Методика преподавания информатики (стр. 34 )

При углубленном изучении базового курса информатики следует познакомить учеников с основными понятиями технической теории связи. Американским ученым Клодом Шенноном, одним из основателей теории информации, была предложена схема процесса передачи информации по техническим каналам связи, представленная на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Схема технической системы передачи информации

Работу такой схемы можно пояснить на знакомом всем процессе разговора по телефону. Источником информации является говорящий человек. Кодирующим устройством — микрофон телефонной трубки, с помощью которого звуковые волны (речь) преобразуются в электрические сигналы. Каналом связи является телефонная сеть (провода, коммутаторы телефонных узлов через которые проходит сигнал). Декодирующим устройством является телефонная трубка (наушник) слушающего человека — приемника информации. Здесь пришедший электрический сигнал превращается в звук.

Связь, при которой передача производится в форме непрерывного электрического сигнала, называется аналоговой связью.

Под кодированием понимается любое преобразование информации, идущей от источника, в форму, пригодную для ее передачи по каналу связи. На заре эры радиосвязи применялся код азбуки Морзе. Текст преобразовывался в последовательность точек и тире (коротких и длинных сигналов) и передавался в эфир. Принимавший на слух такую передачу человек должен был суметь декодировать код обратно в текст. Еще раньше азбука Морзе использовалась в телеграфной связи. Передача информации с помощью азбуки Морзе — это пример дискретной связи.

В настоящее время широко используется цифровая связь, когда передаваемая информация кодируется в двоичную форму ( 0 и 1 — двоичные цифры), а затем декодируется в текст, изображение, звук. Цифровая связь, очевидно, тоже является дискретной.

Термином «шум» называют разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере информации. Такие помехи, прежде всего, возникают по техническим причинам: плохое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков информации, передаваемой по одним и тем же каналам. Часто, беседуя по телефону, мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на наш разговор накладывается разговор совсем других людей. В таких случаях необходима защита от шума.

В первую очередь применяются технические способы зашиты каналов связи от воздействия шумов. Такие способы бывают самые разные, иногда простые, иногда — очень сложные. Например, использование экранированного кабеля вместо «голого» провода; применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума и пр.

Клодом Шенноном была разработана специальная теория кодирования, дающая методы борьбы с шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным. За счет этого потеря какой-то части информации при передаче может быть компенсирована. Например, если при разговоре по телефону вас плохо слышно, то повторяя каждое слово дважды, вы имеете больше шансов на то, что собеседник поймет вас правильно.

Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам и подорожанию связи. Теория кодирования К. Шеннона как раз и позволяет получить такой код, который будет оптимальным. При этом избыточность передаваемой информации будет минимально-возможной, а достоверность принятой информации — максимальной.

В современных системах цифровой связи часто применяется следующий прием борьбы с потерей информации при передаче. Все сообщение разбивается на порции — блоки. Для каждого блока вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая передается вместе с данным блоком. В месте приема заново вычисляется контрольная сумма принятого блока, и если она не совпадает с первоначальной, то передача данного блока повторяется. Так будет происходить до тех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут.

При обсуждении темы об измерении скорости передачи информации можно привлечь прием аналогии. Аналог — процесс перекачки воды по водопроводным трубам. Здесь каналом передачи воды являются трубы. Интенсивность (скорость) этого процесса характеризуется расходом воды, т. е. количеством литров или кубометров, перекачиваемых за единицу времени (л/с или куб. м/с). В процессе передачи информации каналами являются технические линии связи. А если информацию непосредственно принимает человек, то его органы чувств — внутренние информационные каналы человека. По аналогии с водопроводом можно говорить об. информационном потоке, передаваемом по каналам. Скорость передачи информации — это информационный объем сообщения, передаваемого в единицу времени. Поэтому единицы измерения скорости информационного потока: бит/с, байт/с и др.

Еще одно понятие — пропускная способность информационных каналов — может быть объяснено с помощью «водопроводной» аналогии. Увеличить расход воды через трубы можно путем увеличения давления. Но этот путь не бесконечен. При слишком большом давлении трубу может разорвать. Поэтому техническими условиями использования водопровода всегда определяется предельное давление и как результат — предельный расход воды, который можно назвать пропускной способностью водопровода. Аналогичный предел скорости передачи данных имеют и технические линии информационной связи (телефонные лини, радиосвязь, оптико-волоконный кабель). Причины этому также носят физический характер.

Пример практического задания

Задание. Определите собственную скорость восприятия информации при чтении вслух и «про себя».

Данное задание носит творческий характер. Ученик должен сам спланировать эксперимент. План может быть следующим: взять книгу и выбрать в ней страницу, заполненную текстом. Желательно, чтобы этот текст был новым для ученика, но понятным, т. е. информативным. Подсчитать число символов в тексте. Для этого нужно определить среднее число символов в строке, число строк на странице. Умножив эти два числа, получим число символов во всем тексте. Разумно допустить, что для набора текста книги использован компьютерный алфавит, мощность которого равна 256. Следовательно, каждый символ несет 1 байт информации. Таким образом, общее число символов равно информационному объему текста в байтах. Далее нужно читать текст вслух, измеряя по секундомеру время чтения. Скорость чтения должна быть такой, чтобы ученику было понятно содержание текста. Проверить это можно, попытавшись пересказать прочитанное. Если ученик ничего не запомнил, значит он не воспринял информацию, и скорость чтения следует уменьшить. Окончательный ответ получается путем деления объема информации на время в секундах.

Предположим, что в выбранной книге на странице расположено 40 строчек; в каждой строке в среднем по 50 символов (пробелы тоже нужно считать). Следовательно, на странице — 2000 символов и информационный объем текста равен 2000 байт. Время чтения в слух — 140 секунд. Значит, скорость восприятия информации при чтении вслух равна 2000/140 = 14,3 байт/с.

Повторение такого же эксперимента с чтением «про себя» может дать более высокий результат.

Полезно обратить внимание учеников на то, что для более точной оценки средней скорости чтения желательно брать текст большего размера. Различные фрагменты текста могут оказаться разными по степени сложности восприятия. Чем текст больше, тем результат ближе к объективному среднестатистическому.

7.6. Требования к знаниям и умениям

учащихся по линии информации

и информационных процессов*

Учащиеся должны знать:

• определение информации в соответствии с содержательным подходом и кибернетическим (алфавитным) подходом;

• что такое информационные процессы;

• какие существуют носители информации;

• как определяется единица измерения информации — бит;

• что такое байт, килобайт, мегабайт, гигабайт;

• в каких единицах измеряется скорость передачи информации;

• *связь между количеством информации в сообщении о некотором событии и вероятностью этого события (в приближении равной вероятности и в общем случае);

• * схему К. Шеннона процесса передачи информации по техническим каналам связи; смысл и назначение ее отдельных элементов.

Учащиеся должны уметь:

• приводить примеры информации и информационных процессов из области человеческой деятельности, живой природы и техники;

• определять в конкретном процессе передачи информации источник, приемник, канал;

• приводить примеры информативных и неинформативных сообщений;

• приводить примеры сообщений, несущих 1 бит информации;

• измерять информационный объем текста в байтах (при использовании компьютерного алфавита);

• пересчитывать количество информации в различных единицах (битах, байтах, Кбайтах, Мбайтах, Гбайтах);

• рассчитывать скорость передачи информации по объему и времени передачи, а также решать обратные задачи;

• *вычислять количество информации в сообщении о событии с известной вероятностью (в приближении равной вероятности и в общем случае).

Вопросы для самоконтроля и обсуждения к главе 7

1. В чем причина проблемы определения понятия «информация»? Какие возможны подходы к определению информации?

2. Как эволюционирует подход к линии информации и информационных процессов со сменой поколений школьных учебников?

3. Как объяснить ученикам разницу между декларативными и процедурными знаниями? Подберите серию примеров, иллюстрирующих эти понятия.

4. Объясните методический смысл введения понятия «информативность сообщения».

5. В чем состоит ограниченность содержательного подхода к определению и измерению информации? На каких примерах можно объяснить этот факт ученикам?

6. Как объяснить ученикам тот факт, что в информационной технике применяется алфавитный подход к измерению информации?

7. Пофантазируйте на тему: к каким последствиям привело бы принятие следующего определения единицы измерения информации: «Сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в 10 раз несет единицу информации, которая называется 1 дит».