1.1 Kibernetika, informatika.

KIBERNETIKA, INFORMATIKA

  1.1.1 Informacijsko komunikacijska tehnologija

     Razvoj človeka je bil v veliki meri odvisen od njegove zmožnosti izdelovati in uporabljati orodje ter obvladovati naravne pojave. Prva orodja so bili naravni predmeti, kot so palice, kamni itd. Pomemben korak v razvoju pomeni ukrotitev ognja. Ko je človek obvladal ogenj, so se mu odprle nove možnosti: ogenj mu je omogočil taljenje rud, obdelovanje kovin, oblikovanje stekla ipd.

Naslednji pomemben korak v človekovem razvoju je bilo uvajanje poljedelstva in živinoreje. Ko je bilo treba odvečno hrano uskladiščiti in razdeliti, je uporabil aritmetiko, ko je bilo potrebno zemljo izmeriti in razdeliti, geometrijo. Ob življenju in proučevanju naravnih zakonitosti so se razvili temelji naravoslovnih znanstvenih disciplin (fizike, kemije, biologije ipd.).
V 18. stoletju je človek izumil prve pogonske stroje, ki so ga zamenjali pri nevarnih in zelo težkih opravilih. Rastoča industrija je spodbujala raziskovanje lastnosti materialov, kar je zahtevalo globlje poznavanje kemije. Povečevala se je potreba po energiji, zato se je močno razvila tudi fizika.

Razvoj industrije v 19. stoletju je sprožil iskanje novih vrst energije: pojavila so se nova odkritja v mehaniki, elektrotehniki, elektroniki itd.

     Začetek 20. stoletja pomeni prehod iz industrijskega v t.i. poindustrijsko obdobje. Zanj je značilna vse manjša vloga posameznika v neposrednem procesu proizvodnje. Človeku ostajajo že med načrtovanjem samo določena opravila, kot npr. vzdrževanje in dodatni nadzor, vse drugo pa prepušča avtomatom. Industrija postaja vse bolj industrija znanja. Na delovnem mestu je že potrebno aktivno znanje, ki ga daje le dober izobraževalni sistem, za priučevanje ni več časa. Naš čas ne poudarja le pomena znanosti in tehnologije, ampak tudi izbiranja in uporabe informacij. Tako so za vse zapletenejše tehnologije potrebna poglobljena osnovna znanja, pa tudi prožnost, ko sprejemamo nova s pomočjo sistema za zbiranje in uporabo informacij. A tako je bilo že od nekdaj: človek je iskal način, kako bi življenjsko pomembne informacije prenašal in sprejemal. Najprej se je zadovoljil z  govorom, nato z zapisom, kasneje s tiskom, dandanes pa že išče nova pota - novo tehnologijo, ki ji pravimo informacijsko komunikacijska tehnologija (IKT). Ta tehnologija se je pojavila z združitvijo treh tehnologij, in sicer mikroelektronike, računalništva in komunikacij.

Zadnjih petdeset let so nepogrešljiva podlaga vseh elektronskih vezij trije elementi: upor, kondenzator in tranzistor. Še pred "kratkim" (okoli leta 1946) so jih izdelovali posamično, kar pomeni, da so jih povezovali v ustrezna elektronska vezja z žicami ali tudi kako drugače (tiskana vezja). Seveda lahko tako ravnamo tudi danes, toda sodobna industrija dosega velike uspehe, ko združujejo te in še druge elemente na tanki polprevodniški ploščici (navadno silicijevi), veliki okoli pol kvadratnega centimetra, ki jo imenujemo tudi »čip«. Prav s projektiranjem, proizvodnjo in uporabo teh elementov se ukvarja mikroelektronika.

Za povezovanje ljudi so pomembni komunikacijski pripomočki. Sprva so bili preprosti (dimni signal, ogenj, svetlobni signali), kasneje pa zahtevnejši (pisana beseda, Morsova abeceda, telefon). Moderne oblike komunikacij imenujemo telekomunikacije. Mednje štejemo telefon, televizijske in radijske signale - valove (prenos sporočil s pomočjo elektromagnetnih valov večjih ali manjših valovnih dolžin in optične kable (skupek optičnih vlaken, po katerih lahko prenašamo svetlobna ali laserska sporočila).


