8. Основные понятия теории информации и теории кодирования. Кодирование информации. Первая и вторая теорема Шеннона. Системы счисления.

Изучением информатики как таковой (т.е. в виде абстрактного объекта, лишенного конкретного содержания), выявлением общих свойств информации, законов, управляющих ее рождением, развитием и уничтожением, занимается теория информации. Информацию, которая где-то содержится, например, в сообщении, можно рассматривать с различных точек зрения, например, насколько она новая или неожиданная. Теория информации – это одно направление научных исследований, вторым направлением является теория кодирования. Теория кодирования занимается изучением форм, в которые может быть преобразовано содержание любой конкретной информационной единицы (передаваемого сообщения, гранулы знаний и т.п.) Часто эти два направления объединяют в теорию связи. Теория связи – это изучение систем связи с использованием математических моделей их функционирования.

Информация, полученная в виде сообщения может быть передана и представлена в любом виде (набор символов, звук, изображение и т.д.). Т.к. компьютер производит внутреннюю обработку информации представленную только в числовой форме, сначала полученная информация должна быть преобразована. Информацию кодируют, т.е. каждому символу, точке, звуку, знаку ставится в соответствие определенная, в данном случае числовая, последовательность.

КОДИРОВАНИЕ – это процесс представления информации в определенной форме с помощью некоторого алфавита. Математически этот процесс описывается отображением произвольного множества в множество конечных последовательностей (слов) некоторого алфавита. Дискретная информация записывается с помощью некоторого конечного набора знаков, которые условно называются буквами. Буква в данном расширенном понимании – это любой из знаков, которые некоторым соглашением установлены для общения. Эти знаки составляют алфавит кода. КОД – это конечное или счетное множество слов в некотором алфавите, который используется для представления информации.

Правило преобразования информации из одной символической формы представления (исходного алфавита) в другую (объектный алфавит) желательно (обычно) без каких-либо потерь информации также является кодированием. Процесс преобразования исходного алфавита в объектный называется кодированием, обратный процесс называется декодированием.

Передача информации подразумевает, что имеется «источник информации» и «получатель информации». Информация от источника к получателю передается посредством какой-нибудь среды, являющейся в таком случае «каналом связи». КАНАЛ СВЯЗИ – это путь, по которому передается информация, он может быть физическим или виртуальным.

Теория связи. Основные понятия теории кодирования. Побуквенное кодирование.

Для устранения искажений и уменьшения воздействия помех до приемлемого уровня используется различные способы кодирования. Считается, что в любом канале действует источник помех, который в дополнение к передаваемому сигналу вводит свою «информацию». Назначением кодирования и декодирования является формирование принимаемого сообщения , достаточно точно совпадающего с передаваемым сообщением, несмотря на влияние «информации», поступающей от источника помех. Создание помехоустойчивой системы связи при работе с информацией определяет некоторые задачи: установление самого факта того, что произошло искажение информации; выяснение того, в каком именно месте передаваемой информации произошло это искажение; исправление ошибки, хотя бы с некоторой степенью достоверности.

В теории связи существует утверждения, что любой сколь угодно зашумленный канал обладает определенной пропускной способностью – скоростью передачи информации, которая никогда не может быть превышена без ошибок, но в принципе достижима с некоторой произвольно малой вероятностью ошибки. Это утверждение является теоремой о канальном кодировании. Впервые она была сформулирована и доказана К.Э.Шенноном. Наиболее широкое применение получили такие коды как, проверка на четность, коды Хэмминга, циклические проверки для обнаружения ошибок, простейшие сверточные коды и т.п.

Шеннон показал, что всегда существует некоторый код с исправлением ошибок, с помощью которого можно снизить вероятность ошибки до любого заранее установленного уровня. Шеннону не удалось показать, как построить такой код, но он показал, что произвольно выбираемые коды не хуже других, при условии, что их длина очень велика. ( Построение такого кода остается центральной проблемой теории кодирования.)

Длина кода – это число генерируемых в процессе операции кодирования символов. Обычно число вводимых в кодер символов фиксировано; число выводимых может быть фиксированным, либо переменным, в зависимости от типа используемого кодера, который может формировать код фиксированной или переменной длины.

