信息學科導論-c1[1].6

1、信息學科導論,主講人:施榮華中南大學信息科學與工程學院 shirh@mail.csu.edu.cn,Introduction of Information Science and Technology,第1章 信息科學與技術概述,關于課程基本概念發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展趨勢與信息相關的學科基礎工業(yè)化、自動化、信息化、現(xiàn)代化,1.1 關于課程,更好地貫徹按大類統(tǒng)一招生的精神 信息科學、技術及工程的入門和導引性質的課程 “通識性”和

2、“概論性” 共五章,五個部份,由相關專業(yè)教授編寫講義,由相關專業(yè)教授主講相關部分內容信息科學與技術概述微電子與信號處理 通信科學與技術 控制科學與工程 計算機科學與技術,大科學觀：科學的任務是要研究 自然界的客觀規(guī)律， 人類和社會的發(fā)展規(guī)律， 科學自身發(fā)展的規(guī)律（為什么會發(fā)生？怎樣發(fā)生？ 怎樣發(fā)展？

3、） 科學與人的關系是什么？ 科學、技術、經(jīng)濟、社會之間存在什么關系？ 科學發(fā)展的社會后果是什么？,小科學觀：科學的任務就是研究和認識自然規(guī)律。,只有把握了大科學觀，才能真正把握科學。,1.2 基本概念--“大科學觀”,科學是人類創(chuàng)建的一種關于自然和社會（因而也包括人類自身）的本質以及他們的運動規(guī)律的開放理論知識體系，它在長期的社會實踐過程中被人們發(fā)現(xiàn)

4、、提煉和抽象出來，又經(jīng)過長期社會實踐的檢驗而逐漸得到確立和更新。,1.2 基本概念--科學與技術,技術是人類創(chuàng)造的一種關于如何認識自然和如何改造自然的工藝方法體系，它在長期的社會實踐過程中被人們總結出來，或者在科學理論指導下發(fā)明出來，經(jīng)過實踐檢驗證實而得到確認和應用。,,,人類的生物學進化（器官功能分化與強化）,沒有科學，沒有技術,人類的文明進化（利用資源，制造工具，強化能力）,科學技術由此萌生，并不斷成長,,1.2 基本

5、概念--科學技術發(fā)生學,,,,,,,,,,,,,,,,已有的功能水平,差距,實踐過程,科學,技術,更高的功能水平,更高的 生存 目標,(Difference Driven and Directed Development Model),,,,,,,,,1.2 基本概念--看不見的手: D4 Model,輔人律：科學技術的本質功能是輔人,擬人律：科學技術的發(fā)展軌跡是擬人,共生律：人主機輔，能力互補,1.2 基本概念--科學技術發(fā)

6、生發(fā)展三定律,,科學技術的輔人機理：生產(chǎn)力構型,,,,生產(chǎn)工具,勞動對象,勞動者,科學技術,,,,資源,,,,,,人的需求,對象性質,1.2 基本概念--輔人機理,輔人-擬人的實現(xiàn)奧秘：能力-資源-工具,利用外部資源，創(chuàng)制生產(chǎn)工具，擴展人的能力,,,物質,能量,信息,智能,動力,實體,,,,工具功能,資源類型,,人類能力,,體力,,智力,,體質,1.2 基本概念--輔人與擬人,輔人-擬人的序：“文明劃分”準則,,,,,,,古代,近

7、代,現(xiàn)代,材料科學技術,能量科學技術,信息科學技術,人力工具,動力工具,智能工具,農(nóng)業(yè)文明,工業(yè)文明,信息文明,,,,,增強體質,擴展體力,擴展智力,,物質資源,,時代,資源,科技,工具,功能,文明,能量資源,信息資源,物質?能量? 信息：由相對直觀到相對抽象,,1.2 基本概念--輔人與擬人,1．心理學研究前蘇聯(lián)心理學家斯米爾諾夫認為：能力是作為成功地完成某種活動的條件的那些個性心理特征。魯賓斯坦提出：能力是在個體中固定下來

