1.2 信息科学与信息技术

1.2.1 信息科学

信息科学是研究信息及其运动规律的科学。它是以香农创立的信息论为理论基础，以信息作为主要研究对象，以信息的运动规律和应用方法为主要研究内容，以计算机等技术为主要研究工具，以扩展人类的信息功能为主要目标的一门新兴的综合性学科。

信息科学是由信息论、控制论、计算机科学、仿生学、系统工程与人工智能等学科互相渗透、互相结合而形成的。

传统的自然科学的基本研究对象是各种层次、各种形态的物质和能量，主要研究内容就是天体物质、地球物质和生命物质的物质结构及其所包含的机械、化学、生物等各种形式的转换规律。尽管都伴随有不同程度的信息问题，然而传统自然科学所关心的却只是其中的物质和能量的问题。信息科学把信息（而不是物质和能量）作为新的研究对象，它是一个独立的对象，因此信息科学的研究必然会形成为一门与传统科学有重大区别的新科学。

信息科学的研究内容可归纳为：①探讨信息的基本概念和本质；②研究信息的数值度量方法；③阐明信息感知、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再生、表示、施效（控制）等过程的一般规律；④揭示利用信息来描述系统和优化系统的方法和原理；⑤寻求通过加工信息来生成智能的机制和途径。

信息科学所研究的信息的运动规律主要包括：信息产生的规律、信息获取的规律、信息再生的规律、信息施效的规律、信息传递的规律、信息系统优化或自组织的规律以及信息过程智能化的规律等。

在自然科学领域，信息科学研究有了长足的进展。信息本身的研究已从香农信息理论中的概率信息逐步扩展到语法信息、语义信息和语用信息等领域，为现代信息技术的进一步发展奠定了理论基础。在20世纪50年代，围绕“信息过程”的研究，逐渐形成了一般控制理论和一般系统理论。至70年代中期，以信息观点为核心又先后诞生了耗散结构理论、超循环理论和混沌理论等众多新理论。

在社会科学领域，信息科学研究也取得了极为丰硕的成果，人们对信息的认识有了重大的飞跃。信息被认为是当代经济社会发展的重要资源，是除材料工具、劳动者之外又一重要的生产要素。这一认识，标志着人类对信息的运用已经开始从自发走向自觉。通过对信息在社会运行和经济管理中所起作用的研究，哲学、经济学、社会学、管理科学等众多科学领域在信息研究方面都取得了重大进展，产生了一些新兴的学科领域，如信息经济学、信息社会学和信息管理学等。

总之，和以往一切传统科学不同，信息科学破天荒地把信息推上了科学的舞台，使它与物质和能量鼎足而立，并以崭新的思想和方法大大丰富了科学的宝库。信息科学的兴起极大地改变了整个科学的结构、内容和方向，改变了科学发展的途径和科学的思维方式。

1.2.2 信息技术

信息技术是在信息科学的基本原理和方法的指导下扩展人类信息功能的技术，是对信息进行采集、传输、存储、处理、应用的各种技术之和，是集数学、物理学、电子学、通信技术、计算机科学技术、智能科学技术以及控制理论与技术等于一体的交叉学科。

人的信息功能包括：感觉器官承担的信息获取功能，神经网络承担的信息传递功能，思维器官承担的信息认知功能和信息再生功能，效应器官承担的信息执行功能。按扩展人的信息器官功能分类，信息技术可分为以下几方面技术。

1）传感技术。传感技术即信息的采集技术，对应于人的感觉器官。它的作用是扩展人类获取信息的感觉器官功能。它包括信息识别、信息提取、信息检测等技术。它几乎可以扩展人类所有感觉器官的传感功能。信息识别包括文字识别、语音识别和图形识别等。

2）通信技术。通信技术即信息的传递技术，对应于人的神经系统的功能。它的主要功能是实现信息快速、可靠、安全的转移。各种通信技术都属于这个范畴。广播技术也是一种传递信息的技术。由于存储、记录可以看成是从“现在”向“未来”或从“过去”向“现在”传递信息的一种活动，因而也可将它看作是信息传递技术的一种。

3）计算机技术。计算机技术即信息的处理和存储技术，对应于人的思维器官。计算机信息处理技术主要包括对信息的编码、压缩、加密和再生等技术。计算机存储技术主要包括着眼于计算机存储器的读写速度、存储容量及稳定性的内存储和外存储技术。

