История информатики как науки о знаниях и технологиях

История информатики как  науки о знаниях и технологиях

Казиев В.М.

История информатики – достаточно интересная, хотя и мало изученная  область. В школьной (впрочем, и в  вузовской) информатике она мало раскрывается и обычно дело сводится к рассмотрению истории развития вычислительных средств и ЭВМ. В  данной статье (побудительным мотивом  которой стала работа [1]) автор  попытается частично ликвидировать  этот пробел.

Итак, проследим предысторию и  этапы развития информатики - как  науки о знаниях и информатики - как науки о технологиях. Начнём с этапа добумажной информатики.

Этап иероглифической символики. Изначально носителем информации была речь. Развитие речи, языка - объективный  процесс в развитии общества. Как  отмечал Ф. Энгельс, “развивающиеся люди развились до того, что им стало  необходимо что-то сказать друг другу”. Труд сыграл свою роль в развитии человека. Речь (как отражение мыслительных процессов) повлияла на развитие человека не в меньшей степени. Язык обладает в среднем 20% избыточностью, т.е. любое  сообщение можно было бы без потери информации сократить на 1/5, однако при этом резко уменьшается помехоустойчивость и воспринимаемость информации. К  самым ранним знаковым системам относятся: приметы, гадания, знаменья, язык, изобразительное  искусство, музыка, графика, пластика, танец, пантомима, архитектурные сооружения, костюм, народные ремесла, обряды. Первые примеры информационной символики  были предоставлены в каменном веке в виде пиктографического письма (рисунков) на камне. В бронзовом  веке появились изображения повторяющихся  систем понятий – идеограмм, которые  с конца IV века до н.э. превратились в рисуночное иероглифическое письмо. В то же время, благодаря развитию производства и торговли совершенствуется числовая символика, которая вначале  возникла в виде счета из двух цифр 1 и 2. Все остальные количества обозначались понятием “много”. Дальнейшее развитие счета произошло, благодаря нашим  физиологическим особенностям наших  рук - пальцам (счёт с 5 до 10). Клинописная  запись счета появилась в Вавилоне в III тыс. до н.э. Далее появились различные  способы записи счета, например, вавилонская, критская, арабская, латинская и  др. Вавилонская система счета  позволяет вести запись чисел  в пределах 1 млн. и выполнять действия с простыми дробными числами. В 5-4 в. до н.э. на острове Крит применяется  удобная для записи десятичная символика  счета. Древние римляне положили в основу алфавита счисления иероглифическое  обозначение пальцев рук (все  символы этой системы счисления  можно изобразить с помощью пальцев  рук). Ко времени расцвета римской  культуры, эти значки были заменены похожими на них латинскими. Затем  у индусов арабы заимствовали искусство быстрого счета (налицо признаки автоматизации вычислений) и значки для записи чисел, т.е. цифры, которые в VII-VIII в. до н.э. распространились и на европейском континенте.

Этап абстрактной символики. Иероглифическое  письмо, хоть и является древнейшим, сохранилось до наших дней в ряде регионов (Китай, Япония, Корея). Его  сохранению способствовало удобство, наглядность и то, что народы этих стран были этнически однородны  и из-за особенностей культуры, традиций, географического положения слабо  мигрировали. В Средиземноморье  же были предпосылки совершенствования  письма: различные языковые формы, развитые межнациональные торговые связи, относительно нестабильная политическая обстановка в государствах и миграция населения. Поэтому здесь за короткий исторический период завершился переход от иероглифической  системы письма к абстрактной  и более удобной для чтения системы клинописи на сырых глиняных табличках (III-II в. до н.э.). Следующий  период создания последовательного  слогового письма на глиняных табличках - вавилонский. Вавилонский язык впервые  в истории начинает выполнять  международные функции в дипломатии и торговле, т.е. приобретает коммуникационные и терминообразующие функции. Новым  этапом явилось создание в X-IX в. до н.э. финикийского алфавита. Этап перехода к алфавитной системе завершился в VIII в. до н.э. созданием на основе финикийского письма греческого алфавита, который  впоследствии стал основой всех западных письменных систем. Усовершенствованием  этой информационной символики стало  введение во II-I в. до н.э. в Александрии  начал пунктуации. Развитие письменной символики завершается в Европе в XV в. созданием пунктуации современного вида. Появляется древнегреческая научная  терминология, благодаря которой  началось устранение излишней информационной избыточности (она как будет показано ниже - и благо, и вред). В период Возрождения древнегреческие и  латинские языки послужили основой  для создания терминологических  систем в различных областях знаний. Это период расцвета не только культуры, искусства, поэзии, но и таких способов актуализации знаний, как виртуализация  связей и отношений, например, архитектурные  сооружения и др. В период технической  революции терминологические системы  значительно расширяются по объему и упорядочиваются за счет фундаментальных  законов природы и общества, а  также вследствие взаимопроникновения  терминов различных наук. Математическая символика продолжает качественно  развиваться благодаря фундаментальным  открытиям математики таким, как, например, создание совершенной алгебраической символики (XIV-XVII в.), введение знаков операций (XV в.), введения знаков равенства, бесконечности (XVII в.), появления знаков степени, дифференциала, интеграла, производной (XVII в.) и др.