Код фиксированной или постоянной длины – это код, ставящий в соответствие определенному количеству символов источника определенное количество выходных символов. Как правило, это блочный код. Блочный код – это код с исправлением ошибок или код с обнаружением ошибок, в котором за одну операцию на вход кодера поступает фиксированное число (например, k) знаков, а на выходе генерируется кодовое слово, состоящее из большего числа знаков (например, n). Этот код иногда называют (n,k) – кодом, т.е. с длиной блока k и длиной кодового слова n. В теории кодирования блок – это упорядоченный набор символов, имеющих обычно фиксированную длину, можно, в общем случае, считать синонимом терминов слово и цепочка, но обязательно фиксированная длина. Декодер за одну операцию принимает n знаков и выдает k знаков. Поскольку кодовые слова длиннее входных слов, число одновременно принимаемых слов не так велико. Кодовые слова формируются фактически путем выбора из множества слов соответствующей длины, а именно способ выбора придает коду те или иные конкретные свойства.

Кодирование информации позволяет декодеру с большой вероятностью успеха исправить любые ошибки, возникающие в канале при искажении сигнала помехой. Коды с исправлением ошибок применяются в системах с прямым исправлением, не зависимо от того блочный это код или сверточный. Кодами с исправлением ошибок являются коды Хемминга, симплексные коды, код Голея, коды Рида-Соломона и коды Боуза-Чоудхури-Хокенгема. Методы повышения надежности за счет введения избыточности широко применяются как в различных технических устройствах, так и в повседневной жизни. Например, многие естественные языки обладают избыточностью (русский, японский, английский), за счет чего мы можем понять речь даже при сильном искажении. В технике, например, могут установить два – три одинаковых устройства при выходе из строя одного его можно заменить другим. Или с помощью одного устройства выполняются дважды одни и те же вычисления, и если результаты этих вычислений совпадают, то принимается решение о том, что вычисления выполнены без ошибок. Если же результаты этих вычислений не совпадают, значит, в процессе вычисления произошла ошибка. Вычисления повторяются. Это примеры повышения надежности при наличии избыточности.

Поскольку ошибки можно устранять путем их обнаружения и запроса повторной передачи, в число систем с исправлением ошибок иногда включают системы с переспросом, в которых используются коды с обнаружением ошибок. Коды с обнаружением ошибок обычно бывают блочными, и, как правило, применяются в системах с переспросом. Для обнаружения ошибок наиболее часто используются циклические, избыточные коды. Простая разновидность такого кода – код с контролем по четности (чаще всего используется в технике). (Исправление ошибок переспросом – исправление посредством обнаружения их приемником, когда последний реагирует на любую ошибку в принятом блоке путем отправления передатчику запроса на повторную передачу блока. Исправление переспросом в отличие от прямого исправления ошибок требует наличия обратного канала.) Примером такого кода служат линейные коды – это коды, кодирование и декодирование в которых может быть сведено к линейным операциям.

Циклический, избыточный код – это разновидность полиномиального кода (семейство линейных кодов с исправлением или обнаружением ошибок, алгоритмы кодирования и декодирования которых могут быть выражены соответствующим образом в терминах полиномов над базовым полем, следовательно, могут быть реализованы в понятиях регистров сдвига с комбинационной линейной логикой, Р151). В принципе, каждый блок можно считать полиномом. Этот полином А умножается в кодере на порождающий полином (формально заданный степенной ряд, то есть сумма множества степенных выражений независимых переменных Р150) G, в результате чего формируется полином AG. В процессе передачи или записи этого полинома к нему добавляется полином ошибки E:

AG + E.

В декодере эта последовательность делится на тот же самый порождающий полином G. Остаток деления проверяется. Если он отличен от нуля, то регистрируется ошибка, и предпринимаются необходимые действия (В 011).

9. Понятие информационных и коммуникационных технологий

Информатизация современного общества и, в частности, образовательной деятельности характеризуются процессами совершенствования и массового распространения современных информационных и коммуникационных технологий (ИКТ). В сфере образования эти технологии активно применяются для передачи информации и обеспечения взаимодействия учителя и обучаемого в современных системах открытого и дистанционного образования. Современный учитель должен не только обладать знаниями в области своего предмета, но и уметь применять ИКТ в своей профессиональной деятельности.

Слово "технология" (от греч.) в самом общем понимании означает науку, совокупность методов и приемов обработки или переработки сырья, материалов, полуфабрикатов, изделий и преобразования их в предметы потребления. В более узком смысле технология - это комплекс научных и инженерных знаний, реализованных в приемах труда, наборах материальных, технических, энергетических, трудовых факторов производства, способах их соединения для создания продукта или услуги, отвечающих определенным требованиям. Современное понимание этого слова включает применение научных и инженерных знаний для решения практических задач. В таком случае информационными и телекоммуникационными технологиями можно считать технологии, направленные на обработку и преобразование информации.

