Теоретические основы информатики

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ

1. Понятие информации и информатики

    Стандарт основного общего образования по информатике и информационным технологиям ставит следующие цели:

• освоение основ научных представлений об информации, информационных процессах, системах, технологиях и моделях;
• умение работать с различными видами информации с помощью компьютера и других средств информационных и коммуникационных технологий (ИКТ), организовывать собственную информационную деятельность и планировать ее результаты;
• развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей средствами ИКТ;
• воспитание ответственного отношения к информации с учетом правовых и этических аспектов ее распространения; избирательного отношения к полученной информации;
• овладение навыками использования средств ИКТ в профессиональной деятельности, при выполнении индивидуальных и коллективных проектов, в учебной деятельности и дальнейшем освоении профессии.

1. Что такое информатика

    В наиболее развитых странах большое внимание уделяется к использованию методов информатики в самых различных областях научных исследований и практических разработок.

    Например, Консультативный комитет по информационным технологиям при Президенте США  в 2005 году в специальном аналитическом  докладе указал на необходимость безотлагательного принятия решительных действий на федеральном уровне по предотвращению снижения конкурентоспособности науки и образования в США в течение 15 лет, прямо указывая на то, что в 21-м веке главное внимание должно быть уделено развитию науки, образования и высоких технологий в промышленности и социальных сферах.

    Термин  информатика возник в 60-х гг. прошлого века во Франции и в России для  названия области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью  электронных вычислительных машин. Слияние двух слов informatigue (информатика) и automatigue (автоматика) дало название целому направлению науки - "информационная автоматика или автоматизированная переработка информации". В англоязычных странах этому термину соответствует синоним computer science (наука о компьютерной технике).

    Развитие  компьютерной техники ускорило становление  информатики как самостоятельной  области человеческой деятельности. Микропроцессорная техника (интегральные схемы и микропроцессоры) стала  элементной базой вычислительных машин.

    В 1983 году в Академии наук СССР было создано  Отделение информатики, вычислительной техники и информатизации.

    В этом же году Академией наук СССР утверждён термин «информатика» как "комплексная научная и инженерная дисциплина, изучающая все аспекты разработки, проектирования, создания, оценки, функционирования основанных на ЭВМ систем переработки информации, их применения и воздействия на различные области социальной практики".

    Таким образом, информатика была нацелена на разработку общих методологических принципов построения информационных моделей, и её методы применимы везде, где существует возможность описания объекта, явления, процесса и т.п. с помощью информационных моделей.

    Из  всего множества определений  информатики, которые связаны с многогранностью ее функций, возможностей, средств и методов, можно предложить такую трактовку:

    Информатика — это техническая наука, систематизирующая закономерности и приемы процессов создания, хранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими.

    Можно дать и такое, более широкое определение  информации:

    Информатика - это отрасль науки, изучающая структуру и общие свойства научной информации, а также вопросы, связанные с ее сбором, хранением, поиском, переработкой, преобразованием, распространением и использованием в различных сферах деятельности.

     Предмет информатики составляют следующие понятия:

• аппаратное обеспечение средств вычислительной техники и телекоммуникаций;
• программное обеспечение средств вычислительной техники и телекоммуникаций;
• средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;
• средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.

    Часто возникает путаница в понятиях "информатика" и "кибернетика".

    Концепция, заложенная Н. Винером в кибернетику, связана с разработкой теории управления сложными динамическими  системами в разных областях человеческой деятельности. Кибернетика существует независимо от наличия или отсутствия компьютеров.

    Кибернетика – это наука об общих принципах управления в различных системах: технических, биологических, социальных и др.

    С одной стороны, информатика занимается изучением процессов преобразования и создания новой информации более широко, практически не решая задачи управления различными объектами, как кибернетика.

    Может сложиться впечатление об информатике  как о более емкой дисциплине, чем кибернетика.

    С другой стороны, информатика не занимается решением проблем, не связанных с использованием компьютерной техники, что, несомненно, сужает ее, казалось бы, обобщающий характер.

    Между этими двумя дисциплинами провести четкую границу не представляется возможным  в связи с ее размытостью и  неопределенностью, хотя существует довольно распространенное мнение, что информатика является одним из направлений кибернетики.

    Основы  кибернетики были заложены трудами  американского математика Норберта Винера, опубликованными в 1948 году, а само название происходит от греческого слова (kyberneticos — искусный в управлении).

    В кибернетике процесс управления представляется как взаимодействие двух систем - управляющей и управляемой (рис.1.1). Управление системой осуществляется путем подачи управленческого сигнала воздействия 1 с учетом обратной связи (2) - текущего состояния управляемой системы и внешней среды (3).

