现代信息处理工具.doc

现代信息处理工具——计算机
问题引导
    本节课，我们重点解决以下几个问题
　　1、计算机的基本功能是什么？
　　2、数据与信息有何不同？
　　3、计算机具有哪些基本特征？
　　4、为什么说计算机不是万能的？
　　5、用计算机处理信息需要经过哪几个阶段？
　　6、为什么说学习算法和编程知识很有必要？

教学活动
    随着超大规模集成电路和信息处理技术的发展,计算机应用几乎无所不在。小到手机、家用电器,大到飞机、汽车。还有取款用的自动取款机（ATM），买东西时用的销售点终端机（POS），买车票机票所用的自动售票机……它们都在使用计算机或嵌有微处理器（microprocessor）芯片的设备进行信息处理工作。计算机已经实实在在地成为信息处理的重要工具。

一、计算机的基本功能
    1、计算机的基本功能是什么？
    计算机之所以能够得到如此广泛的应用，主要有两方面的原因。一是计算机本身的特点，计算机能够快速、准确地执行指令。二是信息处理技术的发展。计算机本身只能对二进制数进行运算，所以它最初的应用仅限于科学计算领域。现在，计算机能够在众多领域里应用，是因为人们发现了把各种形态的信息转换成二进制数据的方法，从最初的文字，到后来的图形、图像、声音以及视频等，都能通过计算机来进行处理。
    在某些人看来，计算机似乎无所不能。实际上，计算机是“笨拙”的，它只是一堆由集成电路构成的高速电子开关，只会按照程序的规定执行指令。计算机一般只“认识”数十条到数百条不同的指令。实际上这些指令只有算术（如+、-、*、/）和逻辑运算（如and、or、not）、存储、输入输出以及控制、转移等几种基本功能。
    所以，计算机的基本功能是计算（computing），信息加工处理本质上都是通过计算完成的。
　　2、人类社会计算工具的演变
　　以下是人类社会计算工具的大致演变过程：
远古时代
石块

古代算筹

古代算盘

17世纪帕斯卡机
加法器

17世纪莱布尼兹
乘法器

19世纪巴贝齐
差分机

1946年
ENIAC

    3、数据与信息有何不同？
    我们经常提到“数据”和“信息”两个词，它们在计算机科学中有不同的含义。
    数据（data）是指计算机能够生成和处理的数字、字母和符号等，是信息的一种表现形式。在计算机或通信系统中，数据常常作为信息的载体。例如，计算机里处理的二进制数是数据，它可以表示工程计算的数据，编写的文章，由图形、图像设备生成的图形和图像，录制的声音和视频等信息。
　　信息（information）则是指数据、信号、消息中所包含的意义。如电视上重大新闻，报纸上各类比赛结果等。
二、计算机的基本特征
　　1、速度快
    计算机的实际速度取决于多方面的因素。首先，计算机主要元器件所采用的材料和制造工艺。计算机主要元器件从电子管、晶体管，发展到集成电路，而集成电路又从小规模（SSI）、中规模（MSI）、大规模（LSI），发展到超大规模（VLSI）和甚大规模（ULSI），使计算机的运算速度不断翻倍。随着硅晶体纯度的提高、光刻工艺的突破、低阻抗导电材料的使用和封装技术的改进等，现在一块集成电路上可集成上万亿个晶体管。其次，是计算机的体系结构。由于并行体系和流水线结构模式、超高速缓存、虚拟存储、超标量、精简指令集计算技术（RISC）以及新型总线和接口等技术的使用，采用同样元器件的计算机，速度也能够成倍地提高。现在，超级计算机每秒能执行上万亿条指令（instruction）。此外，影响计算机速度的还有软件（software）的质量，也就是解决问题的算法的效率。
　　2、准确性高
    计算机的准确性源于它的设计。经过半个多世纪的研究和研制时的反复测试，计算机系统及其组成的电路在设计上隐含的错误已越来越少。影响准确的一个因素是它的可靠性。衡量的标准是系统平均无故障时间。由于超大规模成电路的设计、制造技术和工艺的不断进步，现在的计算机连续数日、数周乃至数月稳定地运行已不足为奇。
　　3、存储容量大
    除了快速和准确外，影响计算机解决问题能力的另一个关键因素是它的存储容量。计算机的存储容量越来越大。计算机的数据通常保存在内存储器和外存储器中，不同的计算机的存储容量差异很大。就内存储器而言，当今一般的PC机通常有数亿字节，有的大型计算机则可达到数百亿字节。计算机的外存储器的存储容量更为庞大，可存放暂时不用的数据，需要时，这些数据可以用很快的速度调入内存进行处理。
三、计算机并非万能
　　尽管计算机已经在许多领域里发挥了神奇的作用，但它只会按照人们设计好的程序行事，不能脱离程序的安排去完成任何工作。至今为止，计算机还不具备人所独有的创造性思维活动。尽管人们已经进行了大量的研究，计算机仍然没有人的“直觉”，这是机器与会思想的人的本质区别。正是由于存在这一限制，在许多重大、复杂的系统中，计算机只能担当辅助决策的工具角色。
    今天的计算机远没有达到一名医生或法官的智能程度，尽管计算机能够对大量的数据进行加工处理，辅助人们做出决定，或者在特定的规则指引下按照预先给定的程序自行做出某些决定，但最后的决策还是由人来作出。
四、用计算机解决问题的一般步骤
    1、用计算机处理信息需要经过哪几个阶段？
    当我们解答一道数学题时，总是先分析题目，接着寻找解题的方法，然后开始实施具体的解题过程。计算机作为人类大脑的延伸，它处理信息，一般也要经历分析问题、寻找解题途径和方法以及用计算机处理这三个阶段（见图1）。
    第一阶段要求确定问题类型和解题目标（见图2），就是你需要计算机帮助解决什么实际问题？如：管理信息、多媒体信息处理、远程控制和科学计算等；
    第二阶段主要是建立模型，寻找合适的算法和工具（见图3）。首先是要寻找现有的、合适的模型、算法和工具，使我们能够较为科学地、迅速地解决问题。如：用Office办公系统套装软件进行办公事务处理，用计算机系统自带的“录音机”和“计算器”进行录音和科学计算等。其次，如果现有的、合适的模型、算法和工具遇到困难时，可自行建立模型、设计算法和编程，而这通常需要具有一定编程水平的专业人员来完成。
    第三阶段为用计算机处理。第二、三解决都属于信息加工范畴。

图1 用计算机处理信息的三个阶段

图2 分析问题

图3 寻找解决问题的途径和方法
    2、为什么说学习算法和编程知识很有必要？
    计算机处理信息涉及面很广，问题有简单的，也有相当复杂的。为了适应信息社会的需要，有相当多比较成熟的信息加工工具已产品化，供用户选择使用，如：字处理软件Word、表处理软件Excel、图像处理软件Photoshop、音频处理软件Goldwave和视频处理软件“会声会影”等。用户在使用时会感到方便、实用。其实，正因为在这些软件里包含了很多实用的“模型”和“算法”，才使得人们处理信息时感到得心应手。
五、小结
　　通过本节课的学习，我们对计算机的基本功能和基本特征，计算机解决问题的一般步骤有了一定的了解。但“电脑”毕竟不是“人脑”，虽然计算机能帮助人类处理大量信息，却无法代替人类。