任务一计算机发展及应用领域认知

C任务描述

计算机是现代办公、学习和生活的常用工具，相信也是你学习生活的好帮手，那你知道它的来历吗？你知道最初的计算机是在哪诞生的吗？带着这些问题，进入我们的信息课堂吧……

C学习目标

知识目标	能力目标	素质目标
1. 了解计算机发展历史和特点 2. 了解计算机的应用领域及发展方向 3.了解云计算、3D打印技术、人工智能技术等热门知识	1、能描述计算机四个发展阶段的特点 2、能举例说明我国计算机发展史上有代表性的机型 3、能举出一些计算机应用领域的实例 4、能说出有代表性的计算机领域的前沿技术	1、培养学生信息化素养 2、培养学生团队协作能力

C知识储备

知识点1：计算机的发展历史

我们通常所说的计算机是指数字电子计算机，又称电脑，它是一种能够接收信息，并展昭存储在其内部的程序对输入的信息进行处理，并产生输出结果的、高速的、自动化的数字电子设备。

世界上第一台通用电子计算机ENIAC于1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学宣告诞生，它的出现揭开了现代电子计算机发展和应用的序幕。

ENIAC占地面积约170平方米，重达30英吨，耗电量150千瓦，造价48万美元。它包含了17,468根真空管（电子管），1500个继电器，6000多个开关，计算速度是每秒5000次加法或400次乘法，是使用继电器运转的机电式计算机的1000倍、手工计算的20万倍。

在ENIAC的研制过程中，美籍匈牙利数学家冯·诺依曼（Joth von Neumann）总结并提出两点改进意见。其一是计算机内部直接采用二进制数进行运算；其二是将指令和数据都存储起来，由程序控制计算机自动执行。根据冯·诺依曼的存储程序计算机体系结构的原理和思想，决定了计算机必须有输入、存储、运算、控制和输出五个组成部分。冯·诺依曼被誉为“现代电子计算机之父”。

1. 现代计算机的发展历史

（1）第一代计算机(1946~1958)

第一代计算机是电子管计算机，其基本元件是电子管，内存储器采用水银延迟线和磁鼓，外存储器采用纸带、卡片等。这个时期的计算机的特点是体积庞大、运算速度低、成本高、可靠性较差、内存容量小，主要用于军事和科学研究工作。UNIVAC-I(通用自动计算机)是第一代计算机的代表。其操作指令是为特定任务编制的，每种机器都有自己的机器语言，功能不仅受限制，速度也慢。

（2）第二代计算机(1958~1964年)

第二代计算机用晶体管代替了电子管。内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯，外存储器有磁盘、磁带等，外部设备种类增加。运算速度从每秒几万次提高到几十万次，内存储器容量扩大到几十万字节。与此同时，计算机软件也有了较大的发展，出现了监控程序并发展为后来的操作系统，高级程序设计语言BASIC、COBOL和FORTRAN等语言的推出，使计算机编程更容易。

与第一代计算机相比，晶体管计算机体积小、成本低、速度快、功能强、可靠性高。使用范围也从单一的科学计算扩展到数据处理和事务处理等其他领域。IBM-7000系列机是第二代计算机的代表。

（3）第三代计算机(1964~1971年)

第三代计算机的主要元件是采用中、小规模集成电路。所谓集成电路使用特殊的工艺将完整的电子线路坐在一个硅片上，通常只有邮票的四分之一大小。内存储器采用集成度很高的半导体存储器，运算速度可达每秒几百万次甚至上亿次基本运算。软件方面，操作系统进一步完善，高级语言种类增多，出现了结构化的程序设计语言Pascal，出现了并行处理、多处理机、虚拟存储系统以及面向用户的应用软件。

与晶体管计算机相比，集成电路计算机的体积、重量、功耗都进一步减小，运算速度、逻辑运算功能和可靠性都进一步提高。IBM-360系列是最早采用集成电路的通用计算机，也是影响最大的第三代计算机。

（4）第四代计算机(1971年至今)

计算机的逻辑元件采用了大规模集成电路(LSI，Large Scale Integrated Circuits)和超大规模集成电路（VLSI,Very Large Scale Integrated Circuits）。所谓大规模集成电路，是指在单片硅片上集成1000～2000个晶体管的集成电路，其集成度比中、小规模的集成电路提高了1～2个以上数量级。而VLSI能把计算机的核心部件甚至整个计算机都做到一个硅片上。这个阶段，集成度很高的半导体存储器完全替代了磁芯存储器，磁盘的存取速度和存储容量大幅度上升。开始引用光盘，外部设备的种类和质量都有很大提升，计算机的速度可达每秒几百万次至上亿次。