Этап картографии, технической  графики и информационной визуализации и аудирования. Особая форма представления, визуализации знаний - карты, отображающие явления природы и общества в виде информативных образов и знаков. Первые карты, дошедшие до наших дней, были составлены в Вавилоне (III-I тыс. до н.э.). Карта мира была впервые составлена Птолемеем во II в. до н.э. Создание новых картографических проектов и технологий их составления происходит в конце XVI в. Возникновение технической графики относится ко времени появления ранней письменности и развивается в связи с сооружением сложных объектов (замечательные пирамиды, дворцы, шахты, водопроводные системы) в III-II тыс. до н.э. Дальнейшее развитие техническая графика получила в эпоху Возрождения в связи с конструированием сложных машин и механизмов, например, военного характера и возведением крупных городов. Значительно позже развиваются элементы виртуализации связей и отношений в картинах многих известных художников (Дюрер, Эшер и др.). В эпоху Возрождения также предпринимаются попытки не только визуализации, на и аудирования, искусственного создания звуков (озвучивания информации). Появились модели говорящих машин. Например, в 1770 г. в Петербургской Академии наук сотрудник Санкт-Петербургского университета Краценштейн смоделировал акустические резонаторы, имитирующие голос человека. Затем, позже, Вольфганг фон Кемпелен разработал, а Уитстон построил «говорящие меха», создававшие воздушный поток для возбуждения вибрирующих язычков, игравших роль голосовых связок. В 1876 г. Александр Грейам Белл получил американский патент на устройство, названное телефоном.

Этап "каменописи", "глинописи", "древописи", "пергаментописи". Добумажная информационная технология характеризуется переходом ко все более совершенным носителям, например, запись на камне позволяет впервые добиться эффекта обезличения процесса передачи информации. Переход к записи на глиняных табличках и деревянных дощечках позволяет перейти к информационным коммуникациям (появляется новое свойство информационной динамичности). Изобретение папируса (III тыс. до н.э.) значительно повышает емкость, позволяет сжать информацию (актуализируется новое свойство информации – сжимаемость). Появление пергамента завершает добумажную фазу, так как появляется оптимальный носитель информации - книга (IV в. до н.э.). На развитие механизма информационного взаимодействия людей в добумажную эпоху оказывают влияние социальные, политические, региональные и другие факторы. В каменном веке пиктограмма представляла собой общедоступное информационное сообщение, что соответствовало низкому уровню развития труда и социальной иерархии. На этапе создания первых государств, глиняные и деревянные таблички хранились в закрытом помещении, а пользоваться ими могла только аристократия, поэтому появилась потребность в обучении. Появились централизованные хранилища этой информации, например, в столице Хеттского государства во дворце хранилось около 20 тыс. глиняных клинописей. Качественно новый, более динамичный и открытый характер приобретают информационные коммуникации, когда в крупных государствах (Греция, Персия, Египет) возникла хорошо налаженная почтовая связь. В этот период библиотеки становятся доступными для свободных граждан и центрами сосредоточения информационных носителей. Впервые появляется инструмент массовой информационной  коммуникации.

Рассмотрим теперь этап бумажной информатики  и его основные этапы.

