Інформатика і природні науки
СОДЕРЖАНИЕ: Дослідження медичної інформатики, інформаційних процесів, повязаних з методико-біологічними, клінічними і профілактичними проблемами здоровя. Характеристика прикладного програмного забезпечення: систем обробки текстів, табличних процесорів, баз даних.Реферат
на тему: «Інформатика та природничі науки»
Зміст
Введення
I. Структура сучасної інформатики
II. Інформатика та природничі науки
III. Інформатика і технічні науки
Висновок
Список літератури
Введення
У сучасному світі роль інформатики, засобів обробки, передачі, накопичення інформації незмірно зросла. Засоби інформатики та обчислювальної техніки зараз багато в чому визначають науково-технічний потенціал країни, рівень розвитку її народного господарства, спосіб життя і діяльності людини. Знання інформатики сприяє підвищенню ефективності майбутньої професійної діяльності, підвищення ефективності навчальної діяльності студента у вузі, створенню сприятливого думки про фахівця. Ось чому в сучасних школах введено навчальний предмет інформатика.
Важливою особливістю інформатики є щонайширші програми, що охоплюють майже всі види людської діяльності: виробництво, управління, науку, освіту, проектні розробки, торгівлю, фінансову сферу, медицину, криміналістику, охорону навколишнього середовища та ін.
Інформатика є прикладною наукою, яка обслуговує техніку, виробництво, інші види людської діяльності шляхом створення та передачі в суспільство інформаційних технологій, тобто технічних пристроїв і методів ефективної обробки інформації, організації комунікації та створення засобів поширення наукової інформації, розробки інформаційних систем різного призначення на основі застосування ЕОМ та ін. технічних засобів. Відповідно до визначення, прийнятому ЮНЕСКО, інформаційна технологія - це комплекс взаємоповязаних наукових, технологічних, інженерних дисциплін, що вивчають методи ефективної організації праці людей, зайнятих обробкою і зберіганням інформації; вивчають обчислювальну техніку і методи організації взаємодії з людьми і виробничим устаткуванням, їх практичні додатки, а також повязані з усім цим соціальні, економічні та культурні проблеми. Ефективне і повсюдне освоєння цих нових технологій залежить від розвитку інформатики як науки та особливостей інформаційної культури суспільства.
Інформатика вивчає питання, повязані з пошуком, збиранням, зберіганням, перетворенням та використанням інформації в самих різних сферах людської діяльності. Генетично інформатика повязана з обчислювальною технікою, компютерними системами і мережами, так як саме компютери дозволяють породжувати, зберігати і автоматично переробляти інформацію в таких кількостях, що науковий підхід до інформаційних процесів стає одночасно необхідним і можливим.
Інформатика зародилася в лоні науки, тут були її перші прояви і сама вона є областю наукового знання. Не дивно, що з усіх галузей людської діяльності саме наукова зазнала найбільш сильне початкове вплив інформатики та інформатизація науки стала однією з найбільш характерних шляхів становлення інформаційного суспільства.
Інформатизація науки була викликана як необхідністю ефективного виконання наукою тих завдань, які ставила перед нею життя, так і внутрішніми потребами самої науки. Введення, як і сам процес наукового дослідження, так і в зберігання, переробку та видачу його результатів інформаційної техніки, компютеризація науки стало інструментом розвязання суперечності між одержуваним обсягом наукового знання і можливістю його ефективного використання. Більше того, саме інформаційна техніка стала головним чинником прискорення придбання і практичного використання отриманих наукою знань.
Нині методи і засоби інформатики чинять постійний зростаючий вплив на всю систему мислення сучасної людини - теоретико-інформаційний підхід і компютери входять у побут людини кінця ХХ століття. Інформатика як теорія, нове бачення обєктивної реальності в цілому і як сукупність технічних засобів мають величезний і все зростаючий вплив на наукове пізнання, організацію наукових досліджень і впровадження їх результатів у практику.
Разом з тим, інформатика розширює сферу чуттєвого сприйняття досліджуваних обєктів, зображуючи їх на екрані дисплея у вигляді схем, графіки, таблиць, наочного образу, що, безумовно, створює певний сприятливий для сприйняття психологічний клімат. Ці образи інформатика повязує з абстрактними уявленнями, що є своєрідною формою сходження від абстрактного до конкретного.
Розвиток наукових дисциплін на стику інформатики з іншими науками призвело до виникнення, з одного боку, таких явищ, як гуманітарна та соціальна інформатика, що займаються дослідженням впливу інформатики на соціальні процеси в суспільстві і на розвиток гуманітарних наук і освіти, з іншого - «галузевих інформатик» (економічної, правової, біологічної тощо), які адаптують методи та алгоритми загальної інформатики, технології компютерної обробки даних стосовно особливостей окремих галузей людського знання. При цьому відбуваються не тільки подальша математизація і компютеризація науки в цілому, яскраво проявила себе як одна з провідних тенденцій її розвитку ще в минулому столітті, але і зворотний вплив окремих наук на інформатику: робота з різнохарактерними даними, у тому числі гуманітарними, розширює можливості і інструментарій самої інформатики як науки.
Для представлення про прикладні методи інформатики розглянемо в першому розділі структуру сучасної інформатики. Наступні глави будуть присвячені найбільш розвиненим областям взаємодії інформатики з іншими науками.
I. Структура сучасної інформатики
Обчислювальна техніка - розділ, в якому розробляються загальні принципи побудови обчислювальних систем. Мова йде не про технічні деталі та електронних схемах (це лежить за межами інформатики як такої), а про принципові рішення на рівні, так званої, архітектури обчислювальних (компютерних) систем, визначальною склад, призначення, функціональні можливості та принципи взаємодії пристроїв. Приклади принципових, які стали класичними рішень у цій області - неймановскую архітектура компютерів перших поколінь, шинна архітектура ЕОМ старших поколінь, архітектура паралельної (багатопроцесорної) обробки інформації.
Програмування - діяльність, повязана з розробкою систем програмного забезпечення. Тут відзначимо лише основні розділи сучасного програмування: створення системного програмного забезпечення та створення прикладного програмного забезпечення. Серед системного - розробка нових мов програмування і компіляторів до них, розробка інтерфейсних систем (приклад - загальновідома операційна оболонка і система Windows). Серед прикладного програмного забезпечення загального призначення найпопулярніші - система обробки текстів, електронні таблиці (табличні процесори), системи управління базами даних. У кожній області предметних додатків інформатики існує безліч спеціалізованих прикладних програм вужчого призначення.
Інформаційні системи - розділ інформатики, повязаний з вирішенням питань щодо аналізу потоків інформації в різних складних системах, їх оптимізації, структуруванні, принципах збереження і пошуку інформації. Інформаційно-довідкові системи, інформаційно-пошукові системи, гігантські сучасні глобальні системи зберігання і пошуку інформації (включаючи широко відомий Internet) в останнє десятиліття XX століття привертають увагу все більшого кола користувачів. Без теоретичного обґрунтування принципових рішень в океані інформації можна просто захлинутися. Відомим прикладом вирішення проблеми на глобальному рівні може служити гіпертекстова пошукова система WWW, а на значно більш низькому рівні - довідкова система, до послуг якої ми вдаємося, набравши телефонний номер 109.
Штучний інтелект - область інформатики, в якій вирішуються складні проблеми, які перебувають на перетині з психологією, фізіологією, лінгвістикою та іншими науками. Як навчити компютер мислити подібно людині? Оскільки ми далеко не все знаємо про те, як мислить людина, дослідження з штучного інтелекту, незважаючи на піввікову історію, все ще не привели до вирішення ряду принципових проблем. Основні напрямки розробок, що відносяться до цієї області - моделювання міркувань, компютерна лінгвістика, машинний переклад, створення експертних систем, розпізнавання образів та інші. Від успіхів робіт у галузі штучного інтелекту залежить, зокрема, рішення такої найважливішої прикладної проблеми, як створення інтелектуальних інтерфейсних систем взаємодії людини з компютером, завдяки яким ця взаємодія буде походити на між людському і стане більш ефективним.
II. Інформатика та природничі науки
За визначенням А. П. Єршова, інформатика - «фундаментальна природнича наука». Академік Б. М. Наумов визначав інформатику, «як природну науку, що вивчає загальні властивості інформації, процеси, методи і засоби її обробки (збирання, зберігання, перетворення, переміщення, видача)».
Уточнимо, що таке фундаментальна наука і що таке природнича наука. До фундаментальних прийнято відносити ті науки, основні поняття яких носять загальнонауковий характер, використовуються в багатьох інших науках і видах діяльності. Ні, наприклад, сумнівів у фундаментальності таких різних наук як математика та філософія. У цьому ж ряду і інформатика, так як поняття інформація, процеси обробки інформації, безсумнівно, мають загальнонаукову значимість.
Природничі науки - фізика, хімія, біологія та інші - мають справу з обєктивними сутностями світу, існуючими незалежно від нашої свідомості. Віднесення до них інформатики відображає єдність законів обробки інформації в системах самої різної природи - штучних, біологічних, суспільних.
Поява інформаційної техніки зробило настільки істотний вплив на наукові дослідження, що часто говорять про якісно новий етап у розвитку науки. Інформаційна техніка показала свою ефективність при роботі в системами, поведінка яких визначається законами механіки, фізики, хімії. Так, компютерна генетика займається розшифровкою структур ДНК за допомогою компютерів, компютерний синтез успішно вирішує задачі синтезу необхідних хімічних елементів. Відкрилися можливості широкого використання математичних методів для побудови математичних моделей хімічних реакцій, обробки результатів експериментальних досліджень у реальному режимі часу, пошуку оптимальних умов проведення технологічних процесів. Експертні системи використовуються для обґрунтування вибору методів розрахунку рівноваги в системах «пар - рідина», методів термодинамічних розрахунків, аналізу звязків між структурою хімічних сполук та їх біологічною активністю. Компютери все більше стають складовою частиною обладнання хімічних науково-дослідних лабораторій. Вони використовуються для проведення великого обсягу обчислень при квантово-хімічних розрахунках, обробці результатів ренгтеноструктурного аналізу, опису складних хімічних реакцій, розрахунку концентрацій речовин, що входять до складу різних сумішей.
Біоінформатика або обчислювальна біологія - одна з дисциплін біології, розвиваюча використання компютерів для вирішення біологічних задач. Під біоінформатики розуміють будь-яке використання компютерів для обробки біологічної інформації. На практиці, іноді це визначення більш вузьке, під ним розуміють використання компютерів для обробки експериментальних даних за структурою біологічних макромолекул (білків і нуклеїнових кислот) з метою одержання біологічно значимої інформації.
Біоінформатика та її методи використовуються також в біохімії і біофізики. Основна лінія в проектах біоінформатики - це використання математичних засобів для вилучення корисної інформації з «галасливих» або занадто обємних даних про структуру ДНК та білків, отриманих експериментально.
Біологічне різноманіття екосистеми може бути визначено як повна генетична сукупність певного середовища, що складається з усіх видів, що мешкають б це біофільм в покинутій шахті, крапля морської води, жменя землі або вся біосфера планети Земля. Для збору видових назв, описів, ареалу розповсюдження і генетичній інформації використовуються бази даних. Спеціалізоване програмне забезпечення застосовується для пошуку, візуалізації та аналізу інформації, і, що більш важливо, надання її іншим людям. Компютерні симуляції моделюють такі речі, як популяційна динаміка, або обчислюють загальне генетичне здоровя культури в агрономії. Один з найважливіших потенціалів цієї області полягає в аналізі послідовностей ДНК організмів або повних геномів цілих вимираючих видів, дозволяючи запамятати результати генетичного експерименту природи в компютері і можливо використовувати знову в майбутньому, навіть якщо ці види повністю вимруть.
До перспективних напрямків відносяться, зокрема, «машини прогнозування» - алгоритми, які дозволять компютерам будувати прогнози, спираючись на складні дані і «кодифікацію», тобто здатність створювати програми на основі біологічних процесів.
Інформаційні процеси присутні у всіх областях медицини і охорони здоровя. Від їх впорядкованості залежить чіткість функціонування галузі в цілому і ефективність управління нею. Інформаційні процеси в медицині розглядає медична інформатика. В даний час медична інформатика визнана як самостійна галузь науки, що має свій предмет, обєкт вивчення і займає місце в ряду медичних дисциплін.
Медична інформатика - це прикладна медико-технічна наука, що є результатом перехресної взаємодії медицини та інформатики: медицина поставляє комплекс «завдання-методи», а інформатика забезпечує комплекс «засоби-прийоми» в єдиному методичному підході, заснованому на системі «завдання-засоби-методи - прийоми ».
Предметом вивчення медичної інформатики є інформаційні процеси, повязані з методико-біологічними, клінічними і профілактичними проблемами. Обєктом вивчення медичної інформатики є інформаційні технології, реалізовані в охороні здоровя. Основною метою медичної інформатики є оптимізація інформаційних процесів у медицині за рахунок використання компютерних технологій, забезпечує підвищення якості охорони здоровя населення.
В даний час одним з напрямків інформатизації медицини є компютеризація медичної апаратури. Використання компютера у поєднанні з вимірювальною і керуючої технікою в медичній практиці дозволило створити нові ефективні засоби для забезпечення автоматизованого збору інформації про стан хворого, її обробки в реальному масштабі часу і управління її станом.
Розглянемо звязок інформатики з сучасною фізикою.
Не слід думати, що та фізика, яка вивчається в школі та більшості непрофільних вузів, представляється єдиною доведеною і структурно злагодженій наукою. У теоретичній фізиці як наукової галузі є достатня кількість гіпотез, в т. ч. і щодо нових, частина з яких вже є доведеними, іншими словами, які стали теоріями.
Однією з фізичних теорій є і теорія Б. Хайма, яка розвинулася в середині XX століття. Одним з її постулатів є те, що ми живемо не в звичному нам чотиривимірному світі (звичайне тривимірний простір + вимір часу). З цих дванадцяти вимірювань чотири - ті ж самі звичні нам, але серед них є і ще два суто інформаційних. Таким чином, дана теорія декларує, що інформація стає відтепер фізичною величиною, має певну (хоча і малої) енергією.
На основі теорії Хайма провідні інститути та університети світу, включаючи Національний інститут аеронавтики і космічних досліджень (NASA, США), ведуть дослідження, що стосуються побудови літального космічного апарату, швидкість якого могла б перевищити швидкість світла у вакуумі.
Оперуючи поняттям «інформація» і досліджуючи його на первинному рівні, інформатика підтверджує свій статус природної науки.
Компютерна хімія (математична хімія) - порівняно молода галузь хімії, заснована на застосуванні теорії графів до хімічних завданням фундаментального і прикладного характеру. Виходячи із загального визначення хімії, як науки про речовини і перетвореннях їх в один одного, можна сказати, що речовини (молекули) моделюються в компютерній хімії молекулярними графами, а перетворення речовин (хімічні реакції) - формальними операціями з графами. Такий формально-логічний підхід у ряді випадків помітно спрощує алгоритмізацію хімічних задач, зводячи їх до типових задач комбінаторики і дискретної математики, і дозволяє шукати вирішення за допомогою компютерних програм. При цьому поряд зі спеціальними програмами в компютерній хімії можуть застосовуватися і універсальні програми: для роботи з таблицями, математичні програми і т. д.
Як приклад типових задач компютерної хімії можна назвати: пошук залежностей типу «структура - властивість»; генерацію наборів хімічних структур, що відповідають заданим параметрам (складу, наявності функціональних груп і т. д.); перерахування всіляких хімічних реакцій між заданими реагентами (так званий «компютерний синтез») і т. д. Поряд із загальними хімічними завданнями в компютерній хімії існує також велика група вузькоспеціальних завдань, тісно повязаних з завданнями хімічної інформатики, наприклад, задачі розпізнавання хімічних структур при зверненні до хімічних та фізико-хімічними баз даних. Ця група завдань у свою чергу тісно повязана з проблемою ізоморфізму графів.
При вирішенні задач компютерної хімії широко використовуються різноманітні обчислювальні методи та операції з топологічними індексами (інваріантами графів). У ряді випадків формально-логічний підхід розширюється хімічними підходами, наприклад, на додаток до топологічним індексами, що відображає будову молекули, використовуються електронегативності атомів в молекулі, що відображають склад речовини. Методи компютерної хімії часто використовуються в поєднанні з методами квантової хімії, молекулярної механіки та ін. Для обробки результатів обчислювального експерименту широко застосовуються методи математичної статистики. У деяких випадках для пошуку рішень застосовуються методи штучного інтелекту.
Особливу роль методи компютерної хімії грають в органічній хімії, що пояснюється важкою формализуемость останньої, як у порівнянні з іншими природничими науками, наприклад, з фізикою, так і в порівнянні з іншими областями хімії, наприклад, з неорганічної хімією. Компютерна хімія має велике значення і для багатьох найважливіших областей біохімічних досліджень, наприклад, при вирішенні завдань типу «структура-фармакологічна активність», часто в таких дослідженнях методи компютерної хімії доповнюються методами моделювання, специфічними для молекулярно-біологічних систем.
У період становлення і формування в самостійну область новий науковий напрям нерідко отримує різні назви у різних авторів. Так сталося і з компютерною хімією: історично закріпилися дві назви - «компютерна хімія» та «математична хімія». Так, один з наукових журналів, що зробив значний вплив на становлення компютерної хімії, називається «Journal of Mathematical Chemistry». Проте назва «математична хімія» видається невдалим, якщо врахувати, що багато галузі хімії, що сформувалися задовго до появи компютерної хімії, спочатку були засновані на математичному фундаменті, наприклад, фізична хімія, кінетика і каталіз, квантова хімія. При тому, що ряд основних робіт в компютерній хімії був виконаний під час компютери перших поколінь, розвиток компютерної хімії стало можливим тільки з появою сучасних компютерів. Незважаючи на те, що сьогодні компютери використовуються практично у всіх галузях сучасної хімії як для теоретичних так і для експериментальних досліджень, саме компютерна хімія набагато більше за багатьох інших областей хімії залежить від рівня розвитку компютерних технологій. Така залежність повязана насамперед зі специфікою найважливіших алгоритмів теорії графів, багато з яких мають експоненційну обчислювальну складність - теоретична оцінка часу, витраченого на виконання алгоритму, є експонентною функцією від розміру графа, тобто від кількості його вершин і ребер, або кажучи мовою - від числа атомів та хімічних звязків в молекулі.
З іншого боку, багато завдань хімічної інформатики, що вирішуються за допомогою методів компютерної хімії, вже по своїй постановці неможливі без використання компютера, наприклад, формування і експлуатація компютерної бази даних за властивостями хімічних сполук. Необхідно при цьому зазначити, що сама хімічна інформатика виникла задовго до появи компютерів. Так, були і продовжують широко використовуватися численні хімічні довідники та реферативні журнали, видрукувані на папері. Існують зарекомендували себе і які є класичними методи пошуку по цим виданням із застосуванням всіляких друкованих покажчиків (авторського, предметного, формульного і т. д.), що організовуються без залучення апарату компютерної хімії. Таким чином, на відміну від компютерної хімії, хімічна інформатика, як і переважна більшість традиційних областей хімії, заснована на застосуванні до компютерної технологій. У цьому і полягає основна методологічне відміну компютерної хімії. З певною часткою неточності можна стверджувати, що якщо метою більшості хімічних досліджень є встановлення деяких хімічних закономірностей, то метою досліджень в компютерній хімії є, як правило, певний алгоритм і реалізує його компютерна програма, що дозволяє шукати хімічні закономірності, експлуатація такої програми може проходити вже поза галузі компютерної хімії.
медичний інформаційний процесор програмний
III. Інформатика і технічні науки
Окремою наукою інформатика була визнана лише в 1970-х; до цього вона розвивалася у складі математики, електроніки та інших технічних наук.
Інформатика не лише породжує нові наукові напрямки та нові науки, але має великий вплив на склад і структуру традиційних галузей наукового знання. Так, в математиці виникли такі її нові галузі, як обчислювальна математика, лінійне програмування. Набули застосування галузі математичного знання, до цих пір не знайшли свого застосування, наприклад, теорія ігор. У науково-дослідних лабораторіях стали застосовуватися вимірювально-обчислювальні комплекси, які здатні не тільки швидко проводити вимірювання і видавати досліднику відповідну інформацію, але й здійснювати керування ходом самого експерименту в залежності від отриманої інформації. Використання компютерів розширило область використання математики в науці, призвело до математизації інших наук і навіть породило нові науки, такі як біоматематика, і наук, націлених на дослідження глибокого вакууму, космосу, складних явищ і процесів мега-і мікросвіту.
На знаннях в області механіки, інформатики та деяких галузей техніки (мікропроцесорна техніка, компютерне управління рухом машин і агрегатів) виникла нова досить швидко розвивається технічна наука, сама назва якої - «мехатроніка», обєднує терміни «механіка» і «електроніка» і свідчить про гібридному характері тієї науки. Дійсно, мехатроніка являє собою комплекс засобів і принципів механіки, інформатики та електроніки, який націлений на створення та експлуатацію машин і систем з компютерним управлінням.
В області технічної інформатики вже практично сформувалося і швидко розвивається нейроінформатіка - науковий напрямок, повязаний з дослідженням і розробкою нового покоління засобів інформатики, заснованих на використанні принципів нейронних мереж та нейромережевих алгоритмів рішення погано сформульованих завдань. У цій сфері значних успіхів домоглися російські вчені. Вже видано більше 20 наукових монографій, видається російською та англійською мовами журнал Нейрокомпютер, створена і функціонує кафедра нейрокомпютерів в Московському фізико-технічному інституті (технічному університеті).
Висновок
Інформатизація пронизує всі сфери людської діяльності і наукового пізнання - від емпіричного до теоретичного, активно бере участь в інтеграції різних галузей науки, у виникненні нових наук. Інформатизація - найбільший стимул розвитку і функціонування сучасної науки, вирішальний чинник її якісного перетворення, революції в науці.
Інформаційна техніка і, перш за все, компютери надали якісно нові можливості для широкого обміну думками між вченими та окремими масивами знань. Сучасні інформаційні засоби забезпечують спілкування вчених один з одним, надають нові можливості для цього спілкування.
Інформатизація науки та діяльності допомагає зберігати час, необхідний для збору необхідної інформації, яка без інформатизації займає до половини, а іноді і більше робочого часу. Звільнення людини від мало творчого праці по збору інформації різко підвищує творчу продуктивність, евристичність пошуку, поетапну і загальну продуктивність праці.
Виникнення нових галузей у науці повязане з темпами розвитку інформатики та інформаційних технологій. Обєктом додатків інформатики є самі різні науки і області практичної діяльності, для яких вона стала безперервним джерелом найсучасніших технологій, що називаються часто «нові інформаційні технології» (НІТ).
Список літератури
1. Берлянт А.М. Картографічний метод дослідження. - М.: Изд-во МГУ, 1988 - 216 с.
2. Гуманітарна інформатика: Зб. статей / За ред. Г.В. Можаєвої. Томськ, 2004. Вип. 1.
3. Дмитрієв І. С. Молекули без хімічних звязків. Нариси про хімічну топології. - Ленінград: Хімія, 1980. - 160 с.
4. Штучний інтелект: застосування в хімії / За ред. Т. Пірса, Б. Хоні. - М.: Мир, 1988. - 430 с.
5. Ковальченко І.Д. Методи історичного дослідження. - М.: Наука, 2003. - 40 с.
6. Колін К.К. Фундаментальні основи інформатики: соціальна інформатика: Навчальний посібник для вузів. - Єкатеринбург, 2000. - 350 с.
7. Рогов Н.В. Програмування та дизайн. - М: 2006. - 312 с.
8. Соціальна інформатика: підстави, методи, перспективи / Відп. ред. Н.І. Лапін. М.: 2003 .- 216 с.
9. Хімічні програми топології і теорії графів / Под ред. Р. Кінга. - М.: Світ, 1987. - 560 с.
10. Дьомкін В.П., Можаєва Г.В. Гуманітарна інформатика або інформатика для гуманітаріїв: постановка проблеми / / Інформаційний бюлетень Асоціації Історія і компютер. - 2002. - № 29.
11. Джеремі Кірк. Природничих наук потрібна інформатика / / Computerworld. - 2006. - № 26.