第14章  理论信息学研究的目标、方法与课题

正如制造工具的方法并不等于使用工具的方法，研究理论信息学的方法也不是理论信息学自身的方法。本章从建立和完善理论信息学的目标出发，讨论理论信息学研究的特殊方法，并且列出有待进一步讨论的若干课题。大致上说，理论信息学的研究除了运用一般的科学方法（比如假说-演绎法、类比法、溯因法）之外，还要同时采用两种特殊的综合方法，跨学科综合法与跨层次综合法，即“宇宙信息进化全程的跨学科综合法”以及“应用、理论和哲学的跨层次综合法”。如果没有这两种特殊方法的效用，就不可能产生关于一般信息现象具有原创意义的研究成果。我们从理论信息学研究问题的特殊性，即从该问题特有的目标和应答域的角度，对两种特殊方法的由来和发展给予理论上的说明。

§14.1  理论信息学“问题”的类型与结构

14.1.1  科学问题及其分类

一般地说，科学研究不是始于观察，而是始于问题。观察是观察者有目的的行为。他在观察时必然带着一定的问题，带着预期的设想。从科学理论发展的总体过程看，只有发现了原有理论不能解决的问题时，人们才会去修正它、补充它，或者着手建立新理论。在这个意义上可以说，问题既是旧理论的终点也是新理论的起点。科学问题是指一定时代的科学认识主体在当时的知识背景下提出的关于科学认识和科学实践中需要解决而又未解决的矛盾，它包含着一定的求解目标和应答域，但尚无确定的答案。由于科学问题总是在一定的科学技术背景知识上产生的，据此可以把科学问题分为两类：经验问题和概念问题^[1]。

所谓经验问题是关于实在世界本身的问题，比如苹果落到地上，子女像父母，等等。这种在实在世界中发生的使我们惊异的事件作用于我们的感官和神经系统，需要说明、没有被说明、而利用已有的科学技术背景知识可以说明的，就构成经验问题。人们对经验问题的解决，是把令人惊异的现象纳入某一个概念框架即理论当中。根据经验事实与理论框架之间的相容性，可以把经验问题分为两种：“常规问题”和“反常问题”。如果科学问题能被某个范式所规定，可以利用范式所提供的观念工具和实验工具来求解，并且肯定有解的问题，称之为常规问题。相反，反常问题则违反了由范式引起并支配着的常规科学的预期，仅仅利用当时的科学背景知识无力加以解决，单靠调整和发展现有的科学知识背景也不能解决，而要靠建立新的科学范式才能解决。常规问题的目标状态明确，只需要发展和完善当前科学知识背景就能解决。至于反常问题，连目标状态都需要科学家充分发挥自己的创造能力来明确，并需调整变更现有科学知识背景，创立新的科学理论，更加需要科学家具有勇于打破旧范式束缚，努力开拓新领域的创造性思维能力，才有可能加以解决。

如果说，经验问题是把现象纳入某个概念或理论框架的问题，那么概念问题则是关于当前的概念框架或理论是否合适、是否可靠的问题。如果经验问题是一级问题，概念问题就是二级问题，是比经验问题层次更高的问题。概念问题分为内部概念和外部概念两种。所谓内部概念问题是指一个理论内部没有逻辑自洽性，或者理论内部具有逻辑矛盾。外部概念问题是指一个理论与其他理论不相容，包括科学理论之间逻辑上的不相容，以及哲学思想（本体论）和方法论、文化传统等不相容。

在同一个科学领域内，新旧理论之间、同时存在的几个理论之间的不相容，是经常发生的。这种不相容是对称的，即对于双方都提出了概念问题。不同理论竞争的结果，要么一种理论战胜另一种理论，要么由第三种理论来“做主”。

新的科学理论与原有的哲学本体论不相容，也是经常发生的。比如，18世纪欧洲大陆的物理学家和哲学家，尤其是法国笛卡尔派和德国的莱布尼兹，拒不接受牛顿关于力的超距作用，因为在他们看来，力必须通过介质（比如钟表的齿轮）才能使不直接接触的物体之间发生相互作用。他们不能想象，太阳的引力可以通过1.44亿公里的空间把地球吸引住。康德为了解决这种科学与本体论的不相容，提出了一个新的本体论，把力放在物质的优先地位，使作用力成为物理世界的基础，从而使人们很容易理解力的超距作用。科学理论与本体论之间的不相容也是对称的。本体论对科学理论构成一个概念问题，科学理论对本体论也是一个具有威胁性的问题。这种不相容的结局是：或者科学理论被抛弃，或者迫使本体论发生变化。

科学理论与科学共同体认可的方法论之间的不相容，引起另一类重要的概念问题。方法论为科学共同体提供科学活动的规范，即规定科学要达到的认识目的以及实现这些目的的手段。比如，17-18世纪初，在科学共同体中占支配地位的方法论是归纳主义。可是在电、热、化学和生物学领域，科学家假定存在着种种不可感知的微粒和液体（电液、热质等），它们不能被解释为是通过观察资料归纳出来的，于是便与当时占支配地位的方法论不相容。当时的一些人主张抛弃这些新理论，另一些人则主张改变方法论本身，提出了基本上就是今天的假说-演绎法，它至今仍然在科学界占支配地位^[2]。因为近现代科学的研究对象越来越从宏观走向微观或宇观，从表面现象走向深层次本质，研究对象越来越难以直接观察，作为理论基础的实验事实的数量越来越少，因而越来越难以直接从观察和实验用归纳法概括出科学理论。随着科学研究的深入，要求新的方法论与之相适应，但一定的智力情境或气候却使人固守已被公认的“经典”方法论。这种情况要求科学工作者勇于放弃旧方法，建立新方法。

14.1.2  理论信息学问题的目标和应答域

通常，科学问题是有结构的。在科学问题中，蕴涵着问题的指向、研究的目标和求解的应答域。 科学发展史上的事例一再说明，科学问题的目标和应答域设立得是否合理，直接决定该问题是否有解。若一个科学问题的应答域是错误的，即问题的解不在所设定的应答域之内，它将会使人劳而无获。只有改变应答域，才能获得成功。试图证明欧氏几何中的第五公设就是这样的案例。寻求第五公设的直接证明是数学史上持续了近两千年的科学问题。尽管前人在寻求证明的应答域中已多次失败，后人仍然坚信：只要改变证明方法，迟早会找到它的直接证明。许多科学家为此一无所获仍然不肯放弃，在已有的应答域中不能解脱。罗巴切夫斯基对求证第五公设的目标和方法产生了怀疑，大胆地提出反问题，即第五公设不可证明，从而改变了问题的目标和应答域。他采用反证法，创立了非欧几何，为几何学开拓了新领域。

关于建立信息科学学科的问题，即构造由信息概念、信息原理和信息理论组成的学科体系的问题，它的目标和应答域应当是什么呢？在我们肯定地说它是什么之前，首先看看它不是什么。纵观自维纳、香农以来关于信息问题的研究历史，我们可以断定：整个信息科学目标不是类似于香农关于通讯的数学理论那样，建立关于物质系统的知识体系；求解信息科学问题的应答域不在物理学之内，也不在物质科学范式之内。 如果说，按照香农通讯数学理论的模式建立其他领域信息学的努力是失败的，那么照搬香农模式建立理论信息学，就更不会有好的结果。