          Управляющая система  формирует воздействия на управляемую систему, которые побуждали бы последнюю принять состояние, определяемое целью управления. Обратная связь (2) – это информация о выполнении управляющих воздействий.

                                                              Рис.1.1. Структура системы управления.

    Грубый  анализ контура управления показывает, что при отсутствии обратной связи  невозможно создать устойчивую систему управления.

    Но, с использованием подобного контура  невозможно описать все процессы управления, так как в сложных  системах управления объекты могут  действовать по определенным, возможно даже своим, законам, которые называются принципом внешнего дополнения. Такими же принципами могут руководствоваться и управляющие органы. 

    Поэтому в настоящее время кибернетика  получила второй более мощный импульс развития, который может привести к прорыву в области,  как аппаратных, так и программных систем информатики.

    Предмет кибернетики - это принципы построения и функционирования систем автоматического  управления, и основные задачи кибернетики  это:

• методы моделирования процесса принятия решений техническими и программными средствами,
• связь между психологией человека и математической логикой,
• связь между информационным процессом отдельного индивидуума и информационными процессами в обществе,
• разработка принципов и методов искусственного интеллекта.

    Информатика появилась благодаря развитию компьютерной техники, базируется на ней и совершенно немыслима без нее.

    Кибернетика же развивается сама по себе, строя  различные модели управления объектами, хотя и очень активно использует все достижения компьютерной техники. Кибернетика и информатика, внешне очень похожие дисциплины, но их различие состоит в том, что информатика изучает свойства информации и аппаратно-программных средств ее обработки, а в кибернетике – разрабатываются концепции построения моделей объектов с использованием, в частности, информационного подхода.

2. Структура информатики

    Информатика в широком смысле представляет собой  единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных  с переработкой информации главным  образом с помощью компьютеров  и телекоммуникационных средств  связи во всех сферах человеческой деятельности.

    Информатику в узком смысле слова можно представить как состоящую из трех взаимосвязанных частей (рис 1.2):

• технических средств (hardware), это компьютеры, принтеры, мониторы и т.д.
• программных средств (software), это программы, которые загружаются в компьютеры,
• алгоритмических средств (brainware), это модели, алгоритмы, алгоритмические языки и. д.

    В широком смысле слова, информатику, как в целом, так и каждую ее часть обычно рассматривают с разных позиций:

• как отрасль народного хозяйства,
• как фундаментальную науку,
• как прикладную дисциплину.

Рис. 1.2. Структура информатики как отрасли, науки, прикладной дисциплины

    Информатика как отрасль народного  хозяйства включает однородную совокупность предприятий разных форм хозяйствования, которые занимаются производством компьютерной техники, программных продуктов и разработкой современной технологии переработки информации.

    Специфика и значение информатики  как отрасли производства состоят в том, что от нее во многом зависит рост производительности труда в других отраслях народного хозяйства.

    Информатика как фундаментальная  наука занимается разработкой методологии создания информационного обеспечения процессов управления любыми объектами на базе компьютерных информационных систем.

    Одна  из главных задач этой науки –  выяснение, что такое информационные системы, какое место они занимают, какую должны иметь структуру, как  функционируют и какие общие закономерности им свойственны.

    Цель  фундаментальных исследований в  информатике – получение обобщенных знаний о любых информационных системах, выявление общих закономерностей их построения и функционирования.

    Информатика как прикладная дисциплина занимается:

• изучением закономерностей в информационных процессах (накопление, переработка, распространение);
• созданием информационных моделей коммуникаций в различных областях человеческой деятельности;
• разработкой информационных систем и технологий в конкретных областях и выработкой рекомендаций относительно их жизненного цикла: для этапов проектирования и разработки систем, их производства, функционирования и т.д.

    Таким образом, информатика занимается методами и средствами преобразования информации и их использованием в организации  технологического процесса переработки  информации.

    Задачи  информатики состоят в следующем:

• исследование информационных процессов любой природы;
• разработка информационной техники и создание новейшей технологии переработки информации на базе полученных результатов исследования информационных процессов;
• решение научных и инженерных проблем создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной жизни.

    Информатика является комплексной научно-технической дисциплиной, которая  создаёт новую информационную технику и новую технологию для решения проблем в других областях даже в таких, где считается невозможным применение количественных методов из-за неформализуемости процессов и явлений.

    Значительное  развитие средств информатики и  связи дает возможность осуществить в будущем переход к "безбумажной технологии" и "безбумажному обществу". В "безбумажном обществе" информационный обмен между пользователями будет осуществляться с помощью видеотелефона, видеотекстных систем, электронной почты, факсимильной передачи документов, телеконференций, сети передачи данных и т.д., а сбор, хранение и обработка информации будет производиться с помощью средств вычислительной техники.

