علم الحاسوب

علم الحاسوب



تتضمن مهنة الحوسبة computing اختصاصات متنوعة، مثل علم الحاسوب وهندسته وهندسة البرمجيات ونظم المعلومات وتطبيقات مختصة بمجال معيّن ونظم الحاسوب. وعلم الحاسوب computer science هو بمنْزلة الجسد للمعرفة والممارسات التي ينتجها محترفو الحوسبة في عملهم.

نشأ علم الحاسوب في بدايات الأربعينيات من القرن العشرين لدى التقاء نظرية الخوارزميات والمنطق الرياضي واختراع الحواسيب الإلكترونية. من أمثلة ذلك، أعمال تورينغ وألونزو تشرتش في الثلاثينيات في مجال الخوارزميات وتحقيقها بآلات أو نظم قواعد، والحواسيب التماثلية التي بناها فانفار بوش في العشرينيات من القرن نفسه. وفي بداية الستينيات توافر حشد كاف من المعرفة لولادة أول الأقسام الأكاديمية التي تمنح شهادات تخرّج في مجال علم الحاسوب أو ما يسمى بالمعلوماتية. وتوصف هذه المعرفة عادةً بدراسة منتظمة للإجرائيات التي تصف المعلومات وتحولها من شكل إلى آخر: نظرياتها، تحليلها، تصميمها، فعاليتها، تنجيزها، تطبيقاتها.

نطاق علم الحاسوب

يعنى علم الحاسوب بنظم معالجة المعلومات وآلاتها. وقد اهتمت معظم الأعمال في هذا المجال، حتى منتصف الثمانينيات، بالحاسوب بصفته يعالج الأرقام والرموز والمعطيات. بيد أن الحاسوب الشخصي والإنترنت وسَّعا هذه الرؤية لتشمل التنسيق والاتصالات. فمعظم الحوسبة تهتم بالحاسوب الرقمي وبنى نظام الحاسوب وعملياته، والمبادئ التي يرتكز عليها تصميم نظام الحاسوب وبرمجته، والطرائق الناجعة لاستخدام الحاسوب لمعالجة المعلومات.

تسهم الحوسبة أيضاً في ميادين أخرى ببيان كيفية نمذجة عملياتها عن طريق معالجة المعلومات. فعلماء الأحياء اليوم يرون الحمض الريبي النووي المنقوص الأكسجين (الدنا DNA) ترميزاً لمعلومات ضرورية للوراثة في الكائن الحي؛ وهم يبحثون عن خوارزميات تبني سلسلة مورثات كاملة من أجزاء مبعثرة من المورثات في قواعد معطيات متعددة. وعلماء النفس والإدراك المعرفيّ، الذين تعاونوا لسنوات طويلة مع علماء الحاسوب على نماذج معرفية، قد انضم إليهم علماء الأعصاب الذين ينشِدون نمذجةَ النظم العصبية واستخدام النماذج الناتجة لتفسير السلوك المعرفيّ للكائنات الحية.

الاهتمامات القياسية لعلم الحاسوب

يؤدي الحاسوب الرقمي دوراً مركزياً في علم الحاسوب، ذلك أنه آلة حوسبة عمومية ذات ذاكرة تكفي لمحاكاة أي نظام معالجة معلومات، إن كان توصيفه بمجموعة تعليمات ممكناً. عندئذ يمكن تمثيل أي مهمة ببرنامج قابل للتخزين في ذاكرة الحاسوب. ومن ثَم، تستطيع آلة واحدة استكشاف ودراسة مجموعة ضخمة ومتنوعة من المفاهيم والمخططات والمحاكاة والتقنيات المساعدة على معالجة المعلومات.