Информационные и коммуникационные технологии (ИКТ)– это обобщающее понятие, описывающее различные устройства, механизмы, способы и алгоритмы обработки информации. Важнейшим современным устройствами ИКТ являются компьютер, снабженный соответствующим программным обеспечением, и средства телекоммуникаций вместе с размещенной на них информацией.

Информационные технологии можно классифицировать с различных точек зрения:

• в зависимости от области решаемых задач;

• в зависимости от предметной деятельности;

• в зависимости от типа обрабатываемой информации;

• в зависимости от типа пользовательского интерфейса;

• в зависимости от степени взаимодействия и др.

Приведем несколько примеров классификации информационных технологий

Классификация информационных технологий по области решаемых задач

Мультимедиа-технологии

Телекоммуникационные технологии

Информационные технологии

CASE-технологии (Computer Aided Software Engineering – компьютерное автоматизированное проектирование программного обеспечения)

Технологии защиты информации

Геоинформационные технологии

Технологии искусственного интеллекта

Классификация информационных технологий по специфике предметной деятельности

Классификация информационных технологий по типу обрабатываемой информации

Необходимо отметить, что данная классификация несколько условна, поскольку в большинстве своем информационные технологии поддерживают и другие виды информации, например, в текстовых процессорах можно производить несложные вычисления.

Информационная технология как система

Информационная технологияпредставляет собой совокупность методов и спосо­бов получения, обработки, представления информации, направ­ленных на изменение ее состояния, свойств, формы, содержания, и осуществляемых в интересах пользователей.

Информационные технологии могут быть рассмотрены на трёх уровнях:

1. первый   уровень – теоретический, на котором происходит создание комплекса взаимосвязанных моделей информацион­ных процессов, совместимых по своим параметрам и критериям;

2. второй уровень – исследовательский, основная зада­ча которого заключается в разработке методов, позволяющих автоматизированно конст­руировать оптимальные информационные технологии;

3. третий уровень - прикладной, связанный со спецификой отдельных предметных областей. На этом уровне также происходит определение путей и средств реализации информационных технологий.

Информационная технология базируется на реализации таких инфор­мационных процессов, как:

• извлечение информации;

• транспортирование информации;

• обработка информации;

• хранение информации;

• представление информации;

• использование информации.

Под извлечением информациипонимается процесс перехода от реального представления предметной области к его описанию в формальном виде (в виде данных).

При транспортировании информациипроисходит её передача на расстояние для ускоренного обмена и организации быст­рого доступа к ней.

Хранение информации- это процесс накопления и долговременного хранения данных, а также обеспечение актуальности, целостности, безопасности и доступности данных.

Представление и использование информации– это возможность доступа к информации в удобной для пользователя форме.

10. Средства ИКТ, применяемые в образовании

Как уже было упомянуто, образовательная сфера подвержена влиянию современных информационных и коммуникационных технологий. В настоящее время они в разной степени используются на всех уровнях обучения, поскольку позволяют решить следующие дидактические задачи:

• улучшить качество и организацию процесса преподавания, повысить уровень индивидуализации обучения;

• повысить качество и продуктивность самостоятельной работы учащихся;

• индивидуализировать работу педагога;

• обеспечить более свободный доступ к материалам и разработкам, подготовленным учителем;

• повысить мотивацию к обучению;

• активизировать процесс обучения, привлечь учащихся к исследовательской деятельности;

• обеспечить гибкость процесса обучения.

Основным средством ИКТ для информационной среды любой системы образования является персональный компьютер, возможности которого определяются установленным на нем программным обеспечением. Основными категориями программных средств являютсясистемные программы,прикладные программыиинструментальные средствадля разработки программного обеспечения.

К системным программамотносятся:

• операционные системы, обеспечивающие взаимодействие всех других программ с оборудованием и взаимодействие пользователя персонального компьютера с программами;

• служебные или сервисные программы.

К прикладным программамотносят программное обеспечение, которое является инструментарием информационных технологий – технологий работы с текстами, графикой, табличными данными и т.д.

В настоящее время в системах образования широкое распространение получили универсальные офисные прикладные программыисредства ИКТ: текстовые процессоры, электронные таблицы, программы подготовки презентаций, системы управления базами данных, органайзеры, графические пакеты и т.п.

