Вопрос 19.Методикаизложениятемы «Обработкатекстовойинформации» раздела «Программирование» в школьномкурсе.

План ответа

• Символьный и строковый типы данных.

• Процедуры и функции для обработки текстовой информации.

• Фрагмент методики изложения данного раздела для конкретного языка программирования (на выбор).

Должны знать:

1) понятия: «строка», «символ», «строковый тип», «символьный тип», «моделирование»;

2) процедуры и функции обработки строковой информации;

3) процедуры и функции обработки символьной информации;

4) процессы обработки текстовой информации: поиск, удаление, преобразование и замена.

Должны уметь:

1) описывать строковый и символьный типы данных;

2) применять при составлении алгоритмов процедуры и функции обработки строк и символов;

3) моделировать процессы обработки текстовой информации: поиск, удаление, преобразование и замена строковой и символьной информации;

4) составлять, редактировать, компилировать и запускать на выполнение алгоритмы с обработкой строковых и символьных типов данных.

Символьный тип - тип данных, переменные которого хранят ровно один символ. Объявление: varch: char;. Символ записывать в апострофах: ch:='R';.

Символьные переменные в памяти компьютера хранятся в виде числовых кодов, у каждого символа есть порядковый номер.

Функции над символами:

1) succ - выдаёт символ со следующим кодом.

2) pred - выдаёт символ с предыдущим кодом.

Сравнение символов (=, <>, <, >, <=, >=): сравнивает их коды.

Строковый тип – набор символов определенной длины.

В ЯП Паскаль имеется тип string.

Объявление: 1) var s: string; (макс.длина строки - 255 симв.); 2) var s: string[n]; (макс. длина - n символов).

Строка записывается в апострофах: s:='Hello, world!'.

Перед первым символом строки имеется нулевой, в котором хранится символ с кодом, равным длине строки.

Строки сравниваются последовательно, по символам.

Склеивание строк - операцию "+", при этом результатом будет строка, состоящая из последовательно записанных "слагаемых".

Функции для работы со строками:

1) length(s:string):integer (возвращает длину строки s);

2) Copy(s:string; start:integer; len:integer):string (возвращает вырезку из строковой переменной s, начиная с символа с номером start, длина которой len);

3) Pos(s1:string; s:string):byte (ищет подстроку s1 в строке s);

4) ORD(X) - определяет порядковый номер символа X;

5) CHR(X) - определяет символ, стоящий по порядковому номеру Х.

Процедуры для работы со строками:

1) Insert(s1:string; s:string; start:integer) (вставляет строку s1 в строковую переменную s начиная с символа с номером start);

2) Delete(s:string; start:integer; len:integer) (удаляет из строковой переменной s фрагмент, начинающийся с символа с номером start и длиной len).

Вопрос 21.Методикаизложениятемы «Формализация и моделирование» в школьномкурсе. Назначение и видыинформационныхмоделей. Оценкаадекватностимоделиобъекту и целяммоделирования (напримерахзадачизразличныхпредметныхобластей).

План ответа

• Различные подходы к раскрытию понятий «информационная модель», «информационное моделирование» в школьных учебниках по информатике.

• Место моделирования в базовом курсе.

• Понятия модели, объекта, системы.

• Понятие формализации.

• Классификации моделей.

• Три модели организации данных: реляционная, иерархическая, сетевая.

• Решение задач по моделированию с помощью графов.

По Семакину разговор можно вести в форме беседы. Информатика занимается информационными моделированиями.

Информационная модель — описание объекта моделирования. Информация может быть представлена в разной форме, поэтому существуют различные формы информационных моделей. В их числе:сложные или вероятностные, графические, математические, табличные.

По Макаровой дается представление, что такое сам объект, его свойства и характеристики.

По Ершову термины «модель», «моделирование» употребляются как очевидные. Вводится понятие вычислительной модели.