إن الممارسين في هذا الميدان مطلوب منهم أن يكونوا ماهرين في أربعة نطاقات رئيسية، هي: التفكير الخوارزمي، والتمثيل، والبرمجة، والتصميم. التفكير الخوارزمي هو تفسير العالَم الذي يَفهمه الشخص ويصوغ الأفعال بإجراءات مؤلفة من خطوات تعطي نتائج لا لَبس فيها إن نفِّذت في آلة مناسبة. وأما التمثيل فيتناول طريقة تخزين المعطيات، بحيث توفر إجابات فعالة لمن يسأل عن أي منها. فمثلاً، يُنظَّم دليل الهاتف القياسي بطريقة تسمح بالحصول على إجابة سريعة عن السؤال: «ما هو رقم الهاتف المخصص للمشترِك P؟» وحين يخزن في قاعدة معطيات حاسوبية، تبحث الآلة تلقائياً في الجزء الأبجدي من اللائحة الحاوية الاسم P. هذا التنظيم ليس مناسباً لسؤال من النوع: «ما اسم المشترِك المخصص بالرقم N؟» لأن الدليل القياسي سوف يبحث فيه تسلسلياً، مدخلاً بعد مدخل، حتى يعثر على رقم الهاتف المنشود. يناسب السؤال الثاني هنا تنظيم المعطيات وفق دليل هاتف مقلوب، بحيث تُسرد أرقام الهواتف وفقاً لقيمها العددية وإلى جانب كل منها اسم المشترك المخصص بها. تتجاوز المهارة في تمثيل المعطيات معرفةَ كيفية تنظيم المعطيات للحصول على عملية استعادة المعلومات ومعالجتها معالجةً فعالة. فهي تتناول ابتداع طرائق لترميز الظواهر بما يسمح بمعالجتها خوارزمياً. من الأمثلة: ترميز التعابير الرياضية لتمييزها بعضها من بعض؛ تمثيل وثيقة بحيث يكون ما يرى منها على شاشة الحاسوب هو ما يُحصل عليه مطبوعاً؛ تمثيل الرموز البريدية المكتوبة باليد لتعرّفها آلياً، وللقدرة على فرزها وفق الخدمات البريدية المتاحة؛ تمثيل الكلام المرمّز كي يمكن للشخص التحدث إلى الحاسوب أو يمكن للحاسوب التحدث إلى الشخص.

تمكن البرمجة من ضم التفكير الخوارزمي والتمثيل في جسد واحد هو البرمجيات التي تجعل الآلة تؤدي العمل وفق وصفة محددة. وتتضمن هذه المهارة المعرفةَ العمليةَ للغات البرمجة المختلفة، وأدوات بناء البرامج التي تساعد على اختبارها واكتشاف أخطائها وتصميمها تصميماً اجتزائياً، ونظام التشغيل الذي يتحكم في عمل الحاسوب من الداخل.

الأقسام الفرعية الرئيسية لعلم الحاسوب

يمكن تقسيم الموضوعات ذات الصلة بالحوسبة إلى قسمين إجمالاً: التطبيقات (دراسة مهمات معالجة المعلومات وتمثيل المعطيات المرتبطة بها)، والنظم (البنى والآليات والمخططات اللازمة لمعالجة المعلومات). ويربط بينهما قسم آخر هو البرمجة، وتسمى البرمجة التطبيقية أو برمجة النظم. وإن أحد أهداف تعليم الحوسبة هو توضيح العلاقة بين التطبيقات الحاسوبية ونظم الحاسوب.

يمكن تقسيم التطبيقات الحاسوبية إلى فئتين: رقمية وغير رقمية؛ فالتطبيقات الرقمية هي التي تهيمن عليها النماذج الرياضية والمعطيات العددية، ويدعمها التحليل العددي وطرائق الاستمثال والمحاكاة ومكتبات البرامج الرياضية وعلم الحسابات العددية. وأما التطبيقات غير الرقمية فهي تلك التي تمثل فيها المشكلات والمعلومات برموز وقواعد ويدعمها الذكاء الصنعي ونظم تعدد الوسائط والوسائط الفائقة، ومعالِجات اللغات، وبيانيات الحاسوب، ونظم التعبير الرياضي، ونظم استرجاع المعلومات، ونظم إدارة قواعد المعطيات، والعمليات التركيبية combinatories.

تُقسم نظم الحاسوب إلى نظم برمجية ونظم عتادية، فالنظم البرمجية معنية بتمثيل البرامج والمعطيات على مستوى الآلة؛ وهي معنية بمخططات التحكم في تنفيذ البرامج، والمجمعات والمترجمات، ومعالِجات اللغات، وبرمجة البيئات الداعمة، ونظم التشغيل، والاتصالات الشبكية، وإدارة الشبكة. وأما النظم العتادية فهي معنية بتصميم المنطق، وتنظيم الآلات، والمعالِجات، والذاكرة، والتجهيزات في مختلف التقانات، مثل VLSI والرقاقات. ويُعنى بنيان الحاسوب وهندسة الحاسوب بكل من البرمجيات والعتاديات.

إن الصنفين المذكورين لا يحددان خطوط فصل واضحة. فمعظم مجالات التطبيقات معنية أيضاً بمشكلات النظام المرتبطة بها، مثل اللغات ونظم التشغيل والشبكات.

علاقة علم الحاسوب بالاختصاصات الأخرى

لعلم الحاسوب تقليدياً علاقة بالرياضيات أوثق من علاقته بالفيزياء أو الكيمياء أو علم الأحياء، ويعود ذلك إلى المنطق الرياضي ومبرهنة تورينغ وغودل؛ فقد أدى جبر المنطق لتصميم الدارات، والخوارزميات لحل المعادلات الرياضية، وصنوف أخرى من المسائل الرياضية، دوراً قوياً في بدايات تطور علم الحاسوب. وكذلك أثَّر علم الحاسوب بشدة في فروع عديدة من علم الرياضيات الذي أصبح معنياً بإثبات الخوارزميات بغية بناء أو تعرّف بنية رياضية أو تنفيذ وظيفة ما. وفي بعض الحالات كانت الحواسيب حساسة للرياضيات، فمثلاً اعتمد حل مبرهنة الألوان الأربعة على برنامج يبحث عن عدد كبير ومنتهٍ من الحالات المضادة، ولهذا يفضل بعض المراقبين تسمية الحوسبة بعلم رياضي.

إن الرابطة التي تجمع بين الهندسة وعلم الحاسوب أقوى بكثير من الرابطة الموجودة بين علوم طبيعية كثيرة وبين هندساتها، مثل: الهندسة الكيميائية والكيمياء، تصميم الطائرات وديناميك الموائع، الصيدلة وعلم الأحياء، هندسة المواد والفيزياء. وسبب ذلك أن علم الحاسوب تربطه علاقة وراثة قوية بهندسة الإلكترونيات، ولأن العديد من الخوارزميات والطرائق صممت في الأصل لحل مشكلات هندسية، مثل الدارات الإلكترونية، اتصالات المعطيات، البيانيات الهندسية، التصميم الهندسي، هندسة النظم وتصنيعها. فأصبح لا غنى عن الحاسوب في العديد من المجالات الهندسية، مثلاً في محاكيات الدارات، ومحاكيات تدفق الحقول، والبيانيات ونظم CAD/CAM، والأدوات المتحكم فيها حاسوبياً، ونظم التصنيع المرنة. ولهذه الأسباب كلها، يميل بعض المراقبين لتسمية الحوسبة علماً هندسياً.

تنشأ اليوم رابطة جديدة بين علوم الفيزياء وعلم الحاسوب. فقد توصل علماء الفيزياء والكيمياء والأحياء والجيولوجيا، وعلماء الزلازل وعلماء المحيطات وعلماء الأنواء إلى عدة مشكلات معقدة «عالية التحدي»، تتطلب حسابات غزيرة عالية السرعة تنفذ على أجيال جديدة من حواسيب غزيرة التوازي مزودة بأنواع جديدة من الخوارزميات. تتضمن هذه المشكلات: البنية البللورية، إلكتروديناميك الكَمّ، حساب الخصائص الكيميائية للمواد من معادلة شرودِنغر، حسابات مفاعل مونتِ كارلو، التبعثر الكهرطيسي، محاكاة طائرة في أثناء التحليق، استكشاف الفضاء، نمذجة المناخ الشمولية، استكشاف البترول، نمذجة الكون، التنبّؤ بالطقس، التنبّؤ بالزلازل، التدفق العنيف للموائع، سلاسل جينات الكائن البشري. ويقول اليوم العديد من قادة العلم: إن الحوسبة هي النموذج الثالث للعلم، الذي يربط النظرية بالتجربة. ولهذه الأسباب، يعرِّف بعض المراقبين الحوسبة بعلم الحساب العددي.

وتتفاعل الحوسبة بشدة مع العديد من الاختصاصات الأخرى، نسرد بعضها هنا:

ـ يهتم علم المكتبات بأرشفة النصوص وتنظيم عمليات الخزن والاسترجاع لتوفير النفاذ الفعال إلى النصوص. ومع بناء المكتبات الرقمية وربطها بالإنترنت، سوف تتبدل المكتبات التقليدية من أماكن لتخزين الكتب إلى مراكز معطيات إلكترونية، وسوف تمنح النفاذ إلى ما وراء المجتمعات المحلية القريبة منها. ويرتبط بالمكتبات عادةً مشكلة تهجير المعطيات من وسائط الخزن القديمة إلى وسائط حديثة متطورة.

ـ علم الإدارة معنيّ باستخدام نماذج حاسوبية لتخطيط الشروط الاقتصادية وتنبُّئها بالأعمال التجارية. وهو معنيّ أيضاً بتخزين التسجيلات الاقتصادية في قواعد معطيات، وبإصدار التقارير عن حالة الأعمال، وعن تفضيلات الزبون من تلك التسجيلات.

ـ يُعنى الاقتصاد باستخدام نماذج حاسوبية لتنبّؤ الشروط الاقتصادية وتقويم الآثار المحتملة للسياسات الاقتصادية العيانية macroeconomics.

ـ استخدم علم الطب وعلم الأحياء نماذج وخوارزميات حاسوبية لتشخيص الأمراض ومعالجتها. وترتكز طرائق معالجة الصور الحديثة، كصور الرنين المغنطيسي، والمسح التاجي، والطبقي المحوري tomography، كثيراً على علم الحاسوب. ويستخدم الباحثون الطبيّون نماذج حاسوبية لتساعدهم على تقصي تبدلات الفيروسات وتضييق مجال التجارب إلى الحالات التي تستطيع، على الأرجح، الإجابةَ على أسئلة العلم في هذا الشأن. استخدم مشروع الجينات البشرية قاعدة معطيات ضخمة وأنواعاً جديدة من خوارزمياتِ مطابقةِ السلاسل المحرفية، وذلك لتجميع عشرات الألوف من نتائج دراسات سلاسل الدنا.

ـ علم النفس وعلم السلوك وعلم الإدراك المعرفيّ كلها معنيّة بمسألة فهم التفكير الإنساني وعواطف الإنسان. وهي تستخدم نماذج حاسوبية لتحصل على رؤية واضحة لعمل الدماغ البشري ونظامه العصبي ولتصميم ابتكارات فعالة للمشكلات الإنسانية.

ـ تُعنى اللسانيات باستخدام الحاسوب لتعرّف الكلام وتركيبه، وللترجمة من لغة طبيعية إلى أخرى بوساطة الآلة، ولفهم دور اللغة في حياة الإنسان. وتُعنى برمجة اللسانيات باللغات الحاسوبية بدلاً من اللغات الطبيعية.

إن هذه اللائحة ليست نهائية، وإنّ عدد الارتباطات بين الحوسبة والاختصاصات الأخرى يتزايد سنوياً.

المناطق الفرعية في علم الحاسوب

يمكن تقسيم علم الحاسوب إلى عدة مناطق فرعية متسقة، لكل منها مسائلها النظرية والتجريبية والتصميمية واهتماماتها المشترَكة، وصناعات ومؤسسات تعليمية خاصة أنشِئت لها. هناك اليوم 12 منطقة فرعية، وبينها حدود وإجرائيات عائمة أحياناً، ويعود للتقدير الشخصي أحياناً توضّع بند معين في هذه المناطق الفرعية، وفيما يأتي ذكرها:

ـ الخوارزميات وبنى المعطيات

ـ لغات البرمجة

ـ بنيان الحاسوب

ـ نظم التشغيل والشبكات

ـ هندسة البرمجيات

ـ نظم قواعد المعطيات ونظم استرجاع المعلومات

ـ الذكاء الصنعي والربوتية

ـ بيانيات الحاسوب

ـ التفاعل بين الإنسان والحاسوب

ـ علم الحسابات العددية

ـ المعلوماتية التنظيمية

ـ المعلوماتية الحيوية

المستقبل

علم الحاسوب علم ناضج إلى حد كاف. وقد تمخض عن المناطق الفرعية المذكورة مجموعات مهنية لها هويتها ونشاطاتها، وبدأت بتكوين ثقافة ومجتمعات خاصة بها. وترى بعض هذه المجموعات أن تقانة المعلومات أصبحت شاملة أكثر من علم الحاسوب، وتميل إلى الانتماء إلى مهنة تقانة المعلومات IT بدلاً من اختصاص علم الحاسوب. وبعضها الآخر، مثل هندسة البرمجيات، يرى موضعه نظيراً لعلم الحاسوب ضمن مهنة تقانة المعلومات. وترى بعض المجموعات التي تنتمي إلى أسرة تقانة المعلومات أن هويتها تتألف من علم الحاسوب وتفرعاته وما يمت إليه بصلة؛ إذ تتألف هذه الأسرة من: الذكاء الصنعي، المعلوماتية الحيوية، علم الإدراك المعرفيّ ونظرية التعلم، علم الحسابات العددية، علم الحاسوب، هندسة المعلومات، نظم معلومات الإدارة (MIS)، الشبكات المتعددة الوسائط، تقويم الأداء الهندسي، هندسة قواعد المعطيات، علم المكتبات الرقمية، البيانيات، التفاعل بين الإنسان والحاسوب، علم المعلومات، نظم المعلومات، التعليم الحِرَفيّ وعلم التدريب، بنيان البرمجيات الحسابية، نظم هندسة البرمجيات، نظم الأمن والخصوصية، إدارة تصميم مواقع الوِب.

يمكن استنتاج بعض النقاط المهمة من هذه التطورات: (1) لمهنة تقانة المعلومات مدى واسع، يتضمن حقولاً فرعية من العلم والهندسة والأعمال، (2) يتشارك اللاعبون في قاعدة مشتركة من العلم والتقانة، ولكن لكل مجال ممارسة مهنية مختلفة، (3) يرى اللاعبون أنفسهم في حقل تقانة المعلومات وليس في اختصاص الحسابات، (4) توجد ضرورة إلى قيادة قوية من المجتمعات المحترفة لضم هؤلاء اللاعبين تحت راية تقانة معلومات واحدة.

أخيراً، إن المعلومات هي وعاء للمعرفة، وإن علم الحاسوب هو شامل لكل هذه الاختصاصات.

نزار الحافظ

تجولت.. بين.. كلماتكـ.. فكانت.. روضة.. من.. الرياض
الجمال.. في.. كل.. مكان.. والطيب.. يعم..الارجاء
سلمت.. الايادي.. التي.. سطرت.. هذا.. الابداع
دمتي.. بكل..خير