Информатика


Е. Л. Федотова, А. А. Федотов






                ИНФОРМАТИКА




КУРС ЛЕКЦИЙ



Рекомендовано Учебно-методическим Советом Московского государственного института электронной техники (Технический университет) в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности «.Биотехнические и медицинские системы и аппараты», «Системы автоматизированного проектирования»,
«Микроэлектроника и твердотельная электроника», «Нанотехнология в электронике» и др.






znanium.com

Москва
ИД «ФОРУМ» - ИНФРА-М
2018

УДК 004(075.8) ББК 32.973я73
Ф34

ФЗ Издание не подлежит маркировке
         436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11





Рецензенты:
доктор технических наук, профессор кафедры информационных технологий Института искусств и информационных технологий О. И. Лисов;
доктор технических наук, профессор кафедры информатики и программного обеспечения вычислительных систем Московского государственного института электронной техники Л. Г. Гагарина;
доктор педагогических наук, директор центра образования № 2045 Л. Ю. Круглова




       Федотова Е.Л.
Ф34 Информатика. Курс лекций : учеб. пособие / Е.Л. Федотова, А.А. Федотов. - М. : ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2018. - 480 с. -(Высшее образование).

         ISBN 978-5-8199-0448-0 (ИД «ФОРУМ»)
         ISBN 978-5-16-004571-9 (ИНФРА-М, print)
         ISBN 978-5-16-102696-0 (ИНФРА-М, online)

         Приведены базовые понятия в области информатики, описаны основные категории аппаратных и программных средств вычислительной техники, базовые принципы построения архитектур вычислительных систем. Рассмотрены структурная организация данных и основы алгоритмизации, виды программного обеспечения, классификации информационных технологий и систем, современные системы автоматизации документооборота и делопроизводства, основы построения систем искусственного интеллекта, геоинформационных систем, систем виртуальной реальности, а также основы информационной безопасности.
         Пособие предназначено для студентов высших технических учебных заведений, изучающих дисциплину «Информатика», для преподавателей и специалистов, работающих в этой сфере, а также для лиц, изучающих данную предметную область самостоятельно.

                                                              УДК 004(075.8)
                                                              ББК 32.973я73





ISBN 978-5-8199-0448-0 (ИД «ФОРУМ»)
ISBN 978-5-16-004571-9 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-102696-0 (ИНФРА-М, online)

© Федотова Е. Л., Федотов А. А., 2016
© ИД «ФОРУМ», 2016

            Предисловие







   Модернизация высшего профессионального образования оказывает влияние на организацию всей системы совершенствования образовательного процесса вуза, стимулирует поиски новых методов, средств, форм обучения, заставляет пересматривать содержание и ценностные приоритеты высшего профессионального образования.
   Основанием модернизации современной системы высшего профессионального образования стала концепция образования ЮНЕСКО «Образование на протяжении всей жизни»¹. В качестве факторов, влияющих на модернизацию, называются глобализация, демократизация, информатизация, поляризация, регионализация образования и проблема формирования у студентов чувства национальной самоидентификации.
   Развитие и включение в образовательные процессы синергетических представлений об открытости, изменяемости и необратимости мира, целостности и взаимосвязанности человека, природы и общества обусловливают переход от нормативного к открытому обучению, в центре которого находится человек с его неповторимостью как постоянный источник стихийности, неупорядоченности, непредсказуемости и в то же время — источник развития, нелинейного сталирующего роста.
   В условиях глобализации и ускорения научно-технического развития с их новыми поставщиками образования, новыми учащимися и новыми формами обучения студентоцентрированное обучение и мобильность помогут студентам сформировать компетенции, необходимые им на меняющемся рынке труда, и позволят стать активными и ответственными гражданами; возникает необходимость постоянно реформировать учебные программы, обеспечивать возможность высококачественных, гибких и

   ¹ «Обучение на протяжении всей жизни» — на пути к реализации целей программы ЮНЕСКО «Образование для всех». Пятая международная конференция, София, Болгария, 6—9 ноября 2002 г.

