信息信息科学与信息技术课件

1、信息技术导论 华商学院信息工程系课程内容计算机和信息技术的基本概念和基础知识计算机硬件组成、软件系统、发展简史信息的表示与处理、信息的输入与输出、信息的存储操作系统初步、计算机网络与互联网软件开发与程序语言、文件系统与数据库系统程序设计初步上机操作Windows 操作系统和常用软件工具VC+ 语言编程环境 和 C 语言编程课程结束需要掌握的知识理论个人计算机的基本组成及各部件的功能操作系统的引导及其主要功能信息的表示、处理、存储的基本原理互联网的基本功能和原理计算机程序的工作原理及开发过程实践Windows 操作系统的使用常用软件的操作 收发电子邮件、搜索引擎的使用、 office（Word,

2、 Excel,Powerpoint）VC+编程环境 及 C 语言编程授课方式与成绩评定课上讲授和演示复习、自学和书面作业上机实习并完成上机作业考试成绩评测期中考试 20%期末考试 40%平时成绩(作业、课堂表现) 40%第 1 章 信息、信息科学与信息技术内容提要本章介绍信息的基本概念，讨论了信息的定义、信息的基本性质；信息科学与信息技术的内容；信息技术与与计算学科之间的关系；计算学科的专业方向与理论、抽象、设计三个过程的学习方法。1.1 信息的基本概念1.1.1 信息的定义1.1.2 信息的特性1.1.3 信息论的产生 1.1.1 信息的定义就一般意义而言，信息可以理解成消息、情报、知识、见

3、闻、通知、报告、事实、数据等等。中国首次涉及“信息”的诗两叶愁眉愁不开，独含惆怅上层台。碧云空断雁行处，红叶已雕人未来。塞外音书无信息，道傍车马起尘埃。功名待寄凌烟阁，力尽辽城不肯回。杜牧寄远李中碧云集暮春怀故人池馆寂寥三月尽，落花重叠盖莓苔。惜春眷恋不忍扫，感悟心情无计开。梦断美人沉信息，目穿长路倚楼台。琅轩绣瑕安可得，流水浮云共不还。唐代诗人李中碧云集暮春怀故人在国外，据说最早讨论数据、信息、知识与智慧之间关系的，不是数学家，也不是计算机科学家，而是诗人T.S. Eliot。他说：信息迷失在数据中，知识迷失在信息中，而智慧迷失在知识中。他的原话出现于1934年的“The Rock”中，下面

4、的后三句话是他的，前一句话是好事者加上去的：Where is the Life we have lost in living?Where is the wisdom we have lost in knowledge?Where is the knowledge we have lost in information?Where is the information we have lost in data?有人译为：生活中啊，我们消逝的生命在哪里？知识中啊，我们失去的智慧在哪里？信息中啊，我们遗漏的知识在哪里？数据中啊，我们丢失的信息在哪里？“信息”的一些定义下面是对于“信息”的一些定义：“

5、信息是事物之间的差别。” “信息是接收者事先不知道的东西。”“信息是事物及其属性标识的集合” “信息就是信息，信息是物质、能量、信息及其属性的标示。” “信息是确定性的增加。即肯定性的确认。”香农（Claude Elwood Shannon，1916-2001） 给出的定义是： “狭义地说，信息是用来消除不确定性的东西。”广义地说，信息是认识主体（人、生物、机器 ）所所感受感受的事物运动状态和变换方式的事物运动状态和变换方式。 广义信息的三个层次： 语法 （SyntacticSyntactic）信息语义（Semantic）信息语用（Pragmatic）消息1.1.2 信息的特性信息虽然似乎非常

6、抽象，却可以被观察者（人以及人造的机器、仪器、生物等）所感知、识别、提取、检测、存储、显示、检索、传递、分析、变换处理和利用。信息是知识的来源、决策的依据、思维的材料、控制的基础和管理的保证。1. 信息的非消费性2. 共享性3. 积累效果性4. 信用价值性5. 信息与能量息息相关当然，信息还有其他一些属性，如事实性，滞后性，不完全性，时效性，替代性，扩散性等等。1.1.3 信息论的产生信息论是应用近代概率论和数理统计方法研究信息传输和信息处理系统中一般规律的新兴学科，核心问题是信息传输的有效性和可靠性以及两者间的关系。信息论是研究信息的基本性质及度量方法，研究信息的获取、传输、存储和处理的一般

7、规律的科学。 信息的重要性现代化学者认为，人类文明经历了四次意义深远的 革命： 时间 意义 工具的制造约250万年前人类区别于动物 农业革命约1万年前年前原始社会 农业社会 工业革命约200年前农业社会工业社会 信息革命约20多年前工业社会信息社会 信息的重要性客观世界三大基本要素： 物质 材料科学 能量 能源科学 信息 信息科学 Without material nothing exists , Without energy nothing happens, without information nothing makes sense. 1. 信息论的研究范畴 信息论作为一门科学理论，发端

8、于通信工程。它具有广义和狭义两个概念： 狭义信息论是应用统计方法研究通讯系统中信息传递和信息处理的共同规律的科学，即研究概率性语法信息的科学； 广义信息论是应用数学和其他有关科学方法研究一切现实系统中信息传递和处理、信息识别和利用的共同规律的科学，即研究语法信息、语义信息和语用信息的科学。 信息的概念物质、能量和信息是构成客观世界的三大要素。信息是物质和能量在空间和时间上分布的不均匀程度，或者说信息是关于事物运动的状态和规律通信系统中形式上传输的是消息，实质上传输的是信息，消息中包含信息，消息是信息的载体。对于信息论的研究，一般划分为三个不同的范畴： 广义信息论，包括信息论在自然和社会中的新的

