Лекции

по ИНФОРМАТИКЕ

Чебоксары 2010

Введение

Информатика входит в число базовых дисциплин системы высшего образования и в комплексе с другими фундаментальными дисциплинами формирует основу профессионального образования в ВУЗе. Целью данного курса лекций является формирование целостного представления об информатике как фундаментальной науке через систематическое и последовательное изучение современных информационных технологий и, конечно, получение практических навыков работы с ними.

Трудно назвать другую сферу человеческой деятельности, которая развивалась бы столь стремительно и порождала бы такое разнообразие проблем, как информатизация и компьютеризация общества.

Еще несколько лет назад бесспорным казался лозунг «Программирование – вторая грамотность», под которым подразумевалось умение каждого образованного человека создавать алгоритмы и программировать в своей предметной области на каком–либо языке программирования. В современной жизни весьма актуальным для подавляющего большинства людей стало не столько программирование, сколько умение пользоваться современными информационными технологиями, готовыми программами и, грубо говоря, «не бояться» компьютера.

  Проникновение компьютеров во все сферы жизни общества убеждает в том, что культура общения с компьютером становится частью общей культуры человека – термины «Word», e-mail, файл….. стали такими же обыденными как «телефон», «телевизор» и т.п. Сегодня важнейшей составляющей образованности человека является свободное владение информационными технологиями, так как деятельность людей все в большей степени зависит от информированности и способности эффективно использовать информацию.

• Существуют четыре «жизненных закона» теории информации: Информация, которая у вас есть, не та, которую вам хотелось бы получить.

• Информация, которую вам хотелось бы получить, не та, которая вам на самом деле нужна.

• Информация, которая вам на самом деле нужна, вам недоступна.

• Информация, которая в принципе вам доступна, стоит больше, чем вы можете за нее заплатить.

Чтобы избежать этих проблем квалифицированный специалист любого профиля (как технического, так и гуманитарного) должен уметь находить (извлекать), обрабатывать и использовать информацию с помощью компьютеров и других вычислительных и телекоммуникационных средств. Знания информатики и информационных технологий – необходимые требования профессиональной пригодности в XXI веке.

Как же возникло понятие информатика, является ли она наукой, как она связана с такими, например, понятиями как информация, компьютер, общество?

На современном этапе развития человечества связывают с построением и переходом к новой формации – информационному обществу (ИО). Его основные черты:

1. большинство работающих (около 80%) занято в информационной сфере, то есть сфере производства информации и информационных услуг;

2. обеспечена возможность доступа любому члену общества практически в любой точке территории в приемлемое время к нужной ему информации (за исключением государственной тайны);

3. В ИО информация – важнейший стратегический ресурс общества и занимает ключевое место в экономике, образовании, культуре.

Научный фундамент процесса информатизации – наука информатика. Таким образом, можно сказать, что информатизация общества – процесс проникновения информационных технологий во все сферы жизни и деятельности общества.

Однако роль информации, информатики и компьютерных технологий обработки информации стала заметной лишь в последние десятилетия. Почему это так? Когда начался данный процесс и в чем его причины? Краткий экскурс в историю, чтобы все это понять. Для характеристики информационного обеспечения исторических эпох выделим несколько параметров:

• организация передачи информации в пространстве (то есть распространение информации между удаленными людьми в относительно небольшой временной интервал);

• организация передачи информации во времени (то есть накопление и хранение информации);

• организация обработки информации, то есть преобразование ее с целью использования в практических целях – управление, образование, создание новой информации (наука).

Все эти показатели развивались очень неравномерно, что привело к возникновению, а затем и преодолению так называемых информационных барьеров. Из сказки о мамонтах вы должны были догадаться, что они образовывались в результате противоречий между информационными запросами общества и техническими возможностями их обеспечения. Их три:

1. V тысячелетие до н.э. Противоречие – необходимо сохранять и передавать накопленные опыт и знания, а не на чем. Появление письменности. Носителями информации стали камни, глиняные таблички, папирус, пергамент, а во II веке до н.э. появилась и бумага. Таким образом, хранилище информации – не только человеческий мозг.

