信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的核心概念：編碼、通訊、效率和信息量

主持人手記：本專欄主要介紹信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)在基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課當(dāng)中的典型案例，并期望這些案例能夠促進(jìn)信息技術(shù)課程學(xué)科合法性的提升、豐富信息技術(shù)課的教學(xué)內(nèi)容、拓展信息技術(shù)教師的課程設(shè)計(jì)視野。對(duì)此欄目有任何好的主意或建議，請(qǐng)發(fā)送稿件至towujunjie@163.com（主持人）或tougao1@chinaitedu.cn（雜志社）。

信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的宗旨在于挖掘信息技術(shù)的核心概念和核心問(wèn)題，至于哪些問(wèn)題是信息技術(shù)的核心問(wèn)題，制作一個(gè)全集，恐怕需要一個(gè)長(zhǎng)時(shí)期的思考，不是本文的討論議題，但是至少在這一系列文章當(dāng)中筆者期待著能夠保證信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)作為一個(gè)領(lǐng)域其核心概念的穩(wěn)定性。在上期文章中介紹了首要的兩個(gè)核心概念：數(shù)據(jù)、穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系的定義，接下來(lái)在本文中介紹編碼、通訊、效率和信息量這四個(gè)其余的核心概念的基本定義和典型案例，這些概念是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的思考和教學(xué)實(shí)踐形成的，筆者期望這些概念在信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的大框架之下是相對(duì)穩(wěn)定和基本的，但信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)新的領(lǐng)域，難免思考有不妥甚至錯(cuò)誤之處，歡迎用電子郵件或者發(fā)表文章?tīng)?zhēng)鳴討論，這也是筆者拋出這些觀點(diǎn)的初衷之一。

● 編碼

編碼是從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)必須要經(jīng)歷的過(guò)程，就像聲音的波形原本是一條連續(xù)的曲線，但由于計(jì)算機(jī)采樣的關(guān)系，必須要確定采樣的時(shí)間間隔，以及振幅的變化范圍（Scaling），將這個(gè)變化范圍分成多少個(gè)小格（Leveling），真實(shí)的一個(gè)振幅如何找到它應(yīng)該對(duì)應(yīng)的那個(gè)小格（mapping），以及這個(gè)時(shí)間-數(shù)字化振幅的數(shù)據(jù)文件要以什么樣的形式存儲(chǔ)（Saving），將模擬轉(zhuǎn)化為數(shù)字過(guò)程稱之為編碼。換句話說(shuō)，編碼的核心是一組對(duì)應(yīng)規(guī)則，這組規(guī)則可能很自然，像十進(jìn)制到二進(jìn)制轉(zhuǎn)化一樣自然，也可以非常繁瑣，像一個(gè)密碼本一樣似乎毫無(wú)規(guī)律可言，但是只要對(duì)應(yīng)的規(guī)則確定之后，編碼的大部分工作就完成了。

● 通訊

通訊與編碼是彼此獨(dú)立的兩個(gè)過(guò)程，每種通訊的需要就對(duì)應(yīng)一種編碼的需求，如一開(kāi)始一段歌曲在音樂(lè)廳里有歌手傳遞給聽(tīng)眾，之后聽(tīng)眾在家里就可以完成歌曲的欣賞，于是歌曲被譜成歌譜，寫(xiě)在文字上，聽(tīng)眾如果不能請(qǐng)來(lái)歌手，就必須根據(jù)歌譜自己演唱。之后人們發(fā)明了唱片，振幅和時(shí)間的信息基本上被等比例的刻錄在唱片上，由制作唱片的人編碼，根據(jù)同一套編碼體系由播放唱片的機(jī)器解碼，這個(gè)解碼的過(guò)程是簡(jiǎn)單而容易理解的。唱片在不同的人間直接傳遞，通訊方式是自然的、容易理解的，人們甚至難以感受到這個(gè)過(guò)程是在通訊，通訊更難以成為一個(gè)被人重視的重要領(lǐng)域。但是人們聽(tīng)音樂(lè)始終是一種單向的信息傳遞，人們天然的就具有雙向傳遞信息的需求，而且期望這種體驗(yàn)，在遠(yuǎn)距離的前提下，就像面對(duì)面的談話一樣暢達(dá)，所以電話出現(xiàn)了。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使得編碼變得非常準(zhǔn)確，一段音頻被數(shù)字化之后，不像唱片時(shí)代一樣傳輸和復(fù)制起來(lái)會(huì)有一定的制作誤差，被計(jì)算機(jī)數(shù)字化的音頻可以完全地拷貝給另外一個(gè)人，從一張軟盤(pán)到另外一張軟盤(pán)，這個(gè)過(guò)程當(dāng)中通訊比原來(lái)方便了。直到網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)地和另外一臺(tái)電腦實(shí)現(xiàn)通訊，通訊的過(guò)程中涉及通訊協(xié)議、保密方式、傳輸方式、通訊信號(hào)的增強(qiáng)等新的領(lǐng)域，此時(shí)，通訊技術(shù)相對(duì)于編碼技術(shù)被凸顯出來(lái)。在信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中通訊類的實(shí)驗(yàn)是一類非常重要的、凸顯信息技術(shù)學(xué)科特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)。例如，將聲音的強(qiáng)弱作為信號(hào)的手段，以未加密的二進(jìn)制協(xié)議，通過(guò)雙頭耳機(jī)線、一臺(tái)電腦將耳機(jī)輸出的音頻信號(hào)輸入到另外一臺(tái)電腦的麥克風(fēng)端口上，另外一臺(tái)電腦將信息解碼后，用同樣的方式向第一臺(tái)電腦通訊，這樣的過(guò)程在現(xiàn)有的信息技術(shù)教學(xué)環(huán)境中是能夠?qū)崿F(xiàn)的，使用Scratch等簡(jiǎn)單的程序語(yǔ)言，學(xué)生是可以從原理層面上掌握通訊的技術(shù)特點(diǎn)和核心概念的。因此將通訊作為信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)核心概念提出。

