Развитие информатики как фундаментальной естественной науки Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

і

Информатика. Теория и методика

ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ

В. В. Гриншкун,

И.В. Левченко

Развитие информатики

как фундаментальной естественной науки

В последнее время в многочисленных публикациях рассматриваются особенности совершенствования содержания обучения информатике на всех ступенях системы образования. Все чаще в таких публикациях речь идет о фундаментализации обучения информатике или обосновывается необходимость сделать содержание обучения более фундаментальным. С этим невозможно не согласиться, учитывая общие тенденции модернизации отечественной системы образования, направленной на фундаментализацию подготовки школьников и студентов. Однако многие авторы, говоря о необходимости фундаментализации содержания обучения информатике, упускают из виду тот факт, что процессы фундаментализации также характерны и для науки информатики благодаря тому, что именно развитие науки влечет за собой в большей степени изменения в содержании обучения. Существующая взаимосвязь науки и учебной дисциплины делает необходимым при проектировании методики обучения и для определения содержания обучения этой дисциплине выявить, каково место науки в системе научного знания, что она изучает, каков ее объект и предмет, каковы ее методы и средства, в чем ее особенности. В настоящей статье хотелось бы остановиться более подробно на фундаментализации информатики как науки с позиции поиска путей совершенствования содержания обучения соответствующей учебной дисциплине.

Примечательно, что до сих пор отсутствует общепринятое мнение о статусе информатики как отрасли науки. Становление информатики как науки относится к середине XX века, когда были созданы первые электронно-вычислительные машины, опубликованы фундаментальные труды

Н. Винера, К. Шеннона и фон Неймана. После публикации в 1948 году книги Н. Винера «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине» [5] в научный обиход вошел термин «кибернетика», которым определи-

ли науку об управлении и связи в системах различной природы. Вскоре был введен англоязычный термин «computer science» (компьютерная наука), получивший широкое распространение в США, Канаде и некоторых латиноамериканских странах для обозначения дисциплины, само название которой подчеркивает компьютерную ориентацию данной области научных исследований и прикладных разработок [4].

До сих пор ведутся дискуссии по поводу того, является ли computer science научной или инженерной дисциплиной. Многие американские ученые, и среди них Д. Кнут [13], считают, что computer science является научной дисциплиной, которая, прежде всего, изучает алгоритмы и их свойства, что невозможно без знаний о компьютерах. Кроме этого были введены такие термины, как «information science» — область знания, изучающая научнотехническую информацию и коммуникации в науке; «computer engineering» — инженерная дисциплина, изучающая прикладные направления компьютерной реализации. В настоящее время американскими учеными предложен термин «computational science» (вычислительная наука) для обозначения области знания и сферы деятельности, связанных с созданием алгоритмов решения задач, имитационным компьютерным моделированием различных явлений и процессов в науке и технике, а также с созданием программного обеспечения для целей имитационного моделирования [15].

В начале 60-х годов прошлого века французские ученые ввели термин «informatique» (информатика), образованный от двух слов «informatione» (информация) и «avtomatique» (автоматика), который получил распространение в Европе и использовался для обозначения области автоматизированной переработки информации в обществе [8].

В России для именования новой дисциплины термин «информатика» был предложен А.А. Харкевичем в 1962 году, а в 1963 году Ф.Е. Темников понятие «информатика» связал с системами сбора, передачи, хранения и обработки данных. Ф.Е. Темников [21] определил информатику как науку об информации вообще, состоящую из теории информационных элементов, теории информационных процессов и теории информационных систем. Однако вначале это определение научное сообщество должным образом не оценило и наиболее раннее употребление термина «информатика» было связано с областью научной и научно-технической информации, библиотековедением и документоведением. Поэтому первоначально информатика рассматривалась как «дисциплина, изучающая структуру и общие свойства научной информации, а также закономерности ее создания, преобразования, передачи и использования в различных сферах человеческой деятельности» [3]. Однако начиная со второй половины 1970-х годов термин «информатика» стал широко использоваться для обозначения научной дисциплины, и именно в нашей стране впервые были сформированы представления об информатике как о фундаментальной науке, имеющей важное междисциплинарное, научно-методологическое и мировоззренческое значение [18].

Многие ведущие отечественные ученые — такие, как Е.П. Велихов, В.М. Глушков, А.П. Ершов, B.C. Михалевич, Н.Н. Моисеев, Б.Н. Наумов и

некоторые другие, понимая важность инструментально-технологических аспектов развития информатики, более 20 лет тому назад утверждали, что ее область не ограничивается только ими, а является гораздо более широкой. В качестве доказательства можно сослаться на несколько цитат из публикаций этих авторов.