2. XV век – развитие производства (появление цехов. мануфактур и т.п) – как следствие потребность в большом числе образованных людей, способных всем этим управлять. Противоречие состояло в том, что рукописных книг не хватало. Было изобретено книгопечатание (в Европе в XV веке Гутенбергом и в XVI веке Иваном Федоровым). Основной носитель информации – бумага. Скорость передачи ее = скорости передачи бумажного носителя. Глушков назвал это «бумажная информатика».

Затем – к началу XX века изменилась ситуация со скоростью распространения информации – сначала почта, потом телеграф, телефон, 1905 г. – радио, 20–30 гг. – телевидение. Появились и устройства для хранения информации – фотография, кинолента, магнитная запись. Не изменилась только переработка информации – по-прежнему эту функцию выполнял только человек.

3. середина XX столетия. Общие объемы информации настолько возросли, что человеческий мозг не был в силах с ними справиться. Еще толчок – II мировая война. И был изобретен компьютер. Об этой истории поговорим подробнее на одной из следующих лекций.

§1. Носители информации

Наша цивилизация немыслима в её сегодняшнем состоянии без носителей информации. Наша память ненадёжна, поэтому достаточно давно человечество придумало записывать мысли во всех видах.

Носитель информации – это любое устройство, предназначенное для записи и хранения информации.

Примерами носителей могут быть и бумага, или USB – Flash-память, также как и глиняная табличка или человеческая ДНК. Информация тоже бывает разная – это и текст, и звук, и видео. История носителей информации начинается довольно давно.

Камни и стены пещер – палеолит (от 40 до 10 тыс. лет до нашей эры) Первыми носителями информации были, по всей видимости, стены пещер. Наскальные изображения и петроглифы (от греч. petros – камень и glyphe – резьба) изображали животных, охоту и бытовые сцены. На самом деле точно неизвестно, предназначались ли наскальные рисунки для передачи информации, служили простым украшением, совмещали эти функции или вообще нужны были для чего–то ещё. Тем не менее, – это самые старые носители информации, известные сейчас. Глиняные таблички – 7-й век до н.э. На глиняных табличках писали пока глина была сырой, а затем обжигали в печи. Именно глиняные таблички составили основы первых в истории библиотек, наиболее известной из которых является библиотека Ашшурбанипала в Ниневии (7 век), которая насчитывала около 30 тысяч клинописных табличек.

Восковые таблички – это деревянные таблички, внутренняя сторона которых покрывалась цветным воском для нанесения надписей острым предметом (стилосом). Использовались в древнем Риме.

Папирус – 3000 лет до н.э.

Папирус – писчий материал получивший распространение в Египте и во всем Средиземноморье, для изготовления которого использовалось растение семейства осоковых. Писали на нем при помощи специального пера.

Пергамент – 2 век до нашей веры

Пергамент постепенно вытеснял папирус. Название материала происходит от города Пергам, где стали впервые изготавливать этот материал. Пергамент представляет собой недубленую выделанную кожу животных – овечью, телячью или козью.

Популярности пергамента способствовало то, что на нём (в отличие от папируса) есть возможность смыть текст, написанный растворимыми в воде чернилами (см. палимпсест) и нанести новый. Кроме того, на пергаменте можно писать с обоих сторон листа.

Бумага – 1-й или начало 2 века н.э.

Предполагается, что бумага была изобретена в Китае в конце первого или начале второго века н.э.

Широкое распространение получила благодаря арабам только в 8–9 веках.

Береста – широкое распространение с 12 века.

Берестяные грамоты использовались в Новогороде и были открыты учеными в 1951 году.

