Н.М. Закарлюк

ИНФОРМАТИКА КАК НАУКА И  КАК ВИД

ПРАКТИЧЕСКОЙ  ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

(г.  Нижний Тагил,  Нижнетагильская  социально-педагогическая  академия)

Краткий исторический экскурс. Основные понятия. Понятие информатики многозначно. Существует, по крайней мере, четыре содержательных понимания термина «информатика» [1]: наука, отрасль экономики, сфера человеческой деятельности, технологии (рис.1).

Термин  «информатика» появился в начале 60-х гг. (1962 г.) практически одновременно во Франции (Ф. Дрейфус) и у нас  в стране (А.А. Харкевич). В 1963 г. в журнале «Известия вузов. Электромеханика», № 11 была опубликована статья Ф.Е. Темникова «Информатика». В ней была сделана попытка определить состав интегральной науки об информации, как совокупность трех составных частей – теории информационных элементов, теории информационных процессов и теории информационных систем. Однако, впоследствии закрепился французский (более узкий) вариант трактовки термина «информатика» (от французского informatique), как науки об ЭВМ и их применении.

Все же первоначально под информатикой у нас понимали науку, связанную, прежде всего, с научной или научно-технической  информацией и определяли как «научную дисциплину, изучающую структуру и общие свойства научной информации, а также закономерности всех процессов научной коммуникации» [1].

    Несмотря  на доминирующую роль вычислительной техники (ВТ) в развитии информатики  конца 20 века сегодня уже немыслимо  простое отождествление информатики  с теорией и практикой построения и использования ВТ. Формирование исходных теоретических основ и понятий информатики началось еще до появления первых электронных и даже релейных компьютеров. Своим развитием информатика обязана ряду наук, в том числе математике, логике, теории связи, электронике, теории управления, лингвистике, кибернетике. Так, в математической логике выработаны концепции формального языка, алгоритмов и исчисления в общем смысле. Такие понятия, как булевские функции и машина Тьюринга, оказали прямое влияние на архитектуру компьютеров.

Попытки определить информацию и информатику делаются постоянно. Диапазон подходов и предложений весьма широк, включая весьма экзотические, связанные, например, с духовно-религиозной трактовкой природы информации и информационного взаимодействия во вселенной. Предлагаются новые наименования – информология, информономия, информациология, информатистика, инфотроника, информатология, информодинамика (рис. 2). Причина их появления заключается в разной трактовке базового понятия - информации. Пока наиболее распространены термины «информатика» и «computer science» (последний – в англоязычных странах), существенно различающиеся по своему содержанию.

Приведем  наиболее характерные определения  информатики, данные ведущими российскими  и зарубежными специалистами  в этой области.

Приведем наиболее характерные определения информатики, данные ведущими российскими и зарубежными специалистами в этой области.

• Информатика – это название фундаментальной естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации (А.П. Ершов).
• Информатика – это наука об осуществляемой преимущественно с помощью автоматических средств целесообразной обработке информации, рассматриваемой как представление знаний и сообщений в технических, экономических и социальных областях (Французская академия наук).
• Информатика – это наука, техника и применение машинной обработки, хранения и передачи информации (М.Брой, Германия).
• Информатика – комплекс научно-практических дисциплин, изучающих все аспекты получения, хранения, преобразования, передачи и использования информации. Как наука, она изучает общие закономерности, свойственные информационным процессам [2].

К компонентам  информатики часто относят «привязанную»  к ЭВМ триаду: аппаратные средства (hardware), программные средства (software) и методы – модели – алгоритмы (brainware). Считается, что в области создания аппаратных и программных средств информатики Россия отстает от мирового уровня на 10-15 лет. Результаты же фундаментальных исследований, особенно в области brainware, пока не уступают, а нередко превосходят мировой уровень, например, в математическом моделировании, теории программирования, теории передачи информации.

Различные представления о  структуре информатики. Для подробного представления существующих взглядов на информатику, проблемах и перспективах развития рассмотрим несколько ее характерных срезов.

    1. По направлениям. Междисциплинарность информатики позволяет вычленить в ее составе вполне самостоятельные (по предметам и методам исследований) направления: теоретическую, техническую (и / или прикладную), социальную и биологическую информатику.

К теоретической информатике относят целый спектр дисциплин, примерный перечень которых приведен ниже.

Техническая (прикладная) информатика изучает принципы и методы функционирования и построения технических средств информатики – вычислительной техники, средств телекоммуникаций, оргтехники, а также прикладные основы создания информационных технологий.

Социальная информатика изучает общие закономерности информационного взаимодействия в обществе, включая проблемы социальной коммуникации, формирования информационных ресурсов и информационного потенциала общества, информатизации общества, особенностей информационного общества. Здесь же рассматриваются междисциплинарные проблемы типа «информатика-искусство» (музыка, живопись, архитектура, кино) и «информатико-социокультурные системы» (психология, социология, юриспруденция, педагогика), экономические, правовые, психологические, этические аспекты информатики.