● 效率

效率問(wèn)題一開(kāi)始就出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的產(chǎn)生過(guò)程當(dāng)中，計(jì)算機(jī)一開(kāi)始的社會(huì)需求就源自于人們對(duì)于提高大數(shù)據(jù)的運(yùn)算速度即效率的追求，同樣各種功能各異的單片機(jī)和機(jī)器人生產(chǎn)的重要目的就在于提高效率，而在信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)這個(gè)領(lǐng)域中，效率同樣是一個(gè)需要重要提及和研究的主題。常見(jiàn)的效率比較的過(guò)程出現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①算法效率比較。這類效率的比較常常出現(xiàn)在各種程序設(shè)計(jì)的競(jìng)賽中，如在一定的代碼長(zhǎng)度和一定的內(nèi)存使用空間內(nèi)，哪種算法執(zhí)行的時(shí)間更短一些，這種過(guò)程常常是現(xiàn)在程序設(shè)計(jì)課程在高級(jí)階段的教學(xué)內(nèi)容。②新軟件和舊軟件在效率上的比較。我們?cè)谑褂脩?yīng)用軟件的過(guò)程中，總是認(rèn)為新的軟件一定比舊的軟件好用，大公司的軟件一定比小軟件好用。事實(shí)上，基礎(chǔ)教育具有公益的性質(zhì)，基礎(chǔ)教育并不是為壟斷的軟件企業(yè)提供消費(fèi)者的一個(gè)渠道，而應(yīng)該是培養(yǎng)理性的，具有充分自主性和選擇能力的適應(yīng)未來(lái)軟件市場(chǎng)的合格消費(fèi)者，因此讓學(xué)生比較不同軟件的使用效率、性價(jià)比，同一款軟件改進(jìn)之后的工作效率，是我們講授應(yīng)用軟件的一個(gè)重要的一直被忽視的教學(xué)內(nèi)容。③是否要研發(fā)新技術(shù)的判斷力。學(xué)習(xí)了如何比較和選用軟件之后，作為一個(gè)初步掌握了一門(mén)編程語(yǔ)言、初步具備了編寫(xiě)應(yīng)用軟件的學(xué)生，在面臨真實(shí)的工程問(wèn)題時(shí)，需要判斷工程項(xiàng)目使用舊的但是執(zhí)行效率低的算法還是用新研發(fā)的執(zhí)行效率高但是研發(fā)過(guò)程存在風(fēng)險(xiǎn)的新的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)過(guò)程無(wú)論是在編寫(xiě)軟件還是在應(yīng)用軟件的過(guò)程中都是常常出現(xiàn)的，需要許多個(gè)案例來(lái)幫助學(xué)生判斷和反思，提高學(xué)生的判斷力。④技術(shù)路徑的效率比較。軟件的編寫(xiě)或者工程任務(wù)的完成，其技術(shù)路徑和研發(fā)方式有很多，如有一個(gè)人完成的、分小組完成的，將整個(gè)工程分成幾個(gè)部分、一環(huán)套一環(huán)完成的、也有將整個(gè)工程分成幾個(gè)階段，每個(gè)階段相對(duì)完整、使用迭代過(guò)程完成的，這些都是不同的技術(shù)路徑，這些技術(shù)路徑的效率的比照，同樣也是一個(gè)重要的研究議題。因此，在信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)這個(gè)領(lǐng)域，效率的概念是需要用具體的過(guò)程，具體的數(shù)據(jù)來(lái)讓學(xué)生體會(huì)和研究的，遠(yuǎn)勝于教師簡(jiǎn)單地給出結(jié)論。

● 信息量

信息量的概念在物理學(xué)當(dāng)中就是信息存儲(chǔ)的空間的數(shù)量，這個(gè)概念有三點(diǎn)需要辨析。客觀的信息量：如果將信息降格為數(shù)據(jù)，那么這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間是一定的，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間是可加的，單位是確定的，但是因?yàn)槿艘治鲂畔?，因此信息量還有其主觀的方面。主觀的信息量是：心理學(xué)的研究表明，人的瞬時(shí)記憶一般只能記憶7個(gè)彼此無(wú)關(guān)聯(lián)和規(guī)律的數(shù)字，人分析信息的這種天然的限制，使得人有一種天然的匯總分析信息、提煉規(guī)律的意識(shí)。因此分析出客觀信息量的主觀解釋，是一種自然的人主觀處理信息的過(guò)程，如在人看來(lái)1000個(gè)隨機(jī)的10位數(shù)和1000個(gè)1的客觀信息量是相同的，但是如果認(rèn)定了后者的規(guī)律性，那么其主觀的信息量就減少了。事實(shí)上，如果通過(guò)概率的方法研究了前者的規(guī)律，前者的主觀信息量也會(huì)被減少。主觀信息量具有減少的天然趨勢(shì)，但是其并不一定是正確的和客觀的，需要通過(guò)用上面分析效率的方法進(jìn)行決策，并通過(guò)事實(shí)驗(yàn)證。主觀信息量的另一個(gè)趨勢(shì)是追求新鮮感，人總是會(huì)遺忘和出現(xiàn)審美疲勞的，從主觀信息量的角度解釋這件事是因?yàn)槿苏业搅肆餍械囊?guī)律，原本流行的東西讓他感到乏味，就像聽(tīng)?wèi)T了流行音樂(lè)的大眾，突然出現(xiàn)了有些充滿鄉(xiāng)土氣息的“原生態(tài)”歌曲之后會(huì)眼中一亮一樣，因?yàn)槿巳旱倪z忘，給人以主觀新鮮感的東西，在客觀上不一定是全新的。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使得這種新鮮感的提供變得愈來(lái)愈容易，在數(shù)字藝術(shù)領(lǐng)域的很多案例的核心就是提供跨界的新鮮感。信息量的塌縮：一幅色彩斑斕的位圖和一幅黑色的位圖在同樣尺幅和存儲(chǔ)協(xié)議的情況下客觀信息量是相同的，而在使用壓縮軟件壓縮之后后者的信息量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前者，這說(shuō)明信息量除了在主觀信息量的形成過(guò)程當(dāng)中存在著塌縮現(xiàn)象，在客觀信息量的形成過(guò)程也存在著塌縮的過(guò)程，這是因?yàn)榭陀^上對(duì)存儲(chǔ)空間和運(yùn)算速度的要求。信息量的塌縮是客觀信息量到主觀信息量連結(jié)的橋梁，這種塌縮的方式通過(guò)人工智能領(lǐng)域的發(fā)展將會(huì)變得越來(lái)越自然，如人記不住一首歌的名字，可以對(duì)著智能搜索引擎哼唱幾句，通過(guò)云計(jì)算和智能算法，計(jì)算機(jī)會(huì)給你幾個(gè)選項(xiàng)。在未來(lái)的學(xué)習(xí)過(guò)程中，人需要記憶的客觀信息量會(huì)越來(lái)越少，但這并不意味著人會(huì)越來(lái)越笨，人的智能通過(guò)人工智能的輔助作用其主觀信息量的分析能力會(huì)大大提升，并且對(duì)產(chǎn)生而非消費(fèi)更多的新奇的主觀信息量的欲望和能力也會(huì)大大提升，這就是為什么未來(lái)的社會(huì)被稱作信息時(shí)代。不能讓信息時(shí)代中信息技術(shù)的學(xué)科地位得不到應(yīng)有的體現(xiàn)，因此信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的理論和課程研究還需要更多的人的積極參與。

將中學(xué)課程中的“計(jì)算機(jī)”改名為“信息技術(shù)”是非常高瞻遠(yuǎn)矚的一個(gè)做法，信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的載體并不僅限于計(jì)算機(jī)，其實(shí)驗(yàn)儀器包括單片機(jī)、機(jī)器人設(shè)備、錄音機(jī)、點(diǎn)讀機(jī)等一系列在信息技術(shù)發(fā)展過(guò)程的不同階段，不同側(cè)重方面的儀器的使用。此外上面介紹的六組概念，從現(xiàn)有的理解來(lái)看，數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)和通訊是更偏向于信息技術(shù)學(xué)科的自身概念，效率和穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系更加傾向于信息技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，而信息量的概念介于兩者之間。建立核心概念的過(guò)程，有一些作繭自縛的感覺(jué)，為了讓后文將要介紹的信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)在中學(xué)階段的十幾個(gè)典型案例有一個(gè)整體的框架和體系化的線索，藉由前面的實(shí)踐和探索，筆者抽象出了這些概念，用以束縛后文，但是還是心存期待，信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)有一個(gè)破繭而出的過(guò)程，即更多的人參與進(jìn)來(lái)，豐富和充實(shí)、打破和重整這些概念，通過(guò)具體的案例，讓信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的體系更加完整，繼而充實(shí)和豐富信息技術(shù)的課程體系。畢竟，空談?wù)`國(guó)、實(shí)干興邦。