经过上面的介绍与分析，我们认为，正面的答案也已经比较明确了。信息科学的目标是要建立关于宇宙间信息现象的知识体系，它的应答域在物理学和物质科学之外。如果把信息科学问题看成对于信息现象的解释，它构成一个反常的科学问题，它的求解必然造成居于统治地位的物理学范式的危机，引起科学革命，建立新的信息科学的范式。如果把信息科学问题看成是信息概念问题的升华，是高一个层次的问题，那么正处于萌芽状态的信息科学理论在内部与香农通讯数学理论构成内部概念矛盾，在外部与整个物质科学体系相冲突，不仅表现在概念、原理和理论的不相容，而且表现在一般科学方法论和哲学本体论的不相容。

    在关于交叉信息科学的一次讨论中一位物理学博士说，信息就是物质，我们所看到、听到、想到、感觉到、计划到的哪一种信息不是物质呢？照他所说，信息学就是物理学的一个分支，一个特例，一门应用物理学。既然信息的存在就是物理的存在，信息现象的规律就是物理学揭示的规律，信息学的方法论当然就是物理学的方法论了。于是，信息学就要像物理学那样，首先在观察和实验中抽象出像质点、力、功、温度、热量等概念，然后决定如何度量它们，再用数学公式描述运动过程。这些方法是经过物理学实践检验的、有效的、唯一的科学方法。如果未能达到预期的目标，就只能是方法没有用好，或者功夫没有到家。但现实是，在原则上，物理科学方法不适合信息科学。所以，信息科学要发展，必须建立它自己所要的本体论和方法论！

14.1.3  理论信息学面临三个瓶颈问题

在一定意义上说，物质科学的概念、原理、方法和本体论虽然不能直接满足信息科学的根本需要，但却是信息科学的建立必不可少的基础之一，因为信息不能离开物质载体而存在，信息运动也包含着物质的运动。如果没有发达的微电子学，就没有计算机的硬件技术基础，就没有计算机的问世。香农关于通讯的数学理论当然也得益于物理和数学的成就。有道是：成也萧何，败也萧何。香农通讯理论的成功，支持了一个通讯行业的建立，为信息科学的构建做了必要的准备。但是，正如计算机硬件技术的成功并不能保证软件技术的成功一样，建立信息通讯理论的模式也并没有立即带来信息科学的繁荣局面。如果说，照搬计算机硬件工程的模式干软件工程是失败的，那么照抄香农建立通讯理论的数学-物理模式建立信息科学也是失败的。这不是巧合。因为物质科学的知识只能支持信息硬件，关于事物物质特性的理论肯定不适合于事物信息特性的描述，照搬物质工程的办法干信息工程也必然要失败。

物理学是近现代科学发展中成功的典范。它一方面具有数学那种推理的严谨性，另一方面它所涉及的又是实质存在的物体。物理学的知识，既以严格的推理为依据，又能得到感官观察的保证；这种两端都有所凭依的知识，有史以来还是第一次出现^[3]。从科学学的角度看，物理学的思维方法和科学范式对于信息科学发展的误导，是与发达的主导学科的积极作用同时存在的一种负面效应。这当然无损于物理学的伟大与光辉，不会影响我们对它的尊重与信赖。

把香农的关于通讯的数学理论夸大为一般的关于信息的理论，简称为“信息论”，而把关于信息的科学说成“广义的信息论”，于是香农的通讯数学理论就成了信息科学的核心和基础，似乎只需要将香农的信息概念和原理泛化、外推，把数学-物理思维模式照搬到其他信息现象，就可以得到关于一切信息过程的科学。这正是我们在本书第5章第1节所提到的《信息科学原理》的基本思想路线。如果该书改名为《广义信息论原理》，其内容就比较切题了，也可以说它完成了广义信息论在理论上的构建。在信息科学发展史上持续了半个多世纪的这段曲折经历，应当给它划一个句号了。信息社会呼唤真正的信息科学。如果我们在科学上也来一个“拨乱反正”，就可以开始书写一段新的历史，迎来信息科学大发展的新时期。

在当代信息科学研究中，存在三个认识上的误区。这三个问题上的错误认识，一直是信息科学发展中的“瓶颈”问题。

（1）完全从概念出发建立演绎体系研究思路，以及在信息定义、度量问题上的纠缠不休；

（2）在构建各领域信息学及理论信息学理论时，对香农通讯数学模式的照搬，以为不量化、不数学模型化就没有信息科学；

（3）在信息科学哲学上对有可能陷入唯心主义和不可知论泥坑的恐惧心理，以为只有把信息解释成物质的属性在理论上才安全。

我们曾把整个信息科学的发展分为五个时期：信息学史前期、工程信息学时期、领域信息学时期、理论信息学时期和统一信息学时期。为了迎接信息科学发展中第四个时期的高潮，必须在理论认识和实际研究中纠正现代信息科学研究中的观念和方法上的错误。我们认为主要途径有三条：

（1）以信息运动的动力及信息过程的规律为中心研究信息；

（2）用算法和程序来描述信息运动本身；

（3）构造适应信息时代特征的信息哲学原理^[4]。

信息科学应当是一个比全部物质科学更为庞大的学科群。因为信息生产是以物质产品生产为基础的过程，同时又含有信息产品特殊的性质、过程和规律。目前众多领域信息学正在揭开各个不同领域中信息的特殊性。基于它们支持的信息技术，已经开发出各种产品服务社会、造福人类。但是，作为一般信息概念、过程与规律的提炼，以及哲学上的归纳却显得十分滞后。正如有专家指出：信息社会中的科学家们居然不能就信息给出一个公认的定义，除了香农通讯信息论是建立在数学形式化描述基础上之外，几乎没有象样的信息学理论^[5]。

我们认为，上述现象存在的根源在于科学家们受数学、物理学学科模式的局限，受到还原论思维方法的束缚，加上在物质科学哲学体系中没有信息的地位。信息学是与物理学范式不同的学科，它研究事物间的关系及抽象的逻辑特征，其任务是揭示与物理学不同、甚至相互抵触的规律。沿用传统的方法、范式和哲学观念研究信息科学，无异于“刻舟求剑”。

（1）不能把信息的定义作为信息科学研究的唯一出发点

至今关于信息的定义有好几十种，但没有一种得到学术界的公认。信息的定义不清楚，那么信息的特征如何描述，信息过程如何界定，信息运动规律如何刻划，就都成问题了。信息科学界的同行把没有公认的定义作为深入研究的障碍而无法逾越。其他相关学科的专家则说，只有信息产品和信息技术，没有信息科学。

我们认为，造成上述问题的根源不在于信息定义难以把握与刻划，而在于研究者从定义出发的研究模式在思想观念上造成的束缚。事实上，尽管没有信息的统一定义，但生物信息学家已经提供全球范围的基因信息服务，信息业的各类产品层出不穷，版本不断更新。十年来，我们绕开“信息”概念上的纠缠，把关于生命信息学的研究不断地引向深入。在科学史上，物理学的发展并不是先把力、能量、功这些概念定义得十分科学、准确，然后才提出物理学的基本理论、方法和知识体系的。关于能量的概念，从16世纪提出到19世纪，花了200多年功夫，直到把各种不同形式能量的转换关系弄清楚，才正式确立为一个科学概念^[6]。所以，完全可以把信息概念作为不必加以定义的基本概念予以采纳，然后推进信息处理过程的研究和信息规律的探索，不断加深对信息的认识，迟早有信息概念科学化的瓜熟蒂落之时。当然，这并不排斥部分研究人员在不同层次、不同方面对信息概念进行不断讨论，但却不再是大多数信息科学研究者开展工作的先决条件。

