信息科技課程應(yīng)該怎樣體現(xiàn)科技史

張汶

【摘 要】科技史對(duì)于學(xué)生感悟科學(xué)精神、理解知識(shí)以及提升人文素養(yǎng)有著重要的作用，但是當(dāng)前高中信息科技課程對(duì)此體現(xiàn)不足。我們應(yīng)讓學(xué)生了解計(jì)算機(jī)從無(wú)到有的過(guò)程，從計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)梳理計(jì)算機(jī)發(fā)展的脈絡(luò)，并應(yīng)注意精簡(jiǎn)內(nèi)容，把握其中具有里程碑意義的發(fā)明創(chuàng)造。

【關(guān)鍵詞】科技史；計(jì)算機(jī)發(fā)展史；信息科技課程

【中圖分類號(hào)】G424 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2014）03-0040-03

人為什么要學(xué)習(xí)歷史？有人說(shuō)，以史為鑒，知興衰，使人明智；有人說(shuō)可以傳承文化?？萍际窂膶儆跉v史，揭示了科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展及其規(guī)律，不僅再現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)艱難曲折的發(fā)展歷程，還展現(xiàn)了科學(xué)家求真務(wù)實(shí)的精神。計(jì)算機(jī)軟硬件以及因特網(wǎng)的發(fā)展歷程作為科技史的一部分內(nèi)容，是當(dāng)前高中信息科技課程中為數(shù)不多的“非技術(shù)”內(nèi)容，為課程增加了一抹人文色彩，卻又存在嚴(yán)重的不足。那么，高中信息科技課程中學(xué)習(xí)科技史的意義何在？怎樣才能更好地學(xué)習(xí)呢？本文以計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展歷程為例，談?wù)剬?duì)高中信息科技課程中科技史的思考。

在信息科技課程中學(xué)習(xí)科技史的意義

1. 有助于感悟科學(xué)精神

通過(guò)對(duì)信息科技發(fā)展歷程的回顧，讓學(xué)生了解科學(xué)技術(shù)發(fā)展的真實(shí)過(guò)程，科技史并不是科學(xué)家和工程師們的成功史，其中有大量的失敗經(jīng)歷。德國(guó)哲學(xué)家韋伯爾曾講過(guò)：“在每一歷史事件背后，必須有一種精神?！卑拓惼鏋榘选胺治鰴C(jī)”的圖紙變成現(xiàn)實(shí)，耗盡了自己的全部財(cái)產(chǎn)，使他一貧如洗。晚年的巴貝奇已經(jīng)不能準(zhǔn)確地發(fā)音，甚至不能有條理地表達(dá)自己的意思，但他仍然百折不撓。1871年，巴貝奇懷著對(duì)“分析機(jī)”無(wú)言的悲愴離開(kāi)了人世，但他為計(jì)算機(jī)科學(xué)留下了一份極其珍貴的精神遺產(chǎn)，包括30種不同設(shè)計(jì)方案，近2000張組裝圖和50000張零件圖……更包括在逆境中自強(qiáng)不息以及為追求理想奮不顧身的精神。學(xué)生能在科技史的學(xué)習(xí)中，了解科學(xué)歷程的艱辛，感悟求真、求實(shí)、敢于懷疑、敢于創(chuàng)新、不怕失敗的科學(xué)精神。

2. 有助于促進(jìn)理解知識(shí)

科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷程中有許多有趣和動(dòng)人的故事，有助于提高學(xué)習(xí)的趣味性。對(duì)科技史的學(xué)習(xí)能讓學(xué)生從源頭上學(xué)習(xí)知識(shí)，而不只是學(xué)習(xí)現(xiàn)成結(jié)論的知識(shí)片斷，有助于學(xué)生更準(zhǔn)確地理解科學(xué)概念。了解知識(shí)的來(lái)龍去脈是學(xué)習(xí)的最佳途徑，只有仔細(xì)研究這些知識(shí)產(chǎn)生的艱難歷程，即研究清楚早期的一切錯(cuò)誤假定，才有可能真正徹底而又正確地理解這些知識(shí)。信息科技課程中，無(wú)論是計(jì)算機(jī)硬件還是軟件，無(wú)論是因特網(wǎng)還是數(shù)字化，都有大量的概念和術(shù)語(yǔ)必須在一定的時(shí)代背景中才能體會(huì)和理解。

