Az
Informatika várható fejlődése és következményei az oktatásban
KÁTAI IMRE
Az ember csereberélni kezdett, meg kellett tanulnia
számolni. Feltalálta a pénzt, egyeseknek még inkább. Feltalálta a helyiértékes
számábrázolást, a „nullát”. Indiában találták fel, valószínűleg a Krisztus
előtti évezredben. A hindu matematikus, Arjabhata rendszerezte az 5. század
végén. Arab kereskedők hozták nyugatra, ezért nevezzük „indo-arab”
számrendszernek.
2000-ben
John Brockman „Az elmúlt 2000 év legfontosabb találmányai” című könyvében 52
tudós, művész, más híresség nyilatkozik: mit tart az elmúlt 2000 év
legfontosabb találmányának.
A
válaszok között szerepel:
-
az
indo-arab számrendszer,
-
a
géntérkép,
-
az
internet,
-
a
digitális bit,
-
a
programozható számítógép,
-
az
éghajlat számítógépes modellezése,
-
számítógéphálózatok,
-
a
valószínűségelmélet,
-
Gődel
tétele,
-
a
kvantumelmélet,
-
a
nyílt kulcsú rejtjelező rendszer.
Az
utolsó válasz Charles Simonyitól származik.
A
helyiértékes számrendszerben az aritmetikai műveleteket egyszerű szabályok megtanulása után könnyen el lehetett végezni, különösen
abacus segítségével. Emlékszem, a 70-es években még az volt a hír, hogy egy
japán férfi abacussal gyorsabban számolt, mint a számításokat végző számítógép.
Azóta a helyzet gyökeresen megváltozott.
Mechanikus
elven működő számológépeket már a XVII. században konstruáltak. Pascal (1642)
gépe az összeadás és kivonás, Leibniz gépe a szorzás és osztás elvégzésére volt
alkalmas, Babbage (1834) „analytical engine” gépe már 4 egységből állt:
bemenet, kimenet, számoló rész, memória.
A
számítási igény a II. világháború kitörése előtt, és idején drasztikusan megnőtt,
a számításokat gépi segítség nélkül elvégezni képtelenség volt.
Háborúban
szükség van egymástól távol lévő csapattestek közötti titkos üzenetváltásra,
hajók, hírszerzők utasítására. A küldő az üzenetet titkos szabály szerint
megváltoztatja, az üzenetet kapó ismerve a megfejtési szabályt, megfejti azt.
Az ellenség, ha a kódolt üzenetet megszerzi, igyekszik azt megfejteni.
Julius
Caesar állítólag az alábbi egyszerű módon rejtjelezte üzeneteit. Az ábécé
betűit egy kör szélére írta, sorjában: a, b, c, d, … ,
s üzenetében minden betű helyett az óra járása szerint 3-mal később következő
betűt küldte. Hát bizony ez elég könnyen megfejhető eljárás.
A
II. világháborúban a németek egy „ENIGMA” elnevezésű, meglehetősen bonyolult
rendszert használtak, a kulcsszavakat gyakran változtatták. Ezt az angoloknak,
lengyel segítséggel sikerült megfejteniük. A megfejtők főnöke egy zseniális
angol tudós, Alan Turing volt.
Turing
a háború előtt alapvető eredményeket ért el a „kiszámíthatóság elméletében”.
Megmutatta, hogy az általa kitalált „számítógép modell” segítségével kiszámítható
minden, ami egyáltalán kiszámítható. Az e felismerésből kiinduló elmélet a számítástudománynak
fontos, sok kutató által ma is vizsgált területe.
A
számítógépek elméletének és fejlesztésének másik óriása a magyar származású,
amerikai állampolgár, Neumann János volt.
Békeidőben
matematikai logikával, egyes matematikai területek axiomatizálásával, a
kvantummechanika matematikai megalapozásával, a matematikai fizika számos
problémájával foglalkozott. A háború alatt kidolgozta a programvezérelt
számítógépek elvi lehetőségeit.
Neumann
felismerte: a számítógépnek az a képessége, hogy hosszú számítási sorozatokat
lehet gyorsan, emberi beavatkozás nélkül elvégezni, kibővítheti azt a
tartományt, amelyre a numerikus módszerek alkalmazhatók.
