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1、第5课 信息科学技术,主要内容,第1节 概述第2节 微电子技术第3节 电子计算机技术第4节 通信技术第5节 信息技术的巨大影响及发展趋势,第1节 概述,一、信息信息含义的争论,信息是信息论中的一个术语，常常把消息中有意义的内容称为信息 别人告诉你一件事，说“前面有个人！”非常含糊！“前面有个老人，是个男的！”更具体！“前面有个老头，是个盲人！”更具体！“前面有个老头，是个盲人！迷路了！”更具体！“前面有个老头，是个盲人！迷路了！需要帮助！”更具体！多数情况下，我们听到的和事情的本质，是存在非常大的差异的！我们听到的是消息！而不是信息！ 举例，单位通知作息时间：“下周开始，长白班，上午上班时间
2、8：0012：00，下午上班时间14：0018：00，即日生效。”这就是信息应用的一个具体事例。提供一个精准数据，供传播执行。,第一就是仙农和维纳，1948年，信息论、控制论创始时，虽然不完全，但有很大进展的、革命化的原始定义。“信息是用来消除随机不定性的东西”、“信息就是信息，既非物质，也非能量”。第二是钟义信的定义，阶段性的突破。期间“信息是被反映的物质属性”算是经典。第三是逆仙农、逆维纳信息定义：即现代、时代的新定义。“信息是确定性的增加。即肯定性的确认。”、“信息就是信息，信息是物质、能量、信息及其属性的标示。”现代通信理论认为，信息指用来表征事物形态和运动特征的一种普遍形式，它包含着
3、事物发出的消息、数据和信号等内容。表达信息的主要形式是文字、声音、数据和图像等。,信息定义的三个重要时段,第1节 概述,一、信息信息的特征可量度、可识别、可转换、可存储、可处理、可传递、可再生、可压缩、可利用、可共享。人类信息活动的五次变革 动作与语言、文字、印刷术、电子技术、计算机,第1节 概述,二、信息科学（information science）是研究信息及其规律的科学，其研究对象是信息，研究内容是如何认识信息和利用信息。其中认识信息是基础，利用信息是目的。信息科学的基本概念是信息。信息，既是信息科学的出发点，也是它的归宿。具体来说，信息科学的出发点是认识信息的本质和它的运动规律；它的归
4、宿则是利用信息来达到某种具体的目的。,第1节 概述,信息科学的研究内容,认识信息,利用信息,信息论,控制论系统论,探讨信息的本质， 建立信息的描述方法， 探明信息的产生获取、变换、传递、存储检索、处理和识别过程的基本关系和规律；,主要是研究如何利用信息进行有效的控制和组织最优系统的原理和方法。,信息科学的体系结构应该是信息论、控制论、系统论三者的有机结合。,第1节 概述,二、信息科学1. 信息论奠基人是美国数学家仙农,1948年发表通信的数学理论通信系统模型：信源信道信宿通信的任务是：复制消息，消除不确定的东西信息论的内容是：信息就是指消息中所包含的新内容与新知识；作用是减少和消除人们对于事物
5、认识的不确定性；信息是一切系统保持一定结构、实现其功能的基础 信息论认为，系统正是通过获取、传递、加工与处理信息而实现其有目的的运动。,第1节 概述,二、信息科学2. 系统论贝塔郎菲（美籍奥地利生物学家）创立一门逻辑和数学领域的科学 目的是企图确定适用于普遍系统的一般原则 研究一切客观现实系统共同的特征、本质、原理和规律 系统论认为：世界上一切事物、现象和过程几乎都是有机整体，且又都自成系统、互为系统；每个系统都是在与环境发生物质、能量、信息的交换中变化发展，并能保持动态稳定的开放系统；系统内部及系统之间保持一种有序状态。,第1节 概述,二、信息科学3. 控制论创建者是美国维纳, 1948年出
6、版控制论控制论是在机构、有机体和社会中的控制和通讯的科学 。研究对象是控制系统 以揭示不同系统的共同的控制规律为理论目的控制论方法：功能模拟方法, 黑箱方法1954年钱学森工程控制论,是工程控制论的奠基性著作,第1节 概述,三、信息技术（information technology）是以电子技术，特别是微电子技术为基础，以计算机技术、通信技术和控制技术三者的综合体为核心的技术群。信息基础技术微电子、光子、光电子、分子电子技术等信息主体技术信息获取、传输、处理、存储技术信息应用技术 “3A技术”FA、OA、HA,思考题：试论述信息技术的应用及存在的问题？,第1节 概述,四、信息产业与信息社会.
