教学课件·《信息科学技术导论》1.ppt
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- 信息科学技术导论 教学 课件 信息科学 技术 导论
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1、22.7.251Welcome to the Lectures ofIntroduction to IST 信息科学技术导论22.7.252关于信息科学技术的导论课程课程设置的目的 1,使同学对信息科学技术有准确、基本、系统的了解。2,使同学对学习信息科学技术具有使命、兴趣和热情。3,使同学了解自己的专业在信息科学技术中的位置。4,使同学知道应当如何学习,对未来的学习心中有数。课程进行的方式以问为纲,积极互动。22.7.253本课程共32学时。作业:每堂课学生需要书面回答思考题,并上交给老师。考核方式:中期考试+期末考试(闭卷)22.7.254您认为什么是信息科学技术?信息传递-通信传导神经信
2、息处理-计算初级皮层策略传递-通信传导神经策略执行-控制效应器官信息获取-传感感觉器官信息源-宿外部世界知识生成-智能联合皮层策略制定-智能联合皮层22.7.255目 录第一章 大科学观第二章 基础概念第三章 信息获取第四章 信息传递第五章 信息处理第六章 策略执行第七章 学科定位第八章 学习方法第九章 未来趋势第十章 放眼社会参考文献信息科学与技术导论(第二版),北京邮电大学出版社信息科学原理(第三版),北京邮电大学出版社22.7.256 第一章 大科学观-为什么我们能够有幸学习和研究信息科学技术?22.7.257什么是科学和技术?什么是科学?关于世界本质及其运动规律的知识体系。22.7.2
3、58科学的特点科学是抽象的、开放的、动态更新的。知识是如何形成的?自然科学、社会科学基础科学、应用科学生物进化论取代上帝造人说太阳中心说取代地球中心说狭义相对论修正经典力学理论在实践过程中有所发现和创新;在实践过程中经历严格的检验和确证。22.7.259科学发展的原理需求牵引与知识支撑原理不是自由意志的创造。社会需求和社会知识状况的双重约束。22.7.2510什么是技术?什么是技术?关于认识和改造自然的工艺方法体系。技术的存在形态抽象形态:技术方法。软形态。具体形态:技术工具。硬形态。22.7.2511技术的特点技术也是开放的、动态更新的。技术的创造“需求牵引”更加明显和直接。性价比。新技术的
4、发明:在实践过程中有所发现和创新;新技术的检验:在实践过程中经历严格的检验和确证。22.7.2512科学与技术的关系都是人类创造的关于某种问题的有用的知识。科学理论回答“是什么”的问题,技术方法回答“怎么做”的问题。相互作用、相互促进科学理论指导人们发明创造更好的技术方法和工具;技术方法和工具帮助人们更好的认识对象的本质和运动规律。22.7.2513科学技术是怎样发生的?辅人律 世界上本没有科学,也没有技术,当然也没有工具。人类凭着赤手空拳与环境打交道。面对环境这个庞然大物,为了生存与发展,人类只能寻求外力(工具)的帮助。认识环境的变化规律和工具制造的知识,就是科学;而掌握工具制造的工艺,就是
5、技术。可见,科学与技术是人类进化到一定阶段为了生存与发展而摸索和创造的产物。它们的作用是辅人。22.7.2514 科学技术的发生规律:辅人律生产工具劳动对象劳动者科学技术资源扩展能力的需求对劳动对象的认识 video22.7.2515科学技术是怎样发展的?拟人律 科学技术的本质功能是“辅人”:辅助人类认识世界和改造世界。那么,怎样辅助才有效呢?根据人类生存发展(社会进步)的实际需要,科学与技术就要研究:如何利用外部的资源制造工具来模拟和扩展人类认识世界和改造世界的能力:拟人律。22.7.2516科学技术发展的规律科学技术发展的规律 拟人律拟人律技术进步 已有的 能力差距实践活动科学发展需要的
