任何事物都不可能是憑空產(chǎn)生，交互也是一樣。從最開始的穿孔卡片到現(xiàn)在的人機(jī)交互，整個演變過程是怎樣的？這篇文章，我們和作者一起來研究一下其演變過程。

一、穿孔卡片的起源

幾百年前，人們使用提花編織機(jī)在織物上編織圖案，操作相當(dāng)繁瑣，紡織工人需要在適當(dāng)?shù)奈恢锰崞鸾?jīng)線，讓紡織梭子牽引著不同顏色的緯線穿過，整個過程必須密切關(guān)注每一根紗線的位置，稍有不慎就會出錯，這導(dǎo)致紡織圖案的效率很低。

18世紀(jì)，法國絲綢之都里昂，有一位名叫巴斯勒·布喬（Basile Bouchon）的紡織工人，在每天重復(fù)的紡織工作中，他一直在思索如何才能提升圖案編織的效率。同時，他也是一名風(fēng)琴制造商的兒子，1725年的一天，自動風(fēng)琴中的圓筒裝置引起他的注意，圓筒表面帶有銷釘，旋轉(zhuǎn)時會撥動（或敲擊）發(fā)音裝置發(fā)出聲音，聲音相連便形成了完整的一段音樂旋律。

受此啟發(fā)，布喬發(fā)明了“穿孔紙帶”，也許他未曾料到，這項(xiàng)發(fā)明不僅改變了紡織工藝，還為后來的工業(yè)革命、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及現(xiàn)代信息科技領(lǐng)域帶來深遠(yuǎn)的影響。

那么，穿孔紙帶是如何工作的呢？

簡單來說，在紡織之前，工匠會使用工具將事先設(shè)計(jì)好的織物圖案轉(zhuǎn)化為紙帶上的一系列孔洞，然后將紙帶懸掛在一排金屬針旁，當(dāng)織機(jī)啟動后，對應(yīng)孔洞的金屬針可以穿過紙帶，保持不動，而沒有孔洞的地方則推動金屬針前移，通過金屬環(huán)，帶動另一根金屬針翹起，勾起經(jīng)線，通過這種半自動化的機(jī)制，可以快速完成復(fù)雜圖案的編織。由于紡織工人全程僅需控制緯線，工作量大幅減少，即便是新手也能夠輕松應(yīng)對復(fù)雜的編織任務(wù)。

隨著穿孔紙帶逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)，紙質(zhì)載體的缺陷逐漸顯現(xiàn)，孔洞會讓紙帶變得易斷，斷裂后較難修復(fù)，這讓紙帶的復(fù)用性很低。三年后，也就是1728年，布喬的同事讓·巴蒂斯特·法爾孔（Jean-Baptiste Falcon）對這一發(fā)明進(jìn)行了完善，他使用木質(zhì)的穿孔卡片替代了紙帶，卡片之間通過繩子進(jìn)行連接，組合成完整的圖案，后邊的操作機(jī)制與紙帶相同。

1804年，約瑟夫·瑪麗·雅卡爾（Joseph Marie Jacquard）在前兩者的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步改進(jìn)，發(fā)明了自動提花機(jī)（后稱：雅卡爾提花機(jī)），使穿孔卡成為一種標(biāo)準(zhǔn)化的自動控制手段，徹底改變了紡織行業(yè)。

穿孔紙帶、穿孔卡的出現(xiàn)意義重大，不僅因?yàn)樗蠓嵘思徔椥袠I(yè)的生產(chǎn)效率，更在于它讓機(jī)器“聽”懂了人類的指令，從而按照人的意圖進(jìn)行機(jī)械化、自動化運(yùn)轉(zhuǎn)。從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度來看，孔為1，沒有孔就是0，有序的開孔、閉孔實(shí)現(xiàn)了對圖案花紋的二進(jìn)制存儲，同時紙帶或卡片本身也承擔(dān)了信息（紡織圖案）存儲的功能。作為傳遞、接受指令的載體，穿孔卡片（紙帶）可以被視為人機(jī)交互早期的界面形態(tài)和嘗試。

二、穿孔卡片的廣泛應(yīng)用

19世紀(jì)的美國，憲法要求每10年進(jìn)行一次人口普查，以此作為分配聯(lián)邦資金、國會代表名額等資源的數(shù)據(jù)支撐，到了1880年，因大規(guī)模移民導(dǎo)致美國人口激增，普查工作需要耗費(fèi)七年時間來手工編制，編制工作完成時，數(shù)據(jù)卻早已過時。根據(jù)估算，1890年的人口普查需要13年才能完成。

