Концептуальная информатика и терминосистемы в информатике: проблемно-ориентированный анализ Зацман Игорь Моисеевич (ИПИ РАН) Семинар Современное состояние и перспективы развития информационных наук в России 31 октября 2012 Цель доклада: Предложить концептуально единый подход к описанию, развитию и преподаванию в средней школе и системе ВПО современной информатики как информационно-компьютерной науки, включающей когнитивную и нейроинформатику Предложить принципы построения фундаментальных оснований для современной информатики, в том числе для информационной науки и компьютерной науки Предложить принципы классификации современной информатики, включающей когнитивную и нейроинформатику © И.М. Зацман, 2012

1.Введение 2.Актуальные направления исследований по ИКТ, включающих проблемы когнитивной и нейроинформатики 3. Принцип отнесения объектов информатики к среде или границам между средами, средовая таблица объектов и процессов информатики 4.Принципы построения системы терминов информатики, включающей когнитивную и нейроинформатику, как составляющей ее научной парадигмы 5. Выводы 1 ПЛАН ДОКЛАДА

1.1 Информационно-компьютерная наука как единая фундаментальная область знаний (Сол Горн, 1963 г.) 2 1. Примерами основных вопросов исследования в этой области знаний могут быть: системы программирования, проектирование компьютерных систем, искусственный интеллект, информационный поиск и т.д. 2. Вероятностная информационная теория Шеннона определенно принадлежит к этой области знания, но помимо нее существует еще теория машинной информации и ее обработки. 3. Одним из центральных вопросов этой новой дисциплины, скорее всего, станет синтез и анализ машинных языков и процессоров их обработки.

1.2 Перечень дисциплин информатики как инфор- мационно-компьютерной науки (Сол Горн, 1963 г.) 3 1. В 1963 году Сол Горн предложил перечень тех дисцип- лин, которые должны преподаваться студентам, изучаю- щим информационно-компьютерную науку, включая: математику, физику, философию, лингвистику, психологию, вычислительную технику, компьютерное программирование. 2. С точки зрения Горна эта область знания не является ветвью математики, так как она должна соотносить себя с прагматическими вопросами, от которых математика не должна зависеть.

1.3 Информатика как информационно-компьютерная наука не является ветвью математики (иллюстрация положения Сола Горна на примере одной из задач ЕГЭ) 4 1. Анализ последовательностей, системы счисления: Все 4-буквенные слова, составленные из букв А, И, Л, С, записаны в алфавитном порядке. Вот начало списка: 1. АААА 2. АААИ 3. АААЛ 4. АААС 5. ААИА …… Запишите слово, которое стоит на 157-м месте от начала списка (Ответ – ЛИСА ). 2. Если в подобных задачах дополнительно потребовать выписать слова, имеющие смысл, то эта задача математическими методами не решается (и в задание ЕГЭ по информатике и ИКТ, скорее всего, не попадет).

1.4 Почему семантические задачи отсутствуют в заданиях ЕГЭ по информатике и ИКТ ? 5 Курс информатики и ИКТ в школе, а нередко и в системе ВПО, включает следующие разделы (полужирным шриф- том выделены основания информатики и ИКТ) 1 Информация и ее кодирование 2 Системы счисления 3 Основы логики 4 Моделирование и компьютерный эксперимент (таблицы, диаграммы, графики и графы) 5 Элементы теории алгоритмов 6 Архитектура компьютеров и компьютерных сетей 7 Технология обработки графической и звуковой информации 8 Обработка числовой информации 9 Технологии поиска и хранения информации 10 Программирование

1.5 Статья Шрейдера «Информация и знание» (1988г.) 6 1. Не существует двух информатик (информационной науки и компьютерной науки), а есть два облика информатики. 2. Первый из них (информационная наука) дополнительно нагружен представлениями о традиционном информационном обслуживании. 3. Второй облик (компьютерная наука) неправомерно искажен чисто программистскими проблемами. 4. Специфические же проблемы информатики оказываются там, где возникают задачи информационного представления знаний в форме, удобной для обработки, передачи и творческого реконструирования знаний в результате усилий пользователя.

