Воронежский педагогический университет

О ПЕРСПЕКТИВАХ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАТИКИ КАК УЧЕБНОГО ПРЕДМЕТА^*

По мере того, как общество осваивает элементы информационной культуры, и владение основами НИТ приходит в массы, обучение информатике в общеобразовательных школах да и во многих вузах теряет под собой почву. Компьютер проникает не только во все сферы деятельности, но и все глубже и глубже в быт многих семей и становится бытовым атрибутом - подобно телевизору и телефону. Но ведь не учат же в школе пользоваться бытовыми приборами!

Одновременно с этим быстро развиваются программные средства и основанные на них технологии. Интерфейсы программных систем становятся все дружественнее и прозрачнее - устанавливай и работай - так что необходимость и объем предварительного обучения использованию программ стремится к нулю.

Если принять во внимание, что разделы информатики, связанные с обучением программированию (или его пропедевтике - алгоритмизации), давно уже признаны имеющими интерес лишь в подготовке специалистов физико-математического и отчасти технического профилей, то от предмета "информатика" остается совсем немного. Это "немного" связано с мировоззренческими аспектами информатики, с тем, что информация оказывается такой же фундаментальной сущностью, как вещество и энергия. Однако в этой области пока мало практически значимых, универсальных, инструментальных результатов. Даже философские работы по информационной картине мира были выполнены, в основном, до становления современной информатики в рамках традиционных трактовок материи и сознания, и данная тема считается философами исчерпанной и закрытой.

Не состоялась пока как наука и так называемая "теоретическая информатика". Мы имеем эклектический набор разделов (различные подходы в теории информации, в теории алгоритмов и пр.), пока еще не синтезированный в целостную науку на основе единого понятийного и математического аппарата.

Информатика рассматривается как одна из фундаментальных отраслей научного знания, то есть не как прикладная наука об “околокомпьютерной деятельности”, а фундаментальная наука о закономерностях информационных процессов в системах различной природы. Здесь мы сталкиваемся со сформировавшимся в последние годы мифом или стремлением выдавать желаемое за действительное: общие закономерности информационных процессов в системах различной природы пока не известны. Имеет место скорее предощущение того, что эти закономерности существуют и в недалеком будущем будут открыты. А пока что в недрах информатики мы не располагаем даже общеприемлемым определением информации и информационного процесса. Синтез различных отраслей научного знания, связанных с последствием информационных процессов – теории информации, кибернетики, документалистики – еще не произошел на базе специфического аппарата информатики. Поэтому говорить о том, что информатика является фундаментальной наукой, рано. Характерными показателями являются труды президента Международной Академии Информатизации И.И. Юзвишина¹ под общим заголовком “Информациология”, или академика Академии информатизации образования К.К. Колина об информатизационном подходе как фундаментальном* методе научного познания. Эти работы пестрят изложением конкретных исследований в фундаментальных науках, и делается вывод об информационном характере исследуемых явлений и законов. Но дело в том, что любое знание является информационным, и в данном случае надо тщательно отделять изучаемый объект от исследовательской методологии и нашего знания о нем.

Оснований считать информатику фундаментальной наукой нет, нет оснований даже считать информатику наукой. Само слово “обработка…” в определении информатики говорит само за себя – это область технологическая. Информатика остается областью общественной практики, все-таки сильно связанной с компьютерными системами.

В связи с вышесказанным имеются неясности относительно соотношения обучения информатике и формирования научного мировоззрения школьников и студентов.

Информационные взгляды на мир в настоящее время основаны лишь на осмыслении философского порядка бурно развивающихся и успешно проникающих во все новые и новые сферы деятельности информационных технологий. Учителя сталкиваются со значительными трудностями в преподавании таких философских разделов курса информатики в школе, как об информации и информационных процессах. Учебный материал носит умозрительный, беллетристический характер и дается лишь в ознакомительном разрезе. В таком виде изучение общих разделов курса, наоборот, отходит от принципов научности, связанных с критичностью, основанностью на практике и экспериментальной проверяемостью знания, и приближается к религиозному знанию. Научность “информационного мировоззрения” в плане связи с наукой также можно оспорить из-за неразвитости информатики как науки. Переоценивать мировоззренческую сторону информатики, превращать ее в раздел философии не следует.

Многие подходы в обучении информатике, особенно в младших классах общеобразовательной школы, ориентированы на развитие мышления школьников. Безусловно, раннее обучение информатике оказывает влияние на формирование мышления школьников. Однако особой эйфории этот факт вызывать не должен. Наряду с полезными для развития мышления моментами информатизация образования привносит и негативные, связанные с виртуализацией деятельности. Так, безусловно, ухудшается при раннем обучении информатике понимание смысла, решение сложных задач, формируется зависимость от компьютера, сохраняются предпочтительные условия для проявления импульсивного когнитивного стиля, снижается поленезависимость. Превращать информатику в упражнения по развитию мышления учащихся и поручать это развитие преподавателям информатики нельзя. Если развитие необходимо – давайте организуем специальные занятия по развитию, но не будем называть их “информатикой”, и поручим их квалифицированным психологам.

Однако, направление развития курса информатики в ближайшие годы вполне явственно намечается в последние годы - к новой интегрирующей образовательной области “управление”. Информатика вообще выступает как технологическая основа автоматизации управления, выводящая последнее на объективный уровень науки, и этот момент чрезвычайно важен. Очевидно, информатику как учебный предмет необходимо мыслить и развивать именно как технологический аспект науки об управлении, внедрение достижений которой так актуально для нашего общества, и при этом не нашло необходимого отражения в нашем образовании!

О перспективности подхода к информатике со стороны управления говорит уже тот факт, что он дает возможность определить понятие "информация", в рамках самой информатики неопределяемое.

Очевидно, что современное научное познание природы информации и информационных процессов далеко от завершенности. Более того, есть все основания полагать, что наметился и обостряется кризис научного понимания информации, проявляющийся в стагнации исследований и разработок в области искусственного интеллекта, отсутствии единой научной теории информации, применимой к задачам управления в сложных социальных системах.

Известно большое количество работ, посвященных физической трактовке информации. Эти работы в значительной мере построены на основе аналогии формулы Больцмана, описывающей энтропию статистической системы частиц, и формулы Хартли. Сходство между формулами Больцмана и Хартли было обнаружено Л.Сцилардом в 1929 году, развитие вероятностная теория информации получила только спустя 20 лет, после работ У.Уилера и Л.Бриллюэна.

Заметим, что при всех выводах формулы Больцмана явно или неявно предполагается, что макроскопическое состояние системы, к которому относится функция энтропии, реализуется на микроскопическом уровне как сочетание механических состояний очень большого количества частиц, образующих систему (молекул). Задачи же кодирования и передачи информации, для которых Хартли и Шенноном была развита вероятностная мера информации, имели в виду очень узкое, техническое понимание информации, почти не имеющее отношения к полному объему этого понятия. Таким образом, большинство рассуждений, использующих термодинамические свойства энтропии применительно информации нашей реальности, носят спекулятивный характер.

В частности, являются необоснованными использование понятия "энтропия" для систем с конечным и небольшим числом состояний, а также попытки расширительного методологического толкования результатов теории вне довольно примитивных механических моделей, для которых они были получены. Энтропия и негэнтропия – интегральные характеристики протекания стохастических процессов - лишь параллельны информации, превращаются в нее в частном случае.

Очевидно, что помимо аддитивности для независимых событий, информация должна также обладать целым рядом существенных свойств, которые, однако, не отражает скалярная логарифмическая мера информации. По-видимому, на основе явно сформулированных свойств информации (появляющихся в информационных процессах управления и обучения) можно построить аксиоматическую теорию информации.

Мера количества информации должна отражать свойства информации и быть универсальной, т.е. не требовать моделирования ситуации эксперимента, в котором проводится массовое испытание. Такой эксперимент обычно "рождает" информацию или, точнее, переводит скрытую информацию в ее явную форму. Если принять, что информация существует имманентно и объективно, в различных формах, то эксперимент лишь преобразует информацию в форму, отвечающую процессу познания.

Перечислим основные свойства информации, которые должны быть объяснены в теории информации:

- запоминаемость;

- передаваемость;

- преобразуемость;

- воспроизводимость;

- стираемость.

Свойство запоминаемости - одно из самых важных. Впервые внимание на него обратил Г.Кастлер. Запоминаемую информацию следует называть макроскопической (имея в виду пространственные масштабы запоминающей ячейки и время запоминания), в противовес микроскопической информации в смысле формулы Больцмана.

Способность информации передаваться с помощью каналов связи (в том числе с помехами) хорошо исследована в рамках теории информации К.Шеннона. В данном случае имеется ввиду несколько иной аспект - способность информации к копированию, т.е. к тому, что она может быть "запомнена" другой макроскопической системой и при этом останется тождественной самой себе. Очевидно, что мера информации должна быть такова, чтобы ее количество не возрастало при копировании.

Воспроизводимость информации тесно связана с ее передаваемостью и не является ее независимым базовым свойством. Если передаваемость означает, что не следует считать существенными пространственные отношения между частями системы, между которыми передается информация, то воспроизводимость характеризует неиссякаемость и неистощимость информации, т.е. что при копировании информация остается тождественной самой себе.

Фундаментальное свойство информации - преобразуемость. Оно означает, что информация может менять способ и форму своего существования. Копирование есть разновидность преобразования информации, при котором ее количество не меняется. В общем случае количество информации в процессах преобразования меняется, но возрастать не может. Свойство стираемости информации также не является независимым. Оно связано с таким преобразованием информации (передачей), при котором ее количество уменьшается и становится равным нулю.

Данных свойств информации недостаточно для формирования ее меры, т.к. они относятся к физическому уровню информационных процессов.

Выход из этой ситуации, на наш взгляд, заключается в радикальной смене исследовательской парадигмы. Необходимо отказаться от чисто умозрительных рассуждений и приступить к разработке концепции информации, основанной на реальной практике человека, в том числе связанной с разработкой, производством, распространением и эксплуатацией современных вычислительных систем и сетей.

Понятие информации нельзя больше считать лишь техническим, междисциплинарным и даже наддисциплинарным термином. Это понятие неизбежно должно войти в число фундаментальных понятий науки, стать рядом с категориями материи, движения, отражения, сознания.

Попытки рассмотреть понятие информации на фундаментальном уровне привели к возникновению двух противостоящих концепций - так называемых функциональной и атрибутивной. "Атрибутисты" квалифицируют информацию как свойство всех материальных объектов, т.е. как атрибут материи. "Функционалисты" связывают информацию лишь с функционированием сложных, самоорганизующихся систем. Очевидно, что противоречие между этими концепциями принципиально неразрешимо, однако функциональная концепция более перспективна в гносеологическом плане и приводит к формированию последовательной информационной картины мира.

Согласно функциональному подходу к информации, она существует, т. е. проявляет себя, функционирует в биологических и социальных системах. Примем более сильную гипотезу, состоящую в том, что информация существует и функционирует в системах (или ситуациях) управления. При этом, под системами управления понимаются не просто жесткие системы управления Н. Винера с одним контуром обратной связи (нижний предел уровня организации системы с информацией), но и гибкие системы со многими контурами обратной связи, разорванными и отсроченными связями, передачей управления и интерференцией подсистем, как это имеет место в трудно формализуемых социальных системах.