С появлением компьютерных сетейи аналогичных им средств ИКТ образование приобрело новое качество, связанное в первую очередь, с возможностью оперативно получать информацию из любой точки земного шара. Через глобальную компьютерную сеть Интернет возможен мгновенный доступ к мировым информационным ресурсам (электронным библиотекам, базам данных, хранилищам файлов, и т.д.). В самом популярном ресурсе Интернет – всемирной паутине WWW опубликовано порядка двух миллиардовмультимедийных документов.

В сети доступны и другие распространенные средства ИКТ, к числу которых относятся электронная почта, списки рассылки,группы новостей,чат. Разработаны специальные программы для общения в реальном режиме времени, позволяющие после установления связи передавать текст, вводимый с клавиатуры, а также звук, изображение и любые файлы. Эти программы позволяют организовать совместную работу удаленных пользователей с программой, запущенной на локальном компьютере.

С появлением новых алгоритмов сжатия данных существенно повысилось качество звука, доступное для передачи по компьютерной сети, и стало приближаться к качеству звука в обычных телефонных сетях. Как следствие, весьма активно стало развиваться относительно новое средство ИКТ – Интернет-телефония. С помощью специального оборудования и программного обеспечения через Интернет можно проводить аудио- и видеоконференции.

Для обеспечения эффективного поиска информации в телекоммуникационных сетях существуют автоматизированные поисковые средства, цель которых – собирать данные об информационных ресурсах глобальной компьютерной сети и предоставлять пользователям услугу быстрого поиска. С помощью поисковых систем можно найти документы всемирной паутины, мультимедийные файлы и программное обеспечение, адресную информацию об организациях и людях.

С помощью сетевых средств ИКТ становится возможным широкий доступ к учебно-методической и научной информации, организация оперативной консультационной помощи, моделирование научно-исследовательской деятельности, проведение виртуальных учебных занятий (семинаров, лекций) в реальном режиме времени.

Существует несколько основных классов информационных и телекоммуникационных технологий, значимых с точки зрения систем открытого и дистанционного образования. Одними из таких технологий являются видеозаписиителевидение. Видеокассеты и соответствующие средства ИКТ позволяют огромному числу студентов прослушивать лекции лучших преподавателей. Видеокассеты с лекциями могут быть использованы как в специальных видеоклассах, так и в домашних условиях.

Телевидение, как одна из наиболее распространенных ИКТ, играет очень большую роль в жизни людей: практически в каждой семье есть хотя бы один телевизор. Обучающие телепрограммы широко используются по всему миру и являются ярким примером дистанционного обучения. Благодаря телевидению, появляется возможность транслировать лекции для широкой аудитории в целях повышения общего развития данной аудитории без последующего контроля усвоения знаний, а также возможность впоследствии проверять знания при помощи специальных тестов и экзаменов.

Мощной технологией, позволяющей хранить и передавать основной объем изучаемого материала, являются образовательные электронные издания, как распространяемые в компьютерных сетях, так и записанные на CD-ROM. Индивидуальная работа с ними дает глубокое усвоение и понимание материала. Эти технологии позволяют, при соответствующей доработке, приспособить существующие курсы к индивидуальному пользованию, предоставляют возможности для самообучения и самопроверки полученных знаний. В отличие от традиционной книги, образовательные электронные издания позволяют подавать материал в динамичной графической форме.

По области методического назначения средства информационно-коммуникационных технологий можно классифицировать следующим образом.

Классификация средств ИКТ по области методического назначения

  Дистанционная технология обучения(образовательного процесса) на современном этапе - это совокупность методов и средств обучения и администрирования учебных процедур, обеспечивающих проведение учебного процесса на расстоянии на основе использования современных информационных и телекоммуникационных технологий.

При осуществлении дистанционного обучения информационные технологии должны обеспечивать:

• доставку обучаемым основного объема изучаемого материала;

• интерактивное взаимодействие обучаемых и преподавателей в процессе обучения;

• предоставление студентам возможности самостоятельной работы по усвоению изучаемого материала;

• оценку их знаний и навыков, полученных ими в процессе обучения.

Для достижения этих целей применяются следующие информационные технологии:

• предоставление учебников и другого печатного материала;

• пересылка изучаемых материалов по компьютерным телекоммуникациям;

• дискуссии и семинары, проводимые через компьютерные телекоммуникации;

• видеопленки;

• трансляция учебных программ по национальным и региональным телевизионным и радиостанциям;

• кабельное телевидение;

• голосовая почта;

• двусторонние видеотелеконференции;

• односторонняя видеотрансляция с обратной связью по телефону;

• электронные (компьютерные) образовательные ресурсы.

