Bài thu hoạch môn học phương pháp nghiên cứu khoa học trong tin học

Tuy nhiên có sự khác biệt, Khoa học Máy tính có nên tảng cơ sở của nó là logic học, toán học, cả những phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đều đi theo những chuẩn mực của kh

ĐẠI HỌC MALARDALEN

Chương Trình Đào Tạo CNTT

BÀI THU HOẠCH MÔN HỌC

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

TRONG TIN HOC

Hoc vién: Tran Uyén Di

Mã số: 2321001454

TP HCM, 05/2010

Tóm Tắt

Các Phương Pháp Khoa Học Trong Khoa Học Máy Tính

Gordana DODIG-CRNKOVIC Khoa Khoa học máy tính, Đại học Malardalen

Vasteras, Thụy Điển Bài báo này phân tích những khía cạnh khoa học của KHMT Đầu tiên nó định nghĩa khoa học và phương pháp khoa học nói chung Bàn về mối quan hệ giữa

khoa học, nghiên cứu, phát triển và công nghệ

Các lý thuyết hiện có về khoa học (theo Poper, Carnap, Kuhn, Chalmers) có tính

chất như một lý tưởng Không nhiều ngành khoa học tiếp cận được với quan

niệm này Triết học về khoa học (Lý thuyết về khoa học) ngày nay không giúp được gì nhiều khi cố gắng phân tích ngành Khoa học Máy tính

Khoa học Máy tính là một lĩnh vực mới và đối tượng nghiên cứu (thế giới) của

nó là máy tính Máy tính là công cụ phát triển không ngừng, là sự hiện thực hóa ý tưởng để cố gắng biểu diễn cấu trúc tri thức và thông tin về thế giới, bao gồm

luôn chính bản thân máy tính Tuy nhiên có sự khác biệt, Khoa học Máy tính có nên tảng cơ sở của nó là logic học, toán học, cả những phương pháp nghiên cứu

lý thuyết và thực nghiệm đều đi theo những chuẩn mực của khoa học cổ điển

Mô phỏng và mô hình hóa máy tính như một phương pháp cụ thể cho ngành học,

sẽ phát triển hơn nữa trong tương lai, không chỉ áp dụng cho máy tính mà còn cho những ngành khoa học khác cũng như trong lĩnh vực thương mại và nghệ

thuật

iti

Mục Lục

Tóm Tắt

3 Khoa học, Nghiên cứu, Công nghệ 9 3.1 Khoa học của Aristotle với Công nghệ 9 3.2 Khoa học hiện đại với Công nghỆ -ccccccccseeereerrrrrrrrrtrrrrrrrrrreerrtie 9

4, Khoa học Máy tính là gì? « «c2 H97 1011191101139113 117112 rrkeresrkee 11

4.1 Các lĩnh vực con của KHMT 13 5 Phương pháp khoa học của KHMT 22cc2c2222CSCECtEttEtEEEEEEEEEEEEErrrrrrrrre 15

5.1 Mô hình hóa (mode€lÏÏniB) ccsscse x2 0191119139113 1e kerrerkerrkesee 15 5.2 KHMT lý thuyết (Theoretical Computer Science) -‹ .-ccc-s 17 5.3 KHMT thực nghiệm (Experimental Computer Science) - 19

biết hạn chế của tôi, trong quá trình chuyển ngữ vẫn còn một số thuật ngữ

chưa chuẩn xác

Cuối cùng tôi xin cảm on GS TSKH Hoàng Kiếm, người đã hướng dẫn chúng tôi

môn học này (và một số môn ở những năm đại học của tôi), và các bạn bè, đồng

nghiệp với những trao đổi thú vị và sự giúp đỡ chân thành

Bảng 1 - Các ngành khoa học, đối tượng và phương pháp -c 4

Bảng 2 - Các khác biệt tiêu chuẩn giữa khoa học với công nghệ 9

Hình 2 - Sơ đồ mô tả tính chất lặp của phương pháp giả thuyết suy luận

Hình 3 - Mối quan hệ giữa Khoa học, Nghiên cứu, Phát triển và Công nghệ 10

Hình 4 - KHMT trong cấu trúc của lĩnh vực Điện toán -ccccce 11

Mo Dau"

Khoa học Máy tính (KHMT) là một lĩnh vực mới nhưng có đóng góp to lớn vào xã hội loài người KHMT vẫn trên con đường phát triển, mang lại nhiều ứng dụng hiệu quả, đồng thời tiếp tục hoàn thiện các phương pháp luận khoa học của nó KHMT vẫn kế thừa những phương pháp luận từ các ngành khoa học kinh điển

hàng ngàn năm qua, mà nền tảng của nó là Logic học và Toán học Tuy nhiên, nó

có phải là ngành khoa học như bao ngành khoa học tự nhiên khác hay không? Là

khoa học thực nghiệm hay khoa học lý thuyết?