    В последнее время, чтобы подчеркнуть  использование современных средств  вычислительной техники, информатики и связи вводят термин "новые информационные технологии" (НИТ).

    Таким образом, в настоящее время информационная технология может быть определена, как совокупность систематических  и массовых способов создания, накопления, обработки, хранения, передачи и распределения информации (данных, знаний) с помощью средств вычислительной техники и связи.

    Особенно  следует выделить в информатике  методы математического моделирования  и методы распознавания образов, практическая реализация которых стала возможной благодаря достижениям компьютерной техники.

    Информатика становится ведущей в информационном обществе. Информированность в обществе в существенной степени зависит  от прогресса информатики как  науки, техники и производства.

3. Влияние информатики на общество

    Общественные  отношения в истории развития человеческого общества всегда зависели от приобретения знаний  в различных  науках. Кардинальные изменения в  сфере обработки информации позволило  человеческому обществу приобрести новое качество.

    В области овладения информацией в истории цивилизации можно выделить четыре этапа.

    Первый  этап: изобретение письменности, в результате чего появилась возможность передачи знаний от поколения к поколениям.

    Второй  этап: (середина XVI в.) изобретение книгопечатания, которое радикально изменило культуру, организацию деятельности общества.

    Третий  этап: (конец XIX в.) изобретение электричества, благодаря которому появились телеграф, телефон, радио, давшие возможность оперативно передавать информацию в любом объеме.

    Четвертый этап: (70-е гг. XX в.) изобретение микропроцессорной технологии и появление персонального компьютера. Этот этап характеризуется:

• переходом от механических и электрических средств преобразования информации к электронным;
• миниатюризацией устройств, приборов, машин;
• созданием программно-управляемых устройств и процессов.

    В этот период на первый план выходит  новая отрасль - информационная индустрия. Важнейшими составляющими информационной индустрии становятся все виды информационных технологий, особенно телекоммуникации.

    Современная информационная технология опирается  на достижения в области компьютерной техники и средств связи.

    Роль  информационных процессов в нашей  жизни велика и с каждым годом  становится все ощутимей.

    Усложнение  индустриального производства, социальной, экономической и политической жизни, изменение динамики процессов во всех сферах деятельности человека привели, с одной стороны, к росту потребностей в знаниях, а с другой – к созданию новых средств и способов удовлетворения этих потребностей.

    Бурное  развитие компьютерной техники и  информационных технологий послужило  толчком к развитию общества, построенного на использовании различной информации и получившего название информационного  общества.

    В информационном обществе изменятся  производство, уклад жизни, система ценностей, возрастет значимость культурного досуга по отношению к материальным ценностям. Люди, живущие в информационном обществе, должны уметь пользоваться главным его инструментом, и в первую очередь универсальной информационной машиной – компьютером.

    По  сравнению с индустриальным обществом, где все направлено на производство и потребление товаров, в информационном обществе производятся и потребляются интеллект, знания, что приводит к  увеличению доли умственного труда. От человека потребуется способность к творчеству, возрастет спрос на знания.

    Информационное  общество – общество, в котором большинство работающих занято производством, хранением, переработкой и передачей информации, особенно высшей ее формы – знаний.

    В настоящее время в передовых странах с конца XX в. постепенно проявляются очертания информационного общества. Все больше людей живут и работают в квартирах и офисах оснащенных всевозможными электронными приборами и компьютерными устройствами. В деятельности людей все большее место занимает обработка информации с помощью электронных средств.

    В России с 1990 года осуществляется развитие социальной информатики, как нового перспективного направления в науке  и образовании, которое становится научной базой для формирования информационного общества. Разработана концепция и методология изучения проблем социальной информатики в системе высшего образования.

    А уже в 1996 году сформировались представления об информатике как о фундаментальной науке, имеющей междисциплинарное, научно-методологическое и мировоззренческое значения.

    При переходе к информационному обществу возникает новая индустрия переработки  информации на базе компьютерных и  телекоммуникационных информационных технологий.

    В настоящее время информационное общество можно охарактеризовать следующими признаками:

• активно разрешается противоречие между большим потоком информации и информационной потребностью общества;
• по сравнению с другими ресурсами информация в большинстве случаев имеет приоритет;
• экономика занимает ведущее положение;
• автоматизированная обработка, хранение, передача и использование данных выходит на первое место;
• информационные технологии приобретают глобальный характер, охватывая все сферы деятельности человека;
• формируется информационное единство всей человеческой цивилизации;
• с помощью информационных технологий осуществляется доступ каждого человека к информационным ресурсам всей цивилизации;
• реализуются гуманистические принципы управления обществом и воздействия на окружающую среду.

