Информатика и ИТ. Нейросети.
Николай Петрович Морозов
Эта книга во многом опирается на материал, изложенный в моих книгах «Виды информации и ИТ ее обработки», «Информатика и ИТ». В ней изложены теоретические основы информатики, рассмотрены основные виды информационных технологий, представлены приемы работы с программными продуктами.Электронный формат книги позволяет повысить качество и эффективность самостоятельной работы студентов. Учебник может быть также использован в системах открытого и дополнительного образования.
Информатика и ИТ. Нейросети.
Николай Петрович Морозов
© Николай Петрович Морозов, 2024
ISBN 978-5-0062-7407-5
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
АННОТАЦИЯ
Электронная книга «Информатика и информационные технологии» предназначена для подготовки бакалавров гуманитарных направлений. и во многом опирается на материал, изложенный в моих книгах «Виды информации и ИТ ее обработки», «Информатика и ИТ». В учебнике изложены теоретические основы информатики, рассмотрены базовые виды информационных технологий для обеспечения основных видов информационных процессов (технологии создания текстовых документов, технологии обработки данных в электронных таблицах, технологии разработки баз данных, технологии алгоритмизации, программирования, компьютерного моделирования), представлены эффективные приемы работы с распространенными программными продуктами. Содержание учебника соответствует требованиям Федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования к уровню подготовки бакалавров по направлениям, реализуемым в Санкт-Петербургском государственном институте культуры.
Учебник позволяет унифицировать содержание читаемых студентам информационных дисциплин, не исключая возможности для преподавателей варьировать содержание курса с учетом специфики дисциплины, специализации, уровня подготовки студентов.
Учебник ориентирован на формирование и развитие у студентов соответствующих компетенций в области информатики и информационных технологий. Электронный формат учебника позволяет повысить качество и эффективность самостоятельной работы студентов. Учебник может быть также использован в системах и учреждениях открытого и дополнительного образования.
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
Формирование информационного общества связано с развитием и широким использованием информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности. В настоящее время информационные технологии стали привычным инструментарием как в учебной, научной, так и практической деятельности. Эффективная деятельность специалиста любого профиля сегодня не мыслится без применения современных информационных технологий.
Многообразные информационные технологии, функционирующие в образовании, финансовых операциях, проектировании и т.п., имея общие черты, в то же время существенно различаются между собой. Объединить их в одном подходе призвана информатика.
Сегодня информатика занимает достойное место среди базовых дисциплин и является неотъемлемой компонентой учебных планов всех без исключения направлений и специальностей высших учебных заведений, в том числе гуманитарных. Информатика – одна из немногих дисциплин, развивающих такие практические навыки, которые востребуются напрямую и немедленно, сразу после включения молодого специалиста в профессиональную деятельность.
Процесс изучения информатики и информационных технологий направлен на формирование общекультурных (ОК) и профессиональных (ПК) компетенций. В частности, студент должен быть способным самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности новые знания и умения, стремиться к саморазвитию (ОК); быть способным использовать современное электронное оборудование и информационно-коммуникационные технологии в соответствии с целями образовательной программы бакалавра (ПК).
У выпускника должно быть сформировано на достаточном уровне умение самостоятельно расширять и применять полученные знания в профессиональной сфере, осваивать новые программные продукты.
Для плодотворного применения персонального компьютера в профессиональных областях деятельности пользователю следует знать, что означают такие информационные термины, как «бит», «байт», «файл», «информационная система» и др., уметь работать с системным и прикладным программным обеспечением, владеть технологиями подготовки документов, обработки и анализа данных, разработки баз данных, основами алгоритмизации, программирования, моделирования, что позволит автоматизировать расчеты и облегчить работу с массивами информации.
Коренное отличие информатики от других дисциплин, изучаемых в высшей школе, состоит в том, что предметная область информатики изменяется чрезвычайно динамично. Сегодня в среднем один раз в полтора года удваиваются основные технические параметры аппаратных средств, один раз в два-три года меняются поколения программного обеспечения, и один раз в пять-семь лет меняется база стандартов, интерфейсов и протоколов.
Формат электронного учебника, в отличие от традиционных учебников, представляет собой динамичную структуру, что позволяет своевременно вносить изменения и дополнения, соответствующие современному развитию живой науки – информатики, ее аппаратных и программных средств. На современном этапе такая возможность является одной из ключевых для организации учебного процесса в высшем учебном заведении.
Современные образовательные технологии (дистанционное образование) также требуют современного методического обеспечения учебного процесса, и в первую очередь, электронных учебников с удобной навигацией, развитым поисковым механизмом, встроенным автоматизированным контролем уровня знаний студента.
Ныне информатика сталкивается с парадоксальным фактом. Ее основная задача состоит в преодолении общечеловеческого кризисного явления, называемого «информационным бумом», путем внедрения средств и методов, автоматизирующих операции с данными. Однако в собственной предметной области информатика испытывает такой информационный бум, какого не знает ни одна область человеческой деятельности. Например, мировой ассортимент изданий, имеющих прямое отношение к информатике (не считая периодических и электронных), составляет порядка десяти тысяч томов в год и полностью обновляется не реже, чем раз в два года.
Таким образом, для преподавания информатики в современных условиях необходимо расширенное взаимодействие между учебными программами общих и специальных дисциплин и учебной программой курса информатики. Формат электронного учебника позволит решать эту задачу наиболее эффективно.
Не только по форме, но и по содержанию учебник является актуальным. Необходимость разработки данного электронного учебника вызвана отсутствием подобного издания для подготовки бакалавров в вузах министерства культуры. Данное электронное издание учитывает специфику гуманитарного вуза и ориентировано на студентов гуманитарных специальностей и направлений. В книге отражены основные принципы и положения информатики как науки, современные аспекты и тенденции развития информационных технологий.
Электронный учебник содержит теоретические основы информатики, рассмотрены базовые виды информационных технологий для обеспечения основных видов информационных процессов (технологии создания текстовых документов, технологии обработки данных в электронных таблицах, технологии разработки баз данных, технологии алгоритмизации, программирования, компьютерного моделирования). В учебнике представлены эффективные приемы работы с распространенными программными продуктами.
Учебник обобщает многолетний опыт работы профессорско-преподавательского состава кафедры информатики и математики Санкт-Петербургского государственного института культуры (СПбГИК), прошел успешную экспериментальную проверку при обучении студентов информационным дисциплинам. Содержание учебника соответствует требованиям Федеральных государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования к уровню подготовки бакалавров по направлениям, реализуемым в СПбГИК.
Электронный формат учебника позволяет повысить качество и эффективность самостоятельной работы студентов. Учебник может быть также использован в системах и учреждениях открытого и дополнительного образования.
Глава 1.
Информация и информатика
Информация, данные, свойства информации
Информация (от лат. informatio – разъяснение, изложение, осведомленность) – одно из наиболее общих понятий науки, обозначающее некоторые сведения, совокупность каких-либо данных, знаний и т. п. В связи с широким распространением этого понятия трудно дать его однозначное определение. Существует много определений информации, отображающих разные точки зрения на нее.
Отметим, что понятие информации рассматривается всегда не само по себе, а в связи с представлением о так называемой коммуникации, когда нечто передается от источника к получателю.
Самое лаконичное определение выглядит так: «Информация – сведения, передаваемые источником получателю».
Это определение легко запомнить, но на самом деле необходимо разобраться в значении всех терминов этого определения: что такое «сведения», «передача сведений», «источник», «получатель».
Прежде всего, укажем на двойственный характер понятия «информация».
Широко известно определение, данное в Большой Советской Энциклопедии (БСЭ):
«Информация, первоначально – сведения, передаваемые людьми устным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов, технических средств и т.д.); с середины 20 века – общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире, передачу признаков от клетки к клетке, от организма к организму».
В приведенном определении информация – это то, что источникпередает получателю.
Не менее известным является определение, данное в ГОСТ 7.0—99 «Информационно-библиотечная деятельность. Термины и определения»:
«Информация – сведения, воспринимаемые человеком и (или) специальными устройствами как отражение фактов материального или духовного мира в процессе коммуникации».
В этом определении информация – это то, что воспринимаетполучатель.
