任何事物都不可能是憑空產生，交互也是一樣。從最開始的穿孔卡片到現在的人機交互，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在織物上編織圖案，操作相當繁瑣，紡織工人需要在適當的位置提起經線，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注每一根紗線的位置，稍有不慎就會出錯，這導致紡織圖案的效率很低。

18世紀，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，他也是一名風琴制造商的兒子，1725年的一天，自動風琴中的圓筒裝置引起他的注意，圓筒表面帶有銷釘，旋轉時會撥動（或敲擊）發音裝置發出聲音，聲音相連便形成了完整的一段音樂旋律。

受此啟發，布喬發明了“穿孔紙帶”，也許他未曾料到，這項發明不僅改變了紡織工藝，還為后來的工業革命、計算機技術以及現代信息科技領域帶來深遠的影響。

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計好的織物圖案轉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，當織機啟動后，對應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，帶動另一根金屬針翹起，勾起經線，通過這種半自動化的機制，可以快速完成復雜圖案的編織。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對復雜的編織任務。

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

1804年，約瑟夫·瑪麗·雅卡爾（Joseph Marie Jacquard）在前兩者的基礎上又進一步改進，發明了自動提花機（后稱：雅卡爾提花機），使穿孔卡成為一種標準化的自動控制手段，徹底改變了紡織行業。

穿孔紙帶、穿孔卡的出現意義重大，不僅因為它大幅提升了紡織行業的生產效率，更在于它讓機器“聽”懂了人類的指令，從而按照人的意圖進行機械化、自動化運轉。從計算機科學的角度來看，孔為1，沒有孔就是0，有序的開孔、閉孔實現了對圖案花紋的二進制存儲，同時紙帶或卡片本身也承擔了信息（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）可以被視為人機交互早期的界面形態和嘗試。

二、穿孔卡片的廣泛應用

19世紀的美國，憲法要求每10年進行一次人口普查，以此作為分配聯邦資金、國會代表名額等資源的數據支撐，到了1880年，因大規模移民導致美國人口激增，普查工作需要耗費七年時間來手工編制，編制工作完成時，數據卻早已過時。根據估算，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，他以優異成績從哥倫比亞大學礦業學院畢業，獲得礦業工程師學位。1880年，經大學導師引薦，進入人口普查局擔任助理，目睹了手工統計方式的低效，促使他開始思考如何通過機械化手段提高數據處理效率。受自動提花機啟發，很快便發明了穿孔卡片制表機，整個系統由打孔機、讀數機、分類機和制表機組成。

穿孔卡片是制表機的核心，每張卡片代表一名公民的個人檔案，內容共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，電路隨即被聯通并驅動計數裝置前進一個刻度，這樣就完成了一次自動統計。

這臺機器在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計，為納稅人節省了數百萬美元，取得巨大成功，這是歷史上首次使用機械化手段來處理大量數據。雖然穿孔卡片制表機只能統計數據表格，尚未具備通用計算的能力，但使用穿孔卡輸入數據的這種方式被電子計算機一直沿用到20世紀七八十年代，霍勒里斯的創新為計算機的發展產生了重要影響，因此其本人被大家稱為“數據處理之父”。

之后霍勒里斯開始自己經營業務，成立了制表機器公司，并獲得了為1900年美國人口普查提供制表設備的合同。有意思的是，人口普查事件也讓企業開始意識到制表機的價值，通過提升勞動力以及數據密集型任務的效率，可以增加利潤。百貨、鋼鐵、鐵路、政府機構等數十家單位逐漸開始使用霍勒里斯的穿孔卡片制表機，用以制作統計報告或核算成本。

后來，霍勒里斯的制表機公司與其他公司合并，成立計算制表記錄公司（CTR）。到第一次世界大戰結束時，幾乎所有大型的保險公司和鐵路公司都使用他們生產的機器，其位于華盛頓特區的卡片制造廠每月生產穿孔卡片高達8000萬張。

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

盡管當時IBM在產品和技術方面處于主導地位，但還有其他競爭對手提供類似的設備，這導致各個公司和機構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著手推進穿孔卡片的標準化，這一舉措背后還有幾個關鍵考慮：

1. 標準化的穿孔卡片可以在不同設備間讀取和處理，提高數據處理的效率和準確性。
2. 通過標準化來可以確立IBM在行業內的領導地位。
3. 提高客戶的黏性，購買IBM的設備后，能在不增加成本的情況下處理來自不同來源的數據。

1928年，IBM制定了80列穿孔卡片的標準，涵蓋了卡片的尺寸、孔位和排列方式。這個標準不僅在IBM的設備上得到應用，還迅速被其他廠商采納，成為全球范圍內數據處理的通用標準。

三、穿孔卡片邁向計算機時代

隨著物理學、工程學和統計學等領域對計算需求的大幅增長，科學家和工程師迫切需要更高效的計算工具來應對復雜的數據處理問題。此時，真空管和電子元件技術的進步，以及圖靈計算機理論的完善，為電子計算機的出現奠定了基礎。

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

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

雖然計算機與IBM制表機都使用了穿孔卡片技術，但計算機的卡片不僅用于數據輸入，還用于程序指令的讀取和存儲，具有更復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，后兩者是一種實時交互，用戶可以在輸入命令后立即得到反饋，并根據結果繼續輸入新的指令。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準備就緒后，計算機一次性處理所有任務，用戶在程序運行過程中無法進行干預，且所有的輸出結果也是批量生成的。

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備，由計算機進行識別。接下來，系統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量和計算復雜度，但無論如何，也無法做到像實時交互那樣立即得到反饋。盡管效率很低，但在計算機發展初期，受限于硬件和軟件，穿孔卡片仍然是一種發送指令和輸入數據的可靠手段。

到了20世紀60年代和70年代，磁帶和磁盤作為新型存儲介質逐漸取代了穿孔卡片。這些磁性存儲設備提供了更高的數據存儲密度和更快的數據訪問速度，使數據的輸入和存儲變得更加高效，能夠支持更大規模的數據和復雜的計算任務。同時，也大大簡化了數據處理流程，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生。

從指令輸入的角度來看，顯示器和鍵盤的設備組合在計算機中的廣泛應用，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算機。這一轉變標志著計算機交互范式的重大進步，從異步的批處理，演變為動態的實時交互模式，直到今日，命令行界面仍然扮演者重要角色。

四、人機交互的先驅

穿孔卡片提供了一種符號化傳達意圖的方式，用戶無需理解機器的內部邏輯，即可與機器進行交互。如今，用戶通過點擊圖標、選擇菜單或拖動窗口，將意圖轉化為計算機指令，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、窗口等），“符號-意圖-執行”的人機交互邏輯不斷得到優化。

五、最后

回看近代人機交互的發展歷程，穿孔卡片承載著人類早期對“可交互機器”的思考，深度參與到工業革命和科技革命的進程中。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，盡管穿孔卡片已成為歷史，但它所開創的符號化理念，仍然在新的技術環境中不斷演變，影響著我們的人機交互體驗。