Информатика (базовый курс для подготовки студентов и преподавателей к Интернет-экзамену) (стр. 2 )

Кроме того, ныне информатика сталкивается с парадоксальным фактом. Ее основная задача состоит в преодолении общечеловеческого кризисного явления, называемого «информационным бумом», путем внедрения средств и методов, автоматизирующих операции с данными. Однако даже в собственной предметной области информатика испытывает такой информационный бум, какого не знает ни одна другая область человеческой деятельности. Например, мировой ассортимент изданий, имеющих прямое отношение к информатике (не считая периодических и электронных), составляет порядка десяти тысяч томов в год и полностью обновляется не реже, чем раз в три года.

В этих условиях основной задачей информатики является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники с целью выделения, внедрения и развития передовых, наиболее эффективных технологий; автоматизации этапов работы с данными; а также методического обеспечения новых технологических исследований. В информатике особое внимание уделяется вопросам взаимодействия. Для этого есть специальное понятие – интерфейс. Методы и средства взаимодействия человека с аппаратным и программным обеспечением называют пользовательским интерфейсом. Соответственно, существуют аппаратные интерфейсы, программные интерфейсы и аппаратно-программные интерфейсы.

Информатика – практическая наука. Ее достижения должны проходить подтверждение практикой и приниматься в тех случаях, когда они соответствуют критерию повышения эффективности. В составе основной задачи информатики сегодня можно выделить следующие направления для практических приложений: 1) архитектура вычислительных систем (приемы и методы построения систем, предназначенных для автоматической обработки данных); 2) интерфейсы вычислительных систем (приемы и методы управления аппаратным и программным обеспечением); 3) программирование (приемы, методы и средства разработки компьютерных программ); 4) преобразование данных (приемы и методы преобразования структур данных); 5) защита информации (обобщение приемов, разработка методов и средств защиты данных); 6) автоматизация (функционирование программно-аппаратных средств без участия человека); 7) стандартизация (обеспечение совместимости между аппаратными и программными средствами, а также между форматами представления данных, относящихся к различным типам вычислительных систем).

На всех этапах технического обеспечения информационных процессов для информатики ключевым понятием является эффективность. Для аппаратных средств под эффективностью понимают отношение производительности оборудования к его стоимости (с учетом стоимости эксплуатации и обслуживания). Для программного обеспечения под эффективностью понимают производительность лиц, работающих с ним (пользователей). В программировании под эффективностью понимают объем программного кода, создаваемого программистами в единицу времени. Основным вопросом для информатики является вопрос, как сделать ту или иную операцию эффективно.

Анализируя вышеуказанные особенности информатики, можно сделать вывод, что для преподавания информатики в сложившихся условиях необходимо расширенное взаимодействие учебных программ общетехнических и специальных дисциплин с учебной программой курса информатики. Основные принципы, вытекающие из такого подхода, включают непрерывность и системность образования, предусматривающие многоуровневый непрерывный образовательный процесс и эффективный контроль над знаниями, полученными студентами.

Таким образом, обучение – многогранный, развивающийся процесс. Контроль знаний – одна из его сторон, где компьютерные технологии продвинулись максимально далеко. Среди них тестирование занимает ведущую роль, потеснив традиционные формы контроля – устные и письменные экзамены, зачеты и коллоквиумы. Разработка и совершенствование технологии тестового контроля знаний студентов обусловлены необходимостью реализации стандартных требований к знаниям студентов и единой методики их оценки. Тестовые задания должны охватывать все программные вопросы учебной дисциплины по темам и разделам. Содержательно они ориентируются на контроль знания определений основных явлений; законов и процессов; понятий, терминологии и формул; фактического материала изучаемой дисциплины.

К преимуществам тестирования относятся: 1) объективность – исключение фактора субъективного подхода со стороны преподавателя, так как обработка результатов тестирования проводится с помощью компьютера или в присутствии студентов с использованием протоколов тестирования; 2) валидность – исключение фактора «лотереи» обычного экзамена или зачета, на котором может достаться «несчастливый билет»; большое количество вопросов тестового задания охватывает весь объем материала той или иной дисциплины или ее раздела (если осуществляется рубежный контроль), что позволяет тестируемому шире проявить свой кругозор и не «провалиться» из-за случайного пробела в знаниях; 3) простота – отсутствие требований развернутого ответа или обоснования, достаточно выбрать правильный ответ и установить соответствие; 4) демократичность – нахождение всех тестируемых в равных условиях; 5) массовость и кратковременность – возможность за определенный установленный промежуток времени охватить итоговым или промежуточным контролем большое количество тестируемых; 6) технологичность – возможность использовать как машинную, так безмашинную обработку результатов тестирования.

Тестирование проводится с помощью специальных тестовых заданий, состоящих из случайно заданного набора тестовых вопросов. Тестовый вопрос – это четкий и ясный вопрос из предметной области изучаемой дисциплины, требующий однозначного ответа или определенного алгоритма действий. Тестовое задание – набор тестовых вопросов из различных разделов изучаемой дисциплины, позволяющих оценить соответствие знаний студента экспертной модели знаний предметной области. С этой целью в КТИ ВолгГТУ разработаны и изданы две части пособия, включающие базу тестовых вопросов по информатике в соответствии с требованиями ГОС к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы. Обе части интегрированы в тестовую программную оболочку, созданную и внедренную на кафедре информатики.

Настоящее учебное пособие посвящено дальнейшему совершенствованию обучения и контроля знаний студентов по базовой информатике путем обобщения и структурирования преподавателями кафедры теоретического материала предметной области по дидактическим единицам ГОС и использования его при реализации различных этапов тестового контроля знаний студентов на основе функционирующей в институте компьютерной системы тестирования, а так же при подготовке к Интернет-экзамену в сфере профессионального образования на базе Всероссийского центра тестирования.

Глава 1. Основные понятия и методы теории информатики и кодирования. Сигналы, данные, методы, информация.
Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации

1.1. Сигнал, данные, методы, сообщения. Атрибутивные свойства информации, показатели качества информации, формы представления информации. Системы передачи информации

Все процессы в природе сопровождаются сигналами. Зарегистрированные сигналы образуют данные. Данные преобразуются, транспортируются и потребляются с помощью методов. При взаимодействии данных и адекватных им методов образуется информация. Информация это динамический объект, образующийся в ходе информационного процесса. Он отражает диалектическую связь между объективными данными и субъективными методами. Все остальное время информация содержится в виде данных. Передается информация в виде сообщений, определяющих внешнюю форму и содержание передаваемой информации с помощью систем кодирования (символьной, лингвистической, табличной и графической).

Данные различаются типами, что связано с различиями в физической природе сигналов, при регистрации которых образовались данные. В структуре возможных операций с данными можно выделить следующие основные:

1.  Сбор данных – накопление данных с целью обеспечения достаточной полноты информации для принятия решений.

2.  Формализация данных – приведение данных, поступающих из разных источников, к одинаковой форме.

3.  Фильтрация данных – отсеивание “лишних” данных, в которых нет необходимости для принятия решений.

4.  Сортировка данных – упорядочение данных по заданному признаку с целью удобства использования.

5.  Архивация данных – организация хранения данных в удобной и легкодоступной форме.

6.  Защита данных – комплекс мер, направленных на предотвращение утраты, воспроизведения и модификации данных.

7.  Транспортировка данных – прием и передача данных между удаленными участниками информационного процесса (источник данных – сервер, потребитель – клиент).

8.  Преобразование данных – перевод данных из одной формы в другую или из одной структуры в другую (например, для преобразования цифровых потоков данных по каналам телефонных сетей служат специальные устройства – телефонные модемы).

9. Организация данных – зависит от объема зарезервированной памяти и структуры хранения данных.

В качестве средства хранения и транспортировки данных используются носители данных. Для удобства операций с данными их структурируют. Наиболее широко используются следующие структуры: линейная, табличная и иерархическая – они различаются методом адресации к данным. При сохранении данных образуются данные нового типа – адресные данные. Линейные структуры данных (списки) – это упорядоченные структуры, в которых адрес элемента однозначно определяется его номером. 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. В иерархической структуре адрес каждого элемента определяется путем доступа (маршрутом), ведущим от вершины структуры к данному элементу.

Свойства информации зависят как от свойств данных, так и от свойств методов. Наиболее важными представляются следующие свойства информации:

1. Атрибутивные – это те свойства, без которых информация не существует. Такими являются свойства неотрывности информации от физического носителя и языковая природа информации. Одним из важнейших направлений информатики как науки является изучение особенностей различных носителей и языков информации, разработка новых, более совершенных и современных. Необходимо отметить, что хотя информация и неотрывна от физического носителя и имеет языковую природу, она не связана жестко ни с конкретным языком, ни с конкретным носителем. Следующим атрибутивным свойством информации, на которое необходимо обратить внимание, является дискретность. Содержащиеся в информации сведения, знания – дискретны, т. е. характеризуют отдельные фактические данные, закономерности и свойства изучаемых объектов, которые распространяются в виде различных сообщений, состоящих из линии, составного цвета, буквы, цифры, символа, знака. Кроме того, информация имеет свойство сливаться с уже зафиксированной и накопленной ранее, тем самым способствуя поступательному развитию и накоплению. В этом находит свое подтверждение еще одно атрибутивное свойство информации – непрерывность.

2. Прагматические – характеризуют степень полезности информации для пользователя, потребителя и практики. Прагматические свойства информации проявляются в процессе использования информации. В первую очередь к данной категории свойств отнесем наличие семантической емкости (смысла) и новизны информации, которые характеризуют перемещение информации в социальных коммуникациях и выделяют ту ее часть, которая нова для потребителя. Полезной называется информация, уменьшающая неопределенность сведений об объекте. Дезинформация расценивается как отрицательные значения полезной информации. Встречается применение термина полезности информации для описания, какое влияние на внутреннее состояние человека, его настроение, самочувствие, наконец здоровье, оказывает поступающая информация. В этом смысле полезная или положительная информация – это та, которая радостно воспринимается человеком, способствует улучшению его самочувствия, а отрицательная информация угнетающе действует на психику и самочувствие человека, может привести к ухудшению здоровья, инфаркту, например. Следующими прагматическими свойствами информации являются ее ценность и кумулятивность. Необходимо обратить внимание, что ценность информации различна для различных потребителей и пользователей. Свойство кумулятивности характеризует накопление и хранение информации.

3. Динамические – характеризуют изменение информации во времени. Здесь прежде всего необходимо отметить свойство роста информации. Движение информации в информационных коммуникациях и постоянное ее распространение и рост определяют свойство многократного распространения или повторяемости. Хотя информация и зависима от конкретного языка и конкретного носителя, она не связана жестко ни с конкретным языком, ни с конкретным носителем. Благодаря этому информация может быть получена и использована несколькими потребителями. Это свойство многократной используемости и проявление свойства рассеивания информации по различным источникам. Среди динамических свойств необходимо также отметить свойство старения информации.

К показателям качества информации относятся:

1) репрезентативность, которая связана с правильностью ее отбора и формирования с целью адекватного отражения заданных свойств объекта;

2) содержательность, определяемая удельной семантической емкостью (коэффициентом содержательности), равной отношению количества семантической информации к общему объему данных;

3) объективность и субъективность – более объективной принято считать ту информацию, в которую методы вносят меньший субъективный элемент;

4) полнота во многом характеризует качество информации и определяет достаточность данных для принятия решений;

5) достоверность, полезные данные сопровождаются определенным уровнем «информационного шума»;

6) адекватность и своевременность – это степень соответствия информации реальному объективному состоянию дела и определяется возможностью ее использования при принятии управленческого решения без нарушения установленной процедуры и регламента не позже заранее назначенного момента;

7) доступность – это мера возможности получить ту или иную информацию;

8) актуальность – это степень соответствия информации текущему моменту времени;

9) точность определяется степенью близости отображаемого информацией параметра управления и истинного значения этого параметра;

10) устойчивость – это свойство информации реагировать на изменение исходных данных, сохраняя необходимую точность;

11) ценность – это комплексный показатель качества, мера количества информации на прагматическом уровне.

Информация – очень емкое понятие, в которое вмещается весь мир: все разнообразие вещей и явлений, вся история, все тома научных исследований, творения поэтов и прозаиков. И все это отражается в двух формах – непрерывной и дискретной. Поскольку носителями информации являются сигналы, то в качестве последних могут использоваться физические процессы различной природы, изменяющие свои характеристики с течением времени. Следовательно и сигналы, передающие информацию и связанные с этой особенностью физические процессы, могут быть также непрерывными и дискретными.

Сигнал называется непрерывным (или аналоговым), если его параметр может принимать любое значение в пределах некоторого интервала. Если обозначить Z – значение параметра сигнала, а t – время, то зависимость Z(t) будет непрерывной функцией (рис. 1, а).

Рис. 1. Непрерывные и дискретные сигналы

Примерами непрерывных сигналов являются речь и музыка, изображение, показание термометра (параметр сигнала – высота столба спирта или ртути – имеет непрерывный ряд значений) и сигнал называется дискретным, если его параметр может принимать конечное число значений в пределах некоторого интервала. Пример дискретных сигналов представлен на рис. 1, б. Как следует из определения, дискретные сигналы могут быть описаны дискретным и конечным множеством значений параметров {Z}. Устройствами, использующими дискретные сигналы, являются часы (электронные и механические), цифровые измерительные приборы, книги, табло и пр.

Информация от источника к получателю передается посредством канала связи, совокупность технических устройств которого, обеспечивающих независимую передачу сообщения, называют системой передачи информации. Согласно теории информации эта система состоит из следующих элементов: передатчика, преобразующего сообщение в сигнал; линии связи, по которой передается сигнал; приемника, вновь преобразующего сигнал в сообщение. Сообщение поступает в передатчик от источника сообщений. Приемник выдает информацию получателю сообщений. В условиях эксплуатации современных каналов связи приоритетным направлением является создание компьютерных телекоммуникационных систем, главный показатель эффективности функционирования которых – время доставки информации. Оно зависит от ряда факторов: структуры вычислительной сети, пропускной способности линий связи, способов соединения каналов системы между взаимодействующими абонентами, протоколов информационного обмена, методов доступа абонентов к передающей среде, методов маршрутизации пакетов.

1.2. Меры и единицы количества и объема информации

Для теоретической информатики информация играет такую же роль, как и вещество в физике, которому можно приписывать большое количество характеристик: массу, заряд, объем и т. д. Как для характеристик вещества, так и для характеристик информации имеются единицы измерения, что позволяет некоторой порции информации приписывать числа – количественные характеристики информации. На сегодняшний день наиболее известны следующие способы измерения информации: 1) объемный; 2) энтропийный; 3) алгоритмический.

Объемный является самым простым и грубым способом измерения информации. Объем информации в сообщении – это количество символов в нём. Поскольку одно и то же число может быть записано многими способами (с использованием разных алфавитов), то этот способ чувствителен к форме записи сообщения.

В теории информации и кодирования принят энтропийный (вероятностный) подход к измерению информации. Этот способ измерения исходит из следующей модели. Получатель информации (сообщения) имеет определенные представления о возможных наступлениях некоторых событий. Эти представления в общем случае недостоверны и выражаются вероятностями, с которыми он ожидает то или иное событие. Общая мера неопределенности (энтропия) характеризуется некоторой математической зависимостью от совокупности этих вероятностей. Информационная энтропия для независимых случайных событий х с n возможными состояниями (от 1 до n) рассчитывается по формуле Шеннона:

, где p – вероятность i – го состояния.

В алгоритмической теории информации предлагается алгоритмический метод оценки информации в сообщении. При таком подходе любому сообщению можно приписать количественную характеристику, отражающую размер программы, которая позволяет ее произвести. Так как имеется много разных вычислительных машин и разных языков программирования (разных способов задания алгоритма), то для определенности задаются некоторой конкретной вычислительной машиной, а предполагаемая количественная характеристика – сложность сообщения определяется как минимальное число внутренних состояний машины, требующееся для его воспроизведения.

1.3. Позиционные системы счисления

Системой счисления называется совокупность приемов наименования и записи чисел. Для изображения или представления чисел в настоящее время используются в основном позиционные системы счисления. Система называется позиционной, если значение каждой цифры (ее вес) изменяется в зависимости от ее положения (позиции) в последовательности цифр, изображающих число. При работе с компьютерами приходится параллельно использовать несколько позиционных систем счисления (чаще всего двоичную, восьмеричную, десятичную и шестнадцатеричную), поэтому большое практическое значение имеют процедуры перевода чисел из одной системы счисления в другую.

С целью унификации приемов и методов работы с данными в вычислительной технике применяется универсальная двоичная система кодирования данных, называемая двоичным кодом. В форме двоичных чисел в компьютерах записывается вся хранящаяся в их памяти информация: слова, числа, рисунки, а также программы, управляющие работой компьютеров. По этой причине в вычислительной технике для двоичных знаков 0 и 1 принят специальный термин – бит (элементарная единица представления данных в двоичном коде). Бит – это от английского сокращения слов «двоичный знак». Для восьмиразрядных двоичных чисел, используемых в ЭВМ для представления символов, принято название «Байт». 1 байт = 8 бит (расположенных последовательно друг за другом).

Более крупная единица измерения и представления данных в двоичном коде – Кбайт. Условно можно считать, что 1 Кбайт @ 1000 байт. Условность связана с тем, что для вычислительной техники, работающей с двоичными числами, более удобно представление чисел в виде степени двойки, и поэтому 1 Кбайт = 210 байт = 1024 байт; 1 Мбайт = 220 байт = 1024 Кбайт; 1 Гбайт = 230 байт = 1024 Мбайт; 1 Тбайт = 240 байт = 1024 Гбайт.

Процедура записи двоичных чисел в соответствии с десятичными проста, например:

Десятичное число	0	1	2	3	4	5	…	10	11	12	13	14	15
Двоичное число	0	1	10	11	100	101	…	1010	1011	1100	1101	1110	1111

Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе, то есть общая формула имеет вид: N = 2m, где N – количество независимых кодируемых значений; m – разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе.

Двоичная система счисления (система с основанием q = 2, для десятичной системы счисления q = 10), будучи естественной для вычислительных машин, неудобна для восприятия человеком. Большое количество разрядов двоичного числа по сравнению с соответствующим десятичным, однообразное чередование единиц и нулей является источником ошибок и затрудняет чтение двоичного числа. Поэтому для удобства записи двоичных чисел необходима такая система счисления, которая, с одной стороны, сохраняла бы свойства двоичной, а с другой – в написании была бы близка к десятичной.

Такими свойствами обладают системы с основанием q = 23 = 8 и q = 24 = 16. Основание системы – это целое положительное число, равное максимальному количеству различных символов, употребляемых в данной системе счисления. Любой символ в восьмеричной системе счисления можно представить тремя двоичными знаками. Символы шестнадцатеричной системы счисления описываются четырьмя двоичными знаками. Каждой триаде (тетраде) ставится в соответствие восьмеричный (шестнадцатеричный) символ согласно следующей табл. 3:

Таблица 3

Триады	Восьмеричный символ	Тетрады	Шестнадцатеричный символ
000	0	0000	0
001	1	0001	1
010	2	0010	2
011	3	0011	3
100	4	0100	4
101	5	0101	5
110	6	0110	6
111	7	0111	7
		1000	8
		1001	9
		1010	A
Окончание табл. 3
Триады	Восьмеричный символ	Тетрады	Шестнадцатеричный символ
		1011	B
		1100	C
		1101	D
		1110	E
		1111	F

Для перевода чисел из двоичной системы в восьмеричную или шестнадцатеричную надо исходное двоичное число разбить справа налево на группы, состоящие из трех двоичных разрядов (триады) в первом случае, и на группы из четырех двоичных разрядов (тетрады) во втором случае. Неполные триады (тетрады) дописываются фиктивными нулями.