Theo Brooks (trong Allen Newell Award Lecture) nghi ngờ rằng thực tế các hiện tượng/đối tượng được nghiên cứu bởi các nhà khoa học máy tính là máy tính và

chương trình là những thứ do con người tạo ra, vì vậy chúng ta có thể kết luận

rằng KHMT không phải là một ngành khoa học tự nhiên theo nghĩa truyền thống của nó

Vậy thì chủ đề chính của KHMT không phải là máy tính, mà là thông tin và các quá trình xử lý thông tin Nhưng các mô hình máy tính thật nghèo nàn khi so

sánh với quá trình xử lý thông tin trong tự nhiên, chẳng hạn như hệ thần kinh,

quá trình di truyền

Vấn đề vẫn còn nhiều tranh cãi

Không rõ ràng như tên gọi, Khoa học Máy tính không mang tiêu chuẩn “khoa học” theo cách lý thuyết truyền thống về khoa học [3-6] định nghĩa cụm từ này

Khoa học Máy tính (KHMT) là một ngành học trẻ khởi đầu từ Toán học và Vật lý

học, tương tự như các ngành khoa học cổ điển khác, tất cả đều có nguồn gốc trong triết học của Hy Lạp cổ đại

Nổi lên trong giai đoạn hiện đại (máy tính điện tử kỹ thuật số đầu tiên được xây dựng vào thập niên 1940), KHMT đã lấy những ngành khoa học hiện có làm nên

tảng, tạo ra cơ sở cho mình từ nhiều môn học khác [11], [14], [16] Do đó nghiên

cứu KHMT đòi hỏi phải sử dụng ý tưởng từ nhiều lĩnh vực KHMT kết hợp cả lý

thuyết với thực nghiệm, trừu tượng (tổng quan) với thiết kế (chỉ tiết)

Sự phát triển mang tính lịch sử dẫn đến việc bùng nổ nhiều ngành khoa học trao đổi thông tin nhiều và nhiều hơn bởi vì không chỉ phương tiện truyền

thồng trở nên rất thuận tiện và hiệu quả, mà còn nhu cầu để nhìn nhận thế giới

* Phan nhap dé (Introduction)

dưới góc độ tổng thể ngày càng tăng, đó là cách giản thể hóa thế giới đang thống

trị mạnh mẽ hiện nay

1.Khoa học là gì

“Tổng thể sự vật nhiều hơn tổng các phần của nó”

Aristotle, Siéu hinh hoc (Metaphysica) Nói về “khoa học” chúng ta thường có nhiều định nghĩa về các ngành khoa học khác nhau Và giữa các ngành khoa học này lại khác biệt nhau rất nhiều Định nghĩa về khoa học không đơn giản và do đó cũng không rõ ràng Xem thêm một

số phân loại có thể trong [1] và [2] Ví dụ, lịch sử và ngôn ngữ học thường là khoa học nhưng không phải lúc nào cũng được xếp loại như là các ngành khoa học

1.1 Cac ngành khoa học kinh điển (Classical Sciences)

The Humanities (Philosophy, History, Linguistics .)

4

Culture (Religion, Art, .)

5

Hình 1 — Khoa học là gì?

Hình trên cho thấy rằng khoa học có các lĩnh vực phân biệt rõ ràng Logic và toán

học (trừu tượng nhất và đồng thời là khoa học chính xác nhất) là phần quan trọng nhiều hoặc ít hơn so với các ngành khoa học khác Nó rất cần thiết cho vật

3

lý, ít quan trọng hơn đối với hóa học và sinh học Và ý nghĩa của nó tiếp tục giảm

so với các lĩnh vực khác ngoài lược đồ trên

Dĩ nhiên cho đến ngày nay, cách lý luận logic vẫn là nền tảng cho tất cả tri thức

nhân loại trong mọi lĩnh vực khoa học cũng như triết học

Cấu trúc của Hình 1 cho ta thấy sự tương tự như khi nhìn vào một kính hiển vi

Với độ phân giải cao nhất chúng ta có thể nhìn thấu vào khu vực gần trung tâm

nhất Bên trong khu vực trung tâm logic học không chỉ là công cụ đưa ra quyết

định, đôi lúc nó còn là đối tượng để nghiên cứu Mặc dù phần lớn các bộ phận

của toán học có thể giảm gọn lại thành logic học (theo Freg, Rusell và Whitehead), nhưng việc rút gọn hoàn toàn thành logic học là điều không thể

