Компьютеризация в естественных науках

В современной биологии нашли  широкое применение не только теоретические представления кибернетики. Сложность биологических процессов и описывающих их поведение математических моделей с неизбежностью ведет к использованию вычислительной техники. Компьютеры все чаще используются не только для обработки данных и уточнения параметров моделей, но и для постановки компьютерного эксперимента, во многих случаях призванного заменить дорогостоящий натурный эксперимент. Поэтому дальнейшее развитие математического моделирования в биологии видится на пути применения современных средств компьютерной математики как инструмента подготовки высококвалифицированных специалистов, построения содержательных моделей, накопления и хранения информации, полученной в результате исследования этих моделей. Биология уже созрела для такого качественного перехода, чего, к сожалению, нельзя сказать о самих биологах.

2.2 Компьютеризация в научной геологии

Компьютерное моделирование  помогает ученым сформировать общий  взгляд на вопросы формирования Земли. В частности формирование ледников, минералов, горных пород, ископаемых ресурсов.

Современные средства позволяют  строить модели в четырех измерениях, четвертый из которых время. Так динамические модели четко определяют структуру геологических процессов. И объясняют появление многих геологических явлений.

Компьютерное моделирование  применяется в разнообразных  областях науки. В геологии оно используется особенно часто. Ни одна научная работа в геологии не обходится без построения либо изучения компьютерной модели.

Компьютерное моделирование  является одним из эффективных методов  изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать в силу их возможности проводить т.н. вычислительные эксперименты, в тех случаях, когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта-оригинала (или целого класса объектов), в частности, исследовать отклик моделируемой физической системы на изменения ее параметров и начальных условий. Что и является основной причиной такой популярности компьютерного моделирования в геологии.

Как и развитие компьютерной техники, развитие моделирования не стоит на месте. Компьютерное моделирование развивается непосредственно вместе с компьютерными технологиями. Более мощные компьютеры позволяют строить наиболее точные модели, затрагивающие все большее количество переменных и просчитывающие результат на более длительные временные отрезки.

2.3 Компьютеризация в химии

В настоящее время методы компьютерной химии (квантово-химические методы, методы молекулярной динамики, Монте-Карло и т. д.) являются неотъемлемой составной частью теории растворов. Широкое применение компьютерных методов для исследований многокомпонентных конденсированных систем связано с возможностью расчета как любых экспериментальных измеряемых величин, так и величин, экспериментально не определяемых, но используемых для теоретического описания (например, потенциалы средних сил, различные автокорреляционные функции и т. д.). Стремительный прогресс в области вычислительной техники обусловил успешное применение численных методов в биологической и супрамолекулярной химии (исследование сольвофобных эффектов в растворах белков, определение механизма транспорта ионов через биомембраны, изучение структуры растворителей на поверхности раздела фаз и макромолекул). Крайне важным, ввиду бурного развития сверхкритических технологий, является использование ab initio расчетов и методов компьютерного моделирования для изучения растворов в экстремальных условиях.

Уровень современного специалиста  в области физической, органической, координационной химии предполагает, с одной стороны, знание основных расчетных схем квантовой химии, с другой – умение применять методы компьютерного моделирования (методы молекулярной динамики и Монте-Карло). Это позволяет критически оценить уровень теоретических работ в конкретной, интересующей исследователя области.

3 Компьютеризация науки и ее социальные последствия

Очевидно, что использование  мощной компьютерной техники и ее идей открывает новые возможности  в учении, мышлении, в эмоциональном  и когнитивном развитии. Однако следует иметь в виду и определенные издержки компьютеризации общества. Исследователи выявили ряд неоднозначных проблем формирования «компьютерного сознания» и познания, одна из которых — «потребительское» отношение к компьютеру и появление в связи с этим некоторых отрицательных черт мышления. В частности, это снижение способности к критике, игнорирование чувственного аспекта познания и творческого начала как иррациональных моментов, не поддающихся формализации, утрата исторического подхода к явлениям (в силу синхронизации информации о них в банке данных), обеднение используемого языка, его оттенков и метафоричности, замена формализованными языками. Многие задачи познания переосмыслены теперь как задачи вычисления, подключения к банкам данных, что придало мышлению объемность и масштабность, резко увеличило познавательный потенциал.