（2）不能把物理学范式和数学形式化方法套用到信息科学研究领域

香农把他提出的信息论叫做“关于通讯的数学理论”^[7]。在通讯工程中，研究对象是信息载体——电讯号编码的传递。它在通讯线路的一端发出，在另一端接收，其中出现的干扰是物理信号的混入。这些当然可以只是物理学研究的对象，当然可以用数学工具形式化地加以描述。香衣自己说，在通讯工程中，只研究编码信号本身，而不涉及编码的含义和它的效用。这也就是说，香农信息理论在本质上是关于信息载体的物理学描述。与此相反，自然科学范畴的信息学主要研究信息的静态语义，社会科学范畴的信息学更偏重研究信息的动态语义^[8]，它们都具有非物质的研究对象，其任务是揭示与物理学不同的、甚至相互抵触的客观规律。因此，试图用香农信息学的模式来规范关于信息处理的理论是不可能行得通的。

数学是关于对象的数量和形状的科学。而数量与形状是物理学中实物对象的特征。比如一块生铁铸成的小圆球，其数量与几何特征自然可以用数学描述。它在一定初始条件下的运行轨道可以用数学方程准确地刻划出来。但是铁铸小圆球在人们头脑中的印象，即在大脑神经网络中的存储肯定不是原物的复制或模拟，在计算机中的存储则是0和1组成的数字串。有关小圆球的概念及知识体系处理则是人脑思维活动和计算机软件操作的内容。尽管这里也有关于神经元的数量和形状，有计算机逻辑门的数量和形状，但从本质上说关于这些硬件特征的研究根本不能说明其信息特征和软件功能。

离散数学作为计算机科学的基础理论，可以在某个侧面对数据和知识给以若干表达，使某些推理形式化。但是，它与物理中数学工具的表达能力相比，完全不可同日而语。恐怕至今还没有几位数学家想到过，象描述天体运行轨道那样，用一组数学方程来定量刻划微软操作系统Windows的运行过程。所以说，真正能描述信息、知识和复杂程序的数学还未产生。在这种情况下，苛求信息科学象通讯的数学理论那样的发展，则是作茧自缚，极尽努力却只能无功而返。

（3）不能在传统物质哲学的框架下寻求对信息本体论、信息认识论和信息价值论的解答

1996年，在原湖北医科大学（现武汉大学医学院）关于生命信息学的一次跨学科讨论会上，一位物理学博士生在发言中表示，物质是事物唯一重要的特征，其他特征不过是物质特征的附属物，把物理运动搞清楚了，信息运动也自然清楚了。他不认为信息是一个独立的概念，因为信息说到底是物质。比如电磁波、光波、电流，等等。也正是在物理学还原论思路的支配下，有的生物学教师认为，人的消化系统是个纯粹的物质运动，其中没有信息和信息运动。这些议论使我们认识到：关于信息的存在、信息的价值，以及信息规律的科学地位，都不可能在传统唯物主义（我们称之为理化唯物论或物质唯物论）哲学观，即物质哲学的框架中求得解决。信息科学呼唤关于信息的哲学^[9]。在哲学上承认信息的地位，主张宇宙万物都具有物质和信息二重特性，并不是哲学二元论。（Duality is not equal to dualism.）因为我们讨论信息问题的前提是：任何信息都必须依赖于某个物质载体，离开物质载体信息是不存在的。这就从一开始与唯心主义划清了界线。同时，我们认为，信息还具有普通物质所不具有的非物理学性质，比如不守恒，与物质产品完全不同的复制与共享等等。关于信息这一类物质特殊性的研究，是信息哲学探讨的对象，不是传统唯物主义所能包含的。

人类社会进入到信息社会后，信息的价值是容易被接受的。知识产品表现出比物质产品更高的价值，作为先进生产力代表的科技工作者的作用己得到社会的普遍承认。反映到方法论和本体论哲学层次上，关于信息的认识论（信息学的思维方式是什么），关于信息的本体论（信息与物质的关系是什么），对整个信息科学的研究具有不可忽视的指导意义。这些问题经过哲学家与信息科学家共同探讨、交流与合作，就能顺应时代的要求，推动辩证唯物主义向前发展。

几百年来，人类关于物质的认识成果达到登峰造极的地步，极大地造福于社会。计算机硬件设计与制造完全得益于微电子科学与技术的成就。在20世纪60年代，人们在对软件和软件工程缺乏认识的情况下，试图从对硬件工程的模仿中得到解决“软件危机”的办法。于是移植并产生“软件工程”的概念与方法。但是经过三十多年的实践，软件工程师终于认识到：软件与硬件具有完全不同的性质，照抄硬件工程方法是失败的。这才使现代面向对象的软件工程方法得以逐步被承认和接受^[10]。在信息科学界，同样地照搬硬件科学范式及其数学工具，也己被几十年来的研究实践证明是不可取的。人们的认识方法常常有一种思维方式上的“惯性”，这是正常的。一种科学概念被普遍接受后，在推动原科学领域继续发展的同时，常常被广泛用于其他领域，这就可能造成对其他科学领域的推动或负面影响。从某种意义上说，可以把以往信息科学的发展分为两个时期，第一时期是在物理、数学基础上的通讯信息学理论顺利发展；第二时期叫后通讯信息学时期，传统思维方式的惯性使信息学研究陷入三个误区，进展缓慢。我们必须从上述三大误区中走出来，才可能开创信息科学发展的新时期。

近十多年来，我们体会到，一旦跳出从信息定义出发的思维模式，关于信息过程的研究就可以顺利展开。回过头来，重新审视研究的对象，比较容易从领域信息学层次、方法论层次和信息本体论层次得到相应的信息概念和定义，讨论者比较容易达成一致的认识。我们还体会到，正如戴汝为所说：“简单组元构成的组合行为是如此复杂，以至不可能简化为某种数学描述，因而这种行为的最好描述就是它本身”^[11]。依据事物的运动过程用一个程序来刻划它，是再好不过的描述。如果其他领域的专家用物理、数学学科范式来要求我们，那是他们的思维定式与学科价值观。我们先改变自己，迟早人家也会改变过来。“实践是检验真理的标准”，也是关于科学真理性的最高准则。第三，致力于信息科学研究、特别是信息科学基础研究的学者，不可回避关于信息的哲学讨论。我们不是专门的哲学工作者，但哲学理念的确无时无刻不在指导、影响我们的研究思路和方法。我们相信，上述三个障碍的克服，必将带来信息科学蓬勃发展的大好时期。