1.6 Шрейдер формулирует основы информатики (1988) 7 1. Информация есть общественное достояние, она в принципе социальна, в то время как знание, вообще говоря, соотнесено с конкретной личностью, с тем, кто им владеет и непосредственно пользуется. 2. Информация должна пройти через "когнитивный экран" тех, для кого она представляет ценность. Так возникает необходимость считаться … с феноменом личностного знания. 3. Тождественность информации и знания при этом исключается, но информация как превращенная форма знания сохраняет следы своего происхождения. 4. Далее Шрейдер пишет о пропасти, разделяющей информацию и знания как сущности разной природы.

1.7 Количественные взаимосвязи направлений научных исследований с ИТ для патентов США 8

1.Введение 2.Актуальные направления исследований по ИКТ, включающих проблемы когнитивной и нейроинформатики 3. Принцип отнесения объектов информатики к среде или границам между средами и средовая таблица объектов и процессов информатики 4.Принципы построения системы терминов информатики, включающей когнитивную и нейроинформатику, как составляющей ее научной парадигмы 5. Выводы ПЛАН ДОКЛАДА 9

2.1 Примеры актуальных проблемы информатики, включающей когнитивную и нейроинформатику (из проектов РФФИ годов) Исследование и разработка нейроморфных средств и сложных антропоморфных технических систем ( модели восприятия информации, накопления знаний о среде и о поведении путем обучения в реальном времени ) – требуется описать взаимосвязи информации, знаний и объектов среды. 2. Исследование ритмических кодов мыслительной деятельности и создание на этой основе модели когнитивного пространства человека и интерфейса мозг-компьютер высокого уровня ( ни компьютерная наука, ни информационная наука не дают фунда- ментальных основ разработки таких моделей ).

2.2 Создания новых поколений ИКТ в 7-й Рамочной программы ЕС ( ) - 4 направления исследований Как (ментальные) знания появляются, каким образом на этот процесс и его результаты влияет совместная деятельность, как формируются конвенциональные системы знаний; 2. Исследование многообразия форм представления одной и той же системы (ментальных) знаний; 3. Создание нового поколения интеллектуальных информационных систем, которые должны обеспечить семантическую интероперабельность в процессе совместной работы пользователей этих систем; 4. Исследование принципиальных возможностей и средств влияния на процессы формирования новых систем (ментальных) знаний в процессе совместной деятельности коллективов специалистов.

2.3 Проблемы формирования систем новых знаний, относящиеся к информатике как информационно- компьютерной науке Формирование и компьютерное представление в цифровой электронной среде личностных и коллективных систем (ментальных) знаний, то есть формируемых совместно коллективом специалистов. 2. Анализ и оценивание степени релевантности разных вариантов формируемых систем (ментальных) знаний социальным, экономическим, технологическим и другим общественно значимым потребностям, в интересах которых они были сформированы. 3. Целенаправленное влияние средствами ИКТ на формирование и эволюцию формируемых систем (ментальных) знаний, необходимое для получения запланированных (желаемых) результатов.

2.4 Аналитический отчет по вопросам обеспечения конкурентоспособности США в 21 веке (2005 год) Информационные технологии позиционируются как составляющая триады «научная теория – научный эксперимент – информационные технологии, обеспечивающие проведение экспериментов». 2. Информационные технологии являются основой научного познания практически во всех отраслях знаний (необходимо единое метаописание объектов, процессов и явлений с указанием их среды для предметных областей основных отраслей знаний в интересах создания этой составляющей триады - И.З. ). 3. Авторы отчета определяют междисциплинарную область исследований и разработок, которую называют «computational science», что переводится буквально как «вычислительная наука».

2.5 Три составляющих вычислительной науки Алгоритмы (численные и нечисленные), программное обеспечение для моделирования, разработанное для решения проблем естественных, гуманитарных и инженерных наук; 2. Информационно- компьютерная наука, которая разрабатывает и оптимизирует современные аппаратные, программные и сетевые средства, а также компоненты управления данными, которые необходимы для решения вычислительно сложных проблем; 3. Вычислительная инфраструктура, которая поддерживает решение научных и инженерных проблем в разных областях знаний, а также развитие информацион-но-компьютерной науки ( на основе единого метаописа-ния объектов, процессов и явлений сред отраслей знаний - И.З. ).