Одна из важных закономерностей  развития науки - усиление и нарастание сложности и абстрактности научного знания, углубление и расширение процессов математизации и компьютеризации науки как базы новых информационных технологий, обеспечивающих совершенствование форм взаимодействия в научном сообществе.

Компьютеризация - процесс  проникновения современной вычислительной техники во все сферы бытия индивидуума и социума в целом. ЭВМ не только способствует повышению эффективности сбора, обработки и хранения информации любого уровня и объема, но и принципиальным образом расширяет познавательные возможности человека. Человек работает с компьютером в диалоговом режиме и, задавая программу ЭВМ, является ведущей подсистемой системы "человек-машина".

В конце XX вв. научно – техническая  революция вступила в стадию "компьютерной революции". Компьютеризация - один из существенных процессов, обеспечивающих динамику социокультурного развития цивилизации во всех формах ее проявления.

ЭВМ выводит развитие науки  на принципиально новый уровень:

• компьютерное моделирование позволяет совершенствовать методы теоретического воспроизведения действительности в рамках конкретной науки;

• активно развивается комплекс новых теоретических дисциплин (теория алгоритмов, исследование операций, теория игр и др.), имеющих имманентно (внутренне) интегративную направленность;

• создаются технические условия для интегрирования знания во всех его областях, что является предпосылкой для "прорыва" на следующий (более высокий) уровень познания;

• становится реальным создание "искусственного интеллекта" - технических систем, способных на основе введенной человеком информации принимать самостоятельные решения, расширяя и углубляя информационный процесс. ИИ симбиоз "человек - машина", принципиально изменяющий познавательные и деятельностные возможности человека.

Создаются условия для  рационализации деятельности во всех ее формах и проявлениях. Компьютерный этап НТР позволяет реально выйти  на уровень материалоэнерго и ресурсоемких производств, относительно замкнутых производственно-хозяйственных систем. Масштабы и объемы деятельности во всех ее формах уменьшаются, а эффективность возрастает.

Изменяется и традиционная структура образовательной системы: вместо традиционной системы "субъект  обучения" (наставник) "объект обучения" (ученик) формируется другая: "наставник - ЭВМ - ученик". Современные образовательные технологии позволяют не только выдавать неограниченный поток информации, но и контролировать ее усвоение. Однако роль наставника не уменьшается, а, напротив, возрастает в условиях выхода на уровень опережающего образования.

Глобальная сеть ИНТЕРНЕТ придает научно-информационному  и образовательному процессу общепланетарный характер и масштабы. Информация становится доступной не только в мировых научных центрах, но и практически в любом уголке планеты. Происходит глобализация мирового информационного потока, что является фактором интеграции не только научного знания, но и социокультурных процессов, происходящих на национальном и региональном уровнях. 

Исследование Массачусетский университет, задача: найти пути формирования нового типа мышления — мышления XXI века, привлекая для этого возможности компьютера. Одна из фундаментальных проблем обучения состояла в том, как соотнести абстрактное идеализированное представление, например, о движении с реальными, житейскими представлениями учащихся, с их коренной, исходной интуицией. Принималось во внимание, что Аристотелевы представления о движении хорошо согласуются с большинством ситуаций из нашего обыденного опыта, тогда как механические или ньютоновы представления о движении сложны и явно противоречат множеству наших интуитивных представлений относительно того, каким является мир. Учащиеся практически никогда не имеют дела с движением, о котором рассуждал Ньютон, т. е. с движением без сопротивления, вечным, «пока не остановят».

При отсутствии непосредственного  восприятия ньютонова движения школа вынуждена представлять учащимся это движение в форме опосредствованного математизированного описания, через преобразование уравнений, но не через манипулирование с объектами. Отсюда задачи, которые поставила перед собой эта исследовательская группа: помочь интуитивному овладению механическим движением до усвоения уравнений и формальных предпосылок; задать в юном возрасте интуитивный контекст дальнейшего использования уравнений; найти способы, которые облегчили бы личностное овладение не только механическим движением и его законами, но и общими понятиями об этих законах. Все это предполагало принципиальное изменение исходной, коренной интуиции.

