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1、信息学科导论,主讲人:张祖平中南大学信息科学与工程学院,Introduction of Information Science and Technology,第1章 信息科学与技术概述,关于课程基本概念发展现状发展趋势与信息相关的学科基础工业化、自动化、信息化、现代化,1.1 关于课程,更好地贯彻按大类统一招生的精神 信息科学、技术及工程的入门和导引性质的课程“通识性”和“概论性”共七章,一个附录，分六个部份讲授,由相关专业教授编写讲义,由相关专业教授主讲相关部分内容信息科学与技术概述微电子与信号处理 通信科学与技术 控制科学与工程 计算机科学与技术 数字图像处理,大科学观：科学的任务是要研究
2、 自然界的客观规律，人类和社会的发展规律，科学自身发展的规律（为什么会发生？怎样发生？怎样发展？）科学与人的关系是什么？科学、技术、经济、社会之间存在什么关系？科学发展的社会后果是什么？,小科学观：科学的任务就是研究和认识自然规律。,只有把握了大科学观，才能真正把握科学。,1.2 基本概念-“大科学观”,科学是人类创建的一种关于自然和社会（因而也包括人类自身）的本质以及他们的运动规律的开放理论知识体系，它在长期的社会实践过程中被人们发现、提炼和抽象出来，又经过长期社会实践的检验而逐渐得到确立和更新。,1.2 基本概念-科学与技术,技术是人类创造的一种关于如何认识自然和如何改造自然的工艺方法体系
3、，它在长期的社会实践过程中被人们总结出来，或者在科学理论指导下发明出来，经过实践检验证实而得到确认和应用。,人类的生物学进化（器官功能分化与强化）,没有科学，没有技术,人类的文明进化（利用资源，制造工具，强化能力）,科学技术由此萌生，并不断成长,1.2 基本概念-科学技术发生学,已有的功能水平,差距,实践过程,科学,技术,更高的功能水平,更高的 生存 目标,(Difference Driven and Directed Development Model),1.2 基本概念-看不见的手:D4 Model,辅人律：科学技术的本质功能是辅人,拟人律：科学技术的发展轨迹是拟人,共生律：人主机辅，能力
4、互补,1.2 基本概念-科学技术发生发展三定律,科学技术的辅人机理：生产力构型,生产工具,劳动对象,劳动者,科学技术,资源,人的需求,对象性质,1.2 基本概念-辅人机理,辅人-拟人的实现奥秘：能力-资源-工具,利用外部资源，创制生产工具，扩展人的能力,物质,能量,信息,智能,动力,实体,工具功能,资源类型,人类能力,体力,智力,体质,1.2 基本概念-辅人与拟人,辅人-拟人的序：“文明划分”准则,古代,近代,现代,材料科学技术,能量科学技术,信息科学技术,人力工具,动力工具,智能工具,农业文明,工业文明,信息文明,增强体质,扩展体力,扩展智力,物质资源,时代,资源,科技,工具,功能,文明,能
5、量资源,信息资源,物质能量 信息：由相对直观到相对抽象,1.2 基本概念-辅人与拟人,1心理学研究前苏联心理学家斯米尔诺夫认为：能力是作为成功地完成某种活动的条件的那些个性心理特征。鲁宾斯坦提出：能力是在个体中固定下来的、概括化了的心理活动的系统。目前较为综合的观点认为，能力是人们顺利完成某种活动所必须具备的，并直接影响活动效率的那些个性心理特征。心理学认为，人的能力种类很多，可以根据不同的标准进行分类，如：按照倾向性可以划分为一般能力和特殊能力；按照功能可以划分为认知能力、操作能力和社交能力；。,1.2 基本概念-人的能力,2心理学以外,人们也有不同的见解，如：能力总是同人的某种活动相联系并
6、表现在活动之中。一方面能力是在活动中形成、发展并表现出来的；另一方面，从事某种活动又必须以一定的能力为前提。能力是人的综合素质在现实行动中表现出来的，正确驾驭某种活动的实际本领、能量和熟练水平。能力是实现人的价值的一种有效方式，也是左右与支配人生命运的一种主导性的积极力量。从生存与适应角度来看，人类有嗅觉、听觉、视觉等能力；从活动角度来看，人类有创造力、思维力、决断力、应变力、执行力、组织力、交际力、表达力、自制力；。,1.2 基本概念-人的能力,从宏观角度来考察，人类能力可分为三个基本方面体质能力体力能力智力能力人类能力的进化历程,呈现出明显的阶段特征：体质能力首先成为发展的重点和基础；接着