Бумажный этап развития информатики  можно отсчитывать, видимо, с X в., когда  бумага стала производиться на предприятиях в странах Европы. Эпоха Возрождения  сыграла исключительную роль в развитии не только литературы и искусства, но и информатики, особенно, её гуманитарных основ и приложений. С расширением  торговли и ремесел появились  городские почты: с XV в. – частная  почта, с XVI в. – королевская почта. Благодаря этим стабильным коммуникациям  информационная деятельность начинает расширяться, появляются первые университеты (Италия, Франция), которые начинают играть роль центров хранения и передачи информации, центров культуры и знания. Классическое университетское образование  базируется на фундаментальности, универсальности, гармонизации образования, методов  и средств актуализации информации.

Этап книгопечатания. Книгопечатание было изобретено в Германии в XV в. как  массовая деятельность и стало началом  нового научного этапа в естествознании (станок Гуттенберга, 1440-1450). Главным  качественным достижением того времени  стало возникновение систем научно-технической  терминологии в основных отраслях знаний, появились журналы, газеты, энциклопедии, географические карты. Происходило  массовое тиражирование по пространству информации на материальных носителях, что приводило к росту профессиональных знаний и развитию информационных технологий. “Книгопечатание явилось могучим  орудием, которое охраняло мысль  личности, увеличило ее силу в сотни  раз” (В.И. Вернадский).

Этап технической (индустриальной) революции 19 в. Книгопечатание развивало  науки, способствовало систематизации и формализации знаний по отраслям. Эти знания можно было теперь быстро тиражировать (налицо появление ещё  одного важного свойства информации). Знания стали доступны многим, в  том числе и территориально удаленным  друг от друга, а также удаленным  по времени участникам трудового  процесса (усиливаются пространственно-временные  свойства информации). Появляются признаки параллелизма в передаче и актуализации информации, знаний. Начала раскручиваться спираль технической цивилизации: текущее знание – текущее общественное производство – новое знание –  новое общественное производство. Печатный станок резко повысил пропускную способность социального канала обмена знаниями. Новый этап в развитии информатики, связанный с технической  революцией 19 в., ассоциируется с  началом создания регулярной почтовой связи, как формы стабильных международных  коммуникаций. Затем возникли фотография (1839 г.), телеграф (1832 г.), телефон (1876 г.), радио (1895 г.), кинематограф (1905 г.), беспроволочная передача изображения (1911 г.), промышленное телевидение (1920 г.), цифровые фотография и телевидение, сотовая связь, IP-телефония (конец XX-го века).

Этап математизации и формализации знаний. С развитием промышленной революции становится все более  острой потребность в создании системы  описания и использования профессиональных знаний, введения фундаментальных и профессиональных понятий, формирования основных элементов технологии формализации профессиональных знаний. Первые признаки этого процесса восходят к временам, когда жрецы отказались от контроля над всем и всеми и перешли к индивидуальной специализации  (появились первые специалисты - звездочеты, лекари и др.). Наиболее успешно развивается в этот период процесс формализации астрономических знаний – появляются книги с астрономическими формулами, таблицами, а на их базе разрабатываются навигационные инструменты, что позволяло передавать профессиональные знания и умения, например, за несколько лет обучать профессионально мореплавателя. Возможность процесса отчуждения профессиональных знаний от их носителей до самого последнего времени определялась возможностью формализации профессиональных знаний математическими методами и аппаратом. Области профессиональных знаний, которые оказались более формализуемыми, получили название точных или естественных наук – математика, физика, биология, химия и др. Остальные области образовали гуманитарные науки. Процесс формализации знаний, как правило, сводился к попыткам выделения из всего многообразия сведений в некоторой области человеческой деятельности небольшой части, логически определяющей достаточно многое (система аксиом и правила вывода). Отправитель и получатель информации (знаний) пользовались некоторым общим набором правил для их представления и восприятия - формализмом представления знаний. Мысль, которую нельзя выразить формализмом (языком), не может быть включена в информационный обмен, в обмен знаниями. В отраслях науки формируются специфические языковые системы, среди которых особенно важен язык математики, как информационная основа системы знаний в точных, естественных науках. Свои языки имеют химия (язык структурных химических формул, например), физика (язык описания атомных связей, например), биология (язык генетических связей и кодов) и т.д. Нынешний этап развития информатики характерен созданием и становлением языка информатики.