4）控制技术。控制技术即信息的应用技术，对应于人的效应器官。信息应用技术是信息过程的最后环节。它包括调控技术、显示技术等。

由上述内容可见，传感技术、通信技术、计算机技术和控制技术是信息技术的四大基本技术，其主要支柱是通信（Communication）技术、计算机（Computer）技术和控制（Con_- trol）技术，即“3C”技术。信息技术是实现信息化的核心手段，是当代世界范围内新的技术革命的核心。

1.2.3 电子信息科学技术的研究领域

一般来说，电子信息科学技术主要采用电子科学技术或光电信息技术的方法与手段来研究信息的获取、传输、处理、存储与应用。

（1）信息获取

人们为了从外界获取信息，必须借助于眼、耳、鼻、舌、皮肤等感觉器官接受来自外界的信息，并将这些信息通过神经元传递给大脑，进行加工、分析和处理，发出命令和动作。随着科学技术的发展和社会的进步，人们可以借助各种信息技术手段来获取各种信息，利用计算机作为信息处理系统，来提高获取信息的准确度和实现信息的利用。

人们在社会活动中需要获取各种各样的信息，例如日常生活中的语音和图像信息的获取、工业生产自动控制系统中被控对象物理参数的获取、信息化战争中各类军事目标信息的获取等，这些都离不开传感器技术。传感器作为信息获取与转换的重要手段，是实现信息化的基础技术之一。

（2）信息传输

信息传输常用的术语是“通信”，它是电子信息科学技术中的一个重要领域。通信的目的就是传输信息。实现信息传输所需的一切技术设备和传输媒质的总和称为通信系统，其一般组成如图1-1所示。

信源的作用是把待传输的消息转换成原始电信号，如麦克风。信源可分为模拟信源和数字信源。

发送设备的基本功能是将信源与信道匹配起来，即将信源产生的原始电信号变换成适合在信道中传输的信号。

信道是指信号传输的通道，可以是有线的，也可以是无线的，甚至还可以包含某些设备。

噪声源是信道中的所有噪声和分散在通信系统内部其他各处的噪声的集中表示。

接收设备的作用与发送设备正好相反，它的主要任务是从接收到的有噪信号中正确恢复出原始的电信号。

信宿也称作受信者或收终端，其作用是将恢复出的原始电信号转换成相应的消息，如扬声器等。

（3）信息处理

信息处理有两种模型，一种是信号→信息，另一种是信息→信息，如图1-2所示。

信号处理是针对信号中的某一参数所进行的处理，如编码、滤波、插值、去噪和变换等。在处理过程中，系统并未考虑信号参数所代表的信息含义，而信息处理往往要通过对信号中代表信息的相应信号参数的处理来完成。信息处理与信号处理的区别在于信息处理引入了对信号参数的理解。信息处理主要包括信息参数提取、增强、信息分类与识别等。常见的信息处理如汉字识别、语音信息处理、图像信息处理等都取得了极大的进展，并在生产生活中得到了应用。

（4）信息存储

信息存储在信息学科领域应划入计算机科学的范畴。几种常用的信息存储器件有磁存储、光存储、半导体存储等，如图1-3所示。

磁存储的主要设备是硬盘，它是计算机的外部设备。计算机将数据通过磁头变成磁的信号刻录在硬盘磁体上，记录在硬盘上的数据可以擦洗后重写。单个硬盘的容量在不断增加，目前计算机中的硬盘容量已达3000GB。

光存储是计算机将数据通过激光头记录在CD（Compact Disc）盘片上。有一次写入型CD盘片和多次擦写CD盘片两种。盘片性能差别很大，目前较好的蓝光DVD光盘容量可达100GB。

半导体移动存储器又称为闪存，闪存是可擦写存储器（EPROM）的一种，配上不同的接口电路就得到了不同形式的产品。USB移动存储器是闪存配上通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）接口，目前USB闪存的最大容量可达256GB；配上9针接口电路的称为SD卡（Secure Digital Memory Card），和USB相比存取速度更快，目前已有64GB的产品。此外还有记忆棒（Memory Stick）和CF卡（Compact Flash Card）等。

另外，目前正在发展中的纳米存储器存储单元尺寸在纳米级水平，将会把相同几何单元内的存储容量提高100万倍。纳米存储器有很多种，如分子存储器、全息存储器、纳米管RAM、聚合体存储等。预计纳米存储器将成为下一代存储器的新兴产业。

（5）信息应用

在信息化社会的今天，可以说信息的应用无处不在、无时不在，广到社会生活的各个方面、各个行业，大到政治、经济、军事、教育、医疗、交通、传媒和金融，小到个人生活、娱乐、衣、食、住、行等，可以说都离不开利用信息。从信息科学技术的角度考察，集中研究信息应用的科学领域是“自动控制”和“网络信息检索”等。

自动控制科学的研究重点是利用信息、实施控制。一个控制系统必须能够获取信息、处理信息、传递信息和执行被控对象按预定目标的某种操作，并获得操作后的系统行为信息。因而现代自动控制系统涵盖了信息科学的全部。

信息检索是信息利用的另一形式，其含义是将信息按一定方式组织和存储起来，并根据用户的需要查找出所需的信息内容。网络信息资源是指网络上可以利用的信息资源的总和。只有在网络具备良好信息检索功能的条件下，信息才能发挥作用，社会才能共享网络资源。信息检索技术的发展将对促进社会各个方面的进步产生越来越深远的影响。

1.2.4 电子信息技术的发展趋势

随着人类社会的进步，电子信息产业得到了高速的发展。当前社会已经步入了电子信息时代，电子信息技术已成为当代最活跃、影响力最大的科学技术之一，为社会经济发展与人们生活水平的提高作出了巨大的贡献，电子信息技术的发展程度已成为衡量一个国家发达程度的重要指标。

电子信息技术的具体含义是指使用电子技术获取、传递人们所需要的信息，主要包括传感技术、计算机技术、微电子技术、通信技术、多媒体技术、网络技术、光纤技术等。通过这些技术手段达到信息传递、沟通交流的目的。从实质上来看，电子信息技术就是人们认识自然、研究自然以及改造自然过程中逐步积累起来的有目的的重要过程之一。一般而言，这一过程具体包括信息的获取、传递、存储、处理以及实现信息技术管理化、规范化、科学化的电子技术，把这一过程有目的地结合起来，就是电子信息技术的本质所在及其基本特征。电子信息技术是研究开发、设计、生产、维护和管理电子信息产品和系统的理论与技术，也是工业实现信息化的技术。

未来电子信息技术将朝以下几个方面发展。

（1）未来信息技术的核心技术是光电子技术

据专家预测，光电子技术将会成为本世纪最为活跃的技术，即信息技术在经历电子、光电子发展之后，会逐渐步入以光子学为研究和发展重点的新阶段。光子作为一种载体，是信息和能量的重要依托，信息光子学以及能量光子学就是从这里发展来的。不断发展的能量光子学以及信息光子学这两大技术，会根据市场的需求向前开拓，从而将会推动形成一个规模巨大的现代光电子信息及其学科交叉产业，并将成为科技领域的领导者。

（2）微电子技术向系统集成方向发展

集成电路制造技术是电子信息技术硬件产品的关键和核心（如计算机的IC卡、CPU等），在电子信息技术的发展过程中起着关键作用，也是微电子技术向系统集成方向发展的重要体现。目前微电子技术的发展趋势是大规模、超大规模、特大规模。微电子技术作为高科技的集成电路技术，能有效地促进世界信息系统技术的发展。未来集成电路产品的集成度会更高，芯片面积会更大，特征尺寸会更小，系统会更加完善。

（3）网络技术向多业务、高性能、大容量方向发展

根据目前的情况分析，网络技术的发展方向是高性能、大容量、多业务。而IP业务则呈现高速发展，未来网络技术的发展重点将会是超高速互联网、宽带综合业务数字网。光通信网络技术通过密集波分多路复用技术的实施，有效地降低了网络传输成本。在同一网络中实现所有媒体成分数据的传输，是网络多媒体通信的主要任务之一。

（4）计算机技术向多媒体、智能化方向发展

计算机技术涉及服务器、PC、设备开发、计算、人工智能、多媒体等多项技术，并行处理技术的不断发展，推动了计算机性能的提升。平均每两年计算机就会更新一个数量级。CPU已由32位发展到了64位，这体现了产品结构突破性的变化，而其核心变化则是计算机发展成为今天的互联网网络设备。此外，存储设备也发展成为更大容量，即海量的存储。当前电子信息技术主要向着实用化的方向进行发展，不仅联合了计算机、家电、通信等功能特点，还促进了语言与手写识别技术的发展，形成了一个数字与图像技术相互交融的时代。未来计算机将会更加的个性化和拟人化，这是计算机技术向多媒体、智能化方向发展的趋势。