信息科學學科的基本框架與信息技術課程的內容層次結構

摘 要 通過對近100年來信息科學發展歷程的考察，梳理信息科學學科的基本框架，將信息科學分為理論信息學和應用信息學，闡述應用信息學中工具信息學和領域信息學的關系，并在此基礎上提出信息技術課程有關人、信息、工具的三層次課程核心內容。

關鍵詞 信息科學；信息技術課程；基礎教育

中圖分類號：G423 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X（2013）03-0016-03

Basic Framework of Information Science and Hierarchical Structure of Information Technology Curriculum//Wang Rongliang

Abstract This paper examined the history of the development of information science in the past 100 years， and analyzed the basic framework of the disciplines of information science. Information science is composed of Theoretical Informatics and Applied Informatics. We described the relationship between Tool Information Science and Field Information Science in the Applied Informatics. We described three-level frame about tools， information and people， and explained the core content of information science curriculum.

Key words information science； information technology curriculum； basic education

在基礎教育信息類課程中，信息技術課程是從計算機課程發展而來的年輕課程，僅10余年歷史；上溯到計算機課程，也只有近30年歷史。作為一門年輕課程，學什么、教什么，一直在探索與實踐。本文從信息科學發展視角討論信息科學學科的基本框架和中小學信息技術課程的核心內容。

1 信息科學發展歷史考察

信息科學就是研究信息問題及其規律的科學。信息科學是以信息為主要研究對象，以闡明信息過程的機制和規律為主要研究內容，以擴展人的信息功能特別是其中的智力功能為主要研究目標的一門科學[1]。

在信息科學的發展史中，香農（C.E.Shannon）于1948年發表《關于通信的數學理論》是現代信息科學開端的標志性事件。盡管“信息”一詞早已有之，但人們開展系統研究是從20世紀20年代開始的，當時為實現訊號通信而發現效益與可靠性之間存在一種理論上的極限，電訊通信的實踐促使相關數學理論的發展。1928年，哈特萊（R.V.L.Hartley）提出有可能用信號數的對數來作為信息的度量，信息是可測的，可以用數學方法對信息從數量上加以測度。香農以“信源—信道—信宿”為模型，提出信息傳輸和度量的數學描述，也有力地支持了通信技術的發展。當然，香農的信息論是狹義的信息論，只考慮了信息的形式與消除不確定性的范圍；只涉及統計信息與信息傳遞，不考慮信息的含義與價值；不分析模糊現象與非統計信息；未揭示更廣泛更重要的其他信息過程的原理和規律[2]。信息論有待進一步發展。

與香農狹義信息論幾乎同步發展的計算機技術，因其對數據處理具有高速、自動等特征，能夠有效地完成信息的傳輸、存儲、加工、控制等功能，成為信息處理工具。至20世紀50年代，計算機開始應用于科研、軍事以及社會生產生活等各領域，信息學研究也涉及多方面的應用領域。典型的應用有：20世紀50年代DNA發現后，以計算機技術為手段和工具，同時采用數學、統計學的模型、模擬研究方法開展研究，促進生物信息學高速發展；60年代，計算機在文獻檢索方面閃露曙光，極大地刺激了圖書館學的發展；70年代出現了以醫學信息為主要研究對象，以醫學信息的運動規律及其應用方法為主要研究內容，以計算機為主要研究工具，以擴展醫務工作者的信息功能為主要研究目標的醫學信息學。

人們在解決信息處理的“個性”應用時，也開始研究對一切信息現象、對每一門信息學科都適用的公共理論，以通用于解決每一個具體領域的信息理論問題，成為信息科學的基礎和核心。1959年，美國賓夕法尼亞大學莫爾電子工程學院首次提出“信息科學”的概念，用來代表一組計算機方面的課程，計算機走進課堂，并用來解決各領域內各種具體的信息處理問題。這一概念既包含了信息理論，也包含了信息技術。

20世紀80年代，在香農信息論的基礎上，美國哈佛大學的雷斯尼科夫（L.H.Resnikoff）和我國北京郵電大學的鐘義信教授等學者先后創立了自己的信息科學理論，分別在模糊信息、概率與非概率信息、語法信息、語義信息、語用信息等方面做了大量的工作。隨著信息技術的進步，人工智能問題被突出，人類嘗試用電子裝置去完成人腦的某些信息處理、認識和思維過程，人的因素引入到信息理論研究之中，使得信息問題的研究更加普遍化和復雜化。

信息論的另一創始人維納（N.Wiener）在20世紀40年代就提出了超越狹義信息論的經典命題：“信息既不是物質，也不是能量，信息就是信息。”第一次將信息論映射在哲學上。20世紀80年代以后，鄔焜教授等學者開展對信息哲學的研究，從而使信息的知識體系形成一個龐大的學科群，包含了信息科學和信息哲學兩個大的類別。

