第1 章引言
【學習內容】本章作為本書的引言，主要知識點包括：
. 信息、信息表示和信息處理的概念；

. 信息處理裝置的發(fā)展簡史；

. 計算技術的應用；

. 計算思維的基本概念；

. 計算機文化相關內容。


【學習目標】通過本章的學習，讀者應該：
. 理解信息、信息表示和信息處理的概念；

. 了解信息處理裝置的發(fā)展規(guī)律；

. 了解計算技術的應用；

. 理解計算思維的基本概念和作用；

. 了解信息化社會對人的素質要求、相關社會和法律問題。


計算機系統(tǒng)是通用的、計算能力強大的信息處理工具，在社會生活的各個方面都有廣泛的應用。要深入、有效地使用計算機，必須理解信息和信息處理的相關概念。本章首先介紹信息、信息表示和信息處理的概念，然后簡單敘述了信息處理裝置的發(fā)展軌跡、計算機技術的應用、計算思維的概念，最后討論了信息化社會對人的素質要求及相關問題。
1.1 信息和信息處理
現(xiàn)代計算技術的迅猛發(fā)展，推動人類社會快速進入信息化社會。借助計算機和計算機網(wǎng)絡，人類獲取和處理信息的能力得到了巨大的提高。信息化社會的人應該了解計算機、駕馭計算機，同時也應該理解信息、掌握信息處理的基本技術。用計算機解決問題，首先要獲取問題相關的信息，按照某種方式將信息存儲在計算機中，然后啟動計算機程序處理這些信息。計算機問題求解涉及兩個基本方面，即信息表示和信息處理。
1.1.1 信息
信息是客觀存在的表現(xiàn)形式，是事物之間相互作用的媒介，是事物復雜性和差異性的反映。人類通過五個感覺器官能夠感知客觀事物的不同信息。例如，通過眼睛，我們可以看到物體的圖像，感知物體的顏色、形狀和大��；通過耳朵，我們可以聽到一定頻率范圍內的聲音；通過鼻子，我們能夠辨別各種氣味。這些信息將匯集到人的大腦，由大腦進行處理。
“信息”這一概念的定義有多種表述。例如，信息是對人有用、能夠影響人的行為的數(shù)據(jù)；信息是關于客觀事實的、可通信的知識。較權威的定義由信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)給出：信息是事物運動狀態(tài)或存在方式的不確定性的描述。這些定義的共同點：信息是客觀存在的一種表達。信息具有事實性、不完全性、變換性和時效性等特點。信息的事實性指信息以客觀存在為基礎，這是信息的核心價值。信息的不完全性說明信息的被占有性，由于人的認識的局限性，占有的信息總是不完全的。信息的變換性指信息可以以不同方式表達，以不同的介質承載。信息的時效性指信息的發(fā)送、傳遞、接收、加工，以及使用的時間間隔和效率。
信息有多種形式。從人類感知信息的方式分類，有視覺信息、聽覺信息、味覺信息和觸覺信息等。從信息的表現(xiàn)形式分類，有數(shù)值信息、字符信息、圖表信息、圖像信息、聲音信息等。
數(shù)據(jù)是編碼的信息，是顯示表示的信息。但是，數(shù)據(jù)和信息這兩個概念之間沒有明確的界限，在很多時候可以通用。例如，計算機是信息處理機器，也可以說計算機是數(shù)據(jù)處理機器。
數(shù)據(jù)有很多種類。在計算機領域，特別是在程序設計和數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)數(shù)據(jù)的不同用途和不同處理需要，將數(shù)據(jù)分為整型數(shù)、浮點數(shù)、布爾數(shù)和字符數(shù)等多種類型。