这个时期的计算机朝着微型化和巨型化两个方向发展。尤其是微处理器的发明使计算机在外观、处理能力、价格以及实用性等方面发生了深刻的变化。操作系统向虚拟操作系统发展，数据库管理系统不断完善和提高，程序设计语言进一步发展和改进，软件行业发展成为新兴的高科技产业。

（5）新一代计算机

就在第四代计算机方兴未艾的时候，从20世界80年代开始，日本、美国等国投入大量人力物力研制新一代计算机，其目标是要使计算机具有某些与人的智能类似的功能，可以理解人的语言，能思考问题，并具有逻辑推理能力。它牵涉到很多高新技术领域，像微电子学、计算机体系结构、高级信息处理、软件工程方法、人工智能和人机界面（理解自然语言、处理声光像的交互）等。    

图1-1-1 工作中的ENIAC

2.我国计算机的发展

1958年我国研制出第一台电子管计算机103机。1959年研制成功第一台大型通用数字电子计算机104机。1964年研制出第二代晶体管计算机。1971年研制出以集成电路为主要期间的DJS系列计算机。1983年研制成功第一台亿次巨型计算机“银河”。1987年，第一台国产的286微机“长城286正式推出”。2008年，超百万亿次超级计算机“曙光5000”诞生。

在国际高科技竞争日益激烈的今天，高性能的计算机技术及应用水平已成为彰显综合国力的一种标志。2010年11月，国防科大研制出的“天河一号”，以每秒4.7千万亿次的峰值速度，让中国人首次站到了超级计算机的全球最高领奖台上。2013年6月17日国际TOP500组织公布了全球超级计算机500强排行榜，中国国防科技大研制的“天河二号”以每秒33.9千万亿次的浮点运算速度，成为全球最快的超级计算机。

【小贴士】

新一代计算机

就在第四代计算机方兴未艾的时候，从20世界80年代开始，日本、美国等国投入大量人力物力研制新一代计算机，其目标是要使计算机具有某些与人的智能类似的功能，可以理解人的语言，能思考问题，并具有逻辑推理能力。它牵涉到很多高新技术领域，像微电子学、计算机体系结构、高级信息处理、软件工程方法、人工智能和人机界面（理解自然语言、处理声光像的交互）等。

“运算一分钟相当于地球人算32年”——2016年6月20日，德国法兰克福国际超算大会（ISC）公布了新一期全球超级计算机TOP500榜单，由我国国家并行计算机工程技术研究中心研制的“神威·太湖之光”以峰值性能125.436pflops，即每秒执行超过12.5亿亿次浮点计算的运算速度夺得第一。该套系统实现了包括处理器在内的所有核心部件全国产化。新一代超级计算机项目“神威ｅ级计算机原型系统”项目日前正式启动，目标是将计算速度提高到全新的ｅ级，即exascale(1000pflops)，也就是每秒百亿亿次浮点计算，约相当于当今最快的超级计算机的10倍。

C练一练

1.世界上第一台通用电子计算机诞生于（），它的主要逻辑元器件是（）

A.1941年，继电器 B.1946年，电子管 C.1949年，晶体管 D.1950年，光电管

2．在ENIAC的研制过程中，首次提出存储程序计算机体系结构的是（）

A.冯·诺依曼 B.阿兰·图灵 C.古德·摩尔 D.以上都不是

3.从第一台计算机诞生算起，计算机的发展已经经历了（）4个阶段。

A.微型计算机、小型计算机、中型计算机、大型计算机

B.低档计算机、中档计算机、高档计算机、手提计算机

C.电子管计算机、晶体管计算机、中小规模集成电路计算机、大规模及超大规模集成电路计算机

D.组装机、兼容机、品牌机、原装机

4.1983年，我国第一台亿次巨型电子计算机的名称是（）

A.东方红 B.曙光 C.神州 D.银河

5.新一代计算机是指（）。

A.奔腾5系列 B.人工智能计算机 C.工作站 D.多媒体计算机

6.你能说说第一代计算机的特点么？

知识点2：计算机的特点

计算机作为一种通用的信息处理工具，具有极高的处理速度、精确的计算、很强的存储能力、很高的可靠性和极强的通用性，其主要特点如下。

1. 处理速度快

现在高性能计算机每秒能进行几百亿次以上的加法运算，目前世界上超过每秒万万亿次的运算速度的计算机屡见不鲜。这使得大量复杂的科学计算问题得以解决。计算机的高速处理能力使它在金融、交通、通讯等领域中能够提供实时、快速的服务。这里“处理速度快”并不局限于算术运算速度，也包括逻辑运算速度。极高的逻辑判断能力是计算机广泛应用于非数值数据领域中的首要条件。

2.计算精度高

由于计算机采用二进制数字进行运算，计算精度主要是由表示数据的字长决定的。随着字长的增长和配合先进的计算基数，计算精度不断提高，可以满足各类复杂计算对计算精度的要求。如用计算机计算圆周率，目前已经可以达到小数点后数百万位了。

3. 存储容量大

计算机的存储器类似于人的大脑，可以“记忆”(存储)大量的数据和信息。是否具有强大的存储能力，是计算机和其他计算装置(如计算器)的一个重要区别。随着微电子技术的发展，计算机内存储器的容量越来越大，目前一般的微机内存容量已达到1GB到8GB，加上大容量的磁盘、光盘等外部存储器，实际上存储容量已经达到了海量。

4. 可靠性高

计算机硬件技术的迅速发展，采用大规模和超大规模集成电路的计算机具有非常高的可靠性，其平均无故障时间可达到以“年”为单位。人们所说的“计算机错误”，通常是由于与计算机相连的设备或软件的错误造成的，而由计算机硬件引起的错误愈来愈少了。

5. 工作全自动

通常的运算装置都是由人控制的，人给机器一条指令，机器就完成一个(或一组)操作。由于计算机具有存储信息的能力，因此可以将指令事先输入计算机中存储。在计算机开始工作后，从存储单元中依次取出指令来控制计算机的操作，从而使人们可以不必干预计算机工作，实现操作的自动化。这就是冯诺依曼体系结构计算机的基本思想之一——存储程序控制。

6.通用性强

计算机靠存储程序控制进行工作。一般来说，无论是数值还是非数值的数据，都可以表示成二进制数的编码，无论是复杂的还是简单的问题，都可以分解成基本的算术运算和逻辑运算，并可用程序描述解决问题的步骤。所以，在不同的应用领域中，只要编制和运行不同的应用软件，计算机就能在此领域中很好地服务，通用性极强。

C练一练

1.计算机具有处理速度快、计算精度高、存储容量大、可靠性高、全自动运行以及（）的特点。

A.造价便宜 B.适用范围广、通用性强

C.便于大规模生产 D.携带方便

2.比一比。你或者家人使用的计算机硬盘和内存分别有多大呢？10年前的这些数据又是多少呢？这说明了什么问题？

知识点3：计算机的应用

计算机之所以能够迅速发展，是因为它得到了广泛的应用。目前，计算机的应用已经渗透到人类社会的各个方面，从国民经济各部门到家庭生活，从生产领域到消费娱乐，到处都可见计算机应用的成果。概括起来，应用技术领域可分为科学计算、事务处理、过程控制、辅助工程、人工智能、网络应用和多媒体应用等几个方面。具体的应用请打开学习网站查看，学习。

【小贴士】

最早的人机大战——棋王卡斯帕罗夫VS“深蓝”

20世纪是科技的世纪，科技犹如一把利刃，在地球的每个角落挥舞。1996年2月在美围费城就爆发了一场人机大战。1996年2月10日，由国际商用机器公司（IBM)技术人员历经6年时间研制成功的，带有31个处理器并行运算的超级计算机“深蓝”首次挑战国际象棋世界冠军卡斯珀罗夫。“深蓝”有着高速计算的优势,3分钟内可以检索500亿步棋，其弱点在于不能总结经验。最终深蓝以2-4落败卡斯珀罗夫。其后研究小组把深蓝加以改良，1997年5月再度挑战卡斯珀罗夫，最终深蓝以3.5–2.5击败卡斯珀罗夫，成为首个在标准比赛时限内击败国际象棋世界冠军的电脑系统。IBM在比赛后宣布深蓝退役。

C想一想

1、请查找资料，说出最新的人机大战的案例。

C练一练

1．计算机辅助制造和计算机辅助教育的英文缩写分别是（）

A.CAT CAI B.CAM CAD C.CAI CAD D.CAD CAI

2.下列英文缩写和中文名字的对照错误的是（）

A.CAD——计算机辅助设计 B.CAM——计算机辅助制造

C.CIMS——计算机集成管理系统 D.CAI——计算机辅助教育

2．核爆炸和飞机试飞之类的仿真模拟是计算机在（）领域的应用。

A.数据处理 B.计算机辅助 C.过程控制 D.实时控制

3.用计算机进行资料检索工作，是属于计算机应用中的（）

A.科学计算 B.数据处理 C.实时控制 D.人工智能

3.人工智能的目的是让机器能够（），以实现某些脑力劳动的机械化。

A.具有智能 B.和人一样工作

C.完全代替人的大脑 D.模拟、延伸和扩展人的智能

4.下列哪个不是人工智能的研究领域（）

A.专家系统 B.语音识别 C.编译系统 D.人机对弈

5.当前计算机应用领域极为广泛,但其应用最早的领域是_____________，应用最广泛的领域是______________，如广泛使用__________、____________等软件。

6.试着举一举你了解的人工智能技术的应用实例。

知识点4：计算机的发展方向

1.电子计算机的发展方向

从类型上看，电子计算机正在向巨型化、微型化、网络化和智能化方向发展。

(1) 巨型化：指计算机的计算速度更快、存储容量更大、功能更完善、可靠性更高，运算速度可达每秒万万亿次，存储容量超过几百T字节。

(2) 微型化：微型计算机从台式机向便携机、掌上机、膝上机发展，价格低廉、方便使用，软件丰富，随着电子技术的进一步发展，微型计算机必将以更优的性能价格比受到人们的欢迎。

(3) 网络化：指利用现代通信技术和计算机技术，把分布在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议互相通信，以共享软件、硬件和数据资源。

(4) 智能化：指计算机模拟人的感觉和思维过程的能力。目前已研制出的机器人有的可以代替人从事危险环境中的劳动，有的能与人下棋等。

2.未来的新型计算机

目前计算机用的几乎都是半导体集成电路，在硅芯片技术高速发展的同时，也意味着硅技术越来越接近其物理极限。为此，世界各国的研究人员正在加紧研究开发新型计算机，计算机的体系结构与技术都将产生一次量与质的飞跃。新型的量子计算机、光子计算机、分子计算机、纳米计算机等，将会在二十一世纪走进我们的生活，遍布各个领域。

(1) 模糊计算机：1956年，英国人查德创立了模糊信息理论。依照模糊理论，判断问题不是以是、非两种绝对的值或0与1两种数码来表示，而是取许多值，如接近、几乎、差不多及差得远等模糊值来表示。用这种模糊的、不确切的判断进行工程处理的计算机就是模糊计算机，或称模糊电脑。模糊电脑除具有一般电脑的功能外，还具有学习、思考、判断和对话的能力，可以立即辨识外界物体的形状和特征，甚至可帮助人从事复杂的脑力劳动。

(2) 生物计算机：生物计算机又称仿生计算机，是以生物芯片取代在半导体硅片上集成效以万计的晶体管制成的计算机。生物计算机的运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，存储信息的空间仅占百亿亿分之一。生物计算机是人类期望在21世纪完成的伟大工程。是计算机世界中最年轻的分支。

(3) 光子计算机：光子计算机是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型计算机，它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理，以光子代替电子，光运算代替电运算。目前，许多国家都投入巨资进行光子计算机的研究。随着现代光学与计算机技术、微电子技术相结合，在不久的将来，光子计算机将成为人类普遍的工具。

(4) 超导计算机：超导计算机是利用超导技术生产的计算机及其部件，具有超导逻辑电路和超导存储器，能耗小，运算速度是目前电子计算机无法相比的。实现超导的温度太低，要制造出这种低温，消耗的电能远远超过超导节省的电能。目前，科学家还在为此奋斗，企图寻找出一种“高温”超导材料，甚至一种室温超导材料。一旦这些材料找到后，人们可以利用它制成超导开关器件和超导存贮器，再利用这些器件制成超导计算机。

(5) 量子计算机：量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。量子计算机利用一种链状分子聚合物的特性来表示开关的状态，利用激光脉冲来改变分子的状态，使信息沿着聚合物移动，从而进行计算。普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”（bit）。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特（qubit）上运算，可以计算0和1之间的数值。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机，而是要使计算的概念焕然一新。

C练一练

1. 计算机的发展趋势是巨型化、微型化、网络化和（）。

A.大型化 B.小型化 C.精巧化 D.智能化

2. 计算机按照性能分类，可分为（）。

A.专用计算机、通用计算机

B.单片机、单板机、多芯片机、多板机

C.巨型机、大型机、小型机、微型机、工作站

D.数字计算机、模拟计算机、混合计算机

3.建立在模糊数学基础之上，具有学习、思考、判断和对话的能力，能辨识外界物体的形状和特征，还能帮助人从事复杂的脑力劳动的新型计算机，称之为（）。

A.生物计算机 B.纳米计算机 C.超导计算机 D.模糊计算机

4.什么是超级计算机？超级计算机对国家发展起到什么作用？我国超级计算机发展的现状如何？

C任务实施

现在，你有了对计算机发展史、计算机特点、计算机的应用领域和发展趋势有了一个基本的认识，他试着完成教师布置的以下任务：

1. 列表比较计算机发展各个阶段的特点，如表1-1-1。

表1-1-1 计算机各个阶段的特点

2、网络搜索你感兴趣的有关“新一代计算机”的知识或资讯，并在课堂上与同学们分享。

C练习与思考

1、超级计算机是计算机中功能最强、运算速度最快、存储容量最大的一类计算机，多用于国家高科技领域和尖端技术研究，是国家科技发展水平和综合国力的重要标志。你知道世界上有哪些有代表性的超级计算机吗？请说一说。

C任务评价

任务完成情况	自我评价	小组评价
计算机的四个发展阶段的认识	□完成□待完善原因：	☆☆☆☆☆
新一代计算机的认识	□完成□待完善原因：	☆☆☆☆☆

C拓展与提高

计算机的新技术

1. 云计算

云计算是对于基于网络的、可配置的共享计算资源池能够方便按需访问的一种模式。云计算的构成包括硬件、软件和服务。云计算的核心思想是对大量用网络连接的计算资源进行统一管理和调度。云计算的特点：超大规模、虚拟化、高可靠性、通用性、高可扩展性、按需服务、价廉。

云计算的发展也给我们的生活方面带来各种各样的的变化，主要包括基础设施即服务，平台即服务和软件即服务三方面的服务。这些服务应用在很多领域，如云物联，云安全，云存储， 私有云，云游戏，云教育等方面。

2. 虚拟化

虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行，是一个为了简化管理，优化资源的解决方案。通过虚拟化技术把一台计算机虚拟为多台逻辑计算机，在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机，每个逻辑计算机可运行不同的操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而显著提高计算机的工作效率。

虚拟化技术的发展很大程度上来自于云计算技术，是在其基础上的，可以说是云计算时代的核心技术。虚拟技术在很多方面都有应用，如服务器虚拟化技术应用，应用程序虚拟化技术应用，桌面虚拟化技术应用，网络虚拟化技术应用，存储虚拟化技术应用等，这些方面已经很成熟，已经渗透了我们生活的方方面面。

3. 人工智能

人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的学科，主要包括计算机实现智能的原理、制造类似于人脑智能的计算机，使计算机能实现更高层次的应用。该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。21世纪，以计算机为基础的人工智能技术取得了一些进展，具体的应用有指纹识别，人脸识别，智能搜索，语言和图像理解，遗传编程等。

4. 物联网

“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸

和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。

5. 移动互联网

移动互联网业务和应用包括移动环境下的网页浏览、文件下载、位置服务、在线游戏、视频浏览和下载等业务。随着宽带无线移动通信技术的进一步发展和Web应用技术的不断创新，移动互联网业务的发展将成为继宽带技术后互联网发展的又一个推动力，为互联网的发展提供一个新的平台，使得互联网更加普及，并以移动应用固有的随身性、可鉴权、可身份识别等独特优势，为传统的互联网类业务提供了新的发展空间和可持续发展的新商业模式；同时，移动互联网业务的发展为移动网带来了无尽的应用空间，促进了移动网络宽带化的深入发展。

6. 框计算

用户只要在“框”中输入服务需求，系统就能明确识别这种需求，并将该需求分配给最优的内容资源或应用提供商处理，最终精准高效地返回给用户相匹配的结果。这种高度智能的互联网需求交互模式，以及“最简单可依赖”的信息交互实现机制与过程，称之为“框计算”。需要实现与繁杂的海量数据及应用实现规模化、同步化、标准化对接；在识别出用户需求的同时，更要精准高效地匹配出对应的数据及应用资源，并发出指令，最终才能呈现出用户精准所需的框计算结果。

7. 3D打印技术

3D打印（3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。