§14.2  理论信息学学科的发展目标

14.2.1  理论信息学建立和发展成熟的标准

目前，理论信息学很弱小、很幼稚，但它是一个很有前途的研究领域。就像基础数学、理论物理、理论化学、理论生物学那样，它迟早会发展成为一门科学学科、构成一个专业。如果说计算机信息学已经发展成为每一个在校学生必修、每一个社会成员必懂的信息技术与工具的基础，那么理论信息学将要成为学生必须熟练、公民必须掌握的信息科学与观念的基础。因为，理论信息学是全部领域信息学的精髓和灵魂。

学科的英文词是Discipline，既有知识类别的含义，又有制度、建制、规训的含义。所以，一个学科就是指一种制度，一种建制，一种规训的方式。它应当包含学科制度与学科建制两层内涵。

学科的制度化主要是指学科训练制度化和研究制度化。就训练制度化而言，具体步骤是：在大学里设立一些首席讲座，然后再建立一些系来开设相关的课程，学生在完成学业后可以取得某一学科的学位，从而完成训练制度化。研究制度化的实现过程大致包括创办学科的专业期刊，按学科建立种种学会（先是全国性的，然后是国际性的），建立按学科分类的图书收藏制度等。简而言之，学科制度即学科的内在制度，主要指学科的规范理论体系的建立；而学科建制即学科外在制度，主要指大学内部机构层面的东西^[127]。一个学科的根本特征是有别于其他学科的独立性。这种独立性反映在它的研究对象、语言系统和研究范式上^[13]。

一门学科的社会建制大体上应包含五个部分：“一是学会，这是群众性组织，不仅包括专业人员，还包括支持这门学科的人员；二是专业研究机构，它应在这门学科中起带头、协调、交流的作用；三是各大学的的系，这是培养这门学科人才的场所，为了实现教学与研究的结合，不仅在大学要建立专业和系，而且要设立与之相联系的研究机构；四是图书资料中心，为教学和研究工作服务，收集、储藏、流通学科的研究成果、有关书籍、报刊及其他资料；五是学科的专门出版机构，包括专业刊物、丛书、教材和通俗读物^[14]。”

一般地说，一个研究领域能不能成为一个学科，大致取决于以下标准：（1）特有的学科定义和研究对象；（2）学科的代表人物；（3）学科的经典著作；（4）大学里相应的建制；（5）学科专业出版物；（6）研究基金；（7）专业研究者；（8）培养研究生的相关课程组合；（9）成熟的学科理论体系^[15]。理论信息学学科成熟的过程会有自己的特殊性，但是衡量的标准与一般的学科形成的标准应当是共同的。从关于信息的大量知识中提炼、升华出理论信息学，关键在于知识的理论化、系统化，在于构造一个严密的逻辑体系。

14.2.2  理论信息学的合理性证明需要新的规则

通常，一种新的思想、学科，在其产生的过程中总会借用已有的思想资源，会受到占优势地位的文化和学科的影响，这种影响可能是多方面的，既可能是积极的，也可能是消极的。同时，新的学科、新的思维方式或研究方法的确立，必然会经受已有思维范式的审视和考验，必须在公认的思维范式面前说明自己的合理性^[16]。从根本上说，信息是信号和符号的含义，信息科学的主体是关于“含义”的理解和“价值”的判断，是用信号或符号编制程序实现控制。关于物质现象的思想资源，不可能支持关于信息现象本质的研究。强大的物质科学体系、方法论和哲学认识论对信息科学的影响基本上是消极的，是一种学术上的误导和遮蔽。

唯一的例外是香农通信理论。信息的物理位置的移动，即消息的传递，可以不考虑它的含义和价值。运送一车图书和一车砖头，并无本质的区别。所以，在一程度上，通讯可以是一种纯粹的物理过程。正是受益于发达的物理-数学理论和方法，香农关于通讯的数学理论一经建立，马上受到学术界的认可和欢迎。但是，按照香农的方式解决其他种类的信息问题的努力，几乎一无建树。为什么？因为：第一，物质科学理论、它的方法论和哲学观念没有为信息学的发展准备必要的基础，信息科学必须整个地从头开始，在哲学、一般方法论和具体学科方法三个层次上奠基，所遇到的困难非同寻常；第二，在居强势地位的物理学的垄断和控制下，关于信息科学的研究没有能力说明自己的合理性。于是，在许多情况下，相关的工作得不到同行们认可，得不到项目经费的支持，研究论文很难发表。

换言之，关于理论信息学的研究面临两个突出的矛盾，一是传统的物质科学思想资源，包括具体学科理论、一般科学方法和哲学认识论，只能参考，不能照搬；二是现行的强大的学科建制和行政建制只乐于接受信息技术和产品，拒绝承认信息理论的合理性，因为关于信息现象的一般概念、原理和方法与物质现象的那一套是不相容的，甚至是相互矛盾的。所以，要建立理论信息学就必须要求：修改科学界的“游戏规则”，调整科学学科的判别标准。它首先要树立信息科学范式的威信，用新的范式证明自己的合理性。信息科学的研究者要理直气壮的宣布：物理学是科学的，物理科学的范式对物质现象是适合的；在原则上它不适合关于信息现象的科学，信息科学遵守自己的范式；而且，就像信息技术和产品取代昔日物质技术和产品的主导地位一样，信息科学范式取代以往物质科学范式的主导地位只是时间早晚的问题。

14.2.3  理论信息学要求哲学本体论承诺

某个人的本体论观念是由他视为存在的一些对象构成的，就是说，他把它们看做是组成世界的内容。各种理论正是根据它们认为存在于世界上的对象而千差万别的。所谓信息科学要求哲学本体论承诺，就是要求哲学承认：信息现象是一种真实的存在，也就是说信息在哲学上具有本体论地位。如果说，信息是一种真实的存在，就不能说：信息只不过是一种表面现象，归根到底它是物质的一种属性；也不能因此就说：只要把物质的结构和功能研究透了，信息的问题也就自然地解决了；更不能说，关于物质的定量描述的知识才是科学，而关于信息的围绕算法和程序展开的讨论只是哲学思辩，或者算成一种思维艺术（如果不说它是伪科学的话）。

殷正坤指出，“每一个科学理论都包含一个本体论核心，它代表着科学家的自然观。”“科学上的重大进展总是涉及到本体论的根本改变，总是由一种比以前更为深刻或全新的本体论来代替旧的本体论。”一个科学家的本体论对他作出科学发现的研究策略起调节作用。而且，由于本体论限制他的认知域，他的思维是定向的，即看不到在认知域以外的东西。一般地说，一个科学家改变他的本体论是很不容易的。库恩指出，有些科学家顽固坚持旧范式到死，确实有这种情况。但也有许多例子表明，在令人信服的观察或实验证据的基础上，科学家从旧范式转向新范式一边。比如，T．摩尔根就由反对孟德尔学说，转向支持和发展它。我们相信，关于信息的哲学本体论地位的确定，会推动信息科学范式更快地替代物质科学范式的主导作用。

§14.3  理论信息学的研究方法

14.3.1  理论信息学研究必须以方法创新带动知识创新

为了解决理论信息学面临的特殊矛盾，必须开辟信息科学自己的思想资源，提出自己的科学合理性标准。而新的范式的提出和论述，又依赖于对信息现象特殊性的深入研究。这种研究必须有新的适合信息现象特点的方法论。“科学创造首先需要创造方法”，创造信息学的方法是建立信息科学本身的前提条件。