1.Введение 2.Актуальные направления исследований по ИКТ, включающих проблемы когнитивной и нейроинформатики 3. Принцип отнесения объектов информатики к среде или границам между средами и средо- вая таблица объектов и процессов информатики 4.Принципы построения системы терминов информатики, включающей когнитивную и нейроинформатику, как составляющей ее научной парадигмы 5. Выводы 15 ПЛАН ДОКЛАДА

3. Первый (средовой) принцип построения фундаментальных осно- ваний информатики - разделение ее предметной области на среды. Второй принцип - отнесение ее объектов и процессов к среде или границам между ними (средовая таблица объектов и процессов информатики) 16

1.Введение 2.Актуальные направления исследований по ИКТ, включающие проблемы когнитивной и нейроинформатики 3. Принцип отнесения объектов информатики к среде или границам между средами и средовая таблица объектов и процессов информатики 4.Принципы построения системы терминов информатики, включающей когнитивную и нейроинформатику, как составляющей ее научной парадигмы 5. Выводы 17 ПЛАН ДОКЛАДА

4.1 Предметная область информатики как прикладной отрасли знаний и фундаментальной дисциплины Информатика как прикладная отрасль знаний – изучение процессов создания и использования цифровых систем, обеспечивающих хранение, обработку, доступ и обмен информацией (Mark Snir, 2011)Mark Snir, Информатика как фундаментальная дисциплина – разработка теоретических основ создания и использова- ния цифровых систем и ИКТ, обеспечивающих хранение, обработку, доступ и обмен информацией (7 вариантов интерпретации из-за разных трактовок информации). 3. Смысл приведенных определений будет во многом будет зависеть от определения терминов «обработка» и «информация», в частности, от соотнесения информа- ционных объектов с той или иной средой или границей. 4. В этих определениях остается непонятным, являются ли процессы человеко-машинного взаимодействия объектами исследований в информатике.

4.2 Пять принципов построения фундаментальных оснований информатики, включающей когнитивную и нейроинформатику (первый вариант списка принципов) Средовой принцип - разделение предметной области информатики на среды (с потенциальным увеличением числа сред) аналогично структуре научных исследований в информатике, предложенной К. Колиным (1990). 2. Атрибутивный принцип - отнесение объектов и процессов к среде или границе между ними (на основе средовой таблицы объектов и процессов информатики) (2003) 3. Принцип разграничения знаковой (семантической) информации и данных по источнику их генерации, который был сформулирован Ю. Шемакиным (1995) 4. Принцип «незнания» - определение сферы незнания как еще неосознанного (непонятого) через ее противопоставление со сферой знания (В. Макаров и Г. Клейнер, 2007). 5. Принцип социальной категоризации знаний - разграничение личностных, согласованных (коллективных) и общепринятых (конвенциональных) знаний согласно обобщенной модели формирования знаний Вежбицки и Накамори (2006, 2007)

20 1.К.К. Колин описал структуру предметной области информатики как фундаментальной науки (2006): … Техническая информатика Социальная информатика Биологическая информатика Физическая информатика 2.Представлены основные среды, которые имеются в окружающем нас мире живой и неживой природы. 3.В каждой среде рассматриваются информационные процессы и/или их отражение в этой среде (добавлено мной – И.З.). 4.Каждая среда оказывает влияние на специфику проявления информационных закономерностей, в т.ч. на меру вычисления объема информации (И.З.). 4.3 Средовой принцип построения фундаментальных оснований информатики

4.4 Первые две категории объектов предметной области информатики (выделены на основе средового принципа) Ментальная информация, то есть ментальные знания человека (Брукс, 1980) – разработка теоретических основ создания и использования цифровых систем и ИКТ, обеспечивающих хранение, обработку, доступ и обмен цифровыми формами представления ментальных знаний человека в цифровой среде (первый вариант интерпретации).Ментальная информация 2. Знаковая (семантическая) информация, то есть знаковые формы представления ментальных знаний человека в социально-коммуникационной среде (Фарадейн, 1980) – разработка теоретических основ …, обеспечивающих хранение, обработку, доступ и обмен цифровыми формами представления знаковой информации в цифровой среде (второй вариант).Знаковая (семантическая) информация