3. 有助于提高人文素養(yǎng)

科學(xué)技術(shù)呼喚“理解”科學(xué)技術(shù)的人才，對(duì)待科學(xué)技術(shù)知識(shí)不但要有橫向的了解，還要有縱向的理解。正如萊布尼茨在書(shū)里“找到”帕斯卡一樣，艾肯也是在圖書(shū)館里“發(fā)現(xiàn)”巴貝奇和阿達(dá)，他們的論文令年輕人心馳神往，并為之奮斗。帕斯卡、萊布尼茨、巴貝奇、圖靈、馮·諾依曼等科學(xué)家，他們的研究精神，他們面對(duì)問(wèn)題時(shí)的遠(yuǎn)見(jiàn)，他們?cè)诮鉀Q問(wèn)題中迸發(fā)的智慧，能都打動(dòng)學(xué)生的心靈，啟發(fā)學(xué)生的思考。

科技史是溝通科學(xué)文化與人文文化的載體，它立足于過(guò)去與未來(lái)、自然與社會(huì)的交叉點(diǎn)上。通過(guò)了解信息科技演進(jìn)的歷程，理解科學(xué)技術(shù)與社會(huì)的互動(dòng)關(guān)系，更了解到人類的文明與進(jìn)步，這是單純掌握某一門科學(xué)或某一項(xiàng)技術(shù)所不能帶來(lái)的人文精神。

當(dāng)前信息科技課程中科技史教育存在的問(wèn)題

《上海中小學(xué)信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)科技史沒(méi)有明確的規(guī)定，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)稿）》中對(duì)此的要求也較為簡(jiǎn)略，但大部分教材對(duì)此都有所描述。以計(jì)算機(jī)發(fā)展史為例，關(guān)于硬件，學(xué)生學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容是：從世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模與超大規(guī)模集成電路等四個(gè)時(shí)代。

盡管不同的教材在描述以上內(nèi)容時(shí)詳略不一，但學(xué)生閱讀這些文字時(shí)都會(huì)遇到同樣的困難，如電子管、晶體管、集成電路等術(shù)語(yǔ)。對(duì)學(xué)生而言，由于缺乏足夠的知識(shí)基礎(chǔ)，因此難以理解使用這樣的元器件究竟意味著什么。而課堂教學(xué)調(diào)查表明，80%的學(xué)生閱讀后往往只得出“計(jì)算機(jī)的體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越強(qiáng)了”的結(jié)論。僅僅從計(jì)算機(jī)制造的元器件來(lái)講述計(jì)算機(jī)的發(fā)展史，僅僅告訴學(xué)生計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程中的進(jìn)步是體積越來(lái)越小、性能越來(lái)越好，難道這就是讓學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)發(fā)展史的目標(biāo)嗎？

關(guān)于計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，學(xué)生學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容是：“計(jì)算機(jī)軟件也經(jīng)歷了二進(jìn)制編程、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)等幾個(gè)時(shí)期”。從閱讀角度看，學(xué)生既缺乏對(duì)這些編程語(yǔ)言的基本知識(shí)，也缺少編程經(jīng)驗(yàn)，即使教師可以花一些時(shí)間進(jìn)行演示和解釋，幫助學(xué)生理解，但是大部分學(xué)生得到的結(jié)論也僅僅是“編寫(xiě)軟件越來(lái)越方便了”。學(xué)習(xí)軟件的發(fā)展歷程難道僅僅是得到這樣的結(jié)論嗎？

在科技史中選擇有意義的內(nèi)容

《說(shuō)文解字》云，“史，記事者也”。歷史本身是真實(shí)的，但是面對(duì)紛繁復(fù)雜的歷史事實(shí)，在短暫的學(xué)習(xí)時(shí)間、有限的課時(shí)內(nèi)，學(xué)生究竟應(yīng)該學(xué)習(xí)哪些事實(shí)？如何選擇有意義的內(nèi)容供學(xué)生學(xué)習(xí)呢？

