數(shù)據(jù)的源、洞、流和塌縮

吳俊杰

編者按：在旁聽高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂會(huì)議的時(shí)候，很多老師覺得信息的概念很難評(píng)價(jià)，“我腦子里的信息和你腦子里的信息怎么能量化呢？”為此黃榮懷教授給了我一個(gè)發(fā)言的機(jī)會(huì)。我坦言，在物理學(xué)中已經(jīng)很明確的源、洞、流的概念，有助于我們加深對(duì)信息和數(shù)據(jù)的概念的理解，而且也有很明確的理論體系說(shuō)明這個(gè)過程。在此，我覺得有必要對(duì)此做簡(jiǎn)要的介紹，來(lái)完善信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的理論體系。

在信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的核心概念中，數(shù)據(jù)這一概念非常重要，它既是將生活中的各種信息數(shù)值化的手段，又是計(jì)算研究的對(duì)象。而信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)最常見的分析方法就是：根據(jù)一組數(shù)據(jù)，分析一下它的內(nèi)部規(guī)律是什么。比如有100組反應(yīng)時(shí)間，從中我們可以計(jì)算出它的平均值、最大值和最小值，然后得出結(jié)論“你的反應(yīng)時(shí)間在最大值和最小值之間，平均值為多少”，這樣的過程甚至可以細(xì)化，通過概率和統(tǒng)計(jì)的知識(shí)，你甚至可以得到反應(yīng)時(shí)間為某一個(gè)范圍的概率，這反映了一個(gè)重要的問題，就是人不可能記住這一百個(gè)數(shù)據(jù)，但卻能用科學(xué)的方法將數(shù)據(jù)的復(fù)雜性降低，抽象出內(nèi)部的規(guī)律，產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)。信息的量稱為數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)在流動(dòng)的過程中數(shù)據(jù)量驟然減小的現(xiàn)象稱為信息的塌縮。

在德國(guó)卡爾斯魯厄物理課程中，物理學(xué)家們這樣描述信息：信息是客觀的，任何一個(gè)物體都可以存儲(chǔ)一定量的信息，它以比特為單位，有具體的量，記為X。

當(dāng)這個(gè)物體傳輸信息的時(shí)候，傳輸了dX比特的信息，如果自身的信息量沒有相應(yīng)地減少，就像一個(gè)人把一個(gè)八卦告訴另一個(gè)人，他還記得這個(gè)八卦，那么這個(gè)物體是信息的源，或者這個(gè)物體本身就在不斷地產(chǎn)生信息并且將其傳輸出去，因此它也被稱作信息的源。而如果有一個(gè)物體在接受信息之后，它沒有存儲(chǔ)這個(gè)信息，信息不見了，就像我們聽到了一個(gè)八卦，而根本沒有在意它，很快就忘記了，這個(gè)物體稱為信息的洞，對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，洞比較好理解，刪除一個(gè)文件或者服務(wù)器定期地釋放空間，而人本身既是一個(gè)源，又是一個(gè)大大的洞，一方面我們通過遺忘來(lái)減少大腦的負(fù)擔(dān)，另一方面我們通過分析識(shí)別大大降低了人腦存儲(chǔ)的信息的量，信息量大大地塌縮。就像我們參加一個(gè)很大的聚會(huì)，里面有各種各樣的人，如果我們將人眼比喻成一部高清數(shù)碼相機(jī)，一眼看下去，我們接收到了至少幾百萬(wàn)比特的信息，而我們第一眼卻只記錄了哪些人我認(rèn)識(shí)、他們?cè)谀睦铩⒋┦裁匆路冗@幾十個(gè)比特的東西。分析能力是任何智能系統(tǒng)與生俱來(lái)的，它與遺忘密不可分，機(jī)器智能與人的智能的一個(gè)重要的差距，在于目前它的記性太好，但是卻不太會(huì)遺忘。我們把一個(gè)物體包起來(lái)，在一段時(shí)間dt內(nèi)，外界的信息的輸入，自身信息的產(chǎn)生，以及信息的銷毀或者遺忘，都會(huì)使得這個(gè)物體產(chǎn)生dX的信息量的變化，而變化除以變化所需的時(shí)間就是信息的流I，它像電流、水流一樣，用公式I=dX/dt描述，信息從一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體，就需要傳輸介質(zhì)，它們像電路、水路一樣，是電流和水流的載體，數(shù)據(jù)流也需要一個(gè)傳輸介質(zhì)，我們稱作信道，它們就像是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在此節(jié)點(diǎn)它們接受了信息，放大以后傳輸給別人，但是本身并不存儲(chǔ)信息，如果我們將一小段信道包起來(lái)，便會(huì)發(fā)現(xiàn)流入的信息量和流出的信息量相同。這段信道自身的信息量沒有變化，如果我們?cè)谛诺郎锨邢乱粋€(gè)截面則發(fā)現(xiàn)這個(gè)截面在不斷地流入或流出信息，則可以根據(jù)截面的數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)算信息流的大小。就像電路能夠承載的電流是有限的一樣，如果人不斷地接收信息，卻不進(jìn)行分析和主動(dòng)地塌縮，結(jié)果往往是他也難以承受這么大的信息流。

信道并不是百分之百閉合的，就像水流一樣，它在流動(dòng)的過程中會(huì)自然滲入到地下，電纜在傳輸信號(hào)的過程中，不可避免地會(huì)在空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而信息本身就在泄露，這種非主觀的泄露和故意的竊聽構(gòu)成了信息安全的一個(gè)重要組成部分。從這個(gè)角度來(lái)看，防止接收有害的信息源，避免成為有害信息的洞，不要惡意地竊取它們處置信息的權(quán)利，保護(hù)自身處置信息的權(quán)利，保證自身信息流的大小在安全范圍內(nèi)，主動(dòng)地分析信息并實(shí)現(xiàn)信息的自主塌縮，構(gòu)成了信息安全和倫理道德看得見摸得著可量化的部分。

在信息技術(shù)走向?qū)I(yè)化的進(jìn)程中，很多概念都在不斷厘清，特別是對(duì)于高中階段的學(xué)習(xí)，避免空洞的講述，淺層次的說(shuō)教，讓學(xué)生在更高的認(rèn)識(shí)高度來(lái)理解信息產(chǎn)生、消滅和流動(dòng)的客觀規(guī)律和主觀策略，有助于減少課程建設(shè)當(dāng)中的迷思和困惑，也有助于改進(jìn)我們的教學(xué)。