Конспект урока на тему «Информатика и информация»
Скачать 2.44 Mb.
|
Тема №9. Интеллектуальные и экспертные системы.
Тема №1. Информатика и информация.Цель: познакомить с понятием информации, ее сбором, хранением, обработкой, дать понятие сигналам, данным методам обработки, объяснить свойства информации, алфавитный способ представления информации, понимать методы кодирования данных и структуры данных. 1. Предмет и задачи информатики. 1.1. Определение информатики. 1.2. Приоритетные направления и составные части информатики. 2. Информация в материальном мире. 2.1. Сигналы и данные. 2.2. Данные и методы. 3. Информация. 3.1. Понятие информации. 3.2. Свойства информации.
4. Данные. 4.1. Операции с данными. 4.2. Носители данных. 4.3. Кодирование данных 5. Основные структуры данных. 5.1. Типы структур 5.2. Файловые структуры. 1.1. Определение информатики. Термин "информатика" (франц. informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и дословно означает "информационная автоматика". Широко распространён также англоязычный вариант этого термина — "Computer science", что означает буквально "компьютерная наука". Информатика — это основанная на использовании компьютерной техники дисциплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности и методы её создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и применения в различных сферах человеческой деятельности. В 1978 году международный научный конгресс официально закрепил за понятием "информатика" области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая компьютеры и их программное обеспечение, а также организационные, коммерческие, административные и социально-политические аспекты компьютеризации — массового внедрения компьютерной техники во все области жизни людей. Таким образом, информатика базируется на компьютерной технике и немыслима без нее. 1.2. Приоритетные направления и составные части информатики. Информатика — комплексная научная дисциплина с широчайшим диапазоном применения. Её приоритетные направления:
Российский академик А.А. Дородницин выделяет в информатике три неразрывно и существенно связанные части — технические средства, программные и алгоритмические. Технические средства, или аппаратура компьютеров, в английском языке обозначаются словом Hardware, которое буквально переводится как "твердые изделия". Для обозначения программных средств, под которыми понимается совокупность всех программ, используемых компьютерами, и область деятельности по их созданию и применению, используется слово Software (буквально — "мягкие изделия"), которое подчеркивает равнозначность самой машины и программного обеспечения, а также способность программного обеспечения модифицироваться, приспосабливаться и развиваться. Программированию задачи всегда предшествует разработка способа ее решения в виде последовательности действий, ведущих от исходных данных к искомому результату, иными словами, разработка алгоритма решения задачи. Для обозначения части информатики, связанной с разработкой алгоритмов и изучением методов и приемов их построения, применяют термин Brainware (англ. brain — интеллект). Роль информатики в развитии общества чрезвычайно велика. С ней связано начало революции в области накопления, передачи и обработки информации. Эта революция, следующая за революциями в овладении веществом и энергией, затрагивает и коренным образом преобразует не только сферу материального производства, но и интеллектуальную, духовную сферы жизни. Прогрессивное увеличение возможностей компьютерной техники, развитие информационных сетей, создание новых информационных технологий приводят к значительным изменениям во всех сферах общества: в производстве, науке, образовании, медицине и т.д.
Мы живем в материальном мире. Все, что нас окружает и с чем мы сталкиваемся ежедневно, относится либо к физическим телам, либо к физическим полям. Из курса физики мы знаем, что состояния абсолютного покоя не существует и физические объекты находятся в состоянии непрерывного движении и изменения, которое сопровождается обменом энергией и ее переходом из одной формы в другую. Все виды энергообмена сопровождаются появлением сигналов, то есть все сигналы имеют в своей основе материальную энергетическую природу. При взаимодействии сигналов с физическими телами в последних возникают определенные изменения свойств — это явление называется регистрацией сигналов. Такие изменения можно наблюдать, измерять или фиксировать иными способами — при этом возникают и регистрируются новые сигналы, то есть образуются данные. Данные — это зарегистрированные сигналы.