1.1.2 信息表示
信息表示泛指信息的獲取、描述、組織全過程，其狹義指其中的信息描述過程。信息表示需要一種符號系統(tǒng)。人類在長期的實踐中形成的語言文字就是一種符號系統(tǒng)。人們按照語言的語法規(guī)則和語義規(guī)則，用文字表達和傳遞概念、事實或知識。聲音也是一種符號系統(tǒng)，因為人類用聲音進行通信。聲音與文字相輔相成，表達言語的一個音節(jié)一般都對應某個文字，同樣每個文字都有特定的發(fā)音。人類常用的符號系統(tǒng)還有盲文、啞語和旗語等。另外，在人類使用的自然語言和數(shù)學中廣泛存在的一類符號系統(tǒng)是數(shù)制系統(tǒng)，如十進制數(shù)制、二進制數(shù)制等。數(shù)制系統(tǒng)是描述事物間的數(shù)量關系的符號系統(tǒng)。
用于信息表示的符號系統(tǒng)有三個基本特點。第一，存在一個基本的有限符號集，符號集中符號的數(shù)目多于一個。例如，十進制數(shù)制符號系統(tǒng)的基本符號集包含十個數(shù)字符號0～9、小數(shù)點和數(shù)符等。如果考慮基本算術運算，還加上加、減、乘、除四個運算符，以及等號。英語的基本符號有大小寫英文字母和標點符號等，其基本符號的數(shù)目不多。漢語的基本符號包括漢字及標點符號等，數(shù)目比較龐大。為什么基本符號集數(shù)目要多于一個？因為需要描述的事物和事物的運動狀態(tài)不是單一的，事物之間存在復雜的相互關系。單一符號不足以簡潔表達復數(shù)事物和它們的相互關系。一般情況下，符號系統(tǒng)的基本符號集不是太龐大。否則，不方便記憶和使用。第二，不同符號有明顯的差別，以便于人們感知和識別這些符號。第三，存在一組規(guī)則，按照規(guī)則可以將基本符號組成更復雜的結構，如符號串。例如，在十進制中，多個數(shù)字并列形成數(shù)字串，產(chǎn)生十位、百位、千位和萬位等高位數(shù)；在數(shù)字串中包含一個小數(shù)點則形成小數(shù)；而在前面加上數(shù)符，則區(qū)分正負數(shù)。在漢語中根據(jù)詞法規(guī)則可以用漢字組成詞組，根據(jù)語法規(guī)則可以形成句子。
在計算機中，最基本的信息表示方法是二進制。用二進制編碼計算機機器指令，用二進制表示數(shù)值、字符、圖像、聲音等信息。計算機硬件能夠識別和處理的信息形式只能是二進制。雖然，在計算機領域還常常用到很多抽象層次更高的信息表示形式，但這些形式表示的信息必須轉換成二進制形式，才能被計算機硬件直接處理。例如，現(xiàn)在大多數(shù)計算機程序都是用匯編語言或高級程序設計語言編寫的，這樣的程序不能直接在計算機硬件中運行，只有經(jīng)過一個“翻譯器”，將其轉換為機器指令序列，才能在計算機上運行。
我們面臨的信息量往往是龐大的，這要求按照一定的關系、用一定的結構將數(shù)據(jù)組織起來，以便于信息的傳遞、存儲和處理。例如，我們將信息組織成一本書或一份文件，按照主題將其分為章節(jié)，按照主旨將章節(jié)分為段落。在日常生活中，人們常常用表格記錄信息。例如，表1-1 存放了某班學生的基本信息，這些信息包括學生的學號、姓名、性別、出生日期、民族、籍貫等。表格能夠把邏輯上關聯(lián)的數(shù)據(jù)集合在一起，它是一種常用的信息組織形式。
表1-1 學生基本信息表
學號 姓名 性別 出生日期 民族 籍貫
06050101 張三 男 1986.01.12 漢 湖南
06050102 王紅 女 1988.05.01 漢 湖北
06050103 李四 男 1987.10.23 回 甘肅
06050104 王二 男 1987.12.12 漢 北京
06050105 李綠 女 1988.06.15 壯 廣西
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在計算機領域，組織信息的方式稱為數(shù)據(jù)結構。常用數(shù)據(jù)結構一般有線性表、樹和圖等類型。線性表適合表達數(shù)據(jù)之間的線性關系。例如，將學生信息按照年齡大小羅列成一張表，表中每一項放入一個學生的信息。在這張學生信息表中，物理位置相鄰的項，在年齡上具有順序性。根據(jù)操作方式的不同，線性表又分為向量、隊列和棧。向量中各數(shù)據(jù)元素具有編號，元素的編號一般與其在向量中的序號相同。設V 是一個向量，則V(1) 是V 的第一個元素，V(2) 是V的第二元素……在向量結構中，能夠用編號隨機訪問其中的元素。因此，對向量的訪問一般是快捷、高效的。