По Кушниренко вводится следующее определение модели: «Набор величин, содержащий всю необходимую информацию об исследуемых объектах и процессах, в информатике называется информационной моделью. Информационная модель содержит не всю информацию о моделируемых явлениях, а только ту ее часть, которая нужна для рассматриваемых задач».Уточнение: модель — это не только набор величин, но и отношения, связи между ними.

По Гейну понятие моделировании является центральным. В учебнике термин «модель» употребляется как «модель задачи».

Линия моделирования, наряду с линией информации и ИП, является теоретической основой базового курса информатики. Содержательная линия формализации и моделирования выполняет в базовом курсе информатики важную педагогическую задачу – развитие системного мышления, так как работа с огромными объектами информации невозможна без навыков ее систематизации. Умение систематизировать – главный компонент компьютерной грамотности. Понимание моделирования – центральное понятие курса информатики. Формализация и моделирование являются базовыми компонентами при изучении всех разделов информатики. Основным методологическим принципом информационного моделирования является системный подход, согласно которому всякий объект моделирования рассматривается как система. Формализация полученной информации есть один из компонентов процесса ее осознания.

Модели позволяют представить в наглядной форме объек­ты и процессы, недоступные для непосредственного воспри­ятия (очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и др.). Наглядные модели часто используются в процессе обучения. В курсе географии первые представления о нашей планете Земля мы получаем, изучая ее модель — глобус, в курсе физики изу­чаем работу двигателя внутреннего сгорания по его модели, в химии при изучении строения вещества используем моде­ли молекул и кристаллических решеток, в биологии изуча­ем строение человека по анатомическим муляжам и др.

Модели играют чрезвычайно важ­ную роль в проектировании и созда­нии различных технических устройств, машин и механизмов, зданий, электрических цепей и т. д.

Моделирование — это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.

Модель. Каждый объект имеет большое количество раз­личных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные для проводимого исследо­вания свойства. В процессе исследования аэродинамических качеств модели самолета в аэродинамической трубе важно, чтобы модель имела геометрическое подобие оригинала, но не важен, например, ее цвет. При построении электриче­ских схем — моделей электрических цепей — необходимо учитывать порядок подключения элементов цепи друг к другу, но не важно их геометрическое расположение друг относительно друга и так далее.

Разные науки исследуют объекты и процессы под разны­ми углами зрения и строят различные типы моделей. В фи­зике изучаются процессы взаимодействия и изменения объ­ектов, в химии — их химический состав, в биологии — строение и поведение живых организмов и так далее.

Возьмем в качестве примера человека: в разных науках он исследуется в рамках различных моделей. В рамках ме­ханики его можно рассматривать как материальную точку, в химии — как объект, состоящий из различных химиче­ских веществ, в биологии — как систему, стремящуюся к самосохранению, и так далее.

§Модель — это некий новый объект, который отра- жает существенные особенности изучаемого объекта, явления или процесса.

Один и тот же объект может иметь множество мо­делей, а разные объекты могут описываться од­ной моделью.

Никакая модель не может заменить сам объект. Но при решении конкретной задачи, когда нас интересуют опреде­ленные свойства изучаемого объекта, модель оказывается полезным, а подчас и единственным инструментом исследо­вания.

Формализация

Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется форма­лизацией.

Модели материальные и модели информационные.

Всемодели можно разбить на два больших класса: модели пред­метные (материальные) и модели информационные. Пред­метные модели воспроизводят геометрические, физические и другие свойства объектов в материальной форме (глобус, анатомические муляжи, модели кристаллических решеток, макеты зданий и сооружений и др.).

Информационные модели представляют объекты и про­цессы в образной или знаковой форме.

Образные модели (рисунки, фотографии и др.) представ­ляют собой зрительные образы объектов, зафиксированные на каком-либо носителе информации (бумаге, фото- и кино­пленке и др.). Широко используются образные информаци­онные модели в образовании (вспомните учебные плакаты по различным предметам) и науках, где требуется классифи­кация объектов по их внешним признакам (в ботанике, био­логии, палеонтологии и др.).

