Без человека машина, даже самая совершенная, ничто, она только орудие в его руках. Ее мозг не мыслит, а лишь отражает мысли ее творца.

Информатика

Учебное пособие

для студентов очной и заочной форм обучения

специальности 100103 «Социально-культурный сервис и туризм» и

100201 «Туризм»

Шахты 2009

УДК 651: 338. 48 (07)

ББК 65.050.2: 65. 443 я 73

Д 638

Составители:

д.ф.н., профессор кафедры «Информатика»

Е.Б.Ивушкина

к.э.н., доцент кафедры «Информатика»

И.Б.Кушнир

доцент кафедры «Информатика»

О.И. Лантратов

Рецензенты:

д.т.н., профессор, зав.кафедрой «Профессиональное обучение»

ШИ ЮРГТУ (НПИ)

А.А. Привалов

д.с.н., профессор, зав. кафедрой «Гуманитарные и

социальные науки» ШИ ЮРГТУ (НПИ)

О.В. Бондаренко

Ивушкина Е.Б., Кушнир И.Б., Лантратов О.И. Информатика. – Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2009. – 345 с.

В пособии рассматривается история, предмет, структура информатики, рассматривается информация и её свойства. Особое внимание уделено мере информации, кодированию информации. Описаны арифметические и логические основы ЭВМ. Дано определение алгоритма, приводятся базовые алгоритмические структуры. Рассматриваются вопросы, связанные с информационной безопасностью. Даются основы сетевой технологии. Описываются принципы организации баз данных.

Пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения по специальности 100103 «Социально-культурный сервис и туризм» и 100104 «Туризм».

УДК 651: 338. 48 (07)

ББК 65.050.2: 65. 443 я 73

© Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, 2009

© Е.Б.Ивушкина, 2009

© И.Б. Кушнир, 2009

© О.И. Лантратов, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.

Хотя информатика и считается достаточно молодой наукой (по отношению ко многим другим отраслям знания), но предпосылки к ее зарождению – достаточно древние.

При рассмотрении вопроса об истории информатики будем исходить из первых признаков и событий информационного обмена, осознавая, что об информатике как о науке тогда речь не шла.

Наиболее важной и ранней предпосылкой к информационному обмену стала речь, а позже – самые первые знаковые системы (живопись, музыка, графика, танец, обряды и др.). Затем появилась письменность: вначале она была рисуночной, иероглифической, с использованием носителей различного типа (камень, глина, дерево и т.д.). Развиваются различные системы, счета и механизации (это, как известно, – предпосылка автоматизации) счета.

На основе латинской и греческой письменности разрабатываются терминологические системы для различных областей знания – математики, физики, медицины, химии и т.д. Развивается математический (алгебраический) язык – основа формализации различных знаний. Распространение математической символики и языка приводит к развитию всего естествознания, так как появился адекватный и удобный аппарат для описания и исследования различных явлений.

Совершенствуются различные системы визуализации информации – карты, чертежи, пирамиды, дворцы, акведуки, механизмы и др.

С появлением папируса повышается информационная емкость, актуализируется новое свойство информации – сжимаемость.

С появлением бумаги появляется эффективный носитель информации – книга, а изобретение печатного станка (Гуттенберга) приводит к тиражированию информации (новое свойство информационного обмена). Появляется достаточно адекватный (на тот период) инструмент массовой информационной коммуникации. Развиваются элементы виртуального мышления (например, в картинах известных художников).

Распространению информации способствует также появление и развитие библиотек, почты, университетов – центров накопления информации, знаний, культуры в обществе.

Происходит массовое тиражирование информации, рост профессиональных знаний и развитие информационных технологий. Появляются первые признаки параллельной (по пространству и по времени) передачи и использования информации, знаний.

Дальнейший прогресс и возникновение фотографии, телеграфа, телефона, радио, кинематографа, телевидения, компьютера, компьютерной сети, сотовой связи стимулируют развитие массовых и эффективных информационных систем и технологий.

В отраслях науки формируются языковые системы: язык химических формул, язык физических законов, язык генетических связей и др.

С появлением компьютера стало возможным хранение, автоматизация и использование профессиональных знаний программ: баз данных, баз знаний, экспертных систем и т.д. Информатика от «бумажной» стадии своего развития переходит к «безбумажной», электронной стадии развития и использования.

В конце двадцатого века возник так называемый информационный кризис, «информационный взрыв», который проявился в резком росте объема научно-технических публикаций. Возникли большие сложности восприятия, переработки информации, выделения нужной информации из общего потока и др. В этих условиях появилась необходимость в едином и доступном мировом информационном пространстве, в развитии методов и технологии информатики, в развитии информатики как методологии актуализации информации, в формировании базовых технологий и систем и пересмотре роли информатики в обществе, науке, технологии.

Мир, общество начали рассматриваться с информационных позиций. Это время лавинообразного увеличения объема информации в обществе, ускорения их применения на практике, повышения требований к актуальности, достоверности, устойчивости информации. XXI век можно считать веком "информационного сообщества", единого и доступного мирового информационного пространства (поля), которое будет постоянно улучшать как производительные силы и производственные отношения, так и человеческую личность, общество.

Появление информатики как науки базируется на индустрии сбора, обработки, передачи, использования информации, на продуктах развития математики, физики, управления, техники, лингвистики, военной науки и других наук.

Главным продуктом прочно установившегося информационного общества являются научные знания. С изменением общества меняется и содержание науки. Информатика наиболее подвержена переосмыслению и трансформации. Широкое распространение персональных компьютеров способствует этому процессу. А одной из важнейших задач высшей школы является подготовка специалиста, обладающего компьютерными знаниями.

В учебном пособии мы отразили многолетний опыт работы подготовки специалистов.

Методика изучения дисциплины строится на основе сочетания теоретического и практического обучения.

При проведении практических занятий необходимо применять активные методы обучения (анализ производственных ситуаций, решение ситуационных задач, деловые игры и др.).

Виды заданий для внеаудиторной самостоятельной работы, их содержание и характер имеют вариативный и дифференцированный характер, учитывая специфику специальности и индивидуальной особенности студента.

Для проверки и оценки знаний студентов предусмотрены тестовые задания. Текущий контроль осуществляется путем контрольных заданий по материалам изученных тем.

История информатики.

Память машины и человека

Обрабатывая сложную программу для робота-шахматиста и устраивая международные матчи шахматных программ, кибернетики вовсе не стремятся свергнуть с трона чемпионов мира. Итог таких соревнований – очередное совершенствование программ, умеющих не только играть в шахматы, но (и это главное) управлять гибкими автоматическими системами, способными самостоятельно принимать решение в сложных ситуациях, например при поломке инструмента, при выявлении скрытого дефекта в заготовке, и самостоятельно осуществлять принятое решение. Только такие автоматические помощники смогут заменить человека там, где требуется большое физическое и интеллектуальное напряжение, избавят людей от опасности и вредной работы.

Особенно расширились возможности людей, изучающих живую природу, после того как было установлено, что изменяющиеся электрические потенциалы обнаруживаются точными приборами при работе мозга. Мозг человека непрерывно, днем и ночью, генерирует электрические колебания. Врачи считают, что в мозге здорового человека возбуждаются колебания с частотой от 8 до 13 в секунду с наложенными на них более частыми колебаниями – до 25 в секунду. При различных заболеваниях частота и амплитуда колебаний меняются, иногда даже возникают «электрические бури».

Мысль об использовании электронных машин в качестве модели пришла, конечно, не случайно. Физиологи хорошо знали, что принцип действия замка и элементарной счетной ячейки электронных машин сходен с принципом деятельности нервных клеток. Нерв тоже может находиться в одном из взаимоисключающих состояний: либо нерв возбужден, либо нерв в покое. Значит, живой нерв тоже действует по схеме «да» или «нет». Но не только эта аналогия привлекла внимание физиологов. «Память» машины – вот что их чрезвычайно заинтересовало. Ведь память человека заключается в том, что ни одно восприятие, раздражение не проходит для него бесследно, остается «след» в его нервной системе.