  Elemente informacijske in komunikacijske tehnologije lahko prikažemo na primeru sodobnega doma. V njem je vse več naprav te vrste. Med najpogostejšimi so:

  • radijski sprejemniki, gramofon, avdio kasetofon,
  • telefon, GSM,
  • TV sprejemnik,
  • fotoaparat, filmska kamera.

  V zadnjem času so se pojavile nove, ki še povečujejo komunikacijsko in informacijsko moč, kot npr.:

  • videokamere, CD / DVD rekorderji,
  • digitalne avdio in video naprave (CD, DVD, USB...),
  • računalniki s sodobnimi spominskimi elementi,
  • tiskalniki, telefaks itd.

  Naštete naprave so že sedaj, vsaj delno povezane, a razvoj na tem področju nakazuje povezovanje, ki bo bistveno povečalo njihovo informacijsko in komunikacijsko učinkovitost. Osrednji del informacijske tehnologije sodobnega doma sta zagotovo računalnik in televizor. Oglejmo si nekatere informacijske možnosti, ki jih omogoča televizija. Poleg rednega sporeda lahko opravlja še številne druge storitve, kot npr.: Satelitski TV spored, kabelski TV spored (KTV), videostrani, teletekst, videotekst, digitalni radio, multimedijski center za različne avdio-vizualne naprave in v zadnjem času usluge Interneta; kar preko velikega zaslona lahko dostopamo do različnih internetnih strani, si ogledamo filme v 2D ali 3D obliki ali  poslušamo visoko kvalitetno glasbo, se povežemo s prijatelji v socialnih omrežjih itd. Nova serija t.i. pametnih TV (ang. smart TV) prinašajo še več storitev in možnosti (slika 1).

  Če ima že televizor toliko možnosti, jih ima računalnik v domu še več. Lahko ga uporabimo kot glasbeni center, nanj lahko priključimo klaviaturo in že dobimo glasbeni sitetizator. Priključitev grafične plošče spremeni zaslon monitorja v »slikarsko platno«. Priključitev tiskalnika pa naredi iz računalnika vrhunski pisalni stroj, ki obvlada abecedo in obliko znakov katere koli države. Da ne govorimo o možnosti povezave med računalniki s pomočjo Internetne mreže. Na računalnik lahko priključimo tudi ure, krmilnike za centralno kurjavo, ali digitalne fotoaparate, ki slike namesto na klasičnem filmu zapisujejo na disk. Podobno je tudi z uporabo videokamere, videorekorderja ali pa video in avdio diska. In še bi lahko naštevali. V prihodnosti bo povezovanju vseh členov IKT v domu namenjena vse večja pozornost. In kaj prinaša združevanje avdio-, video- računalniških in komunikacijskih naprav? V prvi vrsti smotrnejša vlaganja, pa tudi enostavnejše ravnanje. Najenostavnejše je, če takšne naprave krmilimo enotno. Odpirajo se torej nove možnosti za človekovo poklicno uveljavljanje, razvijanje njegove ustvarjalnosti, pestrejše vsebine prostega časa ipd.


     Razvitejše države vstopajo v razdobje tako imenovane informacijske družbe. Njihovo gospodarstvo se vse bolj naslanja na obnovljive vire (znanje, informacije, biološki vrt, sončna energija itd.) in na tako imenovane »visoke tehnologije«, ki potrebujejo čim manj energije. Zastoje v industrijski proizvodnji rešujejo z uvajanjem robotov, računalnikov in s spodbujanjem razvoja znanosti in izobraževalnih sistemov. Tako kot je z industrializacijo poljedelstva porasla produktivnost v proizvodnji hrane, tako je informatizacija industrije odprla nove možnosti za razvoj industrijske proizvodnje.

