巴贝奇的故事：人工智能与计算机教学研究成果

2023-11-15 理论教育版权反馈

【摘要】：1822年，巴贝奇完成了一台利用多项式数值差分规律进行计算的“差分机”模型。此时，巴贝奇的思想已经转向下一个更加激动人心的目标。大约在1834年，巴贝奇完成了分析机的设计。差分机制造半途而废以后，英国政府撤销了对巴贝奇发明活动的财政支持，巴贝奇只能用自己的家产支持工作。值得一提的是，在巴贝奇为数不多的知音中，有一位英国著名诗人拜伦的女儿艾达。当时巴贝奇称之为“堆栈”或“仓库”；运算装置。

在计算机早期的发明史上，最重要的贡献是由英国的巴贝奇（Charles Babbage）做出的。

1801年，巴贝奇进入剑桥大学学习。剑桥大学是英国最古老、最负盛名的高等学府之一，近代科学的巨人牛顿曾经是这所大学的学生和数学系教授。17世纪末期，牛顿和莱布尼茨各自独立地发明了微积分，形式上各有特点，牛顿把自己的发明称为“流数术”。1716年和1727年，莱布尼茨和牛顿先后去世，但英国数学界却为微积分的发明权问题展开了激烈的争论。英国数学教育界把牛顿奉为神圣的偶像，偏执地拒绝了解欧洲大陆数学的新进展，也拒绝对牛顿的流数术做任何改进，这就使英国的数学在牛顿逝世后的近百年间落在欧洲大陆的后面。年轻的剑桥大学学生巴贝奇勇敢地举起了革新旗帜，向弥漫在校园里的那种封闭、保守的传统提出了挑战。1812年，20岁的卡尔·巴贝奇团结一批年轻的大学生，成立了旨在介绍欧洲大陆数学成就的学术团体——“分析学会”，巴贝奇是学会的主要领导者之一。

巴贝奇的革新精神尤其表现在他不惜倾家荡产而为之苦苦奋斗的计算机发明活动中。在剑桥求学期间，巴贝奇发现由人工计算出来的航海表有许多错误，便萌生了制造一台自动计算制表机的强烈愿望。但他没有简单地在帕斯卡、莱布尼茨等前人走过的发明路上接力，而是另辟蹊径，选择了一个新的起点。当时，法国人刚刚高效率地完成了几乎所有数学用表的重新计算工作，并不是因为他们有先进的计算机，而是因为他们将大量的计算人员重新进行了巧妙的组合。法国人把全部人员分成3组，第一组由5—6名数学家组成，负责提出公式第二组由10来名专业人员按公式算出为数不多的关键数据，并编制出简明的演算格式；三组100多人，他们只需将第二组算出的关键数据作为初始数据，按演算格式一步一步地进行简单而重复的四则运算。这种流水线式的作业，实际上是一个程序控制计算机的人力模型。1822年，巴贝奇完成了一台利用多项式数值差分规律进行计算的“差分机”模型。

差分机适用于编制天文和航海表，英国政府决定出资制造一台大一些的。但巴贝奇活跃的思想集中于追求更加完美的发明，因此在制造过程中不断地修改自己的设计方案，制造厂家也遇到不少技术上的困难。10年过去了，英国政府提供了17000英镑，巴贝奇自己也花费了13000英镑，制造工作却搁浅了。此时，巴贝奇的思想已经转向下一个更加激动人心的目标。

大约在1834年，巴贝奇完成了分析机的设计。这台分析机主要有三个部分：一是寄存数据的装置，他称之为“堆栈”；二是从“堆栈”取出数据进行各种运算的装置，称为“工场”；三是控制操作顺序、选择所需数据和输出结果的装置。巴贝奇在经济管理的理论和实践方面也有独特的造诣和建树，因此历史上还以经济管理学的先驱者著称。他到巴黎做经济考察时，从使用穿孔卡片控制操作的提花机受到启发而设计出分析帆的控制装置。他说，他利用了这种美妙的发明，借助类似的方法对他的计算机下达命令，让它计算任一复杂的公式。(www.chuimin.cn)

巴贝奇分析机的设计，实际上已经包含了现代通用数字计算机的主要思想。他为了专心致力于分析机的研制，不惜1893年辞去他担任了11年的剑桥大学卢卡斯数学讲座教授的职位，这是一个曾经由牛顿的老师巴鲁和牛顿本人担任过而令多少数学家羡慕的光荣职位。差分机制造半途而废以后，英国政府撤销了对巴贝奇发明活动的财政支持，巴贝奇只能用自己的家产支持工作。

值得一提的是，在巴贝奇为数不多的知音中，有一位英国著名诗人拜伦的女儿艾达。1843年，艾达发表了《关于巴贝奇先生发明的分析机简讯》，其中包括了她为分析机编制的几种函数的计算程序。这使她成为历史上最早的一位计算机软件设计师。1978年，一种新型计算机高级语言被命名为“Ada语言”，以纪念这位先驱者的功绩。

巴贝奇分析机的设计是一项“超越时代”的发明，当时既无法在技术上实现，社会对这种先进的计算机也无迫切需求。巴贝奇为制成这台分析机，花费了近40年的时间和他的大部分财产，在他1871年去世时，留下了约30种不同的设计方案、几万个零件的200多张图纸和大量的工作笔记，被锁进了历史博物馆。

差不多过了七八十年，当20世纪的发明家们从头开始探索现代数字计算机的设计思想时，才重新发现了巴贝奇精神遗产的熠熠光辉。人们惊奇地发现，巴贝奇机的设计竟包括了现代电脑的程序设计和逻辑结构的主要思想。例如，存储装置。当时巴贝奇称之为“堆栈”或“仓库”；运算装置。巴贝奇称之为“工厂”“作坊”“机器”，用齿轮间的啮合、脱离、旋转、平移等进行数字运算；控制装置，巴贝奇用穿孔卡片按制计算顺序，选择所需处理数据、输出结果，相当于现代电子计算机的控制器、输入设备、输出设备的综合功能。

巴贝奇的故事：人工智能与计算机教学研究成果

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