赫爾曼·霍勒里斯（Herman Hollerith）是一位德裔美籍工程師，他以優(yōu)異成績從哥倫比亞大學(xué)礦業(yè)學(xué)院畢業(yè)，獲得礦業(yè)工程師學(xué)位。1880年，經(jīng)大學(xué)導(dǎo)師引薦，進(jìn)入人口普查局擔(dān)任助理，目睹了手工統(tǒng)計(jì)方式的低效，促使他開始思考如何通過機(jī)械化手段提高數(shù)據(jù)處理效率。受自動提花機(jī)啟發(fā)，很快便發(fā)明了穿孔卡片制表機(jī)，整個系統(tǒng)由打孔機(jī)、讀數(shù)機(jī)、分類機(jī)和制表機(jī)組成。

穿孔卡片是制表機(jī)的核心，每張卡片代表一名公民的個人檔案，內(nèi)容共12行24列，包括有性別、年齡、婚姻狀況等信息，收集信息時在相應(yīng)位置上打孔，例如，某個特定位置代表婚姻狀況，打孔即代表已婚，不打孔則表示單身。卡片插入到制表機(jī)后，有一個金屬針會放在卡片上，打孔的地方，針穿過后泡入汞中，形成閉合回路，電路隨即被聯(lián)通并驅(qū)動計(jì)數(shù)裝置前進(jìn)一個刻度，這樣就完成了一次自動統(tǒng)計(jì)。

這臺機(jī)器在1890年的人口普查中大顯身手，僅用了六周時間便完成了初步統(tǒng)計(jì)，為納稅人節(jié)省了數(shù)百萬美元，取得巨大成功，這是歷史上首次使用機(jī)械化手段來處理大量數(shù)據(jù)。雖然穿孔卡片制表機(jī)只能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表格，尚未具備通用計(jì)算的能力，但使用穿孔卡輸入數(shù)據(jù)的這種方式被電子計(jì)算機(jī)一直沿用到20世紀(jì)七八十年代，霍勒里斯的創(chuàng)新為計(jì)算機(jī)的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響，因此其本人被大家稱為“數(shù)據(jù)處理之父”。

之后霍勒里斯開始自己經(jīng)營業(yè)務(wù)，成立了制表機(jī)器公司，并獲得了為1900年美國人口普查提供制表設(shè)備的合同。有意思的是，人口普查事件也讓企業(yè)開始意識到制表機(jī)的價(jià)值，通過提升勞動力以及數(shù)據(jù)密集型任務(wù)的效率，可以增加利潤。百貨、鋼鐵、鐵路、政府機(jī)構(gòu)等數(shù)十家單位逐漸開始使用霍勒里斯的穿孔卡片制表機(jī)，用以制作統(tǒng)計(jì)報(bào)告或核算成本。

后來，霍勒里斯的制表機(jī)公司與其他公司合并，成立計(jì)算制表記錄公司（CTR）。到第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束時，幾乎所有大型的保險(xiǎn)公司和鐵路公司都使用他們生產(chǎn)的機(jī)器，其位于華盛頓特區(qū)的卡片制造廠每月生產(chǎn)穿孔卡片高達(dá)8000萬張。

1924年，CTR更名為國際商業(yè)機(jī)器公司（International Business Machines Corporation），簡稱IBM，至此，全球知名科技巨頭IBM登上舞臺。

盡管當(dāng)時IBM在產(chǎn)品和技術(shù)方面處于主導(dǎo)地位，但還有其他競爭對手提供類似的設(shè)備，這導(dǎo)致各個公司和機(jī)構(gòu)使用的卡片格式不盡相同，多樣化的卡片樣式限制了穿孔卡片的推廣和普及。

為了解決這一問題，IBM著手推進(jìn)穿孔卡片的標(biāo)準(zhǔn)化，這一舉措背后還有幾個關(guān)鍵考慮：

1. 標(biāo)準(zhǔn)化的穿孔卡片可以在不同設(shè)備間讀取和處理，提高數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確性。
2. 通過標(biāo)準(zhǔn)化來可以確立IBM在行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)導(dǎo)地位。
3. 提高客戶的黏性，購買IBM的設(shè)備后，能在不增加成本的情況下處理來自不同來源的數(shù)據(jù)。

1928年，IBM制定了80列穿孔卡片的標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了卡片的尺寸、孔位和排列方式。這個標(biāo)準(zhǔn)不僅在IBM的設(shè)備上得到應(yīng)用，還迅速被其他廠商采納，成為全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)處理的通用標(biāo)準(zhǔn)。

三、穿孔卡片邁向計(jì)算機(jī)時代

隨著物理學(xué)、工程學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)等領(lǐng)域?qū)τ?jì)算需求的大幅增長，科學(xué)家和工程師迫切需要更高效的計(jì)算工具來應(yīng)對復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理問題。此時，真空管和電子元件技術(shù)的進(jìn)步，以及圖靈計(jì)算機(jī)理論的完善，為電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1939年，約翰·阿塔納索夫（John Atanasoff）和克利福德·貝瑞（Clifford Berry）設(shè)計(jì)并建造了Atanasoff–Berry Computer（ABC）。盡管這臺計(jì)算機(jī)不支持編程，也不是圖靈完備的，但它率先使用真空管來提高計(jì)算速度，因此被稱為世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)。

