《信息技术基础》课件

《信息技术基础》欢迎来到信息技术基础课程！本课程由李教授主讲，将系统地介绍信息时代的核心技术概念在信息爆炸的时代，理解技术的基础原理对于每一位现代公民都至关重要我们将探索从计算机硬件到人工智能，从网络通信到区块链技术等一系列前沿话题通过本课程，你将获得扎实的信息技术理论基础，并了解这些技术如何塑造我们的未来社会年春季学期，让我们一起踏上这段探索信息世界的奇妙旅程！2025课程概述课程目标评分标准培养学生掌握信息技术基础理考试占比，重点考察理40%论知识，提升技术应用能力，论理解；项目占比，注30%建立系统化技术思维，为未来重实践应用；平时作业深入学习提供基础，培养持续学习习惯；20%课堂出勤，鼓励积极参10%与课程安排每周理论课小时，实验课小时，理论与实践相结合，使用《信息技22术基础与应用》第版作为主要教材，辅以最新技术资料5本课程采用理论讲解与实验操作相结合的教学方式，旨在帮助同学们既掌握扎实的基础知识，又具备实际应用能力每周的实验课将针对理论课内容进行实践操作，巩固所学知识信息技术导论起步阶段融合阶段至今1950-19802000计算机从军事领域进入商业应用，主机时代，基础通信网络建立移动互联网、云计算、大数据、人工智能等技术融合发展，数字化转型加速123发展阶段1980-2000个人电脑普及，互联网诞生并开始商业化，移动通信兴起信息技术（Information Technology，IT）是研究信息获取、处理、存储、传输和应用的各种技术的总称它不仅包括计算机技术，还涵盖通信技术、网络技术等多个领域在现代社会中，信息技术已经渗透到生活的各个方面，从日常社交到工业生产，从政府管理到科学研究据预测，2025年全球IT市场规模将达到

7.5万亿美元，成为推动全球经济发展的重要引擎信息的本质智慧对知识的运用与创新知识经过组织的信息集合信息经过处理的有意义数据数据客观事物的符号表示信息是消除不确定性的内容，是客观事物状态及其变化的反映信息具有多种特性，包括共享性、时效性、价值性、依附性和可加工性等在数字世界中，信息以二进制形式存在和传输信息的度量单位从比特（bit）开始，8比特组成1字节（Byte），然后依次为KB（千字节）、MB（兆字节）、GB（吉字节）、TB（太字节）、PB（拍字节）等信息的价值评估通常基于其稀缺性、时效性、准确性和实用性等因素信息技术发展简史计算机技术演进从1946年的ENIAC（第一台电子计算机）到今天的量子计算机，计算能力提升超过万亿倍通信技术变革从电报到5G/6G，通信速度从每秒几个比特提升到每秒数十吉比特互联网发展从1969年ARPANET的四个节点发展到如今连接数百亿设备的物联网人工智能崛起从1950年图灵测试的概念提出到当今生成式AI的爆发性应用信息技术的发展历程充满了突破性创新计算机从占据整个房间的庞然大物，变成如今可以放在口袋里的智能设备，而计算能力却成倍增长通信技术的进步让世界变成了地球村，人们可以实时与地球另一端的人交流互联网改变了信息传播和获取的方式，成为人类历史上最伟大的发明之一而人工智能正在重塑我们与技术交互的方式，开创智能时代的新篇章计算机系统基础存储器中央处理器临时和永久存储数据与程序的装置计算机的大脑，负责执行指令和数据处理输入设备将外部信息转换为计算机可理解的形式系统总线输出设备连接各部件的数据传输通道将计算机处理结果以人类可理解的形式呈现冯诺依曼结构是现代计算机的基本架构，它包含五个基本部件运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备这种结构的核心思想是存储程·序，即程序和数据都存储在同一个存储器中硬件与软件相互依存，共同构成完整的计算机系统硬件是计算机的物理实体，而软件是指令的集合计算机性能通常通过处理速度、存储容量、网络带宽等指标来衡量，这些指标决定了计算机系统能够处理任务的能力硬件系统中央处理器-CPU取指令译码从内存中读取指令解析指令内容回写执行将结果写回存储位置完成指令要求的操作中央处理器（）是计算机系统的核心，负责执行程序指令和数据处理现代通常包含多个核心，每个核心可以独立执行指令，大大提高了CPU CPU并行处理能力主流处理器架构有三大类和的架构主导桌面和服务器市场；架构在移动设备和低功耗场景占据优势；开源的架构正在Intel AMDx86ARM RISC-V快速发展性能不仅取决于时钟频率（），还与核心数量、缓存大小、指令集效率和制程工艺密切相关CPU GHz硬件系统存储器-寄存器速度最快，容量最小缓存高速临时存储区主存储器程序运行的工作空间外部存储器容量最大，速度较慢存储器是计算机系统中用于存储数据和程序的关键组件，按照速度和容量构成了层次结构从高速寄存器到大容量外存，各级存储器配合工作，平衡速度和容量的矛盾内存主要有静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两种类型，现代计算机普遍使用DDR4/DDR5SDRAM固态存储技术在近年迅速发展，NVMe SSD接口技术让存储性能提升明显存储器性能主要通过容量、读写速度、延迟时间和带宽等指标来衡量硬件系统输入输出设备-输入设备输出设备键盘最基本的文本输入工具显示器视觉信息呈现••鼠标触控板指针控制设备打印机持久化文档输出•/•触摸屏直接手指操作界面扬声器音频输出••摄像头图像视频捕获投影仪大屏幕显示••麦克风音频输入打印机物理对象创建••3D扫描仪将实物数字化全息显示空间成像技术••输入输出设备是用户与计算机交互的界面，它们将人类可理解的信息转换为计算机可处理的形式，或将计算结果转换为人类可感知的形式随着技术发展，这些设备变得越来越多样化和智能化现代输入输出接口标准经历了快速演进，从早期的接口到现在的、、和雷电等高速接口人机PS/2USB4HDMI