     Pomemben korak v informatizacijo pomeni za vse nas vstop v družbo 21. stoletja. Ta korak bomo zmogli le, če bomo izpolnili nekatere pogoje. Najpomembnejši je vsekakor kadrovski, to je tisti, ki se uresničuje v izobraževalnem procesu. V prihodnosti človeku ne bodo več zadoščala klasična znanja. Moral bo obvladovati informacijsko pismenost; poznati bo moral sodobno informacijsko tehnologijo in njeno uporabnost v gospodarstvu in družbi. Informacijska pismenost opredeljuje znanje in spretnosti, ki jih potrebuje splošno izobražen človek za delo s podatki. Informacijsko pismen posameznik je sposoben med razpoložljivimi podatki poiskati, ovrednotiti in uporabiti tiste, ki najbolj zadovoljujejo njegove informacijske potrebe. Informacijsko pismenost opredeljujejo trije sklopi znanja in spretnosti:

1.   presoditi, kdaj je informacija potrebna;

2.   vedeti, kje pridobiti podatke, jih znati od tam pridobiti in ovrednotiti;

3.   znati pridobiti iz podatkov pravo informacijo in vedeti, kje, kdaj in kako jo uporabiti.

   1.1.2 Kibernetika

     Vse našteto je v osnovi povezano s tremi  znanstvenimi disciplinami, ki so strokovno in zgodovinsko medsebojno povezan in sicer s kibernetiko, informatiko in računalništvom. Zadnji dve znanstveni disciplini smo si uvodoma (več si bomo še v nadaljevanju) posebej obravnavali, zato se sedaj posvetimo kibernetiki. Danes sega v vsa strokovna in znanstvena področja, v tehniko, naravoslovje, družboslovje, zdravstvo, medicino itd.

     Sam izraz "kibernetika" izvira iz grške besede "kybernetes", kar pomeni krmar. Že v zgodnji zgodovine je npr. Platon ta izraz uporabljal za poimenovanje upravljanja provinc, kar precej let pozneje (leta 1834) pa znani francoski fizik A. Amper (cybernetique), ko je povezoval vse ljudsko znanje v enoten harmonični sistem in kibernetiko označil kot znanost, ki proučuje vodenje in upravljanje družbe. Za rojstvo sodobne kiberentike pa smatramo leto 1948 z izidom knjige ameriškega matematika Norberta Wienerja (1894 - 1964) z  zvenečim in tudi revolucionarnim naslovom "Kibernetika ali kontrola in komuniciranje pri živih bitjih in strojih" (ang. Cybernetics, or Control and Communication in the Animal and the Machin). V navedenem delu se pojem kibenetika uporablja za označevanje enotnosti vseh problemov, ki se pojavljajo pri prenašanju informacij in upravljanju organskih in tehničnih sistemov. Osnovna ideja kibernetike je bila konstruirati take mehanske naprave, ki bodo na podlagi analogije z živimi bitji izvajale kompleksne operacije hitreje in bolj natančno kot človek (slika 2).

     Wienerjev pristop je bil sistemski in timski. Poudarjal je, da morajo različni strokovnjaki (matematiki, fiziki, sociologi, medicinci...) delovati skupaj, tako da bi drug drugega  bolje razumeli, čeprav so eksperti svojega ožjega področja. Nadaljnja značilnost Wienerjevega pristopa je bila usmerjenost "bolj k procesom kot pa k stanju proučevanih procesov". Tako je Wiener pri kibernetskem pogledu na človeka ugotovil, da npr. človeški gibi niso popolnoma mehanični, saj jih venomer kontrolirajo možgani. Vzemimo npr. gibanje roke, ki je zelo zapleten proces informacijskega prenosa opažanj oči do možganov in preko sistema živčevja do opravljanja giba k izbranem predmetu. Pri tem možgani ves čas regulirajo gibanje roke na podlagi kontrole resničnega dogajanja. Tako na osnovi podatkov, ki jih prejemajo možgani, le-ti upravljajo gibanje mišic (slika 3) in s tem premike ali druge operacije roke.

Glede na Wienerjev pristop in tudi glede na sodobne osnove kibernetike, lahko poudarimo naslednje osnovne pojme v kibernetiki (slika 4):

  • regulacija in povratna zveza (spremljanje neke dejavnosti, da bi se lahko ta dejavnost bolj uspešno opravila);
  • entropija (Weiner je povzel ta pojem iz termodinamike (merilo za neponovljivost procesov - boljši je tisti proces, pri katerem entropija manj naraste) in z njim označil red in urejenost sistema; z zmanjšanjem entropije povečujemo red oz. organiziranost sistema, povečanju entropije pa se lahko upremo s pomočjo informacij);
  • upravljanje (je zbiranje informacij in njihova uporaba v smislu zmanjševanja entropije sistema - v smislu večje organiziranosti sistema);
  • komunikacija in prenos informacij (v smislu povezanosti jezika in razumevanja sporočil v človeških možganih).

Oglejmo si malce podrobneje proces komunikacije in prenosa informacij. Vsako zbiranje informacij bi bilo brez pomena, če ne bi poskrbeli tudi za njihov pretok. Pri prenašanju z enega mesta na drugo razlikujemo: vir, to je nahajališče informacije, in mesto, do katerega mora priti. Vir in mesto, kjer je uporabnik, povezuje komunikacijski kanal (medij, kanal za prenos). Model prenosa informacij predstavljamo precej poenostavljeno (slika 5), kot ga opredeljuje teorija komunikacij. Po tej teoriji tvori poenostavljeni, osnovni model prenosa informacij šest elementov (osnovni model prenosa informacij je postavil C. Shannon v delu "The Mathematical Theory of Comunication):

1. Vir ali oddajnik informacije je lahko človek ali kak drug sistem, ki s pomočjo znakov ali signalov posreduje sporočilo. Pri tem je treba poudariti, da vsak signal še ni hkrati tudi sporočilo, saj se lahko zgodi, da sprejemnik signala ne prepozna. Sprejemnik mora torej signal  sprejeti, ga hraniti  v svojem spominu in ga tudi prepoznati; šele zatem postane zanj določeno sporočilo.

2. Koder kodira oddana sporočila v znake, ki se lahko prenašajo po informacijskem kanalu. Koder mora biti zgrajen tako, da čim bolje izkoristi komunikacijski kanal in da ščiti prenos sporočil pred šumi in izkrivljanjem. Kodiranje je torej postopek pretvarjanja signala iz ene izrazne možnosti v drugo, po pravilih, ki so določena za tak način izražanja. Vsaka koda ima svojo zalogo znakov; posameznemu znaku iz ene kode lahko priredimo enega ali več znakov iz druge.


PRIMER (slika 6):Za prenos prvih osmih črk abecede lahko uporabimo tri zaporedne žarnice, ki jih prižigamo ali pa ugašamo. Izvedimo kodiranje za ta primer!

Rešitev:

  • Zaloga znakov prve abecede je: A, B, C, D, E, F, G, H, to je prvih 8 črk.
  • Zaloga znakov druge abecede: ker ima žarnica dve možni stanji (sveti ali ne), je primerno uporabiti dvojiški sistem, ki sestoji iz dveh znakov, in sicer 0 in 1 (0 pomeni, da žarnica ne sveti, 1 pa, da sveti); seveda mora biti tudi tukaj zaloga znakov najmanj 8 (23 = 8).
Glede na povedano lahko pripraviva kodirno - dekodirno tabelo (slika 7). Glede na to tabelo bomo npr. črko (znak) C prenesli oziroma prikazali s tremi žarnicami, tako da bo srednja žarnica prižgana prva in tretja pa ne.

3. Komunikacijski ali informacijski kanal je element materialov ali energetske narave, ki omogoča prenos informacije in vzdržuje zvezo med oddajnikom in sprejemnikom. Tak kanal je lahko:

  • prostorski, ki ima namen shranjevati informacije; to so npr. pisani teksti, knjige, diski, CD, DVD, magnetni trakovi - kasete, spominske kartice itd.;
  • časovni kanal, kot npr. telefon, človekov govor, telegraf, radio, TV itd.

Komunikacijski kanali so definirani in vrednoteni s količino znakov, ki jih lahko prenesejo v določeni časovni enoti.