Знаковые информационные модели строятся с использо­ванием различных языков (знаковых систем). Знаковая ин­формационная модель может быть представлена в форме текста (например, программы на языке программирования), формулы (например, второго закона Ньютона F = т - а), таб­лицы (например, периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева) и так далее.

Иногда при построении знаковых информационных моде­лей используются одновременно несколько различных язы­ков. Примерами таких моделей могут служить географиче­ские карты, графики, диаграммы и пр. Во всех этих моделях используются одновременно как язык графических элементов, так и символьный язык.

На протяжении своей истории человечество использовало различные способы и инструменты для создания информа­ционных моделей. Эти способы постоянно совершенствова­лись. Так, первые информационные модели создавались в форме наскальных рисунков, в настоящее же время инфор­мационные модели обычно строятся и исследуются с исполь­зованием современных компьютерных технологий.

Формализация. Естественные языки используются для создания описательных информационных моделей. В исто­рии науки известны многочисленные описательные инфор­мационные модели; например, гелиоцентрическая модель мира, которую предложил Коперник, формулировалась сле­дующим образом:

• Земля вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца;

• орбиты всех планет проходят вокруг Солнца.

С помощью формальных языков строятся формальные информационные модели (математические, логические и др.). Одним из наиболее широко используемых формаль­ных языков является математика. Модели, построенные с использованием математических понятий и формул, назы­ваются математическими моделями. Язык математики яв­ляется совокупностью формальных языков. С некоторыми из них (алгебра, геометрия, тригонометрия) вы знакоми­тесь в школе, с другими (теория множеств, теория вероят­ностей и др.) сможете ознакомиться в процессе дальнейше­го обучения.

Язык алгебры позволяет формализовать функциональные зависимости между величинами. Так, Ньютон формализо­вал гелиоцентрическую систему мира, открыв законы меха­ники и закон всемирного тяготения и записав их в виде ал­гебраических функциональных зависимостей. В школьном курсе физики рассматривается много разнообразных функ­циональных зависимостей, выраженных на языке алгебры, которые представляют собой математические модели изуча­емых явлений или процессов.

Язык алгебры логики (алгебры высказываний) позволяет строить формальные логические модели. С помощью алгебры высказываний можно формализовать (записать в виде логи­ческих выражений) простые и сложные высказывания, вы­раженные на естественном языке. Построение логических моделей позволяет решать логические задачи, строить логи­ческие модели устройств компьютера (сумматора, триггера) и так далее.

В процессе познания окружающего мира человечество по­стоянно использует моделирование и формализацию. При изучении нового объекта сначала обычно строится его опи­сательная информационная модель на естественном языке, затем она формализуется, то есть выражается с использова­нием формальных языков (математики, логики и др.).

Визуализация формальных моделей. В процессе исследо­вания формальных моделей часто производится их визуали­зация. Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы: пространственных соотношений между объек­тами — чертежи, моделей электрических цепей — электри­ческие схемы, логических моделей устройств — логические схемы и так далее.

Так при визуализации формальных физических моделей с помощью анимации может отображаться динамика про­цесса, производиться построение графиков изменения физи­ческих величин и так далее. Визуальные модели обычно яв­ляются интерактивными, то есть исследователь может менять начальные условия и параметры протекания процес­сов и наблюдать изменения в поведении модели.

В качестве примера мож­но рассмотреть модель, ко­торая демонстрирует сво­бодные колебания матема­тического маятника. С по­мощью анимации показы­ваются движение тела и действующие силы, строят­ся графики зависимости от времени угловой координа­ты или скорости, диаграм­мы потенциальной и кине­тической энергий (рис. 5.4).