2.1DisplayPort

2.04交互趋势正向着更自然的方向发展，包括语音识别、手势控制、眼动追踪和脑机接口等创新技术，使计算机操作变得更加直观和高效系统总线与接口系统总线类型数据传输方式最新规范PCIe•数据总线传输数据信息•并行传输多位同时传输，更高吞吐量•PCIe

5.0单向带宽32GB/s•地址总线确定数据传输地址•串行传输单线依次传输，更长距离、更低干扰•PCIe

6.0单向带宽64GB/s，采用PAM4编码•控制总线传输控制信号系统总线是计算机内部各组件之间传输数据的公共通道，就像计算机的高速公路总线的性能直接影响计算机系统的整体性能，特别是数据传输速率和带宽接口标准经历了从并行到串行的演进过程，现代接口如PCIe、USB、HDMI等主要采用高速串行传输技术PCIe

6.0技术的出现将进一步提升数据处理密集型应用的性能，如人工智能训练、大数据分析和高性能计算等领域操作系统概述系统系统移动操作系统Windows macOS市场份额最大的桌面操作系统，由微软开发具苹果公司专为电脑开发的系统，以优雅的设和主导移动设备市场，前者开放且Mac AndroidiOS有友好的图形界面和广泛的软件兼容性，主要面计和流畅的用户体验著称基于内核，安全设备丰富，后者封闭但生态统一两者共同定义Unix向个人和企业用户性高，深受创意工作者喜爱了现代移动计算体验操作系统是计算机系统中最基本的系统软件，它管理计算机硬件和软件资源，为用户程序提供运行环境操作系统的核心功能包括进程管理、内存管理、文件系统管理和设备管理等从年代的批处理系统，到分时系统，再到现代的多用户多任务系统，操作系统经历了显著的发展在桌面市场，占据约份额，1950Windows75%约，约；在移动市场，占据约，约；在服务器市场，则占据主导地位不同操作系统针对不同应用场macOS15%Linux2%Android72%iOS27%Linux景进行了优化操作系统核心功能进程管理内存管理文件系统负责创建、调度和终止控制内存分配和回收，管理文件的存储、检索进程，管理进程间通信实现虚拟内存技术通和访问权限提供目录和同步采用时间片轮过分页或分段机制，提结构和文件操作接口，转、优先级调度等算法供大于物理内存的地址支持NTFS、ext

