第1 章引言
【學(xué)習(xí)內(nèi)容】本章作為本書的引言，主要知識(shí)點(diǎn)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(jì)算技術(shù)的應(yīng)用；

. 計(jì)算思維的基本概念；

. 計(jì)算機(jī)文化相關(guān)內(nèi)容。


【學(xué)習(xí)目標(biāo)】通過本章的學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)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(jì)算技術(shù)的應(yīng)用；

. 理解計(jì)算思維的基本概念和作用；

. 了解信息化社會(huì)對人的素質(zhì)要求、相關(guān)社會(huì)和法律問題。


計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是通用的、計(jì)算能力強(qiáng)大的信息處理工具，在社會(huì)生活的各個(gè)方面都有廣泛的應(yīng)用。要深入、有效地使用計(jì)算機(jī)，必須理解信息和信息處理的相關(guān)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(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用、計(jì)算思維的概念，最后討論了信息化社會(huì)對人的素質(zhì)要求及相關(guān)問題。
1.1 信息和信息處理
現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，推動(dòng)人類社會(huì)快速進(jìn)入信息化社會(huì)。借助計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，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(huì)的人應(yīng)該了解計(jì)算機(jī)、駕馭計(jì)算機(jī)，同時(shí)也應(yīng)該理解信息、掌握信息處理的基本技術(shù)。用計(jì)算機(jī)解決問題，首先要獲取問題相關(guān)的信息，按照某種方式將信息存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)程序處理這些信息。計(jì)算機(jī)問題求解涉及兩個(gè)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(fù)雜性和差異性的反映。人類通過五個(gè)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(nèi)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(jìn)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(guān)于客觀事實(shí)的、可通信的知識(shí)。較權(quán)威的定義由信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)給出：信息是事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或存在方式的不確定性的描述。這些定義的共同點(diǎn)：信息是客觀存在的一種表達(dá)。信息具有事實(shí)性、不完全性、變換性和時(shí)效性等特點(diǎn)。信息的事實(shí)性指信息以客觀存在為基礎(chǔ)，這是信息的核心價(jià)值。信息的不完全性說明信息的被占有性，由于人的認(rèn)識(shí)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(dá)，以不同的介質(zhì)承載。信息的時(shí)效性指信息的發(fā)送、傳遞、接收、加工，以及使用的時(shí)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(gè)概念之間沒有明確的界限，在很多時(shí)候可以通用。例如，計(jì)算機(jī)是信息處理機(jī)器，也可以說計(jì)算機(jī)是數(shù)據(jù)處理機(jī)器。
數(shù)據(jù)有很多種類。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，特別是在程序設(shè)計(jì)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(diǎn)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(hào)系統(tǒng)。人類在長期的實(shí)踐中形成的語言文字就是一種符號(hào)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(dá)和傳遞概念、事實(shí)或知識(shí)。聲音也是一種符號(hào)系統(tǒng)，因?yàn)槿祟愑寐曇暨M(jìn)行通信。聲音與文字相輔相成，表達(dá)言語的一個(gè)音節(jié)一般都對應(yīng)某個(gè)文字，同樣每個(gè)文字都有特定的發(fā)音。人類常用的符號(hào)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(xué)中廣泛存在的一類符號(hào)系統(tǒng)是數(shù)制系統(tǒng)，如十進(jìn)制數(shù)制、二進(jìn)制數(shù)制等。數(shù)制系統(tǒng)是描述事物間的數(shù)量關(guān)系的符號(hào)系統(tǒng)。
用于信息表示的符號(hào)系統(tǒng)有三個(gè)基本特點(diǎn)。第一，存在一個(gè)基本的有限符號(hào)集，符號(hào)集中符號(hào)的數(shù)目多于一個(gè)。例如，十進(jìn)制數(shù)制符號(hào)系統(tǒng)的基本符號(hào)集包含十個(gè)數(shù)字符號(hào)0～9、小數(shù)點(diǎn)和數(shù)符等。如果考慮基本算術(shù)運(yùn)算，還加上加、減、乘、除四個(gè)運(yùn)算符，以及等號(hào)。英語的基本符號(hào)有大小寫英文字母和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等，其基本符號(hào)的數(shù)目不多。漢語的基本符號(hào)包括漢字及標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等，數(shù)目比較龐大。為什么基本符號(hào)集數(shù)目要多于一個(gè)？因?yàn)樾枰�描述的事物和事物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不是單一的，事物之間存在復(fù)雜的相互關(guān)系。單一符號(hào)不足以簡潔表達(dá)復(fù)數(shù)事物和它們的相互關(guān)系。一般情況下，符號(hào)系統(tǒng)的基本符號(hào)集不是太龐大。否則，不方便記憶和使用。第二，不同符號(hào)有明顯的差別，以便于人們感知和識(shí)別這些符號(hào)。第三，存在一組規(guī)則，按照規(guī)則可以將基本符號(hào)組成更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如符號(hào)串。例如，在十進(jìn)制中，多個(gè)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(gè)小數(shù)點(diǎn)則形成小數(shù)；而在前面加上數(shù)符，則區(qū)分正負(fù)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(jì)算機(jī)中，最基本的信息表示方法是二進(jìn)制。用二進(jìn)制編碼計(jì)算機(jī)機(jī)器指令，用二進(jìn)制表示數(shù)值、字符、圖像、聲音等信息。計(jì)算機(jī)硬件能夠識(shí)別和處理的信息形式只能是二進(jìn)制。雖然，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)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(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式，才能被計(jì)算機(jī)硬件直接處理。例如，現(xiàn)在大多數(shù)計(jì)算機(jī)程序都是用匯編語言或高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言編寫的，這樣的程序不能直接在計(jì)算機(jī)硬件中運(yùn)行，只有經(jīng)過一個(gè)“翻譯器”，將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令序列，才能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。
我們面臨的信息量往往是龐大的，這要求按照一定的關(guān)系、用一定的結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)組織起來，以便于信息的傳遞、存儲(chǔ)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(xué)生的基本信息，這些信息包括學(xué)生的學(xué)號(hào)、姓名、性別、出生日期、民族、籍貫等。表格能夠把邏輯上關(guān)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(xué)生基本信息表