22 1.В соответствии с этим признаком «данные» трактуются как сведения, поступающие от внешних по отношению к субъекту-человеку источников, на основе которых может быть получена знаковая (семантическая) информация (Ю.И. Шемакин, 1995). 2.Процесс создания информации может быть связан с данными, полученными в результате наблюдений или измерений, но для создания информации данные должны быть интерпретированы когнитивными структурами человека ( Брукс, 1980 ). 4.5 Принцип разграничения знаковой (семантической) информации и данных по источнику их генерации

Пример разграничения знаковой информации и данных по источнику их генерации (из геоинформатики)

4.7 Еще три категории объектов информатики ( выделены на основе средового принципа и принципа разграничения ) Цифровые коды, то есть компьютерное представление двоичных последовательностей в виде наличия или отсутствия электрического тока, наличия или отсутствия намагниченности, наличия или отсут- ствия света в цифровой среде (МакАртур, 1995) – разработка теоре- тических основ …, обеспечивающих хранение, обработку, доступ и обмен цифровыми кодами (третий вариант). 4. Цифровые коды делятся согласно принципа разграничения на цифровые данные (четвертый вариант), сгенерированными техническими системами, и цифровую информацию. 5. Данные как сенсорно воспринимаемые формы представления цифровых данных в социально-коммуникационной среде (Брукс 1980, Шемакин, 1995) – разработка теоретических основ …, обеспечивающих представление цифровых данных в социально- коммуникационной среде в сенсорно воспринимаемых формах (пятый вариант).

4.8 Еще одна категория объектов предметной области информатики и процессы их взаимодействия Ментальные образы данных как запомненные сенсорно воспринимаемые неинтерпретированные данные, то есть не имеющие смыслового содержания – разработка теоретических основ создания и использования цифровых систем и ИКТ, обеспечивающих ментальное представление сенсорно воспринимаемых данных с целью их смысловой интерпретации и генерации новых знаний, в том числе целенаправленной (шестой вариант). 6. Разработка теоретических основ создания и использования цифровых систем и ИКТ, обеспечивающих моделирование процессов взаимодействия (взаимосвязей) следующих объектов (седьмой вариант) : ментальной информации, знаковой информации, цифровой информации, цифровых данных, сенсорно воспринимаемых данных, ментальных образов данных.

Ментальная инфор- мация Менталь- ная среда Цифровая электрон- ная среда Социально- коммуникаци- онная среда Цифровая информация … Знаковая информация 4.9 Ментальная, социально-коммуникационная и цифровая среды с объектами предметной области информатики 26 Ментальные образы данных Данные Цифровые данные

27 Цифровая электрон- ная среда Ментальная среда Социально- комму- никацион-ная среда Знак Пикто- грамма уст. обл. Код1 Концепт устьевой области Код2 Устьевая область реки Код3 II Сфера природных геообъектов и явлений I 4.10 Пример кодирования концептов из геоинформатики с образной формой представления (ментальная, социально- коммуникационная, цифровая среды и геосреда) Семо- код Формо код

28 Цифровая среда Менталь- ная среда Социально- комму- никацион-ная среда Знак Имя Денотат Сфера природных (материальных) объектов и явлений 4.11 Общая информатика: среды и их границы Нейрофи- зиологиче- ская среда Концепт ДНК среда ? ? Нейро код? Семо- код Формо код ?? ?

1.Введение 2.Актуальные направления исследований по ИКТ, включающих проблемы когнитивной и нейроинформатики 3. Принцип отнесения объектов информатики к среде или границам между средами и средовая таблица объектов и процессов информатики 4.Принципы построения системы терминов информатики, включающей когнитивную и нейроинформатику, как составляющей ее научной парадигмы 5. Выводы ПЛАН ДОКЛАДА 29

Распределение объектов предметной области информатики по трем средам (без гео-, нейро- и ДНК сред) Для распределения объектов использовались средовой и атрибутивный принципы, принципы «незнания» и разграничения, а также принцип социальной категоризации знаний.

Принципы классификации современной информа- тики, включающей когнитивную и нейроинформатику (первый и второй уровни номенклатуры специальностей) Информатика Общая (концептуальная) информатика Информационная наука Теоретические основы информационной науки … Компьютерная наука Теоретические основы компьютерной науки … Информационные системы и процессы Биоинформатика Геоинформатика Когнитивная информатика Нейроинформатика …

Спасибо за внимание

Четыре составляющих парадигмы информатики В соответствии с концепцией А. Соломоника научная парадигма любой «зрелой» науки состоит из следующих четырех составляющих, которые объединяются в единую и цельную конструкцию: 1.философские основания; ( –, семантический вэб) 2.аксиоматика; ( –, кванты ментальных знаний) 3.классификация объектов исследования, процессов и явлений; ( –, распределение объектов по средам) 4.система терминов. (+, – знаковая система) 2. Сам термин «парадигма науки » трактуется Соломоником в соответствии с теорией Т. Куна. У Куна мы не находим ответа на вопрос: «Из чего должна состоять парадигма любой «зрелой» науки?».

Ментальные знания и информация 1.Ментальные знания» (далее кратко – знания), определим как результаты познавательной и креативной деятельности человека, носителем которых может быть только человек и в которых могут быть выделены отдельные «кванты» знаний (аксиома существования «квантов» знаний). 2.Информацию определим как 1) авторские, 2) коллективные или 3) общепринятые формы 4) эксплицитного (явного) и 5) отчужденного от человека представления его ментальных знаний, предназначенные для 6) передачи, 7) непосред- ственного сенсорного восприятия и 8) понимания их другими людьми.

Концепты 1.«Кванты» знаний будем называть концептами, если они могут быть выражены в рамках некоторого естественного языка (или иной знаковой системы). 2. «Кванты» знаний, которые не выражены в рамках известных знаковых систем, будем называть ментальными единицами сферы незнания человека, частным случаем которых являются ментальные образы сенсорно воспри- нимаемых (неинтерпретированных) данных. 3.Множество концептов, выражаемых в рамках одной знаковой системы, будем называть ее планом содержания, а формы выражения этих концептов – ее планом выражения.

Система ментальных знаний и ее концепты

Знаковая информация 1.Термин «знаковая информация» определим как результаты процесса представления концептов человеком-генератором этих результатов в плане выражения некоторой знаковой системы в отчужденной форме, которая является сенсорно воспринимаемой другими участниками коммуникаций и содержательно интерпретируется ими в рамках этой знаковой системы. 2.Термин «знаковая информация» имеет отношение только к знаковым формам представления концептов, а введенный ранее термин «информация» - к любым формам представления «квантов» знаний.

Коды как эквиваленты двоичных цифр 1.Термин «коды» определен как компьютерные эквиваленты двоичных цифр «0» и «1» (или их последовательностей), которые могут представлять собой намагниченность или ее отсутствие, наличие электрического тока или его отсутствие, способность к отражению света или ее отсутствие в цифровой электронной среде (D. McArthur, 1997). 2.Двоичные цифры «0» и «1», о которых говорится в определении термина «коды» принадлежат социально-коммуникационной среде, а компьютерные эквиваленты «0» и «1» - цифровой электронной среде.

Три категории кодов 1.Коды, соотнесенные с концептами в качестве их «представителей» в цифровой электронной среде, например коды концептов (смыслового содержания) индикаторов – это первая категория семантических кодов. 2.Коды, соотнесенные с эксплицитными и отчужденными от человека формами представления концептов в плане выражения социально-коммуникационной среды, например коды имен индикаторов – это вторая категория информационных кодов. 3.Коды, соотнесенные с объектами интерпретации любой природы, например коды денотатов индикаторов как совокупностей их программ, данных и значений индикаторов – это третья категория объектных кодов.

Три среды и три категории кодов

41 Ментальная среда Социально-коммуникационная среда Цифровая электронная среда Концепт Знак Имя инди- катора Информаци- онный код (код2) Дефиниция индикатора 2. Система классификации индикаторов Концепт Знак Имя инди- катора Концепт Семантичес- кий код (код1) Программа вычисления значений индикатора Объектный код ( код3) Данные для вычис- ления индикатора Пример 1 использования трех категорий кодов

42 Цифровая электрон- ная среда Ментальная среда Социально- комму- никацион-ная среда Знак Имя уст. области Код1 Концепт устьевой области Код2 Денотат (устьевая область реки) Код3 II Сфера природных (материальных) объектов и явлений I Пример 2 использования трех категорий кодов

Данные и ментальные образы данных 1. Цифровые данные определим как коды цифровой среды, не относящиеся в явном виде к трем выше определенным категориям. 2. К цифровым данным будем относить результаты любых измерений, не являющиеся результатом представления знаний человека. 3. Формы представления цифровых данных в социально-коммуникационной среде в сенсорно воспринимаемой форме будем называть данными. 4. Ментальные образы сенсорно воспринима- емых (неинтерпретированных) данных определим как структурные единицы невыраженных знаний человека, не являющиеся концептами и соответствующие этим данным.

Распределение терминов по трем средам предметной области информатики Для распределения терминов использовались средовой принцип (К.К Колин), определение сферы незнания (В.Л. Макаров, Г.Б. Клейнер), разграничение между знаковой информации и данными (Ю.И. Шемакин).

Информация по Фаррадейну и Бруксу 1. Смысловое содержание определенных в докладе терминов «ментальные знания», «концепты», «информация», «знаковая информация» и «данные» во многом соответствуют основаниям информационной науки с точностью до лексики. 2.Языковая информация по Фаррадейну в докладе обозначена термином «знаковая информация». 3.Ментальная информация по Бруксу может быть обозначена исчисляемым существитель- ным «концепты», если задана знаковая система, с помощью которой ментальная информация по Бруксу вычленяется из системы знаний.

Сопоставление значений терминов Отношения принадлежности рассмотренных терминов двум средам сведены в таблицу. В эту же таблицу добавлены термины «знания» и «информация» в трактовке Ю.А. Шрейдера.

1. Рассмотренные положения из работ Горна и Шрейдера используются в качестве базовых исходных данных при описании научной парадигмы информатики. 2. Рассмотренные положения предлагается структурировать согласно четырем составляю- щим научной парадигмы с последующим их объ- единением в единую и цельную конструкцию: философские основания, аксиоматика, классификация объектов, процессов и явлений предметной области + распределение по средам и источникам генерации объектов, система терминов. 47 Дополнительные выводы

3. Сформулированы пять базовых принципов построения системы терминов информатики : Средовой принцип разделения предметной области согласно структуре научных исследований, предложенной К.К. Колиным (1990, …). Принцип разграничения знаковой информации и данных по источнику их генерации (Ю.И.Шемакин, 1995). Принцип соотнесения объектов предметной области информационно-компьютерной науки со средами (2003). Определение сферы незнания как еще не познанного, предложенное В.Л. Макаровым и Г.Б. Клейнером (2007). Принцип разграничения личностных, согласованных (коллективных) и общепринятых (конвенциональных) знаний (Вежбицки и Накамори 2006, 2007). 48 Дополнительные выводы

4. Основная идея построения системы терминов информатики заключается в том, что объекты, относящиеся к разным средам и разным источникам генерации, называются по-разному, а одинаковые объекты, одной среды - одинаково с точности до явно определенных синонимов: ментальные знания, «кванты знаний», ментальные единицы сферы незнания человека, концепты и элементарные концепты (ментальная среда), знаковая информация, информационные объекты, элементарные информационные объекты и данные (социально-коммуникационная среда), коды, цифровая информация, цифровые коды и цифровые данные (цифровая электронная среда). 49 Дополнительные выводы

Процесс построения системы терминов не претендует на завершенность, так как семиотический термин «знаковая система», предполагает устойчивое единство формы и значения знака, которое посредством сенсорно воспринимаемой формы знака репрезентирует социально приданное ему значение. Для продолжения требуется: обобщить понятие «знаковая система», включив в него авторские и коллективные концепты и знаки, не обладаю- щие устойчивым единством форм и значений (семиотика); разработать метаописание сред объектов, процессов и явлений предметных областей основных отраслей знаний (философия), классифицировать взаимосвязи (процессы взаимного перехода) имплицитных и эксплицитных личностных, коллективных и конвенциональных ментальных знаний (когнитивная наука как наука о процессах мышления). 50 Три фактора, замедляющие интеграцию информатики