«Информатика охватывает очень широкую область обработки информации, гораздо более обширную, чем создание вычислительных машин и математического обеспечения» (Е.П. Велихов, 1983 год) [15: с. 8].

«Понятие информатики охватывает области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием системы обработки информации, включая машины, оборудование, математическое обеспечение, организационные аспекты, а также комплекс промышленного, коммерческого, административного, социального и политического воздействия» (В.М. Глушков, 1983 год) [1].

Термин «информатика» понимается «...как название фундаментальной естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации. При таком толковании информатика оказывается более непосредственно связанной с философскими и общенаучными категориями, проясняется и ее место в кругу «традиционных» академических дисциплин» (А.П. Ершов, 1986 год) [8: с. 28].

Информатика изучает «...все аспекты разработки, проектирования, создания, оценки, функционирования машинизированных (основанных на ЭВМ) систем переработки информации, их применения и воздействия на различные области социальной практики» (В.С. Михалевич,

1986 год) [16].

«Зародившись в недрах науки о процессах управления — кибернетики, информатика... на наших глазах из технической дисциплины о методах и средствах обработки данных при помощи средств вычислительной техники превращается в фундаментальную естественную науку об информации и информационных процессах в природе и обществе» (Н.Н. Моисеев,

1987 год) [17].

«Информатика — естественная наука, изучающая общие свойства информации, процессы, методы и средства ее автоматизированной обработки» (Б.Н. Наумов, 1985 год) [11].

Несмотря на то, что определения информатики, предложенные российскими учеными, неоднозначны, они характеризуют информатику как фундаментальную науку. Особого внимания заслуживает тот факт, что уже тогда информатику определяли как естественную науку, изучающую закономерности работы с информацией в системах различной природы, а также способы и средства автоматизации информационных процессов.

Для установления существа любой науки важно определить ее объект и предмет. В науке объектом называют область действительности, на которую направлена деятельность исследователя. Предмет — способ видения объекта с позиции этой науки, посредствующее звено между субъектом и объектом исследования. В предмет науки входят наиболее существенные

аспекты исследования, главные свойства и признаки. При определении предмета науки необходимо учитывать не только ее объект, но и аспект отражения наукой ее объекта.

В мировом научном сообществе нет единой точки зрения на объект и предмет исследований информатики. Дискуссии об этом начались более 20 лет тому назад и продолжаются до сих пор.

А.А. Дородницын [7] подчеркивал, что без алгоритмов предмета информатики не существует, и к компонентам информатики относил компьютерно-ориентированную триаду: аппаратные средства (hardware), программные средства (software) и алгоритмические средства (brainware). В.К. Бе-лошапка [2] считает, что предметом изучения информатики является новый системно-информационный язык, предназначенный для описания моделей и, соответственно, сами эти модели как конструкции языка. И.В. Гриценко [6] в качестве предмета информатики определил технологию сбора, обработки и передачи информации. Ю.М. Каныгин [12] в качестве объекта информатики определяет автоматизированные информационные системы различного класса и назначения, основанные на вычислительной и телекоммуникационной технике. JI.C. Козачков [14] считает, что объектом изучения информатики являются технологии построения, анализа и использования человеко-компьютерного (программного) знания, а предметом — информационные модели. В.Д. Ильин [10] предлагает предметом информатики считать процесс создания, накопления и применения знаний.

А.П. Ершов отмечал: «Сознавая некоторую относительность деления наук на естественные и общественные, мы все же относим информатику к естественно-научным дисциплинам в соответствии... с представлением о единстве законов обработки информации в искусственных, биологических и общественных системах. Отнесение информатики к фундаментальным наукам отражает общенаучный характер понятия информации и процессов ее обработки. Информатика как самостоятельная наука вступает в свои права тогда, когда для изучаемого фрагмента мира построена так называемая информационная модель. И хотя общие методологические принципы построения информационных моделей могут быть предметом информатики, само построение и обоснование информационной модели является задачей частной науки... Информационная модель — это то сопряжение, через которое информатика вступает в отношения с частными науками, не сливаясь с ними, и, в то же время, не вбирая их в себя» [8: с. 29-30]. С точки зрения А.П. Ершова «информатика — это находящаяся в процессе становления наука, изучающая законы и методы накопления, передачи и обработки информации с помощью ЭВМ, а также (в переносном смысле) область человеческой деятельности, связанной с применением ЭВМ» [9: с. 6].