信息科技的發(fā)展史，離不開(kāi)計(jì)算機(jī)的發(fā)明，因此我們不妨回顧一下計(jì)算機(jī)從無(wú)到有的主要發(fā)展歷程。20世紀(jì)整個(gè)技術(shù)發(fā)展中，研制一臺(tái)自動(dòng)化機(jī)器，使之能夠模擬人腦運(yùn)算、解決邏輯問(wèn)題等，是人們長(zhǎng)久以來(lái)的期盼。相當(dāng)多的人從事著運(yùn)算、排序、計(jì)數(shù)、檢索和分類方面的工作，在單調(diào)重復(fù)的工作中不可避免地要發(fā)生一些錯(cuò)誤。因此，謀求降低此類人工勞動(dòng)的舉措，在科學(xué)領(lǐng)域變得十分迫切。

1642年，法國(guó)哲學(xué)家兼數(shù)學(xué)家帕斯卡制造出第一臺(tái)計(jì)算機(jī)器，俗稱“加法機(jī)”，“加法機(jī)”主要由一系列齒輪組成。30年后，德國(guó)數(shù)學(xué)家萊布尼茨制造出能進(jìn)行加減乘除運(yùn)算的機(jī)械式計(jì)算機(jī)。但是這些機(jī)器的運(yùn)算執(zhí)行都離不開(kāi)操作員的輔助工作，需要人工輸入數(shù)字，并指示機(jī)器進(jìn)行下一步工作。

18世紀(jì)30年代，英國(guó)的巴貝奇思考自動(dòng)計(jì)算的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了機(jī)械計(jì)算機(jī)“差分機(jī)”，此后熱衷于更有抱負(fù)的設(shè)想“分析機(jī)”?！胺治鰴C(jī)”是一臺(tái)真正意義上的自動(dòng)計(jì)算機(jī)器，主要由兩個(gè)部分組成：執(zhí)行運(yùn)算的設(shè)備以及保存數(shù)據(jù)及運(yùn)算中間結(jié)果的存儲(chǔ)器。由于整個(gè)過(guò)程的控制由一套穿孔卡片來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，也有人認(rèn)為“分析機(jī)”由三個(gè)部分組成：運(yùn)算器、存儲(chǔ)器和控制器組成，若再加上輸入、輸入設(shè)備，就和現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)幾乎一樣。

此外，巴貝奇設(shè)想一種現(xiàn)在稱之為“條件轉(zhuǎn)移”的指令，可以根據(jù)某個(gè)被計(jì)算結(jié)果的正負(fù)號(hào)，從可能繼續(xù)運(yùn)算的兩條路線中選擇一條做下去。這一重大的創(chuàng)新，標(biāo)志著機(jī)器不僅能代替人的具體計(jì)算，而且開(kāi)始代替人的邏輯判斷，它是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)很關(guān)鍵的思想。巴貝奇的一生都在為制造一臺(tái)自動(dòng)計(jì)算機(jī)器而勞碌，但最終卻勞而無(wú)獲，另一位女性阿達(dá)在翻譯他的論文時(shí)認(rèn)識(shí)到，許多計(jì)算中存在條件轉(zhuǎn)移需求，她提出了我們現(xiàn)在稱為“循環(huán)”和“子程序”的概念，被公認(rèn)為世界上第一位軟件工程師。

在巴貝奇死后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，關(guān)于自動(dòng)計(jì)算幾乎無(wú)人問(wèn)津，直到1950年，英國(guó)科學(xué)家圖靈發(fā)表了計(jì)算機(jī)史上里程碑式的論文Can machine think。1848年，英國(guó)數(shù)學(xué)家布爾吸收了萊布尼茨的二進(jìn)制思想，創(chuàng)立二進(jìn)制代數(shù)學(xué)，布爾將形式邏輯歸結(jié)為一種代數(shù)演算，布爾代數(shù)特別適合于具有斷開(kāi)與接通兩種狀態(tài)的電路系統(tǒng)。布爾本人并沒(méi)有把邏輯代數(shù)與計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái)，但他創(chuàng)造的邏輯代數(shù)卻對(duì)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了深刻的影響。

