علم الحاسوب

علم الحاسوب
تتعامل علوم الحاسوب مع النظريات الأساسية للمعلومات والحساب، والتقنيات العملية لتنفيذها وتطبيقها.
علم الحاسوب أو علوم الكمبيوتر هو دراسة العمليات التي تتفاعل مع البيانات والتي يمكن تمثيلها كبيانات في شكل برامج. يتيح استخدام الخوارزميات لمعالجة المعلومات الرقمية وتخزينها وإبلاغها. يدرس عالم الحاسوب نظرية الحوسبة وممارسة تصميم أنظمة البرمجيات.
يمكن تقسيم مجالاتها إلى التخصصات النظرية والعملية. نظرية التعقيد الحسابي هي مجردة للغاية، في حين أن رسومات الحاسوب تؤكد على التطبيقات الواقعية. تنظر نظرية لغة البرمجة في مناهج وصف العمليات الحسابية، بينما تتضمن برمجة الحاسوب نفسها استخدام لغات البرمجة والأنظمة المعقدة. يعتبر التفاعل بين الإنسان والحاسوب من أبرز التحديات في جعل أجهزة الحاسوب مفيدة وقابلة للاستخدام ويمكن الوصول إليها.
ويتم تعريف علم الحاسوب بشكل دقيق على أنه علم يختص بالقدرة على تطبيق المعرفة الناتجة من الحاسوب والرياضيات على جميع فروع المعرفة، والقدرة على تحليل أي مشكلة وتحديد المتطلبات لها باستخدام الحاسوب لوضع الحل المناسب، والقدرة على تصميم وتنفيذ وتقييم النظام القائم على الحاسوب والعمليات والبرنامج لتلبية الاحتياجات المطلوبة، ويسهل القدرة على العمل بفعالية في فرق ومجموعات لتحقيق هدف مشترك.
نبذة تاريخية
قبل العشرينات من القرن العشرين، كان مصطلح حاسوب يشير إلى أي أداة بشرية تقوم بعملية الحسابات. ما هي القضايا أو الأشياء التي يمكن لآلة أن تحسبها باتباع قائمة من التعليمات مع ورقة وقلم، دون تحديد للزمن اللازم ودون أي مهارات أو بصيرة (ذكاء)؟ وكان أحد دوافع هذه الدراسات هو تطوير آلات حاسبة حاسوب يمكنها إتمام الأعمال الروتينية المُعرّضة للخطأ البشري عند إجراء حسابات بشرية.
خلال الأربعينات ومع تطوير آلات حاسبة أكثر قوة وقدرة حسابية تتطور مصطلح حاسوب ليُشير إلى الآلات بدلا من الأشخاص الذين يقومون بالحسابات. وأصبح من الواضح أن الحواسيب يمكنها أن تقوم بأكثر من مجرد عمليات حسابية وبالتالي تم الانتقال إلى دراسة الحوسبة بشكل عام. بدأت المعلوماتية وعلوم الحاسب تأخذ استقلالها كفرع أكاديمي مستقل في الستينييات، مع إيجاد أوائل أقسام علوم الحاسب في الجامعات وبدأت الجامعات تمنح إجازات في هذه العلوم.
يعود تاريخ أقرب تعريف لعلوم الحاسوب إلى ما قبل أول آلة حاسوب رقمي، لحساب المهام العددية الثابتة مثل المعداد الذي كان موجود منذ العصور القديمة للمساعدة في العمليات الحسابية مثل الضرب والقسمة وبعد ذلك وجدت الخوارزميات لأداء العمليات الحسابية في العصور القديمة وحتى قبل تطوير المعدات الحاسوبية المعقدة، في اللغة السنسكريتية القديمة مخطوطة تسمى "Shulba Sutras" أو قواعد الوتر "Rules of the Chord" وهو كتاب في الخوارزميات مكتوب في سنة 800 قبل الميلاد لبناء الأجسام الهندسية مثل المذابح باستخدام الأوتاد والأوتار وتعتبر بدايات (أسلاف) مجال هندسة الرياضية الحسابية الحديثة.