學(xué)號(hào) 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(jì)算機(jī)領(lǐng)域，組織信息的方式稱為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般有線性表、樹和圖等類型。線性表適合表達(dá)數(shù)據(jù)之間的線性關(guān)系。例如，將學(xué)生信息按照年齡大小羅列成一張表，表中每一項(xiàng)放入一個(gè)學(xué)生的信息。在這張學(xué)生信息表中，物理位置相鄰的項(xiàng)，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(duì)列和棧。向量中各數(shù)據(jù)元素具有編號(hào)，元素的編號(hào)一般與其在向量中的序號(hào)相同。設(shè)V 是一個(gè)向量，則V(1) 是V 的第一個(gè)元素，V(2) 是V的第二元素……在向量結(jié)構(gòu)中，能夠用編號(hào)隨機(jī)訪問其中的元素。因此，對向量的訪問一般是快捷、高效的。
隊(duì)列可以看做是從日常生活中的“排隊(duì)”現(xiàn)象抽象出來的結(jié)構(gòu)。在火車售票廳買票，每個(gè)售票窗口前都排有一個(gè)隊(duì)列。隊(duì)列中最前面的人最先得到處理，他（她）的事務(wù)處理完后，從隊(duì)列的頭部出來，隊(duì)列中余下的人向前進(jìn)一個(gè)位置。如果有人希望進(jìn)入這個(gè)隊(duì)列，他（她）只能排在隊(duì)尾。隊(duì)列這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兩端區(qū)分隊(duì)列的頭部和隊(duì)列的尾部。數(shù)據(jù)元素進(jìn)入隊(duì)列，只能從隊(duì)尾進(jìn)，成為隊(duì)列的最后一個(gè)元素。而出隊(duì)列的元素只能是現(xiàn)隊(duì)列中的最前面的元素。第一個(gè)元素出來后，隊(duì)列中其他元素都需要向前移動(dòng)一個(gè)位置。圖1-1 表明了隊(duì)列的結(jié)構(gòu)。
�？煽醋鲞@樣一個(gè)結(jié)構(gòu)，它由若干方格疊加起來，每個(gè)方格存放一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)。棧的上端稱為棧頂，棧的底端稱為棧底（見圖1-2）。出棧時(shí)，只有棧頂?shù)脑�素才能出來，而進(jìn)棧時(shí)，只能從棧頂進(jìn)入。如果一個(gè)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(jìn)出棧的原則是“先進(jìn)后出”。棧這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也是對現(xiàn)實(shí)世界中某些現(xiàn)象的抽象。例如，一個(gè)探險(xiǎn)隊(duì)進(jìn)入一個(gè)僅能容納一人通過的山洞，進(jìn)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(xiǎn)隊(duì)員們出山洞的順序與進(jìn)去的順序剛好相反。
樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由結(jié)點(diǎn)和邊組成。結(jié)點(diǎn)表示數(shù)據(jù)元素，邊連接兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，表示這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)元素之間的關(guān)系。邊具有方向性，從一個(gè)結(jié)點(diǎn)指向另一個(gè)結(jié)點(diǎn)。邊的起始結(jié)點(diǎn)稱為父結(jié)點(diǎn)，所指結(jié)點(diǎn)稱為子結(jié)點(diǎn)。一棵樹中僅有一個(gè)結(jié)點(diǎn)沒有父結(jié)點(diǎn)，該結(jié)點(diǎn)稱為樹根，而沒有子結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)稱為葉結(jié)點(diǎn)。樹中每個(gè)結(jié)點(diǎn)或沒有父結(jié)點(diǎn)，或有唯一的父結(jié)點(diǎn)。在圖示樹時(shí)，習(xí)慣上將其畫成一棵“向下生長”的樹，用橢圓代表結(jié)點(diǎn)，用帶箭頭的線段代表邊。樹結(jié)構(gòu)一般用來組織具有層次關(guān)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(guān)系的樹。圖中橢圓形代表樹的結(jié)點(diǎn)，用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，線段代表樹的邊，用來表示“父.子”層次關(guān)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(jié)構(gòu)也是由結(jié)點(diǎn)和邊組成的。但對結(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系沒有限制。也就是說，圖中任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間都可存在一條邊。實(shí)際上樹是圖的特例。圖可以表示數(shù)據(jù)元素之間的復(fù)雜關(guān)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(jié)點(diǎn)代表城市，邊代表連接城市的公路。
在計(jì)算機(jī)領(lǐng)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(jià)關(guān)系，根據(jù)這種關(guān)系，它們之間可以互相轉(zhuǎn)換。如漢語和英語之間可以互相翻譯，十進(jìn)制和二進(jìn)制之間可以互相轉(zhuǎn)換，高級(jí)語言程序可以翻譯成等價(jià)的機(jī)器語言程序。
信息的表示都是在一定的抽象層次上進(jìn)行的。所謂抽象，是指在表示中省略某些細(xì)節(jié)，抽象層次越高的表示包含的細(xì)節(jié)越少。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，一般認(rèn)為包含計(jì)算機(jī)特性越多的信息表示，抽象層次越低。二進(jìn)制就是計(jì)算機(jī)中抽象層次最低的信息表示方法。比較而言，高級(jí)程序設(shè)計(jì)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(jī)器語言。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域常常將信息表示分為三個(gè)層次：概念層、邏輯層和物理層。物理層信息表示涉及在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)上的存儲(chǔ)形式和組織形式，這種形式表示的信息，能夠被計(jì)算機(jī)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(jī)通信。
現(xiàn)實(shí)世界的對象都能通過某種方式在計(jì)算機(jī)中表示出來。例如，對于一個(gè)人，或者將其照片存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，或者抽取其特征，以字符信息、數(shù)字信息形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，或者將這兩類信息都存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。這樣計(jì)算機(jī)中就存在與現(xiàn)實(shí)世界人對應(yīng)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(jìn)行分類，形成一種易于檢索和處理的結(jié)構(gòu)；檢索是指大腦在一定的刺激之下，通過聯(lián)想找到相關(guān)信息；使用是指利用信息進(jìn)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(jì)算機(jī)領(lǐng)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(gè)通信目的，大腦會(huì)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(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)有效的通信。
人類在長期的實(shí)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(wù)。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?qū)��?nèi)部信息發(fā)送出去。