4、实现CPU资源分配空间APFS等文件系统格式设备管理控制I/O设备的工作，通过设备驱动程序屏蔽硬件差异提供统一的设备访问接口，实现资源共享进程管理是操作系统的核心功能之一，它负责协调多个程序的执行，确保CPU资源得到有效利用现代操作系统支持多进程并行执行，通过上下文切换实现并发处理内存管理通过虚拟内存技术，将物理内存和磁盘存储结合，提供更大的地址空间文件系统提供了组织和访问持久化数据的机制用户界面经历了从命令行（CLI）到图形界面（GUI）再到自然用户界面（NUI）的演进，使计算机操作越来越直观软件系统分类系统软件应用软件操作系统、驱动程序、编译器、实用工具等办公软件、多媒体软件、通信软件、游戏等12专有软件43开源软件源代码闭源，使用权受限制源代码公开，自由修改和分发软件系统可以按照不同的标准进行分类从功能角度，可分为系统软件和应用软件；从开发模式角度，可分为开源软件和专有软件；从许可方式看，可分为永久授权模式和订阅模式软件行业正经历从传统的一次性购买向基于云的订阅服务模式转变据预测，2025年全球软件市场分布将呈现多元化格局企业应用占28%，消费应用占22%，系统软件占18%，其余为开发工具、中间件等这种分布反映了软件在各个领域的广泛应用，以及企业数字化转型的加速推进计算机编程基础机器语言直接由处理器执行的二进制指令汇编语言使用助记符的低级语言高级语言接近自然语言和数学符号的编程语言编程语言是人与计算机沟通的桥梁，按照抽象级别可分为机器语言、汇编语言和高级语言高级语言又可分为多种类型，包括过程式语言（如）、面向对象语言（如）、函数式语言（如）和脚本语言（如）等C JavaHaskell Python编程范式代表了解决问题的不同方法和思维模式，主要包括命令式编程（关注如何做）、面向对象编程（基于对象和类）和函数式编程（基于函数和表达式）根据年编程语言排行榜，、、、和位居前五，反映了人工智能、开发和TIOBE2025Python JavaScriptJava C++Go Web系统编程的主流技术趋势算法与数据结构常见算法类型基本数据结构排序算法快速排序、归并排序、堆排序等数组连续内存空间的线性表••搜索算法二分查找、深度优先搜索、广度优先搜索链表通过指针连接的节点序列••图算法最短路径、最小生成树、网络流栈后进先出的线性表••LIFO动态规划解决具有重叠子问题的优化问题队列先进先出的线性表••FIFO贪心算法在每一步选择中都采取当前最优解树层次结构的非线性数据结构••图由节点和边组成的网络结构•哈希表基于键值对的高效查找结构•算法是解决问题的明确步骤序列，具有输入、输出、有限性、确定性和可行性五个基本特性好的算法应具备正确性、可读性、健壮性和高效性算法复杂度分析从时间和空间两个维度评估算法效率，通常使用大符号表示渐进复杂度O数据结构是组织和存储数据的特定方式，影响数据操作的效率选择合适的数据结构对算法性能至关重要例如，哈希表适合快速查找，而二叉搜索树适合有序数据的查找和维护不同的问题场景需要选择不同的算法和数据结构组合，以实现最优性能数据库技术基础数据库系统功能数据模型分类•数据定义创建、修改、删除数据库对象•层次模型树状结构，父子关系•数据操作插入、更新、删除、查询数据•网状模型支持多对多关系•数据控制管理用户权限和访问控制•关系模型基于二维表格的结构•事务处理确保数据操作的原子性和一致性•非关系模型键值对、文档、图形等多种形式•数据恢复备份和恢复数据的能力主流数据库产品•Oracle企业级关系数据库标杆•MySQL最流行的开源关系数据库•SQLServer微软的关系数据库产品•MongoDB领先的文档型非关系数据库数据库系统是用于管理结构化数据的软件系统，它提供了数据存储、检索和管理的机制数据库管理系统（DBMS）是数据库系统的核心，负责数据库的创建、维护和使用DBMS的核心组件包括查询处理器、存储管理器、事务管理器和元数据管理器等不同的数据库产品针对不同应用场景进行了优化，例如Oracle适合大型企业应用，MySQL适合Web应用，MongoDB适合处理非结构化和半结构化数据选择合适的数据库产品需要考虑数据类型、性能需求、伸缩性和总拥有成本等因素关系型数据库非关系型数据库键值存储文档数据库图数据库以键值对形式存储数据，结构简单，检索迅存储半结构化的文档对象，通常是或专为处理高度关联数据设计，以节点和边表示JSON速和是典型代表，适合缓格式和支持复杂实体与关系和在社交网Redis DynamoDBBSON MongoDBCouchDB Neo4j JanusGraph存、会话存储和高速数据访问场景数据结构且查询灵活，适合内容管理和物联网络、推荐系统和知识图谱中应用广泛应用（）数据库是一类不遵循关系模型的数据库系统，具有水平可扩展性、架构灵活性和处理非结构化数据的能力它们通常牺牲NoSQL NotOnly SQL了特性来获得更高的性能和可扩展性，采用（基本可用、软状态、最终一致性）原则ACID BASE除了键值存储、文档数据库和图数据库外，还有列式存储如和，适用于大规模数据分析和时序数据处理数据库在大数据Cassandra HBaseNoSQL环境、实时应用和分布式系统中有显著优势，但选择时需考虑数据模型、一致性需求和查询模式大数据技术（大量）Volume数据规模巨大，从TB级到PB级（高速）Velocity数据产生和处理速度快（多样）Variety数据类型和来源多样化（真实性）Veracity4数据质量和可信度（价值）Value从数据中提取商业价值大数据技术是处理超出常规数据库系统能力的数据集的技术体系这些数据集具有5V特性Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多样）、Veracity（真实性）和Value（价值）大数据处理通常采用分布式计算框架来实现Hadoop是最早的大数据处理框架，基于MapReduce模型和HDFS分布式文件系统Spark提供了内存计算能力，处理速度比Hadoop快数倍Flink则专注于流处理，适合实时分析场景数据湖是存储原始数据的大型仓库，而数据仓库则存储经过处理的结构化数据大数据技术已广泛应用于智能推荐、风险控制、智慧城市和科学研究等领域计算机网络基础按覆盖范围分类网络拓扑结构网络设备功能•局域网LAN覆盖小范围区域，如办公室、校园•总线型所有设备连接到一条主线•路由器连接不同网络，进行路由选择•城域网MAN覆盖城市范围•星型所有设备连接到中央节点•交换机在同一网络中转发数据•广域网WAN覆盖国家或全球