 

Так, для одноконтурной системы управления информация есть сущностная модель обратной связи, ее содержание. В реальных трудноформализуемых системах управление реализуется на многих контурах обратной связи, в том числе опосредующих наполнение знаний и опыта как у конкретных индивидов, так и у общества в целом с учетом различных информационных ресурсов, образования и т.д., при этом обратные связи в таких процессах носят отсроченный и разорванный характер, проявляется множественность и интерференция одновременно протекающих актов управления, переключение ролей управляющей и управляемых подсистем в последовательных актах управления. Такой характер имеют обратные связи и в психологических явлениях и процессах (как разновидности социальных систем). На “разрыве” обратной связи в таких системах и возникает информация.

Таким образом, информация получает обобщенное определение как содержательная модель обратной связи в актах управления. Обратим внимание на генетическую связь информации с актом управления, в котором она рождается, проходит те или иные этапы существования (хранение, передача, преобразование), превращения в акте принятия решения (в системах с человеком) и управляющем воздействии.

Эта связь приводит к тому, что информация не существует вне контекста, представляющего собой протокол (правила, алгоритмы) порождения, обработки и использования информации, определяющего семантику информации.

Информация не может быть определена вне некоторого контекста информации. Очевидно, что из частных реализаций контекстного подхода и информации является ценностная теория информации.

Применительно к компьютерным технологиям переработки информации мы имеем дело почти исключительно с алгоритмами. В творческой, не формализуемой деятельности контекст приобретает существенно неалгоритмический, эвристический, субъективный характер.

Чрезвычайно важно, что определение информации совместно с контекстом позволяет ввести информационный инвариант, сохраняющийся в процессах переработки информации. Этот инвариант представляет собой сумму вкладов количества информации и сложности контекста.

Смысл инварианта состоит в следующем: большое количество информации может быть свернуто в ее алгоритмический контекст. Например, некоторое сообщение совместно с повторяющим его n-раз алгоритмом эквивалента n-раз повторенному сообщению. По-видимому, как количество информации, так и сложность контекста имеют характер потенциалов и могут быть определены относительно некоторого заданного “0”.

Такой подход в какой-то степени восходит к идее сложности алгоритмов Колмогорова и семантической теории информации. Рассмотренный подход описывает не только шенноновские сообщения (предел контекста нулевой сложности), но и сигналы (тревоги) – противоположный предел простейшей информации (1 бит) при сложном контексте (заранее оговоренных правилах действия по тревоге).

Концепция контекстной информации весьма плодотворна с точки зрения проектирования компьютерных систем, содержащих не только данные, но и программы (получающие эти данные), а также структур данных одновременно с обрабатывающими их алгоритмами. С точки зрения информационного инварианта не имеет значения, что хранит информационная система, данные или программы для их получения. Однако, с точки зрения объема данных и стоимости их хранения и скорости поиска, а также сложности программ и производительности системы при их выполнении, необходима оптимизация хранения данных или программ для их получения.

Известен следующий факт, относящийся к разработке программ и иллюстрирующий информационный инвариант программ: удачный выбор структуры данных (отражающих информацию задачи) сильно упрощает саму программу и наоборот.

Способом существования информации являются информационные процессы- движение информации, состоящее в превращениях, изменениях формы. Движение информации есть сущность процессов управления, которые являются сутью проявления имманентной активности материи, ее способности к самодвижению. С момента возникновения кибернетики управление рассматривается применительно ко всем формам движения материи, не только к высшим (биологической и социальной). Многие проявления движения в неживых - искусственных (технических) и естественных (природных) - системах также обладают общими признаками управления, хотя и рассматриваются в химии, физике, механике в энергетической, а не информационной парадигме. Высшей формой информации, проявляющейся в управлении в социальных системах, являются знания. Это "наддисциплинарное" понятие, широко используемое в педагогике и исследованиях по искусственному интеллекту, также претендует на роль важнейшей философской категории. Познание есть один из функциональных аспектов управления.

В процессах управления существенной является семантика (смысл) информации. Именно с точки зрения семантики информации должны рассматриваться ее преобразования.