9、应用，如模式识别、机器翻译、自学习自组织系统、心理学、生物学、经济学、社会学等一切与信息问题有关的领域。 实用信息论，研究信息传输和处理问题，也就是狭义信息论方法在调制解调、编码译码以及检测理论等领域的应用。 狭义信息论，即通信的数学理论，主要研究狭义信息的度量方法，研究各种信源、信道的描述和信源、信道的编码定理。2. 通信系统模型香农提出：信息的传播过程是“信源”（信息的发送者）把要提供的信息经过“信道”传递给“信宿”（信息的接收者），信宿接收这些经过“译码”（即解释符号）的信息符号的过程。并由此建立了通信系统模型。通信系统模型这个模型包括以下五个部分：3. 信道 信道是信息传输和存储的媒介

10、。4. 译码器 译码是编码的逆变换，分为信道译码和信源译码。5. 信宿 信宿是消息的接收者。2. 编码器 编码器是将消息变成适合于信道传送的信号的设备。1.信源 信源是产生消息的源。编码器信源编码器，提高传输效率信道编码器，提高传输可靠性6. 干扰源（噪声）：是指信息传递中的干扰，它对信息的发送与接受产生影响，使两者的信息意义发生改变。3. 香农对信息的定义和度量“信息论”，又称为“通信的数学理论”，是研究信息的传输、存储、处理的科学。信息论的中心问题：为设计有效而可靠的通信系统提供理论依据。通信系统所要解决的具体问题是： 问题一：信源消息常常不能够完全发送。（否则发送量巨大，如：无尽的天空。

11、因此优先捡有用的发送）问题二：信道因干扰而出现差错，如何进行检错和纠错。 具体实现是进行信源编码和信道编码。Shannon信息论的中心问题香农认为：信息是人们对事物了解的不确定性(Uncertainty)的消除或减少。 为了通讯实践的需要，哈特莱提出应该用对数单位来度量信息，单位是比特。而香农用概率论来测量信息的量。信息的直观认识（一） 概率：计算随机时间发生的可能性大小的量。事件发生的概率越小，此事件含有的信息量就越大 例：事件 “中国足球队3:0力克韩国足球队” 小概率事件发生了，事件信息量大例：事件“中国足球队0:1负于韩国足球队” 大概率事件发生了，事件信息量小 概率连续打出六个双蛋黄

12、 概率万亿分之一 信息的直观认识（二）表示信息的随机变量的随机性越大，此随机变量含有的信息量就越大量含有的信息量就越大。例：X= “中国足球队与韩国足球队比赛的结果” X 含有的信息量小（随机性小，可预见性大，因此信息量小） 例：X = “意大利足球队与德国足球队比赛的结果” X 含有的信息量大（随机性大，可预见性小，因此信息量大） 信息的直观认识（三）两个随机变量的相互依赖性越大，它们的互信息就越大（这里指的是绝对值大）。 例：X = 深圳明天的平均气温, Y = 广州明天的平均气温， Z = 哈尔滨明天的平均气温， W = 纽约明天的平均气温。 X 与Y 互信息量大， X 与与Z 互信息量

13、小得多， X 与W 互信息量几乎为0。 信息的度量（信息量）和不确定性消除的程度有关，消除了多少不确定性，就获得了多少信息量；不确定性就是随机性，可以用概率论和随机过程来测度不确定性的大小，出现概率小的事件，其不确定性大，反之，不确定性小；由以上两点可知：概率小 信息量大，即信息量是概率的单调递减函数；此外，信息量应该具有可加性；香农把“熵”这个概念引入信息的度量。熵是一个系统的不确定性或无序的程度，系统的紊乱程度越高，熵就越大；反之，系统越有序，熵就越小。控制论创始人维纳说：“一个系统的熵就是它的无组织程度的度量。”熵这个概念与信息联系在一起后，获得这样的思路：信息的获得意味着熵的减少，要使

14、紊乱的系统（熵大的系统）有序化（减少熵）就需要有信息，当一个系统获得信息后，无序状态减少或消除（熵减少）；而如果信息丢失了，则系统的紊乱程度增加。一个系统有序程度越高，则熵就越小，所含信息量就越大，反之无序程度越高，则熵越大，信息量就越小，信息与熵是互补的，信息就是负熵，两者互为负值。 信息量=系统状态原有的熵-系统状态确定后的熵1.2 信息科学与信息技术信息和控制是信息科学的基础和核心。“科学”是指探知事物的本质、特征、内在规律以及与其他事物的联系, 是关于自然、社会和思维的发展与变化规律的知识体系。“技术”则是运用科学规律解决实现某一目的的手段和方法,泛指根据生产实践经验和科学原理而发展形

15、成的各种工艺操作方法、技能和技巧。工程是指将科学原理应用到工农业等生产部门中去而形成的各门学科的总称。科学就是整理事实，从中发现规律，做出结论。科学要发现人所未知的事实，并以此为依据，实事求是，而不是脱离现实的纯思维的空想。规律，则是指客观事物之间内在的本质的必然联系。因此，科学是建立在实践基础上，经过实践检验和严密逻辑论证的，关于客观世界各种事物的本质及运动规律的知识体系。 1.2.1 信息科学关于什么是信息科学（Information science），有着不同的定义：定义1：信息科学是研究信息的产生、获取、变换、传输、存储、处理、显示、识别和利用的科学，是一门结合了数学、物理、天文、生物

