Понятие информации, ее представление и измерение в школьном курсе информатики.

Содержание


Введение
Содержание понятия «информация» в науке
Понятие информации в школьном курсе информатики
Значение формирования у учащихся понятия «информация»
Подходы к определению понятия «информация» в школьном курсе информатики
Основные этапы развития понятия «информация» в процессе изучения базового курса информатики.
Представление информации в школьном курсе информатики
Формальные языки в курсе информатики
Языки представления чисел: системы счисления
Измерение информации в школьном курсе информатики
Содержательный подход к измерению информации
Кибернетический (алфавитный) подход к измерению информации
Заключение
Список использованной литературы

Понятие информации, ее представление и измерение в школьном курсе информатики.

Линия информации охватывает содер­жание всего базового курса, поскольку по­нятие информации является в нем цент­ральным. В любой теме курса речь идет о различных вариантах представления ин­формации, причем она рассматривается в двух аспектах — «компьютерном» и «бес­компьютерном». Под «бескомпьютерным» аспектом понимается рассмотрение инфор­мации без привязки к компьютеру, с об­щих позиций, по отношению к человеку, обществу, природе. В этом аспекте изуча­ются такие вопросы, как определение и из­мерение информации, информационные модели, информационные процессы и про­цессы управления в природе и обществе. Под «компьютерным» аспектом понима­ется изучение информационной стороны функционирования самого компьютера в рамках архитектуры ЭВМ, а также изу­чение компьютерных технологий работы с информацией, программирования.
Понятие «информация» — объективно сложное понятие. Оно относится к числу фундаментальных в науке, носит философ­ский характер и является предметом по­стоянных научных дискуссий. Поэтому сложно дать детям законченное определе­ние информации. Согласно методике фор­мирования фундаментальных понятий не­обходимо рассмотреть информацию со всех сторон, выявить все ее существенные при­знаки и свойства, что делается на протя­жении всего курса изучения базового кур­са.
На первом этапе развития понятия «информация» рассматривается вопрос о том, что такое информация с позиции че­ловека; анализируется информационная функция человека; отражается роль язы­ков как средства представления информа­ции, а также средства информационных коммуникаций; раскрываются подходы к измерению информации. Как уже отмеча­лось выше, информация — фундаменталь­ное понятие науки, поэтому определить его исчерпывающим образом через какие-то более простые понятия невозможно. В информатике известны различные подхо­ды к этому понятию, и в каждом подходе дается свое определение информации, при­чем каждый вариант определения облада­ет некоторой неполнотой. В базовом курсе рассматриваются два подхода к информации: субъективный (информация рааасматривается с точки зрения ее роли в жизни и деятельности человека) и кибернетический (информация — содержание последовательностей символов (сигналов) из некоторого алфавита). На данном этапе следует отталкиваться от имеющихся у детей интуитивных представлений об информации из жизненного опыта, школьной практики.
Второй этап характеризуется постулированием положения о том, что компьютер по своей организации моделирует информационную функцию человека; что развитие компьютерной техники - это эволюция в сторону все большего соответствия интеллектуальным возможностям человека (т. е. в сторону искусственного интеллекта). Показывается, развитие происходит по линии как аппаратного, так и программного ЭВМ. Основные цели данного этапа - дать начальные представления компьютера, его устройстве, функциях основных узлов, заложить основу для будущего более подробного изучения аппаратных средств компьютера; также дать представления о составе программного обеспечения компьютера и раскрыть назначение операционной системы, ввести понятие файловой структуры дисков. При рассмотрении архитектуры ЭВМ необходимо проводить аналогию с человеком как с уже существующей в природе «биологической машиной». Очень важно на данном этапе привести учеников к пониманию того факта, что современный компьютер представляет собой двуединую систему из аппаратной и информационной систем.
На третьем этапе показывается, что прикладное назначение ЭВМ складывается из двух составляющих: компьютер как инструментальное средство работы с информацией и компьютер как средство информационного моделирования, но знакомятся учащиеся только с чисто инструментальным применением ЭВМ (не считая изучения способов компьютерного представления текстовой и графической информации, преобразования информации в процессе передачи по сетям).
При переходе к четвертому эта­пу — изучение использования компьюте­ра для целей информационного модели­рования — раскрываются такие фундамен­тальные понятия как «модель», «система», «структура». На этом этапе дается пред­ставление о системном анализе, вводится понятие структуры как важнейшей харак­теристики всякой системы, рассказывает­ся о натурных и информационных моде­лях, о различных формах представления последних (графических и табличных).
