1.4 Informatik als Wissenschaft

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1 46 Kapitel 1. Grundlagen 1.4 als Wissenschaft Die als Wissenschaft, d.h. als Gebiet universitärer Lehre und Forschung, ruht auf drei Säulen, der Theoretischen, der Praktischen und der Technischen. Angewandte wird in ähnlichem Sinne wie Praktische verwendet; dabei sind aber die Bereiche ausgenommen, die in der Anwendung nicht unmittelbar sichtbar werden, beispielsweise der Übersetzerbau. Die Angewandte wirkt direkt hinein in die zahlreichen Anwendungen der in Wirtschaft, Verwaltung, Technik, Wissenschaft und nahezu allen anderen Bereichen der Zivilisation. Theoretische Sowohl für die Formulierung und Untersuchung von Algorithmen als auch für die Rechnerkonstruktion spielen Methoden und Modelle aus der Mathematik eine wesentliche Rolle. Da die Struktur von Computern ständig komplexer wird, steigt auch der Abstraktionsgrad einer angemessenen Beschreibung. Für die Untersuchung von Fragestellungen in diesem Bereich sind gute Kenntnisse der strukturellen Mathematik nötig, die eine Reihe formaler Methoden zur Beschreibung von Systemen bietet. Bei der Untersuchung geeigneter Sprachen spielen Methoden der Logik eine wichtige Rolle. Beispiele für Teilgebiete der Theoretischen sind Formale Sprachen, Theorie der Netze und Prozesse, Automatentheorie, Semantik und Komplexitätstheorie. Technische In der Technischen befaßt man sich mit dem funktionellen Aufbau der Rechner und der zugehörigen Geräte sowie mit dem logischen Entwurf und der konkreten Entwicklung von Rechnern, Geräten und Schaltungen (Hardware). Die Schnittstelle zu Betriebssystemen und die Konfiguration der Rechnerkomponenten sind wichtige Aspekte. Beispiele für Teilgebiete der Technischen sind Rechnerarchitektur, Prozeßdatenverarbeitung, Fehlertoleranz, Leistungsmessung und VLSI-Entwurf (Very Large Scale Integration), d.h. die Integration sehr vieler Funktionen auf einem Chip, also in einem Mikroprozessor. Praktische und Angewandte Prinzipiell wäre es möglich, jeden beliebig komplexen Algorithmus direkt in der Sprache eines bestimmten Rechners zu formulieren; der Aufwand wäre allerdings gigantisch. Um mit begrenztem Aufwand zu zweckmäßigen Programmen zu kommen, müssen wir den Rechner auch für die Arbeit der Programmentwicklung als kom-

2 1.4. als Wissenschaft 47 fortables Werkzeug einsetzen und für regelmäßig wiederkehrende Probleme Standardlösungen schaffen. Programme, die in einer uns Menschen vorteilhaften Notation formuliert sind, müssen von Compilern oder Assemblern in eine dem Rechner verständliche und ausführbare Form übertragen werden. Ein Betriebssystem überwacht die Ausführung der Programme, die bei größeren Rechenanlagen oftmals gleichzeitig ablaufen, und übernimmt die Steuerung der Ein- und Ausgabe. Informationssysteme und Datenbanken verwalten umfangreiche Datenbestände, weitere Programmsysteme, sogenannte CASE-Tools, unterstützen die Software-Bearbeitung im weiteren Sinne, also die Spezifikation, den Entwurf, den Test, die Versionenverwaltung usw. Als Softwaretechnik bezeichnet man die Disziplin, die sich mit den Methoden, Notationen und Werkzeugen der Software-Bearbeitung allgemein befaßt. Ergonomische Fragen und Probleme der Mensch-Maschine-Kommunikation sind ebenfalls wichtige Gebiete der Forschung und Lehre. Bildverarbeitende Systeme, Robotersteuerung, Spracherkennung und Expertensysteme ( Ratgeber-Programme, die ähnlich Experten auf eng begrenztem Gebiet aus Fakten Schlüsse ziehen) sind weitere, an Bedeutung gewinnende Themen der Praktischen. Einige Anwendungsbereiche mit sehr speziellen Anforderungen an die haben sich zu eigenständigen Gebieten der Angewandten entwickelt; in der Wirtschaftsinformatik, der Medizinischen und der Rechtsinformatik gibt es bereits ausgewiesene Fachleute und teilweise auch spezielle Studiengänge. Eine ähnliche Entwicklung deutet sich im Bereich der Medien an. Entsprechend der Vielfalt in den Anwendungen hat die Angewandte Schnittstellen und Überlappungen mit vielen anderen Forschungsgebieten, beispielsweise mit der Psychologie (Kognitionswissenschaften), der Pädagogik (Training und Erklärung) und den Sozial- und Wirtschaftswissenschaften (Arbeitsstrukturen, Organisationsfragen, Führungssysteme). In den letzten Jahren sind die Mittel der in sehr vielen Berufen zu selbstverständlichen Werkzeugen, ebenso zu Mitteln der Kommunikation, des Wissenszugangs und der Unterhaltung geworden. Die Benutzer der Systeme haben in aller Regel keine Ausbildung in, und auch die Entwicklung konkreter Anwendungen geht mehr und mehr in die Hände von Leuten über, deren Vorkenntnisse beschränkt sind. Um so wichtiger wird es damit, daß die robuste, sichere, komfortable und leistungsfähige Lösungen bereitstellt, derer sich möglichst viele Menschen mit vertretbarem Risiko bedienen können. Die Beziehungen zwischen den Teilgebieten der Abb. 1.9 zeigt einen Versuch, die vier vorgestellten Teilgebiete der in einer Schichtenarchitektur (zwölf Schichten im grau unterlegten Kasten im Zentrum der Abb. 1.9) anzuordnen und mit Grundlagenwissenschaften (unterhalb) und Anwendungsgebieten (oberhalb des Kastens) in Beziehung zu setzen.

3 Technische Theoretische Ausbildung Angewandte Praktische 48 Kapitel 1. Grundlagen Naturwissen schaften BWL VWL Sprachen Verwaltung Musik/ Kunst Psychologie Sport... Recht Sozialwiss. Theologie... Pädagogik Anwendungssysteme Entwicklungssysteme Sprachsysteme Systemsoftware Betriebssysteme Rechnerarchit./ Netze Kernsysteme Prozessoren, E/ A Funktionale Einheiten Schaltungen Bauelemente Physikalische Vorgänge Andere Ingenieurwissenschaften Philosophie Mathematik Physik Chemie Biologie Abb. 1.9 Schichtenarchitektur und Beziehungen der

4 1.4. als Wissenschaft 49 Die Schichtenarchitektur ist so zu lesen, daß jeweils die Produkte einer Schicht, also ihre Methoden, Verfahren und Ergebnisse, zur Lösung von Aufgaben der darüber liegenden Schicht genutzt werden können. Als Ingenieurwissenschaft zielt die primär auf die Anwendung ihrer Resultate auf allen Gebieten, also in der Wirtschaft, Technik, Verwaltung und Ausbildung, eventuell auch in der Kunst. Hier, in der obersten Ebene des Bildes, stehen Anwendungssysteme im Vordergrund. Durch den stark anwachsenden Rechnereinsatz auch auf Gebieten wie Psychologie, Recht, Sozialwissenschaften usw. ergeben sich viele Querbezüge, was die Entwicklung der zu einer interdisziplinären, zunehmend Grundlagencharakter erhaltenden Wissenschaft unterstreicht. Die auf der 2. Funktionsebene der Schichtenarchitektur angesiedelten Entwicklungssysteme sollen als weitgehend anwendungsneutrale Softwarewerkzeuge die Erstellung der gerade skizzierten Anwendungssysteme erlauben. Dabei stützt sich diese Ebene selbst aber auf Sprachsysteme (3. Funktionsebene) ab, die aus Werkzeugen wie Editoren, Übersetzer, Tester usw. bestehen, die sich der Werkzeuge auf der 4. Funktionsebene Systemsoftware bedienen usw. Am unteren Ende trifft man schließlich auf elektronische Bauelemente, die durch physikalische Vorgänge beschreibbar sind und z.b. auf Erkenntnissen der Grundlagenwissenschaft Physik basieren. In der Schichtenarchitektur lassen sich die vier Teilgebiete der wie in Abb. 1.9 dargestellt anordnen: die Technische umfaßt etwa den Bereich von elektronischen Bauelementen bis zu Fragestellungen der Rechnerarchitekturen, die Praktische setzt dort etwa an und betrachtet alle darüber liegenden Funktionsebenen mindestens einschließlich der Entwicklungssysteme, die Angewandte deckt ungefähr die obersten drei Ebenen mit dem Schwerpunkt Anwendungssysteme ab, während die Theoretische als Grundlage und Klammer der drei übrigen Gebiete die formalen Hilfsmittel bereitstellt und sich dabei auf Teile der Mathematik abstützt, aber auch Beziehungen zur Philosophie aufweist. Ein wichtiger Aspekt ist die Ausbildung in (z.b. im schulischen, beruflichen und universitären Bereich), die über Fragen der Didaktik mit Aspekten der Pädagogik in Berührung kommt (rechts neben dem Kasten in Abb. 1.9). Allgemein ist zu beachten, daß die Abb. 1.9 technische Systeme in den Vordergrund stellt, zu denen aber jeweils auch alle Aspekte der Methodik und Notation zu ergänzen sind. Insgesamt zeigt Abb. 1.9, daß die längst nicht mehr wie in den 50er und 60er Jahren eine Sammlung von Spezialgebieten anderer Wissenschaften, vor allem der Mathematik, Logik und Elektrotechnik ist, sondern sich zu einer zusammenhängenden, eigenständigen und theoretisch fundierten Disziplin entwickelt hat. Da sie

5 50 Kapitel 1. Grundlagen sich immer stärker in immer mehr Bereichen auswirkt, bekommt sie zunehmend den Charakter einer zentralen Grundlagenwissenschaft. Auswirkungen der in der Gesellschaft Der Einsatz von Computern beeinflußt die Arbeitswelt und den Freizeitbereich nachhaltig und betrifft damit die meisten Menschen direkt und sichtbar. Ähnlich wie vor zweihundert Jahren die Dampfmaschine wird auch der Computer als Instrument der Rationalisierung eingesetzt, woraus sich für die Betroffenen oft schwerwiegende soziale Folgen ergeben (Abbau oder Wandel von Arbeitsplätzen, Änderungen der beruflichen Anforderungen). Betrachten wir den Begriff und die Auswirkungen der Rationalisierung näher. Im Rahmen der versteht man unter Rationalisierung den Ersatz menschlicher Einwirkung und Kontrolle durch den Einsatz technischer, vor allem computergesteuerter Maschinen und die Übertragung geistiger Routinearbeit auf Datenverarbeitungsanlagen. Die Rationalisierung betrifft nicht alle Bereiche der Arbeitswelt in gleichem Maße. Tätigkeiten, die aus einfachen, ständig zu wiederholenden Handgriffen zusammengesetzt sind (z.b. Fließbandarbeit), sind oft besonders einfach durch Maschinen zu leisten. Arbeiten, die in hohem Maße künstlerische oder handwerkliche Fähigkeiten erfordern, Spezialwissen und Erfahrung voraussetzen oder von der menschlichen Person (Sprache, Auftreten) geprägt sind, können dagegen bisher kaum auf Maschinen übertragen werden. Allerdings sind auch handwerkliche Spezialisten nicht davor geschützt, durch eine von der ausgelöste Strukturkrise getroffen zu werden (wie die Uhrmacher, als die elektronischen Uhren aufkamen). Beispiele für Berufszweige, in denen in den letzten Jahren erhebliche Rationalisierungen stattgefunden haben, sind Fabrikation: Büro: Autos werden heute weitgehend automatisch gefertigt. Die Herstellung und Montage vieler Teile erledigen Handhabungsautomaten (Roboter), deren Bedienung und Wartung nur noch wenige (und andere) Arbeitskräfte benötigt. Schwere oder gesundheitsschädliche Tätigkeiten (z.b. Über-Kopf-Arbeit, Lackierungsarbeiten) werden bevorzugt auf Maschinen übertragen. Anstelle von Schreibmaschinen werden Textautomaten verwendet, die vorgefertigte Texte und Textbausteine gespeichert haben und eine höhere Schreibleistung erlauben (und damit natürlich auch von den Betroffenen verlangen). Post wird in Einzelfällen betriebsintern und nach außerhalb nur noch auf elektronischem Wege verschickt; trotzdem scheint das papierlose Büro keineswegs näherzurücken, denn die Möglichkeit, mit Hilfe der Textverarbeitung in kurzer Zeit

6 1.4. als Wissenschaft 51 sehr viel Text zu generieren (wenn auch nicht entsprechend viel Aussage), hat im Gegenteil zu einer steigenden Papierflut geführt. Druckgewerbe: Elektronische Satzverfahren machten den Beruf des Setzers entbehrlich. Redakteure oder Schreibkräfte tippen die Artikel direkt in den Satzrechner, der automatisch das Druckbild errechnet, schnelle Korrekturen erlaubt und viele Routinearbeiten (z.b. Durchschuß) übernimmt. Offensichtliche Nachteile, vor allem die oft amateurhafte Gestaltung und fehlende Kontrolle (Orthografie, Interpunktion, Trennungen), werden wegen der wesentlich niedrigeren Kosten und kürzeren Bearbeitungszeiten in Kauf genommen. Der Computereinsatz führt also teilweise zu einem Qualitätsverfall. Die Rationalisierung von Betrieben ist oft von starken Änderungen der Arbeitsbedingungen und der (Arbeits-) Organisation begleitet. Der Konkurrenzdruck läßt aber in vielen Fällen gar keine Wahl. Weniger offensichtlich, aber wohl kaum geringer sind die indirekten Auswirkungen der, beispielsweise durch schnellere Verfügbarkeit wichtiger Informationen für ganz bestimmte Personen oder Gruppen. Hier zeigen sich einerseits die beeindruckenden Möglichkeiten, die uns und anderen der Computer durch Speicherung und Verknüpfungsfähigkeit schafft, verbunden mit Zuverlässigkeit und Verarbeitungsgeschwindigkeit, andererseits die Gefahren, die sich aus der schnellen Verfügbarkeit personenbezogener Daten und der Konzentration von Informationen in Datenbanken ergeben. Diese Datenschutzproblematik läßt sich etwa durch die beiden Standpunkte skizzieren Wenn wir alle vorhandenen Informationen verfügbar machen, können wir den Terrorismus viel wirksamer bekämpfen gegen Ich will selbst bestimmen, wer meine Daten bekommt, denn wer Informationen über mich hat, kann sie mißbrauchen. Hier prallen Welten aufeinander, und der er kann als Fachmann nur Auskunft über die technischen Möglichkeiten der Maschine geben; als Mensch sollte er sich allerdings wie jeder andere auch darüber Rechenschaft ablegen, wie sich sein Handeln oder Stillhalten auf die Welt auswirkt.