隊列可以看做是從日常生活中的“排隊”現(xiàn)象抽象出來的結構。在火車售票廳買票，每個售票窗口前都排有一個隊列。隊列中最前面的人最先得到處理，他（她）的事務處理完后，從隊列的頭部出來，隊列中余下的人向前進一個位置。如果有人希望進入這個隊列，他（她）只能排在隊尾。隊列這樣的數(shù)據(jù)結構兩端區(qū)分隊列的頭部和隊列的尾部。數(shù)據(jù)元素進入隊列，只能從隊尾進，成為隊列的最后一個元素。而出隊列的元素只能是現(xiàn)隊列中的最前面的元素。第一個元素出來后，隊列中其他元素都需要向前移動一個位置。圖1-1 表明了隊列的結構。
�？煽醋鲞@樣一個結構，它由若干方格疊加起來，每個方格存放一個數(shù)據(jù)項。棧的上端稱為棧頂，棧的底端稱為棧底（見圖1-2）。出棧時，只有棧頂?shù)脑�素才能出來，而進棧時，只能從棧頂進入。如果一個非棧頂?shù)脑�素要出棧，首先得把其上面的元素都出棧，它才能出來。因此，�?shù)據(jù)元素進出棧的原則是“先進后出”。棧這種數(shù)據(jù)結構也是對現(xiàn)實世界中某些現(xiàn)象的抽象。例如，一個探險隊進入一個僅能容納一人通過的山洞，進去后發(fā)現(xiàn)，洞的另一端是堵塞的，他們必須按照原路退出來。探險隊員們出山洞的順序與進去的順序剛好相反。
樹數(shù)據(jù)結構由結點和邊組成。結點表示數(shù)據(jù)元素，邊連接兩個結點，表示這兩個結點數(shù)據(jù)元素之間的關系。邊具有方向性，從一個結點指向另一個結點。邊的起始結點稱為父結點，所指結點稱為子結點。一棵樹中僅有一個結點沒有父結點，該結點稱為樹根，而沒有子結點的結點稱為葉結點。樹中每個結點或沒有父結點，或有唯一的父結點。在圖示樹時，習慣上將其畫成一棵“向下生長”的樹，用橢圓代表結點，用帶箭頭的線段代表邊。樹結構一般用來組織具有層次關系的數(shù)據(jù)集合。圖1-3 顯示了一棵描述《紅樓夢》中賈家部分家族關系的樹。圖中橢圓形代表樹的結點，用來存儲數(shù)據(jù)，線段代表樹的邊，用來表示“父.子”層次關系。在賈政和賈寶玉之間有一條邊相連接，說明賈政是賈寶玉的父親。
同樣，圖數(shù)據(jù)結構也是由結點和邊組成的。但對結點的連接關系沒有限制。也就是說，圖中任意兩個結點之間都可存在一條邊。實際上樹是圖的特例。圖可以表示數(shù)據(jù)元素之間的復雜關系。例如，可以用圖表示城市之間的公路交通。在這樣的圖中，結點代表城市，邊代表連接城市的公路。
在計算機領域中，常用的數(shù)據(jù)組織形式還有文件和數(shù)據(jù)庫等。這些數(shù)據(jù)組織形式將在本書的后續(xù)章節(jié)中介紹。
同一種信息可以用不同的方法表示。但不同表示方法之間存在等價關系，根據(jù)這種關系，它們之間可以互相轉換。如漢語和英語之間可以互相翻譯，十進制和二進制之間可以互相轉換，高級語言程序可以翻譯成等價的機器語言程序。
信息的表示都是在一定的抽象層次上進行的。所謂抽象，是指在表示中省略某些細節(jié)，抽象層次越高的表示包含的細節(jié)越少。在計算機領域，一般認為包含計算機特性越多的信息表示，抽象層次越低。二進制就是計算機中抽象層次最低的信息表示方法。比較而言，高級程序設計語言的抽象層次高于匯編語言，匯編語言的抽象層次高于機器語言。在計算機領域常常將信息表示分為三個層次：概念層、邏輯層和物理層。物理層信息表示涉及在計算機的存儲介質上的存儲形式和組織形式，這種形式表示的信息，能夠被計算機硬件直接處理。概念層信息表示以人類容易理解的形式描述信息，便于人與人之間的通信。邏輯層表示的抽象層次介于物理層和概念層之間，一般用于人―機通信。
現(xiàn)實世界的對象都能通過某種方式在計算機中表示出來。例如，對于一個人，或者將其照片存儲在計算機中，或者抽取其特征，以字符信息、數(shù)字信息形式存儲在計算機中，或者將這兩類信息都存儲在計算機中。這樣計算機中就存在與現(xiàn)實世界人對應的“虛擬人”或“數(shù)字化人”。
1.1.3 信息處理
人的大腦是處理信息的裝置。它在信息處理方面的能力包括記憶、組織、檢索和使用。記憶是指把通過感覺器官接收的信息保存在大腦中；組織是指將大腦中的各種信息進行分類，形成一種易于檢索和處理的結構；檢索是指大腦在一定的刺激之下，通過聯(lián)想找到相關信息；使用是指利用信息進行分析、判斷和推理。人類通過感官獲得外部信息的過程，在計算機領域稱為輸入，而通過語言、書寫和手勢等展示信息的過程稱為輸出。在很多情況下，我們的大腦選擇性地吸收感官輸入的信息，或者控制感官定向地感知某些信息。同樣，為了某個通信目的，大腦會控制嘴巴、手或身體某部位，向外展示信息。也就是說，在大多數(shù)情況下，大腦對人的信息輸入和輸出過程進行控制，實現(xiàn)有效的通信。
人類在長期的實踐中發(fā)明了各種信息處理工具，以輔助人類的信息處理任務。這些信息處理工具的作用主要表現(xiàn)在下列方面：
. 輸入/輸出。通過某種途徑接收外部的信息，或將內部信息發(fā)送出去。