7、是体力能力得到必要的强化；最后才是智力能力实现长足的进步。,1.2 基本概念-人的能力,1.2 基本概念-体质能力的扩展,生物进化：人类自身生理器官功能分化和强化。这一时期人类能力发展的主要内容是体质能力的增强。主要通过利用外界物质材料制造和使用工具来扩展人类自身的体质能力。,1.2 基本概念-体力能力的扩展,蒸汽机、电和内燃机是划时代的新的生产工具。人类生产方式从手工生产变成机器生产。从农业社会向工业社会的成功跨越。人类开始进入工业文明发展阶段。自然科学研究空前活跃英国物理学家焦耳发现了电流通过导体时产生热量的规律，并测定了热功当量；俄国化学家门捷列夫发现了化学元素周期律；德国生理学家施万发
8、现糖和淀粉都是生命过程的结果，为食品工业奠定了理论基础；英国博物学家达尔文出版了物种起源，提出了以自然选择为基础的进化学说；。,1.2 基本概念-体力能力的扩展,科学研究的新成果迅速转化为生产力，使社会生产得到了前所未有的增长。电动机、电灯、电话、电报、电焊、电钻火车、轮船、汽车尿素、尼龙、橡胶、农药、除草剂各种药品 动力工具不再需要人力驱动但还需要人来驾驭 具有了比人力工具高得多的劳动生产率与上一时期相比，人类不仅增强了利用物质材料制造工具的能力，而且学会了利用各种新的能量动力资源来帮助和替代人力劳动，从而使得人类获得了更好的认识世界和改造世界的能力。,1.2 基本概念-智力能力的扩展,20
9、世纪40年代至今，计算机、原子能和空间科技飞速发展，并在电子、能源、材料三大基本技术领域展开，人类开始迈入信息社会。随着现代信息技术的开发与广泛应用，以信息技术为核心的高新技术产业迅猛发展起来。信息革命，使人类消费模式从物质消费型转向信息消费型，是从工业社会向信息社会的转变，人类进入了信息文明发展阶段。,1.2 基本概念-智力能力的扩展,更先进的工具 机器人1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫英格伯格联手制造出第一台工业机器人。专家系统1965年，费根鲍姆等人研制了世界上第一个专家系统dendral，可以推断化学分子结构。网络个人计算机数字通信网络“地球村”,1.2 基本概念信息成为资源,科技的
10、发展造就了人类前所未有的征服和改造自然的巨大生产力。现代人类的能力得到了快速的发展。在体质和体力能力得到进一步完善的同时，智力能力终于登上了历史舞台，开始成为人类能力发展的主要内容。人类开始学会利用一种崭新的资源信息。从两种资源（物质和能量）的开发和综合利用进步到三种资源（物质、能量和信息）的开发和综合利用，标志着人类认识世界和改造世界能力的一个更加伟大的进步。,1.2 基本概念智能工具,综合利用物质资源、能量资源和信息资源，可以制造不仅具有动力、而且具有智能的高级工具 智能工具：不需要人的驱动也不需要人的驾驭自主的类人机器 综合扩展了人类的体质、体力和智力能力,1.2 基本概念人类能力扩展与
11、科学技术发展,科学技术的发展方向确实跟随着人类能力扩展的需求亦步亦趋，贯彻始终，宏观上从来没有脱离这个轨道。外部资源 科学技术 先进工具 能力扩展。扩展体质能力的物质资源、材料科学技术和质料工具扩展体力能力的能量资源、能量科学技术和动力工具扩展智力能力的信息资源、信息科学技术和智能工具 正像人类能力的发展呈现出“体质能力的发展最先起步，接着是体力能力的成长，然后是智力能力的发展”，科学技术的发展也是“材料科学技术最先起步，接着是能量科学技术成长，然后是信息科学技术的发展”。,1.2 基本概念人类能力扩展与科学技术发展,在人类的体质、体力和智力能力这三者之间，作为“万物之灵”的“灵性”体现，智力
12、能力相对而言最为复杂最为高级，体质能力相对而言较为简单较为基础，体力能力则介于二者之间；从利用资源制造工具的发展过程来说，在物质资源、能量资源、信息资源之间，物质资源相对比较直观，信息资源相对比较抽象，能量资源介于两者之间。古代人类所利用的表征性资源是物质资源，表征性科学技术是材料科学技术，表征性的工具是质料工具。近代人类所利用的表征性资源是能量资源，表征性的科学技术是能量科学技术，表征性工具是动力工具。现代人类所利用的表征性资源则是信息资源，与此相应，表征性的科学技术是信息科学技术，表征性的工具是智能工具。,1.2 基本概念信息时代的表征,随着信息科学技术的产生和迅速成长，人类对信息资源的认
13、识也不断深入，对信息资源的开发和利用不断取得新的进展。人类正在越来越充分地学会利用各种信息资源，把它们转换成为相应的知识，进一步把知识转换成为智能，并与卓越的材料和高效的动力有机结合，创造出各种奇妙的智能工具。信息科学技术的革命使社会和经济产生了根本变化：信息成为一种最重要的资源；信息产业变成最大的产业部门；脑力劳动成为创造社会财富的重要源泉；社会经济将实现信息网络化。因此，人们常把信息科学技术及其产业的发展水平视为一个国家科技、经济、军事实力的重要标志之一；把以信息科学技术为龙头的一系列高新技术的发展视为新的产业革命即将来临的征候。,思维器官,问题/约束,获取信息,策略执行,信息传递,策略传
