計算機概論16講

《計算機概論十六講》是一本敘事體的教科書，作者以每講八頁的篇幅，講述電子計算機（電腦）的核心基礎知識，行文依循歷史的脈絡，連結日常生活的經驗，強調突破性創意的關鍵所在，並兼顧知識內容的認識與理解。這本書搭配一組教學網頁，操作方面的指引與練習，以及關於計算機本體的舉例，都放在線上數位教材裡。

作者
單維彰 1962年生於台北市
 
學歷：
 
中原大學數學系學士
 
美國賓州州立大學數學系博士
 
經歷：
 
中央大學師資培育中心與數學系合聘副教授
 
兼數學計算實驗室指導老師
 
兼登山社指導老師
 
兼語言中心主任
 
兼教育部高教司桃竹苗區域教學資源中心主任
 
國家教育研究院102年高中數學課程綱要微調召集人
 
專長：
 
數值分析、計算數學、數學通識教育、中等學校數學教育

前言
每一本書有它的使命。這本書所企圖的使命包括
 
（1）嘗試一種以紙本與電子媒體互相配合的出版模式，
 
（2）摸索一套適合大學程度的計算機概論教材內容，
 
（3）對於環保課題的省思與實踐。
 
在以下三節，我們詳述這三項使命的背景與目的。隨後，我們介紹本書的編輯特色，並感謝對於促成此書有直接貢獻的人們。
 
●出版模式
 
這本書以紙本形式出版，並輔以電子媒體的補充或配合材料。
 
所謂紙本，就是您現在看到的這本書。大體上，它與一般的出版品並無區別，只是相對於一般電腦書籍而言，它顯然相當地薄。但是，我們是一本很厚的薄書。因為，其實這本書的內容不僅於此，它有更多的文字、圖片、影音，將以電子媒體呈現給讀者。所謂電子媒體，就是這本書的主題：電子計算機，它能夠以電子形式製造、儲存、處理、傳遞和呈現資訊。而這本書（包括紙本和電子）的目標就是請讀者徹底瞭解，這些資訊是如何被電子計算機製造、儲存、處理、傳遞和呈現的。在這本書裡，我們也將解釋這本書本身是如何利用電子計算機製造的。
 
為什麼要採取電子媒體？因為這本書要談的就是關於電子媒體，有許多範例本來就不適合在平面紙張上呈現。再者，有許多課題，並非普遍而基礎的知識，只適合被某些特定的讀者當作參考材料；我們不希望拿這些特殊材料來增加所有讀者的負擔。第三，有某些課題經常需要修改或更新，而我們希望已經印好的書籍，能夠保存得越久越好。
 
既然如此，那又何必出版紙本書籍？因為書籍容易閱讀、容易攜帶，甚至還比較容易查詢（越薄越容易）。此外，我相信由於兩千年來的陪伴，人類對於紙張書籍的情愫，一時難以割捨。
 
至於電子媒體的傳遞，我們相信網路才是正途。所以，這本書的電子部分並不以磁碟或光碟的形式販售，而是公開在網路上。所謂公開，並不代表免費。事實上我並不相信世界上應該有「免費」的東西。除非你不需要或那東西根本不值得。我們若不是付出金錢代價，就要付出其他代價，例如勞力、時間或知識來換取。所有類似 Free Software 和 Free Information 的標語，都應當以 Free Speech 的 free 來解釋，而不是 Free Lunch！
 
製作這本書的種子資源，由中央大學慷慨提供。但是隨後，這本書必須自己養活它自己。如果有足夠多的讀者來共同貢獻後續的維護、更新、發展工作，特別是電子媒體部分，這本書將是一本會成長的書。
 
●教材規劃
 
我們想要摸索一套適合大學程度的計算機概論教材，但是究竟什麼是『適合大學程度的計概教材』呢？我想大家都還在摸索。這門課不像微積分和普通物理，有百年歷史可循。更何況，這門課的學習標的：電子計算機與其軟體，本身都還在日以繼夜地蛻變；這門課的涵蓋範疇：從數字計算到文字處理到影音呈現到今天成為全民媒體，無時不以新的面貌擴充到新的領域；這門課的學習主體：經過十二年基礎教育的大一學生，每年所帶進來的先備知識都有顯著的差異。雖然如此，我們仍然企圖根據自己的認知編撰一套大學計概教材。
 