Исследователь может изме­нять длину нити I, угол на­чального отклонения маятника ф0 и коэффициент вязкого трения b

Система является совокупностью взаимосвязан-ных объектов, которые называются элементами системы

Понятие о системе. Окружающий нас мир состоит из множества различных объектов, каждый из которых имеет разнообразные свойства, и при этом объекты взаимодейству­ют между собой. Например, такие объекты, как планеты на­шей Солнечной системы, имеют различные свойства (массу, геометрические размеры и пр.) и по закону всемирного тяго­тения взаимодействуют с Солнцем и друг с другом.

Планеты входят в состав более крупного объекта — Сол­нечной системы, а Солнечная система — в состав нашей га­лактики «Млечный путь». С другой стороны, планеты состо­ят из атомов различных химических элементов, а атомы — из элементарных частиц. Можно сделать вывод, что практи­чески каждый объект состоит из других объектов, то есть представляет собой систему.

Важным признаком системы является ее целостное функ­ционирование. Система является не набором отдельных эле­ментов, а совокупностью взаимосвязанных элементов. На­пример, компьютер является системой, состоящей из различных устройств, при этом устройства связаны между собой и аппаратно (физически подключены друг к другу) и функционально (между устройствами происходит обмен ин­формацией).

Состояние системы характеризуется ее структурой, то есть составом и свойствами элементов, их отношениями и связями между собой. Система сохраняет свою целостность под воздей­ствием различных внешних воздействий и внутренних изме­нений до тех пор, пока она сохраняет неизменной свою струк­туру. Если структура системы меняется (например, удаляется один из элементов), то система может перестать функциониро­вать как целое. Так, если удалить одно из устройств компью­тера (например, процессор), компьютер выйдет из строя, то есть прекратит свое существование как система.

Статические информационные модели. Любая система существует в пространстве и во времени. В каждый момент времени система находится в определенном состоянии, кото­рое характеризуется составом элементов, значениями их свойств, величиной и характером взаимодействия между элементами и так далее.

Так, состояние Солнечной системы в любой момент вре­мени характеризуется составом входящих в нее объектов (Солнце, планеты и др.), их свойствами (размерами, положе­нием в пространстве и др.), величиной и характером взаимо­действия между собой (силами тяготения, с помощью элект­ромагнитных волн и др.).

Модели, описывающие состояние системы в определен­ный момент времени, называются статическими информа­ционными моделями.

В физике примером статических информационных моде­лей являются модели, описывающие простые механизмы, в биологии — модели строения растений и животных, в хи­мии — модели строения молекул и кристаллических реше­ток и так далее.

Динамические информационные модели. Состояние сис­тем изменяется во времени, то есть происходят процессы из­менения и развития систем. Так, планеты движутся, изме­няется их положение относительно Солнца и друг друга; Солнце, как и любая другая звезда, развивается, меняются ее химический состав, излучение и так далее.

Модели, описывающие процессы изменения и развития систем, называются динамическими информационными мо­делями.

В физике динамические информационные модели описы­вают движение тел, в биологии — развитие организмов или популяций животных, в химии — процессы прохождения химических реакций и так далее.

Типы информационных моделей

Информационные модели отражают различные типы сис­тем объектов, в которых реализуются различные структуры взаимодействия и взаимосвязи между элементами системы. Для отражения систем с различными структурами исполь­зуются различные типы информационных моделей: таблич­ные, иерархические и сетевые.

Табличные информационные модели

Одним из наиболее часто используемых типов информаци­онных моделей является прямоугольная таблица, которая со­стоит из столбцов и строк. Такой тип моделей применяется для описания ряда объектов, обладающих одинаковыми набо­рами свойств. С помощью таблиц могут быть построены как статические, так и динамические информационные модели в различных предметных областях. Широко известно табличное представление математических функций, статистических дан­ных, расписаний поездов и самолетов, уроков и так далее.

В табличной информационной модели обычно перечень объектов размещен в ячейках первого столбца таблицы, а значения их свойств — в других столбцах. Иногда использу­ется другой вариант размещения данных в табличной моде­ли, когда перечень объектов размещается в первой строке таблицы, а значения их свойств — в последующих строках. Подобным образом организованы таблицы истинности логи­ческих функций, рассмотренные в главе 3. Перечень логиче­ских переменных и функций размещен в первой строке таб­лицы, а их значения — в последующих строках.