范围•环型设备形成闭环•防火墙过滤网络流量，提供安全保护•网状型设备之间有多条路径连接计算机网络是互连的计算设备的集合，通过通信介质和协议实现资源共享和信息交换网络能够打破地域限制，实现远程协作和资源优化配置，是现代信息社会的基础设施网络可以按覆盖范围、传输介质、通信方式等多种方式分类网络拓扑决定了网络的物理或逻辑连接方式，影响网络的性能、可靠性和成本网络设备如路由器、交换机、网关和防火墙等，共同构成网络的硬件基础，负责数据的传输、路由和安全保护网络协议与模型OSI应用层提供用户接口和服务，如HTTP、FTP、SMTP、DNS等表示层处理数据格式、加密解密、压缩解压缩会话层建立、管理和终止会话传输层提供端到端的可靠传输，如TCP、UDP网络层负责路由选择和IP寻址，如IP协议数据链路层提供相邻节点之间的数据传输，如以太网物理层定义物理媒介、接口和信号，如电缆、光纤OSI（开放系统互连）模型是一个由国际标准化组织制定的概念模型，将网络通信过程分为七个层次每一层都有特定的功能和相应的协议，负责处理通信过程中的不同任务TCP/IP协议族是互联网的基础，与OSI模型相比更为实用，通常分为四层应用层、传输层、网络层和网络接口层常见协议如HTTP/HTTPS用于Web通信，FTP用于文件传输，SMTP用于电子邮件IPv4地址空间已接近耗尽，IPv6提供更大地址空间和更好的安全机制，但全球IPv6部署仍在进行中当数据从源主机传输到目标主机时，需要经过封装、传输和解封装的完整过程互联网技术与应用域名系统技术应用协议DNS Web将域名转换为IP地址，实现用户友HTML5定义内容结构，CSS3负责HTTP/3采用QUIC协议，提供更低好的网络访问方式采用分层分布样式呈现，JavaScript实现交互功延迟；WebSocket实现全双工通式数据库结构，提高查询效率和系能这三种技术构成现代Web前端信，支持实时数据传输和推送统可靠性开发的基础内容分发网络通过分布全球的服务器集群，将内容缓存到离用户较近的节点，加快访问速度，减轻源服务器压力互联网是全球最大的计算机网络，由无数相互连接的网络组成，基于TCP/IP协议实现通信域名系统DNS是互联网的基础服务之一，它将人类可读的域名（如www.example.com）转换为机器可识别的IP地址，使用户能够方便地访问网络资源Web技术迅速发展，HTML5提供了更丰富的多媒体支持，CSS3增强了页面样式能力，JavaScript生态系统日益壮大HTTP/3协议通过采用QUIC传输层协议，解决了HTTP/2中的队头阻塞问题，提供更低的延迟内容分发网络CDN通过将内容分布在全球各地的服务器上，显著提高了用户访问速度和网站可靠性，已成为大型网站的标准配置移动通信技术1G1980s1模拟信号，仅语音通话22G1990s数字信号，增加短信功能3G2000s3支持移动互联网，数据速率提升44G2010s高速数据传输，支持高清视频5G2020s5超高速、低延迟、大连接66G2030s太赫兹通信，智能网络移动通信技术经历了从1G到5G的革命性发展，每一代技术都带来传输速率、连接密度和应用场景的飞跃5G技术以其高速率（峰值20Gbps）、低延迟（1毫秒级）和大连接（每平方公里100万设备）的特点，支持了增强型移动宽带、超可靠低延迟通信和大规模机器类通信三大应用场景6G技术目前正处于研发阶段，预计将采用太赫兹频段，传输速率可达1Tbps，并融合卫星通信、人工智能等技术，实现全球无缝覆盖和智能网络移动通信网络架构由核心网、传输网和接入网组成，随着技术演进不断优化据统计，2025年全球移动通信用户将达到58亿，5G用户占比超过30%，显示出移动通信的普及程度和未来潜力物联网技术感知层网络层RFID、传感器、摄像头等收集数据通过各种协议传输数据应用层平台层提供各类智能服务存储、处理和分析数据物联网IoT是指通过嵌入式传感器、软件和网络将物理设备连接到互联网，实现设备间数据交换和远程监控控制的技术系统物联网架构通常分为感知层、网络层、平台层和应用层四个层次，每层具有特定的技术和功能感知层技术主要包括RFID标签、各类传感器和摄像头等，用于采集环境和物体信息网络层技术包括短距离的ZigBee、蓝牙，中距离的Wi-Fi，和广域的NB-IoT、LoRa等，满足不同场景的连接需求应用层采用MQTT等轻量级协议进行数据传输和指令下发预计到2026年，全球物联网连接设备将超过500亿，应用场景覆盖智能家居、工业制造、智慧城市、医疗健康等多个领域云计算技术边缘计算概念与架构与云计算的关系边缘计算是在靠近数据源的网络边缘进边缘计算是云计算的延伸和补充，而非行计算和存储的分布式计算范式它由替代两者协同工作边缘处理实时性边缘设备、边缘节点和云中心组成多层要求高的任务，云端处理计算密集型和架构，实现数据的本地处理和筛选大数据分析任务应用场景边缘计算广泛应用于需要低延迟和高带宽的场景，如智能家居（本地处理语音命令）、工业物联网（实时监控和控制）和自动驾驶（快速响应道路情况）边缘计算通过将计算能力部署在靠近数据源的位置，解决了云计算中心化处理的带宽压力和延迟问题在物联网设备产生海量数据的今天，边缘计算可以在源头对数据进行过滤和预处理，只将有价值的信息传送到云端，大大减少了网络传输负担边缘计算的技术标准仍在快速发展中，主要组织包括工业互联网联盟IIC、边缘计算产业联盟ECC和开放边缘计算OEC等主流边缘计算平台有AWS IoTGreengrass、Azure IoTEdge、Google CloudIoT Edge等，提供了设备管理、数据处理和安全机制随着5G网络的普及和物联网设备的增长，边缘计算将成为数字基础设施的重要组成部分人工智能基础第一次浪潮11950s-1970s基础理论形成，出现专家系统，但受限于计算能力寒冬2AI1970s-1990s发展停滞，研究经费减少，理论与实践差距较大第二次浪潮31990s-2010s机器学习崛起，统计方法取得突破，应用范围扩大第三次浪潮至今42010s深度学习革命，大模型时代到来，AI应用普及人工智能AI是研究如何使计算机系统能够执行传统上需要人类智能的任务的科学和工程领域按能力范围可分为狭义AI（专注于特定任务）、通用AI（具有与人类相当的多任务能力）和超级AI（超越人类智能的假设性系统）人工智能的核心技术包括机器学习（从数据中学习并改进）、深度学习（基于神经网络的复杂模式识别）和自然语言处理（理解和生成人类语言）这些技术支撑了语音助手、自动驾驶、医疗诊断等众多应用2025年全球AI市场规模预计达到