Биоинформатика рассматривает общие закономерности и особенности протекания информационных процессов в объектах биосферы (живых организмах и растениях).

Подобная  структуризация информатики (рис. 3) широко распространена и в Российском образовании [4].

Рис. 3. Современные представления  о предметной области  образовательной  информатики 

2. По объектному  признаку [1]. Эта структуризация информатики (рис. 4) наиболее практична в организационном отношении (при организации исследований, информатизации объектов). Схема на рис. 4 иллюстрирует логическую связь между основными объектами информатики – информацией, информационными процессами и информационными технологиями, на базе которых создаются информационные системы. Различные направления информатики объединены благодаря представлению информационных технологий в виде признанной триады – аппаратное (hardware), математическое и программное (brain-software), организационно-методическое (orgware) обеспечение.

Цифрами на рис.4 отмечены основные научные  дисциплины, формирующие сегодняшние  теоретические основы информатики:

1 –  статистическая (шенноновская, классическая) теория (передачи) информации, философские  аспекты, качественная теория  информации, когнитология, криптография;

2 –  теория информационных процессов;

3 – теоретические основы вычислительной техники и вычислительных сетей – теория связи;

4 – теория моделирования, теория языков программирования, теория алгоритмов, инженерия знаний, искусственный интеллект, многоагентные системы, базы данных, распознавание образов, теория роботов;

5 – теория синтеза организационных структур, методы управления разработками и программами.

Перечень  этих дисциплин, естественно, будет  пополняться и изменяться. Почти все дисциплины, за редким исключением, переживают этап формирования.

Наиболее  характерным в этом отношении  является направление искусственного интеллекта, в рамках которого, по мнению Американской ассоциации искусственного интеллекта, выделяются четыре основных:

• создание интеллектуальных систем моделирования;
• обеспечение интеллектуального доступа к глобальным информационным ресурсам
• создание интеллектуальных тренажеров в различных областях человеческой деятельности;
• создание команд роботов, совместно выполняющих задания в различных, в том числе опасных средах.

Одним из интересных направлений развития информатики является речевая информатика (общение компьютера и человека на естественном языке). Область приложения компьютерных речевых технологий огромна. Это системы речевого управления станками, роботами, транспортными средствами, системы устного перевода, справочные системы, системы речевого доступа к базам данных и знаний, системы речевого общения в Интернете, и т. д.

В последние  годы информатика в России – объект пристального внимания государства. Так, в перечень критических технологий РФ на период до 2010 года, одобренный правительственной комиссией по научно-инновационной политике входят следующие:

1. Высокопроизводительные вычислительные системы;
2. Компьютерное моделирование;
3. Искусственный интеллект;
4. Информационно-телекоммуникационные системы;
5. Элементная база микроэлектроники, наноэлектроники и квантовых компьютеров;

6.  Распознавание  образов и анализ изображений.

Очевидно, что все они напрямую связаны с уровнем развития теоретической информатики и требуют его постоянного углубления.

Из рис. 4 видно также соотношение информатики  и информатизации. Информатизация – это глобальный социально-техногенный процесс массового применения информационных технологий (ИТ) во всех сферах человеческой деятельности для поддержания уровня информированности всех членов общества и его различных институтов, необходимого и достаточного для кардинального улучшения качества труда и условий жизни людей. Такое определение вполне можно назвать «технологическим», т.к. оно связывает информатизацию с ИТ. Философски же информатизация обеспечивает необходимые условия перехода человечества в новую стадию своего развития – информационное общество [1].

3. Структурно-функциональный  срез информатики. Подход к информатике как естественной науке (типа физики, биологии) позволяет четко выделить суть (ядро) теоретической информатики и соотнести ее с математикой. Для иллюстрации этого возьмем за основу типичную структурно – функциональную схему раздела естественной науки (рис. 5 а [5]) и «примерим» ее к разделу информатики, например, «Базы данных» (БД) (рис. 5 б). Аналогичным образом можно поступить и с другими разработанными разделами информатики. 

  Рис. 5. Упрощенная структура  раздела естественной науки (а)

                    и раздела информатики (б)

Из анализа  рисунков можно сделать следующие  выводы.

А) В  этом разделе информатики присутствуют практически все атрибуты естественной науки:

1) Есть математический слой (формализуемая средствами математики часть системы, объекта, процесса). Здесь математика выступает в роли языка для представления информации и описания процессов ее обработки. Например, алгебра отношений адекватно описывает реляционные БД (отсюда и название баз) (РБД). Методология нормализации отношений (разбиения таблиц) позволяет оптимизировать БД: сократить избыточность данных (сэкономить память), устранить возможные противоречия из-за хранения данных об одном и том же объекте в разных местах; позволяет описывать операции с таблицами (отношениями) БД – объединение, пересечение, разность, селекция, склеивание и т.д. Неформализуемый математикой «остаток системы» характеризует информатику как гуманитарную науку, в том смысле, что для его описания и представления информации используются методы и средства гуманитарных наук (семиотики, лингвистики, логики).