Для пятого этапа характерно рас­смотрение базы данных как статической информационной модели, электронной таб­лицы как табличной формы информаци­онной модели, но уже с элементами дина­мики, математического моделирования, и базы знаний как информационной моде­ли предметной области. Основные цели эта­па — дать представление о назначении ин­формационных систем, баз данных, элек­тронных таблиц и систем искусственного интеллекта, обучить основным приемам работы с одной из реляционных СУБД и табличным процессором.
На шестом этапе рассматривается управляющая сторона информации: применение ЭВМ в управлении процессами, основанное на винеровской схеме информационной модели управления с обратной связью, алгоритмы автоматического управ­ления самыми разнообразными исполни­телями, типы алгоритмов, методика их по­строения.
На седьмом этапе происходит воз­врат к архитектуре ЭВМ, но уже на более глубоком уровне — описание устройства и работы процессора, языка машинных ко­манд. Для знакомства с этими вопросами используется простая модель компьютера, предназначенного для работы с целыми числами.
И, наконец, на восьмом этапе уча­щиеся «по спирали» опять возвращаются к алгоритмам, изучая программы для ЭВМ как алгоритмы решения задач, записан­ные на языке программирования. Данный этап имеет два направления:
1) повторение приемов построения про­стых вычислительных алгоритмов и обу­чение программированию этих алгоритмов на языке высокого уровня;
2) обучение начальным навыкам рабо­ты с системой программирования.
В результате реализации всех рассмот­ренных этапов формирования понятия ин­формации происходит не только обобще­ние, но и обогащение этого понятия. Оно наполняется содержанием, становится все более конкретным, синтезируя в себе боль­шое количество частных понятий. При этом все более полно раскрываются связи и отношения данного понятия с другими и его объем.
Таким образом, в процессе формиро­вания понятия «информация» происходит параллельное формирование остальных по­нятий и образуется понятийный аппарат13.
Представление информации в школьном курсе информатики
В рамках данной темы изучаются такие вопросы, как символьная и образная информация, воспринимаемая чело­веком, язык как способ представления символьной информации, естественные и формальные языки.
Тема представления информации является сквозной в курсе информатики. Ключевым понятием этой темы выступает понятие языка. Здесь, как и в предыдущей теме, разговор о языках можно вести применительно к человеку, а также рассматривать языки представления информации, используемые в компьютерах.
Описание информационной функции человека (впрочем, как и любой другой) — очень сложная задача. Сделать это исчерпы­вающим образом невозможно, поскольку человек — это беско­нечномерная система. Поэтому наши представления в этой об­ласти могут носить только модельный, т. е. приближенный ха­рактер.
Обсуждая проблему восприятия человеком информации из внешнего мира, нужно обратить внимание учеников на то, что человек обладает множеством каналов, по которым в его мозг (память) поступает информация. Эти каналы — наши органы чувств. Их пять: зрение, слух, вкус, обоняние, осязание. Если роль первых двух для восприятия информации очевидна, то по­нимание того, что вкусовые и осязательные ощущения, запахи также являются источниками информации, требуют пояснения. Объяснение этому следующее: мы помним запахи знакомых пред­метов, вкус знакомой пищи, на ощупь узнаем некоторые вещи. Но то, что мы помним, — хранится в нашей памяти. Значит, это тоже наши знания, а стало быть, информация.
Примем следующее модельное предположение относительно информационной функции человека: информацию, с которой имеет дело человек можно разделить на два вида: на символьную и образную. К символьной относится информация, воспринимаемая человеком в речевой или письменной (знаковой) форме. Все ос­тальное, не относящееся к этому, будем называть образной ин­формацией. К последней относятся воспринимаемые человеком вкусовые ощущения, запахи, тактильные ощущения. Образную информацию человек воспринимает также через зрение и слух. Например, картины природы, пение птиц, шум ветра. С образной информацией имеет дело искусство.
Образная информация — это сохраненные в памяти ощущения человека от контакта с источником; она воспринимается всеми органами чувств человека.
Далее речь будет идти лишь о символьной информации. Поня­тие языка применимо только к этому виду информации и вводит­ся следующим определением: язык — это определенная система символьного представления информации14..
В энциклопедическим сло­варе по школьной информатике, составленном А. П. Ершовым15, дано такое определение: «Язык — множество символов и совокуп­ность правил, определяющих способы составления из этих символов осмысленных сообщений». Поскольку под осмысленным сообщени­ем понимается информация, то данное определение по сути сво­ей совпадает с первым.
Языки делятся на две группы: естественные и формальные. Есте­ственные языки — это исторически сложившиеся языки нацио­нальной речи. Для большинства современных языков характерно наличие устной и письменной речи. Анализ естественных языков в большей степени является предметом филологических наук, в частности, лингвистики. В информатике анализом естественных языков занимаются специалисты в области Искусственного ин­теллекта. Одна из целей разработки проекта ЭВМ пятого поколе­ния — научить компьютер понимать естественные языки.