Указанные различия в определениях, двойственность подхода к понятию информации не случайны. Дело в том, что процесс информационной коммуникации содержит, как минимум, два этапа, два взаимодействия:
Этап 1 – сведения от источника информации доходят до некоего материального объекта (носителя данных), преобразуются и фиксируются на нем в виде данных.
Этап 2 – данные передаются получателю, который воспринимает содержащуюся в данных информацию.
Источник информации. В вышеприведенном определении из БСЭ в качестве источника информации упоминаются достаточно сложные системы: человек, животное, организм, автомат. Однако следует отметить, что роль источника могут играть любые объекты реального мира: камень, следы пожара, пейзаж за окном, пейзаж на картине художника, сам художник и т. п.
Сведения. По определению В. М. Глушкова «информация в самом общем ее понимании представляет собой меру неопределенности распределения материи и энергии в пространстве и во времени, меру изменений, которыми сопровождаются все протекающие в мире процессы». Эти процессы протекают как в материальном мире, так и в духовном мире, в мышлении людей.
А. Д. Урсул называет неоднородность распределения материи в пространстве и времени, неравномерность протекания процессов на всех уровнях движения и эволюции в мироздании разнообразием. С каждым объектом реального мира связано свое разнообразие, т.е. своя совокупность характеристик неоднородности распределения материи и неравномерности протекания процессов.
Например, камень может характеризоваться массой, Луна – особенностями рельефа поверхности, результаты мыслительной деятельности человека – неким «текстом» в мозгу.
Между объектами реального мира постоянно осуществляются различные взаимодействия. В ходе взаимодействия объектов А и В в зависимости от значений характеристик объекта А происходит изменение некоторых вещественно-энергетических характеристик объекта В. Эти изменения реализуются либо в виде изменения параметров динамических процессов, либо в виде изменения свойств физических объектов (характеристик их внутренней структуры).
Например, взаимодействие между Луной и фотоаппаратом заключается в том, что электромагнитное излучение (лучи Солнца), отражаясь от поверхности Луны, преобразуется в отраженные лучи, параметры которых зависят от того, от какого участка рельефа они отразились. В свою очередь, эти лучи, попав на Земле в объектив фотоаппарата, произведут изменения в характеристиках светочувствительного слоя пленки в этом аппарате. Взаимодействие между мозгом и бумагой: результаты мыслительной деятельности человека преобразуются в механические движения руки, создающие текст на бумаге – специальным образом организованную совокупность черных и белых участков. Взаимодействие между бумагой и мозгом: лучи света по-разному отражаются от чистой поверхности бумаги и от букв текста, написанного на бумаге, попадают в глаз, воспринимаются его рецепторами, далее преобразуются в определенные нервные импульсы и поступают в мозг.
Изменения в характеристиках объекта В неким образом зависят от характеристик объекта А и тем самым отражают состояние разнообразия R
. Те значения характеристик объекта А, которые повлияли на изменение характеристик объекта В, суть сведения об объекте А. Объект А выступает как источник информации, а сведения о нем и есть информация, передаваемая источником.
Передача информации (сведений) с точки зрения теории отражения. Взаимодействие между объектами А и В и есть процесс передачи сведений: сведения о состоянии объекта А в результате взаимодействия отразились в изменении значений каких-то характеристик состояния объекта В.
Процесс передачи сведений от объекта А к объекту В, как правило, представляется как последовательность нескольких (элементарных) отражений, связанных с последовательностью физических взаимодействий – физических процессов. Каждое физическое взаимодействие, как уже упоминалось, приводит к изменению либо параметров динамических процессов, либо свойств физических объектов. Разнообразие, характеризуемое значениями параметров динамических процессов, само динамично, постоянно меняется, преобразуется в разнообразие, связанное с последующими процессами взаимодействия. Результаты же изменения характеристик физических объектов статичны, они могут сохраняться во времени до тех пор, пока не будут изменены в процессе какого-нибудь другого взаимодействия.