16、和人文等基础学科的新兴与综合性学科”。定义2：以信息为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机等技术为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要目标的一门新兴的综合性学科。信息科学研究的基本内容可归纳为五个方面： (1)探讨信息的基本概念和本质。(2)研究信息的数值度量方法。(3)阐明信息感知、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再 生、表示、施效(控制)等过程的一般规律。(4)揭示利用信息来描述系统和优化系统的方法和原理(5)寻求通过加工信息来生成智能的机制和途径。从信息科学的研究内容来划分，我们可以将信息科学的基本科学体系分为三个层次：信息科学的哲学层次，其中包括信息

17、的哲学本质、智能的哲学本质、信息与反映的关系、信息与认识的关系、人工智能与人类智能的关系等等。信息科学的基础理论层次，它的主要任务是研究信息的一般理论。信息科学的技术应用层次，主要研究如何应用信息科学理论在技术上拓展人类的信息功能（特别是其中的智力功能）的问题。1.2.2 信息技术信息作为种资源，它的无限性，共享性和开发性，使它对于人类具有特别重要的意义。迄今为止，人类社会已发生过四次信息技术革命：第一次革命是人类创造了语言和文字，接着现出了文献；第二次革命是造纸和印刷术的出现；第三次革命是电报、电话、电视及其他通信技术的发明和应用；第四次革命是电子计算机和现代通信技术在信息工作中的应用。 1

18、. 信息技术的定义对信息技术的定义，因人们使用的目的、范围、层次不同而有不同的表述：定义1：信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存贮、传递、处理、检索、检测、分析和利用等的技术。定义2：现代信息技术“以计算机技术、微电子技术和通信技术为特征”。定义3：信息技术是指在计算机和通信技术支持下用以获取、加工、存储、变换、显示和传输文字、数值、图像以及声音信息，包括提供设备和提供信息服务两大方面的方法与设备的总称。可以认为：信息技术是指开发和利用，采集，传输控制和处理信息的技术手段。也可以把信息技术直接定义为获取，传递，处理，再生和使用信息的技术。 2. 信息技术的“四基元”（1）传感技术信

19、息的采集技术，对应于人的感觉器官功能的延长。（2）通信技术信息的传递技术，对应于人的传导神经网络功能的延长。（3）计算机和智能技术信息的处理和存储技术，对应于人的思维器官功能的延长。（4）控制技术信息的使用技术，对应于人的效应器官功能的延长。 3. 信息技术主要支撑技术微电子技术当代的信息技术，主要是指采用电子技术来采集，传递，控制和处理信息的技术，所以也可称作电子信息技术，即与电子计算机和通信设备的设计制造以及信息的设计，处理，传输，变换，存取有关的技术。计算机是信息处理的工具，通信是信息传播手段，微电子技术是信息技术的基础。集成电路的高集成化，高密度化和高速度化，带来了电子计算机的小型化，

20、微型化，高性能化和价格低廉化。信息技术的发展速度非常迅速，五十年代，信息技术的主要标志是编程计算，六十年代是数据处理，七十年代是计算机网络，八十年代是模式识别，到了九十年代，专家系统和人工智能便成为突出的代表。 1.2.3 信息化与社会信息化信息化是一种社会的经济形态，是指从事获取，传输，处理，提供应用信息的部门，以及其他各部门对信息的应用，在国民经济中的贡献和占用的劳动力等超过了工业，农业等物质资料生产所占的比重。另一方面，信息化又是一个过程，即上述与信息有关的各部门相对信息的应用在国民经济中所占比重不断上升，最终超过工、农业的全过程。信息技术的发展，为社会信息化提供了强有力的手段，社会信息

21、化以电子计算机，通信，软件为三大技术要素，以工厂自动化，办公室自动化，农业自动化，家庭自动化为重要应用领域，正深刻地改变着社会面貌。1.3 计算与计算科学1.3.1 计算本质的认识历史 1.3.2 现代计算机的产生以及计算学科的定义1.3.3 计算学科的传统应用领域1.3.4 计算学科的新领域以及未来的展望1.3.1 计算本质的认识历史计算学科根本问题的认识过程与人们对计算过程的认识是紧密联系在一起的。因此要分析计算学科的根本问题，首先要分析人们对计算本质的认识过程。 史前文明：计数的开端 结绳记事（计数）是原始先民广泛使用的以绳结形式反映客观经济活动及其数量关系的记录方式。 文献记载：“上古

22、结绳而治，后世圣人易以书契，百官以治，万民以察”（易系辞下）。 进制计数一般是10进制，也有20进制（古玛雅人）12进制（打）24进制（时间）16进制（中国古代的1斤=16两）计算工具的出现中国最早的计算工具是算筹。算筹可认为是世界上最古老的计算工具，最早可追溯到中国春秋时代，红筹表示正数，黑筹表示负数新的计算工具算盘一旦遇到复杂运算，使用算筹常弄得繁杂混乱，让人感到不便。公元600年左右，中国出现新的计算工具算盘。算盘作为主要的计算工具流行了相当长的一段时间。古代中国的算法化思想很早以前国的学者就认为：对于一个数学问题，只有当确定了其可用算盘解算它的规则时，这个问题才算可解。古代中国的算法化

