Дипломная работа: Линия "Формализация и моделирование" учебного курса "Информатика"

Понятие «система» часто употребляется как в научных дисцип­линах, так и в повседневной жизни. Примеров тому достаточно много: Солнечная система, периодическая система химических элементов, системы растений и животных, система образования, система транспорта, файловая система, операционная система и многое другое. Во многих случаях понятие системы считается ин­туитивно ясным. Однако для информатики оно является одним из фундаментальных и требует разъяснения.

Под системой понимается любой объект, состоящий из множе­ства взаимосвязанных частей, и существующий как единое целое.

В информатике понятие «система» употребляется достаточно часто. Совокупность взаимосвязанных данных, предназначенных для обработки на компьютере — система данных. Совокупность взаимосвязанных программ определенного назначения — про­граммные системы (ОС, системы программирования, пакеты при­кладных программ и др.). Информационные системы — одно из важнейших приложений компьютерных технологий.

Основным методическим принципом информационного моде­лирования является системный подход, согласно которому всякий объект моделирования рассматривается как система. Из всего мно­жества элементов, свойств и связей выделяются лишь те, которые являются существенными для целей моделирования. В этом и зак­лючается сущность системного анализа. Задача системного анали­за, который проводит исследователь — упорядочить свои пред­ставления об изучаемом объекте, для того чтобы в дальнейшем отразить их в информационной модели.

Сама информационная модель представляет собой также неко­торую систему параметров и отношений между ними. Эти пара­метры и отношения могут быть представлены в разной форме: графической, математической, табличной и др. Таким образом, просматривается следующий порядок этапов перехода от реаль­ного объекта к информационной модели:

Реальный объект	è	Системный анализ	è	Система данных, существенных для моделирования	è	Информацион­ная модель

Важной характеристикой всякой системы является ее структу­ра. Структура — это определенный порядок объединения элемен­тов, составляющих систему. Другой вариант определения, встречающийся в литературе: структура — это множество связей между элементами системы. Наиболее удобным и наглядным способом представления структуры систем являются графы. Описываются основные правила представления гра­фов, вводятся понятия вершина, дуга, ребро, ориентированный граф, дерево, сеть. Обычно у учащихся не вызывает проблем понимание схем, представленных в форме графа: граф родственных связей, граф системы связанных между собой населенных пунктов и др.

Важной разновидностью графов являются деревья. Дерево — это графическое представление иерархической структуры систе­мы. Обычно это системы, между элементами которых установле­ны отношения подчиненности или вхождения друг в друга: систе­мы власти, административные системы, системы классификации в природе и др. Ученики знакомы с понятием «дерево» примени­тельно к системе файлов на дисках компьютера. Многим из них известен смысл понятия «родословное дерево».

Подводя итог, можно сказать, что второй уровень изучения темы «Введение в информационное моделирование» более под­робно раскрывает суть системного анализа, знакомит учащихся с таким важным инструментом формализации, как графы.

Третий, углубленный уровень изучения общих вопросов модели­рования можно характеризовать как переход от ознакомительного обучения к выработке навыков активного использования методов системного анализа.

Дидактические цели:

• Научить учеников рассматривать окружающие объекты как системы взаимосвязанных элементов; осознавать, в чем проявля­ется системный эффект  в результате объединения отдельных элементов в единое целое.

• Раскрыть смысл модели «черного ящика». Этот подход харак­терен для кибернетики и применяется он в тех случаях, когда внутреннее устройство системы не раскрывается, а система рас­сматривается лишь с точки зрения ее взаимодействия с окружаю­щей средой. В таком случае основными понятиями, характеризую­щими систему, являются не ее состав и структура, а ее «входы» и «выходы».

• Дать представление о некоторых методах системного анализа, в частности, декомпозиции, классификации.

• Научить читать информационные модели, представленные в виде графов и строить граф-модели.

• Научить учеников разбираться в различных типах таблиц, подбирать наиболее подходящий тип таблицы для организации данных, грамотно оформлять таблицы.

Содержательная линия формализации и моделирования выпол­няет в базовом курсе информатики важную педагогическую зада­чу: развитие системного мышления учащихся. Эффективная работа с большими объемами информации невозможна без навыков ее систематизации. Компьютер предоставляет пользователю удобные инструменты для этой работы, но систематизацию данных пользо­ватель должен выполнять сам.

Информационное моделирование — это прикладной раздел информатики, связанный с самыми разнообразными предметны­ми областями: техникой, экономикой, естественными и обще­ственными науками и пр. Поэтому практическим решением задач моделирования занимаются специалисты в соответствующих об­ластях. В рамках школьного курса информатики информационное моделирование может быть предметом профильного курса, смеж­ного с другими школьными дисциплинами: физикой, биологи­ей, экономикой и др. Базовый курс информатики дает лишь на­чальные понятия о моделировании, систематизации данных, зна­комит с компьютерными технологиями, применяемыми для информационного моделирования.

Линия моделирования и базы данных

Изучаемые вопросы:

• Признаки компьютерной информационной модели.

• Является ли база данных информационной моделью.

• Задачи, решаемые на готовой базе данных.

• Проектирование базы данных (БД) задача для углублен­ного курса.

Общая схема этапов решения практической задачи на ЭВМ ме­тодами информационного  моделирования выглядит следующим образом (рис. 1):

Два первых этапа относятся к предметной области решаемой задачи. На третьем этапе происходит выбор подходящего инстру­ментального средства в составе программного обеспечения ЭВМ для реализации модели. Такими средствами могут быть: электрон­ные таблицы, СУБД, системы программирования, математичес­кие пакеты, специализированные системы моделирования обще­го назначения или ориентированные на данную предметную об­ласть. В базовом курсе информатики изучаются первые три из перечисленных программных средств.

Основные признаки компьютерной информационной модели:

• наличие реального объекта моделирования;

• отражение ограниченного множества свойств объекта по прин­ципу целесообразности;

• реализация модели с помощью определенных компьютерных средств;

• возможность манипулирования моделью, активного ее исполь­зования.

Ответ на вопрос: «является ли база данных информационной моделью?» будем искать, исходя их сформулированных выше кри­териев.

Первый критерий: наличие предметной области, некоторого реального объекта (системы), к которым относится БД, практи­чески всегда выполняется. Например, если в БД содержатся све­дения о книгах в библиотеке, значит, объектом моделирования является книжный фонд библиотеки. Если БД содержит анкет­ные данные сотрудников предприятия, значит, она моделирует кадровый состав этого предприятия. Если в БД хранятся сведе­ния о результатах сдачи экзаменов абитуриентами в институт, следовательно, она моделирует процесс вступительных экзаме­нов и т. п.

Удовлетворение второму критерию также несложно обосновать. Каждый из моделируемых объектов (как перечисленные выше, так и любые другие) обладает гораздо большим числом свойств, характеристик, атрибутов, чем те, что отражены в БД. Отбор ат­рибутов, включаемых в БД, происходит в процессе проектирова­ния базы, когда главным критерием является критерий целесооб­разности, т. е. соответствия цели создания БД, требованиям к ее последующим эксплуатационным свойствам. Например, в БД книжного фонда библиотеки не имеет смысла вносить такие ха­рактеристики книги, как ее вес, адрес типографии, где была на­печатана книга, годы жизни автора и пр.

Третий критерий, очевидно, выполняется, поскольку речь идет о компьютерной базе данных, созданной в среде некоторой СУБД.

База данных — не «мертвое хранилище» информации. Она созда­ется для постоянного, активного использования хранящейся в ней информации. Прикладные программы или СУБД, обслуживающие базу данных, позволяют ее пополнять, изменять, осуществлять по­иск информации, сортировку, группировку данных, получение от­четных документов и пр. Таким образом, четвертый критерий ком­пьютерной информационной модели также справедлив для БД.

В рамках обсуждаемой темы перед учителем информатики сто­ят две педагогические задачи: научить использовать готовые ин­формационные модели; научить разрабатывать информационные модели. В минимальном варианте изучения базового курса пред­почтение отдается первой задаче. В таком варианте ученикам мо­гут быть предложены задачи следующего типа: имеется готовая база данных; требуется осуществить поиск нужной информации;

выполнить сортировку данных по некоторому ключу; сформиро­вать отчет с нужной информацией. Решение этой задачи не требу­ет вмешательства в готовую модель.

Другой тип задач: расширить информационное содержание базы данных. Например, имеется реляционная база данных, содержа­щая сведения о книгах в библиотеке:

БИБЛИОТЕКА (НОМЕР, ШИФР, АВТОР, НАЗВАНИЕ)

Требуется изменить структуру БД таким образом, чтобы из нее можно было узнать, находится ли книга в настоящее время в биб­лиотеке, и если книга выдана, то когда и кому.