1906年，電子管問(wèn)世，并在20世紀(jì)20～30年代得到巨大發(fā)展。美國(guó)哈佛大學(xué)的艾肯設(shè)想運(yùn)用卡片穿孔以及借助電流進(jìn)行運(yùn)算的部件，制造出一臺(tái)巴貝奇曾經(jīng)構(gòu)想過(guò)的自動(dòng)計(jì)算機(jī)，1944年這臺(tái)機(jī)器制造出來(lái)，被稱為MARK I。1946年，ENIAC誕生，有人說(shuō)這是第一臺(tái)真正意義上的數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。但是，人們?nèi)匀槐皇M(jìn)制這種人類習(xí)慣的計(jì)數(shù)方法所困擾。

當(dāng)人們還在苦苦尋找制造基于十進(jìn)制的計(jì)算機(jī)解決方案時(shí)，馮·諾依曼看到了二進(jìn)制的長(zhǎng)處，他在構(gòu)思計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)時(shí)，運(yùn)用了萊布尼茨和布爾的成果。馮·諾依曼意識(shí)到，二進(jìn)制的優(yōu)點(diǎn)不僅在于它強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)和邏輯機(jī)的等價(jià)性，還在于從電學(xué)和電子學(xué)的觀點(diǎn)看，完成二進(jìn)制運(yùn)算所需要的兩種狀態(tài)很容易用電壓和電流的有與無(wú)來(lái)實(shí)現(xiàn)，更為重要的是，他認(rèn)識(shí)到程序和存儲(chǔ)器的重要性。此后，越來(lái)越多的人認(rèn)識(shí)到二進(jìn)制計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，這催生了電子技術(shù)的發(fā)展，制造計(jì)算機(jī)元器件不斷更新，從電子管到晶體管再到集成電路，最終發(fā)展成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)。

信息科技課程中關(guān)于科技史的學(xué)習(xí)建議

1. 信息科技的發(fā)展歷程應(yīng)從機(jī)械計(jì)算機(jī)開(kāi)始

人們一般從ENIAC開(kāi)始介紹計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程，也就是說(shuō)是從電子計(jì)算機(jī)開(kāi)始講起，同時(shí)引入馮·諾依曼的二進(jìn)制思想和存儲(chǔ)程序思想。但是調(diào)查顯示，幾乎沒(méi)有學(xué)生能較為合理地解釋這兩個(gè)思想的價(jià)值何在。究其原因，在于離開(kāi)當(dāng)時(shí)的背景去描述一個(gè)思想的價(jià)值，學(xué)生缺失理解某概念的情境，缺少對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展脈絡(luò)的了解。

從哪里開(kāi)始講述計(jì)算機(jī)的發(fā)展史呢？計(jì)算機(jī)從無(wú)到有經(jīng)歷了幾百年，考慮到現(xiàn)代計(jì)算機(jī)對(duì)早期計(jì)算工具的繼承關(guān)系，因此有必要簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)（器）的早期發(fā)展史。然而早到什么時(shí)候，有人認(rèn)為應(yīng)該從中國(guó)的算盤(pán)開(kāi)始，但是算盤(pán)僅是計(jì)算的一個(gè)記憶助手，類似于一張紙和一支鉛筆，并不是真正的機(jī)器。有人認(rèn)為，應(yīng)該從1642年帕斯卡的加法機(jī)開(kāi)始，也有人認(rèn)為應(yīng)該從1840年巴貝奇的機(jī)械計(jì)算機(jī)開(kāi)始講起。筆者認(rèn)為，從哪里開(kāi)始講述，取決于怎樣才能有利于學(xué)生從無(wú)到有建構(gòu)自己的知識(shí)。巴貝奇的機(jī)械式計(jì)算機(jī)思想較為復(fù)雜，學(xué)生可能會(huì)一下子難以理解，早期計(jì)算機(jī)主要解決的是單純的數(shù)據(jù)計(jì)算問(wèn)題，因此，從帕斯卡的加法機(jī)開(kāi)始講述，逐步過(guò)渡到巴貝奇的分析機(jī)，適時(shí)引入存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及邏輯運(yùn)算的知識(shí)，再到電子計(jì)算機(jī)以及馮·諾依曼思想，是個(gè)較為合理的思路。