Тексты берестяных писем выдавливались с помощью специального инструмента – стилоса, изготовленного из железа, бронзы или кости. Перфокарты – появились в 1804 году, запатентованы в 1884 году Появление перфокарт в основном связывается с именем Германа Холлерита, который применил их для проведения переписи населения в США в 1890 году. Тем не менее первые перфокарты были созданы и использованы существенно раньше. Жозеф Мари Жаккард использовал их для того чтобы задавать рисунок ткани для своего ткацкого станка ещё в 1804 году.

Перфоленты – 1846 год.

Перфолента впервые появилась в 1846 году и использовалась для того, чтобы посылать телеграммы.

Магнитная лента – 50-е годы.

В 1952 году магнитная лента была использована для хранения, записи и считывания информации в компьютере IBM System 701.

Далее магнитная лента получила огромное признание и распространённость в форме компакт-кассет.

Магнитные диски – 50-е годы.

Магнитный диск был изобретен в компании IBM в начале 50-х годов.

Гибкий диск – 1969 год.

Первый, так называемый, гибкий диск был впервые представлен в 1969 году. Жесткий диск – настоящее время.

Вот мы и добрались до современности.

Жесткий диск изобретен в 1956 году, но продолжает использоваться и постоянно совершенствоваться.

Compact Disk, DVD – настоящее время.

На самом деле CD И DVD это очень близкие технологии, отличающиеся не столько типом носителя, сколько технологией записи.

Flash – настоящее время.

Естественно здесь перечислены далеко не все придуманные и использованные человечеством носители информации. Часть видов носителей опущена специально (CD–R, Blue Ray, магнитные барабаны, лампы), а часть конечно просто забыта.

Современные носители – характеристики

1. Объем: к настоящему времени мы придумали такие способы сохранить информацию, что информацию, содержащуюся в миллионе книг можно уместить в устройстве, размером с небольшой дипломат.

2. Поиск: при помощи современных средств хранения информации можно найти что-нибудь в этом море информации.

3. Универсальность: мы можем сейчас хранить существенно больше видов информации, чем раньше. Нам теперь доступны возможности хранения видео и звука, что было затруднительно раньше.

4. Простота репликации: благодаря современным способам хранения информации, её копирование стало чрезвычайно простым и дешёвым, и это возможно самое важное достижение, без которого все остальные были бы не очень ценны из-за чрезвычайного снижения надёжности носителей информации.

Однако все имеет свою цену.

Современные носители – цена

1. Современные носители информации таковы, что для извлечения информации требуется потратить существенно больше энергии, чем раньше. Для считывания информации с бумаги, с глиняной таблички или поверхности камня необходимо было лишь небольшое количество света и некоторые затраты, которую требуются человеку для осуществления самого процесса чтения.

2. Мы платим за все плюсы современных средств хранения информации очень небольшой их надёжностью, по сравнению со средствами хранения, которые были у нас раньше. Наскальные рисунки сохранились многие тысячи лет, тоже можно сказать о глиняных табличках, берестяных грамотах и египетских папирусах.

Разное:

• Мы пытаемся решить проблему надёжности бесконечным копированием информации (созданием «резервных» копий), потому что на самом деле другого способа нет;

• Уменьшение надёжности является вполне естественным – чем больше информации мы умещаем на небольшой площади, тем менее избыточным, а значит, менее надёжным становится наше хранилище;

• Именно из-за чрезвычайного уменьшения надёжности концепция «безбумажного офиса» до сих пор окончательно не реализована;

• Мы заплатили за все современные возможности носителей информации увеличением цены (большими затратами энергии) и уменьшением надёжности;

• Революция случится тогда, когда будет создан носитель информации, имеющий современные характеристики и хотя бы такой же надёжный как бумага.

Термин «информатика» появился и установился не сразу. В СССР в 60-е годы все вопросы по разработке, функционированию и применению АС обработки информации назывались термином кибернетика. Это не совсем удачно, поскольку на самом деле Кибернетика – это наука о законах управления в живой и неживой природе, то есть охватывает лишь часть используемых человеком информационных процессов и систем. В Америке и англоязычных странах – термин «computer science», а во Франции «informatique» – «информатика». Он и вошел в жизнь в середине 70-х гг.