一般地说，科学研究方法分为三个层次：哲学认识方法、一般科学方法、具体学科方法^[17]。由于信息现象的特殊性，我们不能沿用物质科学的方法论体系，必须在哲学本体论、一般科学方法论和信息学科具体方法等三个层次上同时突破。为了解决与物理学范式“不相容”的问题，我们不是“削足适履”地去迎合它，而是要提出新的本体论、尝试新的方法论，建立以信息和智能概念为基础、以基本信息定律为出发点的信息学理论结构。这样，就必须采用“跨层次综合法”。又因为，信息现象涉及宇宙进化全程，所以必须采用“跨学科综合法”，实现对宇宙进化全程中众多领域信息的概括，实现信息进化纵向和现有信息类学科横向上大跨度的综合。

领域信息学所以能在物质科学面前站立起来，首先不是因为理论上的革命性。它们打开局面靠的是信息产品为拳头的经济力量。人们在使用电话、电视、手机的时候，或者在Internet上搜索资料的时候，未必预感到新的产品、技术、理论会冲击物质哲学本体论、物理科学的方法论，甚至信息科学范式会取代物理学范式。信息工业革命到来得如此之快，以致于还没有做好思想准备，它就来到了。对于信息产品的生产者，能赚钱；而对于信息产品的消费者，很方便。所以，不会有人拒绝接受信息产品和技术，以及它们的理论概括，领域信息学。

但是，如果有人大发议论，说传统的哲学本体论有问题，物理学观察和实验的方法论有局限，物质科学的范式阻碍着信息类学科的发展，那么他的同行们一般都会认为他不务正业，现存的期刊很难选用他的文章，科研管理部门和项目的评审专家们大多不会给他以经费支持。这就是传统科学范式在建制上的力量。学术上的力量同行政上的力量结成了牢固的联盟。人们选用信息产品是一回事，而赞成信息学的思维方式和信息哲学的思想观念是另外一回事。那么，理论信息学成长的道路是什么呢？电视剧《西游记》中唱道：“敢问路在何方？路在脚下。”我们认为，理论创新来自方法创新。

在一定意义上，领域信息学是对特定领域信息现象的概括，理论信息学是对领域信息学的进一步综合。领域信息学的原理在进一步提炼时，可以作为“科学事实”或思想资源来使用。同时，领域信息学的事实也可以用来检验从理论信息学假说演绎出的推论。这样，领域信息学的背景材料足以支持建立理论信息学体系的目标。下面，我们讨论理论信息学特有的“大综合”。

14.3.2  对工具信息学和领域信息学的大综合

栾玉广在《自然科学研究方法》中指出：“在自然科学发展史上，常出现这种情况：当感性的经验及对某一自然事物或现象的某些方面的知识积累到一定的程度，就有人出来通观全局，进行综合工作，从而作出重大的发现和发明，建立普遍的理论或提出了重要的科学假说。某种科学理论的产生或某种新技术的出现，它都有一个逐步成熟和完善的过程。当这个过程完成了，在理论上或技术上会出现一次大的综合和飞跃。两千多年来，在自然科学发展史上，已经出现过许多次的综合，其中比较大的综合就有十多次，例如，亚里士多德与托勒密“地心说”的建立，哥白尼“太阳中心说的建立、牛顿万有引力定律和力学三定律的建立，热力学三定律的发现，麦克斯韦电磁理论的建立，细胞学说和生物进化论的创立，相对论的创立，量子力学的建立，分子遗传学和正在探索中的统一场论，等等。在每一次综合和飞跃之后，都给自然科学的发展带来新的生机，并使社会经济的发展出现新局面^[18]。”

所谓综合方法，就是在分析的基础上，通过科学的概括和总结，在思维中把研究对象的各个组成部分或各种要素，再组合成有机统一整体，从总体上揭示和把握事物性质和根本规律的一种科学的思维方法和研究方法。如果说，信息科学以前是“分析式”发展的话，那么今后的发展将是“综合式”的。换言之，从香农、维纳、图灵和冯诺依曼在20世纪中叶开辟通讯、控制、计算领域的信息学研究及其广泛应用，带动了一大批领域信息学的产生，这是在把整个信息现象分解成许多个组成部分的基础上进行的研究。目前，若干领域信息学已经成熟，其技术、产品和服务已经共同构成了强大的信息市场、信息产业、信息经济，推动全人类实现由工业社会向信息社会转型。现在，我们面临的任务是：从整体上、从信息现象内部的有机联系方面，去研究和把握信息，化零为整，变局部为整体、变简单为复杂，揭示和把握信息现象的根本性质和基本规律，创建理论信息学，建立完整的信息科学，为建立包容物质和信息科学的统一科学奠定基础。

对众多领域信息学的大综合，是通向理论信息学的途径。这一次“综合”，可能是人类科学史上最大规模的科学综合，它的作用和意义也许我们目前还不大清楚。但是，从信息经济已有的对物质经济成就超越的事实，我们可以估计信息科学的成就将大大超出物质科学的成就。如果说，第一批电子数字计算机的建造者们，很难预计到“电脑”对人类社会物质过程“信息化”的重要意义，那么我们如今构建理论信息学，恐怕也不容易看到它对于人类信息过程“智能化”的重要意义。

当然，对领域信息学的综合，不必要、也不可能等待所有的领域信息学发展成熟时才进行。“不平衡是有序之源”。作为理论信息学的一名研究者，也不可能在精通所有领域信息学的知识之后才做概括与综合的工作。这是一项由许多人参加、跨越几代人才能完成的大事业，需要若干创新团队前仆后继式的努力拼搏。但是，他们中的学术带头人和主要骨干必须对宇宙间主要的信息领域有跨学科的把握与熟悉，比如生命信息与非生命信息的跨越，通讯与计算机的跨越，物理信号与生物信号的跨越，生物信息与符号信息的跨越，等等。关于综合研究的具体方法将在第4章第4节中讨论。

近二十年来，我们关于领域信息学、理论信息学和信息哲学的研究中，浸透了人生的酸甜苦辣。正如闫学杉所说，“在部门信息科学中，现在几乎还没有一门理论已形成或已被公认，其中大部分还只是一个雏形或正处于探索之中。在诸多使用信息的不同领域，信息之间的含义相去甚远，甚至永远都是互不相干的。”所以，“建立统一信息科学理论是项艰巨复杂的工作，它将象征人类对纷繁的信息世界的了解有了进一步的升华。同时，它也是高智力的角斗场，对许多要抽象的分支需要有深刻的了解，而信息涉及的分支又那样的繁多，它涵盖着从电子学到哲学的自然科学、技术科学、人文科学、社会科学中的许多基本问题。喜欢挑战性工作的人也许会对它产生兴趣，但必然会冒一定的风险^[19]。” 面对困难和挫折，我们课题组把解恩泽主编的《科学蒙难集》作为必读书目，反复学习，从中接受经验教训，吸取“信息负熵”^[20]。

14.3.3  在现实横向与历史纵向上跨学科的综合法

所谓跨学科综合法，就是“宇宙信息进化全程的跨学科综合法”，在时间和空间上最大跨度地对领域信息学进行交叉科学综合。在时间上的跨度指的是，宇宙进化史纵向上跨历史阶段的综合研究，从宇宙大爆炸，到生命形成、人类的出现，再到今天的数字地球村。在空间上的跨度指的是，宇宙进化的现阶段上跨学科领域的综合研究。

