信息科学学科的基本框架与信息技术课程的内容层次结构

摘 要 通过对近100年来信息科学发展历程的考察，梳理信息科学学科的基本框架，将信息科学分为理论信息学和应用信息学，阐述应用信息学中工具信息学和领域信息学的关系，并在此基础上提出信息技术课程有关人、信息、工具的三层次课程核心内容。

关键词 信息科学；信息技术课程；基础教育

中图分类号：G423 文献标识码：A 文章编号：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

在基础教育信息类课程中，信息技术课程是从计算机课程发展而来的年轻课程，仅10余年历史；上溯到计算机课程，也只有近30年历史。作为一门年轻课程，学什么、教什么，一直在探索与实践。本文从信息科学发展视角讨论信息科学学科的基本框架和中小学信息技术课程的核心内容。

1 信息科学发展历史考察

信息科学就是研究信息问题及其规律的科学。信息科学是以信息为主要研究对象，以阐明信息过程的机制和规律为主要研究内容，以扩展人的信息功能特别是其中的智力功能为主要研究目标的一门科学[1]。

在信息科学的发展史中，香农（C.E.Shannon）于1948年发表《关于通信的数学理论》是现代信息科学开端的标志性事件。尽管“信息”一词早已有之，但人们开展系统研究是从20世纪20年代开始的，当时为实现讯号通信而发现效益与可靠性之间存在一种理论上的极限，电讯通信的实践促使相关数学理论的发展。1928年，哈特莱（R.V.L.Hartley）提出有可能用信号数的对数来作为信息的度量，信息是可测的，可以用数学方法对信息从数量上加以测度。香农以“信源—信道—信宿”为模型，提出信息传输和度量的数学描述，也有力地支持了通信技术的发展。当然，香农的信息论是狭义的信息论，只考虑了信息的形式与消除不确定性的范围；只涉及统计信息与信息传递，不考虑信息的含义与价值；不分析模糊现象与非统计信息；未揭示更广泛更重要的其他信息过程的原理和规律[2]。信息论有待进一步发展。

与香农狭义信息论几乎同步发展的计算机技术，因其对数据处理具有高速、自动等特征，能够有效地完成信息的传输、存储、加工、控制等功能，成为信息处理工具。至20世纪50年代，计算机开始应用于科研、军事以及社会生产生活等各领域，信息学研究也涉及多方面的应用领域。典型的应用有：20世纪50年代DNA发现后，以计算机技术为手段和工具，同时采用数学、统计学的模型、模拟研究方法开展研究，促进生物信息学高速发展；60年代，计算机在文献检索方面闪露曙光，极大地刺激了图书馆学的发展；70年代出现了以医学信息为主要研究对象，以医学信息的运动规律及其应用方法为主要研究内容，以计算机为主要研究工具，以扩展医务工作者的信息功能为主要研究目标的医学信息学。

人们在解决信息处理的“个性”应用时，也开始研究对一切信息现象、对每一门信息学科都适用的公共理论，以通用于解决每一个具体领域的信息理论问题，成为信息科学的基础和核心。1959年，美国宾夕法尼亚大学莫尔电子工程学院首次提出“信息科学”的概念，用来代表一组计算机方面的课程，计算机走进课堂，并用来解决各领域内各种具体的信息处理问题。这一概念既包含了信息理论，也包含了信息技术。

20世纪80年代，在香农信息论的基础上，美国哈佛大学的雷斯尼科夫（L.H.Resnikoff）和我国北京邮电大学的钟义信教授等学者先后创立了自己的信息科学理论，分别在模糊信息、概率与非概率信息、语法信息、语义信息、语用信息等方面做了大量的工作。随着信息技术的进步，人工智能问题被突出，人类尝试用电子装置去完成人脑的某些信息处理、认识和思维过程，人的因素引入到信息理论研究之中，使得信息问题的研究更加普遍化和复杂化。

信息论的另一创始人维纳（N.Wiener）在20世纪40年代就提出了超越狭义信息论的经典命题：“信息既不是物质，也不是能量，信息就是信息。”第一次将信息论映射在哲学上。20世纪80年代以后，邬焜教授等学者开展对信息哲学的研究，从而使信息的知识体系形成一个庞大的学科群，包含了信息科学和信息哲学两个大的类别。

