ВВЕДЕНИЕ В КУРС ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ИНФОРМАТИКИ

БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

КОСТРОМА 2003 г.

ВВЕДЕНИЕ В КУРС ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ИНФОРМАТИКИ

БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Наука информатика, являясь наукой молодой, выросла в основном, базируясь на чисто практических нуждах общества. ХХ век поставил человечество перед практически безальтернативным выбором овладеть всевозрастающими объемами информации, создать средства быстрой и точной обработки информации. Что собственно и было сделано. Теоретическое осмысление и обоснование глубочайших по своему содержанию процессов, фактов, в лучшем случае, шло параллельно быстро развивающейся практике. В настоящее время формирование теоретических основ информатики продолжается и, как часто бывает в таких случаях, имеют место столкновения взглядов, позиций на ряд основополагающих понятий. Но так или иначе, теоретический фундамент информатики заложен, именно он является стержнем объединяющим, казалось бы, разрозненные практические дисциплины, такие как: Устройство компьютера, Криптография, Передача информации, Программирование и т. д.

Настоящее пособие освещает базовые понятия курса Теоретических основ информатики, такие как: информация, информационные процессы, кодирование информации, измерение количества информации. В пособии отражены различные точки зрения на основные, определяющие понятия информатики. Рассмотрены многочисленные примеры, позволяющие правильно толковать теоретические понятия, предлагаются упражнения для самостоятельной работы. Методическое пособие предназначено для учителей информатики, учащихся старших классов, а также студентов изучающих курс теоретических основ информатики. Обобщая и развивая материал по этой тематике, имеющийся в ряде пособий, данное издание призвано, в какой-то мере, восполнить дефицит методической литературы, имеющийся на данный момент по этим вопросам.

Все замечания, способствующие улучшению содержания пособия, будут восприняты с благодарностью.

Понятия «информация» и наука «информатика». Их происхождение. Информация как смысловое свойство материи.

Считается, что информатика, как область знания, сложилась в самостоятельную научную дисциплину в шестидесятые годы ХХ столетия, в основном благодаря исследованиям осуществленным в США и Великобритании (Ф. Бауэр, Г. Гооз Информатика). В настоящее время мы рассматриваем Информатику, как фундаментальную научную дисциплину, которая изучает информационные процессы, происходящие в системах различной природы, а также возможность их автоматизации. В её становление внесли вклад такие дисциплины, как математика, лингвистика, семиотика, логика, то, что за рубежом называется computer science (наука о компьютерах) и др.

Чтобы найти истоки информатики, надо понять, какие изменения произошли в представлении человека о мире, в научном мировоззрении, что заставило взяться за создание новой научной дисциплины. Информатику традиционно связывают с развитием компьютерной техники. Но компьютер послужил лишь катализатором тенденций, которые возникли в науке задолго до его появления.

Хорошо известно, что современная наука возникла около 400 лет назад. Тогда нарождающемуся производству, были нужны знания о свойствах материи. Начиная с XVI века преобразовательская, прагматическая сторона исследования материи становится основной движущей силой научных исследований, достигая поразительных успехов. «Природа — не храм, а мастерская, и человек в ней работник», — устами тургеневского Базарова говорил человек XIX века.

Как известно материя проявляется в двух формах:

• в форме вещества;

• в форме поля.

Человек научился преобразовывать в своих интересах и вещество, и поле. С введением в XIX веке понятия энергии, человечество получило возможность изучать с единой точки зрения явления, казалось бы весьма отдаленные – электрические и механические, биологические и тепловые. Это имело для развития производства колоссальный эффект. Установление законов изменения энергии, поиск ее источников на какое-то время стали одними из главных задач науки.

XX век с полным правом можно назвать веком научных революций. Теория относительности, квантовая теория, кибернетика и, наконец, информатика в корне поменяли научное представление о мире. Постепенно стало ясно, что преобразовательская деятельность, даже при достаточном количестве энергии, имеет свои ограничения. После взрыва атомной бомбы человечество особенно серьезно задумалось о том, что его действия могут иметь непредсказуемые последствия.

Постепенно пришло научное осознание факта (который на уровне религиозных воззрений был известен в глубокой древности), что каждый предмет, явление, событие имеет какой-то вполне определенный смысл в общей картине мироздания. По определению С. И. Ожегова: «Смысл – это внутренне содержание, значение чего-либо, постигаемое разумом». Человек в своей преобразовательской деятельности может учитывать или не учитывать этот смысл, однако в последнем случае есть опасность нарушить какие-то до конца не осознанные законы. А нарушение объективных законов всегда ведет к непредсказуемым, часто катастрофическим последствиям. Поэтому одной из главных задач современной науки стало выяснение смысловых или, иначе говоря, семантических свойств материи. Причем, большинство ученых склоняются к мысли, что в наибольшей степени семантическое свойство материи нашло свое отражение в научном языке в понятии «информация». В этой связи полезно вспомнить, что говорил об информации Н. Винер: “Информация – это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему”

Иными словами, информация как философская категория отражает семантические свойства материи.

Это, в частности, означает, что:

• будучи свойством материи, информация присуща каждому материальному объекту;

• будучи семантическим свойством материи, она отражает смысловую сторону материального объекта;

• поскольку всеобщей формой существования материи является ее движение, изменение, то информация — это свойство материи, задающее (определяющее, отражающее) направление этого движения, его цель.

Понятие смысла для человека чаще всего ассоциируется с восприятием сигналов, знаков, текстов, но его можно распространить и на объекты и явления живой и неживой природы.

Пример. К. Фриш установил, что танец пчел имеет вполне определенный смысл и смысл этот — в передаче информации. Особые сигнальные движения (танцы) оповещают пчел роя о направлении и расстоянии до источника медосбора. В настоящее время неопровержимо доказано, что и другие насекомые, в частности муравьи, обмениваются сигналами и обрабатывают получаемую информацию.

Пример. Как известно из атомов углерода состоят 3 вещества:

• алмаз — самое твердое вещество в природе;

• графит — слоистое кристаллическое вещество, наиболее устойчивая форма углерода;

• карбин — черный порошок. Разница их свойств обуславливается в наибольшей степени расположением атомов углерода, иначе говоря, структурой вещества: объемная тетраэдрическая у алмаза, плоская тригональная у графита, линейная у карбина. Смысл в данном случае можно понимать как упорядоченность атомов кристаллической решетки, которая обуславливает физические и химические свойства вещества.

Последний пример говорит, в частности, о том, что в ряде случаев понятие смысла можно свести _к понятию упорядоченности. Таким образом, роль смысла может играть структура, способ взаимосвязи. Можно предположить, что информация, заключённая во взаимном расположении атомов, определяет свойства вещества. В своей исследовательской деятельности человек, обнаружив определенную упорядоченность, связывает ее с определенным, возможно, скрытым смыслом. Так наблюдая, упорядоченные круговые горные структуры на исследуемой планете, астрономы делают вывод о наличии вулканической деятельности. Наличие объектов строгой геометрической формы на Марсе, позволяет предположить существование древней марсианской цивилизации. Часто встречающаяся удивительная упорядоченность постоянно напоминает о скрытом в ней смысле (информации).

Однако, несмотря на то, что большинство ученых стоят на позиции, что информация является семантическим свойством материи, в настоящее время существуют следующие точки зрения:

1. Любой объект материального мира обладает определенным смыслом, следовательно, информация есть свойство любого материального объекта.

2. Смысл можно искать только в объектах живой природы и социотехнических системах, следовательно, понятие «информация» следует относить только к ним.

3. Человек в процессе познания и практической деятельности приписывает объектам некоторый смысл. В этом случае, информация субъективна и существует только в человеческом сознании.

Противоположность взглядов на происхождение информации не влияет на единство подходов к изучению свойств информации, их проявлений в информационных процессах и возможность автоматизации этих процессов с помощью средств вычислительной техники.

Свидетельством тому является распространение в науке системного подхода, ставшего ведущим методом современного научного познания. В самой общей формулировке он означает, что каждый объект принадлежит некоторой системе объектов, обладает в рамках этой системы определенным смыслом (несет некоторую информацию) и должен рассматриваться в контексте этой системы. Из этого следует, в частности, что объект невозможно произвольным образом преобразовывать, не затронув при этом других.

Какова бы ни была позиция на происхождение информации, имеется полное понимание и принятие того факта, что появление и совершенствование вычислительной техники обусловлено потребностями общества в быстрой и, что не менее важно, безошибочной обработке информации. А это, в свою очередь, позволяет своевременно адаптироваться к меняющимся условиям окружающей действительности, принимать более обоснованные решения, составлять более точные прогнозы последствий принимаемых решений.

Быстрое увеличение объема циркулирующей в обществе информации ставит современного человека перед проблемой умения работать с ней: находить, отбирать нужное, хранить, упаковывать и быстро извлекать из хранилища, обрабатывать и преобразовывать. Причем информация сегодня все чаще представляется не только в текстовом, наиболее привычном виде, но и как видео и аудиоматериалы, схемы и анимационная графика и т. п. Умение работать с информацией становится одним из основных для человека, и этому умению, как и любому другому, следует учиться.