因为大跨度、全景式观察的角度不同，所以很容易发现单一学科或小跨度研究中难以看到的规律性。最大跨度的研究结论容易具有最大范围的“普适性”。比如，把在人类认识过程中讨论的存在和意识的关系问题，放到整个生命世界中观察，则是活着的物质和活着的信息之间的关系问题；而把自然界中无生命信息过程和计算机等人工信息过程加进来统一考虑，则该问题又成为最一般的物质和信息的关系问题。所以，思维和存在、物质和精神关系的一般表达，应当是物质和信息的关系。

15.3.4  在应用、理论与哲学间跨层次的综合法

所谓“跨层次”中的层次指“应用”信息学、“理论”信息学、“哲学”信息学等三个层次。所谓跨层次综合法就是“应用、理论和哲学的跨层次综合法”，指同时在上述三个层次上积累思想资源，以研究方法的创新带动研究内容的创新，让它们交互作用、相互印证、互为依托。其中，在第一个层次上是应用信息学领域中具体学科的特殊方法，在第二个层次上是各门信息学公共的一般方法，在第三个层次上是最具有普遍意义的哲学认识方法。

我们的研究实践证实，以信息哲学为基本观念，以一般信息学为理论指导，以领域信息学技术和产品为实践环节，在三个层次上研究的结果，的确可以互为依托、相互映证、连接成网，构成一个开放的不断生长着的新的知识体系。在交叉信息学讨论中，笔者与合作者们深深体会到，我们是自己所开创的新方法的首批受益者^[21]。

§14.4  有待进一步探讨的若干问题

14.4.1  理论信息学处于发展的初级阶段

尽管国内外学者围绕信息科学的基础理论展开了许多研究工作，但是从总体上看仍然不够深入，学科的建设处于发展的初级阶段。正如在第1章绪论中所说，对理论信息学的发展持悲观主义论调的学者确有人在。我们认为，在相当大数量的一批研究者中，至今仍然受到于物理学科学范式的束缚和制约，走在形式化、数量化、公式化的道路上，没有找到正确的研究路线，无法突破发展“瓶颈”的界限。

正如T．史东尼在《信息和意义——一种进化的理论》的结束语中所说，“信息科学需要经历一个历史性发展的过程。现在我们对于这些问题的理解可能还不够精细，就象人类在拉瓦锡之前对于化学的理解，或者在达尔文之前对于生物学的理解那样。我写这本书仅仅是希望将信息科学的大门打开一道缝隙，让足够的光亮通过这道门吸引其他的研究者，从而在这个领域内展开一些深入而认真的研究^[22]。”本书所介绍的工作也只是初步的探索，理论信息科学的发展，任重而道远。

14.4.2  有待进一步研究的若干问题

关于理论信息学，或者信息科学通论，目前还没有解决的问题比已经解决的问题要多得多。整个信息科学的基础研究，大致可以分为10个方向和40个选题^[23]。

第一个方向：个人工作、学习与生活中的信息理论问题

（1）个人生命的二重性，自然生命与文化生命，物质生命与信息生命，其间的相互联系、相互区别与相互作用；关于人类的物质生产与信息生产，物质财富与信息财富；

（2）在一个人的工作、学习与生活中，体力与智力的相互促进与相互制约；它们各自的功能以及对他人、对家庭、对国家的贡献；

（3）个人的智力包含哪些因素，智力因素与非智力因素的关系；在一个人的一生中，少年、青年、壮年、老年的人生价值的不同特征。

第二个方向：单位、行业与国家信息化中的信息理论问题

（4）国家信息化的概念，国家信息化的体系构架和信息化水平测度的理论、方法与具体量化的指标；

（5）发达国家实现信息化的经验和走过的弯路，中国信息化已有的成绩和面临的问题；

（6）在国家信息化、行业信息化与单位信息化中，工具信息化与观念信息化之间的关系；关于信息化人才培养的目标、方针、课程与教材建设。

第三个方向：物质科学中的信息问题

（7）信息物理学：物质世界的信息特征，物质世界中信息的起源，传统物理学不需要“信息”概念的理由；

（8）信息化学：化学信息与物理信息的联系与区别，化学反应中的智能行为，超分子化学中的光电逻辑门；

（9）信息生物学：信息生物学与生物信息学的关系，单细胞生物信息系统与多细胞生物信息系统，生物神经中枢系统与生物脑，生物智能的进化。

第四个方向：人文学科中的信息问题

（10）文学、艺术、音乐、舞蹈、戏剧、美术学科：人类思想、文化和精神创造性生产的原理，产品的特征和价值；

（11）语言学、符号学：语义三角形的概念和理论，语义学和语用学的区别与联系，语言的形式化问题；

（12）历史学、考古学学科：历史的自然文本和符号文本，文本的解释学问题；

（13）宗教学、哲学学科：宗教思维、哲学思维与科学思维的联系与区别，对神学的信息学解读，宗教形成和延续的信息学意义。

第五个方向：社会科学中的信息问题

（14）政治学、社会学、人类学、人口学、管理学、法学：人类社会中的相互联系、相互影响，人类的行为与管理模式，文化在社会关系网中的主导职能，社会管理与决策的间接生产力作用；

（15）教育学、图书馆学、新闻学、广告学：社会组织与文化的关系，文化基因（MEME）的进化，社会文化遗传——教育工程；

（16）心理学：个体心理学和社会心理学，心理学与思维科学，心理因素与生理因素的相互作用，智商与情商，知识创新的机理；

（17）经济学：传统经济学与信息经济学，经济现象中的信息问题，信息不对称问题。

第六个方向：计算机软件科学的理论基础

（18）香农的信息通讯模型、维纳的信息控制模型、与冯.诺依曼的信息计算模型，可计算性（递归论）、计算复杂性、与软件复杂度的数学模型；

（19）从物理学的热力熵、通讯与控制中的信息熵、到计算模型中的智能熵；

（20）微电子技术与程序技术，计算机硬件工程与软件工程比较研究；

（21）从结构化程序设计到面向对象软件方法学，关于软件的本质及其生产过程特殊性的研究；

（22）程序正确性问题，从瀑布模型到演化模型的转变，关于“银弹问题”的研究；

（23）软件复杂性及其在一般系统复杂性中的地位和作用，程序构件之间的非线性作用，软件复杂性增长的机理；

（24）冯·诺依曼计算机模型认识论的意义及新信息创生的条件与机理。

第七个方向：信息能及生命信息进化论

（25）信息能，信息能与物质能的关系，它们的统一与共同进化；

（26）宇宙构成要素一元论，二元论，三元论，四元论；三元论中包含的错误假设；

（27）达尔文生物进化论的意义及其局限性，DNA、细胞、个体及社会文化之间的层次关连与相互影响，宇宙中物理、化学、生物、社会进化中的信息进化，从心身关系到DNA与MEME的共同进化；

（28）生命信息进化论，宇宙信息的统一图谱：生命信息进化链与生物物种进化圈，四维（冰淇凌）模型；

（29）人类个体的心理及其对生理活动的调控，人类的社会性思维（计算）模式、Internet的结构与功能，智力圈（noosphere）与全球脑（global brain）；