就知識的深度和智能的挑戰而言，我們應當以微積分和普通物理為參考楷模。我們尚未能明確指出，如何從這些傳統學科中尋找適當的計概教材，只能說是一個模糊的目標。
 
相對於傳統學科而言，計算機是一個在日常生活中容易（甚至必須）接觸到的工具。而且，某些專業學科將計算機列為先備知識之一。由於這些原因，計概課程不能忽略其服務性與實用性。但是對學生而言，過分專注於實用與操作訓練，並不公平。畢竟，在計算機學門中，也有一些可以傳遞給大一學生的普遍性和抽象性基礎知識。這些知識，或許可以像語文和數學一樣，成為一個人終身受用的智能工具與文化財產。而我相信，傳遞這種知識，是大學教育不分專業學科的共同目標之一。
 
參照教育學者的建議，我們將教材粗分為三個面向：知識、文化、技能。根據前面的闡述，我們選擇具有普遍性而較為抽象的知識，組成這本書的紙本部分。談到文化，基本上就是加入人物和歷史事件的記載。除此之外，我們特別留意在講故事的時候，提醒讀者創意的形成。當我們擁有歷史下游所具備的後見之明，許多當年的關鍵性創意在今天被視為理所當然。趁著計算機的歷史尚不甚遠，我們可以利用某些案例回味這些創造的歷程，進而希望鼓勵讀者發揮他們的創意。
 
至於技能，事實上越來越多在過去被納入大一計概課程的基本操作訓練，如今已經被納入國民教育或後期中等教育的計算機課程。我們歡迎這種趨勢的繼續發展，它使得大學計概課程得以投注更多的注意力在知識和文化內容。由於計算機軟硬體的千變萬化，我們將所有的技能部分放入電子媒體，以期能比較有效率地更新和傳遞。
 
在一個學期的教學時間裡，很難涵蓋這份教材的全部。作者本身的標準教學安排，是在一學年的 3 學分課程裡，於第一學期涵蓋 0-9 講，第二學期涵蓋 A-F 講。教師們可酌情減少或加重 Unix 作業系統之文字操作介面；並將 LaTeX 數學排版和 HTML 註解語言這兩項比較特殊的工具，改成較為常用的文書排版工具。事實上，作者認為高中的計算機基礎課程，可採用本書的 0-4 講，而 4-9 講則大約適合大學的一門 2 學分課程。有些教師搭配其專業課程（例如資料庫、數值分析、統計計算、數學軟體等），挑選 A、B、C、D 之中的一或二講，
 
作為其課程主題的前置導引。
 
●環保意識
 
在廿一世紀，人類最重要的公民意識之一，想必將是環保意識。有一個狀況，可能已經受到普遍的重視：文明社會中的紙張浪費。譬如，許多人已經注意到，所謂的辦公室自動化並沒有實現無紙辦公室的宣言，反而因為器材的失誤或人性的散漫而造成許多倍的紙張消耗。我另外注意到一件事：就是隨著個人電腦市場的快速變遷，搭便車而來的電腦操作書籍市場也繁榮起來。這些書動輒三、四百頁，翻開來總是看到許多視窗畫面，每張畫面大約就佔去半頁篇幅，而其排版方式可能為了避免費瑪當年因為書眉不夠寫下絕妙證明的悲劇重演，所以留下大幅空白。
 
原本人類伐木造紙，是為了文化的傳承。在這個近乎神聖的宗旨之下，沒有人過問印刷業的用紙問題。但是，我們都非常明白，如今在書店中堆放著一本又一本厚厚的電腦操作書籍，它們的實際存活時間不過是一年左右。一年以後，它將隨著所書寫的目標商品而一併更新、或一併成為歷史的塵埃。當我站在這些書的面前，想像它們原本是一棵又一棵的綠樹，每每傷心得不能停留。身為資訊相關的工作者和愛好者，我自己也曾經參與這伐木的工業。因此我希望藉著這本書表達我的愧疚，並且省思一個新的做法。
 
電腦操作書籍並非不必要。它能銷售就代表社會有需求。而我們的想法是讓電腦本身來教人如何操作電腦。這就是我們設計電子教材的目的。在網路上已經有許多這方面工作的先驅，包括國內的網友或企業在內。向他們致敬的最佳方式，就是在我們的電子教材中（合法地）引用他們的成果。
 