2) Есть модельный слой. В информатике аналогом идеальных физических моделей, составленных из «первичных идеальных объектов» (ПИО) (типа «материальная точка», «частица», «тело», «масса», «сила», «поле», «время», «скорость» и т.п.) являются информационные модели. Например, при создании РБД строят три типа моделей: инфологическую (это человеко-ориентированная модель данных, отражающая предметную область; представляется в виде т.н. ER-диаграмм «сущность-связь»; здесь используются свои ПИО – сущность (например, автомобиль), атрибут (например, тип, цвет), ключ, связь); даталогическую (она описывает логическую организацию данных на языке конкретной БД для доступа к ним по именам, а не по физическому расположению); физическую (описывает хранимые данные на физическом уровне: тип машинных данных, адресное расположение). Необходимость двух последних моделей связана с основным «экспериментальным прибором» – компьютером.

3) Есть экспериментальная часть. В информатике аналогом «приборов», эталонов, измерительных процедур являются т.н. исполнитель (ПК), шаблоны, формы, константы, интерфейс, методика работы с БД; вместо физического эксперимента выполняется вычислительный (компьютерный) эксперимент.

После «согласования теории с экспериментом», как и в любой естественной науке, создается новое знание (в рассмотренном примере – в виде теории БД).

Т.о., по структуре и процессу создания нового знания (раздела науки информатики) информатика может быть отнесена к естественным наукам.

Б) Сердцевина (ядро) теоретической информатики, основная творческая работа в ней связана  именно с модельным слоем –  созданием информационных моделей. Разумеется, математизация модели желательна, но не всегда возможна. В этом случае могут использоваться и не математические средства (лингвистические, логико-семиотические, графические и другие модели).

    В) Видно соотношение теоретической  информатики и математики. В чем  оно состоит? Теоретическую информатику  некорректно именовать «математической  информатикой». Иногда это явно указывается, как например, в содержании ГОС по информатике или часто подразумевается. При этом акцент явно переносится на математический слой, и ядро теоретической информатики «растворяется» в математике. Последствия такого подхода иногда не безобидны. Например, математическое моделирование т.н. открытых систем (уровня живого) «умерщвляет» их (делает закрытыми, а моделирование – ущербным), как метко замечено в [3], получается «исследование трупа». Наоборот, математическую информатику вполне рационально считать составной частью теоретической информатики. Естественно, при адекватном (разумном) моделировании математика является мощным средством для информатики, одним из ее языков. Поскольку информатика рассматривает любые языки как средства представления информации и описания информационных процессов, то для нее математический язык (как один из многих других) может рассматриваться как объект исследования, например для поиска наиболее эффективных для своих нужд форм представления чисел (плавающая – фиксированная точка и т.д.), систем счисления (2, 3, 8, 16) и т.п.

Информатика – аспектная наука. Информатика как наука формируется на срезе естественных, технических и общественных наук (рис. 6), которые в свою очередь могут иметь

Рис. 6. Место информатики  в системе наук

теоретический и / или прикладной характер. Как видно из рисунка, информатику можно рассматривать в качестве одной из аспектных наук, изучающую любые системы как информационные. На образовательную информатику распространяется «закон двойного вхождения дисциплин»: она существует как самостоятельная дисциплина и входит как специальный подход в другие дисциплины. Особо близки исторически «родственные отношения» информатики с кибернетикой. Были даже попытки рассматривать информатику как кибернетику на современном этапе развития и ввести синтезированное научное направление информатика-кибернетика.

Обосновывалось это тем, что:

а) кибернетика  и информатика развивались на единой технической базе – вычислительной технике и средствах связи и передачи данных;

б) основным предметом исследования в кибернетике  является управление. Но управление невозможно без информации. Поэтому кибернетика объективно была вынуждена заниматься вопросами сбора, обработки и передачи информации.

Системный подход к информатике. Целый ряд работ философского плана позволяет говорить о возможности системного подхода к информатике. Он основан на философской концепции обусловленности информационных процессов уровнями организации материи (неорганический, биологический, социальный). Ввиду предельной общности такой подход обеспечиваетв перспективе целостное отображение информационной картины мира (ИКМ – форма систематизации научных знаний об информации). Информатика при этом рассматривается как наука об информации, информационных процессах и системах (ИС) любой природы. Такая гипотетическая информатика рассматривает ИС и их компоненты со всех точек зрения – научной (информация и информационные процессы), технической (средства реализации ИС, носители информации и обрабатывающие устройства), технологической, экономической, экологической (информационная безопасность и безопасность информации), и др. Задача такой информатики – обобщенное теоретическое описание различных информационных процессов и систем. При этом неизбежно вводятся в оборот множество связанных с базовым (информация) понятий: информационная система, энтропия, избыточность, разнообразие, виды информации, количественные и качественные характеристики информации и информационных процессов, алгоритм, знак, модель, управление и другие.