4. Dekoder je naprava, ki prekodira sporočilo, sprejeto po komunikacijskem kanalu, v znake sprejemnika.
Kot primer vzemimo gornjo vajo. Poiskati je potrebno tisti znak, ki ustreza zakodiranemu sporočilu »010«; to je C.

Slika 8. prikazuje 8-bitno kodirno tabelo ASCII (ang. American Standard Code for Information Interchange), ki se še vedno uporablja za izmenjavo informacij v  računalnikih. Več o tem pozneje.

5. Sprejemnik informacij (cilj informacij) je podobno kot izvor informacij človek ali pa kak drug sistem, ki sprejema oddano sporočilo oziroma informacijo.

6. Šumi (motnje). Šum je vsaka motnja, ki ovira popoln prenos informacije in deluje predvsem na komunikacijski kanal. Kanal ni popoln, zato lahko v njem prihaja do izkrivljanja ali celo izpada posameznih znakov in s tem netočnosti prenosa informacij.

    Poleg kratkega opisa osnovnih elementov v prikazanem osnovnem modelu prenosa informacij, moramo kratko razložiti in definirati še pojme, ki smo jih že uporabili,  a malce  premalo razložili in sicer : informacija, sporočilo, signal, znak in podatek (J. Jereb, 1986; M. Kljajić, 1980):

  • informacija - je realizirana ali potencialno razpoložljiva pragmatična vsebina shranjenih ali prihajajočih sporočil ali podatkov. Informacija je vedno nekaj novega. Informacija je prirastek oz. nadgraditev znanja.
  • sporočilo - je sistematično urejen vrstni red znakov, ki jih časovno ali prostorsko prenašamo s pomočjo signalov.
    • signal - je fizikalni fenomen kot npr. zvočni val, el. inpulz, tiskano sporočilo, svetlobni impulz...
    • znak - so signali v procesu komunikacije (črke, besede, matematični ali tehnični simboli...).
  • podatki- so opredmetenje dejstev, pojmov, predstav in znanja; predstavljajo numerična, alfanumerična, govorna ali grafična sporočila o določenih elementih (objekti, subjekti) oziroma njihovem dejanskem stanju.

Na koncu podajmo kratko in smiselno definicijo kibernetike (J. Jereb, 1986): je znanost, ki se ukvarja s postopki upravljanja in reguliranja vseh strukturiranih dinamičnih sistemov in to s pomočjo informacij. Slika 9 prikazuje to definicijo v grafični obliki v splošnem in medicinskem okviru.

    Danes kibernetika resnično vse bolj sega v strukturirane dinamične sisteme tako v tehniko, naravoslovje, medicino, družboslovje itd. Najprej se je razvila v tehniki, kjer je npr. z vodenjem in krmiljenjem vesoljskih plovil dosegla neslutene razsežnosti in uspehe. Spoznanja, da je možno kibernetično voditi in upravljati tudi mnoge človeške dejavnosti, s katerimi se ukvarja psihologije, pedagogika, sociologija in druge družbene vede, se vse bolj uspešno uporablja tudi na teh področjih, še posebej v medicini in to v smislu, da na osnovi kibernetskih spoznanj bolje spoznamo zapletene psihodinamične procese, ki pogojujejo različne človekove dejavnosti. Tako danes govorimo o kibernetiki v medicini, kot analizi bioloških sistemov z vidika tehnike, torej analize nekaterih učinkov električnih tokov, kemije, elektronike, mehatronike, nanotehnologij, protetike, robotike itd. na biološke sisteme. Slika 10 kaže le nekatera področja njene koristne in nezamenljive uporabe v medicini. Če smo še malce bolj natančni, se področje proučevanj in dela v medicinski kibernetiki nanašajo na:

  • Biofiziko, biokemijo in molekularno biologijo,
  • hipoteze in kibernetske modele o nastanku življenja,
  • proučevanja bioloških regulacijskih sistemov,
  • proučevanj električnih lastnosti membran in celic,
  • koristnost učinkov električnih tokov na biokemične procese - rastline in živali (npr. pospeševanje rasti in regeneracije),
  • interakcije bioloških sistemov, demografski modeli (npr. množenje prebivalstva, širjenje epidemij itd.),
  • teorija kaosa v biologiji,
  • uporabo elektrogenetike in elektrobiotehnologije,
  • spoznanja celične elektrotehnike, imunskih sistemov in električne imunomodulacije, učinke električnih tokov na celjenje ran, zdravljenje raka z električnimi tokovi in s kombinacijo kemoterapevtskih meted ter različnih oblik električnih tokov,
  • elektrokemoterapijo raka z impulznimi tokovi in citostatiki,
  • proučevanje matematičnih modelov učinkov električnih tokov na biološke sisteme,
  • matematičnih modelov optimalnega doziranja zdravil in elektroterapije pri rakavih in drugih zahtevnejših obolenjih itd.

 

Ikona poučevalne enote Album slik
kibernetika_5.jpg<>Slika 1. Pametna TV kibernetika_1.jpg<>Slika 2. kibernetika_2.jpg<>Slika 3. kibernetika_3.jpg<>Slika 4. Kbernetika.jpg<>Slika 5.
Slika2.jpg<>Slika 6. Slika3.jpg<>Slika 7. Slika6.jpg<>Slika 8. Kodirna tabela za računalniške sisteme - ASCII kibernetika_4.jpg<>Slika 9. kibernetika_7.jpg<>Slika 10.









Ikona poučevalne enote POJMI, KI SI JIH VELJA ZAPOMNITI:
  • Informacijska tehnologija,
  • mikroelektronika,
  • komunikacije,
  • vir informacije ali oddajnik informacije,
  • koder in dekoder,
  • komunikacijski kanal,
  • sprejemnik informacije,
  • šumi,
  • informacijske družba,
  • informacijska pismenost,
  • kibernetika,
  • informatika,
  • računalnik,
  • osnovni model prenosa informacij,
  • Norbert Wiener,
  • medicinska kibernetika,
  • informacija,
  • podatek,
  • sporočilo,
  • signal, znak.

RAZMISLI - ODGOVORI - OPRAVI

1. Skicirajte diagram ali shemo, ki prikazuje najpomembnejše dogodke v zgodovini komunikacij. Lahko jo imenujete »Od dimnih signalov do satelitov« ali kako drugače.

2. Kako bi s tremi žarnicami zapisali besedo »DA«?

3. Kako bi s tremi žarnicami zapisali besedo »ACA«?

4. Kako bi s tremi žarnicami zapisali besedo »ABECEDA«?

5. Zapišite zalogo znakov prenosa (kodirnih znakov) za vse velike črke abecede. Koliko žarnic bi najmanj potrebovali za ta primer?

6. S pomočjo kodirne tabele, ki ste jo dobili z rešitvijo 5. naloge, »zapišite« oziroma prenesite svoje ime in priimek, pa še kaj bolj skrivnostnega.

7. Skicirajte diagram ali shemo, ki prikazuje najpomembnejše dogodke v zgodovini razvoja elektronike

8. Opišite in razložite informacijske možnosti televizije in računalnika v domu, službi, zabavi, prostem času,..

9. Razložite delovanje in informacijske zmogljivosti pametne televizije.

10. Gospodarstva po svetu so se razvijala v več stopnjah. Po navadi govorimo o agrarni, industrijski in informacijski družbi. Kaj je značilno in pomembno za vsako od njih?

11. Ali znate vsaj približno časovno opredeliti razvojne faze (glejte vprašanje 8) v Sloveniji?

12. Razložite pomen tele trditve: »Vse več ljudi dela v informacijski industriji.«

13. Opredelite informacijsko pismenost.

14. Kaj je kibernetika, kaj informatika in kaj računalništvo?

15. Skicirajte in razložite osnovni model prenosa informacij!

16. Kaj je informacija, kaj podatek, kaj sporočilo in kaj signal in znak?

17. Kaj je medicinska kibernetika?

18. Naštejte nekaj pomembnih področij uporabe medicinske kibernetike.