    Кроме положительных моментов прогнозируются и опасные тенденции:

• все большее влияние на общество средств массовой информации;
• информационные технологии могут разрушить частную жизнь людей и организаций;
• существует проблема отбора качественной и достоверной информации;
• многим людям будет трудно адаптироваться к среде информационного общества. Существует опасность разрыва между "информационной элитой" (людьми, занимающимися разработкой информационных технологий) и потребителями.

    Сегодня в России насчитывается около  двух миллионов компьютеров. И хотя по абсолютному значению это достаточно большое количество, в среднем персональный компьютер есть только у каждого 10 россиянина.

    Ближе всех на пути к информационному обществу стоят страны с развитой информационной индустрией, к числу которых можно отнести США, Японию, Англию, страны Западной Европы. В этих странах уже давно одним из направлений государственной политики является направление, связанное с инвестициями и поддержкой инноваций в информационную индустрию, в развитие компьютерных систем и телекоммуникаций.

    В настоящее время тенденцией в  информатизации общества является переход к использованию компьютеров в информационных сетях. Электронная компьютерная почта, компьютерные телеконференции и видеоконференции, поиск информации во «Всемирной паутине» стали повседневной практикой пользователей компьютеров в развитых странах.

    Современные информационные технологии позволяют  включать в состав документа мультимедийные объекты (графику, звук, анимацию, видео). Умение работать с информацией, представленной во всех этих формах, становится также социально значимым явлением в нашем обществе.

    Использование компьютерных сетей позволяет максимально  быстро доставить информацию широкому кругу потребителей.

4. Сообщения, данные, сигнал

    Судя по высказываниям ученых, определения информатики не ведут к обозначению предмета исследования. Да и подмена информации ее количественной характеристикой начинается с первых страниц любых учебников. Школьники и студенты читают в учебниках определение информации, как “отражение предметного мира с помощью знаков и сигналов”. Намного ли и в какую именно сторону отличается ее полное “научное не определение” от школьного?

    Передача  и обработка “информационных  сигналов” предусматривается всеми, а вот что именно “информационное” содержится в этих сигналах, остается неразрешимым вопросом, если, конечно, не удовлетвориться дежурным утверждением о том, что в них содержатся “сведения”.

    Тут возникает вопрос, можно ли, опираясь на него точно определить количество информации? И далее, после справедливого утверждения о том, что это невозможно при данном определении, напрашивается вывод, что в зависимости от многих причин каждый из нас воспримет ее больше или меньше, приводят несколько известных вариантов алгоритмов определения этого самого количества информации.

    Спрашивается, количество чего мы должны определять: “отражения”, “сведений” или “свойств”? Большинство же авторов стараются  вообще не обращать внимания на отсутствие определения информации. Все это  не так безобидно, как представляется на первый взгляд. Пустота заполняется текстами учебников, рекомендованных Министерством общего и профессионального образования РФ, об информационном поле: “…у материи остается лишь одно свойство - обладать изменяющейся структурой, т.е. существовать в пространстве и времени в форме универсального поля, которое мы будем именовать информационным полем”. Тут же появляется желание обратиться к азам диалектического материализма, так как идея информационного поля суть “материализованная диалектика”.

    Похоже, все, что не имеет определения, можно  называть полем - мысленным, чувственным, информационно-логическим и каким  угодно.

    Можно ли поверить в то, что измеряемая величина не имеет никакого вразумительного  собственного определения? Этому поверить нельзя, ибо сегодня каждый школьник знает, что для того чтобы что-то измерить, надо иметь не только меру, но и сущность, феномен, явление, именованную шкалу, к которым эта мера прикладывается.

    Любое свойство, даже самое “основное”, должно иметь сравнительное определение, имя в некоторой классификации свойств, без которого свойством не является. К информации же, как свойству, такое требование по какой-то причине не применяется.

    Разработчики  статистической теории количества информации всё сделали правильно, но только не для информации, а для некоторого, не нуждающегося в терминологическом определении, количества, при условии, что сообщения подчиняются статистическим закономерностям. Таким образом, научное общество вынуждено искать замену такого подхода с момента формирования понятия информатики.

    В этом смысле информатика, как наука, мужественно борется за свое место  под солнцем, не сдаваясь computer science, и ожидает свой предмет исследования.

    Классическая  количественная теория информации состоит из двух частей:

• теории преобразования сообщений и сигналов, основную долю в которой составляют вопросы кодирования и декодирования;
• теории передачи сообщений и сигналов без шумов и с шумами (с помехами) в канале связи.

    Ее  основным утверждением, влияющим на понимание смысла термина “информация” является утверждение: носителем сообщения или информации является сигнал.