23、思想蕴含着中国古代学者对计算的根本问题即可计算性问题的理解，这种理解对现代计算学科的研究仍具有重要的意义。世界上第一台加法计算机（1642）17世纪，欧洲出现了计算尺和机械式计算机。通用计算机的基本设计思想19世纪英国数学家巴贝奇(1792-1871)提出通用计算机的基本设计思想。1834年：巴贝奇提出了分析机的概念，机器共分为三个部分：堆栈，运算器，控制器。巴贝奇1822年研制的差分机布尔和布尔代数19世纪中叶，英国杰出的数学家，哲学家布尔(1824 -1898)和其它杰出的科学家一起，通过对人类思维进行数学化精确地刻画，奠定了智慧机器的思维结构与方法，今天计算机内使用的逻辑基础布尔代数，正

24、是他所创立的。图灵24岁提出图灵机理论31岁参与COLOSSUS（破译德军密码的机器）的研制33岁设想仿真系统35岁提出自动程序设计概念38岁设计“图灵测验”图灵奖：美国计算机协会 于 1966年 设立图灵机的艺术表示纸带读写头程序（有穷控制器）3个部件：有穷控制器、无穷带和读写头3个动作：改写当前格、左移或右移一格图灵机可以读入一系列的零和一，这些数字代表了解决某一问题所需要的步骤，按这个步骤走下去，就可以解决某一特定的问题。读写头有穷控制器存储带 图灵机模型在图灵看来，只需要保留一些最简单的指令，一个复杂的工作只用把它分解为这些最简单的操作就可以实现了，图灵机理论上是通用机。他相信：有一个

25、算法可以解决大部分问题，困难的部分则是如何确定最简单的指令集，怎么样的指令集才是最少的，而且又能顶用还有一个难点是如何将复杂问题分解为这些指令。图灵在理论上奠定了计算机产生的基础。图灵机是一种可计算的用数学方法精确定义的计算模型，现代计算机正是这种模型的具体实现。计算学科各分支领域中的抽象和理论两个过程关心的是解决具有可计算性和有效性的模型问题，设计过程关心的是模型的具体实现问题。计算学科中的3 个过程是不可分割、密切相关的。由于图灵对计算科学所作出的杰出贡献，ACM 于1966 年设立了以图灵名字命名的计算机科学大奖图灵奖，以纪念这位杰出的科学家。图灵机被公认为是现代计算机的原型。后人也将图

26、灵誉为计算机科学之父。1.3.2 计算机系统概述 计算机是一种能够按照事先存储的程序，自动、高速地对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。1. 计算机系统计算机系统由计算机硬件系统和计算机软件系统两大部分组成。 (1) 计算机硬件系统计算机硬件系统是由一系列电子元器件按照一定逻辑关系联接而成，它是计算机系统的物质基础。计算机的基本工作原理是存储程序和程序控制。该原理最初是由匈牙利数学家冯诺依曼于1946年提出来的，故称为冯诺依曼原理。按照冯诺依曼原理构造的计算机又称冯诺依曼计算机，其体系结构称为冯诺依曼结构。目前计算机已发展到了第四代，基本上仍然遵循着冯诺依曼原理和结构。但是，为了提高计算机的

27、运行速度，实现高度并行化，当今的计算机系统已对冯诺依曼结构进行了许多变革，如指令流水线技术。 (2) 计算机软件系统计算机软件的定义：软件是指用来指挥计算机运行的各种程序的总和以及开发、使用和维护这些程序所需的技术资料。没有配备任何软件的硬件计算机称为裸机。裸机向外部世界提供的界面只是机器指令。用户及其他程序都通过系统软件来使用计算机。 计算机软件系统的层次结构用 户系统应用程序操 作 系 统机 器 语 言硬 件 系 统一般把靠近内层、为方便使用和管理计算机资源的软件，称为系统软件。计算机系统软件由操作系统、语言处理系统、以及各种软件工具等各种软件程序组成。计算机软件指挥、控制计算机硬件系统按

28、照预定的程序运行、工作，从而达到预定的目标。简单的说，系统软件的功能主要是简化计算机操作，扩展计算机处理能力和提高计算机的效益。应用软件是用户利用计算机软、硬件资源为解决各类应用问题而编写的软件。应用软件一般包括用户程序及其说明性文件资料。随着计算机应用的推广与普及，应用软件将会逐步地标准化、模块化，并逐步地按功能组合成各种软件包以方便用户的使用。应用软件的存在与否并不影响整个计算机系统的运作，但它必须在系统软件的支持下才能工作。 （3）计算机的基本运作方式 计算机的基本运作方式可概括为所谓的“IPOS循环”。即：输入（Input）处理（Processing）输出（Output）存储（Stor

29、age）它反映了计算机进行数据处理的基本步骤。IPOS循环输入。接受由输入设备（如键盘、鼠标器、扫描仪等）提供的数据。处理。对数值、逻辑、字符等各种类型的数据进行操作，按指定的方式进行转换。输出。将处理所产生的结果等数据由输出设备（如显示器、打印机、绘图仪等）进行输出。存储。计算机可以存储程序和数据。2. 计算机的分类 根据计算机工作原理和运算方式的不同，以及计算机中信息表示形式和处理方式的不同，计算机可分为数字式电子计算机（digital computer）、模拟式电子计算机（analog computer）和数字模拟混合计算机（hybrid computer）。当今广泛应用的是数字计算机，

