如何讲好《信息技术及其应用》

李冬梅

作为一门学科的起始课，《信息及其特征》和《信息技术及其应用》是激发学生对信息技术学科学习兴趣的关键的两节课。前者一定要让学生深入理解信息技术学科研究对象的丰富内涵；后者一定要充分展示信息技术的魅力，让学生体会并深信信息技术对人类进步的重要作用。然而，这两节课往往被许多教师所忽略，大多数教材还在举一些离学生很远、难以引起学生兴趣的应用案例，或者只是提及有哪些信息技术，但对为什么会有这些技术、它是怎样发展的、它能帮助人类解决什么样的问题、目前正在为人类解决什么样的问题等内容都很少介绍。本文尝试从科学技术发展历史的角度来分析信息技术的主要特点、作用和内容，并从当今信息科学家正在做什么入手，探讨信息技术的前沿应用。

一、从科学技术的产生与发展看信息技术

技术总是与科学联系在一起的。科学的任务是认识世界，它是揭示事物运动变化规律的理论和方法。技术的任务是改造世界，它是依据一定的科学理论，制造和制作工具的工艺和手段。

为能更好地理解信息技术的特点，我们必须先来了解科学技术的产生与发展。

1.科学技术的产生

科学技术既不是自古就有的，也不是永恒不变的。在人类发展的初期——生物学进化阶段，既没有科学也没有技术，人类主要通过分化和强化自身器官的功能来增强自身的能力。如直立行走、前后肢分工、手的灵巧化等都是这一阶段人类进化的主要成果。视野的扩大、手指功能的扩展，大大提高了人类认识世界、适应环境的能力。

当自身器官功能的扩展接近饱和状态时，人类便将注意力投向了外界，开始利用“身外之物”（如石块、枯枝等天然工具）来扩展自身器官的能力。当然，当天然工具也无法满足人们征服自然的需要时，人类就踏上了人工试制工具的艰难历程。于是，科学技术在人类由生物进化向文明进化的转化过程中产生了。古人在长期的生活经历中形成的有关客观世界的一些经验就成为最早的科学（例如杠杆原理），而根据这些经验设计制作工具的方法和手段就是技术的原始雏形。

2.科学技术辅助人类扩展自身能力

科学技术是为了满足人类自身能力发展的实际需求而产生并发展的，它的功能自始至终都是辅助人类扩展自身的能力。那么，人类有哪些需要扩展的能力，科学技术又是怎么扩展这些能力的呢？

从宏观上看，人的能力可以分为三种：体质能力、体力能力和智力能力。体质能力反映了人的体质结构的合理性和强健性；体力能力反映了人的力量的充沛性和持久性；智力能力则反映了人的思维的理智性和敏捷性。这三种能力是一个有机体，它们是协调发展并逐级扩展的，而人类正是通过制造“工具”来实现能力的扩展。制造“工具”一方面需要资源，另一方面需要科学技术。

首先，质料工具扩展人的体质能力。在农业社会，人类为了提高生产力，制造了各种各样的工具。这些工具具有更强的硬度、更好的弹性、更高的熔点、更强的耐腐蚀能力等，大大扩展了人类的体质能力。这一阶段人类主要开发的是物质资源，利用的是物质结构理论、力学理论及材料科学技术。

其次，动力工具扩展人的体力能力。进入工业革命时期，人们把各种能量资源（如煤炭、风力、太阳能等）转变为动力，制造成各种动力工具（蒸汽机、电动机等）。这些动力工具具有更强的推动力、牵引力、冲击力、爆破力和摧毁力，极大地扩展了人类的动力能力。这一阶段，人类主要开发能量资源和物质资源，利用的是能量守恒与转换定律、能量科学技术和材料科学技术。

再次，智力工具扩展人的智力能力。当人类历史的脚步迈入20世纪40年代时，扩展智力能力成为人类的追求，于是智力工具便产生了。最具代表性的智力工具就是计算机。它与人的智力能力相结合，使人类具有更敏锐的观察力、更广泛的感知力、更精细的分辨力、更高效的决策力、更强大的记忆力、更快捷的计算能力以及更好的学习与认知能力。智力工具的制造一方面依赖信息资源，另一方面依赖于信息加工与转换的信息科学技术。当然，也离不开物质和能量资源、能量科学技术和材料科学技术。

综上所述，我们可以得出以下结论，信息技术的本质特点是对人类智力能力的扩展。也就是说，信息技术是扩展人的信息器官功能的一类技术。

二、信息技术的内涵

既然信息技术扩展的是人类的智力能力，开发的是信息资源。那么，人类有哪些信息处理器官？信息技术是如何扩展这些器官的功能的？

1.人类的信息器官及功能

第一，感觉器官。包括视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉和平衡觉等器官。主要功能是获取信息，即感知外部世界各种事物运动的状态和方式。

第二，传导神经网络。分为导入神经网络和导出神经网络。主要功能是传递信息，即通过导入神经网络把感觉器官感知的信息传送给思维器官，通过导出神经网络把思维器官加工出来的信息传送给各种效应器官或内部某些器官。

第三，思维器官。包括记忆系统、联想系统、分析推理和决策系统等。主要功能是加工和再生信息，即通过存储、检索、加工信息得到对于外部事物运动规律的认识，通过再生信息来表示主体对外部事物进行改造的策略和意图。