我不是說平面出版有什麼錯。沒有書籍的出版業，就沒有我們今天的文化。我想說的是，請把每一本書視為一棵樹的生命延續。那麼，一本書持續為我們服務得越久，那棵樹的壽命也就越長。
 
這本書從兩方面來回應對環保的省思。一方面因為電子媒體的配合，這本書的本文部分僅有 128 頁。這是消極地節省紙張。另方面企圖只選擇具有長期參考價值的內容，以及詳細的索引資料，以期能夠積極地延長這本書的使用年齡。我不認為它能像微積分或普物課本那樣長壽，畢竟計算機還是個新的領域，即使是基層知識也有快速變遷的可能。但是我們盡力而為。
 
●排版方式與導讀
 
這本書的內容主體部分，共有十六講，每講八頁；因為每講已經很短了，所以雖然有節次但並不另外編號。在這十六講中，我們以十六進制數字 0-F 表示講次，以二進制的圖標來表現頁碼：□ 代表 0，■ 代表 1。每一講都從 0 號頁開始、7 號頁結束，在書眉左、右上角的頁碼以三個二進位制圖標來表現。但是在書的本文以外，例如您現在讀的「前言」，以及書後的索引等，都以羅馬數字書寫頁碼。
 
我們保持了出版業的一項排版傳統：奇數頁在右側，偶數頁在左側。因此我們也就必須違背另一項排版傳統：每一章應該由右側開始。由於這本書的每一章是由偶數頁開始，所以必須出現在左側。
 
在每一頁的外側邊緣，有時會出現一個箭頭符號，和下面的一串數字。例如現在看旁邊寫著 1.01。這是代表我們另外準備了一張網頁來補充跟這幾行紙本文字相關的內容。承上例，它的網址如下，您可以現在就試試看。
 
http://bcc16.ncu.edu.tw/pool/1.01
 
此外，書本中的每一講都會對應一張網頁，作為這一講的媒體教材。相關的擴編教材和評量工具也會放在裡面。讀者請先以網友身分註冊，再依附錄中的說明，將身分改為讀者、學生或教師。這本書的電子教材首頁是
 
http://bcc16.ncu.edu.tw
 
這本書的製作是以大學的計概課程為假想對象。我們假設紙本內容是老師的上課教本，而電子媒體則可以成為老師在課堂上的選擇性輔助教材、實習或操作時段的教材、課後指定教材、或同學自修的讀物。原則上，每一講的紙本內容提供兩小時的授課材料，但是媒體教材就提供了彈性非常大的可能性。技術需求較多的理工學院課程，自然應該涵蓋較多的操作技能，而文史社會專業方面的學生，則可以專注於知識的理解。
 
雖然我們假設的學習模型是由教師輔導學習這本書的內容，但是我相信，任何具備足夠興趣和動機的人，都可以自修完成。說這句話並不（只是）為了提高這本書的銷售率，而是我們相信，這一批細心設計的電子媒體輔助教材，提供了相當豐富的學習資源來支持自修者。
 
●製作群
 
我們的第一代製作群在西元 1999 年 9 月 17 日正式成立，寫作與版面設計的工作也隨即開始。當時的主要成員是陳韋辰、徐家珍和張智韶。他們分別是中央大學數學系 83、84 和 86 級的同學。除了負責美工設計和電子媒體教材的製作之外，他們也是我的諮詢對象。
 
智韶為線上教材多投入了兩年的時間，從最基礎的主機規劃與網站架設開始做起。線上教材所使用的 Php 程式，有 70% 由他獨力完成，而其餘的 30% 則幾乎全是顧正偉的創作。正偉屬於第二代製作群，這一群年輕人當中的主要幫手還有李易霖、詹博欽、林勁伍、卓昇勳、陳柏成、張鈞威和徐佳萍，他們大部分是數學系 88 級的同學。其中易霖和昇勳是主要的 Java 寫手，而博欽繼家珍之後成為 BCC16 的頭號美工。
 
當這份教材於 2004 年 8 月進入 Beta 版，第三代製作群也逐漸浮現。技術班底以周恩冉領銜，姜志遠等四位同學組成了影音輔助教材的開發團隊。
 
●鳴謝
 
首先要感謝以上所述的製作群。因為這一批優秀的同伴，使我有機會實現所有實驗性的夢想。而這批同伴全是拜中央大學之所賜，她除了提供了製作這套教材的人才、環境和器具，更提供了起始經費。這筆經費來自於劉校長兆漢院士針對校內同事所發起的【創新教學計畫】，並由李教務長冠卿教授實際施行。這本書有幸成為第一批獲得此計畫補助的作品。除了這些實質的幫助，中央大學的同仁們對我的容忍、諒解和支持，以及他們源源不絕的創意、洞見與批評，都是促成這本書的重要資源。我要特別提起李宗元、黃華民、林文淇和葉則亮四位教授，他們給了這份教材最直接的靈感和刺激。
 
