信息科技课程应该怎样体现科技史

张汶

【摘 要】科技史对于学生感悟科学精神、理解知识以及提升人文素养有着重要的作用，但是当前高中信息科技课程对此体现不足。我们应让学生了解计算机从无到有的过程，从计算机的逻辑结构梳理计算机发展的脉络，并应注意精简内容，把握其中具有里程碑意义的发明创造。

【关键词】科技史；计算机发展史；信息科技课程

【中图分类号】G424 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2014）03-0040-03

人为什么要学习历史？有人说，以史为鉴，知兴衰，使人明智；有人说可以传承文化。科技史从属于历史，揭示了科学技术的产生、发展及其规律，不仅再现了科学技术艰难曲折的发展历程，还展现了科学家求真务实的精神。计算机软硬件以及因特网的发展历程作为科技史的一部分内容，是当前高中信息科技课程中为数不多的“非技术”内容，为课程增加了一抹人文色彩，却又存在严重的不足。那么，高中信息科技课程中学习科技史的意义何在？怎样才能更好地学习呢？本文以计算机硬件的发展历程为例，谈谈对高中信息科技课程中科技史的思考。

在信息科技课程中学习科技史的意义

1. 有助于感悟科学精神

通过对信息科技发展历程的回顾，让学生了解科学技术发展的真实过程，科技史并不是科学家和工程师们的成功史，其中有大量的失败经历。德国哲学家韦伯尔曾讲过：“在每一历史事件背后，必须有一种精神。”巴贝奇为把“分析机”的图纸变成现实，耗尽了自己的全部财产，使他一贫如洗。晚年的巴贝奇已经不能准确地发音，甚至不能有条理地表达自己的意思，但他仍然百折不挠。1871年，巴贝奇怀着对“分析机”无言的悲怆离开了人世，但他为计算机科学留下了一份极其珍贵的精神遗产，包括30种不同设计方案，近2000张组装图和50000张零件图……更包括在逆境中自强不息以及为追求理想奋不顾身的精神。学生能在科技史的学习中，了解科学历程的艰辛，感悟求真、求实、敢于怀疑、敢于创新、不怕失败的科学精神。

2. 有助于促进理解知识

科学技术发展的历程中有许多有趣和动人的故事，有助于提高学习的趣味性。对科技史的学习能让学生从源头上学习知识，而不只是学习现成结论的知识片断，有助于学生更准确地理解科学概念。了解知识的来龙去脉是学习的最佳途径，只有仔细研究这些知识产生的艰难历程，即研究清楚早期的一切错误假定，才有可能真正彻底而又正确地理解这些知识。信息科技课程中，无论是计算机硬件还是软件，无论是因特网还是数字化，都有大量的概念和术语必须在一定的时代背景中才能体会和理解。

3. 有助于提高人文素养

科学技术呼唤“理解”科学技术的人才，对待科学技术知识不但要有横向的了解，还要有纵向的理解。正如莱布尼茨在书里“找到”帕斯卡一样，艾肯也是在图书馆里“发现”巴贝奇和阿达，他们的论文令年轻人心驰神往，并为之奋斗。帕斯卡、莱布尼茨、巴贝奇、图灵、冯·诺依曼等科学家，他们的研究精神，他们面对问题时的远见，他们在解决问题中迸发的智慧，能都打动学生的心灵，启发学生的思考。

科技史是沟通科学文化与人文文化的载体，它立足于过去与未来、自然与社会的交叉点上。通过了解信息科技演进的历程，理解科学技术与社会的互动关系，更了解到人类的文明与进步，这是单纯掌握某一门科学或某一项技术所不能带来的人文精神。

当前信息科技课程中科技史教育存在的问题

《上海中小学信息科技课程标准》中对科技史没有明确的规定，《普通高中信息技术课程标准（实验稿）》中对此的要求也较为简略，但大部分教材对此都有所描述。以计算机发展史为例，关于硬件，学生学习的主要内容是：从世界上第一台电子计算机问世以来，计算机经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模与超大规模集成电路等四个时代。

尽管不同的教材在描述以上内容时详略不一，但学生阅读这些文字时都会遇到同样的困难，如电子管、晶体管、集成电路等术语。对学生而言，由于缺乏足够的知识基础，因此难以理解使用这样的元器件究竟意味着什么。而课堂教学调查表明，80%的学生阅读后往往只得出“计算机的体积越来越小，功能越来越强了”的结论。仅仅从计算机制造的元器件来讲述计算机的发展史，仅仅告诉学生计算机发展过程中的进步是体积越来越小、性能越来越好，难道这就是让学生学习计算机发展史的目标吗？