14、递,信息处理,策略生成,原始信息,智能 策略,智能 行为,目标,信息认知,知识,1.2 基本概念信息科学技术的原型系统,感觉器官,神经系统,效应器官,神经系统,有序信息,知识库,感知信息,智能策略,智能 行为,1.2 基本概念信息科学技术的学科结构,问题/约束,信息获取,策略执行,信息传递,策略传递,信息处理,策略生成,原始信息,智能 策略,目标,信息认知,知识,传感,通信,计算 智能,控制,通信,有序信息,知识库,1.2 基本概念信息与信息科学,信息科学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
15、性学科。由信息论、控制论、计算机科学、仿生学、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相结合而形成的。信息和控制是信息科学的基础和核心。信息人类对自然世界的了解的物化形式数据、信息、知识和智慧数据是未加工过的“信息”信息通过将事实和给定的语境关联而导出知识将某语境中的信息和在不同语境中得到的信息相关联智慧是从完全不同的知识导出的一般性原理,1.2 基本概念信息科学与技术及信息产业,信息科学技术：主要研究信息的产生、获取、存储、传输、处理及其应用以微电子、计算机、软件、通信讯技术为主导微电子是基础，计算机及通信设施是载体，而软件是核心，是计算机的灵魂信息产业：进行信息的收集、整理、存储、传输、处理及
16、其应用服务的产业已成为世界第一大产业信息技术革命正迅猛改变人们所生存的社会，人类开始从工业社会进入信息时代信息技术在世界新技术革命中，不仅作为一项独立的技术而存在，还广泛渗透于各个高技术领域，以及生产、经营、管理等过程，成为它们发展的基本依据和重要手段信息科学与技术的特色可以概括为发展迅猛，影响深远，需求紧迫，淘汰迅速,1.2 基本概念信息科学研究的课题,信息科学正在形成和迅速发展，人们对其研究内容的范围尚无统一的认识。现在主要的研究课题集中在以下六个方面：信源理论和信息的获取，研究自然信息源和社会信息源，以及从信息源提取信息的方法和技术；信息的传输、存储、检索、变换和处理；信号的测量、分析、
17、处理和显示；模式信息处理，研究对文字、图像、声音等信息的处理、分类和识别研制机器视觉系统和语音识别装置；知识信息处理，研究知识的表示、获取和利用，建立具有推理和自动解决问题能力的知识信息处理系统即专家系统；决策和控制，在对信息的采集、分析、处理、识别和理解的基础上做出判断、决策或控制，从而建立各种控制系统、管理信息系统和决策支持系统。,1.2 基本概念信息社会,信息化社会指以信息技术为基础,以信息产业为支柱，以信息价值的生产为中心，以信息产品为标志的社会。信息社会的特点：信息成为了重要的资源；信息和知识是推动社会发展的重要动力；知识以“加速度”方式积累(知识爆炸)；多种形式的提供给多种感官的信
18、息。信息对国民经济和国防建设的巨大驱动力 信息对国民经济的驱动力 各行各业信息对国防建设的驱动力 上天入地,信息边疆,信息战,1.3 发展现状,Internet信息业务火爆 1969年由ARPA建立试验网络ARPAnet1984年Internet处于研究实验阶段 到1992年是Internet向实用化发展阶段,步入了其商业化发展阶段 1993年1月网上计算机共131.3万台 1997年1月已猛增到1614.6万台 2008年,全球用户使用的上网设备将超过15亿台，其中包括计算机、手机和可上网的游戏机等 2008年中国互联网人口将达到2.75亿,世界第一,1.3 发展现状2,移动通信进展神速 1
19、897年，M.G马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里 上世纪70年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。到80年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网(GSM)的体系。CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。3G,4G信息家电普遍及千家万户 信息家电(或信息电器，information appliance)是一种价格低廉、操作简便、实用性强、带有PC主要功能的家电产品。IPV6电子商务(Electronic Commerce)B2B,B2C,C2C,1.4 发展趋势,基础支撑技术的发展微电子,