1.5万亿美元，年增长率超过30%，成为科技领域最具活力的方向之一机器学习技术数据收集与预处理获取、清洗、标注数据模型选择与训练选择算法，调整参数模型评估与验证测试性能，检验泛化能力部署与持续改进应用于实际场景，收集反馈机器学习是人工智能的核心技术，它使计算机系统能够从经验（数据）中学习，而无需明确编程机器学习的基本流程包括数据收集与预处理、特征选择与工程、模型训练与优化、评估与部署四个阶段按学习方式，机器学习可分为三类监督学习（使用带标签的数据训练，如分类和回归）、无监督学习（使用无标签数据探索数据结构，如聚类和降维）、强化学习（通过与环境交互和奖惩机制学习最优策略）常见算法包括决策树（可解释性强）、支持向量机（效果好但计算复杂）、随机森林（集成多个决策树）、K均值聚类（简单有效的聚类方法）等机器学习已广泛应用于推荐系统、金融风控、医疗诊断和智能客服等领域深度学习技术卷积神经网络循环神经网络架构CNN RNNTransformer专门处理网格结构数据（如图像）的神经网络，通过处理序列数据的神经网络，具有记忆能力，能够基于自注意力机制的神经网络架构，能高效处理长距卷积层提取特征，池化层降低维度，全连接层进行分利用历史信息LSTM和GRU等变体解决了长序列训离依赖关系摒弃了RNN的顺序计算，支持并行处类在计算机视觉领域表现出色，如图像分类、目标练中的梯度消失问题，广泛应用于自然语言处理和时理，成为NLP模型的主流架构，如BERT、GPT系列检测等任务间序列预测等大型语言模型的基础深度学习是机器学习的子领域，基于多层人工神经网络，能够自动从大量数据中学习分层特征表示与传统机器学习相比，深度学习减少了特征工程的人工干预，通过端到端学习实现从原始数据到结果的直接映射主流深度学习框架包括TensorFlow（谷歌开发，生态系统完善）、PyTorch（Facebook开发，动态计算图，研究友好）和PaddlePaddle（百度开发，产业应用便捷）等近年来，大型语言模型（LLM）如GPT系列、BERT系列和Llama系列取得了突破性进展，通过自监督学习和大规模预训练，展现出惊人的语言理解和生成能力，推动了生成式AI的发展人工智能应用计算机视觉应用自然语言处理应用生成式应用AI•图像识别物体、场景和人脸识别•机器翻译实时多语言互译•文本生成文章、故事、代码•对象检测定位和分类多个物体•情感分析判断文本情感倾向•图像生成艺术创作、设计•图像分割像素级别的分类•文本摘要自动生成摘要•音乐生成作曲、编曲•视频分析动作识别和目标跟踪•智能问答构建对话系统•视频生成动画、特效人工智能技术已经渗透到众多领域，带来了广泛的应用价值计算机视觉技术使机器能够看懂图像和视频，应用于安防监控、自动驾驶、医学影像分析等领域自然语言处理技术让计算机理解和生成人类语言，支持智能客服、内容分析、自动写作等应用语音技术包括语音识别（将语音转换为文本）和语音合成（将文本转换为自然语音），是语音助手、会议记录和无障碍技术的基础生成式AI是近年来的热点，能够创造类似人类创作的内容，如GPT系列可生成各类文本，DALL-E和Midjourney可根据文字描述生成图像，GitHub Copilot可辅助编程，这些技术正在重塑创意产业和知识工作区块链技术区块结构链式结构包含数据、前一区块哈希值和时间戳区块按时间顺序连接形成链密码学技术共识机制4确保数据安全和身份验证3确保网络参与者对账本状态达成一致区块链是一种分布式账本技术，通过密码学原理构建不可篡改的数据结构它具有去中心化（无需中央机构）、不可篡改（历史记录无法更改）、可追溯（所有交易可查）和透明性（公开可验证）等特点，为数字信任提供了新机制区块链的核心技术包括分布式账本、共识机制和智能合约共识机制有多种类型，如工作量证明PoW、权益证明PoS和委托权益证明DPoS等，各有优缺点智能合约是自动执行的代码，当预设条件满足时触发执行区块链按照访问权限可分为公链（对所有人开放）、联盟链（特定组织联盟使用）和私链（单一组织内部使用）区块链技术已应用于数字货币、供应链追踪、数字身份认证和版权保护等领域数字货币与金融科技67000比特币历史最高价美元2024年3月创下的历史新高亿