В этих высказываниях А.П. Ершов признает фундаментальность науки информатики, общенаучный характер понятия информации и процессов ее обработки, единство законов обработки информации в искусственных, биологических и общественных системах. Делая обобщение существующих подходов, можно заключить, что объектом изучения науки информатики яв-

ляются информационные процессы, имеющие общие закономерности в системах различной природы, а предметом — общие методологические принципы построения информационных моделей. Кроме этого очевидно, что методы информатики востребованы в различных областях научного познания.

В последние годы такая точка зрения на место информатики в системе наук приобретает все больше сторонников, среди которых такие ученые, как А. А. Кузнецов, С. А. Бешенков, К.К. Колин, М.В. Швецкий, М.П. Лап-чик, Т.А. Вороненко и другие.

Созвучно таким мнениям и наше представление о науке информатике. В связи с этим современную информатику можно определить как фундаментальную естественную науку. Объектом изучения информатики являются информационные процессы, протекающие в системах различного происхождения: в системах живой (биологической системе) и неживой (физической системе) природы, в социальных и технических системах. Информатика изучает то общее, что свойственно всем информационным процессам. Предметом изучения информатики являются общие принципы построения информационных моделей (формализованного описания информационных процессов), а также методы и средства их автоматической реализации (информационных технологий). Информатика в качестве основных методов научного познания мира использует формализацию, системный анализ, моделирование (информационное и компьютерное), алгоритмизацию и компьютерный (вычислительный) эксперимент.

Понятие «информация» является родовым понятием науки информатики, а понятие «информационный процесс» — ключевым, методологически значимым, главным для определения предметной области информатики. А.П. Ершов писал: «Информация, являясь общенаучной категорией, сближает некоторые разделы информатики с философией, а в остальные разделы информатики входит посредством более специфических понятий информационной и математической моделей, данных, алгоритма и программы. Используемые при этом понятия «ЭВМ», «компьютер», «процессор» относятся не только к тем или иным техническим машинам, но и к любому физически реальному или мыслительному процессу формальной обработки информации» [9: с. 11]. Именно фундаментальность понятия информации и ключевая роль информационных процессов в развитии живой и неживой природы являются теми основными факторами, которые выдвигают информатику на уровень фундаментальных наук.

В связи с определением информатики как самостоятельной науки необходимо решить вопрос о ее разграничении с кибернетикой и математикой, генетическая связь с которыми активно обсуждалась при зарождении и становлении информатики.

Кибернетика, являясь наукой об управлении, предполагает информационное взаимодействие субъекта и объекта управления. Информатика не растворяется в кибернетике, поскольку существуют информационные процессы, которые нельзя отнести к управлению (выполнение научных расчетов, обработка данных) и изучение закономерностей которых является

объектом информатики. В отличие от кибернетики информатика изучает конкретные способы переработки, передачи и использования информации (информационные технологии) в реальных системах [16].

Хотя в качестве одного из формальных языков наука информатика использует язык математики, а также изучает теорию алгоритмов, информатика не является частью математики. Если объекты, изучаемые математикой, формальны изначально, то задачей информатики является моделирование исходно неформальных объектов средствами формализованных языков [2]. Если математика разрабатывает математические модели и алгоритмы решения математических задач, то информатика рассматривает теорию построения алгоритмов, проектирование и эффективную реализацию информационных моделей для решения информационных задач. Поэтому сведение информатики к прикладной математике или к математической информатике не является оправданным. Так называемая математическая информатика [20] — составная часть теоретической информатики.

Можно утверждать, что информатика должна квалифицироваться как самостоятельная отрасль фундаментальной науки, имеющая отличные от других отраслей науки объект, предмет и методы исследования.

С использованием методов информатики ученые могут изучать самые разнообразные проблемы, что подтверждается в последние годы научными публикациями. Это и биофизические процессы головного мозга, и физические силы галактик, и распространение инфекционных болезней, и крупномасштабные природные катаклизмы, и многое другое. Хотя отдельные аспекты проявления информационных процессов в различных информационных средах могут исследовать различные науки, но кроме информатики никакая другая научная дисциплина не изучает законы и методы работы с информацией, закономерности протекания информационных процессов в системах различной природы. Кроме этого, использование методов информатики позволяет не только приобретать принципиально новые фундаментальные знания о живой и неживой природе, обществе и технике, но и формировать системно-информационную картину мира, современное научное мировоззрение и культуру человека информационного общества. Следовательно, информатика как фундаментальная наука становится ключевой составляющей всей системы научного познания и будет в значительной степени определять пути развития науки, техники и общества.

Разнообразие подходов к определению объекта и предмета исследований информатики в процессе ее становления и развития, расширение сферы научных интересов и практических приложений информатики явились причинами неоднократного изменения представления о структуре и содержании предметной области информатики как фундаментальной науки.