Системный подход позволяет представить множества  «информационных наук» следующим образом (рис. 7).

Кругами и цифрами на рис.7 обозначены следующие  группы (множества) информационных наук.

1) Информационно-биологические  науки: генетика, неврология, рефлексология,  биосемантика (изучает знаковую  коммуникацию в животном мире) и др. Объектом этих наук является биологическая информация, предметом – различные аспекты биологической информации и информационных процессов. Это частные биологические науки.

2) Социально-коммуникативные  науки: журналистика, научная информатика,  педагогическая информатика, экономическая информатика, этносемиотика (изучает неязыковые знаки в человеческом обществе – позы, ритуалы, обряды), лингвосемиотика (изучает человеческие языки как знаковые системы), библиотековедение и др. Объектом этих наук является социальная информация, предметом – различные аспекты социальной информации и информационных процессов. Это частные общественные науки.

3) Информационно-технические  науки: автоматика, телемеханика, телевидение,  радиолокация, вычислительная техника,  измерительная техника, техника радиосвязи и т.д. Объект этих наук – машинная информация, предмет – различные её аспекты. Это частные технические науки.

4) Синергетика  ИП: распространяет понятие информации  на неорганическую природу; с  информационной точки зрения  – это теория самоорганизации  информационных процессов в системах  любой природы.

Общая для всей системы информационных наук теория информации, которую предстоит создать.

Предположительно, это обобщающая теория, обладающая кроме объяснительной, описательной и предсказательной функциями, набором  особых функций: мировоззренческой (воздействует на научную картину мира); методологической (дает направления научного поиска); метатеоретической (уточняет предмет и границы конкретных наук); трансляционной (перенос знаний между конкретными дисциплинами); переводческой (общий язык для конкретных наук) и др. Вероятно, в её состав войдут в качестве частных: статистическая (Шенноновская) и алгебраическая (В.Д.Гоппа) теории информации, общенаучная теория информации (философский взгляд, методы информационного анализа), а также рациональные и общезначимые результаты других наук об информации (см. рис.2). Представляется, что основной проблемой для создания обобщающей теории информации, является поиск адекватного определения понятия информации – главного, стержневого первичного идеального объекта теории информации – и понимание его роли в физической картине мира.

Интегративные науки. Имеют в качестве объекта изучения два типа информации:

1-2. Социально-биологические  науки (например, психология).

2-3. Социально-технические  науки, изучающие человеко-машинные  информационные процессы (эргономика, инженерная психология);

1-3. Биотехнические науки (бионика, информационная биология, ...).

1-4, 2-4, 3-4 – синергетика информационных  процессов соответственно в биологических,  социальных и искусственных системах.

Очевидно, что системный подход удобен для  определения места и соотношения  различных информатик в общей системе информационных наук. Рассмотрим для примера лишь некоторые из них.

А. Computer Science (в буквальном переводе - вычислительная наука; США, Канада, страны Латинской Америки) – занимает область 3 на рисунке. Изучает процессы обработки, хранения и передачи информации при помощи компьютеров и телекоммуникационных систем. Этим подчеркивается «компьютерная ориентация» предметной области науки. Предметом этой науки являются самые разные стороны программирования и использования ЭВМ, а также методы их конструирования и разработки ПО.

Б. Information Science (информационная наука; США). Занимает область 2-3 на рисунке. Изучает:

• технологические процессы сбора, кодирования, преобразования, хранения, поиска, распространения, использования информации в общественных системах (сетях);
• структуру и свойства социальной, машинной и, частично, биологической информации.

Ориентирована на оптимизацию социальных информационных систем, передающих се мантическую  информацию (поэтому исследует проблемы смысла и значения, мыслительные процессы, проблемы восприятия информации), средства и методы оптимизации – ЭВМ, кибернетические и математические методы (поэтому рассматривают технологию машинной обработки информации, математическое моделирование, взаимодействие человек-ЭВМ и т.д.). Имеет интегративный характер, т.е. связана со многими дисциплинами (лингвистикой, математикой, логикой, психологией, кибернетикой, теорией познания, с ситемными исследованиями, системотехникой).

    В. «Безбумажная информатика» Глушкова В.М. (область 3 на рисунке) – рассматривает обработку и хранение информации с помощью ЭВМ. Объект – автоматизированные информационные системы, их технические и логико-математические аспекты. Предмет – создание, эксплуатация и совершенствование ЭВМ и ПО.