关于计算机软件的发展，学生学习的主要内容是：“计算机软件也经历了二进制编程、汇编语言、高级语言、结构化程序设计、面向对象程序设计等几个时期”。从阅读角度看，学生既缺乏对这些编程语言的基本知识，也缺少编程经验，即使教师可以花一些时间进行演示和解释，帮助学生理解，但是大部分学生得到的结论也仅仅是“编写软件越来越方便了”。学习软件的发展历程难道仅仅是得到这样的结论吗？

在科技史中选择有意义的内容

《说文解字》云，“史，记事者也”。历史本身是真实的，但是面对纷繁复杂的历史事实，在短暂的学习时间、有限的课时内，学生究竟应该学习哪些事实？如何选择有意义的内容供学生学习呢？

信息科技的发展史，离不开计算机的发明，因此我们不妨回顾一下计算机从无到有的主要发展历程。20世纪整个技术发展中，研制一台自动化机器，使之能够模拟人脑运算、解决逻辑问题等，是人们长久以来的期盼。相当多的人从事着运算、排序、计数、检索和分类方面的工作，在单调重复的工作中不可避免地要发生一些错误。因此，谋求降低此类人工劳动的举措，在科学领域变得十分迫切。

1642年，法国哲学家兼数学家帕斯卡制造出第一台计算机器，俗称“加法机”，“加法机”主要由一系列齿轮组成。30年后，德国数学家莱布尼茨制造出能进行加减乘除运算的机械式计算机。但是这些机器的运算执行都离不开操作员的辅助工作，需要人工输入数字，并指示机器进行下一步工作。

18世纪30年代，英国的巴贝奇思考自动计算的问题，设计了机械计算机“差分机”，此后热衷于更有抱负的设想“分析机”。“分析机”是一台真正意义上的自动计算机器，主要由两个部分组成：执行运算的设备以及保存数据及运算中间结果的存储器。由于整个过程的控制由一套穿孔卡片来实现，因此，也有人认为“分析机”由三个部分组成：运算器、存储器和控制器组成，若再加上输入、输入设备，就和现代电子计算机的硬件结构几乎一样。

此外，巴贝奇设想一种现在称之为“条件转移”的指令，可以根据某个被计算结果的正负号，从可能继续运算的两条路线中选择一条做下去。这一重大的创新，标志着机器不仅能代替人的具体计算，而且开始代替人的逻辑判断，它是实现现代电子计算机设计很关键的思想。巴贝奇的一生都在为制造一台自动计算机器而劳碌，但最终却劳而无获，另一位女性阿达在翻译他的论文时认识到，许多计算中存在条件转移需求，她提出了我们现在称为“循环”和“子程序”的概念，被公认为世界上第一位软件工程师。

在巴贝奇死后的很长一段时间，关于自动计算几乎无人问津，直到1950年，英国科学家图灵发表了计算机史上里程碑式的论文Can machine think。1848年，英国数学家布尔吸收了莱布尼茨的二进制思想，创立二进制代数学，布尔将形式逻辑归结为一种代数演算，布尔代数特别适合于具有断开与接通两种状态的电路系统。布尔本人并没有把逻辑代数与计算机联系起来，但他创造的逻辑代数却对现代计算机的发展产生了深刻的影响。

1906年，电子管问世，并在20世纪20～30年代得到巨大发展。美国哈佛大学的艾肯设想运用卡片穿孔以及借助电流进行运算的部件，制造出一台巴贝奇曾经构想过的自动计算机，1944年这台机器制造出来，被称为MARK I。1946年，ENIAC诞生，有人说这是第一台真正意义上的数字电子计算机。但是，人们仍然被十进制这种人类习惯的计数方法所困扰。

当人们还在苦苦寻找制造基于十进制的计算机解决方案时，冯·诺依曼看到了二进制的长处，他在构思计算机的结构时，运用了莱布尼茨和布尔的成果。冯·诺依曼意识到，二进制的优点不仅在于它强调计算机和逻辑机的等价性，还在于从电学和电子学的观点看，完成二进制运算所需要的两种状态很容易用电压和电流的有与无来实现，更为重要的是，他认识到程序和存储器的重要性。此后，越来越多的人认识到二进制计算机的优点，这催生了电子技术的发展，制造计算机元器件不断更新，从电子管到晶体管再到集成电路，最终发展成为现代计算机。