В одной из первых структур, предложенной Ф.Е. Темниковым [21] еще в начале 1960-х годов, выделялись три сегмента предметной области информатики, которые различались по уровню сложности изучаемых информационных объектов: элементы информатики, информационные процессы и информационные системы. Хотя предложенная точка зрения не нашла в то

время должного понимания среди специалистов, ее учитывают при формировании одной из современных структур предметной области информатики.

С учетом выделения теоретических и прикладных аспектов информатики, а также проблем, связанных с разработкой аппаратных и программных средств информатики в середине 1980-х годов, академиком Б.Н. Наумовым [11] были предложены соответствующие направления: теоретическая информатика, прикладная информатика и техническая информатика. Данная структура предметной области информатики была позитивно воспринята, несмотря на то, что не был предложен единый критерий классификации. В настоящее время эта структура потеряла свою актуальность, поскольку не содержит отдельных направлений, ориентированных на нетехнические аспекты информатики.

В структуре, предложенной Д.А. Поспеловым [19] в конце 1990-х годов, выделено довольно большое количество направлений исследования информатики, в числе которых теория алгоритмов, логические модели, базы данных, искусственный интеллект, бионика, распознавание образов и обработка зрительных сцен, теория роботов, инженерия математического обеспечения, теория компьютеров, числовые и символьные вычисления, системы человеко-машинного взаимодействия, нейроматематика и нейросистемы, использование компьютеров в замкнутых системах. Однако такое детальное описание предметной области информатики хотя и отражает расширение сферы ее интересов, но все-таки не учитывает все вопросы, изучаемые информатикой как фундаментальной наукой. Так, например, в эту структуру не включены методы измерения информации, проблемы информационной безопасности и информатизации общества. Следует выделять более крупные направления предметной области информатики, которые в дальнейшем будут уточняться.

В настоящее время в информатике в качестве самостоятельных научных направлений активно развиваются социальная информатика, биологическая информатика, физическая информатика, а также направление, связанное с развитием компьютерной техники. Указанные направления отражают основные виды информационной среды, в которых могут происходить информационные процессы. В неживой природе выделяют физиосферу (естественную среду неживой природы) и техносферу (искусственную среду, созданную человеком), а в живой природе различают биосферу (естественную природную среду живых организмов и растений) и социосферу (человеческое общество). При этом предполагается, что в каждом из перечисленных выше четырех видов природной среды существует своя разновидность информационной среды, в которой реализуются информационные процессы и которая оказывает существенное влияние на специфику проявления в данной среде общих информационных закономерностей, изучаемых теоретической информатикой. В связи с этим многие представители научного сообщества рассматривают информатику не только как фундаментальную науку, но и как комплексное научное направление практической деятельности.

Современные тенденции развития информатики как фундаментальной науки связаны с проникновением ее методов практически во все области научного познания. Прежде всего, это возможность интеграции и обработки больших объемов научных информационных ресурсов, резкое сокращение времени доступа к результатам научных исследований, а также информационный подход к анализу различных объектов, информационное моделирование и наглядная компьютерная визуализация полученных результатов. Сегодня методология фундаментальной информатики находит все большее распространение в теории систем, синергетике, общей физике, квантовой механике, теоретической биологии, физиологии, генетике, социологии и других научных дисциплинах. Такая востребованность не только дает новый импульс для развития научных исследований на стыке информатики с другими науками, но также обогащает и саму информатику новыми идеями и перспективными научными направлениями.

Среди актуальных проблем современной информатики можно выделить: концептуальный поиск информации в электронных библиотеках, который основывается на знании теории информации, семантики и семиотики; развитие систем искусственного интеллекта, основанное на концепции активного элемента; разработка средств информатики, основанных на использовании принципов нейронных сетей и нейросетевых алгоритмов для решения плохо формулируемых задач; создание теоретической базы для разработки методов и инструментальных средств оптимальной организации социально значимых информационных процессов, для проектирования и эффективной реализации информационных технологий; создание и эффективное использование информационных технологий для обучения; создание сверхминиатюрных устройств на основе использования нанотехнологий; создание средств квантовой информатики. Очевидно, что подобная интеграция информатики и других наук и даже, более того, базирование отдельных научных отраслей и направлений на достижениях информатики свидетельствует о сформированное™ информатики в качестве полноценной фундаментальной естественной науки.

Многообразие подходов к определению предмета и основных задач информатики как науки в значительной степени обусловлено многообразием современных представлений об информации, которое является фундаментальным понятием современной науки. Это понятие настолько сложно и многоаспектно, что до сих пор в науке не найдено его достаточно общего определения.

