Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Информационные технологии
Размещена 13.05.2017. Последняя правка: 15.05.2017.

Информационные технологии в научных исследованиях: возможности применения

Яковчук Владимир Николаевич

Петрозаводский государственный университет

Студент

Москин Николай Дмитриевич, кандидат технических наук, преподаватель, доцент кафедры информатики и математического обеспечения Петрозаводского государственного университета


Аннотация:
В представленной работе рассматривается степень проникновения информационных технологий в научную деятельность. Подчеркивается важность данного проникновения и эффективность. Особое внимание уделяется используемым в научной деятельности программным средствам. Затрагивается субъект-объектное положение науки, по отношению к информационным технологиям.


Abstract:
The presented work considers the degree of penetration of information technologies into scientific activity. The importance of this penetration and effectiveness is underlined. Particular attention is paid to the software used in scientific activity. The subject-objective position of science, in relation to information technologies, is touched upon.


Ключевые слова:
информационные технологии; научная деятельность; программные средства.

Keywords:
information technologies; scientific activity; software.


УДК 001.895

Введение

Информационные технологии (далее ИТ) как объект изучения являются актуальной темой в различных областях знаний. На сегодняшний день ИТ проникли во все или почти во все сферы жизнедеятельности общества. Мы уже с трудом представляем себе жизнь без тех возможностей и перспектив, которые дарят современные средства информационной и компьютерной техники.

Американский предприниматель, общественный деятель и филантроп Билл Гейтс  утверждал, что бумажная цифра – это мертвая цифра, и ей на смену пришла электронная цифра, способная создавать мысли и действия. Очевидно, речь идет об компьютерных технологиях, способных после ввода и обработки информации и определенных программных действий, наталкивать человека на некие мысли, действия, особенно это становится актуальным в рамках данной работы, когда мы говорим о научных исследованиях.

Актуальность

Наука же в свою очередь – это «область человеческой деятельности, направленная на выработку и систематизацию объективных знаний о действительности. Основой этой деятельности является сбор фактов, их постоянное обновление и систематизация

Прежде всего, стоит сказать, что в данной работе, под информационными технологиями мы будем понимать «непрерывные процессы обработки, хранения, передачи и отображения информации, направленные на эффективное использование информационных ресурсов, средств вычислительной техники и передачи данных при управлении системами различного класса и назначения»[9]

Даже на представленном определении науки, мы можем сделать вывод о том, что исследователь в своей работе сталкивается с огромным количеством материала, исходными данными, информацией, которая требует обработки, структурирования и представления при максимальном уровне наглядности. Все вышеперечисленное, и не только, является теми предпосылками, которые способствовали внедрению ИТ в науку и научную деятельность и перерастает в актуальность научного исследования.

Цель: Анализ значимости информационных технологий в научной деятельности.

Задачи:

1)      Проанализировать имеющуюся литературу по заданной тематике.

2)      Изучить основные виды научных исследований

3)      Обозначить факторы, повышающие эффективность использования информационных технологий

4)      Описать программные средства, используемые ученым.

Методы исследования: анализ научной литературы,сравнение, обобщение.

Научная новизна работызаключается в систематизации имеющихся знаний в области использования информационных технологий в науке.

Основная часть

Научная деятельность – это «деятельность, направленная на получение новых знаний»[11]. Данный вид деятельности реализуется в научных исследованиях, которые делятся на определенные виды. Классификацию научных исследований по целевому направлению в своей работе дает Изюмов А.А.[5, с.7]:

  • фундаментальные;
  • прикладные;
  • научные разработки.

Фундаментальные - формируются наиболее общие, перспективные направления, складывается некий багаж научного знания. Подобного рода исследования формируют мировоззренческую систему современного общества. В целом, подобные исследования можно отождествить с термином «научное открытие».

Прикладные исследования отвечают за разработку методов и способов реализации на практике тех знаний, которые дают на выходе фундаментальные науки.

Научные разработки подразумевают процесс создания новой техники, систем, технологий, включающих подготовку документов для внедрения в практику результатов прикладных научных исследований.

Для чего можно использовать ИТ

  • сбор, хранение и выдача научно-технической информации;
  • подготовка программ научных исследований, подбор оборудования и экспериментальных устройств;
  • математические расчеты;
  • решение интеллектуально-логических задач;
  • моделирование объектов и процессов;
  • управление экспериментальными установками;
  • регистрация и ввод в ЭВМ экспериментальных данных;
  • обработка одномерных и многомерных (изображения) сигналов;
  • обобщение и оценка результатов научных исследований;
  • оформление и представление итогов научных исследований;

управление научно-исследовательскими работами.