8、的、概括化了的心理活動的系統(tǒng)。目前較為綜合的觀點認為，能力是人們順利完成某種活動所必須具備的，并直接影響活動效率的那些個性心理特征。心理學認為，人的能力種類很多，可以根據(jù)不同的標準進行分類，如：按照傾向性可以劃分為一般能力和特殊能力；按照功能可以劃分為認知能力、操作能力和社交能力；。。。,1.2 基本概念--人的能力,2．心理學以外 ,人們也有不同的見解，如：能力總是同人的某種活動相聯(lián)系并表現(xiàn)在活動之中。一方面能力是在活動中

9、形成、發(fā)展并表現(xiàn)出來的；另一方面，從事某種活動又必須以一定的能力為前提。能力是人的綜合素質在現(xiàn)實行動中表現(xiàn)出來的，正確駕馭某種活動的實際本領、能量和熟練水平。能力是實現(xiàn)人的價值的一種有效方式，也是左右與支配人生命運的一種主導性的積極力量。從生存與適應角度來看，人類有嗅覺、聽覺、視覺等能力；從活動角度來看，人類有創(chuàng)造力、思維力、決斷力、應變力、執(zhí)行力、組織力、交際力、表達力、自制力；。。。,1.2 基本概念--人的能力,從宏觀角

10、度來考察，人類能力可分為三個基本方面體質能力體力能力智力能力人類能力的進化歷程, 呈現(xiàn)出明顯的階段特征：體質能力首先成為發(fā)展的重點和基礎；接著是體力能力得到必要的強化；最后才是智力能力實現(xiàn)長足的進步。,1.2 基本概念--人的能力,1.2 基本概念--體質能力的擴展,,生物進化：人類自身生理器官功能分化和強化。這一時期人類能力發(fā)展的主要內容是體質能力的增強。主要通過利用外界物質材料制造和使用工具來擴展人類自身的體質能力

11、。,1.2 基本概念--體力能力的擴展,蒸汽機、電和內燃機是劃時代的新的生產(chǎn)工具。人類生產(chǎn)方式從手工生產(chǎn)變成機器生產(chǎn)。從農(nóng)業(yè)社會向工業(yè)社會的成功跨越。人類開始進入工業(yè)文明發(fā)展階段。 自然科學研究空前活躍英國物理學家焦耳發(fā)現(xiàn)了電流通過導體時產(chǎn)生熱量的規(guī)律，并測定了熱功當量；俄國化學家門捷列夫發(fā)現(xiàn)了化學元素周期律；德國生理學家施萬發(fā)現(xiàn)糖和淀粉都是生命過程的結果，為食品工業(yè)奠定了理論基礎；英國博物學家達爾文出版了《物種起源》，

12、提出了以自然選擇為基礎的進化學說；。。。,1.2 基本概念--體力能力的擴展,科學研究的新成果迅速轉化為生產(chǎn)力，使社會生產(chǎn)得到了前所未有的增長。 電動機、電燈、電話、電報、電焊、電鉆…火車、輪船、汽車…尿素、尼龍、橡膠、農(nóng)藥、除草劑…各種藥品 …動力工具不再需要人力驅動但還需要人來駕馭 具有了比人力工具高得多的勞動生產(chǎn)率與上一時期相比，人類不僅增強了利用物質材料制造工具的能力，而且學會了利用各種新的能量動力資源來幫

13、助和替代人力勞動，從而使得人類獲得了更好的認識世界和改造世界的能力。,1.2 基本概念--智力能力的擴展,20世紀40年代至今，計算機、原子能和空間科技飛速發(fā)展，并在電子、能源、材料三大基本技術領域展開，人類開始邁入信息社會。 隨著現(xiàn)代信息技術的開發(fā)與廣泛應用，以信息技術為核心的高新技術產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展起來。 信息革命，使人類消費模式從物質消費型轉向信息消費型，是從工業(yè)社會向信息社會的轉變，人類進入了信息文明發(fā)展階段。,1.2 基本概念

14、--智力能力的擴展,更先進的工具 機器人1959年德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。專家系統(tǒng)1965年，費根鮑姆等人研制了世界上第一個專家系統(tǒng)dendral，可以推斷化學分子結構。網(wǎng)絡個人計算機數(shù)字通信網(wǎng)絡“地球村”,1.2 基本概念—信息成為資源,科技的發(fā)展造就了人類前所未有的征服和改造自然的巨大生產(chǎn)力。現(xiàn)代人類的能力得到了快速的發(fā)展。在體質和體力能力得到進一步完善的同時，智力能

15、力終于登上了歷史舞臺，開始成為人類能力發(fā)展的主要內容。人類開始學會利用一種嶄新的資源——信息。從兩種資源（物質和能量）的開發(fā)和綜合利用進步到三種資源（物質、能量和信息）的開發(fā)和綜合利用，標志著人類認識世界和改造世界能力的一個更加偉大的進步。,1.2 基本概念—智能工具,綜合利用物質資源、能量資源和信息資源，可以制造不僅具有動力、而且具有智能的高級工具 – 智能工具：不需要人的驅動也不需要人的駕馭自主的類人機器 綜合擴展了人

16、類的體質、體力和智力能力,1.2 基本概念—人類能力擴展與科學技術發(fā)展,科學技術的發(fā)展方向確實跟隨著人類能力擴展的需求亦步亦趨，貫徹始終，宏觀上從來沒有脫離這個軌道。外部資源 – 科學技術 – 先進工具 – 能力擴展。 擴展體質能力的物質資源、材料科學技術和質料工具擴展體力能力的能量資源、能量科學技術和動力工具擴展智力能力的信息資源、信息科學技術和智能工具 正像人類能力的發(fā)展呈現(xiàn)出“體質能力的發(fā)展最先起步，接著是體力能力的成長

17、，然后是智力能力的發(fā)展”，科學技術的發(fā)展也是“材料科學技術最先起步，接著是能量科學技術成長，然后是信息科學技術的發(fā)展”。,1.2 基本概念—人類能力擴展與科學技術發(fā)展,在人類的體質、體力和智力能力這三者之間，作為“萬物之靈”的“靈性”體現(xiàn)，智力能力相對而言最為復雜最為高級，體質能力相對而言較為簡單較為基礎，體力能力則介于二者之間；從利用資源制造工具的發(fā)展過程來說，在物質資源、能量資源、信息資源之間，物質資源相對比較直觀，信息資源相對比

18、較抽象，能量資源介于兩者之間。古代人類所利用的表征性資源是物質資源，表征性科學技術是材料科學技術，表征性的工具是質料工具。 近代人類所利用的表征性資源是能量資源，表征性的科學技術是能量科學技術，表征性工具是動力工具。 現(xiàn)代人類所利用的表征性資源則是信息資源，與此相應，表征性的科學技術是信息科學技術，表征性的工具是智能工具。,1.2 基本概念—信息時代的表征,隨著信息科學技術的產(chǎn)生和迅速成長，人類對信息資源的認識也不斷深入，對信息資

19、源的開發(fā)和利用不斷取得新的進展。人類正在越來越充分地學會利用各種信息資源，把它們轉換成為相應的知識，進一步把知識轉換成為智能，并與卓越的材料和高效的動力有機結合，創(chuàng)造出各種奇妙的智能工具。信息科學技術的革命使社會和經(jīng)濟產(chǎn)生了根本變化：信息成為一種最重要的資源；信息產(chǎn)業(yè)變成最大的產(chǎn)業(yè)部門；腦力勞動成為創(chuàng)造社會財富的重要源泉；社會經(jīng)濟將實現(xiàn)信息網(wǎng)絡化。因此，人們常把信息科學技術及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平視為一個國家科技、經(jīng)濟、軍事實力

20、的重要標志之一；把以信息科學技術為龍頭的一系列高新技術的發(fā)展視為新的產(chǎn)業(yè)革命即將來臨的征候。,思維器官,,問題/約束,獲取信息,策略執(zhí)行,信息傳遞,策略傳遞,信息處理,策略生成,,,,,,,,原始信息,智能 策略,智能 行為,,目標,信息認知,,知識,1.2 基本概念—信息科學技術的原型系統(tǒng),感覺器官,神經(jīng)系統(tǒng),效應器官,神經(jīng)系統(tǒng),有序信息,知識庫,,感知信息,智能策略,智能 行為,1.2 基本概念—信

21、息科學技術的學科結構,,問題/約束,信息獲取,策略執(zhí)行,信息傳遞,策略傳遞,信息處理,策略生成,,,,,,,,原始信息,智能 策略,,目標,信息認知,,知識,傳感,通信,計算 智能,控制,通信,有序信息,知識庫,,1.2 基本概念—信息與信息科學,信息科學以信息為主要研究對象，以信息的運動規(guī)律和應用方法為主要研究內容，以計算機等技術為主要研究工具，以擴展人類的信息功能為主要目標的一門新興的

22、綜合性學科。由信息論、控制論、計算機科學、仿生學、系統(tǒng)工程與人工智能等學科互相滲透、互相結合而形成的。信息和控制是信息科學的基礎和核心。信息人類對自然世界的了解的物化形式數(shù)據(jù)、信息、知識和智慧數(shù)據(jù)是未加工過的“信息”信息通過將事實和給定的語境關聯(lián)而導出知識將某語境中的信息和在不同語境中得到的信息相關聯(lián)智慧是從完全不同的知識導出的一般性原理,1.2 基本概念—信息科學與技術及信息產(chǎn)業(yè),信息科學技術：主要研究信息的產(chǎn)生、獲

23、取、存儲、傳輸、處理及其應用以微電子、計算機、軟件、通信訊技術為主導微電子是基礎，計算機及通信設施是載體，而軟件是核心，是計算機的靈魂信息產(chǎn)業(yè)：進行信息的收集、整理、存儲、傳輸、處理及其應用服務的產(chǎn)業(yè)已成為世界第一大產(chǎn)業(yè)信息技術革命正迅猛改變人們所生存的社會，人類開始從工業(yè)社會進入信息時代信息技術在世界新技術革命中，不僅作為一項獨立的技術而存在，還廣泛滲透于各個高技術領域，以及生產(chǎn)、經(jīng)營、管理等過程，成為它們發(fā)展的基本依據(jù)和

24、重要手段信息科學與技術的特色可以概括為發(fā)展迅猛，影響深遠，需求緊迫，淘汰迅速,1.2 基本概念—信息科學研究的課題,信息科學正在形成和迅速發(fā)展，人們對其研究內容的范圍尚無統(tǒng)一的認識?，F(xiàn)在主要的研究課題集中在以下六個方面：信源理論和信息的獲取，研究自然信息源和社會信息源，以及從信息源提取信息的方法和技術；信息的傳輸、存儲、檢索、變換和處理；信號的測量、分析、處理和顯示；模式信息處理，研究對文字、圖像、聲音等信息的處理、分類和識

25、別研制機器視覺系統(tǒng)和語音識別裝置；知識信息處理，研究知識的表示、獲取和利用，建立具有推理和自動解決問題能力的知識信息處理系統(tǒng)即專家系統(tǒng)；決策和控制，在對信息的采集、分析、處理、識別和理解的基礎上做出判斷、決策或控制，從而建立各種控制系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)和決策支持系統(tǒng)。,1.2 基本概念—信息社會,信息化社會指以信息技術為基礎,以信息產(chǎn)業(yè)為支柱，以信息價值的生產(chǎn)為中心，以信息產(chǎn)品為標志的社會。 信息社會的特點：信息成為了重要的資源；

26、信息和知識是推動社會發(fā)展的重要動力；知識以“加速度”方式積累(知識爆炸)；多種形式的提供給多種感官的信息。信息對國民經(jīng)濟和國防建設的巨大驅動力 信息對國民經(jīng)濟的驅動力 各行各業(yè)信息對國防建設的驅動力 上天入地,信息邊疆,信息戰(zhàn),1.3 發(fā)展現(xiàn)狀,Internet信息業(yè)務火爆 1969年由ARPA建立試驗網(wǎng)絡ARPAnet1984年Internet處于研究實驗階段 到1992年是Internet向實用化發(fā)展階段,

27、步入了其商業(yè)化發(fā)展階段 1993年1月網(wǎng)上計算機共131.3萬臺 1997年1月已猛增到1614.6萬臺 2008年,全球用戶使用的上網(wǎng)設備將超過15億臺，其中包括計算機、手機和可上網(wǎng)的游戲機等 2008年中國互聯(lián)網(wǎng)人口將達到2.75億 ,世界第一,1.3 發(fā)展現(xiàn)狀2,移動通信進展神速 1897年，M.G．馬可尼所完成的無線通信試驗就是在固定站與一艘拖船之間進行的，距離為18海里 上世紀70年代末期，當模擬蜂窩系統(tǒng)還處于開發(fā)

28、階段時，一些發(fā)達國家就著手數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)的研究。到80年代中期，歐洲首先推出了泛歐數(shù)字移動通信網(wǎng)(GSM)的體系。 CDMA技術的出現(xiàn)源自于人類對更高質量無線通信的需求。 3G,4G信息家電普遍及千家萬戶 信息家電(或信息電器，information appliance)是一種價格低廉、操作簡便、實用性強、帶有PC主要功能的家電產(chǎn)品。 IPV6電子商務(Electronic Commerce) B2B,B2C,C2C

29、,1.4 發(fā)展趨勢,基礎支撐技術的發(fā)展微電子,軟件,光子學計算機科學與技術的發(fā)展“ 后PC” 時代正在到來。計算機技術發(fā)展的第三次浪潮的核心就是要把普通的計算技術運用到各種日常的器具之中，并使它具有聯(lián)網(wǎng)功能和高度智能化。 通信技術的發(fā)展通信技術的數(shù)字化、寬帶化、高速化和智能化是現(xiàn)代通信技術的發(fā)展趨勢。傳感技術的發(fā)展 把那些人類感覺器官收集不到的各種有用信息提取出來，從而延長和擴展人類收集信息的功能?？傮w發(fā)展趨勢 高速、

30、大容量;綜合化;數(shù)字化; 個人化與個性化,1.5 與信息相關的學科基礎,微電子學微電子技術是現(xiàn)代電子信息技術的直接基礎。主要研究新型電子器件及大規(guī)模集成電路的設計、制造，計算機輔助集成電路分析，各種電子器件的基礎理論、新型結構、制造工藝和測試技術，以及新型集成器件的開發(fā)。 與之相關的部件:CPU,存儲器軟件 軟件產(chǎn)業(yè)是信息產(chǎn)業(yè)(I T)的核心 軟件通常意義上分為三層，最底層是緊靠硬件的系統(tǒng)軟件，特別是操作系統(tǒng)；中層是一系列中