Trong từng bước thu nhỏ lại, các lĩnh vực bên trong được xem như là điều kiện

tiên quyết cho các lĩnh vực bên ngoài Vật ly sử dụng toán học và logic học như

là các công cụ mà không cần phải biết rõ về cấu trúc bên trong toán học hay logic Nghĩa là các thông tin về cấu trúc sâu bên trong toán học và logic được che

giấu khi nhìn từ bên ngoài Tương tự như vậy, vật lý là điều kiện tiên quyết (cần

thiết) cho hóa học và tới lượt hóa học được che giẫu bên trong lĩnh vực sinh học

Ý tưởng cơ bản trên Hình 1 là trình bày một cách giản lược mối liên hệ giữa ba

nhóm ngành khoa hoc (Logic & Toan hoc, Khoa học Tự nhiên và Khoa học Xã

hội) cũng như kết nối với các hệ thống tư tưởng của nhân loại

Cuối cùng toàn bộ hệ thống lý luận, khoa học và tri thức của nhân loại được nhúng vào trong môi trường văn hóa

Bảng 1 - Các ngành khoa học, đối tượng và phương pháp

PHƯƠNG PHÁP THÔNG

TRỊ Đơn giản Giản hóa luận (phân tích)

Logic & Toán Các đối tượng trừu tượng: Suy luận (Deduction)

học mệnh để, số

nhiên các cấu trúc vật lý,trường luận (Hypothetico-deductive

sống

KhoahọcXãhội Các đối tượng xã hội: cá Phương pháp giả thuyết-suy

nhân con người, nhóm, xã luận (Hypothetico-deductive

hội method) + chú thích, giải

thích (Hermeneutics)

Nhân văn Các đối tượng văn hóa: ý Chú thích, giải thích

động và mối quan hệ, ngôn

ngữ, những tạo tác của nhân loại

ngành khoa học kinh điển

Nhiều ngành khoa học hiện đại là các liên ngành, hay thuộc loại “chiết trung”

Đó là một xu hướng cho các ngành khoa học mới để tìm kiếm các phương pháp nghiên cứu của riêng nó và thậm chí các vẫn đề trong những lĩnh vực rộng lớn

Ngày nay, nó có thể được xem như là một kết quả của viỆc giao tiẾp xuyên qua

biên giới các lĩnh vực khoa học khác nhau dễ dàng hơn và mạnh mẽ hơn trước KHMT là ví dụ bao gồm lĩnh vực Trí tuệ nhân tạo có nguồn gốc từ logic toán học

và toán học nhưng dùng vật lý, hóa học và sinh học và thậm chí có những phần

mà Ở đó y học và tâm lý học rất quan trọng

Ở đây chúng ta có thể tìm thấy một tiềm năng của thế giới quan tổng thể mới trỗi dậy trong tương lai

2.Phương pháp khoa học

Phương pháp khoa học là hệ thống các nguyên tắc logic được các nhà khoa học

sử dụng để tìm kiếm các câu trả lời cho những thắc mắc, câu hỏi được đặt ra trong khoa học Phương pháp khoa học được dùng để sản sinh ra những lý thuyết khoa học, bao gồm cả các siêu lý thuyết khoa học - meta-theories (lý thuyết về các lý thuyết), cũng như các lý thuyết được dùng để thiết kế ra các

công cụ để sản sinh các lý thuyết (các dụng cụ, phương tiện, các thuật toán )

Đơn giản trông giống hình sau (Hình 2)

định nghĩa lại hoàn toàn

lý thuyết mới

2 Xây dựng một giả thuyết như là câu trả lời dự kiến

3 Suy ra các hệ quả và đưa ra các dự đoán

4 Kiểm tra giả thuyết trong một lĩnh vực lý thuyết/ thực nghiệm cụ thể Giả thuyết mới phải chứng minh để phù hợp với thế giới quan hiện có (1,

“khoa học chuẩn định ” normal science, theo Kunt) Trong trường hợp giả thuyết dẫn đến sự mâu thuẩn và yêu cầu cần thay đổi căn bản trên nền

tẳng lý thuyết hiện có, nó phải được kiểm tra, thử nghiệm hết sức cẩn trọng Giả thuyết mới đã được chứng minh hiệu quả và cung cấp ưu điểm

to lớn, để thay thế mô hình khoa học hiện tại Điều này được gọi là “cuộc

cách mạng khoa học” (theo Kuhn) và nó rất hiếm khi xảy ra Theo quy

định, vòng lặp 2-3-4 được lặp lại với việc hiệu chỉnh giả thuyết cho đến

khi đạt được kết quả hài lòng, dẫn đến bước 5 Nếu tìm thấy sự không

nhất quán thì quá trình phải bắt đầu lại từ bước 1

5 Khi đạt được sự nhất quán thì giả thuyết trở thành lý thuyết và nó cung

cấp một tập hợp các mệnh đề mạch lạc để định nghĩa một lớp hiện tượng mới hay một khái niệm lý thuyết mới Kết quả phải được công bố

