Phương pháp nghiên cứu khoa học - Tài liệu tham khảo | Đại học Hoa Sen

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Chương Trình Đào Tạo CNTT BÀ I BÀ O CÀ O MO N HO C
PHƯƠNG PHÀ P NGHIÊ N CƯ U KHOÀ HO C TRONG TIN HO C Học viên: Trần Văn ABC Mã số: 1234567890 TP. HCM, 05/2010 Tóm T T ắt*
Các Phương Pháp Khoa Học
Trong Khoa Học Máy Tính Gordana DODIG-CRNKOVIC
Khoa Khoa học m áy 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 l ý 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 kh ông giúp đư ợc 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 nền 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 c hỉ áp dụng cho máy tính mà còn cho những ngành khoa
học khác cũ ng như trong lĩnh vực thương mại và nghệ thuật.
* Phần trích yếu (abstract) ii Mục c Lục*
Tóm Tắt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .ii
Mục Lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Lời Cám Ơn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
Danh Mục Bảng & Hình Ản
h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Mở Đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. Khoa học là gì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1. Các ngành khoa học kinh điển (Classical Sciences) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Các ngành khoa học thuộc về nhiều lĩnh vực khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Phương pháp khoa học. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4. Khoa học Máy tính là gì? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.1. Các lĩnh vực con của KHMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5. Phương pháp khoa học của KHMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.1. Mô hình hóa (modeling) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2. KHMT lý thuyết (Theoretical Computer Science) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.3. KHMT thực nghiệm (Experimental Computer Science) . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5.4. Mô phỏng máy tính . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Kết luận về các phương pháp khoa học của KHMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Phụ Lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
* Mục lục tự động (Table of Contents) iii Lời Cá C m á Ơn Ơ
Trong quá trình tìm tài liệu cho môn học Phương pháp nghiên cứu khoa học trong
tin học, tôi tiếp cận với hai bài báo khoa học Scienti ic Methods in Computer
Science của Gordana D.C thuộc khoa Khoa học máy tính, Đại học Malardalen, Thụy
Điển. Và Should Computer Scientists Experiment More? của Walter F. Tichy, Đại
học Karlsruhe, Đức. Trong khuôn khổ bài thu hoạch môn học này, tôi xin được phép
trình bày lại bài báo khoa học của Gordan với sự hiểu biết hạn chế của tôi, trong
quá trình chuyển ngữ vẫn còn một số thuật ngữ chưa chuẩn xác.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn thầy XYZ, 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. iv Da D n a h h Mục c Bả B ng n & & Hì H nh h Ảnh n
Bảng 1 - Các ngành khoa học, đối tượng và phương pháp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Bảng 2 - Các khác biệt tiêu chuẩn giữa khoa học với công nghệ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Hình 1 - Khoa học là gì? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Hình 2 - Sơ đồ mô tả tính chất lặp của phương pháp giả thuyết-suy luận
(hypothetico-deductive method) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
Hình 5 - Mô hình hóa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Hình 6 - Quan niệm 3 chiều trong thuật toán Heapsort [21] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Hình 7 - Khoa học tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Hình 8 - Mô phỏng so sánh các biến thể mô hình vật chất đen lạnh N-body trong
vật lý thiên thể . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 v Mở Đầ Đ u ầ *
Khoa học Máy tính (KHMT) là một lĩnh vực mới nhưng có đóng góp to lớn vào xã
hội loài ngườ i. 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 cụ m 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 đ oạn hiện đại (máy t ính điện tử kỹ thuật số đầu tiên được xây
dựng vào thập niên 1940), KHMT đã lấy những ngành khoa học hiện có làm nền
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 (chi 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 dưới góc độ
* Phần nhập đề (Introduction) 1
tổng thể ngày càng tăng, đó là cách giản thể hóa thế giới đang thống trị mạnh mẽ hiện nay. 2 1. 1 Kh K o h a a học c là à gì g
“Tổng thể sự vật nhiều hơn tổng các phần của nó”
Aristotle, Siêu hình học (Metaphysica)
Nói về “khoa học” chúng ta thườ ng 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. X em 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 1 . . 1 Cá C c á c ng n à g n à h h kh k oa oa học ọc kinh n đi đ ển (C ( l C ass s i s cal a Sc S ien e c n es e ) s
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 lý, ít 3
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 đ ến 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, đô i
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 Whit ehead), 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 v ực bên ngoài. Vật lý 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 giấu 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 học (Logic & Toán học, Khoa học Tự nhiên và Khoa học Xã hội)
cũng như kết nối với các hệ t ố
h ng 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 KHOA HỌC ĐỐI TƯỢNG
PHƯƠNG PHÁP THỐNG TRỊ Đơn giản
Giản hóa luận (phân tích)
Logic & Toán học Các đối tượng trừu tượng: Suy luận (Deduction) mệnh đề, số… Khoa học Tự
Các đối tượng tự nhiên: các Phương pháp giả thuyết-suy nhiên
cấu trúc vật lý, trường & luận (Hypothetico-deductive
tương tác, các cơ thể sống… method) Khoa học Xã hội
Các đối tượ ng xã hội: cá Phương pháp giả thuyết-suy
nhân con người, nhóm, xã luận (Hypothetico-deductive hội… method) + chú thích, giải thích (Hermeneutics) 4 Nhân văn
Các đối tượng văn hóa: ý Chú thích, giải thích
tưởng của con người, hành (Hermeneutics)
động và mối quan hệ, ngôn
ngữ, những tạo tác của nhân loại… Phức tạp
Chính thể luận, tổng hợp (Synthesis) 1. 1 2 . . 2 Cá C c á c ng n à g n à h h kh k oa oa học c th t uộc ộ c về nh n i h ều u lĩnh n h vự v c c khá h c á nh n a h u u
Sự phát triển của tư tưởng con người song song với sự phát triển của xã hội loài
người đã dẫn đến sự xuất hiện các ngành khoa học mới không thuộc vào bất kỳ một
trong những ngành kinh điển trên, mà nó là các phần chung chia sẻ giữa các ngành khoa học kinh điển .
Nhiều ngành khoa học hiện đại là các liên ngành, hay thuộc loại “chiết trung”. Đó là
một xu hướ ng cho các ngành khoa học mới để tìm kiếm các phương pháp nghiên
cứu của riêng nó và thậm chí các vấn 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. 5