一、课程概述：计算机科学的重要性与目标
- 课程定位
- 本系列课程不教授编程，而是从高层次纵览计算机科学，涵盖从基础的位、字节、晶体管到操作系统、虚拟现实等复杂领域。
- 强调计算机通过 “多层抽象” 实现复杂功能，如同用户无需了解网页代码即可上网购物，课程各集可独立学习。
- 计算机的社会影响
- 计算机是现代社会的命脉，若全部关闭将导致电网瘫痪、交通崩溃、金融停滞等连锁反应，甚至非计算机物品（如 T 恤、椅子）也依赖计算机控制的工厂生产。
- 类比工业革命，计算机革命正推动农业自动化、医疗设备、全球通信等领域的变革，定义 “信息时代”。
二、计算工具的起源：从算盘到机械计算器
- 早期手动工具（公元前 2500 年 —17 世纪）
- 算盘：美索不达米亚发明的手动计算器，通过不同位的珠子表示 10 的幂次，解决人类心算大数的局限（如计算牲畜数量），类似现代硬盘存储计算状态。
- 星盘与计算尺：星盘辅助航海计算纬度，计算尺简化乘除运算，各类时钟用于天文和时间计算，均提升计算效率与准确性。
- “计算机” 一词的起源
- 1613 年首次出现 “computer”，指 “从事计算的人”，而非机器。直至 19 世纪末，该词才逐渐指代机器。
- 机械计算器的突破：步进计算器（1694 年）
- 德国莱布尼茨发明，采用齿轮传动，每个齿轮代表 0-9 的数字，通过齿轮进位实现加减（如齿轮过 9 则归零并推动相邻齿轮进 1），类比算盘进位逻辑。
- 利用机械结构实现乘除（本质为重复加减），是首台能完成四则运算的机器，其设计沿用 300 年。
三、通用计算机的先驱：巴贝奇与分析机
- 差分机（1822 年）
- 查尔斯・巴贝奇针对人工计算表格耗时易错的问题（如军事射程表），提出差分机构想，可自动计算多项式，近似对数、三角函数。
- 计划使用 2.5 万个零件，重 15 吨，但因技术限制未完成。1991 年，历史学家依其设计成功制造，验证其可行性。
- 分析机：通用计算机的雏形
- 巴贝奇在差分机基础上提出更复杂的 “分析机”，具备 “通用计算” 能力：可处理多种任务、按顺序执行操作、拥有内存和打印机。
- 虽未建成，但其 “自动执行一系列操作” 的概念预示了计算机程序的诞生。英国数学家艾达・洛夫莱斯为其编写假想程序，被公认为 “世界首位程序员”。
- 巴贝奇因此被称为 “计算之父”，其思想启发了第一代计算机科学家。
四、商业应用的开端：打孔卡片与 IBM 的诞生
- 1890 年美国人口普查的挑战
- 美国因移民潮导致人口激增，1880 年普查耗时 7 年，1890 年预计需 13 年。赫尔曼・霍列瑞斯发明 “打孔卡片制表机” 解决效率问题。
- 打孔卡片制表机的原理
- 机电结合装置：通过打孔卡片记录数据（如婚姻状况打孔），金属针接触汞液导通电路，驱动齿轮计数。
- 效率提升 10 倍，普查仅用 2.5 年完成，节省数百万美元，促使商业领域重视计算技术。
- IBM 的前身与影响
- 霍列瑞斯成立制表机器公司，1924 年合并为国际商业机器公司（IBM）。其 “电动机械商业机器” 革新了会计、库存管理等领域，推动政府与商业数字化。
五、总结：从机械到电子的过渡
- 19 世纪末，计算工具从科学工程的专用设备逐步渗透商业，但仍以机械和机电为主。20 世纪中叶，全球人口增长与贸易全球化催生对更快、更灵活数据处理工具的需求，为电子计算机的诞生奠定基础（课程后续内容）。
- 核心主题：计算技术通过工具创新不断降低使用门槛，扩展人类能力，其发展始终围绕 “效率、自动化、通用化” 展开。
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