Предисловие

индивидуализированных образовательных траекторий, а также повышать качество преподавания учебных дисциплин.
   Особую роль в повышении качества образования призвана сыграть его информатизация, понимаемая как создание педагогически спроектированной информационно-образовательной среды высшего учебного заведения, подключенной к мировому образовательному пространству и удовлетворяющей культурно-образовательные потребности современного специалиста.
   Компетентностный подход к обучению специалистов становится основным средством фундаментализации образования на современном этапе образования, позволяющим формировать общие виды деятельности у будущего специалиста, направленные на «объяснения мира» в контексте изучаемого учебного предмета или дисциплины.
   Обучение в вузе нацелено на подготовку творческих выпускников, способных функционировать в обществе знаний и в полном объеме пользоваться преимуществами обучения в течение всей жизни путем избрания соответствующих образовательных траекторий.
   Применение методов информатики и кибернетики как наук, изучающих проблемы производства и обращения информации и проблемы управления в информационной сфере, объясняется необходимостью изучения физических особенностей и свойств объектов информационных отношений — информации, информационных технологий и средств их обеспечения, информационных процессов и информационной безопасности.
   Цель данного учебного пособия — помочь современному студенту научиться объединять теорию и практику в области профессиональной подготовки, понимать важность абстракции и моделирования, приобретать знания в области информатики и современных информационных технологий и систем, представлять научную картину мира в информационной парадигме, уметь использовать аудиовизуальные, компьютерные и видеокомпьютерные технологии.
   Пособие состоит из семнадцати лекций. В нем рассмотрены базовые понятия в области информации, информатизации, информатики, информационных технологий и систем, синергетический подход в информатике и кибернетике, приведены основные принципы, методы и свойства информационных и коммуникационных технологий, обсуждаются прикладное программное

Предисловие

5

обеспечение и информационные ресурсы в профессионально-прикладной деятельности, прикладные информационные системы, системы искусственного интеллекта, системы виртуальной реальности, интернет-технологии, технология мультимедиа, проблемы формирования профессионального информационного пространства, вопросы информационной безопасности и защиты информации и пр.
   Актуальной задачей на сегодняшний день для крупных предприятий и корпораций в информационном плане является обеспечение надежного управления всем объемом разнородных данных, которые порождаются, хранятся и используются в различных информационных системах, существующих на предприятии и связанных с информационной поддержкой продукции в течение ее жизненного цикла. Разнообразие задач, решаемых с помощью информационных систем, привело к появлению множества разнотипных систем, отличающихся принципами построения и заложенными в них правилами обработки информации.
   Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, изучающих дисциплину «Информатика», обучающихся по специальности 200104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника», 010803 «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы», 210100 «Электроника и микроэлектроника», 230104 «Системы автоматизированного проектирования» и других специальностей технического профиля, желающих изучить базовые основы информатики и современных информационных технологий, а также для преподавателей и специалистов, работающих в данных предметных областях.
   В конце каждой лекции даны контрольные вопросы, позволяющие определить качество усвоения материала.
   Основное отличие данного пособия от аналогичных изданий заключается в широте охвата предметной области. Материал прошел апробацию в Московском государственном институте электронной техники (Техническом университете), Московском городском педагогическом университете, Институте государственного управления, права и инновационных технологий, Московском институте управления, Институте искусств и информационных технологий.