6、能力 更高的生存发展目标22.7.2517科学技术拟人的路线是什么?而人的能力进化规律是:体质体力智力。因此,科学与技术发展的具体进程必然是:材料科学技术能量科学技术信息科学技术 人类认识世界和改造世界的能力包括三类基本成分:体质能力,体力能力,智力能力。(合理性和强健性;充沛性和持久性;聪慧性和敏捷性)22.7.2518古代近代现代 支持的 社会生产力物质人力工具动力工具智能工具农业时代生产力工业时代生产力信息时代生产力科技辅人的历史轨迹创制的 工具所用的 资源物质能量物质能量信息加工的 产物材料材料动力材料动力知识时代扩展的 能力体质体力智力22.7.2519科学技术的使命是什么?利用外在
7、资源、创制先进工具、扩展人类能力。22.7.2520信息科学技术:最先进的社会生产工具信息传递传导神经信息处理初级皮层策略传递传导神经策略执行效应器官信息获取感觉器官信息源-宿外部世界知识生成联合皮层策略制定联合皮层认识世界改造世界22.7.252122.7.2521社会生产方式的转变规律农业时代工业时代信息时代马克思:随着大工业的充分发展,劳动者不再是生产流程中的一个环节;而是站在生产流程的旁边,对生产流程进行监督与管理。人力工具传感工具动力工具信息获取信息传递信息处理知识生成策略制定策略传递策略执行什么是信息科学与技术?信息科学是以信息为研究对象、以信息全部运动过程的规律为研究内容、以信息
8、科学方法论为研究方法、以扩展人的全部信息功能(智能)为研究目标的新型综合学科。信息技术是实现信息功能的工具与工艺。集传感、计算机、自动控制、激光、通信、光电子、光导、人工智能之大成。22.7.2523 掌握并普遍应用基于信息科学技术的智能工具是发展现代化生产力的必由之路。也是工业-农业社会走向信息-智能社会的必由之路。为什么要学习信息科学技术?面向未来、面向世界、面向现代化的有志青年,应当肩负历史大任,为信息化、智能化、现代化做出积极贡献!有机会学习、掌握和创新发展信息科学技术,既是当代青年的幸运,也是当代青年肩负的伟大历史使命。22.7.2524思考题1,您怎样理解科学技术发展的辅人律、拟人
9、律和共生律?2,您同意“机器终将统治人类”的说法吗?为什么?3,为什么信息科学技术会成为现代社会标志性的科学技术?22.7.25 第二章 基础概念 -什么是信息?Introduction to Information Science&Technology22.7.25什么是信息?消息?信号?数据?情报?N.Wiener:Neither matter,nor energy.C.Shannon:Something that can reduce uncertainty.知识?狭义的信息用来表示信息的载体信息的一种记录和表示一种专门领域的信息由信息提炼的高级产物22.7.25什么是信息?梦断美人沉信
10、息,目穿长路倚楼台。唐代诗人 李中 暮春怀故人N.Wiener:Neither matter,nor energy.控制论:动物与机器中的通信与控制问题(1948年)C.Shannon:Something that can reduce uncertainty.通信的数学理论(1948年)22.7.25什么是信息?信息就是负熵。Brillouin 科学与信息论(1956年)信息就是使概率分布发生变动的东西。M.Tribes能量与信息(1971年)信息是反映事物的形式、关系和差别的东西,它包含在事物的差异之中,而不在事物本身。G.Longo信息论:新的趋势与挑战(1975年)22.7.25试回答
11、一个问题:在人类出现之前,地球上是否存在信息?可见,信息的定义不简单。关键要看定义所依赖的条件。依据定义的条件不同,信息的概念就会不同。复杂对象有许多不同的观察角度,成为许多不同的定义条件。因而会产生许多不同的定义。22.7.25定义复杂概念的一般方法约束条件 定义名称 定义层次 适用范围关注约束条件:条件不同,定义就不同;但可依条件而进退。无 最高 最广 最少 次高 次广 最多 最低 最窄.22.7.25 定义信息概念的方法约束条件 定义名称 定义层次 适用范围关注约束条件:条件不同,定义就不同;但可依条件而进退。无 本体论 最高 最广 主体 认识论 次高 次广 最多 最低 最窄.22.7.
12、25本体论信息:事物本身所呈现的运动状态及其变化方式。认识论信息:认识主体所表述的事物运动状态及其变化方式。由于认识主体具有:感知能力、理解能力、目的判断能力。因此,认识论信息的内涵变得更加丰富和复杂:可以定义为:认识主体所表述的事物运动状态及其变化方式,包括它的形式、内容和价值,分别称为语法信息、语义信息和语用信息。它们的整体则称为全信息。22.7.25 本体论信息概念的诠释本体论信息:事物关于自身运动状态及变化方式的表述。-可能的运动状态-状态变化的方式S1SNSn1)事物:泛指物质客体和精神现象2)运动:泛指一切意义上的变化22.7.25认识论信息概念的诠释主体关于某事物运动状态及其变化
13、方式的表述:符号序列客体主体形式内容价值语义语法语用 全信息22.7.25全信息的度量)2()1log()1(log)1log()1(log1)1(,loglog);,(1*11*nnnnNnnnnnNnNnnnnnNccccRI其中(1)针对标准分布;(2)针对广义分布22.7.25 信息的特征1,信息来源于物质,但又不是物质本身,因此,它从物质的运动中产生出来,又可以脱离物质而寄生于其他物质(媒体),相对独立的存在。2,信息也来源于精神世界,但是又不限于精神领域。3,信息与能量紧密相关,但是又与能量有质的区别。22.7.25 信息的特征4,信息可以被提炼成知识,但信息本身不等于知识。(现象
14、与本质)5,信息是具体的,可以被主体所感知、处理和利用。6,信息可以被复制,可以被共享。7,语法信息在传递和处理过程中永不增值。8,在封闭系统中,语法信息的最大值不变。22.7.25 信息的性质1,普遍性:信息是普遍存在的。2,无限性:在整个宇宙时空中,信息是无限的,即是是在有限空间中,信息也是无限的。3,相对性:对于同一个事物,不同的观察者所获得的信息量可能不同。4,传递性:信息可以在时空中从一点传递到另一点。22.7.25 信息的性质6,有序性:信息可以用来消除系统的不定性,增加系统的有序性。7,动态性:信息是有时效的、有“寿命”的、随时间变化的。8,转化性:在一定的条件下,信息可以转化为
15、物质、能量、时间及其它。5,变换性:信息是可变换的,可以由不同载体用不同方法来载荷。22.7.25 为什么信息那么重要?物质及其运动人类本体论信息智能策略信息是一种资源,是人类一切智慧的源泉。22.7.25 为什么信息那么重要?信息最重要的功能是:信息可以通过一定的算法被加工成知识,并针对给定的目标被激活成为求解问题的智能策略,进而按照策略求解实际的问题。这是信息的最核心、最本质的功能。信息-知识-智能(策略),这是人类智慧的生长链,或智慧链。22.7.25为什么信息科学技术那么重要?信息,是信息时代的标志性战略资源,信息科学技术,是信息时代的标志性的科学技术领域。资源产品科学技术物质资源 材
16、料科学技术 优质材料能量资源 能量科学技术 高效动力信息资源 信息科学技术 智能策略 资源,是人类生存发展的基础。把资源转换为产品,是科学技术的根本使命。22.7.25重温信息科学与技术的定义信息科学是以信息为研究对象、以信息全部运动过程的规律为研究内容、以信息科学方法论为研究方法、以扩展人的全部信息功能(智能)为研究目标的新型横断学科。信息技术是实现信息功能的工具与工艺。22.7.25信息科学技术:最先进的社会生产工具信息传递通信信息处理计算策略传递通信策略执行控制信息获取传感信息源-宿外部世界知识生成人工智能策略制定人工智能认识世界改造世界22.7.25信息科学的研究方法信息系统分析方法:
17、解决高级复杂事物的工作机信息系统分析方法:解决高级复杂事物的工作机制的认识问题。制的认识问题。信息系统综合方法:解决高级复杂事物的工作机信息系统综合方法:解决高级复杂事物的工作机制的实现问题。制的实现问题。信息系统进化方法:解决高级复杂事物的优化与信息系统进化方法:解决高级复杂事物的优化与发展问题。发展问题。功能准则功能准则整体准则整体准则22.7.25附:信息科学与信息论的联系与区别基本概念 形式-内容-价值三位一体 概率型的形式信息基本内容 信息运动全程的规律 信息传递的规律基本方法 信息科学方法论 统计方法基本目标 扩展人的全部信息功能 扩展人的信息传递功能应用范围 全部信息过程 随机场
18、合(如通信等)信息论,原名“通信的数学理论”,是信息科学的一个部分。信息科学 信息论22.7.25思考题1,什么是本体论信息?什么是认识论信息(全信息)?2,为什么要研究全信息?没有全信息会有什么问题?3,什么是信息科学?它与信息论之间的关系是什么?4,试论物质、能量、信息之间的相互关系。22.7.25 第三章 信息获取Introduction to Information Science&Technology22.7.25千里眼、顺风耳望远镜、显微镜380780nm的可见光20Hz20KHz的音频人类视觉、听觉、味觉、触觉等感知的响应是以神经生理电信号表示的。22.7.25信息获取在信息过程
19、中的地位信息传递通信信息处理计算策略传递通信策略执行控制信息获取传感信息源-宿外部世界知识生成人工智能策略制定人工智能认识世界改造世界22.7.251,本体论信息的获取22.7.25怎样才能获取本体论信息?使用相应的传感器系统。传感器,就是对某种事物运动状态及其变化方式(即事物的物理/化学/生化参量的状态及其变化方式)敏感的器件。例:用摄像机获取物景信息(物景运动状态及其变化方式)事物光敏器件显示单元注意:传感系统(感觉器官)只能获得语法信息。22.7.25传感器,将被测的非电量变换成电量的装置。能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。(GB7665-87)敏感元件传
20、感元件变换元件电磁感应定律:当穿过导电回路所包围的面积的磁通量发生变化时,回路中就有感应电动势产生,感应电动势与磁通量对时间的变化率的负值成正比。霍尔效应:通电的导体或半导体,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象。22.7.25光生伏特效应:光照使得(不)均匀半导体中产生光生电子和空穴,并在空间分开而产生电位差的现象,即光能电能。力电传感:利用敏感元件和变阻器把力学信号(位移、速度、加速度等)转化为电学信号(电压、电流等的仪器)。热电传感:热敏电阻的阻值会随着温度的变化而变化。22.7.25传感器应当满足的基本性能:对某种物理/化学/生物参量及其变化方式敏感具有一定的敏感度具有一定的敏
21、感域具有一定的选择性具有一定的保真度22.7.25传感器是人类感觉器官功能的扩展。现已有:扩展视觉功能的光敏传感系统(红外、可见光、紫外)扩展听觉功能的声敏传感系统(声纳、音频、超声)扩展嗅觉功能的化学传感系统(各种气味的监测)扩展触觉功能的压力传感系统(压敏、应力、振动)扩展味觉功能的化学传感系统(各种食品的监测)其它各种传感器:温度、湿度、磁敏,热敏,电子,.22.7.25对于复杂事物,需要利用多种传感器,并对它们加以综合,称为“多传感器的信息融合”。光敏传感 系统声敏传感 系统信息融合 系统22.7.25对于遥远事物,可以利用“传感系统+通信系统”获取其信息,这就称为“遥感系统”。传感系
22、统通信系统例如,雷达就是一种典型的遥感系统。22.7.25对那些处于敏感度(或敏感域)以下的事物,可以借助于相应的变换器把它的观测参量变换到可感知的范围内,然后用传感器感知。放大镜、望远镜、各种形式的变换器都可以起这种作用。变换器传感器22.7.25信号规整:将传感器输出的信号变换成具体接入系统所需要的接口形式。传感器 放大器 A/D 处理器D/A 放大器没有测量,就没有科学。【门捷列夫】测量误差:系统误差、随机误差等22.7.2522.7.2561传感应用:物联网智能信息网22.7.2561问题-目标传感计算计算控制通信通信知识生成计算决策策略制定智能控制22.7.252,认识论信息(全信息
23、)的获取22.7.25为什么需要获取“全信息”?利用信息作决策。只当拥有了全信息,才能做出合理的决策。有决策能力的系统,才是有智能的系统。获取信息的目的是什么?22.7.25怎样获取全信息?第一类信息转换原理 计算-体验 逻辑推演 知识库:X,Z;G 传感本体论信息 S语法信息 X语用信息 Z语义信息 Y语法信息 X:S XZ Cor X,GY (X,Z)Z X and X,Z22.7.25信息的表示符号表示:文字或语言机器表示:高低电平、有无电流、0/1语音表示:抽样、量化、编码。PCM编码。信号表示:离散和连续图形图像表示:位图。矢量图。22.7.25(特征)信息融合特征层融合:先对原始信
24、息进行特征提取,再对特征信息进行综合分析。数据层融合:原始层融合。预处理之前进行数据的综合分析。22.7.25终端侧:搜索引擎网络侧:数据库系统 关键词(检索词)特征表示信息显示信息输出搜索匹配信息记录信息记录信息记录.(互联网)信息检索原理模型22.7.25信息检索效果的评价查全率=A/(A+C)查准率=A/(A+B)漏查率=C/(A+C)误查率=B/(A+B)相关信息量相关信息量不相关信息量不相关信息量检出信息量AB未检出信息量CD22.7.25机器学习H.Simon认为:能够让系统在执行同一任务或同类的另一任务时,比前一次执行的更好的任何改变都可称为学习。机器学习:研究机器如何模拟或实现
25、人类的学习行为,以获取新的知识和能力,重新组织已有的知识结构,使之不断增强自身性能。1959年美国的Samuel设计了一个具有学习能力的跳棋程序。4年后,展示了设计者本人。又过了3年,战胜了美国8年不败的冠军。22.7.25机器学习原理模型22.7.2570世界学习知识库执行效果目标调整22.7.25机器学习策略示教学习:学生从环境(教师或书等)获取信息、适当表示,并把新知识与原有知识结合为一体。机械学习:直接记忆和检索,不需计算和推导类比学习:利用source和target的知识相似性,通过类比,实现学习。演绎学习:从公理出发,经逻辑变换,推导出结论。22.7.25机器学习策略解释学习:学生
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