20、软件,光子学计算机科学与技术的发展“后PC”时代正在到来。计算机技术发展的第三次浪潮的核心就是要把普通的计算技术运用到各种日常的器具之中，并使它具有联网功能和高度智能化。通信技术的发展通信技术的数字化、宽带化、高速化和智能化是现代通信技术的发展趋势。传感技术的发展 把那些人类感觉器官收集不到的各种有用信息提取出来，从而延长和扩展人类收集信息的功能。总体发展趋势 高速、大容量;综合化;数字化;个人化与个性化,1.5 与信息相关的学科基础,微电子学微电子技术是现代电子信息技术的直接基础。主要研究新型电子器件及大规模集成电路的设计、制造，计算机辅助集成电路分析，各种电子器件的基础理论、新型结构、制造
21、工艺和测试技术，以及新型集成器件的开发。与之相关的部件:CPU,存储器软件 软件产业是信息产业(I T)的核心 软件通常意义上分为三层，最底层是紧靠硬件的系统软件，特别是操作系统；中层是一系列中间件产品；上层是公共应用软件以及面向领域行业的专用应用软件。国产软件,1.5 与信息相关的学科基础2,光子学“光子学是研究以光子作为信息载体的科学”。光子学是研究作为信息和能量载体的光子行为及其应用的科学,1.6 工业化、自动化、信息化、现代化,工业化表示现代工业在国民经济占主要地位的进程。几个典型的阶段机械化，也就是在各种生产中大规模的使用各种机器，来取代人的体力劳动。电气化，它的动力从原来的蒸汽机、
22、机械，热功的动力，发展到用电作为主要的动力，也就是电动机、发电机、电力网大量的应用。基础自动化阶段，就是在机电系统中加入各种各样的控制器。,1.6 工业化、自动化、信息化、现代化2,自动化 自动化指在无人或较少人的情况下，按照人的要求，对设备、过程或者系统进行控制和管理，以完成其承担的任务。,1.6 工业化、自动化、信息化、现代化3,信息化 指用信息技术推动经济发展和社会进步的进程（1）信息获取各个传感器就是为了获取各种各样的信息。例如，温度、压力、流量、成分等信息，位置、速度、加速度等信息。（2）信息传输获取信息之后要把它送出去。有线、无线、网络等各种渠道都可以把信息传递到目的地。通信是一个
23、发展非常快的领域。（3）信息处理接收到传递过来的信息以后要进行处理。声音信息的处理就是把传输来的电信号再还原成声音。脸、指纹、图形、图像、文字，这些都要处理。处理离不开计算机。（4）自动化自动化在信息技术中属于综合应用，,1.6 工业化、自动化、信息化、现代化3,现代化世界上第一次现代化进程是伴随着工业化、城市化进行的。第二次现代化进程是当前的信息化、知识化。资本是劳动生产要素，而现在知识也是劳动生产要素了。作为工业现代化（也就是发达国家进入的后工业化阶段，不是前面的初级工业化），它经历了机械化、电气化、基础自动化、计算机化（使用计算机）、网络化（互联网）以及智能化、系统化。大规模工业系统的智
24、能化、集成化与优化便是先进自动化。,本章小结,信息社会的由来信息,信息社会,信息科学与技术,信息产业信息学科的相关基础信息科学的发展趋势工业化、自动化、信息化与现代化的关系,作业,4搜索最新的Internet相关数据如全球上网人数、使用电子邮件人数、服务器个数？并搜索我国最新的统计数据。6列举信息家电，其中哪部分与信息直接相关？8列举信息技术发展的23个典型趋势，并预测可能有的突破性进展。9信息化的基础有哪些？依你所见，最有可能突破的是哪些基础，其将信息化带来什么样的影响？任选其中二个,可交电子稿到邮箱(请写清学号,班级,姓名),或由学习委员收齐后交到主校区计算机楼,进一步阅读的建议,A.参考
25、文献冯秉铨，现代科学技术中的信息科学，百科知识，第48页，1980蔡长年，信息论学会年会讲话，信息论与Walsh函数论文集，第1页，1980周炯槃，关于信息科学，信息论与Walsh函数会议录，第10页，1980钟义信，信息科学，自然杂志，No3，1979钟义信，信息学漫谈，科学普及出版社，1984钟义信，信息科学基础，中国和平出版社，1986钟义信，现代信息技术，人民邮电出版社，1986钟义信，信息科学原理（第三版），北京邮电大学出版社，2002钟义信，周延泉，李 蕾，信息科学教程，北京邮电大学出版社，2005钟义信等，智能科学技术导论，北京邮电大学出版社，2006B.后续课程科技史与方法学。,