1.5全球加密货币用户数量占全球人口约

1.9%17已推出的国家数量CBDC包括中国、巴哈马等83%中国移动支付普及率远高于全球平均水平数字货币是基于密码学原理的电子货币形式，主要分为两大类去中心化的加密货币（如比特币、以太坊）和中央银行发行的数字货币CBDC比特币采用工作量证明机制，总量限制为2100万枚；以太坊则支持智能合约，实现了去中心化应用平台金融科技FinTech将创新技术应用于金融服务，带来了移动支付、数字银行、区块链金融等创新模式中国的数字人民币e-CNY是全球最大经济体的CBDC尝试，采用双层运营体系，已在多个城市试点，逐步扩大应用场景金融科技正在重塑全球金融格局，提高金融服务可及性和效率，同时也带来了监管挑战和金融安全问题信息安全基础可用性Availability确保授权用户能够访问信息系统1完整性Integrity2保护数据不被未授权修改机密性Confidentiality3防止未授权访问敏感信息信息安全是保护信息系统及其数据免受未授权访问、使用、披露、中断、修改或销毁的实践信息安全的三要素（三角）是机密性、完整CIA性和可用性，这三个方面共同构成了信息安全的基础框架信息安全威胁可分为自然威胁（如自然灾害）、人为威胁（如恶意攻击）和环境威胁（如电力故障）常见的网络攻击手段包括计算机病毒、钓鱼攻击、分布式拒绝服务攻击和勒索软件等据年全球网络安全报告，数据泄露事件的平均损失达到万美元，比前一年增DDoS2024420长随着数字化程度提高，信息安全已成为组织和个人必须重视的关键问题15%网络安全技术身份认证技术访问控制技术数据加密技术基于知识的认证密码、码防火墙过滤网络流量对称加密、，速度快•PIN••AES DES基于所有物的认证智能卡、令牌入侵检测系统识别可疑活动非对称加密、，更安全•••RSA ECC基于生物特征的认证指纹、人脸入侵防御系统主动阻止攻击哈希函数，数据完整性•••SHA-256多因素认证结合多种认证方式网络隔离物理或逻辑分离同态加密在加密状态下计算•••网络安全技术是保障信息系统安全的技术手段集合身份认证技术确保只有合法用户能够访问系统，从简单的密码认证发展到多因素认证和生物识别技术，提高了身份验证的安全性访问控制技术限制用户对系统资源的访问权限，防火墙和入侵检测防御系统是网络/边界防护的核心组件数据加密技术保护数据的机密性和完整性，包括传输中的数据（通过协议）和存储中的数据（通过文件加密）安全协议如SSL/TLS虚拟专用网络提供了安全的远程访问方式零信任安全架构是一种新兴的安全理念，它不再信任网络边界内的任何实体，要求VPN对所有资源访问进行持续验证，适应了现代分布式工作环境和云计算架构的安全需求信息安全管理规划阶段制定安全策略，确定资产范围，明确安全目标风险评估识别威胁和漏洞，评估风险等级，确定风险接受标准控制实施部署技术与管理措施，建立安全制度，培训员工监控与审计持续监测安全状态，定期审计合规性，识别新风险持续改进分析安全事件，更新安全策略，优化控制措施信息安全管理是通过系统化的管理框架和流程，保障组织信息资产安全的活动ISO27001是国际认可的信息安全管理体系标准，提供了建立、实施、维护和持续改进信息安全管理体系的框架和要求风险评估与管理是安全管理的核心，包括资产识别、威胁分析、脆弱性评估和风险处置四个步骤安全审计通过定期检查确保控制措施有效执行安全事件响应流程包括准备、检测、分析、控制、恢复和总结学习六个阶段，确保在安全事件发生时能够快速有效应对随着数据保护法规如欧盟GDPR和中国PIPL的实施，隐私保护和数据合规已成为信息安全管理的重要组成部分数字化转型62%数字经济占比重GDP2025年全球预测数据85%数字转型企业成功率有明确战略的企业倍

