互动科普

最初的计算机是很笨重的机器，由一群技术精英为之服务；后来发展成为听从个人的台式设备。下一代计算机将主动与用户协作。

1970年上映过一部电影“巨人：Forbin计划”，里面有一台计算机从挖空的山洞里统治着世界，洞里的机柜上有不少闪亮的灯和旋转的磁带驱动器，这些都是由一大帮的白领程序员照看着。

1977年到1982年间，随着个人计算机进入家庭和办公室，这种陈旧模式改变了。电影立即反映了新的现实，例如在1987年的影片“华尔街”里描绘了一个体积缩小的台式大小的机器，灯和磁带已由阴极射线管、键盘和鼠标器（一种控制屏幕指针的滚动器）取代。俨然象传教士般的程序员也消失了，代之以单个用户（本片中是投资银行家），计算机成了人的工具，它再也没有那种神圣的感召力了。

90年代的电影将要描述的机器更加不惹人注意，就象钟变为手表那样：荧光屏又薄又平，麦克风或电子笔取代了键盘，无线电发射机取代了电缆包着的调制解调器。更重要的是，机器与用户的关系发生了变化：除了作为实现人机交互的装置以外，它们从孤立的效率工具变成一个在信息获取、应用和创新方面的主动协作机。当然，这些预言以及下面我还要说的只是我个人的意见，但大部分为计算机界所广泛接受。

例如，人们普遍认为，与用户合作的计算机将发挥越来越积极的作用。协作机并不同于一种特殊的装置，它可以是掌上型计算机、主机柜数据库、或者台式机等等。用户从办公室出来驱车去参加会议时可给电子协作机提出下列任务：

●我曾在2月份哪一天录过与Sam的电话交谈？

●为我预约一家在我回家路上且晚上6点以后仍营业的轮胎商店。

●把这份草稿分发给其他组员，他们看完后就告诉我一声。

●一有富勒苯（fullerene）分子方面的论文发表，立即为我的藏书室订一份。

程序员将赋予这些电子协作机某些推理能力，让它们看上去很有智力。协作机查询数据库，一旦受阻，它们会要求用户给予指导。它们的一举一动很象人类助手，尽管它们缺乏知觉、缺乏即兴工作的能力。然而，它们会识别用户工作中的经常性模式，检查进来的信息，记住不可逾越的界限。有这些信息武装的协作机常常在用户表达他们的需求前、甚至在他们意识到这些需求前就会预测出来。移动式计算机在用户用早餐时会提醒他：

●你问起上次与Sam电话交谈的时间，那是在2月27日，要我把电话录音放出来吗？

●你上星期写了张纸条说你的车胎瘪了，我可以订在今晚去修理。

●Lazlo把你交给他们的四份草稿一篇投看就扔到一边了。

●你提到有关富勒苯分子的研究论文，我还要订有关其它有机微簇群的论文吗?

尽管在这里命令和答复均是打印的英文句子，但其它形式也是可能的：可以是手写体或者声音，语法规范、一目了然或者不太讲究语法、比较隐晦，以其他人类语言或者使用一种刻板的计算机语言（如SQL——数据库查询语言）。还可以在选择项上作记号、填表或者简明扼要地答复协作机提出的一系列问题。

计算机的作用所经历的变化象波涛一样一浪高过一浪：从与世隔绝的神器到个人操作，再到配合默契的助手。这可用马萨诸塞工学院哲学家Thomas S. Kuhn提出的规范转移来比拟。Kuhn用规范这一术语描述科学思想的革命。大量技术的持续进步以及市场的成熟产生了若干种计算规范。似乎每隔十年出现一种规范。

最初的计算规范是在40年代末发明的。当时人们设计出用于工程计算的可编程计算器，它在50年代进入市场。第一次规范转移发生于60年代，那时不少企业采用计算机处理数据；到70年代，许多用户共享计算机服务，这是第二次转移；第三次出现在80年代：计算机转化为个人用台式效率工具；第四次目前仍在进行，其迹象是不断网络化的膝上型装置和电子袖珍日历——我称之为类计算机的移动式机器。类计算机很有价值，既能在用户离开时发挥有限的功能，又可带用户进入电子承载的信息世界。

