4839-1 (Исполнитель алгоритмов – человек)

Исполнитель алгоритмов – человек

В.М. Казиев

При обучении, в качестве исполнителей алгоритмов рассматриваются часто лишь автоматы (Тьюринга, Поста, фон Неймана, различные роботы) или их комплексы. В ряде учебников и толковых словарей исполнитель понимается как «автомат, способный выполнять автоматически некоторые программные действия, в частности, ЭВМ». Такая трактовка понятия «Исполнитель» может привести как к непониманию роли и места человека и автомата в процессе целенаправленной обработки информации (в лучшем случае), но и к различным технократическим утопиям (в худшем случае).

Автор попытается рассмотреть это понятие применительно к основному исполнителю алгоритмов – человеку. Рассмотрение понятия «Исполнитель» в школьном (вузовском) курсе информатики должно опираться на базовые исполнители алгоритмов – Человек, Автомат, Природа (не ограничиваясь, как это бывает, только вторым из указанных типов) и на междисциплинарном подходе. Рассмотрение этого исполнителя важно еще и потому, что в информационном обществе актуальны когнитивные методы и процедуры (от простого восприятия до сложного понимания), переход от процесса обучения к процессу учения, самообучения и, таким образом, важно знать понятия и факты, лежащие в основе таких процедур и процессов.

Попытаемся подойти к изложению этой важной и непростой темы с помощью содержательных примеров.

Исполнитель - это некоторая абстрактная, биологическая, техническая, организационная или смешанного типа система, способная преобразовывать информацию или сообщения из некоторого фиксированного множества, называемого операционным пространством. Работа исполнителя осуществляется в командном или программном режиме. Любой исполнитель состоит из устройства управления, “рабочего инструмента” исполнителя, имеет класс исполнимых алгоритмов.

Человек (специалист) - специфический исполнитель. Сообщения, которые выполняются и используются человеком, хранятся и передаются, как правило, в языковой форме (разговор, письмо, жесты, мимика и др.).

В качестве устройства управления исполнителя - человека или высшего животного выступает мозг (мозжечок) и нервная система, передающая и воспринимающая сигналы от окружающего мира с помощью органов чувств.

Пример. Передающий орган человека (эффектор) - голосовой аппарат (орган речи) - передает сообщения с помощью физических носителей - звуковых волн (15-20000 Гц). Воспринимающий орган (рецептор) - слуховые мембраны - воспринимают эти сигналы. Способ восприятия – слуховой. Время реакции на сообщение составляет порядка 200 мс. до ответа или реакции, так как раздражение от сигналов проводится по нервным путям к мозгу, где они обрабатываются и затем ответ проводится к эффектору. Обработка сенсорных сигналов и выработка ответа на них происходит на четырех различных уровнях нервной системы: на уровне коры головного мозга, на уровне таламуса, на уровне продолговатого мозга, на уровне спинного мозга. Структура организации и функции головного мозга человека приведены ниже на рис. 1. Примечания: 1 - кора головного мозга (управление высшей нервной деятельностью); 2 - борозды коры головного мозга (преобразование входной информации в импульсы, передаваемые двигательной системе); 3 - таламус (управление вводом-выводом данных в кору головного мозга); 4 - средний мозг (ввод-вывод данных от органов чувств и импульсы управления мышцами); 5 - мозжечок (центр выработки выходных импульсов для двигательной системы); 6 - продолговатый мозг и мозговой мост (центр управления вводом-выводом данных в каналы связи спинного ствола); 7 - спинной ствол (канал связи для передачи данных от органов чувств и выходных импульсов управления мышцами).

Рис. 1. Структура мозга человека

Пример. Визуальные сигналы воздействуют на рецепторы сетчатки глаз, а затем поступают в мозг по зрительным нервам. В отличие от других сигналов (поступающих через другие рецепторы), визуальные сигналы минуют спинной мозг, т.е. зрительная реакция почти мгновенная.

Если рассматривать весь организм человека, то центром деятельности организма является нервная система, выполняющая две основные функции:

коммуникативную - передачу информации, получаемой от рецепторов кожи, глаз, ушей и других органов к нервным центрам и, наоборот, от нервных центров - к эффекторам, например, мышцам;

интеграцию и переработку получаемой информации, программирование наиболее адекватной реакции, начиная от простых рефлексов и до сложных мыслительных процессов.

Первая функция обеспечивается периферической нервной системой, состоящей из соматической системы (обеспечивающей связь с внешним миром) и вегетативной системы (обеспечивающей связь с внутренними органами). Вторая функция обеспечивается центральной нервной системой.