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為了執(zhí)行程序，計(jì)算機(jī)需要從外部獲取數(shù)據(jù)。阿塔納索夫在深入研究IBM制表機(jī)后，采用了穿孔卡片作為ABC的數(shù)據(jù)傳輸方式。同一時期的其他計(jì)算機(jī)，如ENIAC和ASCC-MARK-I，也借鑒了這一技術(shù)，將穿孔卡片作為數(shù)據(jù)輸入的解決方案。

雖然計(jì)算機(jī)與IBM制表機(jī)都使用了穿孔卡片技術(shù)，但計(jì)算機(jī)的卡片不僅用于數(shù)據(jù)輸入，還用于程序指令的讀取和存儲，具有更復(fù)雜的編碼和控制功能，因此在卡片的編碼方式、孔位分布和讀取設(shè)備等方面都存在顯著差異。

與我們所熟知的命令行界面（CLI）、圖形用戶界面（GUI）等交互范式不同，后兩者是一種實(shí)時交互，用戶可以在輸入命令后立即得到反饋，并根據(jù)結(jié)果繼續(xù)輸入新的指令。而穿孔卡片則屬于批處理交互，批處理的意思就是在所有任務(wù)準(zhǔn)備就緒后，計(jì)算機(jī)一次性處理所有任務(wù)，用戶在程序運(yùn)行過程中無法進(jìn)行干預(yù)，且所有的輸出結(jié)果也是批量生成的。

具體來說，程序員需要將指令提前打在卡片上，隨后將這些卡片批量放入讀取設(shè)備，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行識別。接下來，系統(tǒng)處理的過程通常需要幾分鐘到幾小時，具體時間取決于卡片數(shù)量和計(jì)算復(fù)雜度，但無論如何，也無法做到像實(shí)時交互那樣立即得到反饋。盡管效率很低，但在計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，受限于硬件和軟件，穿孔卡片仍然是一種發(fā)送指令和輸入數(shù)據(jù)的可靠手段。

到了20世紀(jì)60年代和70年代，磁帶和磁盤作為新型存儲介質(zhì)逐漸取代了穿孔卡片。這些磁性存儲設(shè)備提供了更高的數(shù)據(jù)存儲密度和更快的數(shù)據(jù)訪問速度，使數(shù)據(jù)的輸入和存儲變得更加高效，能夠支持更大規(guī)模的數(shù)據(jù)和復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。同時，也大大簡化了數(shù)據(jù)處理流程，用戶不再需要處理大量的物理卡片，減少了人為操作錯誤的發(fā)生。

從指令輸入的角度來看，顯示器和鍵盤的設(shè)備組合在計(jì)算機(jī)中的廣泛應(yīng)用，使操作變得更加直觀和可視化。命令行界面作為一種基于文本的交互范式逐步引入，允許用戶通過鍵盤輸入指令來控制計(jì)算機(jī)。這一轉(zhuǎn)變標(biāo)志著計(jì)算機(jī)交互范式的重大進(jìn)步，從異步的批處理，演變?yōu)閯討B(tài)的實(shí)時交互模式，直到今日，命令行界面仍然扮演者重要角色。

四、人機(jī)交互的先驅(qū)

穿孔卡片提供了一種符號化傳達(dá)意圖的方式，用戶無需理解機(jī)器的內(nèi)部邏輯，即可與機(jī)器進(jìn)行交互。如今，用戶通過點(diǎn)擊圖標(biāo)、選擇菜單或拖動窗口，將意圖轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)指令，與穿孔卡片的符號化思想一脈相承。

從物理符號（孔洞）、電子符號（二進(jìn)制編碼）到高級編程語言，再到符合用戶心智模型的用戶界面（按鈕、圖標(biāo)、窗口等），“符號-意圖-執(zhí)行”的人機(jī)交互邏輯不斷得到優(yōu)化。

五、最后

回看近代人機(jī)交互的發(fā)展歷程，穿孔卡片承載著人類早期對“可交互機(jī)器”的思考，深度參與到工業(yè)革命和科技革命的進(jìn)程中。無論是命令行界面還是圖形用戶界面，都與其存在著清晰的歷史演化路徑。

進(jìn)入人工智能時代，交互范式還在朝著更自然、更智能的方向前進(jìn)，盡管穿孔卡片已成為歷史，但它所開創(chuàng)的符號化理念，仍然在新的技術(shù)環(huán)境中不斷演變，影響著我們的人機(jī)交互體驗(yàn)。