Lý thuyết ở giai đoạn này là đối tượng của quá trình “chọn lọc tự nhiên” giữa các lý thuyết đang cạnh tranh (6) Sau đó một lý thuyết sẽ trở thành khuôn mẫu để giải thích các sự kiện lý thuyết hay các quan sát và đưa ra

các dự đoán Quá trình lại khởi đầu từ sự bắt đầu ở bước 1, được thay đổi

để bao gồm luôn lý thuyết mới hay cải tiến lý thuyết cũ

Hình 2 mô tả rất tổng quát cấu trúc logic của phương pháp khoa học được sử dụng để phát triển lý thuyết mới Theo như lưu đồ này cho thấy, khoa học luôn

trong một trạng thái thay đổi và phát triển thường xuyên

Một trong những tính chất quan trọng nhất của khoa học là tính “tạm thời” của nó; nó bắt buộc phải liên tục kiểm tra lại (re-examination) và tự hiệu chỉnh

(self-correction)

Điều quan trọng để hiểu rằng logic của khoa học là sự đệ quy (recursive)

Trước khi mỗi quan sát/ thử nghiệm/ kiểm tra về mặt lý thuyết, có một giả thuyết (2) mà giả thuyết này bắt nguồn từ bản thân tri thức hiện đang có (1) Tất cả các kết quả quan sát/ thử nghiệm đều có một thế giới quan nào đó bên trong nó Hay, nói theo Feyerabend, tất cả các dữ liệu thử nghiệm là “lý thuyết-

bịô nhiém” (theory-contaminated)

Vấn đề cũng khá thú vị ở đây là việc thiết kế các thủ tục hay công cu thực

nghiệm phù hợp với lược đồ (Hình 2):

(1) Bắt đầu từ khuôn mẫu thực nghiệm/lý thuyết hiện có; (2) Xây dựng giả

thiết, vấn đề; (3) Phỏng đoán kết quả; (4) Kiểm tra nếu kết quả như mong

muốn; (5-6) Chấp nhận

Không có nghỉ ngờ nào về sơ đồ phương pháp khoa học trong hình 2, nó đã được

làm cho đơn giản và trừu tượng Những người chỉ trích về phương pháp giả

thuyết-suy luận (hypothetico-deductive method) cho rằng trong thực tế không

có cái gọi là “phương pháp khoa học” Bởi vì thuật ngữ “phương pháp khoa học” thực sực có nghĩa là tập hợp các quy tắc cụ thể để xác định làm thế nào đặt ra

các vấn đề mới thích hợp và trình bày các giả thuyết thành công Thật ra, không thể tồn tại một công thức kỳ diệu như vậy

Lợi thế quan trọng của phương pháp khoa học là tính vô tư (không thiên vị),

chúng ta không cần phải tin vào một nhà nghiên cứu nào đó, về nguyên tắc

chúng ta có thể lặp lại các thử nghiệm và xác định kết quả chắc chắn có đúng hay không Vấn đề không thiên vị của khoa học có liên quan chặt chẽ đến tính

mở và tính phổ quát của khoa học, đó là phẩm chất nền tảng của khoa học Một

lý thuyết được chấp nhận trước tiên dựa trên kết quả thu được thông qua quá trình suy luận logic, quan sát thực tế và/ hay thực nghiệm Các kết quả đạt được

bằng phương pháp khoa học phải được tái sản xuất (reproducible) Nếu như những công bố khoa học ban đầu không được xác minh kiểm tra, thì các nguyên

nhân của sự khác biệt phải được nghiên cứu thấu đáo triệt để

Tất cả các chân lý khoa học là tạm thời Nhưng một giả thuyết để được coi là lý thuyết cần thiết phải giành được sự tin cậy của cộng đồng khoa học Trong một

số lĩnh vực không có các lý thuyết được chấp nhận rỗng rãi (chẳng hạn như các giải thích về quá trình hình thành của vũ trụ - trong đó thuyết “big bang” là một

ví dụ phổ biến) số lượng các lý thuyết thay thế khác (ngoài thuyết big bang, còn

các lý thuyết khác giải thích về sự hình thành vũ trụ) có thể tạo thành bộ phận của tri thức khoa học