30、因此，常把数字式电子计算机(Electronic Digital Computer)简称为电子计算机或计算机。按计算机的用途可分为通用计算机（general purpose computer）和专用计算机（special purpose computer ）两大类。通用计算机能解决多种类型问题，是具有较强通用性的计算机。一般的数字式电子计算机多属此类。专用计算机是为解决某些特定问题而专门设计的计算机，如嵌入式系统。根据计算机的总体规模(按照计算机的字长、运算速度、存储量大小、功能强弱、配套设备多少、软件系统的丰富程度)对计算机分类，可分为巨型机（super computer）、大/中型计算机（

31、mainframe）、小型计算机（mini computer）、微型计算机（ micro computer）和网络计算机（network computer）五大类。常见的微型机还可以分为台式机、便携机、笔记本电脑、掌上型电脑等多种类型。 3. 计算机的发展 计算机发展的四个阶段按照电子器件划分，计算机大致已经历了四代： 第一代计算机（1946年1957年）。逻辑器件使用电子管；用穿孔卡片机作为数据和指令的输入设备；用磁鼓或磁带作为外存储器。在1949发明了可以存储程序的计算机。这些计算机使用机器语言编程，可存储信息和自动处理信息。人类存储和处理信息的方法开始发生革命性的变化。第二代计算机（19

32、58年1964年）。使用晶体管代替了电子管；内存储器采用了磁芯体；引入了变址寄存器和浮点运算硬件；利用I/O处理机提高了输入输出能力；在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序，并且推出了Fortran、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序。第三代计算机（1965年1971年）。用小规模或中规模集成电路来代替晶体管等分立元件；用半导体存储器代替磁芯存储器；使用微程序设计技术简化处理机的结构；在软件方面则广泛地引入多道程序、并行处理、虚拟存储系统和功能完备的操作系统，同时还提供了大量的面向用户的应用程序。第四代计算机（1972年现在）。使用了大规模集成电路和超大规模集成电路。微

33、型计算机、笔记本型和掌上型等超微型计算机的诞生是超大规模集成电路应用的直接结果。完善的系统软件、丰富的系统开发工具和商品化的应用程序的大量涌现，以及通信技术和计算机网络的飞速发展，使得计算机进入了一个大发展的阶段。计算机发展的四个阶段时代年份器件软件应用一 46-57电子管汇编语言 科学计算二58-64晶体管高级语言数据处理工业控制 三65-71集成电路操作系统文字处理图形处理四72年迄今大规模集成电路数据库、网络等社会的各个领域计算机发展趋势微型化巨型化网络化智能化ENIACAltair 8800计算机发展趋势微型化计算机不再是单一的计算机器，而是一种信息机器，一种个人的信息机器。CRAY-

34、计算机发展趋势巨型化中国超级计算机：国防科技大学研制的“银河1号”、 “银河2号”和“银河3号”国家智能计算机中心推出的“曙光1000”和“曙光200I”银河运算速度可达每秒几百亿次运算的超级计算机1975年世界上第一台超级计算机“Cray-I”超级计算机应用：天气预报、地震机理研究、石油和地质勘探，卫星图像处理等大量科学计算的高科技领域。计算机发展趋势网络化计算机网络：计算机技术与通信技术结合的产物。计算机网络的发展动力：使用远程资源，共享程序、数据和信息资源，网络用户的通讯和合作。计算机发展趋势智能化“总有一天，人类会造出一些举止跟人一样的没有灵魂的机械来”。 笛卡尔（1637）人类第一个

35、“工业机器人”：一头在纺织机上挑纱的“驴”（1742年）第一代机器人机械手（1962年出现）第二代机器人具有“感觉”的机器人第三代机器人装有启发式计算机的“智能机器人”未来计算机的研究目标是试图打破计算机现有的体系结构，使得计算机能够具有像人那样的思维、推理和判断能力。已经实现的非传统计算技术有：超导计算、量子计算、生物计算、光计算等。未来的计算机可能是超导计算机、量子计算机、生物计算机、光计算机或纳米计算机、DNA计算机等。4. 计算机的特点（1）运算速度快、精度高现在世界上最快的计算机每秒可以运算几十亿次以上。计算机的字长越长，其精度越高。对于气象预报等精度要求高、时间性强的工作，没有计算

36、机进行数据处理，靠手工已无法实现。（2）具有逻辑判断和记忆能力计算机有准确的逻辑判断能力和高超的记忆能力。可以把庞大的国民经济信息或一个大图书馆的全部文献资料目录和索引存储在计算机系统中，随时提供情报检索服务。计算机的计算能力、逻辑判断能力和记忆能力三者的结合，使之可以模仿人的某些智能活动。因此，计算机已经远远不只是计算的工具，而是人类的脑力延伸。（3）高度的自动化和灵活性计算机采取存储程序方式工作，即把编好的程序输入计算机，机器便可依次逐条执行。这就使计算机实现了高度的自动化和灵活性。每台计算机提供的基本功能是有限的，这是在设计和制造时就决定了的。但计算机可以在人的精心编排设计下，用这些有限