考察信息科学发展历程，可以发现，现代信息科学主要经历了以下过程：信息通信、信息工具、多领域信息应用、信息理论、信息哲学。其中，各过程也是交替发展。

2 信息科学框架分析

归纳信息科学的发展历程，可以把信息科学分为两大部门：理论信息学和应用信息学。理论信息学是对一切信息现象、对每一门信息学科都适用的公共理论，它能用于解决每一个具体领域的信息理论问题，是信息科学的基础和核心。

在应用信息学中，信息科学几乎涉及所有的学科应用领域，所以也可以把这些具体领域的应用统称为领域信息学。随着应用的拓展，领域信息学也在不断扩容。同时，计算机科学、控制理论和通信理论地位特殊，因为这些学科是以信息处理为研究目标的，同时又在其他学科领域中得到应用，使相应的学科信息化、智能化。因为三个学科具有信息处理工具属性，可归为工具信息学范畴，所以应用信息学可分为领域信息学和工具信息学（图1），工具信息学与领域信息学中每个领域有交叉。

纵观完整的信息科学体系，由信息哲学、理论信息学、应用信息学三部分组成其学科群，按学科抽象程序的高低和发展的先后顺序，形成如图2所示知识体系层。

分析信息科学基本框架，可能得出下面的结论。

结论1：应用信息学是在理论信息学之前发展起来的信息学科，它主要是信息技术及其在特定领域中的具体应用的知识体系。信息理论学是信息科学的理论核心，是回答“为什么”的问题，往往是抽象的，而信息技术与相关应用都属于应用领域，是回答“怎么样”或“如何做”的问题，通常是具象的。应用信息学的发展需要理论信息学的指导和支持，并促进了理论信息学的发展。研究信息科学领域的学者非常清楚理论信息学和应用信息学的关系，以及信息科学与计算机技术、通信技术的关系。在高校院系设置中，基于一般理论和方法研究的信息学专业并不设立在信息学院，而信息学院下设的计算机系、通信系等都属于应用信息学特别是工具信息学的范畴。在基础教育中，因从计算机课程到信息技术课程的演变过程，造成相关人员认为计算机技术就是信息科技的误解。

结论2：信息科学是研究信息领域中信息的个性特征和运动变化的特殊规律，以及贯穿一切信息领域的信息共性和共同规律。工具信息学的发展促进领域信息学的发展，并形成应用信息学。领域信息学涉及生产、生活各方面，并不断拓展。因此，信息科学技术已不再是与数、理、化、天、地、生平行的一门学科，不再是主要以研究信息获取、存储、处理为主的一门单独的学科，而是更加强调与社会、健康、能源、材料等其他领域的紧密联系，它的外延涉及各个学科[3]。

结论3：工具信息学所研究的是信息在机械中的存在、传输、变换、行为及处理规律，工具即处理信息的机械。在工具信息学中，通信只是控制和计算的基础，目的是控制，信息过程的核心是计算。通信机械的主要目的在于信息的传输和再现，计算机技术的主要目的在于信息的处理和再生。同时，具备通用性和智能化的计算机，可以依据通信理论和控制理论，实现信息的通信和控制。显而易见，在三个学科中，计算机科学处于核心地位。

3 信息技术课程的内容层次架构

基础教育的信息类课程是以培养学生在信息社会中自如地获取、加工、管理、表达、交流信息的能力为主要目标的，应该在信息科学基本框架下结合学生的认知特点和实际需求构建相应课程。源于信息科学的信息技术，恰好能够有效地实现信息的获取、加工、管理、表达和交流。

根据学生认知特点和解决实际问题的需要以及结论1可知，在具体的应用信息学和抽象的理论信息学之间，信息技术课程除了涉及少量的、必须的信息科学基础知识以外，应聚焦应用信息学。

根据结论2可知，由于领域信息学种类繁多，且需要相关专业知识背景，信息技术课程宜聚焦具有通用属性的工具信息学，并以学生学习生活作为领域应用背景。工具或信息处理机械是信息技术课程的关注重点。

根据结论3，所谓工具是指实施信息通信、计算和控制的电子装置及其相关规则和程序，计算机和网络是典型的、通用的信息通信、计算和控制工具，也是信息技术课程的学习对象和载体。

由此，信息技术课程主要是围绕人、信息、工具三者的关系展开（图3），信息是研究的对象，人是主体，可以处理信息，工具位于人与信息之间，在一定程度和范围内帮助和替代人处理信息。信息技术课程可以围绕以下三个层次展开教学：人是如何处理信息的；人是如何运用工具处理信息的；工具是如何处理信息的。