Этап информатизации, информационно - логического представления знаний. С появлением ЭВМ впервые в  человеческой истории стал возможен  способ записи и долговременного хранения профессиональных знаний, ранее формализованных математическими методами (алгоритмов, программ, баз данных, эвристик и т.д.). Эти знания, а также опыт, навыки, интуиция могли уже использоваться широко и без промежуточного воздействия на человека влиять на режим работы производственного оборудования. Процесс записи ранее формализованных профессиональных знаний в форме, готовой для воздействия на механизмы (автоматы), получил изначально название программирование. Эту деятельность часто отождествляют с искусством. Рост численности людей, занятых в информационной сфере, был вызван постоянным усложнением индустриального общества и связей в нём. В начале 70-х годов начал наблюдаться информационный кризис. Он проявился в снижении эффективности информационного обмена: резко возрос объём научно-технической публикации; специалистам различных областей стало трудно общаться; возрос объём используемой неопубликованной информации; возникли сложности в восприятии, переработке информации, выделении нужной информации из общего потока и др. Если машины и системы автоматизации в сфере материального производства постоянно совершенствовались и, соответственно, производительность труда там росла, то в сферу обработки информации средства автоматизации проникали с большим трудом. Численность людей в информационной сфере к началу 80-х годов в большинстве развитых стран составляло около 60% от общего числа занятых в производстве и продолжало расти, т.е. ЭВМ применялась там, где существовала формальная постановка задач, алгоритм. Кроме этого, ЭВМ использовалась для хранения и обработки больших наборов данных по стандартным процедурам. В то же время, область профессионально-человеческой деятельности, которая поддается пока формализации, алгоритмизации, а, следовательно, - и автоматизации с помощью ЭВМ, составляет только небольшую часть формализованных знаний, большая часть айсберга знаний пока плохо формализована и плохо структурирована. Общую структуру накопленных человечеством профессиональных знаний можно представить в виде пирамиды. Пирамида – это универсальная и замечательная структура - инвариант многих развивающихся процессов (возможно, этим объясняется тяга к построении пирамид в древности). В основании этой пирамиды лежит слой знаний, в данный момент практически недосягаемый, в частности, неотделимый от их авторов (существующий, например, на уровне подсознания) и не формализуемый. Следующий слой – это простые (“ремесленнические”) знания, которые могут быть переданы по принципу “делай как я”. Выше расположены знания, доступные для объяснения, но не всегда формально описываемые. Затем идут формально описываемые знания. Самый верхний, относительно меньший по объёму слой составляют аксиоматически построенные теории.

Этап автоформализации знаний. Этот этап тесно связан с развитием  когнитологии, персональных компьютеров и вычислений, делающих возможным формальное описание (а, следовательно, актуализацию, передачу, хранение, сжатие) исследователями накопленного знания, опыта, профессиональных умений и навыков. Развиваются когнитивные методы и средства, позволяющие строить решения проблем “по ходу решения, на лету”, особенно эффективно в тех случаях, когда исследователю неизвестен путь решения. Развиваются методы виртуализации и визуализации. Этот этап очень важен для информатики, ибо он стал позволять решать межпредметные задачи, как правило, плохо структурируемые и формализуемые, а также позволил использовать типовые инструментальные системы. Используется когнитивная графика – графика, порождающая новые решения, а также “виртуальный мир” – искусственное трехмерное пространство (одну из осей координат можно условно считать “пространственной”, другую - “временной”, третью - “информационной”) и визуальные среды (например, Visual-среды).

Рассмотрим, наконец, наиболее развитый период безбумажной информатики.

Этап развитой безбумажной информатики  и глобальных систем связи (Интернет), этап информационного общества. Переход  к безбумажной информатике, электронным  информационным технологиям и использованию  сетей Интернет, информационному  производству товаров и услуг  характерен для всех стран вступивших в стадию построения информационного  общества. Основные атрибуты общества безбумажной информатики (мы специально не используем здесь термин «информационное  общество», так как такое общество полностью ещё нигде не построено, а критерии могут изменяться):

безбумажные (электронные) документооборот  и делопроизводство, их государственная  поддержка и целенаправленное развитие;

информационная (компьютерная, сетевая) грамотность населения и её государственная  поддержка и развитие;

превращение информации в товар (со всеми атрибутами товара);

развитая (интеллектуальная) и доступная  система баз данных и знаний, доступа  к сетям и информации Интернет;

информатизация и информационная безопасность основных систем общества;

актуализация вещественно-энерго-информационных связей систем и процессов.