Два физических объекта могут взаимодействовать друг с другом только посредством связывающего их динамического процесса. В этом случае взаимодействие объектов А и В состоит, как минимум, из двух взаимодействий: объекта А с динамическим процессом ? и процесса ? с объектом В. Параметры динамического процесса ? отражают сведения об объекте А, а сведения о процессе ? (а, значит, и об объекте А) фиксируются в значениях характеристик физического объекта В.
Если объект В – физический объект, то состояние его вещественно-энергетических характеристик, возникшее в результате взаимодействия, представляет собой данные, в которых отражены сведения об объекте А.
Подытоживая обсуждение процесса передачи информации от объекта А к объекту В, можно ввести следующие определения.
– Процесс передачи информации от А к В – физическое взаимодействие, в результате которого значения некоторых характеристик объекта А отражаются в изменении значений каких-либо характеристик объекта В.
– Передаваемая информация – сведения об источнике, т.е. совокупность тех значений характеристик объекта А, которые повлияли на изменение характеристик объекта В.
– Сигнал – динамический физический процесс, реализующий взаимодействие объектов А и В, влияющий на изменение характеристик объекта B в соответствии с состоянием объекта А.
– Фиксация (регистрация) сигнала – изменение свойств физических объектов (характеристик их внутренней структуры) под действием сигнала.
– Материальный носитель данных – физический объект, характеристики которого меняются под действием сигнала.
– Данные – результат фиксации (регистрации) сигнала на материальном носителе, т.е. совокупность тех характеристик объекта В, в которых отражаются сведения об объекте А.
Более коротко определения сигнала и данных могут быть сформулированы так:
– Сигнал – динамический физический процесс, реализующий процесс передачи информации.
– Данные – результат фиксации, представления информации на материальном носителе.
Например, данные – это и текст книги или письма (в рукописном, печатном или электронном виде), и фотография поверхности Луны, и картина художника, и молекула ДНК, и следы падения Тунгусского или Челябинского метеорита.
Передача информации с точки зрения коммуникационного подхода. Процесс информационной коммуникации разбивается на два этапа. На первом этапе сведения об источнике S фиксируются на материальном носителе в виде данных D (от Data). На втором этапе получатель R воспринимает переданную информацию, т.е. извлекает сведения, зафиксированные в данных D, и преобразует их в сведения об источнике.
Передача информации происходит:
– либо в режиме непосредственного общения (синхронно), когда события материального мира, результаты духовной или мыслительной деятельности немедленно передаются получателю;
– либо, в режиме отложенного общения (диахронно), когда сначала создается некий текст (результат фиксации событий или текст, сочиненный человеком), а затем, через неопределенный отрезок времени этот текст воспринимается получателем.
Очевидно, что в режиме отложенного общения исходящий от источника текст вначале должен быть зарегистрирован на носителе в виде данных, а через некоторое время извлечен из этих данных получателем (а, может быть, и никогда никем не извлечен). В режиме непосредственного общения, казалось бы, не требуется использование промежуточной сущности – данных. Однако на самом деле сигналы, получаемые человеком, после первичного преобразования на короткое время откладываются (фиксируются) в кратковременной (оперативной) памяти, а затем уже поступают в дальнейшую обработку, результаты которой загружаются в долговременную память.
Получатель информации. На втором этапе коммуникационного процесса сведения, содержание (смысл), зафиксированное в данных, извлекается из данных, если нужно, преобразуется и поступает в распоряжение воспринимающей системы – получателя информации. Роль такой системы может играть конкретный человеческий мозг, конкретный мозг животного, наследственная система конкретного организма или совокупность специальных программ в компьютере. Последний вид воспринимающей системы при желании можно считать подвидом первого – ведь исполнение программ в компьютере можно считать особым способом проявления деятельности человеческого мозга, инструментально поддерживаемой компьютером.
Воспринимающая система может быть и более простой. Например, в механическом будильнике весьма простая подсистема управления звонком реагирует на информацию (когда включать звонок), заданную устанавливаемым извне положением одной из деталей.
Восприятие информации. Для того чтобы воспринять сведения, отраженные в данных, необходимо сначала выявить какие-то неоднородности в свойствах материального носителя данных, а затем понять их смысл, т.е. понять, какие свойства источника повлияли на возникновение этих неоднородностей. Для понимания этого получатель информации должен обладать определенным набором знаний.