•£%

В табличной информационной модели перечень jtj однотипных объектов или свойств размещен в

первом столбце (или строке) таблицы, а значения их свойств размещаются в следующих столбцах (или строках) таблицы.

Построим табличную информационную модель «Цены устройств компьютера». В первом столбце таблицы будет со­держаться перечень однотипных объектов (устройств, вхо­дящих в состав компьютера), а во втором — интересующее нас свойство (например, цена) — табл. 5.1. Построенная таб­личная модель позволяет оценить долю стоимости отдель­ных устройств в цене компьютера и приобрести за минима­льную цену компьютер в наиболее производительной конфигурации.

Таблица 5.1. Цены устройств компьютера на конец 2001 г.

Наименование устройства	Цена (в у.е.)
Системная плата	80
Процессор Celeron (1 ГГц)	70
Память DIMM 128 Мб	15
Жесткий диск 40 Гб	130
Дисковод 3,5”	14
Видеоплата 16 Мб	30
Монитор 15”	180
Звуковая карта 16 битов	30
Дисковод CD-ROM х52	40
Корпус	25
Клавиатура	10
Мышь	5

Табличные информационные модели проще всего строить и исследовать на компьютере с помощью электронных таб­лиц и систем управления базами данных. Визуализируем полученную табличную модель путем построения диаграм­мы в электронных таблицах.

Визуализация табличной модели

1. Ввести наименования устройств и их цены в столбцы электронной таб­лицы.

Отсортировать данные по столбцу Цена в порядке

убывания.

Построить круговую диа­грамму.

Анализ модели показывает, что увеличение расходов на приобретение более быстрого процессора и увеличение объе­ма оперативной памяти не приведут к заметному увеличе­нию цены компьютера, но позволят существенно повысить его производительность

Представление объектов и их свойств в форме таблицы часто используется в научных исследованиях. Так, на раз­витие химии и физики решающее влияние оказало создание Д. И. Менделеевым в конце XIX века периодической систе­мы элементов, которая представляет собой табличную ин­формационную модель. В этой модели химические элементы располагаются в ячейках таблицы по возрастанию атомных весов, а в столбцах — по количеству валентных электронов, причем по положению в таблице можно определить некото­рые физические и химические свойства элементов.

На уроках химии часто используется печатный вариант пе­риодической системы элементов. Компьютерная модель систе­мы более удобна, так как в интерактивном режиме позволяет знакомиться с различными физическими и химическими свойствами химических элементов (атомная масса, электро­проводность, плотность и так далее), уравнивать химические реакции, решать стандартные химические задачи на нахожде­ние массы веществ, участвующих в реакции, и др.

1. Иерархические информационные модели

Нас окружает множество различных объектов, каждый из которых обладает определенными свойствами. Однако не­которые группы объектов имеют одинаковые общие свойст­ва, которые отличают их от объектов других групп.

Группа объектов, обладающих одинаковыми общими свойствами, называется классом объектов. Внутри класса объектов могут быть выделены подклассы, объекты которых обладают некоторыми особенными свойствами, в свою оче­редь подклассы могут делиться на еще более мелкие группы и так далее. Такой процесс систематизации объектов назы­вается процессом классификации.

В процессе классификации объектов часто строятся ин­формационные модели, которые имеют иерархическую структуру. В биологии весь животный мир рассматривает­ся как иерархическая система (тип, класс, отряд, семейство, род, вид), в информатике используется иерархическая фай­ловая система и так далее.

Статическая иерархическая модель. Рассмотрим процесс построения информационной модели, которая позволяет классифицировать современные компьютеры. Класс Компь­ютеры можно разделить на три подкласса: Суперкомпьюте­ры, Серверы и Персональные компьютеры.

Компьютеры, входящие в подкласс Суперкомпьютеры, от­личаются сверхвысокой производительностью и надежно­стью и используются в крупных научно-технических центрах для управления процессами в реальном масштабе времени.

Компьютеры, входящие в подкласс Серверы, обладают высокой производительностью и надежностью и использу­ются в качестве серверов в локальных и глобальных сетях.

Компьютеры, входящие в подкласс Персональные компь­ютеры, обладают средней производительностью и надежно­стью и используются в офисах и дома для работы с различ­ными приложениями.

Подкласс Персональные компьютеры делится, в свою очередь, на Настольные, Портативные и Карманные компьютеры.

В иерархической структуре элементы распределяются по уровням, от первого (верхнего) уровня до нижнего (последне­го) уровня. На первом уровне может располагаться только один элемент, который является «вершиной» иерархической структуры. Основное отношение между уровнями состоит в том, что элемент более высокого уровня может состоять из нескольких элементов нижнего уровня, при этом каждый элемент нижнего уровня может входить в состав только одно­го элемента верхнего уровня.

В иерархической информационной модели объ­екты распределены по уровням. Каждый элемент более высокого уровня может состоять из эле­ментов нижнего уровня, а элемент нижнего уровня может входить в состав только одного элемента более высокого уровня.

В рассмотренной иерархической модели, классифициру­ющей компьютеры, имеются три уровня. На первом, верх­нем, уровне располагается элемент Компьютеры, в него вхо­дят три элемента второго уровня Суперкомпьютеры, Серверы и Персональные компьютеры. В состав последнего входят три элемента третьего, нижнего, уровня Настоль­ные, Портативные и Карманные компьютеры.

Изображение информационной модели в форме графа. Граф является удобным способом наглядного представления структуры информационных моделей. Вершины графа (ова­лы) отображают элементы системы.

Элементы верхнего уровня находятся в отношении «со­стоять из» к элементам более низкого уровня. Такая связь между элементами отображается в форме дуги графа (на­правленной линии в форме стрелки). Графы, в которых свя­зи между объектами несимметричны (как в данном случае), называются ориентированными.

Построим теперь компьютерную модель Компьютеры с использованием приложения Иерархика, которое позволяет создавать иерархические модели.

Изобразим иерархическую модель, классифицирующую компьютеры, в виде графа (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Классификация компьютеров

Полученный граф напоминает дерево, которое растет сверху вниз, поэтому иерархические графы иногда называ­ют деревьями.

Динамическая иерархическая модель. Для описания ис­торического процесса смены поколений семьи используются динамические информационные модели в форме генеалоги­ческого дерева. В качестве примера можно рассмотреть фрагмент (X-XI века) генеалогического дерева династии Рюриковичей (рис. 5.6).

Рис. 5.6. Генеалогическое дерево Рюриковичей (X-XI)

1. Сетевые информационные модели

Сетевые информационные модели применяются для отра­жения систем со сложной структурой, в которых связи между элементами имеют произвольный характер.

Например, различные региональные части глобальной компьютерной сети Интернет (американская, европейская, российская, австралийская и так далее) связаны между со­бой высокоскоростными линиями связи. При этом одни час­ти (например, американская) имеют прямые связи со всеми региональными частями Интернета, а другие могут обмени­ваться информацией между собой только через американ­скую часть (например, российская и австралийская).

Построим граф, который отражает структуру глобальной сети Интернет (рис. 5.7). Вершинами графа являются регио­нальные сети. Связи между вершинами носят двусторонний характер и поэтому изображаются ненаправленными линия­ми (ребрами), а сам граф поэтому называется неориентиро­ванным.

Представленная сетевая информационная модель являет­ся статической моделью. С помощью сетевой динамической модели можно, например, описать процесс передачи мяча между игроками в коллективной игре (футболе, баскетболе и так далее).

Рис. 5.7. Сетевая структура глобальной сети Интернет