37、的功能，快速自动地完成多种多样的基本功能序列，从而实现计算机的通用性，达到计算机应用的各种目的。计算机系列产品多，其外形、性能指标及功能强弱差异很大，但基本工作原理都属于科学家冯诺依曼早年提出的“存储程序、顺序执行指令”的原理，即所谓冯诺依曼原理。计算机结构的基本组成是根据冯诺依曼原理设计的，因此计算机也称为冯诺依曼型计算机。1.3.3 计算学科的传统应用领域 计算机的传统应用领域大致可分为以下五个方面：1. 科学计算和科学研究2. 信息处理3 实时控制（也称过程控制）4 CAD / CAM / CAI5 人工智能1. 科学计算和科学研究 使用计算机来完成科学研究和工程技术中的数学问题的计算称

38、为科学计算，也称为数值计算。(1) 科学计算科学计算是使用计算机完成在科学研究和工程技术领域中所提出的大量复杂的数值计算问题，是计算机的传统应用之一。科学计算通常的步骤为：构造数学模型、选择计算方法、编制计算机程序、上机计算、分析结果。专门从事计算方法研究的科技工作者研究出了许多高效率、高精度的用于科学计算的算法，积累了许多科学计算用的程序，并且将这些程序汇集成为软件包，供科技工作者选用。 (2) 科技文献的存储与查询在当前信息化的社会中，科技文献正在以爆炸性的速度急剧地增加，在这浩如烟海的信息世界，如果不使用计算机来存储和检索信息，将无法正常地进行科学研究和科技成果的交流。电子图书馆是利用计

39、算机技术和网络技术，将图书、文献、资料等信息以电子化和数字化的形式存储和传递，建立信息采集、加工、存储和提供的电子化信息环境，使信息的载体和服务方式都发生了重大的变化。(3) 计算机仿真 计算机仿真是一门利用模型进行实验研究的技术，可以应用于用其他方法需要进行繁复的实际实验或者无法进行实际实验的场合。例如，在汽车制造业中可对汽车的碰撞性能进行仿真，从而大大节省了试验的成本。又如可对交通基础设施、控制方式、车辆运行调度等进行仿真，为交通基础设施的改扩建以及运营组织提供科学的决策支持。2. 信息处理所谓信息处理就是使用计算机对数据进行输入、分类、加工、整理、合并、统计、制表、检索以及存储等，又称为

40、数据处理。(1) 座位预订与售票系统(2) 零售业中的应用(3) 办公自动化事务型办公自动化系统。文字处理、日程安排、文档管理、行文管理、邮件处理、排版与印刷、视频会议。管理型办公自动化系统。该系统是既能支持各种办公事务工作又能进行信息管理的办公自动化系统。决策型办公自动化系统。该系统是办公自动化系统的最高层次，它以事务处理和信息管理为基础，主要是提供辅助决策支持的功能。3. 实时控制（也称过程控制） 实时控制能及时地采集检测数据、使用计算机快速地进行处理并自动地控制被控对象的动作，实现生产过程的自动化。例如：(1) 空中交通控制（ATC）系统(2) 病员监护与健康护理4. CAD / CAM

41、 / CAI(1) 计算机辅助设计计算机辅助设计CAD是使用计算机来辅助人们完成产品或工程的设计任务的一种方法和技术。其主要技术：图形处理技术、工程分析技术、数据管理技术、软件设计与接口技术等。(2) 计算机辅助制造计算机辅助制造CAM是使用计算机辅助人们完成工业产品的制造任务，能通过直接或间接地与工厂生产资源接口的计算机来完成制造系统的计划、操作工序控制和管理工作的计算机应用系统。主要技术：数字控制、可编程序逻辑设计、计算机辅助编制加工、机器人工程学、制造质量控制技术等。(3) 计算机辅助教学计算机辅助教学CAI是把计算机用作教学媒体，使它充当指导者、工具和学习者角色，学生通过与计算机的对话

42、进行学习的一种新型教学技术。计算机辅助教学系统由三部分组成：硬件系统、系统软件和课件。硬件系统包括计算机主机及其附属外部设备，硬件提供了辅助教学的物质基础。软件是在硬件设备上运行的各种程序及相关的文档资料，包括系统软件和应用软件。课件是为实现教学目标而设计的应用软件、有关教材、文档资料等。5. 人工智能人工智能（AI）这个英文单词最早是在1956年的一次会议上提出的。所谓人工智能，就是让计算机能够象人一样思考，让计算机代替人类进行简单的智力活动，把人类解放用于其它更有益的工作。人工智能是包括十分广泛的科学，它由不同的领域组成，如机器学习，计算机视觉、自然语言理解、专家系统、机器翻译、机器人、定

43、理自动证明等。AI是一门极富挑战性的科学。从事人工智能工作的人必须懂得计算机知识，心理学和哲学。在1963年，为了在冷战中保持对苏联的均衡，美国政府和美国国防部资助麻省理工学院进行人工智能的研究，使人工智能得到了巨大的发展。麻省理工大学开发出了可以解决代数问题的STUDENT系统；在70年代出现的专家系统使计算机可以代替人类专家进行一些工作。由于计算机硬件性能的提高，计算机开始有了简单的思维和视觉，人工智能得以进行一系列重要的活动，如统计分析数据，参与医疗诊断等等，它作为生活的重要方面开始改变人类生活。在理论方面，70年代也是大发展的一个时期，诞生了另一个人工智能语言Prolog，Prolog

