简话计算机技术发展史及教学-探讨在高中信息技术课程中计算机史的教学意义及思路 论文

简话计算机技术发展史及教学——探讨在高中信息技术课程中计算机史的教学意义及思路【摘要】2017年修订的普通高中信息技术课程标准，确定了高中信息技术学科的核心素养，淡化了计算机的工具性，强调了计算机科学的重要性，以提升青少年的信息素养为主要任务。在新课标的要求下，新版教材在内容上有了明显的改变，但对于计算机技术的发展历史涉及仍旧有限。而作者认为，我国的青少年未来要肩负起民族复兴的伟大事业，就必须在科学技术领域要带领中国走到世界的前列，现代信息技术的核心技术——计算机技术的发展尤为重要，而青少年对于计算机发展历史的系统了解和思考是实现创新和突破的重要前提。【关键词】计算机科技发展历史信息技术青少年【引言】作者希望通过对以计算机技术为代表近代科技发展史的简略论述，探讨我国高中生学习在信息技术课程中学习计算机技术发展史的必要性以及在高中信息技术课程中实施教学的思路。一、计算机发展的概述与反思从“掰手指”到计算机技术的发展历程告诉我们，社会的发展需要人类去获取、处理更多的信息资源，这促使了我们要不断地改进和发明计算方法和计算工具来处理日益庞大且复杂的数据，而电子计算机及互联网的诞生和发展使得人类采集、传播信息的速度和规模达到空前的水平，带领人类跑进了信息时代。电子计算机的发展和应用已对社会的各个领域都产生了巨大、深远的影响。在此基础上，人类描绘了美好而充满想象的世界蓝图。电子计算机的发明具有里程碑式的意义和无与伦比的价值，无疑是人类历史上最伟大的发明之一。它为什么没有诞生在我们国家？我国有着辉煌灿烂的历史成就，曾今在农业、军事、制陶、冶炼、造纸、珠算等科技领域所创造的成果独步天下，直至明朝中晚期还出现了很多分科统宗》等著作。而后却江河日下，包含计算机发展史的近代科技史则完全变成了西方的表演舞台。我国的青少年还没来得及了。而美国对中国科技公司的技术封锁让我们清醒地认识到，只有浇灌出自己的科技之树，才能在未来立足于这个依旧弱肉强食的世界。我们的青少年需要继续睁眼看世界，知道自己落后，更要知道自己为什么落后。有必要让青少年学习历史，学习科技史，学习计算机技术发展史。二、计算机发展史的简述与教学思路Computer这个词最初的意思是计算工作者。随着社会发展和人口的增长，人们需要处理的信息量终将超过人力能及的范围，计算工具和方法的发明创新成为了必然。计算工具的发展大致分为四个阶段。人类最初学会了用10根手指进行计数，并形成了现在通用的十进制计数法。但显然10根手指难以完成联盟部落“年底分红”等事情的大数计量工作，而且也不可能为存储这个数量而长时间保持一种手势。代替手指的石子、细木棍在数量和摆放形式上比手指更灵活，由此我国古代劳动者发明了算筹，沿用了十进制法，并在不同位置以规范的摆放方式来表示任意大小的数量。算筹的不断演变最终形成了算盘，它仍用十进制，并有了一套珠算口诀来实现快捷计算，算盘被公认为最早的计算工具，甚至被硅谷博物馆认为是最早的计算机。西方国家早期基本和我们一样采用类似算筹的计算工具，而后走上了计算自动化的发展之路。17世纪初一位英国数学家威廉·奥特雷德根据对数原理发明了对数计算尺，可以进行乘除运算，而改进后的计算尺甚至可以计算各种函数值，这种计算尺一直沿用到电子计算机的普及才被完全替代。间，一直作为世界领先的计算工具还传入了东南亚甚至欧洲。对于这段历史，现在的高中生应该不会太陌生。在信息技术课中，除了抒发为自己祖先的智慧感到自豪感的同时，也应强调学生们去反思：为什么算盘一直作为我国的主要计算工具延续到20世纪晚期才被淘汰，难道我们真的满足于此了吗？而从珠算技术在明朝的成熟使用开始直到20世纪中期这段时间，欧美国家的科学家们完成了从手动计算工具到电子计算机的发展历程，我们却因循守旧，裹足不前，啃了五百年的老本。历史已无法改变，我们的青少年应该在历史的对比中体会原因，改变历史文化、传统旧俗留在我们身上的弊病。14世纪开始的文艺复兴和16世纪的欧洲宗教改革运动结束了天主教的精神束缚，也解除了教会对知识的垄断，恢复了欧洲古典时代的科技活力，衍生出了欧洲的科技革命。1623年为了帮父亲计算复杂的税务问题，帕斯卡成功设计了一台由齿轮转动进行十进制加减计算的机械计算机，这被认为是人类历史上第一台机械计算机。50年后，莱布尼兹改进了帕斯卡的加减法计算机，实现了四则运算。最让人意想不到的是发明于我国的提花编织机在18世纪的法国得以改进后却深入影响了计算机技术的发展。1725年法国机械师布乔根据图案在纸带上打孔，把这种带孔的纸带放到编织针上，这样启动机器后，编织针通过有孔的地方可以勾起纸条下方的织线，纸条的无孔部分会挡住编织针，从而机器就可以自动按预设的图案编织出想要的效果。这种设计给后来的英国人巴贝奇带来了灵感，1822年他设计并制造了一台只要插入执行卡就可以自动完成预设任务的机器——差分机1然后来的差分机2号因过于复杂和资金问题而研制失败，但他却更大但的设计了一台通用计算机，俨然像一个穿越者在当时提出类似于后来冯诺依曼计算机的逻辑部件——寄存器、运算器、控制器。自此机械因工艺、精度等问题到达了极限，巴贝奇设计的机械计算机可以算的上是人类机械史上的巅峰之作。当康熙大帝看到传教士带来的机械计算机时，跟儿子说：心思代表了大部分封建君主真实想法。世界中心逐渐移向了西方，这段时期的机械计算机技术在欧洲得到蓬勃的发展。机械计算机的应用为欧洲国家的科研、航海、军事、工程制造等领域带来了手动计算难以企及的精度和高效的算力，极大地推动了欧洲国家的现代化进程。我国古代的水车、播种机、连弩、纺织机等各领域领先于世界的技术为什么后继乏力？在向学生们分析其社会制度、政治文化背景等历史原因的同时，也要敢于直面科技本身在中国发展存在的弊病。家庭条件优渥的巴贝奇花光了遗产投入到差分机的研制，落得了凄惨的晚年，并因最终失败含恨而去。但他留给博物馆的设计图纸和零件为后来计算机设计提供了重要的参考，深远影响了后来计算机的发展方向。在信息技术课程中，我们应该引导同学们更多地从科技本身去思考，更多地将注意力集中在他们的科学探究精神和技术的成功与失败的原因上来。青少年需要了解历史的局限性，但更需要他们从历史中汲取智慧打破禁锢，成为未来世界的主角，担起复兴民族大业。1830年，美国科学家约瑟夫·亨利比法拉第更早一年发现了电磁现象，利用这一原理发明了继电器，继电器不但帮助莫尔斯发明了电报，也将被用于新式计算机的设计。在巴贝奇逝世后，大西洋彼岸的霍列瑞斯博士为提高美国人口普查的数据统计效率，像巴贝奇一样利用打孔纸带发明了机电式自动制表机，他把每个人的信息用一张纸带打孔记录。例如某人性别男，就在此人的纸带栏目“男”的位置下方打孔，运行时探针通过此孔插入到下面的水银，接通电路产生电流，此电流通过继电器产生磁场吸合继电器的开关，继电器开关的闭合致使另一个电路接通并产生电流控制电路中的计数器累加计数。继电器在其中的使用非常巧妙，但继电器作为计算机部件的更大的莱布尼兹于17世纪发明的二进制计算方法融入计算机技术代替了十进制计算，使得机械计算机变成真正意义上的数字计算机。二战期间美国研制了含有数千个继电器的计算机，强大的算力使得美国的炮弹更稳更准。作为机电式计算机的主流形式，继电器计算机被贝尔实验室、IBM公司等机构大力发展直到电子管的诞生。19世纪的清朝，康乾已逝，帝国继续衰落，西方国家凭借强大的军事实力不断蚕食中国。几乎所有中国人都对这段历史耿耿于怀，魏源更是提出了“师夷长技以制夷”的主张，但从《海国图志》原文中可以看出“长技”是指西方军事上的长处，可以用几百万两白银尽得其技。买来他们的武器来打败他们，这无异于班门弄斧式的幻想。看来他并未意识到西方军事的强大是依靠先进的科技实力。通过对比反思这段历史，在信息技术课程中不仅仅让学生知道落后就要挨打的道理，更主要应让学生充分认识到科技的力量，重点让学生了解到计算机在这段时期的迅猛发展是因为依靠先进的科学理论和丰富的技术成果积累而成。其中涉及到的二进制计算、继电器、由继电器为基础元件搭建的逻辑门电路、布尔代数等，这对于已有一定数学和电学知识的高中生并不算太难，作者认为这些可以作为高中信息技术课程的选修模块，甚至作为纳入必修内容来弥补课程中硬件知识匮乏的问题，让学生理解计算机的最底层的工作原理，了解计算机软硬件的真实面目。从我们耳熟能详的一句话开始：1946年诞生于美国的宾夕法尼亚大学的计算机——ENIAC是人类历史上第一台电子数字计算机（ENIAC第一个申请专利，真正的第一台电子数字计算机名为ABC，是由约翰·阿坦那索夫和他的学生设计）。20世纪初，电子真空管的发明，很快被人想到可以用于代替噪声大、速度慢的电磁继电器，用它们实现的逻辑门电路在理论上可行，但造价昂贵、耗电量大、体积大、寿命短，所以ENIAC装了18000个电子管后重达30吨。但在ENIAC问世后不久，1947年威廉·肖克利领导的半导体小组成功的研制了第一个晶体管。这种用半导体材料制作的体积小、功耗低的固态元件理所当然地淘汰了电子真空管，他们也凭借这一发明获得了诺贝尔物理学奖。相对于上面的历史，同被成为“计算机之父”的图灵和冯诺依曼对现代计算机的贡献更加被人们所熟知，本文将不再赘述。电子计算机以图灵的计算理论基础，冯诺依曼的体系结构，在半导体技术的支撑下不断发展，结合后来的互联网技术一起深刻地改变着我们现在的社会生活。这个时期的计算机技术日趋完美，完成了专用机到通用机的进化，技术成熟后的商业化使得计算机开始在全世界普及开来。而20世纪中叶，中国因内忧外困导致科技发展几乎处于停滞状态，与欧美差距越来越大。新中国经过了调整期后，在中国共产党领导下，不断弘扬科学精神，破除封建迷信，重视教育，加上改革开放极大的解放了人们的思想，近年来我国的科技人才呈现井喷式的发展，由此我们的科技发展全面开花，走到了世界前列水平。在信息技术的教学中，一方面要让学生了解到科技在中国得以飞速发展的原因，也要反思发展中疏于思考而导致的一些问题。例如电子计算机技术在我国的发展可能因对短期效益回报的追求，而把更多的精力投入到应用层面和软件层面的研发，忽视了底层硬件的研发设计，导致我国现在的芯片技术仍然相对落后，没有发展出一些关键技术，失去了这个领域的话语权而受制于人。通过反例让学生理解这样的反思会有效地减少我们走弯路的可能性，要提高发展的质量，就不能盲目地追求速度和短期回报。三、总结与期望自古我们就知道要沿着历史的辙印探索未来。研究学习历史让我们鉴古知今，不但推动了人文科学的发展，还可用于思维科学的研究。从亚里士多德的《三段论》到莱布尼兹的《论相承的科学思维和成果为现代电子计算机的发明铺平了道路。电子计算机的诞生正是在一代又一代人的灌溉中自然而然的生长壮大