Данные несут в себе информацию о событиях, произо шедших в материальном мире, поскольку они являются регистрацией сигналов, возникших в результате этих событий. Однако данные не тождественны информа ции. Наблюдая излучения далеких звезд, человек получает определенный поток данных, но станут ли эти данные информацией, зависит еще от очень многих обсто ятельств. Рассмотрим ряд примеров. Прослушивая передачу радиостанции на незнакомом языке, мы получаем данные, но не получаем информацию в связи с тем, что не владеем методом преобразова ния данных в известные нам понятия. Если эти данные записать на лист бумаги или на магнитную ленту, изменится форма их представления, произойдет новая регистрация и, соответственно, образуются новые данные. Такое преобразование можно использовать, чтобы все-таки извлечь информацию из данных путем под бора метода, адекватного их новой форме. Для обработки данных, записанных на листе бумаги, адекватным может быть метод перевода со словарем, а для обработки данных, записанных на магнитной ленте, можно пригласить переводчика, обладаю щего своими методами перевода, основанными на знаниях, полученных в результате обучения или предшествующего опыта. Если в нашем примере заменить радиопередачу телевизионной трансляцией, веду щейся на незнакомом языке, то мы увидим, что наряду с данными мы все-таки полу чаем определенную (хотя и не полную) информацию. Это связано с тем, что люди, не имеющие дефектов зрения, априорно владеют адекватным методом восприятия данных, передаваемых электромагнитным сигналом в полосе частот видимого спектра с интенсивностью, превышающей порог чувствительности глаза. В таких случаях говорят, что метод известен по контексту, то есть данные, составляющие инфор мацию, имеют свойства, однозначно определяющие адекватный метод получения этой информации. 3.1. Понятие информации. Данные несут в себе информацию о событиях, произошедших в материальном мире, поскольку они являются регистрацией сигналов, возникших в результате этих событий. Данные – это зарегистрированные сигналы. Информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов (адекватный – соответствующий, совпадающий). Требование адекватности методов: одни и те же данные могут в момент потребления поставлять разную информацию в зависимости от степени адекватности взаимодействующих с ними методов. Например, для человека, не владеющего китайским языком, письмо, полученное из Пекина, дает только ту информацию, которую можно получить методом наблюдения: количество страниц, цвет и сорт бумаги, наличие незнакомых символов и т.п. Все это информация, но это не вся информация, заключенная в письме. Использование более адекватных методов даст иную информацию. 3.2. Свойства информации.
3.3. Формы и виды представления информации. Информацию можно классифицировать разными способами, и разные науки делают это по-разному. Каждая наука вводит свою систему классификации. В информатике рассматривают две формы представления информации:
Все многообразие окружающей нас информации можно сгруппировать по различным признакам. По области возникновения информация делится на:
По способу передачи и восприятия различают информацию:
Человек так устроен, что воспринимает информацию с помощью органов чувств и эта информация принимается, хранится и обрабатывается как аналоговая. Многие устройства, созданные человеком, тоже работают с аналоговой информацией, например, телевизор, телефон, проигрыватель пластинок. К цифровым устройствам относятся персональный компьютер, работающий с информацией, представленной в цифровой (дискретной) форме. Информацию, создаваемую и используемую человеком, по общественному назначению делят на:
Информация циркулирует в конкретных информационных системах, т.е. в системах, где между объектами доминируют информационные связи (например, а)работник, б)учреждение, в)система продажи билетов). Роль компьютеров в этих системах огромна. Они выполняют почти все операции. 3.4. Алфавитный способ представления информации. Информацию записывают с помощью символов. Конечное множество символов (букв) для записи информации составляет алфавит. Из букв составляются слова, из слов – словосочетания и предложения. В информатике понятие алфавита расширяется. Можно рассматривать алфавит арифметики, телеграфный алфавит, алфавиты, состоящие из специально придуманных значков. Примеры: А={0,1,2,…9,<,>,=,+,-,*,(,),} – алфавит арифметики Т={.,--} – телеграфный алфавит B={I,V,X,L,C,M} – алфавит римской нумерации R={А,Б,В,Г,..,Э,Ю,Я} – русский алфавит L={A,B,C,D,…x,y,z} – латинский алфавит N={^,I,*} – придуманный алфавит M={0,1} – машинный алфавит. Словом называется упорядоченная последовательность конечного числа букв определенного алфавита. (4+3)*19 – слово в алфавите А -.--.. – слово в алфавите Т 01101 – слово в алфавите М ^^I*^ - слово в алфавите N. Информацию, представленную в одном алфавите, можно перевести в другой алфавит. Процесс преобразования информации из одной формы в другую называется кодированием. Машинная информация, например, представляется в двоичном коде или в алфавите М. Обмен информацией осуществляется с помощью сигналов: звуковых, световых и т.д. В ЭВМ – это электрические сигналы. 4.1. Операции с данными. В ходе информационного процесса данные преобразуются из одного вида в другой с помощью методов. Обработка данных включает в себя множество различных операций.
4.2. Носители данных. Данные — диалектическая составная часть информации. Они представляют собой зарегистрированные сигналы. При этом физический метод регистрации может быть любым: механическое перемещение физических тел, изменение их формы или пара метров качества поверхности, изменение электрических, магнитных, оптических характеристик, химического состава и (или) характера химических связей, изменение состояния электронной системы и многое другое. В соответствии с методом регистра ции данные могут храниться и транспортироваться на носителях различных видов. Самым распространенным носителем данных, хотя и не самым экономичным, по-види мому, является бумага. На бумаге данные регистрируются путем изменения опти ческих характеристик ее поверхности. Изменение оптических свойств (изменение коэффициента отражения поверхности в определенном диапазоне длин волн) исполь зуется также в устройствах, осуществляющих запись лазерным лучом на пластмассо вых носителях с отражающим покрытием (CD-ROM). В качестве носителей, исполь зующих изменение магнитных свойств, можно назвать магнитные ленты и диски. Регистрация данных путем изменения химического состава поверхностных веществ носителя широко используется в фотографии. На биохимическом уровне происхо дит накопление и передача данных в живой природе. 4.3. Кодирование данных. Кодирование данных двоичным кодом. Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления – для этого обычно используется прием кодирования, т.е. выражение данных одного типа через данные другого типа. В вычислительной технике существует двоичная система кодирования, основанная на представлении данных последовательностью двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по английски – binary digit (bit) – бит. Последовательность из 8 бит называется байтом. Кодирование текстовых данных. Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число (например, порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать и текстовую информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными комбинациями восьми битов все символы английского и русского языков, как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных арифметических действий и некоторые обще принятые специальные символы, например символ «§». Технически это выглядит очень просто, однако всегда существовали достаточно веские организационные сложности. В первые годы развития вычислительной тех ники они были связаны с отсутствием необходимых стандартов, а в настоящее время вызваны, наоборот, изобилием одновременно действующих и противоречивых стандар тов. Для того чтобы весь мир одинаково кодировал текстовые данные, нужны единые таблицы кодирования, а это пока невозможно из-за противоречий между символами национальных алфавитов, а также противоречий корпоративного характера. Для английского языка, захватившего де-факто нишу международного средства общения, противоречия уже сняты. Институт стандартизации США (ANSI — American National Standard Institute) ввел в действие систему кодирования ASCII (American Standard Code for Information Interchange — стандартный код информационного обмена США). В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования — базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127, а расширенная относится к символам с номерами от 128 до 255. Первые 32 кода базовой таблицы, начиная с нулевого, отданы производителям аппаратных средств (в первую очередь производителям компьютеров и печатаю щих устройств). В этой области размещаются так называемые управляющие коды, которым не соответствуют никакие символы языков, и, соответственно, эти коды не выводятся ни на экран, ни на устройства печати, но ими можно управлять тем, как производится вывод прочих данных. Таблица 1. Базовая таблица кодировки ASCII.
Универсальная система кодирования текстовых данных. Если проанализировать организационные трудности, связанные с созданием единой системы кодирования текстовых данных, то можно прийти к выводу, что они вызваны ограниченным набором кодов (256). В то же время очевидно, что если, например, кодировать символы не восьмиразрядными двоичными числами, а числами с большим количеством разрядов, то и диапазон возможных значений кодов станет намного больше. Такая система, основанная на 16-разрядном кодировании символов, полу чила название универсальной — UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют обес печить уникальные коды для 65 536 различных символов — этого поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты. Несмотря на тривиальную очевидность такого подхода, простой механический переход на данную систему долгое время сдерживался из-за недостаточных ресурсов средств вычислительной техники (в системе кодирования UNICODE все текстовые документы автоматически становятся вдвое длиннее). Во второй половине 90-х годов технические средства достигли необходимого уровня обеспеченности ресурсами, и сегодня мы наблюдаем постепенный перевод документов и программных средств на универсальную систему кодирования. Для индивидуальных пользователей это еще больше добавило забот по согласованию документов, выполненных в разных системах кодирования, с программными средствами, но это надо понимать как труд ности переходного периода. Кодирование графических данных. Если рассмотреть с помощью увеличительного стекла черно-белое графическое изображение, напечатанное в газете или книге, то можно увидеть, что оно состоит из мельчайших точек, образующих характерный узор, называемый растром. Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпо зиции произвольного цвета на основные составляющие. В качестве таких состав ляющих используют три основные цвета: красный (Red, R), зеленый (Green, G) и синий (Blue, В). На практике считается (хотя теоретически это не совсем так), что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно получить путем механического смешения этих трех основных цветов. Такая система кодирования называется систе мой RGB по первым буквам названий основных цветов. Если для кодирования яркости каждой из основных составляющих использовать по 256 значений (восемь двоичных разрядов), как это принято для полутоновых черно-белых изображений, то на кодирование цвета одной точки надо затратить 24 разряда.. При этом система кодирования обеспечивает однозначное определение 16,5 млн различных цветов, что на самом деле близко к чувствительности челове ческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 дво ичных разрядов называется полноцветным (True Color). Каждому из основных цветов можно поставить в соответствие дополнительный цвет, то есть цвет, дополняющий основной цвет до белого. Нетрудно заметить, что для любого из основных цветов дополнительным будет цвет, образованный суммой пары остальных основных цветов. Соответственно, дополнительными цветами являются: голубой (Cyan, С), пурпурный (Magenta, М) и желтый (Yellow, У). Принцип декомпозиции произвольного цвета на составляющие компоненты можно приме нять не только для основных цветов, но и для дополнительных, то есть любой цвет можно представить в виде суммы голубой, пурпурной и желтой составляющей. Такой метод кодирования цвета принят в полиграфии, но в полиграфии используется еще и четвертая краска — черная (Black, К). Поэтому данная система кодирования обозначается четырьмя буквами CMYK (черный цвет обозначается буквой К, потому, что буква В уже занята синим цветом), и для представления цветной графики в этой системе надо иметь 32 двоичных разряда. Такой режим тоже называется полно цветным (True Color). Если уменьшить количество двоичных разрядов, используемых для кодирования цвета каждой точки, то можно сократить объем данных, но при этом диапазон кодиру емых цветов заметно сокращается. Кодирование цветной графики 16-разрядными I двоичными числами называется режимом High Color. При кодировании информации о цвете с помощью восьми бит данных можно пере дать только 256 цветовых оттенков. Такой метод кодирования цвета называется индексным. Смысл названия в том, что, поскольку 256 значений совершенно недостаточно, чтобы передать весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу, код каждой точки растра выражает не цвет сам по себе, а только его номер (индекс) в некоей справочной таблице, называемой палитрой. Кодирование звуковой информации. Приемы и методы работы со звуковой информацией пришли в вычислительную технику наиболее поздно. К тому же, в отличие от числовых, текстовых и графиче ских данных, у звукозаписей не было столь же длительной и проверенной истории кодирования. В итоге методы кодирования звуковой информации двоичным кодом далеки от стандартизации. Множество отдельных компаний разработали свои корпо ративные стандарты, но если говорить обобщенно, то можно выделить два основных направления. Метод FM {Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а следовательно, может быть описан числовыми параметрами, то есть кодом. В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, то есть являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства — аналогово-цифровые преобразова тели (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодирован ного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом коди рования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетво рительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом, характерным для электронной музыки. В то же время, данный метод кодирования обеспечивает весьма компактный код, и потому он нашел применение еще в те годы, когда ресурсы средств вычислительной техники были явно недостаточны. 55.1. Типы структур. Работа с большими наборами данных автоматизируется проще, когда данные упорядочены, т.е. образуют заданную структуру. Существует три основных типа структур данных: линейная, иерархическая и табличная. Линейные структуры – это списки. Список – это простейшая структура данных, отличающаяся тем, что каждый элемент данных однозначно определяется своим номером в массиве. Например, обычный журнал посещаемости занятий имеет структуру списка, поскольку все студенты группы зарегистрированы в нем под своими уникальными номерами. Номера называются уникальными, потому что в одной группе не может быть зарегистрированы два студента с одним и тем же номером. Линейные структуры данных (списки) – это упорядоченные структуры, в которых адрес элемента однозначно определяется его номером. Табличные структуры. Пример: таблица умножения. Табличные структуры отличаются от списочных тем, что элементы данных определяются адресом ячейки, который состоит не из одного параметра, как в списках, а нескольких (номер строки и столбца). Табличные структуры данных (матрицы) – это упорядоченные структуры, в которых адрес элемента определяется номером строки и номером столбца, на пересечении которых находится ячейка, содержащая искомый элемент. Иерархические структуры данных. Нерегулярные данные, которые трудно представить в виде списка или таблицы, представляют в виде иерархических структур. В иерархической структуре адрес каждого элемента определяется путем доступа (маршрутом), ведущим от вершины структуры к данному элементу. Иерархические структуры называют древовидными. Пуск→Программы→Стандартные
Единицы хранения данных. В качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом. Файл — это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем. Обычно в отдельном файле хранят данные, относя щиеся к одному типу. В этом случае тип данных определяет тип файла. Проще всего представить себе файл в виде безразмерного канцелярского досье, в которое можно по желанию добавлять содержимое или извлекать его оттуда. Поскольку в определении файла нет ограничений на размер, можно представить себе файл, имеющий 0 байтов {пустой файл), и файл, имеющий любое число байтов. В определении файла особое внимание уделяется имени. Оно фактически несет в себе адресные данные, без которых данные, хранящиеся в файле, не станут информа цией из-за отсутствия метода доступа к ним. Кроме функций, связанных с адреса цией, имя файла может хранить и сведения о типе данных, заключенных в нем. Имя файла состоит из 2 частей: имя и расширение. Расширение – это идентификатор, определяющий тип файла (принадлежность файла определенной группе), максимальное имя файла – 256 символов. Некоторые расширения:
У файла имеется особый параметр, определяющий свойства файлов, называемый атрибутом. 1. Скрытый (Hidden) – файлы с этими атрибутами обычно не видны пользователю, как правило, эти файлы очень важны для функционирования системы. 2. Только для чтения (Read Only) – такие файлы можно открыть, но изменять их содержание нельзя. 3. Системный (System) – этим атрибутом отмечены самые важные файлы в операционной системе, отвечающие за загрузку компьютера. 4. Архивный (Archive) – этот атрибут устанавливается во время работы с файлом, при его изменении. По окончании сеанса работы он снимается. Единицы измерения данных. Существует много различных систем и единиц измерения данных. Каждая науч ная дисциплина и каждая область человеческой деятельности может использовать свои, наиболее удобные или традиционно устоявшиеся единицы. В информатике для измерения данных используют тот факт, что разные типы данных имеют уни версальное двоичное представление и потому вводят свои единицы данных, осно ванные на нем. Наименьшей единицей измерения является байт. Поскольку одним байтом, как правило, кодируется один символ текстовой информации, то для текстовых доку ментов размер в байтах соответствует лексическому объему в символах (пока исклю чение представляет рассмотренная выше универсальная кодировка UNICODE). Более крупная единица измерения — килобайт (Кбайт). Условно можно считать, что 1 Кбайт примерно равен 1000 байт. Условность связана с тем, что для вычислитель ной техники, работающей с двоичными числами, более удобно представление чисел в виде степени двойки и потому на самом деле 1 Кбайт равен 210 байт (1024 байт). Однако всюду, где это не принципиально, с инженерной погрешностью (до 3 %) «забывают» о «лишних» байтах. В килобайтах измеряют сравнительно небольшие объемы данных. Условно можно считать, что одна страница неформатированного машинописного текста составляет около 2 Кбайт. 1 килобайт (Кб) содержит 210 = 1024 байт, 1 мегабайт (Мб) = 220 = 1 048 576 байт, 1 гигабайт (Гб) = 230 = 1 073 741 824 байт. Понятие о файловой структуре. Хранение файлов организуется в иерархической структуре, которая в данном случае называется файловой структурой. В качестве вершины структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы. Далее файлы группируются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные каталоги (папки). Путь доступа к файлу начинается с имени устройства и включает все имена каталогов (папок), через которые проходит. В качестве разделителя используется символ «\» (обратная косая черта). Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем файла считается собственное имя файла вместе с путем доступа к нему. Понятно, что в этом случае на одном носителе не может быть двух файлов с тождественными полными именами. Пример записи полного имени файла: <имя носителя>\<имя каталога-1>\...\<имя каталога-N>\<собственное имя файла> Вопросы для самоконтроля:
Рекомендуемая литература:
|
Похожие:
 | Цель: обучающиеся смогутнастроиться на эффективную работу, сравнить представленные изображения и на основе полученных выводов сконструировать... |  | ... |
| Цели урока: ввести понятие основного свойства дроби, научить учащихся применять это свойство на практике (сокращать дроби и приводить... | | Рассказывает этапы проведения урока-игры, основные моменты и оценку результатов проведения |
| Конспект урока по общей биологии в 11 классе по программе Сонина Н. И. «Горизонты гибридизации» | | Краткое описание: Технология построения урока – проблемно-диалогическая. Урок предполагает работу в парах |
| Технические средства обучения: компьютер Pentium 4, проектор, презентация Microsoft Office Power Point 2003 «Технология вышивки в... | | Цель урока: создать условия для формирования умения учащихся различать наклонения |
| «Организация работы с документами. Регистрация документов в программе субд access» | | Развивать коммуникативные ууд на основе формирования учебной деятельности средствами устной и письменной речи |