7、信息产业进行信息的收集、整理、存储、传输、处理及其应用服务的产业信息技术的实用化和商品化形成了信息产业。设备制造业、软件业、网络业、信息服务业信息产业的特点：新兴产业、知识密集型产业、有资源无公害产业、高效益高增长型产业我国的信息产业 2. 信息社会起主导作用的是知识密集型产业，战略资源是信息和知识,第二节 微电子技术,人类社会的三次科技革命第一次科技革命：在纺织业中产生，以蒸汽技术的发明和使用为标志，也称之为“产业革命”。1774年，英国格拉斯哥大学的修理工瓦特发明蒸汽机。第二次科技革命：以电机的发明和电力的应用为代表，1866年，德国科学家西门子利用电磁铁支制成了实用的发动机并应用于工业。
8、第三次科技革命：以电子计算机、原子能、生物科技和航天技术为代表。目前，世界上正经历着一场新的以微电子技术为核心的电子信息技术革命，即第三次科技革命。微电子技术是信息社会的基石。实现信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机还是通信电子装备，基础都是集成电路，因此，微电子技术被誉为21世纪的先导技术。,什么是微电子技术？,微电子技术是微小型电子元器件和电路的研制、生产以及用其实现电子系统功能的技术领域。在该领域中最主要的是集成电路技术，因此，微电子技术是随着集成电路技术，尤其是大规模集成电路技术的发展而发展起来的一门新兴技术。与传统的电子技术相比，微电子技术不仅可以使电子设备和系统微型化，更重要的
9、是它引起了电子设备和系统的设计、工艺、封装等方面的巨大变革。集成电路设计的出发点不再是单个元器件，而是整个系统或设备，像晶体管、电阻、连线等传统的元器件都是在硅基片内以整体形式互相连接的。,电子电路中元器件的发展演变,电子管(1904),晶体管与集成电路,微电子技术诞生的标志是1947年发明的晶体管，但微电子产业的快速发展是在1958年出现第一块集成电路之后。没有微电子就没有今天的信息社会，就不可能有计算机、现代通信、网络等产业的发展。晶体管的诞生：第二次世界大战期间，雷达的出现使高频探测成为一个重要问题，电子管不仅无法满足这一要求，而且在移动式军用器械和设备上的使用也极其不便和不可靠，因此，
10、晶体管探测器的研究便得到广泛关注。前期的半导体理论和技术方面一系列重大突破，为晶体管的发明提供了理论及实践上的准备。1946年1月，贝尔(Bell)实验室成立了固体物理研究小组及冶金研究小组，并在在1947年12月23日首次观察到了晶体管的放大特性。从此，世界上第一个晶体管诞生了。,集成电路的发展,晶体管发明之后不到五年，即1952年 5月，英国皇家研究所的达默就在美国工程师协会举办的座谈会上第一次提出了集成电路(Integrated Circuit，IC)的设想。1958年，德克萨斯仪器公司(Texas Instrument)的工程师们发明了集成电路。尽管当时一块芯片上只能集成5个晶体管，但
11、是这种将多个晶体管和电阻、电容元件集成在一块芯片内的新型器件，标志着半导体器件的制造工艺水平产生了飞跃。经过40余年的发展，集成电路已经从最初的小规模集成电路发展到目前的巨大规模集成电路和系统芯片，集成的元件数也从当时的十几个发展到目前的几亿个甚至几十亿个。集成电路的出现打破了电子技术中器件与线路分离的传统，开辟了电子元器件与线路甚至整个系统向一体化发展的方向，为电子设备的性能提高、价格降低、体积缩小、能耗降低提供了新途径，为电子设备迅速普及、走向大众奠定了基础。随着集成电路技术的发展，微电子技术已成为改变生产和生活的先导技术，例如：微芯片上的器件密度已达到人脑中神经元密度水平。科学家已经开始
12、讨论把微芯片记忆线路植入人的大脑以治疗老年性痴呆症。几十年来，世界集成电路业的产值以大于13的年增长率持续发展，世界上还没有哪一个产业能够以这样高的速度持续增长。从1968年开始，电子信息领域的论文总数已经超过钢铁业，目前，以集成电路为核心的电子信息产业已经成为第一大产业。,集成电路的应用,目前，微电子芯片已经成为现代工业、农业、国防装备和家庭耐用消费品的细胞。例如，在日本，每个家庭拥有的集成电路芯片平均在100个以上。由于集成电路的原材料主要是硅，因此有人认为，人类自1968年已经进入了继石器时代、青铜器时代、铁器时代之后的硅器时代。随着微电子技术的发展和微型计算机的产生，信息技术的应用得到
13、极其广泛的普及，较重要的信息技术应用成果多达5000余种，人们将其概括为“3C”革命和“3A”革命。“3C”革命是指通信(Communication)、计算机化(Computerization)和自动控制(Control)技术革命。“3C”革命将人类社会推向了划时代的信息新社会。“3A”革命，又称为“三化”革命，是指工厂自动化(FA)、办公自动化(OA)和家庭自动化(HA)。“3A革命”的深入发展，将整个人类社会全面推向自动化。彩色液晶显示器：由薄膜晶体管组成的屏幕，它的每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动的。显示屏上每个像素点后面都有四个（一个黑色、红绿蓝三个彩色）相互独立
14、的薄膜晶体管驱动像素点发出彩色光，可显示24色深的真色彩，可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。,集成电路卡,集成电路卡，即IC卡。它是将集成电路芯片封装成模块并嵌入到塑料卡基中制成的卡片。IC卡是随着计算机技术和微电子技术的发展、结合而产生的一种信息存储媒体。法国的布尔 (BULL)公司于1976年首先制造出IC卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、通讯等多个领域。 IC卡的分类： 按照IC卡与读卡器的通信方式，可分为接触式IC卡和非接触式IC卡两种。按照是否带有微处理器，可分为存储卡和智能卡两种。存储卡仅包含存储芯片而无微处理器，一般的电话IC卡即属于此类。带有内存和微处理器
15、芯片的是智能卡。银行的IC卡通常是指智能卡。智能卡也称为CPU(中央处理器)卡，它具有数据读写和处理功能，因而具有安全性高、可以离线操作等突出优点。所谓离线操作是与联机操作相对而言的，它可以在不连网的终端设备上使用。离线操作不仅大大减少了通信时间，也能够在移动收费点 (如公共交通)或通信不顺畅的场所使用。按照应用领域来划分，IC卡可以分为金融卡和非金融卡两种。金融卡又分为信用卡和现金储值卡；非金融卡是指应用于医疗、通信、交通等非金融领域的IC卡。IC卡的优点：存储容量大；安全保密性好；CPU卡具有数据处理能力；使用寿命长。IC卡的应用：银行系统的应用；收费系统；医疗保险系统；公交管理系统。,第
16、三节 电子计算机技术,一、计算机的发展1.第一台电子计算机。电子数值积分计算机埃尼阿克(ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator)开始研制于1943年，1946年 2月交付使用。这台计算机是采用电子管作为基本元件的庞然大物，装有18万个电子管、7万个电阻器、1万个电容器和6000个开关，重达30t，占地面积150m2，耗电140kW。当它工作时，不得不对附近的居民区停止供电。埃尼阿克用10进制进行计算，存储容量仅千位，平均无故障运行时间也只有7min，计算速度为5000次秒，仅相当于现在一台普通个人电脑的几千分之一。这在当时已经是
17、划时代的高速计算机了。它主要用来进行弹道计算的数值分析，计算炮弹着弹位置所需要的时间比炮弹离开炮口到达目标所需要的时间还要短，一度被誉为“比炮弹还要快的计算机”。,第一台通用电子计算机：ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator1946年2月14日Moore School，Univ. of Pennsylvania18,000个电子管组成,大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30吨；功率：140KW；平均无故障运行时间：7min,计算机的发展,按照计算机硬件结构及系统软件的特点，计算机分为四代。第一代(
18、19461958年)电子管计算机。全世界共有100台左右。其特点是：体积大、耗电大、可靠性差、价格昂贵、维修复杂。第二代(19581964年)晶体管计算机。体积大大缩小，耗电减少，可靠性提高，并把计算速度从每秒几千次提高到几十万次。计算机的程序设计告别了机器指令的时代，适用于科学计算的 FORTRAN语言、通用性的PASCAL语言、简单易学的BASIC等高级编程语言纷纷问世，大大提高了编程的工作效率；此时的计算机主要应用于科学计算和各种事务处理，并开始用于工程控制。第三代(19641971年)集成电路计算机。体积、重量、功耗大幅度降低，性能大幅度提高。在外存储器方面，一种速度更快、纪录密度更高
19、的磁盘成为该代计算机的主流。在系统结构方面，出现了系列化兼容的大、中型机和小型机，其中最有影响力的代表机型是IBM公司的IBM 360和DEC；在软件方面，出现了操作系统，算法语言也更加丰富和完善。由多台计算机通过通信线路互联起来构成的计算机网络开始出现，其典型的代表是美国国防部的ARPANET网。第四代(1971年至现在)大规模集成电路计算机：随着超大规模集成电路和微处理器技术的进步，计算机开始进入寻常百姓家庭。现在人们常常讲“机电一体化”，就是用微处理器改造传统的机器、通信设备和家用电器，使之接受处理器芯片的控制。,电子计算机的发展方向,巨型化：超级计算机。中国的“曙光4000A”，平均每
20、秒8.061万次运算速度。美国劳伦斯利弗摩尔国家实验室的“蓝色基因/L”超级计算机，每秒达136.8万亿次，中国“天河一号”以每秒1271万亿次排名世界第一。微型化网络化智能化,微处理器的升级,微处理器的崛起。1971年英特尔公司研制成功了第一台微处理器4004芯片。 1981年，IBM公司采用8088为中央处理器，推出了IBMPC个人计算机，由于采用了全开放的结构和技术，PC机及兼容机得到了迅猛的发展。摩尔定律。多核处理器与超级计算机。,人工智能技术,人工智能(Artificial Intelligence)是指用计算机模拟人的思维和推理过程。由计算机来表示和执行人类的智能活动，如判断、识别
21、、理解、学习、规划和问题求解等，这就是人工智能。人工智能的研究对象和内容可概括为“机器智能、智能机器”。“机器智能”是研究如何提高机器的应用水平(主要指计算机应用的智能水平)；“智能机器”是研究如何设计高智能水平的机器(特别是智能计算机)的。目前，常见的人工智能系统有专家系统、知识库系统、智能机器人、机器视觉和模式识别、自然语言理解等。,人工智能的三次飞跃,第一次：实现问题求解，带铁人完成部分逻辑推理工作，例如机器定理证明和专家系统。第二次：智能系统能够和环境交互，从运行的环境中获取信息，代替人完成包括不确定性在内的部分思维工作，通过自身的动作对环境施加影响，并适应环境的变化。如智能机器人。第
22、三次：智能系统具有人类的认知和思维能力，能够发现新的知识去完成面临的任务，如基于数据挖掘的系统。,专家系统,人们解决问题时，不仅需要一定的策略，更需要有一定的技巧和知识，包括常识性和专门性知识。各个领域的专家之所以成为专家，其主要原因在于他们拥有大量的专门知识，特别是那些通过长期实践摸索出来的经验知识。因此，在一个模拟人类求解的程序中，不能没有知识，尤其是处理难解问题的专门知识。完善的知识系统加上合适的推理手段构成的智能系统，就是专家系统(Expert System)。专家系统的出现，标志着人工智能开始走向应用化阶段。专家系统是在某领域内具有专家水平，模拟专家的思维活动，推理判断，求解专门问题
23、的计算机软件系统。专家系统一般包括 5个组成部分：知识库、综合数据库、推理机、解释器和接口。知识库一般是固定的；综合数据库一般包括控制策略、中间结果、假设、求解问题等；接口即系统同用户的界面。,模式识别,它研究如何通过一副图像的阴影、形状、颜色、边界和纹理等基本信息来辨别图像。通过分析这些信息，可以推断出图像可能是什么。构造理论和机器视觉方面新理论在20世纪80年代已经开始应用到生产线上的相机和计算机中，用来进行质量控制。目前，在模式识别方面，各种印刷文字、图形、图像(如面部、指纹、印鉴等)的实际应用正在迅速开展。,智能机器人,它分为民用机器人和军用机器人。日本的民用机器人数量最多。我国“86
24、3”计划智能机器人的研究已进入实用阶段，6km水下机器人应用获得成功，标志着我国成为世界上少数能研制这种尖端设备的国家之一。 美国正在研制的军用机器人有100多种，计划大幅度扩充无人战车的自主操作能力和机器人在整个武器系统中的大规模应用。地震灾害等搜救领域得到广泛应用。,人工智能的应用,人工智能应用的主要领域，也就是计算机应用的主要领域。哪里有计算机应用，哪里就可以应用人工智能；哪里需要自动化或半自动化，人工智能的理论、方法和技术就能在哪里派上用场。智能控制。智能控制为解决常规控制难以胜任和应用的问题提供了新途径。例如，缺乏准确数据、完备信息的难以建立数学模型的不确定和不确知的系统。智能控制比
25、常规控制具有更高的智能水平，如具有自适应、自寻优、自学习、自识别、自组织、自协调等智能特性。智能管理。智能管理系统不仅比常规的计算机管理系统具有更高的智能水平，可以为非结构化、半结构化的管理决策提供信息服务和决策支持，而且具有更全面的管理功能，能够同时具备信息管理、事务处理、决策支持等多种功能。智能通信。为了保证通信及时，减少通信拥塞，需要压缩所传输的信息量。传统的信息压缩技术是采用各种信号编码的方法，人工智能的应用为信息压缩提供了新的途径。智能CAD。计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)是计算机应用的重要领域，智能CAD系统应用人工智能方法和技术，可以提高CA
26、D系统的智能水平。它不仅可以辅助绘图工作，而且能够模拟、延伸、扩展设计人员的智能，以实现设计工作的半自动化。,计算机技术的发展趋势,1.和谐的人际交互环境。（1）语音技术的应用。（2）虚拟现实环境。2.计算机技术与应用的新发展。（1）移动存储走向闪存时代。（2）生物芯片。通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，将现在生命科学研究中许多不连续的、离散的分析过程，如样品制备、化学反应和定性、定量检测等手段集成于指甲盖大小的硅芯片或玻璃芯片上，使这些分析过程连续化和微型化。也就是说，将现在需要几间实验室、检验室完成的技术，制作成具有不同用途的便携式生化分析仪，使生物学分析
27、过程全自动化，分析速度成千上万倍地提高，所需样品及化学试剂则成千上万倍地减少。（3）可穿戴计算机。可穿戴计算技术就是把计算机“穿”在身上进行应用的技术，通过微小型设计和合理的布局，将各模块分布到人体的各个部位，从而能时刻伴随使用者的计算机。（4）网络技术。计算机网络是一种整合计算资源的新手段，它不像传统的超级计算机那样放在一个单独的地方，而是在巨型计算机与互联网技术的基础上推出的一项新变革，它将分布在各地的计算机资源包括CPU、存储器、数据库等，通过高速的互联网组成充分共享的资源集成。因特网的作用是将各种计算机联接起来，网站是将各信息资源联接起来，而网络则是将各种计算机资源联接起来。,计算机犯
28、罪的手段,意大利香肠术这种计算机犯罪是采用他人不易觉察的手段，使对方自动做出一连串的细小让步，最后达到犯罪的目的。如美国的一个银行职员每次结算都截留一个四舍五入的利息尾数零头，盗窃了一大笔款项。活动天窗所谓活动天窗，是指程序设计者为了对软件进行调试和维护故意设置在计算机软件系统的入口点。如美国底特律的几位汽车工程师发现了佛罗里达商用分时服务系统中的一个活动天窗，查到了公司总裁的口令，进而获取了具有重要商业价值的计算机文件。废品利用废品利用是指有目的或有选择地在工作现场或从废弃的资料、磁带、磁盘中搜寻具有潜在价值的数据和信息、密码等。,计算机犯罪的手段,数据泄露这是一种有意转移或窃取数据的手段。
29、如有的作案者将一些关键数据混杂在一般性的报表之中，然后在予以提取。间谍在计算机系统上安装微型无线电发射机。如计算机和通信设备辐射出的电磁波信号可以被专用设备接收。电子嗅探器英文名称叫sniffer的电子嗅探器是用来截获和收藏在网络上传输的信息的软件或硬件。冒名顶替是利用他人的访问代码，进入计算机信息系统。口令破解程序口令破解程序是可以解开或者屏蔽口令保护的程序,特洛伊木马术特洛伊木马术是公元前1200年古希腊特洛伊战争中，希腊人为了攻陷特洛伊城，把士兵隐藏在木马腹中进入敌方城堡，从而赢得了战争的胜利，这种战术用在计算机犯罪手段上，是以软件程序为基础进行欺骗和破坏的方法。数据欺骗数据欺骗是指非法
30、篡改计算机输入、处理和输出过程中的数据或者输入假数据，从而实现犯罪目的的手段。逻辑炸弹逻辑炸弹是指在计算机系统中有意设置并插入的某些程序编码，这些编码只有在特定的时间或在特定的条件下才自动激活，从而破坏系统功能或使系统陷入瘫痪状态。,计算机犯罪的手段,电子欺骗技术电子欺骗技术是一种利用目标网络的信任关系，即计算机之间的相互信任关系来获取计算机系统非授权访问的一种方法。如IP地址电子欺骗，就是伪造他人的源IP地址，其实质就是让一台机器来扮演另一台机器，籍以达到蒙混过关的目的。入侵者不用输入用户帐号和口令，就可以侵入目标。利用扫描器扫描器是自动检测远程或本地计算机主机安全性弱点的程序。扫描器是互联
31、网安全领域最出名的破解工具。利用扫描器能使行为人不留痕迹地发现远在他国的一台服务器的安全性的弱点，从而入侵该系统。,计算机犯罪的手段,第四节 现代通信技术,一、通信技术的含义及其分类通信技术是研究如何实现电通信和光通信的技术按业务内容分：电话，电报，传真，可视图文等按信号形式分：模拟通信技术和数字通信技术按传播方式分：有线通信技术和无线通信技术,第四节 现代通信技术,二、现代通信技术 1.数字程控交换技术2. 卫星通信技术3. 光纤通信技术4. 数字通信技术5. 多媒体通信技术（视听觉信息处理技术）,第四节 现代通信技术,三、移动通信1蜂窝移动电话2无线寻呼接收机3无绳电话4 集群通信 ,第五节 信息技术的巨大 影响及发展趋势,一、信息技术的巨大影响1社会信息化的加速器2现代产业结构的变革器3军事改革的推进器4就业转向的催化剂5变更生活方式的利器,第五节 信息技术的巨大 影响及发展趋势,二、信息技术的发展趋势 发展方向：综合化，细微化，实用化重要领域：集成电路技术，计算机技术，通信技术，机器人技术。,日本举办国际机器人展(11.25),南京仿人形机器人表演舞蹈千手观音,