考察信息科學發展歷程，可以發現，現代信息科學主要經歷了以下過程：信息通信、信息工具、多領域信息應用、信息理論、信息哲學。其中，各過程也是交替發展。

2 信息科學框架分析

歸納信息科學的發展歷程，可以把信息科學分為兩大部門：理論信息學和應用信息學。理論信息學是對一切信息現象、對每一門信息學科都適用的公共理論，它能用于解決每一個具體領域的信息理論問題，是信息科學的基礎和核心。

在應用信息學中，信息科學幾乎涉及所有的學科應用領域，所以也可以把這些具體領域的應用統稱為領域信息學。隨著應用的拓展，領域信息學也在不斷擴容。同時，計算機科學、控制理論和通信理論地位特殊，因為這些學科是以信息處理為研究目標的，同時又在其他學科領域中得到應用，使相應的學科信息化、智能化。因為三個學科具有信息處理工具屬性，可歸為工具信息學范疇，所以應用信息學可分為領域信息學和工具信息學（圖1），工具信息學與領域信息學中每個領域有交叉。

縱觀完整的信息科學體系，由信息哲學、理論信息學、應用信息學三部分組成其學科群，按學科抽象程序的高低和發展的先后順序，形成如圖2所示知識體系層。

分析信息科學基本框架，可能得出下面的結論。

結論1：應用信息學是在理論信息學之前發展起來的信息學科，它主要是信息技術及其在特定領域中的具體應用的知識體系。信息理論學是信息科學的理論核心，是回答“為什么”的問題，往往是抽象的，而信息技術與相關應用都屬于應用領域，是回答“怎么樣”或“如何做”的問題，通常是具象的。應用信息學的發展需要理論信息學的指導和支持，并促進了理論信息學的發展。研究信息科學領域的學者非常清楚理論信息學和應用信息學的關系，以及信息科學與計算機技術、通信技術的關系。在高校院系設置中，基于一般理論和方法研究的信息學專業并不設立在信息學院，而信息學院下設的計算機系、通信系等都屬于應用信息學特別是工具信息學的范疇。在基礎教育中，因從計算機課程到信息技術課程的演變過程，造成相關人員認為計算機技術就是信息科技的誤解。

結論2：信息科學是研究信息領域中信息的個性特征和運動變化的特殊規律，以及貫穿一切信息領域的信息共性和共同規律。工具信息學的發展促進領域信息學的發展，并形成應用信息學。領域信息學涉及生產、生活各方面，并不斷拓展。因此，信息科學技術已不再是與數、理、化、天、地、生平行的一門學科，不再是主要以研究信息獲取、存儲、處理為主的一門單獨的學科，而是更加強調與社會、健康、能源、材料等其他領域的緊密聯系，它的外延涉及各個學科[3]。

結論3：工具信息學所研究的是信息在機械中的存在、傳輸、變換、行為及處理規律，工具即處理信息的機械。在工具信息學中，通信只是控制和計算的基礎，目的是控制，信息過程的核心是計算。通信機械的主要目的在于信息的傳輸和再現，計算機技術的主要目的在于信息的處理和再生。同時，具備通用性和智能化的計算機，可以依據通信理論和控制理論，實現信息的通信和控制。顯而易見，在三個學科中，計算機科學處于核心地位。

3 信息技術課程的內容層次架構

基礎教育的信息類課程是以培養學生在信息社會中自如地獲取、加工、管理、表達、交流信息的能力為主要目標的，應該在信息科學基本框架下結合學生的認知特點和實際需求構建相應課程。源于信息科學的信息技術，恰好能夠有效地實現信息的獲取、加工、管理、表達和交流。

根據學生認知特點和解決實際問題的需要以及結論1可知，在具體的應用信息學和抽象的理論信息學之間，信息技術課程除了涉及少量的、必須的信息科學基礎知識以外，應聚焦應用信息學。

根據結論2可知，由于領域信息學種類繁多，且需要相關專業知識背景，信息技術課程宜聚焦具有通用屬性的工具信息學，并以學生學習生活作為領域應用背景。工具或信息處理機械是信息技術課程的關注重點。

根據結論3，所謂工具是指實施信息通信、計算和控制的電子裝置及其相關規則和程序，計算機和網絡是典型的、通用的信息通信、計算和控制工具，也是信息技術課程的學習對象和載體。

由此，信息技術課程主要是圍繞人、信息、工具三者的關系展開（圖3），信息是研究的對象，人是主體，可以處理信息，工具位于人與信息之間，在一定程度和范圍內幫助和替代人處理信息。信息技術課程可以圍繞以下三個層次展開教學：人是如何處理信息的；人是如何運用工具處理信息的；工具是如何處理信息的。

第一層次，“人是如何處理信息的”反映了人與信息的最基本關系，也是信息技術課程需要解決的根本問題。該層次屬于人類信息學范疇。人類信息學是研究信息在人類社會成員之間傳遞、傳播和交流規律，人類信息學所關注的信息是迄今為止所有類型信息中人們使用得最多的一種，涵蓋了信息的一切原始含義[4]。信息技術課程只能涉及其中一小部分，由于人們處于信息社會龐雜的信息包圍之中，信息技術課程要求學生掌握信息處理的一般方法以后，更主要的是解決第二層次“人是如何運用工具處理信息的”，以提高信息處理的效率和質量。

第二層次反映了人用工具高效處理信息的基本技能以及有效使用工具的意識。目前，國內以信息素養培養為課程目標的信息技術課程主要就是反映了第二層次的學習要求。

站在認識論的視角理解信息，人作為主體處理信息，具有一定智能的工具也能處理信息。第三層次，“工具是如何處理信息的”反映了工具信息學的學科思想和方法論。在信息技術課程中體現第三層次的教學要求有三方面的好處：其一，其學科思想可以遷移至其他應用；其二，有利于應對信息技術的飛速發展；其三，為將來從事信息技術專業發展的學生提供基礎。當然，第三層次的深度值得探索。

4 結語

信息技術作為一門新興課程，探索其課程的核心內容是有意義的。本文從信息科學的發展歷程構建信息科學的基本框架，并以此為基礎提出信息技術課程的內容層次結構。從三層次內容結構，可以推導信息技術課程的核心內容：

1）人處理信息的一般方法。由于人們關于信息處理的一般知識與技能的習得是漸進的、多渠道的，信息技術課程對這部分內容并不具有獨占性，也很難像數學、物理課程一樣系統論述。

2）常用信息處理工具使用方法。這是信息技術課程的主體學習內容，也是信息社會的公民應該具備的基本技能。由于信息技術的飛速發展，這部分學習內容最不穩定，這也是信息技術課程的困惑所在。

3）信息技術工具的工作原理。通過對原理的追求可以接近信息技術學科的核心，這是信息技術課程中這部分內容學習的價值所在。盡管信息技術操作學習是低門檻的，但原理學習是高起點的，這就要求合理選擇學習內容，使其既適合學生學習，又體現學科思想。

信息技術作為一門發展迅速的學科，探索其相對穩定的教育價值是必須的。例如，算法思維作為一種解決問題的過程性思維方式，就是信息技術的最基本的思維方式[5]；在信息技術課程中，相比算法思維，工程思維有兩個特點：其一，更具有普遍性，涉及信息技術課程中更多的學習領域；其二，更關注技術和工具，強調用信息技術工具有效地解決問題[6]。算法思維和工程思維都是從“信息技術工具的工作原理”視角體現信息技術課程的教育價值。關于從信息技術課程三層次學習內容演繹學科思維和方法論，還有待進一步研究。

近年來，信息科學在當代基礎科學和復雜性科學的發展中扮演了十分重要的角色，這是因為信息科學的概念和方法為現代科學的發展提供了一個新的科學范式、一套新的研究方法，并成為現代科學發展的現實邏輯[7]。在信息科學中，無論是為信息建模提供的方法和工具，還是更深層次的虛擬現實方法，都會對傳統研究領域的方法論產生影響。從信息科學視角探索信息技術課程的學科思維和教育價值是很有必要的，盡管對信息在各學科領域進化過程中，以及在人類社會的進化過程中所起的作用需要一個更完整的了解，但有理由相信，人們對信息科學乃至信息技術的了解和掌握的需求越來越大，也更需對信息技術教育開展深入研究。

參考文獻

[1]鐘義信.信息科學與信息論[J].通信學報，1990（1）：45-51.

[2]黃小寒.從信息本質到信息哲學[J].自然辯證法研究，2001（3）：15-19.

[3]李國杰.信息科學技術的長期發展趨勢和我國的戰略取向[J].中國科學，2010（1）：128-138.

[4]閆學杉.關于21世紀信息科學發展的一些見解[J].科技導報，1999（8）：3-6.

[5]王榮良.信息技術課程中算法學習的價值探索[J].中國電化教育，2008（8）：79-81.

[6]王榮良.信息技術課程之工程思維辨析[J].中國教育技術裝備，2012（21）：24-26.

[7]科林.信息哲學與現代科學的基本問題[J].西安交通大學：社會科學版，2011（5）：24-28.