信息科技课程中关于科技史的学习建议

1. 信息科技的发展历程应从机械计算机开始

人们一般从ENIAC开始介绍计算机的发展历程，也就是说是从电子计算机开始讲起，同时引入冯·诺依曼的二进制思想和存储程序思想。但是调查显示，几乎没有学生能较为合理地解释这两个思想的价值何在。究其原因，在于离开当时的背景去描述一个思想的价值，学生缺失理解某概念的情境，缺少对计算机发展脉络的了解。

从哪里开始讲述计算机的发展史呢？计算机从无到有经历了几百年，考虑到现代计算机对早期计算工具的继承关系，因此有必要简述计算机（器）的早期发展史。然而早到什么时候，有人认为应该从中国的算盘开始，但是算盘仅是计算的一个记忆助手，类似于一张纸和一支铅笔，并不是真正的机器。有人认为，应该从1642年帕斯卡的加法机开始，也有人认为应该从1840年巴贝奇的机械计算机开始讲起。笔者认为，从哪里开始讲述，取决于怎样才能有利于学生从无到有建构自己的知识。巴贝奇的机械式计算机思想较为复杂，学生可能会一下子难以理解，早期计算机主要解决的是单纯的数据计算问题，因此，从帕斯卡的加法机开始讲述，逐步过渡到巴贝奇的分析机，适时引入存储数据以及逻辑运算的知识，再到电子计算机以及冯·诺依曼思想，是个较为合理的思路。

2. 从计算机的逻辑结构梳理计算机发展的脉络

同样的历史，既可以是编年史，也可以是文明史，还可以是文化史等。科学技术的发展史也如此，计算机发展的脉络如何梳理？有的教材从计算机使用的部件来划分，分为电子管、晶体管等五个时代，但这种划分意义不大。有的教材以编年史的形式来描述，但是过于庞杂，难以体现重点以及继承与发展的内在联系。笔者认为，冯·诺依曼在19世纪40年代提出的计算机结构、二进制以及存储程序的思想，历经近百年依然使用，并成为信息科技领域中的重要思想，也应是学生学习的重点。因此，从计算机的逻辑结构来梳理脉络更为合理。

人们从提花编织机中得到指挥机器工作的“程序”的灵感，以穿孔卡片的形式记载最早的“程序”，而存储程序的思想，使计算机最终成为可以处理不同任务的通用计算机。按照计算机逻辑结构不断发展这样的学习线索，聚焦计算机需要解决的问题以及科学家解决问题的创新，有助于理解计算机从无到有的过程，有助于理解二进制的意义。其中涉及的一些重要概念，如“运算器”、“控制器”、“存储器”、“输入输出”、“二进制”等，学生都能在相应的历史背景中得以理解。而“程序”、“指令”、“逻辑运算”等概念，也给学生后续学习算法奠定基础。

3. 精简内容有利于在课堂教学中实施

仅仅关于计算机硬件的发展历程，就有很多值得学习的内容，有关信息科技的发展史内容更是庞杂，涉及的知识面也十分广泛，如物理学、电磁学、通信学、数学等，这些知识十分专业，甚至到大学也未必能学到，因此高中阶段对此的学习绝不能追求面面俱到和专业。首先，要注意精简内容，规避一些学生难以理解的概念和术语，规避技术细节，把握每一次技术进步的核心要点，理清时间线。其次，要使用通俗易懂的语言，使之符合高中学生的知识基础与年龄特点。再次，高中信息科技课程不是专门的科学技术发展史课程，不能喧宾夺主，舍本逐末，不必为了学习与信息科技有关的发展史，去舍弃高中课程核心的学习内容。最后，要精心编排学习内容，不能孤立地学习信息科技的发展历史，要将其融合、渗透在各个部分的学习内容中，才能在高中阶段真正得以落实。

科学技术是智慧的结晶，高中信息科技课程要重视科技发展史，要展现信息技术发展、信息技术创新和信息技术应用中蕴藏的丰富内涵，激发学生发明创造的兴趣和激情，让他们沿着科学的发展足迹，逐步通向科学技术的光辉殿堂。

（作者单位：上海市教育委员会教研室）

参考文献

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