Факторы повышающие эффективность ИТ

Подводя итог вышесказанному, можно согласиться с Изюмовым А.А., описавший факторы, благодаря которым информационные технологии повышают уровень эффективности работ в науке [5, с. 6-7]

Упрощение и ускорение процессов обработки, передачи, представления, и хранения информации. По большому счету данный пункт совпадает с основным назначением информационных технологий в целом. Данная черта является основной целью применения ИТ не только в науке, но и любой сфере деятельности человека.

Увеличение объема полезной информации с накопителем типовых решений и обобщением опыта научных разработок. В этом случаи речь идет о минимизации творческих и умственных усилий человека по решению конкретной задачи. При помощи накопителя типовых решений, исследователь может не тратить свое время на те или иные вычисления, а воспользоваться уже готовым, которое было выведено в схожей задаче. В равной степени вышесказанное относится  к обобщению опыта научных разработок. В огромном массиве информации исследователь е имеет желания копаться и искать разработке по схожим темам, которые были проделаны до него. Существенно облегчит его труд обобщенные данные.

Обеспечение глубины, точности и качества решаемых задач. Возможность реализации задач, ранее не решаемых. Постановка исследований и получение результатов, недостижимых другими средствами. Информационные технологии 21 века существенно расширяют возможности ученого, то, что раньше были невозможно исследовать, теперь становиться лабораторным опытом в школе, и все благодаря ИТ и компьютерным техническим средствам. Ученые каждого поколения ограничены в исследованиях в той или иной мере, например, до изобретения телескопа, люди могли лишь догадываться о том, что происходит буквально у них над головой. Тоже самое можно сказать о многих областях науки, которые ограничены в данный момент времени своим научно-техническим потенциалом. 21 век – век компьютерных технологий и информатизации общества, что открывает для ученых определенные перспективы и возможно, как, например, виртуальное пространство и  экспериментальное моделирование, о которых мы говорили ранее.

Возможность анализа большого числа вариантов синтеза объектов и принятия решений. В данном случаи под термином «синтез» понимается «процедура мысленного или материального соединения выделенных в процессе анализа частей (признаков, свойств, отношений) некоторого объекта в единое целое»[4]. Вновь речь идет о ИТ как подспорье в работе исследователя, когда благодаря компьютеризации науки, ученому, при помощи ЭВМ предоставляется возможность рассмотреть максимально большое количество вариаций сочетания различных объектов.

Программные средства

В ходе работы были представлены виды научных исследований, благодаря которым, существует научная деятельность, и осуществляется её главная цель – познание мира. Однако стоит отметить, что для изучения того или иного объекта или явления разработан ряд методов научного исследования, который называется методологией.

Подробнее о методах познания, и в частности, методах научного познания, пишет Некрасов С.И[8]. Классификация осуществляется по следующим ведущим критериям:

  • по степени общности и широте применения;
  • в зависимости от специфики изучаемого объекта;
  • по способу отношения субъекта к объекту познания.

Методы эмпирического познания включают в себя: а) наблюдение; б) описание: в) измерение; г) эксперимент.

Методы теоретического  познания включают в себя: а) абстрагирование; б) идеализацию; в) формализацию

В то же время, исследователь, прежде чем приступить к обследованию объекта или явления, должен убедиться в актуальности своей работы, он должен изучить ранее собранную информацию другими учеными.

Существует научно-техническая информация, которая фиксируется в специализированных  документах, из которых исследователь может узнать необходимые для себя данные. При работе с такими документами исследователь проделывает ряд процедур, включающих поиск, ознакомления, проработку документов и систематизацию материалов. Для человека – это весьма объемная и энергозатратная работа, поэтому ИТ выступают не заменимым помощников. Автоматизация поиска по научно-техническим документам обеспечивается за счет информационно-поисковых систем библиотек и научно-исследовательских институтов, электронных каталогов, поиском в базах данных, а также с помощью сети Интернет.