规范的每次转移从根本上改变了人们对计算机的看法。例如在60年代，计算运算费用还很昂贵。可以说，一切安排要根据计算机是否方便。必须大批量处理数据才使计算技术的采用划得来，而只有非常大的组织才能够有这么大的批量，例如大公司会运行一个工资单程序来处理本星期工作时间记录卡片，然后立即给计算机装上另一“作业”——一个附带数据的程序。任务的编码制成穿孔卡片或存在磁带里。运行结果作为“列表”打印在折叠的穿孔纸上。程序或数据一出现错误，计算机便停机，把有错的任务返回给用户纠正，这种工作会好几小时，甚至好几天反复不断，使人伤透脑筋。

70年代，分时系统的实现使得许多用户可以共同分担计算机的费用，因而更多的人用得起数据处理。为了实现分时，人们改进了操作系统（它协调计算机的内部活动），把机器处理分解成若干“任务”，比如与一指定用户终端对话等。计算机可从一个任务跳到另一个任务，其时间间隔从不足十分之一秒到1秒多钟，根据此时的工作负荷而定。因为可通过一个终端使用计算机，并可实时查询，因此它们更便于使用。也就是说，现在可以提出问题、并以该问题的答案为框架去构造下一个问题，由此实现问题求解。

个人计算机开始提供的服务类似于分时系统，但使用更加方便。微处理机的成就使得厂家可把一台计算机安装在一块芯片上，这样购买一台小型计算机比共享一台大型计算机要便宜些。既然用户不再依赖于费用昂贵的共享设备，他们可以随心所欲地求解以前必须预订机时的问题。文字处理与图表生成便成了日常事务。

结果，新一代用户可选择一系列功能不断增强的软件程序，如棋盘式分析表的应用及页面制版辅助程序等。个人用户由此而获得史无前例的处理能力从而强化了实际应用。查询也相当容易，原先由人担负的命令跟踪现在改由机器承担了，例如，菜单和调色板显示多种选择，只要扫描一遍，即可指出所需的选择项。

对第一次获得如此巨大计算能力的数百万用户来说，他们得到了丰厚的效益。他们不再为增加一个句子而重新打一整页，不再等待几个星期让别人为他们提供排版及版面设计服务，不再根据一、两个经过烦人计算而得到的金融预测来制订决策，也不必以单调乏味的形式提出一个激动人心的想法。起初，新的服务很象一百年前的打字机那样是一种奢侈品，但立即成为礼仪上必要的一环了。

有必要指出，旧的规范不一定完全消失。在这方面，计算的发展使人联想到生物体的演变：即使它们在一些地方被新的生命形式超越，它们常常仍可继续生存于某些小生境。例如，分时系统仍将主导那些需要处理大量交易的业务——金融，客户信贷分类及飞机订票等等。还可利用个人计算机开发出新的应用。用户可用调制解调器查询联机新闻，进行购物及金融服务等种种活动。

同样，与移动式计算机有关的硬件也不会完全取代台式计算机。与电池供电的计算机相比，连着墙上插座的计算机无疑有更大的功率。在桌旁工作的人能有机会使用较大机器的较大屏幕及更大的存储空间，而且在实物尺寸的键盘上输入会更快、更准确。固定式计算机另一个永恒的优点是能接受喂给它们的大量信息。电缆总比无线电波传送的数据要多，而且，替代电缆的光纤将把差距拉得更大。这一优势将在台式会议等有大量数据输入的视频技术应用中得到了体现。

每一计算机时代反映了那个时代的计算速度，能处理信息的种类，计算机连同的途径，网络开发的软件，以及人机交互的方式等。其中最基本的因素是速度。速度的提高主要通过小型化。

电子装置越小，信号通过它们的速度就越快，一定时间内进行的操作就增多，计算成本也随之下降。同时，较多的装置压缩在一块芯片上，这便于大批量生产，因而降低了生产的单价。低成本促进了销售，产生了巨大的额外经济效益。从用户角度看，体积缩小迅速增强产品的实用性，使用也更加方便。而且，完全有理由相信这个趋势仍在继续。

30年前，人们用几千只晶体管和电容器吃力地装配计算机。今天，工厂在已小把集成电路芯片上大规模生产计算机，每块芯片包含几百万个元件。而90年代的半导体工业不再把芯片封装成蜈蚣状平板插件，它将以两维、甚至三维方式生产多片模块，电路密度将增大。大量堆迭的芯片象一颗颗方糖块。

小型化还改善了计算机系统的其它组件。例如20年前的存储器比报纸还大，要以快速存取方式存储一百万文字符（大约相当于两本《科学美国人》），这就需要生日蛋糕那样大的磁盘组。到80年代，同样多的数据量则可存放在一张能放入衬衣口袋的软盘中；而在90年代，一个不大于信用卡的半导体装嚣就可存储这么多数据。

每出现一个新的规范，就可处理一种新数据。早期批处理系统仅仅处理数字和大写字母，分时系统增加了交互式文件和信息编辑，还常常支持向量图，这种图形学可在屏幕上画出直线。随着个人计算机的出现，我们有光栅图形：其光点点阵如同电视图象的象素。台式个人计算机早就能支持诸如声音、图象、动画和立体图形等媒体，而不久前这些还是昂贵的工作站所能处理的东西。下一代移动式计算机将着重于传真和语音，这两种媒体对离开办公室的人来说特别有用。

随着新一代规范扩充了应用中的计算机台数，网络显得极其重要。当批处理寥寥无几时，人们没有必要把它们协调起来工作。然而，分时系统若无网络简直难以想象：专用或拨号线路必须将无数个终端连结到主机上，主机或者是联合大型机，或者是分部小型机。下一步就是建立更大的网络（例如银行的许多支行之间）以实现电子数据交换。分时系统的用户共享集中放置的大存储设备以及与主机相连的高速打印机。如想知道其他用户下次从他们的终端进入系统的时间，只需向他们发送电子邮件。早期的终端是“哑巴”，它们仅仅作为数据连结线。后来的终端融合了小型计算机功能，这是个人计算机的先驱。

在台式计算机时代，计算机网络有了新形式。局部区域网络把个人计算机相互连接起来，并把它们连接到共享机上——通用计算机称为主机，专用计算机称为服务机。它们提供公用文件，高质量打印，以及机构范围内的电子邮件。广域网络把企业内各部门互连起来，把大型机与文件服务机连到台式计算机上随着移动式计算机的发展，无线连接将激增，直到信息网络遍布四面八方。

随着移动式计算机开始出没于公文包、钱包及衣袋，软件应用也将发生变化。今天的便携式计算机主要保持了菜单式交互方式。然而下一个十年内将出现几种补充方式，例如。早已有转录软件，便携机据此把手写体文字显示为印刷体，把潦草的手描图形改为精翻图形。相关的软件识别出代表—个完整命令或思想的手写符号。服从于口头命令的语音识别软件随着技术的完善而获得越来越广泛的应用。

大多数便携式计算机能运行为大型机编写的软件，但现在正为远离办公室的人设计各类应用程序包。用户此时可以作记录，拟草图，值没有时间构思、编辑他们的简短笔记。他们还要与其他用户及同事交流信息，与家庭办公室联系，安排他们的会晤，计划如何到达会晤地点。

执行这些功能的掌上型计算机构成了首批成熟的类计算机（pericomputer）。它们目前还不能作太多的计算。但足以在全功能计算机去不了的地方大显神通。例如，我们可以在台式计算机上制订一天的计划安排，把它传给类计算机以备快速参考。当场记下的话可用于台式机编辑，袖珍日程表与小组日程表可配合得相碍益彰。这些简单的应用将形成较大的用户基础，足以证明有理由编写较多种类的专用软件。新软件将会扩大市场。