44、和LISP一起几乎成了人工智能工作者不可缺少的工具。模糊控制，决策支持等等方面都有人工智能的影子。现在已经有软件可以通过图灵测试的子测试，可以解决一些人类智力的问题。1.3.4 计算学科新的应用领域及未来的展望 近年来，由于计算机科学技术的迅速发展，特别是网络技术和多媒体技术的迅速发展，计算机不断地拓展新的应用领域。通信技术与计算机技术的结合，产生了计算机网络和Internet；卫星通信技术与计算机技术的结合，产生了全球卫星定位系统（GPS），地理信息系统（GIS）；多媒体技术的发展更是如日中天，在音乐、舞蹈、电影、电视和娱乐、虚拟现实、辅助设计、辅助教学中得到了广泛的应用。1. Intern

45、et带来的深刻影响20世纪90年代以来，计算机网络技术得到了飞速发展，信息的处理和传递突破了时间和地域的限制，网络化与全球化成为不可抗拒的世界潮流，Internet已进入社会生活的各个领域和环节，并愈来愈成为人们关注的焦点。 Internet最大的优点是消除了地域上的障碍，大大促进了现代社会信息化、全球化的进程，对社会政治、经济、生活带来了深刻的影响。我国目前已经实施的和正在实施的“金桥”、“金关”、“金卡”、“金税”、“金企”、“金农”、“金卫”等“金系列”工程，大大地促进了国家信息基础设施的建设，加快了社会信息化的进程。2. 多媒体技术带来的新的应用领域 计算机多媒体系统不仅有计算机的存储

46、记忆、高速运算、逻辑判断、自动运行的功能，还能将符号、文本、声音、图形、动画和图像等多种媒体信息有机地集成于一体，使人通过多个感官获取相关信息，不仅提高信息的传播效率，同时由于多媒体的图形交互界面和窗口交互操作，使人机交互能力大大提高，实现信息双向交流。多媒体系统最突出的领域是计算机虚拟现实技术的应用。在制造业、科学研究中，多媒体可实现试验的可视化；在教育与培训、遥控操作、心理测试、通信与协同工作和艺术中，多媒体也得到了广泛的应用；多媒体还可以图像与声音的集成形式提供最新的娱乐和游戏的方式。3. 嵌入式系统 嵌入式系统是指操作系统和功能软件集成于计算机硬件系统之中。简单的说就是系统的应用软件与

47、系统的硬件一体化。它具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点。特别适合于要求实时的和多任务的体系。当今，计算机的速度越来越快，体积越来越小，其应用领域也越来越扩大。许多机器和设备上都装上了嵌入式计算机。智能汽车、信息家电和数字仪器已经成为人们工作和日常生活中不可缺少的助手。4. 人工智能人工智能是由计算机来模拟或部分模拟人类的智能，包括自然语言理解、专家系统、机器人、神经网络以及遗传算法等。深蓝是美国IBM 公司研制的一台高性能并行计算机，它由多个专为国际象棋比赛设计的微处理器组成，该系统每秒可计算2 亿步棋。1997年5月初，在美国纽约公平大厦，深蓝与国际象棋冠军卡斯帕罗夫交战，深蓝以两

48、胜一负三平战胜卡斯帕罗夫。目前的机器人已经具有一定的视觉、听觉、触觉和行走的能力，但其智能还十分有限。未来的机器人的视觉、听觉、触觉、行走能力及其所具有的智能都将进一步提高，在工业界、航天航空、宇宙探索乃至服务业等领域将得到更加广泛的应用。神经网络是人工智能领域的一个重要的分支，它用计算机处理单元来模拟人脑的神经元，并将这些处理单元像人脑的神经元那样互相连接起来，构成一个网络，采用神经网络设计的计算机与传统的冯诺依曼型的计算机截然不同。遗传算法（GI）是一种借鉴生物界自然选择和进化机制发展起来的高度并行、随机、自适应搜索算法。遗传算法在单件生产车间调度、流水线生产车间调度、生产规划、任务分配等

49、方面已得到了有效的应用。在自动控制领域有许多与优化相关的问题（如航空控制系统、模糊控制器、参数辨识、人工神经网络结构等）都显示出遗传算法应用的可能性。如移动机器人路径规划、关节机器人运动轨迹规划、机器人的结构优化和行动协调等。其他在诸如图像处理、模式识别、机器学习等领域也得到了成功的应用。1.4 计算学科的专业方向与知识领域计算学科是从电子学、科学、数理逻辑和计算数学的交界处发展起来的。计算(Computing)学科长期以来被认为代表了两个重要的领域，一个是计算机科学，另一个是计算机工程，两者曾经分别作为软件和硬件领域的代名词。 1991年ACM/IEEE计算机课程体系CC91提出了计算机学科

50、的九个子领域，每个子领域都有理论基础、抽象和程序设计三个过程，贯穿于九个子领域的始终；并提出计算机教育的重点应放在用于开发计算机应用的软、硬件工具的开发，而不是应用的本身。ACM与IEEE联合起草的CC2001课程标准主要体现了技术的发展变化，特别是计算机网络与通信和多媒体技术的发展。IEEE/ACM在CC2001中将计算学科分为四个领域，分别是计算机科学（Computer Science-CS）、计算机工程（Computer Engineering-CE）、软件工程（Software Engineering-SE）、信息系统(Information System-IS)。CC2001中把学科