В мировой глобальной информационной системе сетей Интернет каждый месяц  число новых пользователей растет в среднем на 15-20%. Хотя первая в  истории компьютерная сеть начала разрабатываться  в конце 60-ых годов, сегодня уже  Интернет насчитывает более 40 тыс. компьютерных сетей, более 200 млн. пользователей и  более 20 млн. компьютеров (мест доступа). В мировых базах данных накоплено  более 150 млн. документов. Во второй половине 60-х годов в Японии возникло понятие  “информационное общество”, которое  используется в качестве одного из главных ориентиров при планировании экономического развития страны. Это  понятие в дальнейшем было взято  на вооружение и в других странах. Отметим, что стоимость информационных услуг и количество людей, занятых  в сфере информационного обслуживания резко начали расти, например, в США  в начале 80-ых годов в сельском хозяйстве было занято около 5%, в  промышленности - 20%, в сфере обслуживания - 30%, в сфере информационных услуг - 45% всех работающих в стране. Прогнозируемый  аналогичный  показатель начала нового тысячелетия - 70 %.

Рост числа работников в информационной сфере вызван, в первую очередь, пространственно-временным  увеличением и усложнением информационных потоков. Вступление государства в  “информационную цивилизацию” прежде всего, подтверждается макроэкономическими  показателями, в частности, - увеличением доли информационного сектора в валовом национальном продукте и повышением доли работников информационной сферы в общей численности занятых. Информационный бизнес занимает заметное место в структуре экономики промышленно развитых стран.

Д.С.Робертсон (США) выдвинул формулу “цивилизация - это информация”. Опираясь на количественные меры математической теории информации, он ранжирует цивилизации по количеству производимой ими информации на 5 следующих уровней:

0 - информационная емкость мозга  отдельного человека - примерно 10⁷ бит;

1 - устное общение внутри общины, деревни или племени, количество  циркулирующей информации - примерно 10⁹ бит;

2 - письменная культура; мерой информированности  общества служит Александрийская  библиотека, имеющая 532800 свитков,  в которых содержится примерно 10¹¹ бит информации;

3 - книжная культура: имеются сотни  библиотек, выпускаются десятки  тысяч книг, газет, журналов, совокупная  емкость которых оценивается  примерно в 10¹⁷ бит;

4 - информационное общество с  электронной обработкой информации  объемом примерно 10²⁵ бит.

Информатика завершает этап спонтанного, возможно, несколько хаотичного развития и накопила достаточный опыт и  знания для её систематизации, осмысления, структурирования, теоретизации, превращения  в фундаментальную науку.

Информатика, рассматриваемая с  точки зрения хранения и преобразования информации, как правило, сводится, в основном, к компьютерам (служащим определенным человеческим целям). Это  ресурсный или технократический подход к информатике. Если же информатика  рассматривается с коммуникационных позиций, например, с позиции передачи знаний, то она выступает неотъемлемым фрагментом культуры общества. Оба  подхода должны быть взаимосвязаны. Абсолютизация первого подхода  приводит к заблуждению, что технические  возможности предопределяют цели развития общества (возникают технократические утопии). Абсолютизация второго подхода  может привести к забвению технических  возможностей информатики, недооценке технических нововведений, к излишнему  формализму.

Можно, видимо, говорить о завершении этапа информатики, понимаемой как  основы информатики и вычислительной техники и наступлении этапа  научной, системно-междисциплинарной информатики. Отсутствие развитой и развивающей понятийной системы, понятийного аппарата в образовательной информатике, искусственное “притягивание” неадекватного целям, задачам, значению информатики понятийного аппарата из других наук (кибернетика, микропроцессорная техника, управление и др.) сводит его к тривиальному изучению программирования, ЭВМ и пользовательского интерфейса (мы ничуть не умаляем их практического значения).