的确，在计算机规范的所有因素中，软件的变化最大。它的编制将首次既注意群体又照顾到个人，这变化反映了网络在扩大。从而导致用户与工作贴得更紧，用户之间的联系也大为加强。有时我们简直不敢想象，直到70年代后朔，计算机还由技术专家操纵，他们是本行业中训练有素的厨师：用户送上订单，坐等享用。个人计算机的出现使得所有背景的人都用上了计算机。这如同家庭烹饪需要花很大气力，还不能达到商业标准，但结果至步由他们掌握。

再过五、六年，通过网络进行合作就跟在普通厨房里等朋友们一起准备假日宴会那样自然。支持群体活动的软件称为“群件”，合作本身也名之曰“计算机支持的合作工作（CSCW）。CSCW可在同一地上也可以跨地点进行，可在同一时间也可在不同时刻进行：会议室中举行的会议，在相距较远的地方举行的电视会议，一个让不同班次的工人们一起合作的电子告示栏，或者一个作者与编者交换手稿的电子邮政系统。

当某组织部分成员的日程表存入网络服务机时，诸如马萨诸塞州剑桥0N技术公司设计的群件产品“会议老板”能自动找适合全体成员的开会时间。召集人选定一个时间、一个会议室，输进会议内容，并分发给与会者。该软件会邀请有关人员，问他们是否打算出席会议，并给他们机会发言。会议召集人极为容易地重新安排会议：他只是用手控鼠标器或电子输入笔把开会的图形表达从日程表一处移动另一处，然后该系统把变动情况通知将要出席会议的人。

正当“会议老板”提高了某群体的工作效率时，新的群件取得了长足发展：支持抽象的合作研究。例如，世界各地的工程师们将能够在起设计，仿佛站在同一块黑板前。联网的计算机能模拟许多现有的协作工具，且能克服它们的某些局限。一台计算机可精确记录一则对话供事后重新组织、编辑和分发。它以三维或更高维数的方式使模型的设计，观察，修改及介绍等化难为易。它通过电子邮政传递手稿，这样每个参与者可立即着手编辑，修改。它可跟踪谁修改了什么，会自动把不冲突的修改合在一起。

如果诸葛会的每个出席者都带着自己的计算机，并且所有计算机联成网时，能捕捉到各种意见并显示在大家都能看到的空间中。如在他们各自的计算机或墙上投影区。施乐公司Palo Alto研究中心及其它CSCW研究中心的经验证明，由于没有关于意见提出人身分的先入之见，人们会极大重视屏幕上出现的意见。另一个优点是与会者不需要轮到自己时才发言，甚至也不必大声说（参阅本期Lee Sproull和sara Kiesler所著《计算机，网络和工作》一文）。

当用户通过无线网络能随心所欲地使用群件时，其作用也就越发重要。这种自由自在的使用方式是至美重要的：人们想在任何一间房间里即时形成一个课题组，无论这里是否有网络插座；离开办公室的人最需要查看小组日程表。当这些成为现实时又出现了其它明确的需求。比如说，运动中的人或与会者不可能注视荧光屏，不能发出详细指令，然而，向一个有无穷耐心且听话的软件协作机发出简短的命令却很容易做到。

群体及其它网络软件的成败相当程度上取决于它能在几十分之一秒内答复用户查询。许多场合下，功能有限的产品只要工作速度快，仍可战胜精制的产品，尤其是用于实时指导人们决策的主动式服务，如软件协作机提供的服务。例如，一个欲想改变路线以避开交通堵塞的司机就不能长时间等待指示。

软件要迅速回答用户，仅这点还不够。它还必须容易获得。市场趋势早就提供了例证。个人台式计算系统因适合有较大市场吸引力的大众化应用而刺激了市场，结果，软件出版商现在能常规地通过零售或邮寄分发装在。“软”磁盘或衣袋大小的软盘片上的产品。当软件产品分发工作电子化时，用户可在几分钟内订购某产品并装入他们的计算机内。软件的非法复制将很难再有吸引力，因为许多人想节省的是时间而并非金钱。

电子软件分发也将促使卖方缩小软件包装体积，这样运送起来更方便。消费者将从各个单独购买的软件中组建自己的应用系统，类似于家庭音响系统的构成。这种“组合”软件的出现将改变过去十年中出现的应用软件更大、更昂贵、更难学的趋势。如去年的文字处理机含20个功能，今年一下子增加到40个功能，以后将不会这样，用户可以从目录中挑选自己所需的功能。需要新特征的人可立即得到它，并且某些情况下是自动完成的。Prodligy服务网络的用户们早就这样做了：他们的个人计算机在进入服务系统后立即收到新版软件。

为彻底实现所预言的遍布性网络，还有好几道障碍必须清除。有些障碍可能构成了严重的瓶颈。前几个规范在早期阶段中也有这样的问题。例如，个人计算系统的某些方面多年前就预言出，但由于技术原因，如单片微处理机和半导体DRAM（动态随机存取存储器）等，以及许多商业因素，直到1980年才实现了预测。为使移动式网络计算在90年代成为主流，必须发展一系列技术以改进速度、重量、体积、外观、成本及耗电量等。

类计算机绝对需要一种密集节能型视频屏幕。液晶显示器（LCD）是目前采用的标准屏幕，尽管它们在质量上刚刚可以与阴极射线管匹敌。由RCA实验室和威斯汀豪思实验室同时首倡的方案有希望解决这一问题。他们换上使光偏振的液晶元件，因而直接对准合适的滤色器。然而，彩色LCD及其荧光后光对便携式电池来说负荷过于沉重。直接从屏幕上发射光线的新技术可成为消耗较少电能的替代方法。一种特选的方案是把数千个显微负极装在一起，形成场发射显示器。

便携式计算机用于电子元件上的电能消耗极大地限制其功能的发挥，因此，需要最小能量的装置可引起最大兴趣。其中有根据互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制造的芯片，以非常低的电压工作的系统（例如用3.3伏代替标准的5伏），采用较少芯片，从而减少用于芯片间连接处电能损耗的电路；还有采用慢速系统时钟的计算机体系结构（时钟象军队指挥一样控制所有部件的运行节奏）。

有两种最有希望的计算机体系结构以迥然不同的方式从较少的能量中赢得较快的速度。其中一种称为RISC（简化指令系统计算机），它把较多的工作从硬件转移到软件。但目前的RISC体系由于设计目的是改善功能而不是缩小体积和降低能耗，故在移动式机器中的作用极为有限，只有英国剑桥的ARM有限公司的设计是例外。

另一种方法完全抛弃时钟，因而避免在时钟速度与能耗之间去权衡。这就是数据流体系，也称为异步体系，其原先设计目的是作为并行处理领域中的辅助手段。仅仅当必需的数据到来时，体系结构才开始调出一个处理步骤。但是，这种及时性计算带来了较大的复杂性，它倒象是指挥这样一个管弦乐队：乐师们不听从指挥，他们彼此之间指点。

如果在电源上做文章，我们不妨尝试改进电池。目前的电池有以下种种弱点：碱性电池只能用一次，镍-镉电池电量较低，铅蓄电池体积庞大。这些不足有时可以得到弥补，例如小型化改进了电容器，使它们从功率较低的电源中积聚能量，在最需要时释放出。还采用了软件，在每次充电前自动抽取镍-镉电池的剩余能量，从而避免存储能力的永久损耗（即所谓存储效应）。基于镍-金属氢化物和锂的新型电池以及光生伏打电池都大有希望，它们早已在计算器中采用了。遗憾的是，根据能量守恒原理，任何形式组合起来的太阳能电池都不能提供足以抵消强烈阳光的照亮后光。

手写体和语音的识别技术十分重要，它们使得移动式计算机更容易使用。易使用性必须时刻记在心上，否则人们仅仅根据系统分辨出的文字数量或者系统的误差率来评价该系统性能。人们高度评价手写体识别技术，认为它使那些不爱打字的人用上了计算机。其实，就是那些爱打字的人站着的时候或者手里拿着一台机器时也无法打字。日语中有大量键盘不易处理的书写符，因此在日本，这项技术被看成是一个重要的销售热点。

手写体识别所取得的经验将十分宝贵，因为它在某种程度上可移植到语音识别上。这两项技术在高级应用课题中都需要较详细的语法分析。根据分析，软件有较大可能识别单词和句子。这两项技术都面临同一个挑战，即如何不混淆某词词尾与下一词词首。最后，这两项技术必须是可训练的，这样系统中字符和声音的表达可适应用户的书写和发音习惯。

通用语音识别要求巨大的计算能力，而少量的硬件只能提供有限但很实用的计算能力。任何一台计算机上极难编写程序记录连续不断的口述而不混淆一词的词尾与下一词的词首。然而，即使在一台手提式计算机上也很容易编出识别“yes”和“no”的程序。大多数用户手里忙碌的时候仅仅需要发出几条命令。例如我们知道，邮件分拣员大声报出邮政编码就总比他们放下手头的活去填写表格更有成效，而这种应用系统只需识别10个字符：数字0-9就行。

识别系统分析电子输入笔的一个笔划或者人的一串颤音，得到一个特征集，把这些特征与计算机存储器中的样板比较，从而得以识别。也可以根据神经网络的分析得到特征集，之所以称为神经网络是因为它们模仿已知的大脑工作方式。计算机把神经元的数字表达连接到网络中，然后有选择地改变指定到网络每个结点上的加权值，再通过试错法“训练”系统识别各种符号。

电磁介质本身的能力是对无线类计算机的又一个挑战。为防止发射机淹没其它放射机，建筑物里的网络将把它们编组、放在房问大小的隔室里，较大的隔室需用无线电，而较小的隔室会选用红外线，因为它采用了不受联邦和国际机构节制的部分电磁频谱。

射频频谱的传送能力是有限的，这大约在十年前就有例证。那时风行一时的民用波段无线电（CB）因其自身负荷太重而坍塌：用户的声音淹没在噪音里。然而，一旦移动式计算机开始把成千字节的数据投射在空中，波段空问的嘈杂声就简直是小巫见大巫。即使采用了细胞式继电器系统，如现在的汽车电话系统，在今后若干年内，饱和问题也不会缓解。

细胞系统在任何情况下都将是必需的，因为移动式机器在移动时必须受到跟踪。如果两名合作的用户彼此超出范围，阿络将通过中间路径选择设备清晰地重建联系。即使如此，总有失去与移动式装置接触的时候。因此必须设计相应的软件来使受到影响的人较容易地恢复中断的通讯。

技术变化对人类所产生的影响其重要性不亚于技术变化本身。每一个新规范导致了使用者形成一套关于他们与计算机关系的思维方式。在批处理和分时系统时期，许多用户觉得自己从属于机器。台式计算机使他们获得独立，而移动式联网计算机将给他们以自由。

网络计算机将不仅对企业、同时也向社会提出挑战。普遍连通产生了安全与个人、企业保密性等诸多问题。它还提出了力量分配的问题。比如说，贫富差别可能要扩大，如果最新的计算机规范为受过良好教育的人创造了更多的机会的话，而那些受教育较差的人则机会更少。

考虑到社会平等及经济效益，教育全体人民，使他们有同等机会得益于即将产生的信息资源，这比以往任何时候更重要。只有网络对普通大众有益，民主才得以巩固。我们可以从东欧局势中看出这种生动事例。个人计算机、复印机和传真机的存在似乎对那里发生的革命起了推渡助澜的作用。

如此说来，计算机自从被电影描绘为对人类世界施加强暴的无情的超级大脑以来，已经变了许多。它在大众心目中也改观了，尽管有点姗姗来迟。而移动式计算机在电影或电影布景中频频亮相的日子为期不远了：在这里，计算机将管理一切，从电影剧作家的第23遍草稿到主要道具工作人员的累计加班费。届时，艺术将赶上生活，计算机将充当一个新的角色。