У большинства людей слово «информатика» ассоциируется, прежде всего, и только с компьютером. На самом деле, кроме компьютера в информатике есть еще много полезных и не менее увлекательных вещей. Существует несколько определений понятия термина «информатика».

Информатика, это:

1. название фундаментальной естественной науки, изучающей общие свойства информации, процессы, методы и средства ее обработки (сбор, хранение, преобразование, перемещение, выдача);

2. наука о преобразовании информации, которая базируется на вычислительной технике. Состав информатики – это три неразрывно и существенно связанные составные части: технические средства, программные и алгоритмические;

3. комплексная научная и технологическая дисциплина, которая изучает аспекты разработки, проектирования, создания машинных систем обработки данных, а также их воздействия на жизнь общества;

4. наука о проблемах обработки различных видов информации, создании новых видов высокоэффективных ЭВМ, позволяющая представлять человеку широкий спектр информационных ресурсов;

5. наука об осуществляемой с помощью автоматических средств целесообразной обработке информации, рассматриваемой как представление знаний и сообщений в технических, экономических и социальных областях;

6. наука, техника и применение машинной обработки, хранения и передачи информации;

7. отрасль науки, изучающая структуру и общие свойства научной информации, а также вопросы, связанные с ее сбором, хранением, поиском, переработкой, преобразованием, распространением и использованием в различных сферах деятельности.

Как следует из всех этих определений, термином «информатика» обозначают совокупность научных направлений, изучающих информацию, информационные процессы в природе, обществе, технике, формализацию и моделирование как методы познания, способы представления, накопления, обработки и передачи информации с помощью технических средств и многое другое.

Информатика – это не только «чистая» наука. У нее, конечно, есть научное ядро. Но важная особенность информатики – широчайшие приложения, охватывающие почти все сферы человеческой деятельности. Как наука, информатика изучает общие закономерности, свойственные информационным процессам и именно эти общие закономерности есть предмет информатики как науки. Объектом приложений информатики являются самые различные области науки и практической деятельности, для которых она стала непрерывным источником самых современных технологий – «новых информационных технологий».

«Ядро» (как бы теоретическая часть) информатики состоит из следующих частей:

• Теоретическая информатика – часть информатики, занимающаяся изучением структуры и общих свойств информации и информационных процессов. Основана на использовании математических методов и включает ряд математических разделов (теория алгоритмов, теория автоматов, теория кодирования. Математическая логика, исследование операций и др).

• Вычислительная техника – раздел, в котором описываются общие принципы построения вычислительных систем. Речь идет о принципиальных решениях на уровне архитектуры вычислительных систем, определяющей состав, назначение, функциональные возможности и принципы взаимодействия устройств.

• Программирование – деятельность, связанная с разработкой систем программного обеспечения.

• Информационные системы – раздел информатики, связанный с решением вопросов по анализу потоков информации в различных сложных системах, их оптимизации, структурировании, принципах хранения и поиска информации. Информационно-справочные системы, информационно-поисковые системы, и, конечно, Internet привлекают внимание все большего числа пользователей. Без теоретического обоснования принципиальных решений в океане информации можно просто захлебнуться. Известный пример решения проблемы на глобальном уровне – гипертекстовая поисковая система – WWW, а на значительно более низком уровне – справочная система 09.

• Искусственный интеллект – область информатики, в которой решаются сложнейшие проблемы, находящиеся на пересечении с психологией, физиологией, лингвистикой и другими науками. Основные направления разработок в этой области – моделирование рассуждений, компьютерная лингвистика, машинный перевод, создание экспертных систем и другие. И вечный вопрос – сможет ли компьютер думать и как научить его делать это?

Проанализировав приведенные рассуждения можно нарисовать схему – о месте информатики в системе наук: