信息安全等方面的工作。还有很多的学科专业与计算机学科发生着交叉，成为有志从事计算机应用的学子可以选择的方向。例如地理信息系统，本属于地球科学类，卫星导航之类的应用是IT行业中未来发展的重要方向；再如生物信息技术、生物医学工程，展示了和人类生命、生活更近的联系，健康、医疗是一个巨大的市场；以及更为传统的信息管理系统。图5–1中不可能再多罗列出其他应用领域，其中体现出的是计算机类专业学生发展的多种可能。从事应用方面的工作需要应用领域的相关知识的支撑，在大学中可以有所准备，将之作为通识教育的一部分，或者作为课外自主学习的内容。与此同时，在计算机科学、技术与工程等方面具有核心能力的优势，也是计算机类专业的毕业生在其他行业从事与计算机技术相关工作的资本。
专业方向的选择，需要与之匹配的知识和能力支持。时至今日，计算机科学、工程与技术已经发展成为一个庞大的体系，在有限的学习年限中，不可能面面俱到地进行学习。实际上，在行业中分工逐渐细化的时代，也没有必要去追求成为通才。CC2005中，针对计算学科的各个方向上对理论和应用的要求，用知识空间的二维图解给出了描述，这可以作为我们设计学习内容和重点学习的参考。
在图5–2中的横轴上，选择了偏“理论”学习的人，要注意掌握学科基础理论、基本原理，应该喜欢在实验室中创造新的东西，或者开发新的原理，在大学中需要强化培养创新能力，将解决可行和效率的问题作为自己的优势；而选择另一个极端“应用”的人，则不需要知道原理中所注重的各类“是什么、为什么”的问题，采取最实用的路线，帮助人们选择和使用适当的技术或集成现成的产品来解决问题，能够部署、配置计算机系统，只从“怎么干”的层面上成为专家，这也是行业中的人才。更多人的选择会落在这两个极端之间，在理论和应用之间找到自己的位置。
在纵轴方向，计算机硬件和体系结构在底部，而顶部是组织事务和信息系统。从下往上看，由设备，到信息，逐渐地关注到了人与人形成的组织，这反映了计算机类专业领域的涉及面之广，我们每一个人都可以在其中找到自己的位置。喜欢设计电路或对计算机的内部运作感到好奇的人会关心较底层的部分；希望看到技术是如何为人服务的，或者好奇技术是如何对组织产生影响的人，会关心上层；而在中间的地带，软件工程专业所关注的区域，则是人和设备需要综合的一个领域。
当把纵横两个方面综合考虑，关心让设备为人工作胜过人形成的组织的人，感兴趣的是右下方，而热衷于发展新方法让信息影响组织的，对左上角感兴趣。五张图，勾勒出的五个计算机分支学科所涵盖的区域，给出的是对不同学科的一种非精确的定性描述。图示对应的知识结构用于指导培养方案的制定，对于计算机类专业的学生，结合自己的爱好，找到自己追求的目标，指导自己设计好学习路线。在图5–2中的知识结构并不是所有的学生都能够对号入座进行选择，有些人将有超越这些，形成自己更加鲜明的特色。在规划学习内容时，我们有必要在重理论还是重应用上做出选择。在CC2005中，并没有讨论信息安全、网络工程等专业的知识体系的问题，读者不妨借此做一个思考。图5–2中第六张子图未做任何标识，建议读者在上面画出自己感兴趣并有意拓展的区域。
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