第四，效应器官。包括操作器官(手)、行走器官(脚)和语言器官(口)等。主要功能是施用信息。通过操作器官和行走器官来执行大脑发出的信息，通过语言器官来表达大脑发出的信息，使这些信息产生实际的效果。

2.信息技术的基本内容

与人类信息器官及功能相对应，信息技术包括以下几个方面。

第一，感测技术。它是对人类感觉器官功能的延伸，包括传感技术、测量技术及遥感遥测技术等。它使人类能够更好地从外部世界获得各种信息。日常生活中常见的应用有：饭卡、公交卡、电子温度计、电子称、数码照相机、自动门、高速公路的ETC、楼道感应灯、VCD遥控器等。

第二，通信技术。它是对人类传导神经网络功能的延伸。其作用是传递、交换和分配信息，消除或克服空间和时间上的障碍，使人们更有效地传递信息。其应用有电话、网络、卫星等。

第三，计算机技术与人工智能技术。它是对人类思维器官功能的延伸，使人们更好地加工、存储和再生信息。其应用有计算机、机器人等。

第四，控制技术。它是对人类效应器官功能的延伸。其作用是根据输入的指令(决策信息)对外部事物的运动状态实施干预，即信息施效。常见的应用有自动洗衣机、电脑洗车、自动控制车床等。

由此可以得出：信息技术是指能够完成信息的获取、传递、存储、加工、再生和施用等功能的一类技术。

根据信息技术的特点和内容，我们可以整体理解高中信息技术新课程的结构：《信息技术基础》必修模块沿着信息的获取、传递、存储、加工的横向线路让学生整体感受信息加工处理的全过程。感测技术与计算机技术的结合构成《多媒体技术应用》选修模块；通信技术与计算机技术的结合构成《网络技术应用》选修模块；《算法与程序设计》和《数据管理技术》选修模块偏重于计算机技术；计算机智能技术与控制技术的结合构成《人工智能初步》选修模块。

三、信息技术的前沿应用

在学生对信息技术的历史使命有了一定的了解后，教师还要充分展示信息技术的魅力，让学生深刻体会信息技术在当今社会中的重要作用。下面，列举信息技术前沿应用的几个案例，借以抛砖引玉。

案例1——“仿生眼”帮盲人复明

据英国媒体2008年4月22日报道，英国伦敦穆尔菲尔德眼科医院日前进行了一次先锋性的“仿生眼”移植手术——在两名盲人患者的眼球表面分别植入安装了60个电极的人造视网膜芯片（如图1），使他们恢复视力，并能辨认简单物体。

[案例分析]：这是一个典型的信息技术应用案例。“仿生眼”首先通过患者眼镜上的摄像机捕捉外部景象（感测技术、计算机智能技术应用），然后通过无线发射器（通信技术应用）将图像传送到患者眼球表面的人造视网膜上,经芯片转换为电脉冲信号（计算机技术应用）后传给60个电极。接着，人造视网膜上的电极会刺激视网膜的视觉神经，将信号沿视觉神经传送到大脑，使之在大脑中成像。

案例2——“舌头驾驶系统”助残障人活动

据英国《每日邮报》报道，美国科学家于2008年6月30日成功研制出一种使用微小磁铁进行控制的小仪器。这种米粒大小的仪器可以植在人的舌头下，肢体残疾的人士只需要动一下舌头，就能够轻松地驾驭自己的轮椅甚至操作电脑。这套装置（如图2）将可协助脊椎神经受到重创的严重残障人重新过上丰富、活跃及独立的生活。

[案例分析]：在这套系统中，使用者头部将戴上一个磁场感应器（如图3），它能够测出舌头的磁迹（感测技术应用），并将无线电讯号传送到轮椅上的手提电脑中（通信技术应用），然后通过自动控制进行操作（控制技术应用）。此外，电脑系统还能确认每位使用者独特的舌头动作，即舌头所触碰的每颗牙齿，都可代表不同的指令（人工智能技术应用）。

案例3——无音通话系统

《参考消息》2008年3月17日报道，美国安比恩特公司发明了一套无需发出声音就能够进行电话通话的系统。使用者利用一个放置在颈部周围的项圈，就可以收集到人脑中与特定词汇有关的神经信号，从而创造出无声说话的奇迹。

[案例分析]：使用这套名为“Audeo”的系统，任何人经过一定时间的训练，都可以在不必发出任何声音的情况下发送出与大脑中具体词汇有关的神经信号。

这些信号被放置在颈部声带周围的项圈接收到（感测技术应用）之后，会被重新编码（计算机技术应用），并通过无线设备（通信技术应用）传递给附近的电脑，最终电脑对信号进行解码，再合成声音和语言（计算机与智能技术应用）。

信息技术在当今社会中的应用无处不在。霍金的轮椅装置、盖茨的家、电子骨骼服装、GPS、眼睛打字、电子耳、公交卡收费系统、高速公路电子不停车收费系统、亚轨道太空飞机“山猫”号、形形色色的“记忆”商品等都有信息技术的身影。我们的信息科学家正与生物学家、物理学家、人类学家等一起为了人类更美好的明天创造着一个又一个信息技术应用的奇迹。

让我们与学生一起展开想象的翅膀去畅想信息技术的未来吧！

参考文献

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[6]《北京晚报》2008年03月21日

[7] http://news.xinhuanet.com/newscenter/2008-07/01/content_8470113.htm

[8]《参考消息》2008年3月17日第7版

(作者单位：北京大学附属中学)