對於試教的班級，我一方面要感謝他們的合作或犧牲，另方面也要請他們原諒我當時因為思慮不熟或者準備不周所造成的損失。曾經被施以 Alpha 版實驗教材的班級，包括 1999 年秋季到 2003 年春季之間，在中央大學數學系、英文系與臺灣大學數學系開設的計算機概論課程。感謝蕭家璋教授從 Alpha 版開始就陪我一起試教，他的誠摯友情陪著我一路走來。還要感謝台大數學系當時的陳主任宜良教授對我的信任。
 
這本書獻給中央大學數學系的一位前輩：華洋教授。在我動筆之前十九年，他到建中對三年級學生宣傳中大數學系的『數學＋電腦』教學理念，還發給大家一本小冊子。這個事件引發我一連串的思考與動機。我原本不確定自己想要做什麼，後來竟然在聯考的志願單上幾乎只填了數學系。雖然當時沒有考進中大，但是十七歲時種下的因卻在冥冥之中導引了後來的道路。
 
最後，要特別感謝中央大學數學系的陳弘毅教授。這整本書，除了少數的圖片以外，所有的排版與設計 （包括書眉上的頁碼在內），完全是由陳教授的中文xTeX 排版系統製作出來的。因為這套 xTeX 系統，使得中文的科技專業寫作成為一件賞心悅目的樂事，而我也將在第 7 講與讀者分享這種喜悅。
 
單維彰
 
國立中央大學數學系與師資培育中心
 
民國百零四年七月於臺灣中壢

0 數、計算與文明．對位記數系統．計算法與計算輔助工具
 
　圓周率．自動機械計算機．微積分．可變程式的機械計算機
 
　可儲存程式的電子計算機．十進制、二進制與其他
 
1 鍵盤擺設．功能鍵與修正鍵．觸打．掃描碼
 
　監視器．指標器．圖形操作介面．桌面．工作傷害
 
2 位元排列．字集、字型與內碼．ASCII．交換碼
 
　萬碼奔騰．Big-5．中文輸入．漢語拼音
 
3 網際網路．TCP/IP協定．IP地址．網域與主機名稱
 
　DNS伺服器．電子郵件．帳戶、認證與授權
 
　智慧財產權與開放軟體
 
4 記憶體．磁碟機．開機程序．檔案系統．檔案與磁碟管理
 
　檔案類型與關聯．URL與WWW．檔案傳輸與分享
 
5 多工作業系統．多人共用的檔案系統．文字操作介面．遠程簽入
 
　通行碼與網路安全．網路的四層架構．網路號碼與子網路
 
6 純文字檔案．檔案傳輸模式．編碼與解碼．加密與解密
 
　編輯器．純文字文件編輯要點．UNIX文字工具與資料流
 
7 WYSIWYG vs Markup．Microsoft Word & PowerPoint
 
　字型與排版．原始碼的解讀與編譯．PostScript & PDF
 
　HTML．LATEX
 
8 點陣字型．色彩原理．彩色數位圖像．圖像檔案
 
　製圖軟體．輸出裝置
 
9 類比與數位訊號．取樣頻率與解析度．CD音質的數位音訊
 
　音訊檔案．資料壓縮．描述型圖像與音訊
 
　數位視訊．光學載體
 
A 資料庫表格．表格與欄位屬性．SQL語言
 
　關聯性．接合．應用程式介面
 
B 關於軟硬體的名稱．陣列計算．統計計算
 
　變數與指派．符號計算．硬體與軟體計算．核心與組件
 
C 機器碼與程式語言．低階與高階程式語言
 
　巨集．腳本．流程控制．函式．程式設計
 
D 無號整數．整數．二進制小數與科學記數法．浮點數
 
　浮點數計算．整數計算．資料型態
 
E 周邊設備．主機板．主記憶體．中央處理器
 
　機器碼．BCC16VM
 
F 電源供應器．電晶體與數位電路．邏輯閘
 
　布爾代數