A
numerikus módszerek teszik lehetővé, hogy az összefüggéseket leíró lineáris
egyenletrendszereket, parciális differenciálegyenleteket ténylegesen megoldjuk,
tulajdonságaikat tanulmányozzuk.
A
II. világháború idején, és után a szorzási műveletet
mintegy 100-szor gyorsabban lehetett elvégezni, mint kézzel. A közbülső adatok
tárolására azonban szűk volt a lehetőség.
A
számítások közelítőleg történnek, ezért az eljárás csak akkor lehet eredményes,
ha az alkalmazott módszer nem nagyon
érzékeny a kezdeti feltételekre. Az ú.n. iterációs
módszereknél van remény a hibák kordában tartására.
Stan
Ulam és Neumann János egy másik, rendkívül érdekes és hatékony módszert
fejlesztett ki egyenletek megoldására, az ú.n. Monte Carlo módszert. Az alapelv
egyszerű: ha két lapostetejű házunk van egymás mellett, s elered az eső, akkor
a tetőkre zúduló esőcseppek űrtartalmai úgy aránylanak, mint a tetők területei.
Ha az egyik tető területét ismerjük, akkor a másik tető területét elég nagy
pontossággal kiszámíthatjuk. Esőcseppek helyett használjunk véletlen számokat,
s alkalmazzuk a nagy számok törvényét. Később e módszer „sztochasztikus
szimuláció” néven terebélyesedett ki.
Neumann
behatóan tanulmányozta a meteorológia tudományát és annak alkalmazását az
időjárás előrejelzésére. Az atmoszféra fizikája egyike volt azoknak a
nemlineáris feladatoknak, amelyeket a matematikai kutatás számára fontosnak
tartott. A számítógép alkalmas volt az időjárási probléma megoldásához szükséges
óriási mennyiségű számítás elvégzésére. A tényleges előrejelzéshez azonban
sokkal több művelet elvégzésére lett volna szükség. Erre azonban még jó 30 évet
kellett várni a sokkal gyorsabb, és nagy tárolókapacitású gépek megjelenéséig.
Előadásom
első részében arra szerettem volna rámutatni, hogy a számítástechnika (kezdeti)
fejlődését a megnövekedett számolási igény ösztönözte, s a számítógépek
tervezése számos új matematikai diszciplina kifejlődését eredményezte. Egészen
különös az a kapcsolat, amit a számítógép az úgynevezett négyszínsejtés
bizonyításában játszik. Ezt a tisztán matematikai állítást számítógéppel
bebizonyították, a levezetést emberi agyvelővel eddig senki sem volt képes
ellenőrizni. A matematikusok megosztottak. Sok matematikus szerint ez nem
bizonyítás, mivel emberi aggyal ellenőrizni nem sikerült, s ennél mi igényesebbek
vagyunk, ha az igazságot keressük.
Az
elektronikus számítógépek a bennük használt műszaki megoldások tekintetében
óriási fejlődésen mentek át:
-
elektroncsövektől
VLSI áramkörökig,
-
mágnesdobos
operatív tártól a félvezetőig,
-
lyukkártyás
adatkiviteltől a képernyőig.
A
generációk múlásával a számítógépek sebessége, megbízhatósága, tárolókapacitása
növekedett, mérete jelentősen csökkent.
Az
ötvenes évek vége felé a számítógép bevonult a kormányzati- és közintézmények,
nagyvállalatok adatfeldolgozó központjaiba, s kezdett profitot termelni. A
60-as években az egyszerűbben használható, egyre jobban programozható gépeket a
légiközlekedés, a pénzügyi szektor és a közigazgatás legtöbb pontján alkalmazták
már.
1972-ben
az INTEL cég kifejlesztette az első 8 bites mikroprocesszort. Ezzel személyes
használatra alkalmas gépeket tudtak konstruálni, áruk elérhető volt.
Az
1975-ös ALTAIR 8800-as modellt tekinthetjük az első sikeres személyi
számítógépnek. Ezt követték a Sinclair és Commodore modellek. A számítógépek a
gazdasági élet minden területén, továbbá az egyetemeken, könyvtárakban,
rendőrségen megjelentek.
Megjelentek
a hordozható személyi számítógépek. Általánossá vált a perifériák (fax,
nyomtató, lapolvasó, scanner) használata. A szuperszámítógépek már csillagászati
számolási teljesítményt nyújtottak (a csúcsteljesítmény jelenleg 1015 szorzási
művelet/sec), hozzájárultak jó néhány tudományterület nagy ugrásához, az
informatikai ipar pedig az energiaipar és az autóipar mögé felsorakozott.
Újabb
lökést eredményezett a távközlés és a számítástechnika összekapcsolása. Bár a
számítástechnika és a távközlés együttes használata már a 60-as években is
lehetséges volt, a 70-es években „telematika” néven ismerhettük, a 80-as évek
elején elindult a Minitel program, amely több millió, ingyenesen kihelyezett
terminállal hálózatba kapcsolta össze a telefon előfizetőket.
A
világot mégis meglepetésként érte az internet minden képzeletet felülmúló
elterjedése. Nem egészen 10 év alatt több százmillió számítógép összekapcsolásának
segítségével világméretű kommunikációs, illetve adattároló és szolgáltató
rendszerré vált. Interneten keresztül telefonálhatunk, rádiót hallgathatunk,
újságot olvashatunk, lexikonként használhatjuk, véleményünket közzétehetjük.
Számos tudományterületet, elsősorban a nagy tömegű vizsgálati adattal, gyors
információ igénnyel rendelkező csillagászatot, meteorológiát, oceanográfiát, genetikát
forradalmasított a tudóscsoportok hálózati kommunikációja.
Az
internetjárvány megállíthatatlan. Január végén jelent meg egy telefon, amellyel,
ha rámutatunk az égen látható csillagra, a képernyőn megjelenik a csillag neve.
Ez úgy működik, hogy a GOOGLE Sky Map programba egy csillagtérkép van beépítve,
s a gép felismeri, hogy melyik csillagot látja.
2009
decemberében egy új software-t mutattak be „Goggles” néven. Ez automatikusan
felismeri azt, amit a mobiltelefon kamerája lát. Egy pillanat alatt összehasonlítja
a software a kameraképet azzal a több milliárd képpel, amit az adatbázisban
tárol. A Google látni tanul. Saját fejlesztésű mobiltelefonja az e-mailt
diktálás útján veszi fel, mert egy beépített beszédfelismerő ezt lehetővé
teszi. Az a cél, hogy egyszer minden képet felismerjen, minden elhangzott
kérésre válaszolni tudjon: hol van a legközelebbi étterem, fogorvos, a gépnek
megmutatott virág neve. A Google eddig kb 10 millió könyvet digitalizált.
A
Google ingyen használható, a reklámokból fedezi kiadásait és szerzi profitját.
Mi történt
Magyarországon a háború után?
1.
A
kibernetika burzsoá áltudomány, mondta a hatalom.
2.
1957.
Megalakítják az MTA Kibernetikai Csoportját. Megvesszük az M3 számítógépet.
Lassú, de sok újítás forrása.
3.
1968.
Indul a gazdasági mechanizmus. A szovjet vezetés,
Koszigin miniszterelnökkel az élen felismeri, hogy a számítástechnikában
tapasztalható lemaradás a Szovjetunió védelmi képességét és nagyhatalmi képességét
veszélyezteti. A csehszlovákiai bevonulás miatt a NATO következetesen embargo
politikát alkalmaz a szocialista országokkal szemben.
4.
A
szocialista országok szakemberei egyetértettek a felzárkózás szükségességével,
s úgy döntöttek, hogy egy meglévő rendszert másolnak le. Az IBM 1964-ben hozta
ki nagysikerű, 360-as rendszerét. A KGST országok által indított Egységes
Számítástechnikai Rendszer keretében kerültek gyártásra a lemásolt gépek: R10,
R20, R30, R40, R50.
Magyarország
egyes perifériák fejlesztésében és gyártásában ért el sikereket. Számítógép
alkalmazói szakképzés először a KSH felügyelete alatt működő SZÁMOK-ban folyt,
tanfolyami szinten.
Mi történt az
ELTE-n?
5.
Alapfokú
számítástechnikai ismeretek oktatására már az 50-es évek végén sor került. A
60-as évek végén a kormány meghirdette a Számítástechnikai (Oktatási)
Programot, s felkérte az egyetemeket, hogy
-
részesítsék
számítástechnikai alapképzésben a Természettudományi Karok valamennyi
hallgatóját és oktatóinak nagy részét,
-
segítsék
a kutatókat abban, hogy kutatásaikhoz számítógépeket, számítástechnikai
módszereket használjanak,
-
az
alapfokú oktatást lehetőség szerint terjesszék ki a többi karra, valamint a
gyakorlógimnáziumokra.
6.
A
JATE, KLTE, ELTE együttműködésében a számítástechnika oktatására programot
dolgoztunk ki. Javaslatot tettünk a programozó matematikus szak (3 éves), és az
erre épülő (+2 év) programtervező matematikus szak beindítására. Beindítottuk a
képzést. Nagy elismeréssel és hálával említem meg három kiváló, lelkes tudós,
azóta már elhunyt munkatársam nevét, Kalmár László, Gyires Béla, Mogyoródi
József professzorokat, akik alapvető szerepet játszottak e munkákban.
7.
1968-ban
az ELTE TTK-n belül megalakul a Numerikus és Gépi Matematikai tanszék. Ezen
belül működik a „Számítóközpont” egy ODRA 1013 számítógéppel és egy MEDA 41
típusú analóg számológéppel.
Közben
a Kar, ezen belül a Tanszék ígéretet kapott egy ODRA 1304 (nagyteljesítményű)
számítógép beszerzésére, és a feladatok ellátásához szükséges szakemberek
felvételére. Ez rendkívüli feladat volt. Két év alatt mintegy 100 főre bővült a
tanszék és a számolóközpont személyi állománya. A gép elhelyezése is sok
nehézséggel járt.
8.
Az
azóta eltelt 40 évben igyekeztünk lépést tartani mind a kutatás, mind az
oktatás területén a tudományterület kifejezetten gyors fejlődésével.
Eredményeink
elérésében fontos szerepet játszottak oktatási és kutatási nemzetközi
kapcsolataink. Kiemelkedő jelentőségű a Paderborni Egyetemmel kialakított
kapcsolatunk. A 80-as években, díszdoktorunk, Karl-Heinz Indlekofer professzor
vezetésével TEMPUS pályázatok keretében legalább 200 hallgatónk tanulhatott
Paderbornban 1-2 hónapig, Budapesten nyári iskolákat szerveztünk
német-holland-magyar professzorok és hallgatók részvételével, egyes kutatási
eredményeinket a Hannoveri Számítástechnikai Vásáron közösen mutattuk be.
9.
Elismerten
magas szintű kutatások folynak az Informatikai Karon:
a.
szoftvertechnológia
területén: a Neumann napon „Elosztott és sokmagos rendszerek
szoftvertechnológiai kérdései” címmel a tanszékek beszámolnak kutatásaikról,
b.
számítógépes
számelmélet területén: elsősorban nagyhatékonyságú műveletek, prímtesztelés,
prímfaktorizálás, rejtjelkulcsok generálása területén,
c.
a
numerikus analízis számos témákörében,
d.
a
Walsh és Vilenkin rendszerek, valamint a waveletek kutatása területén. A Schipp
professzor által alapított iskola nemzetközileg nagy elismertségű.
e.
a
geoinformatika területén.
A
Nemzeti Hírközlési és Informatikai Tanács, a kormány tanácsadó testülete az
„Információs Társadalom Technológiai Távlatai” címmel kidolgozta és közzétetette
az információs és kommunikációs technológiák következő évtizedre vonatkozó
várható fejlődését (2008-ban). Főbb megállapításaik a következők:
1.
A
számítógépek és adatátviteli vonalak teljesítményei olyan mértékben növekednek,
hogy gyakorlatilag már nem jelentenek korlátot a megoldandó feladatok méreteire
vonatkozóan.
Várható, hogy a gyakorlatban is megjelennek a ma még
főleg kutató-laboratóriumi szinten található új számítási paradigmák (nano-,
bio, kvantum számítástechnika), ezek beláthatatlan teljesítménynövekedést eredményezhetnek.
Többmagos processzorok alkalmazása további növekedést eredményezhet.
2.
Teljessé
válik az eszközök összekapcsoltsága:
-
nem
lesznek „szingli” számítógépek,
-
a
felhasználók bármilyen információhoz hozzájuthatnak, egymás erőforrásait
használhatják.
3.
Az
informatika megjelenik a mindennapi élet tárgyaiban.
4.
Az
informatikai rendszerek működése egyre több intelligens vonást mutat.
5.
A
szolgáltatások különböző fajtái kerülnek előtérbe: a felhasználók inkább
szolgáltatásokat, és nem termékeket vásárolnak.
6.
A
felhasználók között széles körű együttműködés várható.
7.
Az
infokommunikációs rendszerek működésének minden szempontból való biztonsága minden
szempontból nagy kihívást jelent.
Engedjék
meg, hogy visszatérjek a rejtjelező, s főként a nyíltkulcsú rejtjelező
rendszerekre.
A
80-as években 3 matematikus kifejlesztette az ú.n. RSA rendszert. Ennek lényege
a következő. Tegyük fel, hogy bankok szeretnének egymásnak titkos üzeneteket
küldeni, s a többi bank abban érdekelt, hogy megismerje a rejtjelezett üzenet
értelmét. Az alábbi módon járnak el. Minden bank választ magának két darab nagy
prímszámot, amelyek legalább 100 jegyűek. Ezeket titokban tartja, szorzatukat
(jele: N), és még valami számolt
kulcsot (e) nyilvánosságra hoz, s azt
mondja: ha valaki üzenni kíván valamit, akkor rejtjelezésre használja az e, N kulcsokat, s egy jól ismert
eljárást. A megfejtés olyan bonyolult, hogy nagy biztonsággal állítható: csak
az tudja megfejteni, aki tudja, hogy melyik két prímszám szorzataként áll elő N. Megalapozott az a vélekedés, hogy az
az idegen tudja megfejteni a küldött üzenetet, aki meg tudja mondani, hogy N melyik két prímszám szorzata.
20
évvel ezelőtt még ilyen N számok
törzstényezőkre bontásának költségét úgy becsülték meg, hogy az többe kerülne,
mint az USA 20 éves teljes költségvetése.
Januárban
egyik munkatársunk nagy felindulással újságolta, hogy faktorizáltak egy olyan
232 decimális jegyű számot, amely két nagy prímszám szorzata. A megfejtők 80
processzorral féléven át polinom-szelekcióval foglalkoztak. Ez a munka 3%-a
volt. A szitálás sok
száz gépen majdnem két évig tartott, s ez tényleg egy kisebb fajta csoda.
Lenyűgöző az a „számítási” kapacitás, amelyet alkalmaztak.
Nem
célom, hogy a Tisztelt Hallgatóságot elkábítsam, de meg kell jegyeznem: ha egy
15 milliárd fényév sugarú gömb köbtartalmát köbnanométerben kívánjuk kifejezni,
akkor a kapott szám még mindig kisebb, mintegy 200 jegyű!
Gondoljuk
meg!
Működik
olyan „csúcsteljesítményű” számítógép, amely képes 1015 lebegőpontos
elemi műveletet elvégezni másodpercenként.
Örömmel
újságolom, hogy nemzetközileg elismert, több új Sophie German prím
felfedezéséhez vezető, „világcsúcsban mért” eredményt ért el tanszékünkön Járai
Antal professzor és munkacsoportja. Korszerű gépeken dolgoznak, de nem a
„csúcsteljesítményű gépeken”. Kiemelkedő eredményességük azt mutatja, hogy a
„hozzáadott szellemi érték” jelentősége sok, fontos esetben nem elhanyagolható,
sőt, nagyobb, mint a technikai adottság.
Az
informatika (beleértve a technológiát) fejlődésében az a csodálatos, hogy:
-
az
eredmények a természettudományokat (csillagászat, meteorológia,
anyagtudományok, genetika, neurobiológia, stb) forradalmasították,
-
ugyanakkor
a természettudományokból ellesett törvényszerűségek reményt keltenek az
információs technológia területén való forradalmian új típusú alkalmazásokra.
Gondolok itt a Feynman professzor által kigondolt kvantumszámítógépekre, a
nanotechnológia alkalmazására, a neuronhálózatok titkainak megfejtésére és
alkalmazására,
-
számos
tudományterület, amely keletkezésekor teljesen elméleti jellegű volt, idővel
fontos alkalmazási területté vált. Ilyen a matematikai logika; többé-kevésbé a
számelmélet egy része; a kvantumfizika.
Honnan
volt pénz az ilyen rendkívül gyors fejlesztésre? A II. világháború alatt és az
azt követő hidegháborús időben a kormányok a számítástechnika hadászati
alkalmazásában nagy lehetőséget láttak, s szinte számolatlanul támogatták a fejlesztéseket.
Később ez a terület jelentős profitot termelt.
Személy
szerint nagyon szeretném, ha az alábbi területeken sikerülne áttörést elérni:
-
online
számítógépes fordítás,
-
orvosi
alkalmazások,
-
robotok
alkalmazása veszélyes feladatokra, a gyógyászatban.
Az
elmúlt 30-40 évben a felsőoktatás lényegesen megváltozott.
A
tudomány fejlődésével az oktatott tanagyag korszerűsödött. Oktatóink tudományos
felkészültsége hazai viszonylatban kifejezetten jó, nemzetközi relációban mérve
egyes témákban kifejezetten jó, más témákban közepes, vagy hiányos. Az oktatói
utánpótlást karunkon nehezíti az a tény, hogy informatika szakos hallgatóink
diploma nélkül is több pénzt keresnek, mint oktatóink.
A
bolognai rendszerre való áttérés nem sikerült valami jól: egyes tanárszakok,
pl. matematika-fizika, matematika-informatika helyzete kritikussá vált. Ez részben
az új rendszernek köszönhető, részben pedig annak, hogy a tanári pálya
presztízse rendkívül alacsony.
A
hazai egyetemek és főiskolák száma indokolatlanul nagy, ezek az intézmények a
költségvetésből a felvett hallgatók számától függően részesednek. (Ez az
állítás első közelítésben igaz.) Ez azt eredményezi, hogy lasszóval keressük a
jelentkezőket, és keveset törődünk felkészültségükkel. Ez megváltozhat, ha egyetemünk
elnyeri a „kutatóegyetemi” státuszt, s e rangjának illő „költségvetési ellátást
kap”.
Európa
jelentős, nagy kultúrájú régió, elsőrendű érdeke, hogy az is maradjon. Ennek
fontos feltétele, hogy a tudományos kutatás, és a felsőfokú oktatás területén az élen, lehetőleg az első helyen maradjon. A
jelenleg kapott összeg többszörösére van szükség. Az alapkutatásokhoz szükséges
fedezet országos és EU forrásokból megteremthető. Ehhez arra van szükség, hogy
a politikusok a tudományos kutatás fontosságát felismerjék. Az alkalmazott
kutatásokhoz, továbbá a fejlesztésekhez szükség van a priváttőke bevonására.
Fontos,
hogy egyetemünk a minőségi kutatásra tudjon koncentrálni, az EU-ban és azon
kívül működő egyetemekkel együttműködni tudjon. E cél elérését teljesen
reálisnak tartom.
Azt
az esetleg felvetődő elképzelést, hogy egyetemünk mondjon le a BSC-szintű
képzésről, nem tartom helyesnek. Azt lehetségesnek tartanám, hogy az oktatóink
egy részét nem köteleznénk arra, hogy „habilitáljanak”, fő feladatuk a BSC szakos
hallgatók oktatása lenne, kb 20 órát kellene tanítaniuk hetente. A BSC-n folyó
oktatást módszerében célszerű lenne a középiskolában alkalmazott „óránkénti
számonkérés”-sel jellemezhetőhöz közelíteni. Ha nem ezt tesszük, azzal kell
számolnunk, hogy a beiratkozott hallgatók jó, ha 30%-a szerez diplomát.
A
kutatásra alkalmas, azt tevékenyen végző munkatársainknak így több ideje lenne
tudományos munka végzésére.
Természetesnek
tartom, hogy a társadalom azt várja el az egyetemektől, és a MTA kutatóintézeteitől,
hogy elsősorban gyorsan felhasználható kutatásokat végezzenek, az állami
forrásokat ilyen kutatásra fordítsák. A tudomány története azonban azt mutatja,
hogy a szakmai kíváncsiság kielégítésére végzett kutatások jelentősége nem
elhanyagolható. Előadásomban néhány példát mondtam ezek alátámasztására.
Kedves
pénzt osztó politikusok. A költő szavait kölcsönözve kérem: játszani is
engedjétek gyönyörű és okos lányaitokat és fiaitokat.