Новые цели требуют внесения изменений в модель, в структу­ру базы данных. Ученики должны спланировать добавление новых полей, определить их типы. Решение может быть таким: после добавления полей база данных будет иметь следующую структуру:

БИБЛИОТЕКА (НОМЕР, ШИФР, АВТОР, НАЗВАНИЕ, НАЛИЧИЕ, ЧИТАТЕЛЬ, ДАТА)

Здесь добавлены поля:

— НАЛИЧИЕ — поле логического типа; принимает значение True, если книга находится в библиотеке, и значение False, если выдана читателю;

— ЧИТАТЕЛЬ — поле числового (или символьного) типа; со­держит номер читательского билета человека, взявшего книгу;

— ДАТА — поле типа «дата»; указывает день выдачи книги.

Несмотря на все сказанное выше, не следует преувеличивать в интерпретации каждого задания на работу с базой данных, как задачи моделирования. И на минимальном уровне изучения темы можно предлагать ученикам простые задачи на разработку баз дан­ных, решение которых очевидно. К числу таких задач, например, относится задача разработки баз данных типа записной книжки с адресами знакомых, телефонного справочника и пр.

Проектирование баз данных. Проектирование базы данных зак­лючается в теоретическом построении информационной модели определенной структуры. Известны три основные структуры, ис­пользуемые при организации данных в БД: иерархическая (дере­вья), сетевая и табличная (реляционная). В последнее время чаще всего создаются БД реляционного типа. Доказано, что табличная структура является универсальной и может быть применена в лю­бом случае. В базовом курсе информатики изучаются базы данных реляционной структуры.

Если объект моделирования представляет собой достаточно сложную систему, то проектирование БД становится нетривиаль­ной задачей. Для небольших учебных БД ошибки при проектиро­вании не столь существенны. Но если создается большая база, в которой будут сохраняться многие тысячи записей, то ошибки при проектировании могут стоить очень дорого. Основные послед­ствия неправильного проектирования — избыточность информа­ции, ее противоречивость, потеря целостности, т.е. взаимосвязи между данными. В результате БД может оказаться неработоспособ­ной и потребовать дорогостоящей переделки.

Теория реляционных баз данных была разработана в 1970-х гг. Е.Коддом. Он предложил технологию проектирования баз дан­ных, в результате применения которой в полученной БД не воз­никает отмеченных выше недостатков. Сущ­ность этой технологии сводится к приведению таблиц, составля­ющих БД, к третьей нормальной форме. Этот процесс называется нормализацией данных: сначала все данные, которые планируется включить в БД, представляются в первой нормальной форме, за­тем преобразуются ко второй и на последнем шаге — к третьей нормальной форме. Проиллюстрируем процесс нормализации дан­ных на примере.

Ставится задача: создать БД, содержащую сведения о посеще­нии пациентами поликлиники своего участкового врача. Сначала строится одна таблица, в которую заносятся фамилия пациента, его дата рождения, номер участка, к которому приписан пациент, фамилия участкового врача, дата посещения врача и установлен­ный диагноз болезни. Ниже приведен пример такой таблицы.

Таблица 2

БД «Поликлиника»

Фамилия пациента	Дата рождения	Номер участка	Фамилия врача	Дата посещения	Диагноз
Лосев О.И.	20.04.65	2	Петрова О.И.	11.04.98	грипп
Орлова Е.Ю.	25.01.47	1	Андреева И. В.	05.05.98	ОРЗ
Лосев О.И.	20.04.65	2	Петрова О.И.	26.07.98	бронхит
Дуров М.Т.	05.03.30	2	Петрова О.И.	14.03.98	стенокардия
Жукова Л. Г.	30.01.70	2	Петрова О.И.	11.04.98	ангина
Орлова Е.Ю.	25.01.47	1	Андреева И. В.	11.07.98	гастрит
Быкова А.А.	01.04.75	1	Андреева И. В.	15.06.98	ОРЗ
Дуров М.Т.	05.03.30	2	Петрова О.И.	26.07.98	ОРЗ

Нетрудно понять недостатки такой организации данных. Во-первых, очевидна избыточность информации: повторение даты рождения одного и того же человека, повторение фамилии врача одного и того же участка. В такой БД велика вероятность иметь недостоверные, противоречивые данные. Например, если на вто­ром участке сменится врач, то придется просматривать всю базу и вносить изменения во все записи, относящиеся к этому участку. При этом велика вероятность что-то пропустить. После каждого нового посещения пациентом больницы потребуется снова вво­дить его дату рождения, номер участка, фамилию врача, т.е. ин­формацию, уже существующую в БД.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6