沪教版小学数学二年级下册素材:计算工具的发展史

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计算工具的发展史

现在人们常用计算器来计算,既快捷,又精准,给人们的生活、工作带来了方便。但是计算机的发展经历了漫长的过程,凝聚着劳动人民的智慧。

我国春秋时期出现的算筹是世界上最古老的计算工具。计算的时候摆成纵式和横式两种数字,按照纵式相间的原则表示任何自然数,从而进行加、减、乘、除、开放以及其它的代数计算。负数出现后,算筹分为红和两种,红筹表示正数,黑筹表示负数。这种运算工具和运算方法是当时世界上独一无二的。后来我国劳动人民创造了算盘作为运算工具。早在公元15世纪,算盘已经在我国广泛使用,后来流传到日本、朝鲜等国。它的特点是结构简单,使用方便,特别实用,它计算数目较大的和数目较多的加减法,更为简便。算盘已经基本具备了现代计算器的主要结构特征。例如,拨动算珠,也就是向算盘输入数据,这时算盘起着“储存器”的作用;运算时,珠算口诀起着“运算指令”的作用,而算盘则起着“运算器”的作用。当然,算珠毕竟要靠人的手来拨动,而且也根本谈不上“自动运算”。

除中国外,其它中古的国家亦有各式各样的计算工具发明,例如罗马人的「算盘」,古希腊人的「算板」,印度人的「沙盘」,及英国人的「刻齿本片」等。这些计算工具的原理基本上是相同的,同样是透过某种具体的物体来代表数,并利用对物件的机械操作来进行运算。

比例规:伽利略发明了「比例规」,它的外形像圆规,两脚上各有刻度,可任意开合,是利用比例的原理进行乘除比例等计算的工具。

纳皮尔筹:15世纪后,「格子算法」通行于中亚细亚及欧洲,纳皮尔筹便是根据了「格子算法」的原理,但与格子算法不同的是它把格子和数字刻在「筹」﹝长条竹片或木片﹞上,这便可根据需要拼凑起来计算。

计算尺:在1614年,对数被发明以后,乘除运算可以化为加减运算,对数计算尺便是依据这一特点来设计。1620年,E‧冈特最先利用对数计算尺来计算乘除。1632年,奥特雷德发明了有滑尺的计算尺,并制成了圆形计算尺。1652年,R‧比萨克制成了有固定尺身和滑尺的计算尺。1850年,V‧曼南在计算尺上装上游标,因此而受到当时科学工作者,特别是工程技术人员所广泛采用。

机械计算机:机械式计算机是与计算尺同时出现的,是计算工具上的一大发明。席卡德﹝1623﹞是最早构思出机械式计算机,他在给天文学家J‧开普勒的信﹝1623,1624﹞上描述了他发明的四则计算机,但并没有成功制成。而能成功创制第一部能计算加减法的计算机是B‧帕斯卡﹝1642﹞,在1671年,G‧W‧莱布尼茨发明了一种能作四则运算的手摇计算机,是长1米的大盒子。自此以后,经过人们在这方面多年的研究,特别是经过L‧H‧托马斯,W‧奥德内尔等人的改良后,出现了多种多样的手摇计算机,并风行全世界。于17世纪末,这种计算机传入了中国,并由中国人制造了12位数的手摇计算机,独创出一种算筹式手摇计算机。

电子计算机:一种能依照一定的「程序」自动控制的计算机。19世纪初,法国的J‧M‧雅卡尔发明了用穿孔卡片来控制的纺织机,1822年,英国的C‧巴贝奇便根据同一原理制成了一部能执行计算程序的差分机,并于1834年,设计了一部完全程序控制的分析机,可惜碍于当时的机械技术所限制而没有制成,但已包含了现代计算的基本思想和主要的组成部分了。

此后,由于电力技术有了很大的发展,电动式计算机便慢慢取代以人工为动力的计算机。在1880年,美国的H‧霍勒里斯与J‧S‧比林斯发明了电动穿孔卡片式计算机,能机械化地处理数据。后来他们更开创了第一家制造电子计算机的公司──国际商业机器公司﹝简称IBM﹞。

因此人类便一直想发明一种“神奇的机器”,这个重担自然而然地落在数学家身上。

世界上第一台能够自动运算的计算器,是1822年由英国数学家巴贝其发明的。是以蒸汽为动力代替人类进行具体运算。20实际上半叶,科学技术的迅速发展,更发明了不少电器型计算器,进一步为巴贝其的梦想实现提供了物质、技术基础。

1941年,德国的楚泽采用了继电器,制成了第一部通用程序控制计算机,实现了100多年前巴贝奇的理想。

1944年,美国的艾肯亦以同一方法制成了一台程序控制自动数字计算机。

20世纪初,电子管的出现,使计算机的改革有了新的发展,并由于二次大战的迫切的军事需要,美国宾夕法尼亚大学和有关单位在1946年制成了第一台电子计算机──「电子数字积分仪与计算机」﹝ENIAC﹞,由J‧W莫利和J‧P‧埃克特等主要设计,而J‧冯‧诺伊曼亦曾参与改进工作。ENIAC使用了18000个电子管,占地170平方米,功率150千瓦。在ENIAC产生之前,英国的A‧M图灵已提出了「理想计算机」的理论,并探讨了制造通用数字计算机的可能性。1943年实际上制造出破译密码的计算机,但由于军事保密,外人未知其详。

20世纪以来,电子技术与数学得到充分的发展,电子技术的改进,为计算机提供了物质上的基础,而数学的发展对设计及研制新型的计算机有很大的帮助。

电子计算机﹝又称电脑﹞在40多年得到高速的发展,其使用的元件亦已经历了四代的变化。包括第一代的电子管、第二代的晶体管、第三代的集成电路、及第四代的大规模集成电路。1983年底,中国制造了亿次「银河」计算机,这标志着中国已进入研制巨型机的行列。

现在,电子计算机的功能已不止是一种计算工具,它已渗入了人类的活动领域,并改变着整个社会的面貌,使人类社会迈入一个新的阶段。

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