31、間件產(chǎn)品；上層是公共應用軟件以及面向領域行業(yè)的專用應用軟件。國產(chǎn)軟件,1.5 與信息相關的學科基礎2,光子學 “光子學是研究以光子作為信息載體的科學”。 光子學是研究作為信息和能量載體的光子行為及其應用的科學,1.6 工業(yè)化、自動化、信息化、現(xiàn)代化,工業(yè)化表示現(xiàn)代工業(yè)在國民經(jīng)濟占主要地位的進程。幾個典型的階段機械化，也就是在各種生產(chǎn)中大規(guī)模的使用各種機器，來取代人的體力勞動。電氣化，它的動力從原來的蒸汽機、機械，熱功的動力，

32、發(fā)展到用電作為主要的動力，也就是電動機、發(fā)電機、電力網(wǎng)大量的應用?；A自動化階段，就是在機電系統(tǒng)中加入各種各樣的控制器。,1.6 工業(yè)化、自動化、信息化、現(xiàn)代化2,自動化 自動化指在無人或較少人的情況下，按照人的要求，對設備、過程或者系統(tǒng)進行控制和管理，以完成其承擔的任務。,1.6 工業(yè)化、自動化、信息化、現(xiàn)代化3,信息化 指用信息技術推動經(jīng)濟發(fā)展和社會進步的進程 （1）信息獲取各個傳感器就是為了獲取各種各樣的信息。例如，溫度

33、、壓力、流量、成分等信息，位置、速度、加速度等信息。（2）信息傳輸獲取信息之后要把它送出去。有線、無線、網(wǎng)絡等各種渠道都可以把信息傳遞到目的地。通信是一個發(fā)展非常快的領域。（3）信息處理接收到傳遞過來的信息以后要進行處理。聲音信息的處理就是把傳輸來的電信號再還原成聲音。臉、指紋、圖形、圖像、文字，這些都要處理。處理離不開計算機。（4）自動化自動化在信息技術中屬于綜合應用，,1.6 工業(yè)化、自動化、信息化、現(xiàn)代化3,現(xiàn)代化世

34、界上第一次現(xiàn)代化進程是伴隨著工業(yè)化、城市化進行的。第二次現(xiàn)代化進程是當前的信息化、知識化。資本是勞動生產(chǎn)要素，而現(xiàn)在知識也是勞動生產(chǎn)要素了。作為工業(yè)現(xiàn)代化（也就是發(fā)達國家進入的后工業(yè)化階段，不是前面的初級工業(yè)化），它經(jīng)歷了機械化、電氣化、基礎自動化、計算機化（使用計算機）、網(wǎng)絡化（互聯(lián)網(wǎng)）以及智能化、系統(tǒng)化。大規(guī)模工業(yè)系統(tǒng)的智能化、集成化與優(yōu)化便是先進自動化。,,本章小結,信息社會的由來信息,信息社會,信息科學與技術,信息產(chǎn)業(yè)信

35、息學科的相關基礎信息科學的發(fā)展趨勢工業(yè)化、自動化、信息化與現(xiàn)代化的關系,作業(yè),．搜索最新的Internet相關數(shù)據(jù)如全球上網(wǎng)人數(shù)、使用電子郵件人數(shù)、服務器個數(shù)？并搜索我國最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。．列舉信息家電，其中哪部分與信息直接相關？．列舉信息技術發(fā)展的2~3個典型趨勢，并預測可能有的突破性進展。．信息化的基礎有哪些？依你所見，最有可能突破的是哪些基礎，其將信息化帶來什么樣的影響？任選其中二個, 可交電子稿到shirh的郵箱(請寫

36、清學號,班級,姓名),或由學習委員收齊后交到主校區(qū)計算機樓108, deadline:下星期三之前。,進一步閱讀的建議,A. 參考文獻馮秉銓，現(xiàn)代科學技術中的信息科學，百科知識，第48頁，1980蔡長年，信息論學會年會講話，信息論與Walsh函數(shù)論文集，第1頁，1980周炯槃，關于信息科學，信息論與Walsh函數(shù)會議錄，第10頁，1980鐘義信，信息科學，自然雜志，No．3，1979鐘義信，信息學漫談，科學普及出版社，1984