Формальные языки — это искусственно созданные языки для профессионального применения. Они, как правило, носят меж­дународный характер и имеют письменную форму. Примерами таких языков являются язык математики, язык химических фор­мул, нотная грамота — язык музыки и др.
С любым языком связаны следующие понятия: алфавит — мно­жество используемых символов; синтаксис — правила записи язы­ковых конструкций (текста на языке); семантика — смысловая сторона языковых конструкций; прагматика — практические по­следствия применения текста на данном языке.
Для формальных языков характерна принадлежность к ограни­ченной предметной области (математика, химия, музыка и пр.). Назначение формального языка — адекватное описание системы понятий и отношений, свойственных для данной предметной об­ласти. Поэтому все названные выше компоненты языка (алфавит, синтаксис и др.) ориентированы на специфику предметной об­ласти. Язык может развиваться, изменяться, дополняться вместе с развитием своей предметной области.
Естественные языки не ограничены в своем применении, в этом смысле их можно назвать универсальными. Однако не всегда бывает удобным использовать только естественный язык в узко­профессиональных областях. В таких случаях люди прибегают к помощи формальных языков.
Известны примеры языков, находящихся в промежуточном состоянии между естественными и формальными. Язык эсперанто был создан искусственно для общения людей разных националь­ностей. А латынь, на которой в древности говорили жители Рим­ской империи, в наше время стала формальным языком медици­ны и фармакологии, утратив функцию разговорного языка.
Приведенный выше разговор о языках имеет важное значение для общеобразовательного содержания базового курса информа­тики. Знакомый ученикам термин «язык» приобретает новый смысл в их сознании. Вокруг этого термина строится целая система науч­ных понятий. Понятие языка является одним из важнейших системообразующих понятий курса информатики16.
Формальные языки в курсе информатики
В рамках данной темы изучаются внутренние и внешние языки, языки представления данных, языки представления действий над данными.
В данном разделе речь пойдет о языках, используемых при ра­боте ЭВМ, в компьютерных информационных технологиях.
Информацию, циркулирующую в компьютере, можно разде­лить на два вида: обрабатываемая информация (данные) и ин­формация, управляющая работой компьютера (команды, программы, операторы).
Информацию, представленную в форме, пригодной для хране­ния, передачи и обработки компьютером принято называть данны­ми. Примеры данных: числа при решении математической задачи; символьные последовательности при обработке текстов; изображе­ние, введенное в компьютер путем сканирования, предназначен­ное для обработки. Способ представления данных в компьютере называется языком представления данных.
Для каждого типа данных различается внешнее и внутреннее представление данных. Внешнее представление ориентировано на человека, определяет вид данных на устройствах вывода: на экра­не, на распечатке. Внутреннее представление — это представление на носителях информации в компьютере, т.е. в памяти, в линиях передачи информации. Компьютер непосредственно оперирует с информацией во внутреннем представлении, а внешнее представ­ление используется для связи с человеком.
В самом общем смысле можно сказать, что языком представле­ния данных ЭВМ является язык двоичных кодов. Однако с точки зрения приведенных выше свойств, которыми должен обладать всякий язык: алфавита, синтаксиса, семантики, прагматики, нельзя говорить об одном общем языке двоичных кодов. Общим в нем является лишь двоичный алфавит: 0 и 1. Но для различных типов данных различаются правила синтаксиса и семантики язы­ка внутреннего представления. Одна и та же последовательность двоичных цифр для разных типов данных имеет совсем разный смысл.. Таким образом, для разных типов данных используются раз­ные языки внутреннего представления. Все они имеют двоичный алфавит, но различаются интерпретацией символьных последова­тельностей.
Языки внешнего представления данных обычно приближены к привычной для человека форме: числа представляются в десятич­ной системе, при записи текстов используются алфавиты есте­ственных языков, традиционная математическая символика и пр. В представлении структур данных используется удобная таблич­ная форма (реляционные базы данных). Но и в этом случае все­гда существуют определенные правила синтаксиса и семантики языка, применяется ограниченное множество допустимых сим­волов.
Внутренним языком представления действий над данными (язы­ком управления работой компьютера) является командный язык процессора ЭВМ. К внешним языкам представления действий над данными относятся языки программирования высокого уровня, вход­ные языки пакетов прикладных программ, командные языки опера­ционных систем, языки манипулирования данными в СУБД и пр.
Следует иметь в виду, что любой язык программирования высо­кого уровня включает в себя как средства представления данных (раздел данных), так и средства представления действий над дан­ными (раздел операторов). То же самое относится и к другим пе­речисленным выше типам компьютерных языков17.
Языки представления чисел: системы счисления
Тема «Системы счисления» имеет прямое отношение к мате­матической теории чисел. Однако в школьном курсе математики она, как правило, не изучается. Необходимость изучения этой темы в курсе информатики связана с тем фактом, что числа в памяти компьютера представлены в двоичной системе счисле­ния, а для внешнего представления содержимого памяти, адре­сов памяти используют шестнадцатеричную или восьмеричную системы. Это одна из традиционных тем курса информатики или программирования. Являясь смежной с математикой, данная тема вносит вклад также и в фундаментальное математическое обра­зование школьников.
Так определяется система счисления в словаре школьной информатики: «Система счис­ления — способ изображения чисел и соответствующие ему пра­вила действия над числами»18. Под правилами действия понимают­ся способы выполнения арифметических вычислений в рамках данной системы счисления. Эти правила можно назвать прагмати­кой языка чисел19.
Среди школьных учебников самое подробное изложение темы «Системы счисления» дается в учебнике А.Г. Гейна (информатика для 7-9 классов). В качестве дополнительной литературы, раскрывающей данную тему наиболее полно, можно рекомендовать учебное пособие 20.
Измерение информации в школьном курсе информатики
Подход к измерению информации основан на постулате Шеннона: получение информации есть устранение или уменьшение информационной неопределенности об интересующем объекте, явлении21.
Проблема измерения информации напрямую связана с про­блемой определения информации, поскольку сначала надо уяс­нить, что собираемся измерять, а потом уже — как это делать, какие единицы использовать. Если опираться на расплывчатое, интуитивное представление ученика об информации, то невоз­можно дать сколько-нибудь логичное определение количества информации, ввести единицы ее измерения.
Характерным приемом для ряда учебников является следую­щий: обсуждая вопрос об измерении информации, тут же пере­ходят к описанию компьютерного представления информации в форме двоичного кода. Затем дается утверждение о том, что коли­чество информации равно количеству двоичных цифр (битов) в таком коде. В учебнике А.Г. Кушниренко22 написано: «В современной вычисли­тельной технике информация чаще всего кодируется с помощью последовательностей сигналов всего двух видов: намагничено или не намагничено, включено или выключено, высокое или низкое на­пряжение и т.д. Принято обозначать одно состояние цифрой 0, а другое — цифрой 1. Такое кодирование называется двоичным коди­рованием, а цифры 0 и 1 называются битами. В следующем параграфе сказано: «А как уз­нать количество информации в сообщении, в каких единицах эту информацию измерять? Для двоичных сообщений в качестве такой числовой меры используется количество бит в сообщении. Это коли­чество называется информационным объемом сообщения».
В учебнике А.Г. Гейна для 7-9 классов написано: «Чтобы стандартизировать измерение количества информации, договорились за единицу количества информации принять сообщение, состоящее из одного символа двухсимвольного алфавита. Использование для измерения коли­чества информации алфавитов с другим числом символов можно уподобить переходу к более крупным единицам измерения», В этом же учебнике содержатся рассуждения и о другом подходе к пред­ставлению о количестве информации — содержательном, семан­тическом: «Количество информации, получаемой из сообщения, зависит от имеющихся предварительных знаний».
Вопрос об измерении информации необходимо раскрывать в контексте рассматриваемого подхода к определению информации. Здесь обязательно должна присутствовать логическая последова­тельность, пусть даже она приводит в тупик.
В процессе передачи информации принято выделять следующие составляющие: источник информации, получатель информации, носитель информации, канал связи. Функция источника информации состоит в генерировании сообщений, а получателя – в приеме этих сообщений. Носителем информации является физическая или энергетическая субстанция, материализирующая данное сообщение. Канал связи включает в себя физическую среду и совокупность технических средств, обеспечивающих его продвижение от источника к получателю23.
В учебнике А.Г. Семакина24 последовательно прослеживаются два подхода к измерению информации: с точки зрения содержательной и ки­бернетической концепций.
Содержательный подход к измерению информации
В данной теме изучается, от чего зависит информативность сообщения, принимаемо­го человеком, единица измерения информации, количество информации в сообщении об одном из N равно­вероятных событий.
С позиции содержательного подхода просматривается следую­щая цепочка понятий: информация — сообщение — информатив­ность сообщения — единица измерения информации — информацион­ный объем сообщения.
Информация — это знания людей. Сообщение — это информаци­онный поток, который в процессе передачи информации поступает к принимающему его субъекту. Сообщение — это и речь, которую мы слушаем (радиосообщение, объяснение учителя), и воспринима­емые нами зрительные образы (фильм по телевизору, сигнал све­тофора), и текст книги, которую мы читаем и т.д.