. 存儲。將信息存儲在某種媒介上，并按照一定方式進行組織，以便于快捷查找和處理。

. 傳輸。將信息從一個地方傳送到另一個地方，或者從一個對象傳送給另一個對象。
傳輸過程往往包含信息的格式轉換。
. 檢索。根據(jù)用戶提供的某些片斷信息，或關鍵字，通過匹配或聯(lián)想，找到相關的信息。

. 計算。按照預先定義的計算模型，對信息進行處理，以得到需要的結果。計算一般分為兩類：數(shù)值計算和非數(shù)值計算。數(shù)值計算指對數(shù)值數(shù)據(jù)進行處理，如數(shù)的加減乘除運算、數(shù)的比較運算等。非數(shù)值計算又有符號計算和多媒體信息處理之分。符號計算對字符串數(shù)據(jù)進行操作。例如，字串分解、字串合成、字串匹配和查找等。對于多媒體信息，不同媒體有不同的處理。例如，對于聲音信息，有聲音識別、聲音合成等；對于圖像信息，有圖像繪制、圖像變換和圖像識別等處理。

. 推理。推理是一類高級的計算，根據(jù)一組前提，演繹出結論。


一個由處理步驟形成的序列稱為處理過程。由計算機硬件完成的處理過程稱為硬件過程，如信息的輸入/輸出處理，由輸入/輸出設備完成，信息的存儲由計算機存儲設備實現(xiàn)，信息的傳輸由通信設備和通信介質完成，它們都是硬件過程。由計算機軟件完成的處理過程稱為軟件過程，查詢、計算和推理等處理一般由軟件實現(xiàn)。
理解一個計算機系統(tǒng)，或一種計算技術，要弄清楚四個問題：①它將處理什么類型的信息？②信息如何表示？③在這些信息上進行什么處理？④如何實現(xiàn)這些處理？下面以多媒體技術為例進行說明。多媒體技術是研究聲音、圖形圖像、視頻和動畫等類型信息的處理技術。這些信息一般采用二進制編碼，基本的信息處理一般有多媒體信息的采樣、量化、編碼、存儲、傳輸、壓縮和變換。這些處理可以通過硬件過程或軟件過程實現(xiàn)。例如，采樣由輸入設備承擔，壓縮和變換主要由軟件過程完成。因此，信息表示和信息處理是計算技術的核心概念，是理解計算技術的兩條主要線索。
1.2 信息處理裝置的發(fā)展簡史
自從第一臺現(xiàn)代計算機問世以來，計算機技術得到了迅猛的發(fā)展。計算機技術的廣泛應用，對人類文明產(chǎn)生了深刻的影響。
人類發(fā)明計算裝置（包括計算機），最初目的是使加、減、乘、除等基本算術運算能夠自動化，以便讓其承擔工程問題中枯燥、煩瑣和大規(guī)模的計算，從而減輕人類的腦力勞動強度。但是，計算機的作用不僅限于此。在人類研究和開發(fā)計算裝置及計算技術的進程中，逐步賦予了計算機邏輯操作能力，計算機不但能進行算術運算，而且能進行邏輯判斷，使其可以根據(jù)問題的性質，執(zhí)行不同的運算。人類發(fā)明精致的編碼符號系統(tǒng)，用于將各種信息形式數(shù)值化，使計算機不僅能夠處理數(shù)值信息，而且能夠處理更廣泛存在的其他形態(tài)的信息，如文本、圖形、圖像、聲音和影視等。
1.2.1 機械式計算裝置
勞動創(chuàng)造工具，而工具又拓展了人類探索自然的深度和廣度。計算機是人類對計算