Использование более полных, точных и адекватных методов и методологии  позволяет фундаментальной науке  и образовательной дисциплине “информатика”:

придерживаться более точных и  строгих (формализованных) правил исследования информационных процессов и систем, что позволяет выявить общее, инвариантное в этих процессах и  системах, прогнозировать и повышать надежность принимаемых решений;

формулировать более точные и строгие (формализованные) законы эволюции информационных процессов и систем, что позволяет  изучать и актуализировать общее, инвариантное в этих процессах и  системах, прогнозировать и повышать надёжность принимаемых решений;

переосмысливать и перестраивать  ранее сформулированные правила  и законы и определять (расширять) границы применимости знаний и строить  технологии применения этих знаний.

Информатика - наука, изучающая информационные аспекты системных процессов  и системные аспекты информационных процессов. Это определение можно  считать системным определением информатики.

Информатика - это наука об инвариантах (т.е. неизменных сущностях) информационных процессов, о их выявлении, описании, изучении, применении, пространственно-временной  организации и самоорганизации. Такое определение естественно  назвать синергетическим определением информатики и оно имеет важное значение при исследовании синергетики  информационных процессов в различных  системах.

Информатика тесно связана и  с философией. Философия дает общие  методы содержательного анализа, а информатика даёт общие методы формального анализа предметных областей (особенно, теоретическая, математическая информатика).

Можно дать философское определение  информатики: информатика - это наука, изучающая общие свойства и процессы отражения материи, порядок в  материи, ее структурированность и  отражение в сознании человека, общества.

Дадим математическое определение  информатики (определение  математической информатики): информатика - наука, изучающая вопросы построения и исследования математических методов и моделей, алгоритмов, формальных систем для описания и актуализации различных информационных систем и процессов, различных классов операционных пространств. Эта – наука, математически (формальным языком) описывающая и исследующая их инварианты, абстрагируясь при этом от материальной основы информационных процессов.

Фундаментальность информатике придаёт  не только широкое и глубокое использование  математики, формальных методов и  средств, а общность и фундаментальность  её результатов, их универсальная методологическая направленность в производстве знаний. В этом смысле математическая информатика  аналогична математической физике, математической биологии, математической экономике  и др.

Предмет информатики точно (“математически”) невозможно определить, в силу его  сложности, многосторонности, динамической изменчивости. Тем не менее, можно  отметить следующие три основные ветви информатики (в классическом понимании), определяемые её познавательной и прагматической функциями, её внутренней и внешней сущностями (заметим, что  деление информатики как науки  и человеческой деятельности на те или иные части зависит от целей, задач, ресурсов).

Теоретическая, математическая информатика (brainware) изучает теоретические проблемы информатики (большей частью связанные с формальными системами, моделями, алгоритмами и теорией программирования, кодирования и организации систем).

Практическая, прикладная информатика (software) изучает практические, конкретные проблемы информатики (большей частью связанные с программированием и использованием моделей, программными и компьютерными технологиями и системами).

Техническая, инженерно-физическая информатика (hardware) изучает инженерно-физические, технические проблемы информатики (большей частью связанные с разработкой и использованием технических средств обработки информации, ЭВМ и систем ЭВМ, сетей).

Информатика базируется на следующих  основных и важных понятиях:

информация и сообщение, в частности, получение, переработка, сжатие, актуализация информации сообщениями различного типа;

алгоритм и алгоритмизация, в  частности, программа и программный  комплекс, проектирование программ и  программирование; 

система и структура, отношение  и связь, порядок, выбор, в частности, информационные система и структура, отношения в них;

модель и моделирование, в частности, описание и исследование систем с  помощью моделей и моделирования;

исполнитель и его операционная среда, в частности, ЭВМ и система  ЭВМ;

языки и грамматики, в частности, алгоритмические языки, языки программирования, языки общения с различными системами  и средами;

проектирование систем и технология, в частности, информационная, компьютерная технология.

Предметная область науки “информатика” - информационные процессы и системы, модели, языки их описания, технологии их актуализации,  направленные как на получение знаний (это - внутренняя сущность информатики), так и на применение знаний, принятие на их основе решений в различных предметных областях (это - внешняя сущность информатики). 

Эти информационные процессы могут  происходить в живых существах (организмах), автоматах (технических  устройствах), обществе, в индивидуальном и общественном сознании.