51、所包含的教学内容归结为14个知识单元，在技术方面增加了网络技术及应用、软件安全和嵌入式系统等内容，提炼出了更精简的核心知识单元。在课程方面，除了提出对算法、离散结构应加强外，还将计算机学科中许多以前的研究成果（如视觉、图形学、模式识别等）也列入了本科课程。此外，在CC2001的14个子领域中还专门列有一个对学生人文知识和职业道德等方面内容的传授，包括贯彻爱国主义教育的研究、培养辩证唯物主义观点的研究及培养学生优良品德和科学态度的研究等。近期的CC2004报告，在上述四个领域的基础上，增加了一个信息技术信息技术(Information Technology-IT)专业学科领域，并预留了未来的新发

52、展领域。各个专业都针对本科生的教育，提出了相应的知识领域、知识单元和知识点，并给出了相应的参考教学计划和课程设置。1.4.1 计算机科学技术学科的知识领域01.离散结构（DiscreteStructures-DS） 02.程序设计基础（ProgrammingFundamentals-PF） 03.算法和复杂性（Algorithms&Complexity-AL） 04.程序设计语言（ProgrammingLanguages-PL） 05.计算机结构与组织（Architecture&Organization-AR） 06.操作系统（OperatingSystems-OS） 07.人-机交互（Hum

53、an-ComputerInteraction-HC） 08.图形学与可视计算（Graphics&VisualComputing-GR） 09.智能系统（IntelligentSystems-IS） 10.信息管理（InformationManagement-IM） 11.以网络为中心的计算（Net-CentricComputing-NC） 12.软件工程（SoftwareEngineering-SE） 13.数值计算科学（ComputationalScience-CN） 14.社会道德和职业问题（Social&ProfessionalIssues-SP） 1.4.2 计算机工程学科的知识领域0

54、1.计算机体系结构和组织（Computer Architecture & Organization-CAO）02.计算机系统工程（Computer System Engineering-CSE）03.电路与信号（Circuit & Signals-CSG）04.数据库系统（Database System-DBS）05.数字逻辑（Digital Logic-DIG）06.数字信号处理（Digital Signal Processing-DSP）07.电子学（Electronics-ELE）08.嵌入式系统（Embedded Systems-ESY）09.算法和复杂性（Algorithms & C

55、omplexity-ALG）10.人机交互（Human Computer Interaction-HCI）11.计算机网络（Computer Networks-NWK）12.操作系统（Operating Systems-OPS）13.程序设计基础（Programming Fundamentals-PRF）14.社会和职业问题（Social & Professional Issues-SPR）15.软件工程（Software Engineering-SWE）16.VLSI设计与构造（VLSI Design & Fabrication-VLS）17.离散结构（Discrete Structures

56、-DSC）18.概率和统计（Probability & Statistics-PRS）1.4.3 软件工程学科的知识领域针对CC2004报告，IEEE/ACM软件工程学科组于2004年5月21日公布了软件工程教育知识体系（Software Engineering Education Knowledge-SEEK）的最终报告，这份报告针对软件工程本科教育的课程知识领域，给出了相关的领域方向的课程知识单元和知识点的配置，以及参考课程计划。2004年6月23日，IEEE的另一个学科组，也公布了软件工程知识体系（Software Engineering Body of Knowledge-SWEBOK

57、）的更新版，它被软件行业称为软件工程教育的基本法。SEEK仅仅是针对本科生教育的知识领域，是SWEBOK在教育实施中的一个子集。这两个知识体系分别面向本科软件工程教育和软件工程行业教育和从业要求。1. SEEK（CCSE）的知识领域覆盖点01. 计算的本质（Computing Essentials-CMP）02. 数学与工程基础（Mathematical & Engineering Fundamentals-FND）03. 职业训练（Professional Practice）04. 软件建模与分析（Software Modeling & Analysis-MAA）05. 软件设计（Softw

58、are Design-DES）06. 软件验证（Software Verification & Validation-VAV）07. 软件进化（Software Evolution-EVL）08. 软件过程（Software Process-PRO）09. 软件质量（Software Quality-QUA）10. 软件管理（Software Management-MGT）11. 系统与应用专题（System & Application Specialties-SAS）IEEE/ACM强调了工程教育的基本要求，这些要求是：(1)系统观点：要求学生熟悉系统设计、构造和分析过程。(2)知识的深度和

59、广度：要求学生知识面宽，但应当在一个或多个领域方向上能够深入。(3)设计经验：期望学生参与设计活动，具有项目(尤其是大项目)开发概念。(4)工具使用：要求学生能够使用(软硬件)工具，分析和解决实际问题。(5)职业训练：要让学生了解职业需求，具有“产品”的判断力。这里，产品的概念是广义的，包括软件、系统、行业和应用服务等方面的知识、技能与判断力。(6)交流技巧：训练学生能够以合适的形式(书面、口头、图形等)进行交流与沟通。上述的基本要求，明显地体现了工科学校对工程型人才培养的基本要求，它们不仅仅针对软件工程领域，也针对计算机工程学科、信息系统学科和信息安全学科。 2软件工程知识体系(SWEBOK

60、)IEEE公布的软件工程知识体系(SWEBOK)2004更新版本是一个覆盖整个软件行业和领域的知识体系。SWEBOK-2004较SWEBOK-2001版本进行了较大的修改和更新，这些变化和修改有助于了解国际上软件工程领域的思维观念、领域范畴、技术发展和相关联系。01.软件需求(Software Requirements-SWR)02.软件设计(Software Design-SWD)03.软件构造(Software Construction-SWC)04.软件测试(Software Testing-SWT)05.软件维护(Software Maintenance-SWM)06.软件配置管理(S