بليز باسكال صمم وشيد أول آلة حاسبة ميكانيكية العمل، والتي يطلق عليها آلة باسكال الحاسبة سنة (1642).
ثم كشف غوتفريد لايبنتس آلة حاسبة ميكانيكية الرقمية تسمى حاسوب متدرج (الحاسوب التدريجي) في سنة (1673)، ويمكن أن يقال أنه يعتبر أول عالم حاسوب، واضع النظريات للمعلومات، ومن بين أسباب أخرى لهذا الترشيح، توثيقه لنظم الأرقام الثنائية.
في عام 1820، أطلق تشارلز توماس «Charles Xavier Thomas أو Thomas de Colmar» صناعة آلة حاسبة ميكانيكية، عندما صدر له جهاز مبسط يسمى أريثموميتر وكان أول آلة حاسبة قوية بما فيه الكفاية وموثوق بها بما يكفي للاستخدام اليومي في بيئة مكتبية.
تشارلز بابيج بدأ تصميم أول آلة حاسبة ميكانيكية أوتوماتيكية تسمى محرك الفرق في عام 1822، والذي أعطى في نهاية المطاف له فكرة عمل أول آلة حاسبة ميكانيكية للبرمجة وتسمى المحرك التحليلي. بدأ تطوير هذا الجهاز في عام 1834 وفي أقل من عامين كان قد رسم العديد من السمات البارزة للحاسوب الحديث. كان اعتماد نظام البطاقة المثقبة المشتقة من منسج جاكارد هي خطوة حاسمة، مما يجعلها ذات برمجة بلا حدود.
في عام 1843، أثناء ترجمة مقال فرنسية عن المحرك التحليلي، كتبت آدا لوفلايس في واحدة من العديد من الملاحظات أنها شملت، خوارزمية لحساب أعداد برنولي، والذي يعتبر أول برنامج حاسوب.
في حوالي سنة 1885، اخترع هيرمان هولليريث آلة التبويب للاستخدام في تلخيص المعلومات وكانت تستخدم بطاقة مثقبة لمعالجة المعلومات الإحصائية في نهاية المطاف أصبحت هذه الشركة جزء من آي بي إم اليوم.
في عام 1937، وبعد مئة سنة من حلم باباج المستحيل أقنع هوارد أيكن شركة آي بي إم بتطوير آلته الحاسبة العملاقة للبرمجة، في ذلك الوقت كانت آي بي إم تصنع كل أنواع معدات البطاقات المثقبة وكانت أيضا تقوم بأعمال الآلات الحاسبة. وتم إطلاق اسم هارفارد مارك واحد عليها وكانت بناء على المحرك التحليلي الخاص بتشارلز بابيج، وكانت تستخدم الكروت المثقوبة ووحدة الحوسبة المركزية، وعندما تمت الآلة النهائية أشاد البعض بأن «حلم باباج تحقق».
خلال الأربعينيات من القرن الماضي ومع تطور آلات حاسوب أقوى، وبدى واضحا أن الحاسوب يمكن أن يستخدم في أكثر من الحسابات الرياضية فقط، مجال علوم الحاسب توسع ليشمل الحوسبة بشكل عام، تم وضع إنشاء علوم الحاسب كعلم أكاديمي مستقل في الخمسينيات وأوائل الستينيات من القرن الماضي.
فروع
كعلم، يمتد علوم الحاسوب إلى مجموعة من الموضوعات من الدراسات النظرية للخوارزميات وحدود الحساب إلى المسائل العملية لتنفيذ أنظمة الحوسبة في الأجهزة والبرامج. تحدد CSAB، التي كانت تُسمى سابقًا مجلس اعتماد علوم الحوسبة -والذي يتكون من ممثلين عن جمعية آلات الحوسبة (ACM)، وجمعية IEEE للكمبيوتر (IEEE CS)- أربعة مجالات تعتبرها حاسمة في مجال علوم الحاسوب: نظرية الحوسبة والخوارزميات وهياكل البيانات ومنهجية البرمجة واللغات وعناصر الحاسوب وبنى البيانات. بالإضافة إلى هذه المجالات الأربعة، يحدد CSAB أيضًا مجالات مثل هندسة البرمجيات والذكاء الاصطناعي وشبكات الحاسوب والاتصالات وأنظمة قواعد البيانات والحساب المتوازي والحساب الموزع والتفاعل بين الإنسان والحاسوب ورسوميات الحاسوب وأنظمة التشغيل والحساب الرقمي والرمزي مثل كونها مجالات مهمة في علوم الحاسوب.
علوم الحاسوب النظرية
علوم الحاسوب النظرية هي رياضيات وتجريدية في الروح، ولكنها تستمد دوافعها من الحساب العملي واليومي. الهدف منه هو فهم طبيعة الحساب، ونتيجة لهذا الفهم، توفير منهجيات أكثر كفاءة. يمكن اعتبار جميع الدراسات المتعلقة بالمفاهيم والطرق الرياضية والمنطقية والرسمية بمثابة علوم الحاسوب النظرية، شريطة أن يكون الدافع مستمدًا بوضوح من مجال الحوسبة.
هياكل البيانات والخوارزميات
هياكل البيانات والخوارزميات هي دراسة الطرق الحسابية الشائعة الاستخدام وكفاءتها الحسابية.
نظرية الحساب
وفقًا لبيتر دينينج، فإن السؤال الأساسي الذي يكمن وراء علوم الحاسوب هو «ما الذي يمكن أن يكون آلياً (بكفاءة)؟» تركز نظرية الحوسبة على الإجابة على الأسئلة الأساسية حول ما يمكن حسابه وما مقدار الموارد اللازمة لأداء تلك الحسابات. في محاولة للإجابة على السؤال الأول، تدرس نظرية الحوسبة المشكلات الحسابية التي يمكن حلها في النماذج النظرية المختلفة للحساب. يتم تناول السؤال الثاني من خلال نظرية التعقيد الحسابي، والتي تدرس تكاليف الوقت والمكان المرتبطة بمناهج مختلفة لحل العديد من المشكلات الحسابية.
فمسألة "P = NP" الشهيرة، واحدة من مسائل جائزة الألفية، هي مسألة مفتوحة في نظرية الحساب.
نظرية المعلومات والترميز
ترتبط نظرية المعلومات بكمية المعلومات. تم تطوير هذا بواسطة كلود شانون لإيجاد حدود أساسية لعمليات معالجة الإشارات مثل ضغط البيانات وتخزين البيانات ونقلها بشكل موثوق. نظرية الترميز هي دراسة خصائص الأكواد (أنظمة لتحويل المعلومات من نموذج إلى آخر) وملاءمتها لتطبيق معين. تُستخدم الرموز لضغط البيانات، والتشفير، واكتشاف الأخطاء وتصحيحها، وكذلك في الآونة الأخيرة أيضًا لترميز الشبكة. تتم دراسة الرموز لغرض تصميم طرق فعالة وموثوقة لنقل البيانات.
نظرية لغة البرمجة
نظرية لغات البرمجة هي فرع من فروع علوم الحاسوب التي تتعامل مع تصميم لغات البرمجة وميزاتها الفردية وتنفيذها وتحليلها وتوصيفها وتصنيفها. يقع ضمن مجال علوم الحاسوب، اعتمادًا على الرياضيات وهندسة البرمجيات واللغويات والتأثير عليها. إنه مجال بحث نشط، مع العديد من المجلات الأكاديمية المخصصة.
أنظمة الحاسوب
هندسة الحاسوب، أو تنظيم الحاسوب الرقمي، هو التصميم المفاهيمي والهيكل التشغيلي الأساسي لنظام الحاسوب. إنه يركز إلى حد كبير على الطريقة التي تعمل بها وحدة المعالجة المركزية داخليًا والوصول إلى العناوين في الذاكرة. يتضمن الحقل غالبًا تخصصات في هندسة الحاسوب والهندسة الكهربائية واختيار مكونات الأجهزة وربطها لإنشاء أجهزة حاسوب تلبي أهدافًا وظيفية وأدائية وأقل تكلفة.
هندسة الحاسوب
هندسة الحاسوب، أو تنظيم الحاسوب الرقمي، هو التصميم المفاهيمي والهيكل التشغيلي الأساسي لنظام الحاسوب. إنه يركز إلى حد كبير على الطريقة التي تعمل بها وحدة المعالجة المركزية داخليًا والوصول إلى العناوين في الذاكرة. يتضمن الحقل غالبًا تخصصات في هندسة الحاسوب والهندسة الكهربائية واختيار مكونات الأجهزة وربطها لإنشاء أجهزة حاسوب تلبي أهدافًا وظيفية وأداءية وتكلفة.
تحليل أداء الحاسوب
تحليل أداء الحاسوب هو دراسة العمل المتدفق عبر أجهزة الحاسوب مع الأهداف العامة لتحسين الإنتاجية، والتحكم في وقت الاستجابة، واستخدام الموارد بكفاءة، والقضاء على الاختناقات، والتنبؤ بالأداء في ظل ذروة الأحمال المتوقعة. توفر المقاييس طريقة لمقارنة أداء الأنظمة الفرعية المختلفة عبر أبنية شرائح أنظمة مختلفة.
شبكات الحاسوب
يهدف هذا الفرع من علوم الحاسوب إلى إدارة الشبكات بين أجهزة الحاسوب في جميع أنحاء العالم.
أمن الحاسوب والتشفير
أمن الحاسوب هو فرع من فروع تكنولوجيا الحاسوب بهدف حماية المعلومات من الوصول غير المصرح به أو تعطيله أو تعديله مع الحفاظ على إمكانية الوصول إلى النظام وسهولة استخدامه للمستخدمين المقصودين منه. التشفير هو ممارسة ودراسة إخفاء البيانات وبالتالي فك تشفير المعلومات. يرتبط التشفير الحديث إلى حد كبير بعلوم الحاسوب، لأن العديد من خوارزميات التشفير وفك التشفير تعتمد على تعقيدها الحسابي.
قواعد البيانات
تهدف قاعدة البيانات إلى تنظيم وتخزين واسترجاع كميات كبيرة من البيانات بسهولة. تتم إدارة قواعد البيانات الرقمية باستخدام أنظمة إدارة قواعد البيانات لتخزين البيانات وإنشاءها وصيانتها والبحث فيها، من خلال نماذج قواعد البيانات ولغات الاستعلام.
تطبيقات الحاسوب
رسوميات الحاسوب
رسوميات الحاسوب هي دراسة المحتويات المرئية الرقمية وتتضمن تركيب ومعالجة بيانات الصورة. ترتبط الدراسة بالعديد من المجالات الأخرى في علوم الحاسوب، بما في ذلك رؤية الحاسوب، ومعالجة الصور، والهندسة الحاسوبية، ويتم تطبيقها بشدة في مجالات المؤثرات الخاصة وألعاب الفيديو.
التفاعل بين الإنسان والحاسوب
الأبحاث التي تقوم بتطوير نظريات ومبادئ وإرشادات لمصممي واجهة المستخدم، بحيث يمكنهم إنشاء تجارب مرضية للمستخدم مع أجهزة سطح المكتب والحاسوب المحمول والأجهزة المحمولة.
الحوسبة العلمية
الحوسبة العلمية (أو العلوم الحاسوبية) هي مجال الدراسة المعني ببناء النماذج الرياضية وتقنيات التحليل الكمي واستخدام أجهزة الحاسوب لتحليل وحل المشكلات العلمية. في الاستخدام العملي، عادة ما يكون تطبيق محاكاة الحاسوب وأشكال الحساب الأخرى للمشاكل في مختلف التخصصات العلمية.
الذكاء الاصطناعي
الذكاء الاصطناعي هو عملية تجميع العمليات الموجهة نحو الهدف مثل حل المشكلات، وصنع القرار، والتكيف البيئي، والتعلم، والاتصالات الموجودة في البشر والحيوانات. منذ نشأته في علم التحكم الآلي وفي مؤتمر دارتموث (1956)، كانت أبحاث الذكاء الاصطناعي بالضرورة متعددة التخصصات، معتمدة على مجالات الخبرة مثل الرياضيات التطبيقية والمنطق الرمزي والهندسة الكهربائية وفلسفة العقل والفيسيولوجيا العصبية والاجتماعية. يرتبط الذكاء الاصطناعي في العقل الشعبي بالتطوير الآلي، ولكن المجال الرئيسي للتطبيق العملي كان مكونًا لا يتجزأ في مجالات تطوير البرمجيات، والتي تتطلب فهمًا حسابيًا. كانت نقطة الانطلاق في أواخر الأربعينيات هي سؤال آلان تورنغ «هل تستطيع أجهزة الحاسوب التفكير؟»، ويبقى السؤال بلا إجابة فعلية، على الرغم من أن اختبار تورنغ لا يزال يستخدم لتقييم مخرجات الحاسوب على مقياس الذكاء البشري. لكن أتمتة المهام التقييمية والتنبؤية كانت ناجحة بشكل متزايد كبديل للمراقبة البشرية والتدخل في مجالات تطبيق الحاسوب التي تنطوي على بيانات واقعية معقدة.
هندسة البرمجيات
هندسة البرمجيات هي دراسة تصميم وتنفيذ وتعديل البرامج لضمان جودة عالية وبأسعار معقولة وقابلة للصيانة وسريعة البناء. إنها طريقة منهجية لتصميم البرمجيات، تنطوي على تطبيق الممارسات الهندسية على البرمجيات. تتعامل هندسة البرمجيات مع تنظيم البرامج وتحليلها، فهي لا تتعامل فقط مع إنشاء أو تصنيع برامج جديدة، ولكن تتعلق بالصيانة والترتيب الداخليين.
التعليم
يدرس طلاب علم الحاسوب العديد من مجالات الرياضيات مثل حساب التفاضل والتكامل، الجبر الخطي، والمعادلات التفاضلية. علم الرياضيات أساسي جدا في كتابة البرامج وفي لغات البرمجة. النظريات والتطبيقات الرياضية التي يدرسها الطلاب مهمة في فهم طريقة معالجة الحاسوب للمعلومات. بالإضافة إلى ذلك، يدرس الطلاب العديد من لغات البرمجة مثل java وPython. يدرس أيضا الطلاب القليل من الدارات الإلكترونية وطريقة عملها. يدرس الطلاب الخوارزميات خلال السنة الثالثة والرابعة. مشروع التخرج مهم للغاية في نهاية السنة الأخيرة.
تحديات التعليم
في العديد من البلدان، هناك فجوة كبيرة بين الجنسين في تعليم علوم الحاسوب. في عام 2012، تم منح 20% فقط من شهادات علوم الحاسوب في الولايات المتحدة للنساء. الفجوة بين الجنسين هي أيضا مشكلة في البلدان الغربية الأخرى. الفجوة أصغر أو غير موجودة في بعض أنحاء العالم. في عام 2011، حصلت النساء على نصف شهادات علوم الحاسوب في ماليزيا. في عام 2001، كان 55% من خريجي علوم الحاسوب في غيانا من النساء.
انظر أيضاً
عالم حاسوب
هندسة الحاسوب
Z4 (كمبيوتر)
برمجيات
هندسة البرمجيات
نظم التشغيل
عتاد الحاسوب
الوسائط المتعددة
نظرية الألعاب
علم المحاكاة
خوارزميات وراثية
رخص إلكترونية
وحدات تخزين المعلومات
برمجيات النظام
إلمام بالحاسوب
معلوماتية حيوية
معلوماتية طبية
معلوماتية كيميائية
معلوماتية صحية
معلوماتية عصبية
العودية اليسرى
تقنية المعلومات
قائمة الرواد في علم الحاسوب
مسائل غير محلولة في علم الحاسوب
المراجع
ملاحظات
وصلات خارجية
مجلة المعلوماتية، تصدر عن الجمعية العلمية السورية للمعلوماتية.
علوم شكلية
هندسة الحاسوب