Рассмотрим структуру центральной нервной системы (рис. 2).

Центральная нервная система

Головной мозг Спинной мозг

Мозжечок Большой Ствол Соматическая Вегетативная

мозг мозга нервная нервная

система система

Передний Промежу- Средний Продол- Периферическая

мозг точный мозг говатый нервная

мозг мозг система

Эффекторы Рецепторы

Рис. 2. Структура центральной нервной системы

Структурная единица нервной системы - нейрон, нервная клетка. Кора переднего мозга содержит около 10³ – 10⁴ нейронов, каждый из которых соединяется с другими нейронами синапсами, образуя кластеры нейронов, обменивающихся сообщениями типа «да - нет» (переключения).

Нейроны – микроскопические массы протоплазмы, заключённые в мембраны, выполняющие функции проводников сигнала от мозга и к мозгу. На конце каждого пучка нервных волокон есть рецепторы (клетки «ввода») и эффекторы (клетки «вывода»). Рецепторы посылают сигналы по нейронным цепям в головной мозг, где с помощью нервной системы ведётся поиск релевантной ситуации информации, его распознавание и обработка.

Пример. При прикосновении, например, к горячему рукой, рецепторы кончиков палец, передают возбуждение через нервные окончания и цепочки нейронов в мозг, где определяется релевантное в этой ситуации действие – сигнал мышечной системе рук о необходимости сделать судорожное движение – отдернуть руку от горячего.

Пример. При произнесении слова, как показывают опыты, необходимо управление около 50 мышцами (лица, гортани), участвующими в процессе произношения слова и для этого требуется около 250 обращений к образу этого слова в памяти человека.

Нейроны бывают различного типа: сенсорные (от рецептора кожи к спинному мозгу); сетчатки (от рецепторов сетчатки глаза - к зрительному нерву); двигательные (от рецепторов мышц к двигательной коре). Они образуют своеобразные регистры (зрительные, слуховые, тактильные и др.).

Нейрон служит для передачи информации за счет нервных импульсов. Расшифровка нервных импульсов (информации) происходит в соответствующих областях коры головного мозга. Нейроны коры мозга функционируют параллельно. Это их важное свойство и достоинство.

Пример. В коре переднего мозга около 50 млрд. нейронов. Они организованы, примерно, в 600 млн. функционирующих параллельно систем. Производительность такого типа “процессора” (распределённого матричного или нейроподобной системы) очень впечатляет (оцените примерно её!).

Особенностью мозга является высокие качество и скорость обработки информации. Нейроны выполняют обработку со скоростью всего около 100 инструкций в сек. (сравнить с ЭВМ, выполняющей миллионы инструкций в сек.), но они быстрее и эффективнее решают наиболее сложные (для ЭВМ, в частности) задачи распознавания и классификации, принятия решений и другие плохо формализуемые и структурируемые проблемы.

Человеческий мозг – это система параллельно работающих подсистем, структур, самоорганизующихся с помощью ассоциативных связей для выработки, принятия логических (алгоритмических, рациональных) решений. Там где невозможно принять такое решение (т.е. не удаётся ассоциировать такие связи), принимается эвристическое решение.

Каждая проблема имеет свой порог формализуемости.

Пример. Такая «простая» для человека задача, как нахождение решения квадратного уравнения имеет свой порог формализации. Если ищем вещественные корни, то порог определяется известной формулой для корней. За порогом этой формализации, если необходимо находить «очень точные» рациональные корни, эта задача неразрешима для человеческого мозга, как и бесконечен итерационный процесс вычисления корня из дискриминанта.

В каждом нейроне коры головного мозга одновременно обрабатываются возбуждения: мотивации, целеполагания, внешние возбуждения - отражения текущего состояния управляемого объекта, возбуждения памяти (опыта). Их согласованная обработка дает картину объекта и позволяет принимать решения. Так, мозг, непрерывно перебирая результаты всех прошлых действий в аналогичных ситуациях и сравнивая их с текущей ситуацией, выбирает вариант, наиболее подходящий, целесообразный и эффективный в данной конкретной ситуации. Если при этом не найдется такая ситуация, то выбирается (прогнозируется многокритериально) такое состояние, результат которого будет наиболее адекватен; этот результат и запоминается далее.

Обработка информации, как естественная, так и искусственная (с помощью ЭВМ) - составная часть нашего чувственного восприятия (рис. 3).

ПОЗНАВАЕМАЯ СИСТЕМА

З

С Получение Эмпирические методы Получение,

данных обработка Н

Р Эмпирико- сообщений

теоретические методы А