2. 從計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)梳理計(jì)算機(jī)發(fā)展的脈絡(luò)

同樣的歷史，既可以是編年史，也可以是文明史，還可以是文化史等?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展史也如此，計(jì)算機(jī)發(fā)展的脈絡(luò)如何梳理？有的教材從計(jì)算機(jī)使用的部件來(lái)劃分，分為電子管、晶體管等五個(gè)時(shí)代，但這種劃分意義不大。有的教材以編年史的形式來(lái)描述，但是過(guò)于龐雜，難以體現(xiàn)重點(diǎn)以及繼承與發(fā)展的內(nèi)在聯(lián)系。筆者認(rèn)為，馮·諾依曼在19世紀(jì)40年代提出的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)、二進(jìn)制以及存儲(chǔ)程序的思想，歷經(jīng)近百年依然使用，并成為信息科技領(lǐng)域中的重要思想，也應(yīng)是學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)。因此，從計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)來(lái)梳理脈絡(luò)更為合理。

人們從提花編織機(jī)中得到指揮機(jī)器工作的“程序”的靈感，以穿孔卡片的形式記載最早的“程序”，而存儲(chǔ)程序的思想，使計(jì)算機(jī)最終成為可以處理不同任務(wù)的通用計(jì)算機(jī)。按照計(jì)算機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展這樣的學(xué)習(xí)線索，聚焦計(jì)算機(jī)需要解決的問(wèn)題以及科學(xué)家解決問(wèn)題的創(chuàng)新，有助于理解計(jì)算機(jī)從無(wú)到有的過(guò)程，有助于理解二進(jìn)制的意義。其中涉及的一些重要概念，如“運(yùn)算器”、“控制器”、“存儲(chǔ)器”、“輸入輸出”、“二進(jìn)制”等，學(xué)生都能在相應(yīng)的歷史背景中得以理解。而“程序”、“指令”、“邏輯運(yùn)算”等概念，也給學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)算法奠定基礎(chǔ)。

3. 精簡(jiǎn)內(nèi)容有利于在課堂教學(xué)中實(shí)施

僅僅關(guān)于計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展歷程，就有很多值得學(xué)習(xí)的內(nèi)容，有關(guān)信息科技的發(fā)展史內(nèi)容更是龐雜，涉及的知識(shí)面也十分廣泛，如物理學(xué)、電磁學(xué)、通信學(xué)、數(shù)學(xué)等，這些知識(shí)十分專業(yè)，甚至到大學(xué)也未必能學(xué)到，因此高中階段對(duì)此的學(xué)習(xí)絕不能追求面面俱到和專業(yè)。首先，要注意精簡(jiǎn)內(nèi)容，規(guī)避一些學(xué)生難以理解的概念和術(shù)語(yǔ)，規(guī)避技術(shù)細(xì)節(jié)，把握每一次技術(shù)進(jìn)步的核心要點(diǎn)，理清時(shí)間線。其次，要使用通俗易懂的語(yǔ)言，使之符合高中學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)與年齡特點(diǎn)。再次，高中信息科技課程不是專門的科學(xué)技術(shù)發(fā)展史課程，不能喧賓奪主，舍本逐末，不必為了學(xué)習(xí)與信息科技有關(guān)的發(fā)展史，去舍棄高中課程核心的學(xué)習(xí)內(nèi)容。最后，要精心編排學(xué)習(xí)內(nèi)容，不能孤立地學(xué)習(xí)信息科技的發(fā)展歷史，要將其融合、滲透在各個(gè)部分的學(xué)習(xí)內(nèi)容中，才能在高中階段真正得以落實(shí)。

科學(xué)技術(shù)是智慧的結(jié)晶，高中信息科技課程要重視科技發(fā)展史，要展現(xiàn)信息技術(shù)發(fā)展、信息技術(shù)創(chuàng)新和信息技術(shù)應(yīng)用中蘊(yùn)藏的豐富內(nèi)涵，激發(fā)學(xué)生發(fā)明創(chuàng)造的興趣和激情，讓他們沿著科學(xué)的發(fā)展足跡，逐步通向科學(xué)技術(shù)的光輝殿堂。

（作者單位：上海市教育委員會(huì)教研室）

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