3.Khoa học, Nghiên cứu, Công nghệ

Trong một nhận xét nổi tiếng của mình về khoa học và công nghệ, Aristotle đã xác định một số điểm khác biệt quan trọng vẫn được trích dẫn thường xuyên và thậm chí còn dùng để phân tích khoa học hiện đại và công nghệ

Theo Aristotle, có sự khác biệt quan trọng giữa khoa học (episteme) và công

nghệ (techne) trong các đối tượng nghiên cứu, các nguyên tắc thay đổi, sự kết thúc, các mục tiêu và hoạt động của nó Gần đây các điểm khác biệt này có thêm các phương pháp, hình thức sáng tạo, loại kết quả, và tiến độ thời gian

3.1 Khoa học của Aristotle với Công nghệ

Bằng 2 - Các khác biệt tiêu chuẩn giữa khoa học với công nghệ

Khoa học Công nghệ

động

Kết thúc (trở thành) Hiểu biết chung Hiểu biết cụ thể

Hoạt động Theoria: kếtthúctựnó Poiesis: kết thúc bằng:

Các phân biệt truyền thống mang tính nhị nguyên rạch ròi giữa khoa học và

công nghệ có vẻ như thất bại khi mang áp dụng vào khoa học hiện đại, bởi vì các khái niệm cơ bản của khoa học đã lỗi thời Khoa học ngày nay phức tạp và không đồng nhất hơn nhiều so với khoa học thời của Aristotle (các quan hệ

được mô tả trong Hình 3), thực tế là các lý thuyết hiện đại về khoa học phải được xem xét tính đến

Đó là lý do tại sao triết học về khoa học là cần thiết để hiểu biết sâu sắc hơn,

thực tế hơn về khoa học hiện đại Thời gian đã chín muồi cho sự thay đổi về mô

hình trong triết học của khoa học

Hình 3 - Mối quan hệ giữa Khoa học, Nghiên cứu, Phát triển và Công nghệ

10

DOW EN LUT) Wall be PUREST 2

TBe overvie decent 2 ccunne #2

ttuu/nttttụ!: đÉ03keY tad dezrbes the

„IV JUDNjnắtY Gì tUXÝHUÚ0 tũe specuh:

TRE /tnCuT( ÀN:ô p4 ue ein

LD BUY CHIT, GOR? URIS BAPE RPT PURIAT COIR STR LIT bet wn awuly be meupousied 0n: tứ

A sepuse commutes dex deen CORR strachae

avihithed i prepur the eine The Joint Task Force

an Computer Lnginewmgs on Computing Cumioule

IEEE Computer Society Association for Computing Machinery)

1C

Computing Curricula 2001 | | Computing Curricula 2001 | | Computing Curricula 2001 | | Computing Curricula 2001

Computer Science Computer Engineering Software Engineering Information Systems

The Joint Task Force The Joint Task Force The Joint Task Force on

on Computing Curricula on Computing Curriculs Software Engineering Education

Project ion for Computing Machinery IEEE Computer Society IEEE Computer Society (SWEEP) IEEE Computer Society Association for Computing Machinery] |Associetion for Computing Machinery Association for Information Systems

Note; This Giigram represents ow vison of the eventual struetwe of the OF2001 report No oficial coganizational endorsements Rave wet deez ctained

Hình 4 - KHMT trong cấu trúc của lĩnh vực Điện toán

Như vậy lĩnh vực Điện toán bao gồm các ngành KHMT, Kỹ thuật Máy tính, Kỹ thuật Phần mềm và Hệ thống Thông tin Dưới đây là một số định nghĩa

1

Lĩnh vực Điện toán là nguyên cứu có hệ thống các quy trình thuật toán để

mô tả và biến đổi thông tin: lý thuyết, phân tích, thiết kế, hiệu quả, triển

khai và ứng dụng [13]

KHMT là nghiên cứu các hiện tượng liên quan đến máy tính, Newell, Perlis

và Simon, 1967

KHMT la nghién cttu vé cau tric thong tin, Wegner, 1968, Curriculum 68

KHMT 1a nghién cttu va quan ly d6 phic tap, Dijkstra, 1969 [8]

KHMT là cơ giới hóa sựtrừu tuong, Aho va Ullman 1992 [9, 13]

KHMT là một lĩnh vực nghiên cứu có liên quan đến các môn lý thuyết và ứng dụng trong việc phát triển và sử dụng máy tính để lưu trữ và xử lý

thông tin, toán học, logic, khoa học, và nhiều lĩnh vực khác [11]

11