（30）基因、文化、计算机三种信息系统的进化谱，其间的关联、融合与统一，生命信息学及其思想路线。

第八个方向：理论信息学和整个信息科学知识的体系结构

（31）信息的定义，信息载体与纯粹信息，信息处理过程的进化；

（32）理论信息学，信息科学通论和统一的信息理论（UTI）；

（33）比较研究：以物质为中心的思维模式和以信息为中心的思维模式，学科的信息化，自然科学与社会科学之间内在的逻辑链条与人为的割裂；

（34）整个信息科学发展的瓶颈问题，信息科学与物质科学的关系，统一科学。

第九个方向：信息科学与系统科学、控制理论

（35）生命及非生命系统中的通讯、控制与信息问题；系统进化理论的评述、其历史地位和认识论局限性，系统的硬件进化与软件进化；

（36）人类由系统论、控制论到信息科学的认识历程，还原论与涌现论的统一与互补；

（37）物质的力和信息的力：系统进化的硬动力和软动力，物理学中的质量与能量转换以及信息学中的知识与智能转换。

第十个方向：传统唯物主义哲学面临的挑战与对策

（38）辨证唯物主义的历史地位及其面临的挑战与对策；

（39）关于信息的哲学本体论、认识论、及价值论研究框架；

（40）心身关系，物质与精神、存在与意识的关系，以及物质与信息的关系。

本章思考题和练习题

1．为什么科学研究不是开始于观察，而是开始于问题？

2．科学研究的目标和应答域对于工作的成败有什么重要意义？

3．理论信息学研究所面临的三个瓶颈问题是什么？

4．一个独立发展的学科达到成熟的标准是什么？

5．为什么不能从传统的物质科学范式寻求信息学的合理性证明？

6．理论信息学研究所依据的科学材料是什么？

7．理论信息学研究所需要的主要方法是什么？

8．为什么说理论信息学的发展处于初级阶段？你希望在这方面有所作为吗？

9．从本书所列关于信息科学基础理论研究的10个方向和40个选题中，有没有你所感兴趣的方向和选题？如果有，是哪些？

本章主要征引和参考文献

     [1] 殷正坤、邱仁宗．科学哲学引论．武汉：华中理工大学出版社，1996．145-155

[2] 殷正坤、邱仁宗．科学哲学引论．武汉：华中理工大学出版社，1996．156-158

[3] 朱红文．社会科学方法．北京：科学出版社，2002．35

[4] 田爱景、金蓉、王伟等．当代信息科学研究中的“瓶颈”问题．中国卫生信息，2002，1．33-37

[5] 刘国志主编. 系统科学. 上海：上海科技教育出版社，2001

[6] T. Stonier. Information and Meaning. UK， Springer， 1997，P8-9

[7] G. E. Shannon. The Mathematical Theory of Communication. BSTJ， VOL.27， 1948

[8] 田爱景．论信息社会特有的思想观念和思维方式. 医学信息VOL.12（9）， 1999，P26-27

[9] 田爱景. 新自然观的诞生与传统哲学观念的终结. 电子工程师， 1999年，总第98期， 1999，P39-42

[10] 田爱景．论结构化范型到面向对象范型的转变. 湖北大学学报，2001年， VOL.23（4）， P312-5

[11] 戴汝为．系统科学与复杂性科学. 见刘国志主编，系统科学与工程研究，上海：上海科技教育出版社，2001

[12] 王建华．高等教育作为一门学科. 高等教育研究. 2004（1）： 69-74

[13] 李光. 交叉科学导论. 武汉： 湖北人民出版社， 1989. 43

[14] 费效通．略谈中国的社会学. 高等教育研究，1993（4）： 5

[15] 王建华．高等教育作为一门学科. 高等教育研究. 2004（1）： 69-74

[16] 朱红文．社会科学方法．北京：科学出版社，2002．34

[17] 李建珊．科学方法概览．北京：科学出版社，2002．2

[17] 殷正坤、邱仁宗．科学哲学引论．武汉：华中理工大学出版社，1996．145-155

[18] 栾玉广．自然科学研究方法. 合肥： 中国科学技术大学出版社， 1986. 188-189

[19] 闫学杉．关于21世纪信息科学发展的一些见解．科技导报，1999，8：3-6

[20] 解恩泽. 科学蒙难集．长沙： 湖南科学技术出版社，1998. 1-21

[21] 田爱景、孟学珍、左路等．论生命信息学研究中的方法创新．医学信息与计算机应用，2003年第7期．340-341

[22] T．Stonier．Information and Meaning----An Evolutionary Perspective．Gateshead （UK）： Springeer， 1997. 222

[23] 李宗荣、田爱景. 关于信息科学基础研究中的几个问题： 兼评《关于21世纪信息科学发展的一些见解》. 北京： 科技导报， 2002（4）， 3–6

后     记

当前，不论是发达国家还是发展中国家，信息人才都存在很大的缺口，导致IT人才的培养成为全球竞争的一个焦点。据我国国家信息化评测中心2002年公布的数据显示，2002年中国国家信息化总指数为38．46，而信息化人才资源指数仅为13．43，在六个信息化要素指数中最低。信息化人才培养严重地滞后于信息资源开发利用、信息网络建设、信息技术应用、信息产品与服务、信息化发展环境等，成为制约中国信息化持续发展的瓶颈因素。

信息化人才有广义和狭义之分。广义的信息化人才是指在信息业、工业、农业、科学技术、国防和社会生活各个方面应用现代信息科技，对信息和智能资源进行开发和利用的各类人才。狭义的信息化人才是指由高等学校直接培养的信息化人才，主要是信息科学技术相关专业人才，包括计算机科学与技术、电子科学与技术、软件工程、通信工程、信息工程、电子信息、微电子学、光信息科学与技术、地理信息系统、自动化、信息安全等。从1993年起，我国有计划、有步骤地加快了信息化进程，信息化人才的培养不断受到重视和加强，高校为信息化建设输入了大批人才，约占我国信息产业从业人员的70%。

正如本书的第1章所强调指出的那样，信息化包括“工具信息化”和“观念信息化”两个基本的方面，而且在一定程度上，观念信息化的水平决定着单位（或部门）、行业乃至国家信息化的进程、效率和水平。在信息处理过程中使用计算机和网络技术之前，首先要认识、揭示和描述相关过程的信息本质和特征。一个单位，一个行业，乃至整个国家，它们本身都是复杂的、多层次的网络信息系统。对这些网络信息系统的结构、功能和动力学机制的认识越深刻，所设计和开发出来的信息支持系统就越好用、越高效。比如，在生物信息学领域中有关信息处理系统的开发，就必须有计算机、网络信息专家和生物学、医学专家的密切配合；对生物的、基因的信息过程了解的深度不仅影响，甚至决定着计算机网络系统建设的水平。

据统计，截止2005年，全国高等教育设有信息类相关专业点2021个，在校生127万。其中设有计算机类专业的本科院校498所，招生26万人。目前，在所有专业（包括文、史、哲、经等人文、社会科学专业）的课程设置中，几乎一无例外地包含两门以上的计算机课程。在理、工、农、医等专业中，学生还必须学习若干计算机应用方面的课程。应当说，工具信息学和领域信息学，也就是“工具信息化”方面的教育已经相当普及和深入。但是，我们认为，理论信息学课程的缺乏使得同学们“观念信息化”方面的知识比较薄弱，在一定程度上影响了学习应用信息学的兴趣和积极性，限制了他们把计算机和网络知识同本专业实践相结合的广度和深度。

为了加强观念信息化教育，我们以李宗荣的博士学位论文《理论信息学：概念、原理与方法》为试用教材，在湖北大学为全校本科生开设《信息科学基础理论》公共选修课，然后在北京师范大学和华中科技大学为研究生开设《理论信息学》选修课，取得了比较明显的效果。同学们都结合所学专业写出了有一定创新意义的课程论文。其中，在学术期刊上发表9篇，在两个全国会议上发表8篇。关于理论信息学研究成果的介绍与讨论，引起了老师和同学们的广泛兴趣，于是决定将“试用教材”修改、充实，正式出版，作为本科高年级学生和研究生的课程教材以及相关人员在职学习与培训的参考书。

全书分为五编。它的中心内容是理论信息学的概念、原理与方法（第二编和第四编）。主要内容还包括它在整个信息科学知识体系中的地位（第一编），它的应用与发展（第五编）。“信息能”概念的提出及其合理性论述，是本书的重要理论特色。它继维纳之后，把我们对宇宙构成要素的认识，由（物质、能量、信息）“三元论”发展为（物质、能量、信息、智能）“四元论”。第三编是对信息能概念的展开叙述。

我们编排15章书的基本思路是：第1章，绪论，开宗明义地提出理论信息学所要解决的特殊问题。问题意识不同，是它区别于应用信息学和其他学科的主要理由。第2章，信息科学及其发展简史，介绍整个信息科学的框架结构，说明理论信息学在其中的地位和作用。第3章，“理论信息学的研究对象：应用信息学”，比较浅显的介绍了三门工具信息学（计算、通信、控制），三门自然信息学（化学、生物、医学）和三门社会信息学（语言、传播、心理）。第4章，理论信息学的产生与发展，介绍了国内外的研究现状，问题和成果。第5章着重讨论信息的定义、分类及其“二重性”特征，第6章讨论理论信息学的一个新概念“信息能”和对于宇宙要素三元论的补充——“四元论”，第7章介绍理论信息学的三个基本定律。第8章介绍信息能与物质能的统一与进化，第9章介绍生命世界中的信息进化论，第10章说明“智能”是人类社会发展的根本动力。第11章介绍“两个世界”理论和信息科学的世界观，第12章介绍理论信息学方法论。第13章介绍理论信息学的若干应用。为了提高读者对理论信息学研究的兴趣、促进学科的成熟，本书的第14章讨论了理论信息学研究的目标、方法和需要进一步研究的若干问题。

在本书的编写过程中，我们征引了大量的参考文献，并力求引文规范，在此对全部论著的作者表示感谢。但是，作为概论性教材，经常需要综合叙述，把几家之说“揉”到一起，这时较难一一注明出处。若有不当，敬请谅解，欢迎联络。在介绍应用信息学基本知识的时候，我们较为完整地引用了比较有代表性的学术专著的“绪论”部分，少有改动，所以第3章的每一节各自具有原著的特色。第10章也有较多的引用。对于“试用教材”，几乎全部照搬；若要加注，则过于繁琐，故一概略去。

本书把俄罗斯自然科学院院士，俄罗斯科学院信息化问题研究所首席研究员，技术科学博士，K.K.教授的研究论文《信息革命和基础信息学》作为附录介绍给读者。科林在他的论文中提出了一个建立全球信息社会、信息科学知识体系、信息科学世界观、信息科学方法论的发展纲领，论述了信息科学的哲学基础以及新的教育哲学。他一针见血地指出：“现代文明的世界观危机其实就是全球性危机。所有其他危机现象(政治、经济、社会和社会学性质的危机现象)只是同一个主要原因——世界观危机的合乎规律的结果。人类迫切需要新的世界观和新的社会意识，这种世界观和社会意识应该成为形成新文明的基础。这种新文明应该能对抗使人类走向自我毁灭的全球破坏过程。毫无疑问，许多学者正努力促其形成的新科学范式应当成为这种世界观的核心。”“在未来几十年内，可以期待具有普遍科学意义的新的重大成果出现，而这些成果很可能允许形成新的完整的世界科学图景、新的科学世界观以及科学研究的新方法。”

我们认为，以物质与信息关系模型为基础，图灵和冯·诺伊曼的“计算”模型就是信息时代的“新科学范式”。就是它，就构成了“新的完整的世界科学图景、新的科学世界观以及科学研究的新方法”。从日常生活中的“傻瓜”照相机、手机，到办公室的电脑系统、诗人和艺术家的创造，以及人机对弈和运动场上的足球机器人，无一例外地出没着“计算模型”的幽灵。除了数值计算，还有符号计算，模拟计算等等。通信（信源、信道、信宿）只能解决信息载体所处空间位置的改变，存储和载体的转换才能解决信息所处时间位置的改变，计算才能综合运用通信、存储、程序控制等功能实现信息生产。从本质上看，信息主义就是计算主义，信息时代就是计算时代，信息化就是计算化。实现信息科学的世界观和方法论功能，就是要在学术界和全社会普及计算模型这样一种新的科学范式。

一般地说，各门应用信息学是理论信息学研究的“原始数据”，是理论信息学结论接受检验的一类“实验场所”。我们提倡的“新的科学范式”和信息科学世界观，主要基于这三门工具信息学的知识。完全离开应用信息学的具体知识，理论信息学的概念、原理和方法就成了无源之水、无本之木。对于较少受到关于“计算模型”训练的人文社会科学领域的读者，情况更是如此。所以，我们的第3章花了相当的篇幅介绍三门工具信息学和六门有代表性的自然信息学和社会信息学。在此，感谢陈少华和朱志先起草了第三章第三节中简介传播信息学和心理信息学的文稿。

这里，我们要感谢奥地利维也纳大学霍夫基尔希纳教授和西班牙萨拉戈萨大学迈里尤恩教授为本书写了序言，特别感谢李宗荣的博士后研究导师，加拿大皇家学会会员、麦吉尔大学M.邦格教授,为本书作了序言。还要感谢中国科学技术出版社的领导和编辑，他们的工作剔除了书稿中的若干错误，使本书改进很多、大为增色。

本书的作者从1987年以来，致力于计算机科学技术与传统自然科学和人文社会科学学科的交叉与结合。20多年来，目标越来越清晰，研究越来越深入，积累越来越丰富，“市场”越来越广阔。我们目标是：开拓进取，推陈出新，在国内外信息科学基础理论研究领域中独树一帜。但是，理论信息学处于建立和发展的初期，已经解决的问题和实际存在的问题相比，少之又少。由于没有可以参照的范本，我们在综合国内外学者的成果的基础上构造出第一个理论框架，可以想象，其中必然错漏多多。

而且，同物质产品一样，精神产品的优劣也要以“用户”（读者）的评价为准，它要经受实践和时间的检验。我们希望能够听到不同的声音，欢迎展开讨论。联系方式为：电子邮件，zrli@hubu.edu.cn。

                                                  编者，2009年6月16日。

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