«Память» машины в некотором смысле аналогична памяти человека. Подобно тому, как нервные клетки под влиянием раздражения еще долго хранят «воспоминания» о нем, запоминающие ячейки машины тоже запоминают изменения, происшедшие в них в результате действия машины. Конечно, между «памятью» машины и памятью человека имеются и существенные различия. Например, память человека, фиксируя событие, сопровождает его рядом субъективных, дополнительных соображений и других психологических факторов, а действие «памяти» машины основано на чисто физических процессах, обычно имеющих электрическую или магнитную природу и фиксирующих некоторый набор сигналов, подлежащих запоминанию.

Какие же аналоги могут быть в системах автоматического управления и регулирования в живом или неживом организме?

Живой организм можно рассматривать как совокупность самых различных систем автоматического регулирования и управления. Он стремится к нормальному, уравновешенному состоянию. Здоровый организм сам поддерживает свою температуру, давление крови, сахарный баланс на определенном уровне.

Как осуществляется это управление, или, точнее, самоуправление? С помощью сложных связей. С помощью систем управления работой сердца, печени, дыхательного центра, желез внутренней секреции и других органов. Эти системы управления действуют сравнительно независимо друг от друга, но они объединены центральной нервной системой. Задача этого управления – поддержать отдельные органы и весь организм в целом в нормальном состоянии. К тому же живой организм не есть нечто изолированное, оторванное от внешней среды. Он тесно связан с окружающим его миром, постоянно взаимодействует с ним, реагируя на все изменения внешней среды, стараясь сохранить внутренний режим организма неизменным.

Вспомним некоторые примеры автоматического регулирования в живом организме. Например, дыхание. Механизм саморегулирования его довольно сложен. Дыхательный аппарат снабжен целым рядом чувствительных нервов, которые возбуждаются при прохождении воздуха по воздухоносным путям, при сокращении легких, при обеднении состава крови кислородом и при обогащении его углекислотой. Так, при вдохе легкие расширяются, по воздухоносным путям интенсивно проходит воздух, состав крови пополняется кислородом, на что реагируют нервные окончания в кровеносных сосудах. Этот комплекс возбуждения по нервным волокнам передается в дыхательный центр мозга, и оттуда поступают команды, тормозящие вдох и стимулирующие выдох. Потоки возбуждений, приносимых чувствительными клетками в мозг, заставляют вдох сменять выдохом, а выдох вдохом, регулируют глубину дыхания и его скорость.

Примеров автоматического регулирования в живом организме очень много. И в технике также можно найти бесчисленное множество примеров автоматического регулирования и управления. Сталеплавильная, стекловаренная, доменная печи или другой какой-нибудь агрегат или объект – это тоже сложные «организмы», в которых с помощью систем автоматического регулирования самоорганизуется стабильный, нормальный процесс варки стекла, плавки стали или чугуна. Для управления этими сложными объектами человек искусственно охватил их сложной «нервной системой», состоящей из отдельных приборов, связанных в цепи автоматического регулирования. Своеобразные органы «чувств» системы – датчики – реагируют на различные изменения внутри объекта и посылают сигналы в управляющий центр, в «мозг» системы. Здесь вся поступившая информация о ходе процесса перерабатывается в информацию управляющую, которая приводит в движение «мышцы» системы, краны, шибера, изменяющие подачу в агрегат воздуха, топлива и сырья. До сих пор для автоматического регулирования использовались автоматы, которые были глухи к изменениям внешних условий. Они действуют по заранее заданной программе в соответствии с определенной настройкой.

С появлением новых электронных управляющих машин в технике наступает новая эра – эра машин, которые, так же как и человеческий организм, приспосабливаются к внешним условиям. В таких системах особенно бросается в глаза сходство с человеческим организмом в принципах переработки информации, в работе цепей связи, по которым она передается.

Еще сто лет назад И.М. Сеченов в статье «Рефлексы головного мозга» писал, что внешние проявления мозговой деятельности могут быть сведены к мышечному движению. Воздействуя током на определенные зоны коры головного мозга, можно вызвать у человека ощущение холода, света, звука и т.п.

Разумеется, никому и в голову не придет ставить знак равенства между живым организмом и даже самым совершенным механизмом. Но есть в них и сходство. Это сходство – в сложной системе управления, в системе связей, задачей которой является поддержание жизнедеятельности одного, работоспособности другого.

В изучении работы мозга также наметился существенный прогресс. В 1962 году в лекционном зале Московского Политехнического музея выступал всемирно известный ученый, один из создателей кибернетики Норберт Винер. Он рассказывал о своей новой работе по изучению биопотенциалов мозга. В заключение доктор Винер сказал, что на основе этих опытов можно предположить, что группы клеток мозга дают управляющие сигналы, подчиняя своему ритму работу остальных клеток мозга, а может быть, работу всего организма. Особенно интересно, что частота этих сигналов может захватываться, то есть принудительно управляться внешними сигналами, например вспышками света с частотой, близкой к частоте альфа – ритма. А главное – появилось еще одно важное звено в цепи тех сведений о работе мозга, которые помогут создавать более совершенные модели этой главной управляющей системы организма, понять принципы работы мозга.

Особенно заманчива возможность использования моделей для изучения процессов мышления человека. В науке долго господствовало мнение, что психология и умственная деятельность человека – это особый мир, недоступный объективному изучению, это «мир в себе». Немецкий ученый К. Людвиг писал, что «изучать мозг методами точной науки – это все равно, что изучать механизм часов, стреляя в них из ружья».

Тем не менее, научная мысль изыскала средства подхода к этим сложным вопросам. Еще в конце прошлого столетия русские ученые В.Я. Данилевский, И.М.Сеченов, Н.Е.Веденский много сделали в области понимания процессов работы мозга. Сеченов был убежден, что математики придут на помощь физиологам и многие физиологические процессы и процессы мышления будут описаны математическим языком и станет возможным изучать их с помощью точных наук. Прогресс современной науки во всех ее разновидностях определяется в значительной мере ее математизацией, и это в большей степени относится и к биологии и к физиологии. Вот почему мысли Сеченова о «дружбе» биологии и математики, которые в его время считались «безумными», так актуальны сегодня.

В наше время ученые получили замечательные модели для изучения умственной деятельности человека – современные электронные математические машины. При составлении программ для математических машин ученые в ряде случаев сознательно предписывают машине порядок действий, свойственный человеку. Так, программа перевода совпадает с действиями человека, не знающего иностранного языка, нот имеющего словарь и знакомого с основными правилами перевода. Программа решения сложнейших задач высшей математики, составленная для машин, в основных чертах похожа на программу для того, кто не знает высшей математики, но умеет работать с арифмометром.

Это понимали еще в XVI веке. Блез Паскаль, который создал чудо своего времени, одну из первых «думающих» машин, говорил: «Не следует обманывать себя, мы являемся в такой же степени автоматами, в какой и мыслящими существами. Арифметическая машина совершает действия, которые приближаются к мысли более, чем все, делаемое животными; но она не делает ничего, что заставило бы признать, что она обладает волей, как животное».

Человеческий мозг содержит бесчисленное количество рефлекторных связей, рождающих разнообразные виды творчества. Павлов говорил, что мозг человека таит в себе столько творческих возможностей, что человек за всю свою жизнь не в состоянии использовать и половину из них.

Структура мозга – это неповторимое, случайное сочетание нервных клеток – нейронов. Но это отсутствие порядка, этот хаос в сочетании с разнообразием возможных связей между отдельными клетками порождают замечательную слаженность работы человеческого организма, недоступную машине, в строении которой царит идеальный порядок. Человеку свойственны сознание, индивидуальность, характер, темперамент. Машина должна следовать воле создавшего ее человека, выполнять порученное ей дело, но выполнять молниеносно быстро, точно и автоматически с начала до конца.

Искусственный мозг никогда не выйдет за рамки предопределения, машина не сможет изобретать, заинтересовываться, творить.

Без человека машина, даже самая совершенная, ничто, она только орудие в его руках. Ее мозг не мыслит, а лишь отражает мысли ее творца.