 Именно с помощью  компьютера оказывается возможным  найти варианты решения этих задач, но в том случае, если он используется не просто как вычислительное устройство или для обогащения мышления, но как устройство, позволяющее изменить стереотипы в усвоении знаний и в самом мышлении. С помощью компьютера учащиеся получили возможность имитировать механическое мышление, анализировать его, выяснять, чем оно отличается от других стилей мышления, получить своего рода «прививку» от абсолютизации механистического мышления. Благодаря такому опыту человек уже в годы ученичества учится думать о знании, мышлении, анализировать его стиль и приемы, т. е. выступать в роли эпистемолога, умеющего распознавать и выбирать различные способы мышления.

 Для развития этой способности группа Пейперта нашла нетрадиционный прием: с помощью компьютера и серии игр в реальном мире с реальными вещами создавались так называемые микромиры, каждый из которых должен был иллюстрировать один из миров, устроенных либо по представлениям Аристотеля, либо по законам Ньютона, идеям Эйнштейна и даже по «обобщенному закону движения в мире». В рамках последнего могли действовать бесконечно разнообразные законы движения, которые учащиеся придумают сами. Основой для этого становились личный опыт, хорошо известная «геометрия собственного тела» и другие знания и представления, которые вовлекались в творческую разработку разнообразных «законов» движения.

 Критериями построения  таких «микромиров» становилась  возможность изучать законы движения, работая с простыми и доступными  примерами, осуществляя деятельность  по этим законам и определяя  понятия на основе работы в  этом «микромире». Учащийся при  этом как бы создавал сам  ту или иную реальность, мог  преобразовывать ее и строить  альтернативные реальности. Исследуя различные законы движения, он оценивал возможности каждого из них в построенном «микромире» и мог обнаружить, например, что законы Ньютона — действительно наиболее экономичный и эффективный способ описания движущихся объектов. Деятельность в таких «микромирах» существенно стимулирует творчество учащихся, поскольку создает такую интеллектуальную среду, в которой проблема истинности или ложности знания не является определяющей, она вторична по сравнению с возможностями исследовать различные, в том числе «ошибочные», теории, которые категорически отвергает обычная школа, догматически внедряя только «правильные» идеи. Крупнейший психолог Ж. Пиаже, принципам которого следует Пейперт, показал, что ошибочные теории, в том числе создаваемые самими учащимися, являются своего рода «полигоном» мыслительной деятельности и потому могут присутствовать в учебном процессе.

 Очевидно, что построение  и использование «микромиров»  предполагает нетрадиционное использование  компьютера для развития мышления  и переработки информации. При таком использовании компьютера создается возможность поупражняться в качественном, по выражению Пейперта, мышлении, тогда как при стандартном использовании закрепляется количественная сторона знаний, поскольку компьютер позволяет производить сложные вычисления. Проблема единства качественной и количественной сторон знания, которую ставила и исследовала группа Пейперта, представляется весьма значимой как для разработки принципиально новых методов обучения, так и для формирования «знания о знании» и самого мышления учащихся. За этим стоит объективная необходимость преодолеть разобщенность естественнонаучного и гуманитарного знания, а фундаментальные следствия этого процесса — новый образ знания и «методологический» способ мышления.

Как показало исследование группы Пейперта, компьютер в этом случае может оказать двоякую  помощь. Во-первых, интуитивные представления  о реальности могут быть воплощены  в компьютерной программе, и тогда  они становятся более доступными для оценки и рефлексии. Во-вторых, идеи программирования могут использоваться для перемоделирования интуитивных представлений. Следовательно, компьютер в данном случае используется для выявления связи научного знания с личностным, для приближения научного знания к знанию человека, а не к знанию факта или к владению навыком. «Переворот в сознании», о котором говорит Пейперт, состоит, таким образом, не просто в обращении к компьютеру, но в том, что открывается новый способ подхода к мышлению по типу компьютерного программирования. Ассимиляция культурой существования компьютеров понимается при этом как «знание программирования» или знание различных способов использования компьютера и того, когда и каким образом это следует делать.