3.5数字领先企业收入增长相比行业平均水平40%传统工作将被自动化未来十年内预测数字化转型是组织利用数字技术重新设计业务模式、运营流程和客户体验的过程它不仅是技术升级，更是思维模式和组织文化的转变数字化转型的驱动因素包括客户期望变化、市场竞争加剧、技术创新加速和全球化压力等数字化转型的关键技术被概括为ABCD人工智能AI提供智能决策能力，大数据Big Data提供数据洞察，云计算Cloud提供灵活计算资源，数字化Digital技术连接物理和虚拟世界数字化转型主要应用于三大领域智能制造（实现生产自动化和柔性化）、智慧城市（提升城市管理效率和服务水平）和数字政府（改善政务服务和提高治理能力）随着数字技术的深入应用，数字经济在全球GDP中的占比持续提高，预计2025年将达到62%智能制造与工业

4.0工业核心理念数字孪生技术工业互联网平台

4.0工业

4.0是第四次工业革命的代表，核心是实现制造数字孪生是物理实体在数字世界的虚拟复制品，能实工业互联网平台连接设备、系统和应用，提供数据分业的智能化和网络化它通过信息物理系统CPS连时反映物理对象的状态在智能工厂中，数字孪生可析、应用开发和设备管理等功能它是智能制造的接物理设备和数字空间，实现全价值链的数据流通和用于设备监控、生产仿真和预测性维护，大幅提高生大脑，促进工业数据价值释放和跨领域协同创新优化决策产效率和降低故障率工业

4.0代表着制造业的数字化、网络化和智能化转型，是继蒸汽机、电气化和自动化之后的第四次工业革命其核心是通过信息物理系统CPS将物理世界与网络空间融合，实现设备互联、数据共享和自主决策智能工厂是工业

4.0的具体体现，通过物联网传感器采集生产数据，利用数字孪生技术创建虚拟工厂模型，应用人工智能优化生产流程全球制造业巨头如西门子、通用电气和海尔等已成功实施数字化转型，实现了生产效率提升30%以上，能源消耗降低20%以上，产品不良率降低50%以上智能制造正逐步改变全球制造业格局，促进生产方式从大规模标准化向个性化定制转变智慧城市技术智能交通系统智慧能源管理智慧医疗健康通过传感器网络、视频分析和大数据结合智能电网、分布式能源和需求响整合医疗信息系统、远程诊疗和健康预测优化交通流量，减少拥堵和事应技术，实现能源生产和消费的动态监测设备，提供全方位健康服务电故，提高出行效率自适应信号灯、平衡智能电表、可再生能源管理和子健康记录、医疗影像AI诊断和远程实时路况监测和智能停车管理是核心建筑能效优化系统共同降低城市能医疗咨询改善了医疗资源分配和服务应用耗效率城市大脑平台作为智慧城市的核心操作系统，整合各类城市数据，提供跨部门协同和智能决策支持通过AI分析和可视化技术，实现城市态势感知和精细化管理智慧城市是利用信息通信技术与物联网感知，收集城市运行核心系统的各项关键信息，通过对大量数据的处理、分析和智能响应，提升资源利用率、优化城市管理和服务，改善市民生活质量的城市发展模式智慧城市架构通常分为感知层（物联网设备和传感器网络）、网络层（5G、光纤等通信网络）、平台层（城市大脑和数据中心）和应用层（各类智慧应用）全球智慧城市建设呈现区域特色欧洲注重可持续发展和公民参与，北美侧重技术创新和商业模式，亚洲强调基础设施建设和政府主导根据智慧城市指数评估，新加坡、哥本哈根、阿姆斯特丹、北京和深圳等城市在智慧城市建设方面处于全球领先地位元宇宙技术数字身份沉浸式体验用户在虚拟世界的化身与资产通过技术创造逼真互动环境XR数字经济3虚拟物品交易和价值创造社交互动持久性世界支持多人实时交流与协作即使用户退出也持续存在的环境4元宇宙是一个融合了物理世界和数字世界的虚拟空间，它不仅是一种技术，更是一种新的互联网形态和社交方式在元宇宙中，用户可以通过数字化身份（化身）与他人互动，参与各种活动，拥有和交易数字资产，体验沉浸式内容元宇宙的核心技术包括扩展现实技术、区块链、和云计算等数字人技术通过驱动虚拟角色，使其具备自然交互能力目前主要元宇XR AIAI宙平台包括的、、和等元宇宙已在社交娱乐（虚拟音乐会、游戏）、教育培训（沉浸Meta HorizonWorlds RobloxFortnite Decentraland式学习、模拟训练）、工作协作（虚拟办公室、设计）和数字营销（虚拟展览、品牌体验）等领域展开应用，虽仍处于发展早期，但展现出3D广阔前景虚拟现实与增强现实技术类型对比硬件设备发展主要应用领域•虚拟现实VR完全沉浸在虚拟环境中•头戴显示设备从笨重到轻便智能化•教育培训模拟实验、技能训练•增强现实AR在真实世界叠加虚拟信息•交互控制器手柄、数据手套、手势识别•医疗健康手术规划、康复治疗•混合现实MR虚拟与现实深度交互融合•触觉反馈力反馈、触感模拟技术•工业设计产品原型、远程协作•扩展现实XR涵盖VR、AR和MR的统称•眼动追踪提升沉浸感和交互精度•娱乐游戏沉浸式游戏、虚拟旅游虚拟现实VR技术创造一个完全人工的环境，使用户完全沉浸其中；增强现实AR则在现实世界中叠加虚拟信息；混合现实MR是VR和AR的结合，允许虚拟对象与现实世界互动；XR则是这些技术的总称这些技术正从专业领域向消费市场快速普及XR硬件设备经历了快速迭代，主流VR头显如Meta Quest