            Лекция 1
            ИНФОРМАТИЗАЦИЯ ОБЩЕСТВА









1.1. Роль информации в истории развития цивилизации

   Информация — это фундаментальное научное понятие. Оно широко используется и в науке, и в повседневной жизни.
   В настоящее время не существует единого определения термина «информация». В различных областях знания данное понятие описывается своим специфическим набором признаков. Например, «информация» может трактоваться как совокупность данных, зафиксированных на материальном носителе, сохраняемых и распространяемых во времени и пространстве.
   Информация (от лат. Informatio — осведомление, разъяснение, изложение, от лат. informare — придавать форму) в широком смысле — абстрактное понятие, имеющее множество значений в зависимости от контекста. В узком смысле этого слова — сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления.
   Можно выделить три подхода к определению понятия «информация»: антропоцентрический, техноцентрический и недетерминированный
   Антропоцентрический подход состоит в том, что информацию отождествляют со сведениями или фактами, которые могут быть получены и усвоены, т. е. преобразованы в знания (например, такой подход применяется в российском законодательстве). Недостатки антропоцентрического подхода заключаются в том, что в его рамках невозможно найти адекватного объяснения генетической информации живой природы и абстрактной информации, не имеющей соответствующего отображения в природе и обще

1.1. Роль информации в истории развития цивилизации

7

стве. С такой информацией имеют дело теология, идеалистическая философия, некоторые разделы математики. Антропоцентрический подход до последнего времени широко применялся в области правовых и общественных наук. Однако в связи с широким внедрением вычислительной техники (ВТ) и информатики все чаще раскрываются его недостатки. Например, подход к информации только как к сведениям не позволяет адекватно интерпретировать такие информационные объекты, как компьютерные программы. В пассивном состоянии (в момент создания, распространения) компьютерная программа — это действительно набор сведений. Их можно просмотреть, размножить, распечатать, т. е. перевести в другую форму, а также усвоить как знания. В активном состоянии, при работе на компьютере, т. е. во время взаимодействия с аппаратным методом, компьютерная программа — это не совокупность сведений, а совокупность команд, т. е. это программный метод.
   Техноцентрический подход заключается в том, что информацию представляют как данные, которые не во всех случаях можно считать информацией (например, в Интернете одни и те же данные, передаваемые сервером, могут интерпретироваться клиентом как разная информация в зависимости от того, какими аппаратно-программными методами он располагает и как они настроены). По компьютерным сетям передаются только данные, компьютеры обрабатывают только данные, в базах данных хранятся тоже только данные. Станут ли эти данные информацией и если да, то какой, — зависит не только от данных, но и от многочисленных аппаратных, программных и естественных методов. Одни и те же данные, хранящиеся в базе, могут интерпретироваться как различная информация в результате специального программного средства СУБД (системы управления базой данных). На примере средств криптографии и средств для работы с электронно-цифровой подписью мы увидим, что данные становятся информацией только у тех лиц, которые обладают соответствующими правами. В российском законодательстве мы не находим явных признаков техноцентрического подхода, но они имеются в законодательствах других государств, например Германии. В частности, такие понятия, как «информация», «доступ к информации», «модификация информации», во всех случаях, когда речь идет об эксплуатации технических систем, представляются как «данные», «доступ к данным», «модификация данных».

Лекция 1. Информатизация общества

   Недетерминированный подход состоит в отказе от определения информации на том основании, что это понятие является фундаментальным, как, например, материя и энергия. В частности, мы не найдем определения информации в «Законе о государственной тайне» и в «Законе о средствах массовой информации», хотя и в том, и в другом правовом акте это понятие используется.
   Отсутствие определения использованного понятия — это не недосмотр законодателя. Во многих случаях отказ от определения информации является традиционным. В лучшем случае информацию рассматривают как содержательную часть данных, интерпретируемых человеком (синтез антропоцентрического и техноцентрического подходов).
   Следовательно, информация — это совокупность знаний о фактических данных и зависимостях между ними. Выделяют три фазы существования информации:
   • ассимилированная информация (представление сообщений в сознании человека, наложенное на систему его понятий и оценок);
   • документированная информация (сведения, зафиксированные в знаковой форме на физическом носителе);
   • передаваемая информация (сведения, рассматриваемые в момент передачи информации от источника к приемнику).
   В дальнейшем будем рассматривать только документированную и передаваемую информацию.
   Итак, информация — это новые сведения, позволяющие улучшить процессы, связанные с преобразованием вещества, энергии и самой информации. Информация неотделима от процесса информирования, поэтому необходимо рассматривать источник информации и потребителей информации. Информацией являются сведения, расширяющие запас знаний конечного потребителя.
   В практическом смысле, понятном каждому, определение информации дал С. И. Ожегов¹:
   информация — это:
   1.    Сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах.
   2.    Сообщения, осведомляющие о положении дел, о состоянии чего-либо.

   ¹ Ожегов С. И. Словарь русского языка. 22-е изд., 1990.

1.1. Роль информации в истории развития цивилизации

9

   До середины 20-х годов XX в. под информацией (в переводе с лат. — ознакомление, разъяснение, изложение) действительно понимались «сообщения и сведения», передаваемые людьми устным, письменным или другим способом. Впервые в научный обиход это понятие ввел в 1929 г. физик Д. Сциллард для характеристики уровня организации термодинамической системы.
   Свойства информации. Качество информации — степень ее соответствия нуждам потребителей. Свойства информации являются относительными, так как зависят от нужд потребителя информации. Выделяют следующие свойства, характеризующие качество информации:
   • объективность информации характеризует ее независимость от чьего-либо мнения или сознания, а также от методов получения. Более объективна та информация, в которую методы получения и обработки вносят меньший элемент субъективности;
   • полнота — информацию можно считать полной, когда она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильного решения набор показателей. Как неполная, так и избыточная информация снижает эффективность принимаемых на ее основании решений;
   • достоверность — свойство информации быть правильно воспринятой. Объективная информация всегда достоверна, но достоверная информация может быть как объективной, так и субъективной;
   • адекватность — степень соответствия реальному объективному состоянию дела;
   • доступность информации — мера возможности получить ту или иную информацию;
   • актуальность информации — это степень соответствия информации текущему моменту времени;
   • эмоциональность — свойство информации вызывать различные эмоции у людей. Это свойство информации используют производители медиаинформации. Чем сильнее вызываемые эмоции, тем больше вероятности обращения внимания и запоминания информации.
   С середины XX в. информация определяется как общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом; передачу призна

Лекция 1. Информатизация общества

ков от клетки к клетке, от организма к организму (генетическая информация).
    Также научное определение информации дается, если предположить, что информация — это динамический объект, не существующий в природе сам по себе, а образующийся в ходе взаимодействия данных и методов. Он существует ровно столько, сколько длится это взаимодействие, а все остальное время пребывает в виде данных.
    Информация на пути от источника к потребителю проходит через ряд преобразователей — кодирующие и декодирующие устройства, вычислительную машину, обрабатывающую информацию по определенному алгоритму, и т. д.
    На промежуточных стадиях преобразования смысловые свойства сообщений отступают на второй план ввиду отдаленности потребителя, поэтому понятие «информация» заменяется более общим понятием «данные». Данные представляют собой набор утверждений, фактов и/или чисел, лексически и синтаксически взаимосвязанных.
    Информация — продукт взаимодействия данных и методов, рассмотренный в контексте этого взаимодействия. В этом определении не говорится о форме, в которой представлены данные, она может быть абсолютно любой. Если данные графические, а метод взаимодействия — наблюдение, то образуется визуальная информация. Если данные текстовые или речевые, а метод их потребления — чтение или прослушивание, образуется текстовая информация.
    Контекстный метод — это такой метод, который является общепринятым для работы с данными определенного типа. Этот метод должен быть известен как создателю данных, так и потребителю информации. Для иллюстраций (графических данных) контекстным является метод наблюдения, основанный на зрении, — графическая или визуальная информация. Для текстовых данных подразумевается контекстный метод чтения, основанный на зрении и на знании языка и азбуки. Для данных, представленных радиоволнами, контекстными являются аппаратные методы преобразования данных и потребления информации с помощью радиоприемника или телевизора — телевизионная информация, информационная программа, информационный выпуск и т. п. Для данных, представленных в числовой форме и хранящихся в виде сигналов, зарегистрированных на магнитных