Необходимая составляющая системы дистанционного обучения - самообучение. В процессе самообучения студент может изучать материал, пользуясь печатными изданиями, видеопленками, электронными учебниками и CD-ROM- учебниками и справочниками. К тому же студент должен иметь доступ к электронным библиотекам и базам данных, содержащим огромное количество разнообразной информации.

Понятие мультимедиа

Понятие мультимедиа вообще и средств мультимедиа, в частности, с одной стороны тесно связано с компьютерной обработкой и представлением разнотипной информации и, с другой стороны, лежит в основе функционирования средств ИКТ, существенно влияющих на эффективность образовательного процесса. 

Cлово "мультимедиа" имеет несколько разных значений.

Мультимедиа - это:

• технология, описывающая порядок разработки, функционирования и применения средств обработки информации разных типов;

• информационный ресурс, созданный на основе технологий обработки и представления информации разных типов;

• компьютерное программное обеспечение, функционирование которого связано с обработкой и представлением информации разных типов;

• компьютерное аппаратное обеспечение, с помощью которого становится возможной работа с информацией разных типов;

• особый обобщающий вид информации, который объединяет в себе как традиционную статическую визуальную (текст, графику), так и динамическую информацию разных типов (речь, музыку, видео фрагменты, анимацию и т.п.).

Таким образом, в широком смысле термин "мультимедиа" означает спектр информационных технологий, использующих различные программные и технические средства с целью наиболее эффективного воздействия на пользователя (ставшего одновременно и читателем, и слушателем, и зрителем).

Применение мультимедиа технологии приводит к использованию более эффективных подходов к обучению и совершенствованию методики преподавания, является наиболее эффективным средством обучения и воспитания. Помимо этого, внедрение мультимедиа технологии способствует повышению мотивации обучения учащихся, экономии учебного времени, более глубокому усвоению материала на уроках. Мультимедийные средства обучения помогают чётко выстраивать структуру урока, эстетически его оформлять. Ещё одним достоинством является эмоциональное воздействие на учащихся. Включение видеосюжетов и звукового сопровождения слайдов позволяет формировать у учащихся личностное отношение к увиденному и услышанному, повышает мотивацию учения.      Применение мультимедийных средств позволяет сократить время при выполнении заданий, что повышает продуктивность урока. Мультимедиа технологии наряду с живым словом педагога являются важным компонентом образовательного процесса и элементом учебно-материальной базы школы. Являясь компонентом учебно-воспитательного процесса, средства обучения оказывают большое влияние на все другие его компоненты – цели, содержание, формы, методы.

Недостатки использования средств ИКТ

Несмотря на очевидные преимущества, применение информационно-коммуникационных технологий может иметь и негативные последствия.

В частности, одним из преимуществ обучения с использованием средств ИКТ называют индивидуализацию обучения. Однако именно индивидуализация может свести к минимуму и без того дефицитное в учебном процессе живое диалогическое общение участников образовательного процесса - преподавателей и учащихся, учащихся между собой,- подменяя его “диалогом” с компьютером. Как показывают психологические исследования, при отсутствии диалогического общения, хуже формируется монологическое общение с самим собой, то есть самостоятельное творческое мышление.

Другим преимуществом применения информационно-коммуникационных технологий является повышение качества и продуктивности самостоятельной работы учащихся. Но и здесь можно поспорить, поскольку учащиеся, выполнив, например, тестовое задание, нечасто вдаются в подробные объяснения допущенных ошибок. Не секрет также и то, что в материалах сети Интернет не всегда содержатся достоверные сведения, и случается так, что ошибочная информация преподносится как истинная.

Кроме того, к сожалению, стоит отметить, что уровень обеспечения, транспортирования и хранения информации не всегда соответствует уровню технического оснащения современных образовательных учреждений. Бывают случаи, когда школьное оборудование не может считать информацию с других носителей в силу того, что программное обеспечение устарело.

Из всего выше сказанного можно сделать следующие выводы:

• информационно-коммуникационные технологии стали неотъемлемой частью современного общества и образования;

• средства информационно-коммуникационных технологий имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными средствами обучения;

• информационно-коммуникационные технологии требуют хорошей материально-технической базы и своевременного обновления оборудования;

применение информационно-коммуникационных технологий может иметь негативные последствия;

• процесс обучения не может строиться исключительно на информационно-коммуникационных технологиях.

11. единое информационно –образовательное пространство