第一层次，“人是如何处理信息的”反映了人与信息的最基本关系，也是信息技术课程需要解决的根本问题。该层次属于人类信息学范畴。人类信息学是研究信息在人类社会成员之间传递、传播和交流规律，人类信息学所关注的信息是迄今为止所有类型信息中人们使用得最多的一种，涵盖了信息的一切原始含义[4]。信息技术课程只能涉及其中一小部分，由于人们处于信息社会庞杂的信息包围之中，信息技术课程要求学生掌握信息处理的一般方法以后，更主要的是解决第二层次“人是如何运用工具处理信息的”，以提高信息处理的效率和质量。

第二层次反映了人用工具高效处理信息的基本技能以及有效使用工具的意识。目前，国内以信息素养培养为课程目标的信息技术课程主要就是反映了第二层次的学习要求。

站在认识论的视角理解信息，人作为主体处理信息，具有一定智能的工具也能处理信息。第三层次，“工具是如何处理信息的”反映了工具信息学的学科思想和方法论。在信息技术课程中体现第三层次的教学要求有三方面的好处：其一，其学科思想可以迁移至其他应用；其二，有利于应对信息技术的飞速发展；其三，为将来从事信息技术专业发展的学生提供基础。当然，第三层次的深度值得探索。

4 结语

信息技术作为一门新兴课程，探索其课程的核心内容是有意义的。本文从信息科学的发展历程构建信息科学的基本框架，并以此为基础提出信息技术课程的内容层次结构。从三层次内容结构，可以推导信息技术课程的核心内容：

1）人处理信息的一般方法。由于人们关于信息处理的一般知识与技能的习得是渐进的、多渠道的，信息技术课程对这部分内容并不具有独占性，也很难像数学、物理课程一样系统论述。

2）常用信息处理工具使用方法。这是信息技术课程的主体学习内容，也是信息社会的公民应该具备的基本技能。由于信息技术的飞速发展，这部分学习内容最不稳定，这也是信息技术课程的困惑所在。

3）信息技术工具的工作原理。通过对原理的追求可以接近信息技术学科的核心，这是信息技术课程中这部分内容学习的价值所在。尽管信息技术操作学习是低门槛的，但原理学习是高起点的，这就要求合理选择学习内容，使其既适合学生学习，又体现学科思想。

信息技术作为一门发展迅速的学科，探索其相对稳定的教育价值是必须的。例如，算法思维作为一种解决问题的过程性思维方式，就是信息技术的最基本的思维方式[5]；在信息技术课程中，相比算法思维，工程思维有两个特点：其一，更具有普遍性，涉及信息技术课程中更多的学习领域；其二，更关注技术和工具，强调用信息技术工具有效地解决问题[6]。算法思维和工程思维都是从“信息技术工具的工作原理”视角体现信息技术课程的教育价值。关于从信息技术课程三层次学习内容演绎学科思维和方法论，还有待进一步研究。

近年来，信息科学在当代基础科学和复杂性科学的发展中扮演了十分重要的角色，这是因为信息科学的概念和方法为现代科学的发展提供了一个新的科学范式、一套新的研究方法，并成为现代科学发展的现实逻辑[7]。在信息科学中，无论是为信息建模提供的方法和工具，还是更深层次的虚拟现实方法，都会对传统研究领域的方法论产生影响。从信息科学视角探索信息技术课程的学科思维和教育价值是很有必要的，尽管对信息在各学科领域进化过程中，以及在人类社会的进化过程中所起的作用需要一个更完整的了解，但有理由相信，人们对信息科学乃至信息技术的了解和掌握的需求越来越大，也更需对信息技术教育开展深入研究。

参考文献

[1]钟义信.信息科学与信息论[J].通信学报，1990（1）：45-51.

[2]黄小寒.从信息本质到信息哲学[J].自然辩证法研究，2001（3）：15-19.

[3]李国杰.信息科学技术的长期发展趋势和我国的战略取向[J].中国科学，2010（1）：128-138.

[4]闫学杉.关于21世纪信息科学发展的一些见解[J].科技导报，1999（8）：3-6.

[5]王荣良.信息技术课程中算法学习的价值探索[J].中国电化教育，2008（8）：79-81.

[6]王荣良.信息技术课程之工程思维辨析[J].中国教育技术装备，2012（21）：24-26.

[7]科林.信息哲学与现代科学的基本问题[J].西安交通大学：社会科学版，2011（5）：24-28.