3、PlayStation VR2和HTC VIVE提供了高分辨率显示和精确追踪；AR眼镜如Microsoft HoloLens和MagicLeap面向企业应用；Apple VisionPro则融合了VR和AR功能内容制作技术方面，3D建模工具、动作捕捉系统和实时渲染引擎大幅降低了XR内容的开发门槛XR技术在教育（提供沉浸式学习体验）、医疗（辅助外科手术规划）、工业（远程协作和培训）和娱乐（沉浸式游戏和体验）等领域有广泛应用量子计算基础量子计算核心原理量子计算机发展现状量子计算利用量子力学原理进行信息处理，其基本单位是量子比特目前量子计算仍处于早期发展阶段主流技术路线包括超导量子计算、（）量子计算的两个核心原理是量子叠加态和量子纠缠离子阱量子计算、光量子计算和拓扑量子计算等qubit叠加态使单个量子比特可以同时表示和，而传统比特只能是或、、百度等公司已研发出具有几十到上百个量子比特的量0101IBM Google随着量子比特数量增加，可能的状态数量呈指数级增长，使量子计算机子处理器，但这些系统仍面临量子相干时间短、错误率高等挑战在特定问题上具有巨大优势量子优势（或称量子霸权）指量子计算机解决特定问题比经典超级计算量子纠缠则使多个量子比特形成关联，一个量子比特的状态变化会立即机快得多的能力年，宣称实现了量子优势，但目前这一2019Google影响另一个，无论距离多远这种特性可用于实现安全通信和分布式量领域仍存在争议子计算量子计算是利用量子力学原理进行信息处理的计算方式，有望解决经典计算机难以处理的复杂问题量子比特可以处于、或两者的叠加态，这使01得量子计算机在特定算法上具有指数级加速能力量子计算的潜在应用领域广泛，包括密码学（算法可分解大素数，威胁当前加密系统）、材料科学（模拟量子系统，加速新材料发现）、药物Shor设计（模拟分子相互作用，加速药物研发）和优化问题（解决复杂的组合优化问题）尽管量子计算仍面临技术挑战，但其发展速度正在加快，预计未来十年将在特定应用领域产生实质性突破生物信息技术数据获取通过DNA测序、蛋白质组学等高通量技术获取大量生物学数据，现代测序技术可在几天内完成完整基因组测序，成本降至千美元级别数据处理使用专业算法和工具对原始数据进行清洗、组装和注释，如序列比对、基因预测和功能注释等，处理PB级别的生物大数据数据分析应用机器学习、统计方法和可视化技术挖掘生物数据中的模式和关联，发现生物学意义，如疾病标志物和药物靶点知识应用将分析结果应用于临床诊断、药物研发和精准医疗等领域，如基于基因组数据的个性化治疗方案和疾病风险预测生物信息学是结合生物学、计算机科学和信息技术，对生物数据进行存储、检索和分析的交叉学科随着高通量测序技术的发展，生物数据量呈爆炸式增长，需要先进的计算方法进行处理和分析基因编辑技术CRISPR-Cas9被誉为基因魔剪，可以精确修改DNA序列，已在作物改良、疾病治疗和基础研究中展现巨大潜力个性化医疗借助基因组学和生物信息学分析病人的基因特征，定制最适合的治疗方案，提高治疗效果精准医学倡导4P医学预测性Predictive、预防性Preventive、个性化Personalized和参与性Participatory，正逐步改变传统医疗模式绿色计算技术信息伦理与法律信息伦理基本原则尊重个人隐私、保障信息安全、维护知识产权、确保公平访问、履行社会责任和促进可持续发展是信息伦理的核心原则，指导技术开发和应用数字鸿沟问题数字鸿沟指不同群体间获取和使用信息技术能力的差距，存在于国家间、城乡间和不同年龄群体间，可能加剧社会不平等，需要政策干预数据保护法规全球主要数据保护法规包括欧盟GDPR、美国CCPA和中国PIPL，都强调个人数据权利、数据处理透明度和安全责任，对违规行为设置严厉处罚人工智能伦理AI伦理关注算法透明度、公平性、问责制和人类自主权，旨在确保AI发展符合人类价值观，避免偏见、歧视和滥用风险信息伦理是研究信息技术研发和应用中的道德问题和价值判断的学科，随着技术深入生活，其重要性日益凸显信息伦理需平衡技术创新与人文关怀，保障个人权益与社会公共利益的协调发展网络知识产权保护面临数字环境下的新挑战，包括内容易复制、侵权难追踪和跨境执法困难区块链等新技术正被用于版权登记和保护人工智能伦理准则在全球范围内逐步建立，如欧盟AI法案、OECD AI原则和IEEE伦理标准等，都强调以人为本、安全可靠和透明负责的发展理念技术伦理不仅是法律遵从问题，更是塑造人类未来的价值选择项目管理IT项目管理核心过程项目管理方法论启动定义项目目标和范围，获取批准瀑布模型线性顺序开发，适合需求明确稳定的项目••规划制定详细计划，包括进度、资源和风险敏捷开发迭代增量开发，适应变化，注重客户协作••执行实施计划，协调团队完成工作框架短冲刺周期，每日站会，增量交付••Scrum监控跟踪进度，识别偏差并采取纠正措施看板方法可视化工作流，限制在制品数量••收尾验收交付成果，总结经验教训开发和运维融合，持续集成和部署••DevOps项目管理是应用知识、技能、工具和技术于项目活动，以满足项目需求的过程项目具有技术复杂、需求变化快和跨职能协作等IT IT特点，需要专业的管理方法和工具项目管理工具从传统的甘特图、网络图发展到现代化的协作平台，如（敏捷项目跟踪）、（综合项目规划）和Jira MSProject Trello（简易任务管理）等项目风险管理包括识别风险（如技术风险、进度风险和资源风险）、评估影响、制定应对策略和持续监控IT成功的项目管理需要平衡技术考量和商业目标，确保项目不仅技术上可行，而且能够创造业务价值IT信息系统集成需求分析明确集成目标和业务需求架构设计选择合适的集成模式和技术实施集成开发接口，部署集成组件测试验证确保系统间正常通信和数据一致运维管理监控集成点，处理异常情况系统集成是将多个独立的系统或组件连接起来，形成一个协同工作的整体，以实现更大的功能和价值系统集成的基本原则包括松耦合、标准化接口、可扩展性和安全性，这些原则确保集成系统的灵活性和可维护性集成架构经历了从点对点集成（系统直接相连，复杂度高）到企业服务总线ESB（中心化消息路由，解耦系统）再到微服务架构（独立部署的小型服务，API网关协调）的演进数据集成技术包括ETL（提取-转换-加载）用于批处理数据集成，EAI（企业应用集成）针对业务流程集成，API（应用程序接口）支持实时服务调用成功的系统集成案例在金融、医疗和零售等行业显著提升了业务效率和客户体验，如银行的全渠道整合、医院的临床系统集成和零售商的全渠道商务平台职业发展与认证IT万13785%22%中国人才缺口专业人员拥有证书比例行业平均薪资增幅IT ITIT2025年预计数据高级职位人员中相比其他行业IT行业职业发展路径主要分为三大方向技术路线（从初级工程师到架构师、技术专家）、管理路线（从项目经理到技术总监、CTO）和产品路线（从产品专员到产品经理、CPO）不同路径需要不同的能力和素质，但都需要持续学习和适应快速变化的技术环境IT人才核心技能需求包括扎实的技术能力、解决问题的逻辑思维、有效的沟通协作能力和业务领域知识主要IT认证体系包括网络方向的思科CCNA/CCNP、云计算的AWS认证工程师、项目管理的PMP和安全领域的CISSP等2025年IT人才需求热点包括AI工程师（精通机器学习和深度学习）、网络安全专家（应对日益复杂的安全威胁）和云架构师（设计和实施云基础设施）IT职业发展需要不断学习新技术，建立专业网络，并结合行业知识形成独特竞争力信息技术未来趋势通信技术类脑计算空间计算6G6G将实现太赫兹频段通信，带宽比5G高出10-100类脑计算模拟人脑神经元和突触结构，在硬件层面实现空间计算将数字内容与物理空间无缝融合，创造沉浸式倍，峰值速率可达1Tbps超低延迟（微秒级）和超大高效信息处理与传统冯·诺依曼架构不同，类脑芯片交互体验通过先进的环境理解、空间映射和自然交互连接密度将支持全新应用场景，如全息通信、触觉互联将计算和存储融为一体，大幅降低能耗这一技术有望技术，用户可以直接用手势、目光和语音与数字对象交网和智能环境感知空天地一体化网络架构将实现全球在模式识别、自然语言处理和自主学习等方面突破当前互这将重塑工作、学习和娱乐方式，催生全新应用生无缝覆盖AI的限制态信息技术正加速演进，多项前沿技术将在未来十年重塑数字世界6G通信将实现万物智联，支持全新应用场景类脑计算研究突破了传统计算架构，朝着更接近人脑工作方式的方向发展，有望大幅提升AI系统的能效比和学习能力低代码/无代码平台使非专业人员也能创建应用程序，加速软件开发民主化可解释AI和可信AI致力于解决黑盒问题，确保AI系统透明可靠空间计算将虚拟与现实深度融合，通过自然交互方式（手势、语音、眼动）操控数字内容，创造沉浸式体验量子密码学、生物计算和可编程材料等更前沿的技术也在快速发展，将在更远的未来带来颠覆性变革技术伦理思考识别伦理问题了解技术可能带来的隐私侵犯、算法偏见、数字鸿沟等伦理挑战，建立敏感意识技术的社会影响往往超出设计者初衷，需要多维度评估建立伦理框架制定符合普世价值观的技术伦理原则，如透明度、公平性、尊重自主权和促进公共利益将伦理考量融入技术设计和开发过程的每个环节实施伦理治理通过法律法规、行业自律和机构监督建立多层次治理体系平衡创新与监管，确保技术在造福人类的同时不造成伤害和不公培养伦理文化在教育、研究和产业中培养负责任的创新文化，鼓励开发者考虑技术的长期社会影响促进多元利益相关方参与技术伦理讨论随着信息技术深入影响社会各方面，技术发展与人文关怀的平衡变得愈发重要技术不仅是工具，也承载着价值观和权力关系，其设计和应用必须考虑公平、隐私、自主权和集体福祉等伦理维度人工智能伦理与监管框架正在全球范围内形成，欧盟AI法案、美国AI权利法案和中国新一代AI治理原则等都试图在促进创新和防范风险间找到平衡信息技术的社会责任要求技术企业和从业者不仅考虑商业利益，还要顾及产品对社会环境的长期影响可持续技术创新路径强调设计符合人类需求、环境友好并能促进社会公平的技术方案，这需要跨学科合作和多元视角，确保技术发展方向与人类幸福目标一致课程总结核心知识体系学习资源推荐•计算机硬件与软件基础•教材《信息技术基础与应用》第5版•数据管理与数据库技术•在线课程中国大学MOOC平台相关课程•计算机网络与互联网•技术博客InfoQ、36氪、MIT技术评论•云计算与分布式系统•实践平台GitHub、Kaggle、LeetCode•人工智能与数据科学•学术资源IEEE/ACM数字图书馆信息安全与隐私保护•新兴技术与未来趋势•通过本课程的学习，我们系统地探索了信息技术的基础理论和关键应用领域从计算机硬件到操作系统，从网络通信到云计算，从数据库到人工智能，这些知识构成了理解现代信息社会的基础框架期末复习建议集中在课堂讨论的核心概念和案例分析上，理论结合实践，深入理解而非机械记忆期末项目展示将安排在第周，每组17-18分钟展示时间每位同学需提交一份个人学习总结，反思本课程的收获与启发在信息技术快速发展的时代，终身学习的能力比掌握特15定技术更为重要，希望本课程不仅传授知识，更能培养持续学习的热情和批判性思考的习惯。