В проработке и автоматизации научно-технической информации  (текстов) преобладают операции[5, с.11]:

  • формирование картотек, создание выписок. Для таких операций можно использовать программы Cardfile, OpenContacs.
  • извлечение фрагментов документов. Здесь можно использовать любой текстовый редактор. Самый простой пример – это Word.
  • Создание структурированных гипертекстовых документов. О данной технологии мы уже говорили ранее и здесь можно привести пример интегрированных систем MacromediaDreamweaver, LibreOffice.
  • создание локальных баз данных и баз знаний. Access,MySQL

 

В целом, процесс научного познания или научного исследования можно разделить на три больших этапа:

  1.  Этап сбора и предварительной обработки информации (полученных данных)
  2.  Обработка данных
  3.  Представление результатов

Начиная с первого же этапа исследования, мы можем говорить о компьютеризации уже привычных для ученых методов исследования. Мы уже говорили о таком приме как моделирование. С помощью программы CircutMaker возможно моделирование аналоговых и цифровых схем, а также смешанных аналогово-цифровых схем. Главная особенность – программа может быть полезна как студенту, так и профессиональному исследователю.

LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench  (среда разработки лабораторных виртуальных приборов) – мощная и гибкая программная среда, применяемая для  проведения измерений и анализа полученных данных. В данном случае, речь идет об автоматизации многих измерений, к примеру, таких как температура в печах, холодильниках, или давление, силу, пространственное смещение и т.д.[7, с.3]

Одним из инструментов работы исследования на различных этапах работы являются базы данных (БД) – «поименная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области»[3]. В свою очередь комплекс программных средств, предназначенных для создания и сопровождения БД именуется системой управления базами данных (СУБД).

На сегодняшний день существует достаточно много различных СУБД, применяемых в науке, со своими достоинствами и недостатками. Однако в данной работе, нам будет интересен проект, который называется SciDB, запущенный в 2008 году, целью которого было создание СУБД для нужд больших научных и промышленных проектов, в которых требуется анализ сверхбольших объемов данных. «На сегодняшний день данная СУБД характеризуется поддержанием полного цикла обработки и анализа данных, начиная от хранения сырах данных, заканчивая анализом полученных результатов, при этом все результаты повторимы и могут быть воспроизведены пользователем системы»[2].

Примеров автоматизации деятельности ученого в проведении исследовательских работ может стать программаFineReader, созданная для перевода типографических данных в электронный вид, что позволяет сэкономить время и силы ученого, не перепечатывая те или иные данные с бумажных носителей в компьютер.

Самыми простыми программными средствами, которые используются в работе, также могут выступить программы Promt и GoogleTransltate, служащие для автоматизированного перевода с иностранных языков. Безусловно, данные программы сложно представить в действии, если речь идет о фундаментальных исследованиях, в таких работах, скорее всего, исследователь обратиться за помощью к профессиональному переводчику, однако, если речь идет о научных разработках, к примеру, то такие программы являются полезными помощниками.

На втором этапе исследования, который мы назвали как этап обработки данных мы также можем говорить об использовании ИТ. Стоит отметить, что здесь также возможные различные вариации применения программно-технических средств, мы приведем примеры некоторых из них.

Одним из самых популярных программных средств является Excel , входящая в пакетMicrosoftOffice. Для того, чтобы описать возможности данной программы в обработке статистических данных, мы будем использовать работу Бараза В.Р. и Пегашкина В.Ф. «Использование MS Excel для анализа статистических данных»[1] и работу Изюмова А.А. «Компьютерные технологии в науке и образовании»[5].

Когда речь идет о расчетах Excel предоставляет для исследователя следующие возможности: 

  • реализацию численных методов решения дифференцированных уравнений, алгебраических уравнений и их систем;
  • обработку векторных и матричных массивов информации;
  • оптимизационные расчеты, включая методы математического программирования;
  • операции с комплексными числами.

Помимо выше перечисленного, данная программа может помочь в моделировании и численном эксперименте, основанные на возможности автоматического пересчета результатов и их связанном графическом отображении.

При работе с программным средством MS Excel в научных исследованиях, можно выделить два главных направления его использования. Во-первых, это для расчета среднеарифметического и среднеквадратичного отклонений наборов данных при выявлении грубых ошибок измерения (СРЗНАЧ, КВАДРОТЛ). Во-вторых, для статистического анализа данных, причем нескольких видов.