Анализ существующих определений содержания термина «информация» показывает, что в них используются два основных подхода: атрибутивный (информация — неотъемлемый семантический атрибут материи как живой, так и неживой природы) и функциональный (информация — одна из функций жизни, и значит, в неживой природе она не существует).

Признание информации не только как общенаучной категории, но и как семантического свойства любой материи, а также ключевой роли информационных процессов в развитии живой и неживой природы позво-

ляет сформировать принципиально новую картину мира на основе взаимосвязанной триады фундаментальных понятий: «вещество» - «энергия» -«информация». Поэтому дальнейшее развитие фундаментальных основ информатики имеет важное философское и научно-методологическое значение.

Таким образом, на основании проведенного анализа следует признать актуальность и обоснованность дальнейшего развития информатики как фундаментальной науки, которая сегодня приобретает все более важное общенаучное и междисциплинарное значение. Результаты развития фундаментальных основ информатики должны оперативно внедряться в российскую систему образования. Для понимания и осознанного использования современных научных открытий школьникам и студентам необходимы фундаментальные знания, требуется фундаментальное научное образование. Современное состояние информатики как фундаментальной науки необходимо адекватно отразить в рамках развития содержания вузовских и школьных курсов информатики, а также при совершенствовании методической подготовки учителей информатики к профессиональной деятельности.

Литература

1. Беликов Е, 77. Об организации в Академии наук СССР работ по информатике, вычислительной технике и автоматизации // Вестник АН СССР. - 1983. - № 6.

2. Белошапка В. К. О языках, моделях и информатике // Информатика и образование. - 1987. - № 6. - С. 14.

3. Большая советская энциклопедия. - 3-е изд. - Т. 10. - М.: Советская энциклопедия, 1972.-С. 348.

4. Велихов Е.П. Информатика — актуальное направление развития советской науки // Кибернетика. Становление информатики. - М.: Наука, 1986.-С. 10-21.

5. Винер Н. Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине. -М.: Наука, 1983. - 340 с.

6. Гриценко В, И., Панъшин Б. Н. Информационная технология: вопросы развития и применения. - Киев: Наукова думка, 1988. - С. 87.

7. Дородницын А. А. Информатика: предмет и задачи // Кибернетика. Становление информатики. - М.: Наука, 1986. - С. 25.

8. Ершов А. 77. Информатика: предмет и понятие // Кибернетика. Становление информатики. - М.: Наука, 1986. - С. 28-31.

9. Ершов А, 77. Школьная информатика в СССР: от грамотности к культуре//Информатика и образование. - 1987.-№ 6.-С. 3-11.

10. Ильин В.Д. Система порождения программ. - М.: Наука, 1989.

11. Информатика и компьютерная грамотность: Сборник научных трудов ИЛИ АН СССР / Отв. ред. Б.Н. Наумов. - М.: Наука, 1985.

12. Каныгин Ю. М., Калитич Г. И. Основы теоретической информатики. -Киев: Наукова думка, 1990. - С. 32.

13. Кнут Д. Алгоритмы в современной математике и вычислительной науке // Алгоритмы в современной математике и ее приложениях: Материалы международного симпозиума. Ч. 1. — Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1982. - С. 64.

14. Козачков Л. С. Прикладная логика информатики. - Киев: Наукова думка, 1990.-С. 25-28.

15. Колин К. К Становление информатики как фундаментальной науки и комплексной научной проблемы: Сборник научных трудов // Системы и средства информатики. Спец. выпуск «Научно-методологические проблемы информатики» / Под ред. К.К. Колина. - М.: ИЛИ РАН, 2006. - С. 7-57.

16. Михалевич В. С., Каныгин Ю. М., Гриценко В. И, Информатика — новая область науки и практика // Кибернетика. Становление информатики. - М.: Наука, 1986.-С. 31-36.

17. Моисеев Н. Н. Алгоритмы развития. - М.: Наука, 1987.

18. Политика в сфере образования и новые информационные технологии. Национальный доклад России. 2-й Международный конгресс ЮНЕСКО «Образование и информатика» (Москва, 1996). - М.: ИИТО ЮНЕСКО, 1997.

19. Поспелов Д, А, Становление информатики в России // Информатика. -1999.-№ 19.-С. 7-10.

20. Семенов А, Л. Математическая информатика в школе // Информатика и образование. - 1995. - № 5. - С. 54-58.

21. Темников Ф.Е. Информатика // Известия вузов. Электромеханика. -1963. -№ 11.