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

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

. 計(jì)算。按照預(yù)先定義的計(jì)算模型，對信息進(jìn)行處理，以得到需要的結(jié)果。計(jì)算一般分為兩類：數(shù)值計(jì)算和非數(shù)值計(jì)算。數(shù)值計(jì)算指對數(shù)值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如數(shù)的加減乘除運(yùn)算、數(shù)的比較運(yùn)算等。非數(shù)值計(jì)算又有符號(hào)計(jì)算和多媒體信息處理之分。符號(hào)計(jì)算對字符串?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(shí)別等處理。

. 推理。推理是一類高級(jí)的計(jì)算，根據(jù)一組前提，演繹出結(jié)論。


一個(gè)由處理步驟形成的序列稱為處理過程。由計(jì)算機(jī)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(shè)備完成，信息的存儲(chǔ)由計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，信息的傳輸由通信設(shè)備和通信介質(zhì)完成，它們都是硬件過程。由計(jì)算機(jī)軟件完成的處理過程稱為軟件過程，查詢、計(jì)算和推理等處理一般由軟件實(shí)現(xiàn)。
理解一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，或一種計(jì)算技術(shù)，要弄清楚四個(gè)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(jìn)行什么處理？④如何實(shí)現(xiàn)這些處理？下面以多媒體技術(shù)為例進(jìn)行說明。多媒體技術(shù)是研究聲音、圖形圖像、視頻和動(dòng)畫等類型信息的處理技術(shù)。這些信息一般采用二進(jìn)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(chǔ)、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(shí)現(xiàn)。例如，采樣由輸入設(shè)備承擔(dān)，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(jì)算技術(shù)的核心概念，是理解計(jì)算技術(shù)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(tái)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)問世以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對人類文明產(chǎn)生了深刻的影響。
人類發(fā)明計(jì)算裝置（包括計(jì)算機(jī)），最初目的是使加、減、乘、除等基本算術(shù)運(yùn)算能夠自動(dòng)化，以便讓其承擔(dān)工程問題中枯燥、煩瑣和大規(guī)模的計(jì)算，從而減輕人類的腦力勞動(dòng)強(qiáng)度。但是，計(jì)算機(jī)的作用不僅限于此。在人類研究和開發(fā)計(jì)算裝置及計(jì)算技術(shù)的進(jìn)程中，逐步賦予了計(jì)算機(jī)邏輯操作能力，計(jì)算機(jī)不但能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，而且能進(jìn)行邏輯判斷，使其可以根據(jù)問題的性質(zhì)，執(zhí)行不同的運(yùn)算。人類發(fā)明精致的編碼符號(hào)系統(tǒng)，用于將各種信息形式數(shù)值化，使計(jì)算機(jī)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(jī)械式計(jì)算裝置
勞動(dòng)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(jì)算機(jī)是人類對計(jì)算