Дисперсионный анализ (в зарубежной литературе Analysis Of Variances, ANOVA) – «процедура сравнения средних значений выборок, на основании которой можно сделать вывод о соотношении средних значений генеральной совокупности». Можно выделить три вида данного анализа: однофакторный, применяемый при анализе двух или нескольких выборок; двухфакторный анализ с повторениями, применим при систематизации данных  по двум параметрам; двухфакторный анализ без повторений применим при классификации данных по двум измерениям, как и двухфакторный дисперсионный анализ с повторением. Однако при этом анализе предполагается только одно наблюдение для каждой пары.

Корреляционный анализ, благодаря которому, исследователь может найти зависимость между несколькими случайными величинами. Корреляционный анализ дает возможность установить, ассоциированы ли наборы данных по величине, то есть большие значения из одного набора данных связаны с большими значениями другого набора (положительная корреляция), или, наоборот, малые значения одного набора связаны с большими значениями другого (отрицательная корреляция), или данные двух диапазонов никак не связаны (нулевая корреляция).

Существуют и другие возможности программы MS Excel если речь идет об анализе данных. Мы не будем останавливаться на них подробно, и лишь перечислим некоторые: ковариационный анализ, описательная статистика, экспоненциальное сглаживание, анализ Фурье, ранг и перцентиль.

Обобщая все ранее сказанное, можно сделать вывод о широких возможностях представленной программы. Она может стать незаменимым помощником как для обучающегося школьника или студента, так и для состоявшегося исследователя.

Помимо MS Excel, существует и другая популярная программа в научной деятельности. MathCAD- интегрированная система, предназначенная для проведения математических и инженерно-технических расчетов. Она включает в себя три элемента: текстовый редактор (для подготовки комментариев к расчетам), вычислитель (позволяет решать сложные математические задачи), графический процессор (обеспечивает графическое представление результатов исследования).

Представление результатов – это третий этап исследования. Как мы уже сказали ранее, представленная программа MathCADимеет свой графический процессор, что позволяет ей визуализировать, полученные в ходе исследования, результаты.

Представления результатов исследования может происходить в различных формах: статьи, монографии, тезисы, учебная литература и т.д.[10] Каждая из форм сопровождается использованием ИТ, например самыми простыми текстовыми редакторами.

В общей сложности можно сказать, сто создание научного документа в готовом виде включает в себя:

  • Подготовку текстовой части, содержащей формулы и спецсимволы.
  • Формирование таблиц и их графическое отображение.
  • Подготовку иллюстраций в виде схем, рисунков, чертежей, графиков, диаграмм.
  • Грамматический и лексический контроль.
  • Импорт рисунков и графических изображений из других систем.
  • Прямой и обратный переводы.
  • Форматирование документа и печать[5, с. 136]

Для подготовки документов к представлению, в которых используются сложные химические и математические формулы, можно использовать программы MathType, которая является интерактивным редактором формул для текстовых процессоров, LaTeX, позволяющий автоматизировать многие задачи набора текста и подготовки статей, включая набор текста на нескольких языках, нумерацию разделов и формул, перекрёстные ссылки, размещение иллюстраций и таблиц на странице, ведение библиографии и др.

Когда речь идет о представлении данных в табличном виде, программа MS Excel, представленная выше, является одним из приоритетных вариантов. Стоит добавить, что в данной программе есть функция графического представления табличных данных, речь в данном случае идет о диаграммах, гистограммах и пр.

Системы деловой графики CorelDraw, Adobe Illustrator – графические редакторы, с которыми в полной мере могут работать как начинающие пользователи, так и опытные.

Различного рода программы, созданные для правописания в научной литературе, также могут стать необходимым источником автоматизированной помощи (Орфо, Hunspell, Aspell).

Заключение

В заключении, стоит отметить, что представленные программные средства, а также другие, которые не вошли в наш список, облегчают труд исследователя на каждом из этапов его работы. Автоматизированные процессы позволяют ученым сконцентрироваться на первостепенных задачах своего исследования, не тратя время на сложные математические расчеты или поиск информации по представленной тематике в несметных количествах рукописных текстов.

Таким  образом, мы можем сделать вывод о том, что на сегодняшний день ИТ в научной деятельности являются не заменимыми помощниками и одновременно орудиями труда ученых. Благодаря современным технологиям, ученый может максимально сконцентрироваться на своей исследовательской задаче, не тратя силы и время на организационные моменты. Касается это всего хода исследования: от сбора первичных данных до представления результатов.

. Представленная работа была посвящена большей своей частью автоматизации работы исследователя, тому, как можно использовать современные новшества для облегчения труда ученого. Одной из главной особенностью данной сферы является её субъект-объектность, т.е. наука выступает и производителем разного рода технологий современности,  и их активным пользователем.

Для доказательности представленных выше слов, достаточно заглянуть в историю развития ЭВМ, и прочитать причастные к этому фамилии. Первый арифмометр создал французский ученый и философ Б.Паскаль, другим известным человеком в области вычислительной техники, был английский математик Ч. Бэббидж, первая ЭВМ ENIAC была создана в одном из университетов города Пенсильвания и т.д. Все это говорит о том, что именно благодаря научным разработкам и ученым людям мы сегодня может использовать те разнообразные технические средства, которые стали обыденность.

Однако же, наука не является лишь субъектов производства, неким деятелем, который лишь отдать имеющееся у себя богатство. Сфера научной деятельности с удовольствием использует все достижения в области информационных технологий, что позволяет её двигаться вперед наиболее широкими шагами. В своем исследовании мы уже говорили о возможности автоматизации некоторых направлений в научных исследованиях. Так, например, мы подробно разобрали моделирование, эксперимент и возможное программное обеспечение для проведения таких методов познания при помощи ИТ.

Библиографический список:

1. Бараз В.Р. Использование MS Excel для анализа статистических данных / В.Р. Бараз, В.Ф., Пегашкин. – 2-е изд., перераб и доп. - Нижний Тагил: НТИ (филиал) УрФУ. 2014. – 181 с.
2. Бартунов О. Велихов П. SCIDB: СУБД для научных данных [Электрон.ресурс] – Электрон. стат.- URL: http://agora.guru.ru/abrau2011/pdf/427.pdf,свободный – Загл.с экрана. – Яз.рус (Дата обращения (17.12.2016).
3. Бартунов О. Научные вызовы технологиям СУБД // Суперкомпьютеры. Выпуск № 5. 2011. URL: http://citforum.ru/database/articles/scidb_scientific_challenges/.
4. Гуманитарные технологии. Гуманитарная энциклопедия [Электрон.ресурс] – Электрон.дан. – URL: http://gtmarket.ru/concepts/7200/, свободный. – Загл. с экрана – Яз.рус. (Дата обращения 16.12.2016).
5. Изюмов А.А. Компьютерные технологии в науке и образовании / А.А. Изюмов, В.П. Коцубинский. – Томск: Эль Контент. – 2012 . – 150 с.
6. История компьютера. Краткая история ЭВМ [Электрон.ресурс] – Электрон.стат. – URL: http://chernykh.net/content/view/106/161/, свободный. – Загл с экрана. – 2015. – Яз. рус (Дата обращения 18.12.2016).
7. Лежин Д.С. Автоматизация испытаний и экспериментальных исследований / Д.С. Лежин. Самарск. Гос. аэрокосмич. ун-т им. С.П. Королева – Самара, 2011. – 44 с.
8. Некрасов С.И. Методы научного познания [Электрон. ресурс]- Электрон.стат. -URL: http://www.anovikov.ru/books/mni.pdfhtml ,свободный. – Загл. с экран. – Яз. рус. (Дата обращения 17.12.16).
9. Пугачев В.М., Газенаур Е.Г. Роль информационных технологий в науке и образовании // Вестник омского государственного университета. Выпуск №3. 2009. URL:http://cyberleninka.ru/article/n/rol-informatsionnyh-tehnologiy-v-nauke-iobrazovanii
10. Стерхова Н.С. Характеристика представления опубликованных результатов исследовательской деятельности [Электрон.ресурс] – Электрон.стат. – URL: http://shgpi.edu.ru/files/nauka/vestnik/2015/2015-3-2.pdf, свободный. – Загл с экрана. – 2015. – Яз. рус (Дата обращения 17.12.2016).
11. ФЗ № 149 «Об информации, информационных технологиях и защите информации» [Электрон.ресурс] – Электрон.дан. – URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_61798/, свободный. – Загл. с экрана – Яз.рус. (Дата обращения 15.12.2016).




Рецензии:

15.05.2017, 14:04 Эрштейн Леонид Борисович
Рецензия: Это тема учебника, а не статьи. Классификация наук, представленная автором странная. Да и вообще сама постановка вопроса нелепая для статьи. Любые существующие (и существовавшие ранее) информационные технологии можно использовать в каких-либо научных исследованиях. В такой форме к публикации не рекомендую. Если автор сузит тему или как-то объяснит все то что он написал и почему именно это, тогда возможно.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх