Учебники

Новый учебник
для 10–11-х классов

И.Г. Семакин,
г. Пермь

В предыдущей статье “Информатика в 10–11-х классах. Чему и как учить на базовом уровне” были описаны принципы построения общеобразовательного курса информатики и ИКТ (базовый уровень) для старших классов. В данной статье приводятся фрагменты из учебника [1], который вместе с книгами [2], [3] составляет новый УМК для 10–11-х классов.

Первый фрагмент

Первый фрагмент (параграф учебника) иллюстрирует реализацию задачи углубления теоретической подготовки учащихся в области информатики. Как известно, курс информатики в основной школе — базовый курс, затрагивает все основные содержательные линии образовательной области информатики. Поэтому возврат к ним в старших классах должен происходить в виде нового подхода к “старым” темам. В данном примере это традиционная тема школьной информатики — тема алгоритма. Здесь понятие алгоритма раскрывается в новом контексте — в контексте моделирования. Обратите внимание на таблицу в конце параграфа. Это структурограмма основных понятий. В учебнике [1] такие структурограммы присутствуют в конце каждого параграфа.

§16. Алгоритм как модель деятельности

Снова вернемся к понятию алгоритма, которое обсуждалось в §9 “Обработка информации и алгоритмы”. Однако теперь будем анализировать понятие алгоритма с новой точки зрения. В науке о моделировании среди многих видов информационных моделей называются и алгоритмические модели.

Что такое “алгоритмическая модель”

Попробуем разобраться, почему алгоритм можно назвать моделью и что он моделирует?

Как вам известно, алгоритм — это понятное и точное предписание конкретному исполнителю совершить конечную последовательность действий, приводящую к поставленной цели. Из определения следует, что поставленная цель достигается через деятельность (последовательность действий) некоторого исполнителя.

Последовательность событий от определения цели (постановки задачи) до получения результата такая:

1) определение цели;

2) работа исполнителя;

3) получение результата.

Где же здесь место алгоритму? Алгоритм — это не сама работа, а план работы исполнителя, это описание последовательности элементарных действий, которые должен совершить исполнитель. Но всякий план или описание есть информация. Следовательно, алгоритм является информационной моделью деятельности исполнителя. К трем описанным выше пунктам нужно добавить еще один. В схематическом виде эти четыре этапа представлены на рис. 16.1.

Рис. 16.1. Этапы движения от цели к результатам

Чтобы построить реальный план-алгоритм, который окажется выполнимым, нужно точно знать возможности исполнителя. С точки зрения теории алгоритмов эти возможности определяются системой команд исполнителя — СКИ. Составляя алгоритм, нельзя выходить за рамки этой СКИ. В этом состоит свойство понятности алгоритма.

Оказывается, гораздо проще построить алгоритм для программно-управляемого автомата (в том числе компьютера), чем для человека. Для автомата СКИ — это хорошо известный конечный набор команд, заложенный в него конструкторами. Поэтому алгоритм представляет собой точное описание его работы и автомат выполняет работу, формально следуя указаниям алгоритма. Для управления автоматом или компьютером нетрудно придумать формализованный язык описания алгоритмов. Такие языки называются языками программирования, а сам алгоритм, представленный на таком языке, называется программой.

Сложнее дело обстоит с человеком, которого трудно назвать формальным исполнителем. И, что совершенно очевидно, СКИ человека невозможно полностью описать.

Пример алгоритмической модели

Обсудим эти проблемы на конкретном примере. Вернемся к задаче, которую рассматривали в §11, “Поиск данных” — угадывание целого числа из заданного диапазона методом половинного деления. Напомним постановку задачи. Первый игрок загадал целое число из данного диапазона чисел, например, от 1 до 100. Второй должен угадать это число за наименьшее количество вопросов.

Запишем алгоритм угадывания числа методом половинного деления, ориентированный на исполнителя-человека.

Алгоритм “Угадывание числа”

Дано: диапазон чисел от А до В

Нужно: угадать число Х, задуманное игроком, используя алгоритм половинного деления

1. Задать вопрос: Х меньше среднего значения между А и В?

2. Если ответ “да”, то принять за значение В целую часть среднего значения.

3. Если ответ “нет”, то принять за значение А ближайшее целое число, не меньшее, чем среднее.

4. Если значения А и В стали равными, то их общее значение и есть искомое Х.

5. Если значения А и В не равны, то вернуться к выполнению пункта 1.

Конец

Насколько многословен этот алгоритм! И еще нет уверенности, что исполнитель (какой-нибудь Вася из 8-го “Б”) правильно выполнит все эти пункты, хотя образование восьмиклассника должно это ему позволять.

В этом примере использовано описание алгоритма в форме учебного алгоритмического языка, с которым вы должны быть знакомы из базового курса информатики. Однако этот алгоритм ориентирован на исполнителя-человека, а не на компьютер. Поэтому здесь нет никаких вводов, присваиваний, выводов и прочих формальных команд компьютерного алгоритма. Как уже отмечено выше, один человек его сможет исполнить, а другой — нет.

Алгоритм, составленный для компьютера и переведенный на язык программирования, будет точно исполнен любым компьютером, “понимающим” этот язык. На рис. 16.2 приведен алгоритм поиска числа методом половинного деления для исполнителя-компьютера в форме блок-схемы и на учебном алгоритмическом языке.

Здесь “ЦЕЛ” обозначает функцию выделения целой части аргумента.

Напомним основные правила изображения блок-схем.

Блок-схема — это ориентированный граф, указывающий порядок исполнения команд алгоритма исполнителем. Блоки — вершины этого графа обозначают отдельные команды, которые отдаются исполнителю, а дуги указывают на последовательность переходов от одной команды к другой.

В прямоугольниках на блок-схемах записываются команды непосредственно из СКИ, в ромбах — условия, определяющие направление дальнейшего исполнения команд; параллелограмм — команда ввода или команда вывода информации; овал — начало или конец исполнения алгоритма. Здесь можно говорить о пути прохождения графа в ходе выполнения алгоритма. Любой путь начинается от вершины начала и заканчивается выходом на вершину конца. Внутри же путь может быть разным в зависимости от исходных данных.

Блок-схема и алгоритмический язык — это две разные формы представления алгоритмической модели. Блок-схема — графическая форма, алгоритмический язык — текстовая форма. Блок-схема обладает большей наглядностью, на ней легче увидеть структуру алгоритма. Алгоритмический язык ближе по форме к языкам программирования. От записи алгоритма на алгоритмическом языке легко перейти к записи программы на языке программирования.

Не составит большого труда запрограммировать описанный выше алгоритм на каком-нибудь языке программирования, например, на Паскале или Бейсике.

Структура построенного алгоритма — цикл с вложенным ветвлением. Из базового курса вам должно быть известно, что любой алгоритм можно построить из сочетания трех основных алгоритмических структур: следования, ветвления и цикла. Это утверждение — основа методики, которая называется структурным программированием. Все современные языки программирования позволяют легко переходить от описания алгоритма к программе, если алгоритм построен структурно. Поэтому наиболее рациональной моделью деятельности исполнителя является структурная алгоритмическая модель.

Рис. 16.2. Алгоритм “Половинное деление”

Трассировка алгоритма — модель работы процессора

Для того чтобы проверить правильность алгоритма на рис. 16.2, совсем не обязательно переводить его на язык программирования и выполнять тесты на компьютере. Протестировать алгоритм может и человек, путем трассировки. Выполняя ручную трассировку, человек моделирует работу процессора, исполняя каждую команду алгоритма и занося результаты выполнения команд в трассировочную таблицу. В базовом курсе вы этим уже занимались. Построим трассировочную таблицу для алгоритма “Половинное деление”. Выберем интервал угадываемых чисел от 1 до 8. Пусть игрок задумал число 3. Проверим, как по данному алгоритму будет получено это число.

Трассировочная таблица алгоритма
“Половинное деление”

Трассировочная таблица является моделью работы процессора при выполнении программы. Программа выполняется по шагам (первая графа). В графе “Команды алгоритма” отображается содержимое регистра команд процессора, куда помещается очередная команда. В графе “Переменные” отображается содержимое ячеек памяти компьютера (или регистров памяти процессора), отведенных под переменные величины. В графе “Выполняемые действия” отражаются действия, выполняемые арифметико-логическим устройством процессора.

Таким образом, алгоритм в совокупности с трассировочной таблицей полностью моделируют процесс обработки информации, происходящий в компьютере.

Второй фрагмент

Следующий фрагмент учебника иллюстрирует реализацию задачи расширения технологических навыков учащихся. В нем излагаются новые возможности текстового процессора MS Word. В базовом курсе не рассматривались приемы создания гиперструктуры текстового документа. В данном курсе этот вопрос, кроме знакомства с новыми технологическими приемами, связан с комплексом фундаментальных вопросов информатики: с развитием представлений о структурах данных, об информационных системах, построенных на их основе. Важным методическим моментом является демонстрация связи между старыми “бумажными” технологиями работы с информацией (пока еще не исчезнувшими) и современными цифровыми технологиями.

§25. Компьютерный текстовый документ как структура данных

С давних времен и до наших дней важнейшим источником знаний для людей были и остаются книги. Книгохранилища, библиотеки можно назвать информационными системами, основанными на “бумажных” технологиях.

Текст каждой отдельной книги имеет определенную структуру. Он делится на части, главы, параграфы, разделы. Наличие структуры помогает читателю сориентироваться в содержании издания, позволяет быстро найти в нем нужные сведения. В начале или в конце книги помещается содержание (оглавление), где указываются заголовки разделов и ссылки на номера начальных страниц.

Еще одним средством поиска информации в книгах являются предметные указатели (глоссарии). Предметные указатели чаще всего используются в учебной литературе. В них помещаются основные термины текста, располагаемые в алфавитном порядке, и даются ссылки на страницы книги, где эти понятия раскрываются или используются. Для того чтобы читатель нашел нужное место в тексте книги, он должен путем перелистывания страниц добраться до той страницы, на которую указывает ссылка.

Есть еще один тип ссылок, применяемых в бумажных изданиях, — ссылки на внешние источники информации: книги, статьи в периодических изданиях, статьи законодательства, государственные документы и пр. Они указываются либо в сносках на той же странице, где дается ссылка, либо путем указания номера записи в списке литературы, приводимом в конце текста. Для того чтобы воспользоваться такой ссылкой, надо найти соответствующее издание в своей домашней библиотеке или в публичной библиотеке, а может быть — пойти в книжный магазин.

Методика ссылок используется и в электронных (цифровых) текстах и документах. Однако она качественно отличается от той, что описана выше: такие ссылки позволяют читателю мгновенно переходить к нужному разделу или любому фрагменту текста, и даже — к внешним источникам информации, если они хранятся в цифровой форме на данном компьютере или на других компьютерах, доступных по сетевой связи. Ссылки, используемые в электронном тексте, принято называть гиперссылками. Реализованную с помощью гиперссылок структуру текста (документа) будем называть гиперструктурой.

Благодаря использованию механизма ссылок документ, созданный, например, в текстовом процессоре и открытый в среде текстового процессора, можно превратить в несложную информационную систему.

Использование оглавлений и указателей

Рассмотрим пример создания такой системы с помощью текстового процессора MS Word. Требуется создать дневник студента, в котором будут храниться разнообразные сведения, необходимые студенту в процессе учебы. К таким сведениям может относиться: расписание занятий, перечень изучаемых дисциплин. По каждой дисциплине будет представлена программа курса, рекомендуемая литература, содержание экзаменационных билетов. Сюда же можно будет занести конспекты лекций, сведения о текущей успеваемости и другую полезную информацию.

Универсальным решением такой задачи является построение базы данных средствами некоторой СУБД — системы управления базами данных. Однако если не ставить завышенных требований к системе, то можно обойтись и гиперструктурой, построенной с помощью MS Word.

Такой документ должен начинаться с оглавления. Каждый пункт оглавления должен представлять собой гиперссылку на соответствующий раздел документа. Однако “своими руками” делать оглавление совсем не обязательно. MS Word может создать его автоматически. Опишем, как это делается.

Формируем первую страницу дневника, как это показано на рис. 25.1.

Рис. 25.1. Первая страница дневника

Далее форматируем строку “Расписание занятий” как заголовок первого уровня. Делается это следующим образом:

— выделяется строка;

— через главное меню отдаем команду Формат — Стили и форматирование;

— в открывшемся окне выбираем стиль Заголовок 1 (заголовок первого уровня).

Далее выделяется строка со словом “понедельник” и ей назначается стиль Заголовок 2 (заголовок второго уровня).

На следующей странице, где помещается расписание на вторник, для слова “вторник” назначается стиль Заголовок 2. И так далее.

При вводе раздела “Читаемые курсы” его заголовку назначается стиль Заголовок 1. Заголовкам подразделов “Физика”, “Математика”, “История” и др. назначается стиль Заголовок 2. Заголовкам подразделов “Учебная программа”, “Учебная литература”, “Экзаменационные билеты” назначается стиль Заголовок 3 (заголовки третьего уровня).

Полезно пронумеровать страницы всего документа: Вставка — Номера страниц…

После этого можно создавать оглавление. Делается это следующим образом:

1) установить курсор на позицию в тексте, куда следует поместить оглавление.

Перед этим можно ввести слово “Оглавление”, а в следующую строку поставить курсор.

2) отдать команду: Вставка — Ссылка — Оглавления и указатели. Выбрав подходящие режимы в диалоговом окне (или приняв предлагаемые), щелкнуть ОК. То, что вы увидите, показано на рис. 25.2.

Рис. 25.2. Автоматически построенное оглавление

Теперь, для того чтобы быстро перейти к нужному разделу, достаточно подвести указатель мыши к соответствующей строке оглавления и при нажатой клавише щелкнуть левой кнопкой. Например, если щелкнуть по слову “Понедельник”, то на экране появится изображение с рис. 25.1.

Если дневник будет пополняться новыми разделами, то их заголовкам также надо будет назначать стили (уровни). Затем установить курсор на старое оглавление и выполнить команду Оглавления и указатели. В диалоговом окне на вопрос “Заменить выделенное оглавление?” ответить “Да”.

Использование оглавлений и ссылок — это организация связей по вертикали. Структура связей, организованная в приведенном выше примере, — это одноуровневое дерево, построенное по следующему принципу:

Рис. 25.3. Одноуровневая структура докумнта

Рис. 25.4. Двухуровневая структура докумнта

Если книга очень большая, то в начале каждого раздела можно поместить оглавление этого раздела, содержащее указатели на его подразделы. Получим двухуровневое дерево.

Такое наращивание уровней может продолжаться и дальше. Легко увидеть аналогию с файловой структурой компьютера: оглавления — это директории (каталоги) папок, образующих иерархическую структуру, а сами тексты разделов — это файлы.

Использование закладок и гиперссылок

С помощью гиперссылок можно организовать горизонтальные связи в текстовом документе, а также связи в любом направлении и на любых уровнях. Эти связи можно устанавливать между разными фрагментами одного раздела или между фрагментами разных разделов. Схематически такая система связей изображена на рис. 25.5.

Рис. 25.5. Горизонтальные гиперсвязи
в текстовом документе

Подобные связи создаются с помощью двух элементов организации структур: закладок и гиперссылок. На рис. 25.5 фрагменты текста, на которые установлены закладки, обозначены большими серыми прямоугольниками, а гиперссылки — маленькими черными.

Посмотрим на примере, как это делается. Есть два фрагмента текста из одного документа Word.

Фрагмент 1. В теории информации для бита дается следующее определение:

Сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в два раза, несет 1 бит информации

В этом определении есть понятия, которые требуют пояснения. Что такое “неопределенность знаний”? Поясним на примерах.

Фрагмент 2. В стандартную кодовую таблицу (например, ASCII) помещаются все необходимые символы: английские и русские буквы прописные и строчные, цифры, знаки препинания, знаки арифметических операций, всевозможные скобки и пр. Информационный объем восьмиразрядного двоичного кода принимается равным 1 байту, т.е. 1 байт = 8 бит.

В первом фрагменте присутствует определение бита. Поставим закладку на это определение, для того чтобы на него можно было выйти из любого другого места текста, где будет использовано понятие бита. Чтобы поставить закладку, нужно:

— выделить помечаемый фрагмент или поставить курсор в его начало;

— через главное меню выполнить команду Вставка — Закладка;

— в появившемся диалоговом окне ввести имя закладки (любое имя, начинающееся с буквы и не содержащее пробелов); например, Z1;

— щелкнуть Добавить.

Закладка готова. Теперь создаем гиперссылку на помеченный закладкой текст во втором фрагменте. Гиперссылку установим на слове “бит”. Для этого нужно:

— выделить слово “бит”;

— через главное меню выполнить команду Вставка — Гиперссылка;

— в появившемся диалоговом окне в списке Связать-
ся с: выбрать пункт “Место в документе”;

— выбрать имя закладки Z1;

— ОК.

Рис. 25.6. Окно “Добавление гиперссылки”

Слово “бит” изменяет свой внешний вид. Например, окрашивается в фиолетовый цвет и подчеркивается. Это и есть характерный признак гиперссылки.

Чтобы перейти по гиперссылке к помеченному закладкой фрагменту, нужно нажать клавишу и щелкнуть левой кнопкой мыши.

Создание внешних ссылок на файлы, web-страницы и адреса электронной почты

Организация связей с внешними, по отношению к данному документу, источниками информации так же осуществляется через расстановку в тексте гиперсвязей. Перечень объектов, с которыми можно связаться, указан в диалоговом окне, открывающемся после выполнения команды Вставка — Гиперссылка (рис. 25.6). В списке Связать-
ся с: есть следующие варианты:

— файлом, web-страницей,

— новым документом,

— электронной почтой.

Для связи с существующим файлом нужно в диалоговом окне либо ввести его полное имя, либо с помощью окна проводника по файловой системе выбрать нужный файл.

Для связи с web-страницей требуется указать адрес страницы или, обратившись к web-обозревателю, открыть в нем нужную страницу, а потом вернуться в Word. Если в текстовом процессоре включен режим автоматической установки гиперссылок, то при вводе адреса web-страницы он превращается в гиперссылку. Например: www.lbz.ru.

В процессе связи с новым документом происходит открытие файла для этого документа, после чего он может быть заполнен данными.

Наконец, организация гиперссылки на адрес электронной почты применяется в том случае, если нужно, чтобы при ее активизации сработала бы почтовая программа в режиме ввода текста письма на этот адрес. В режиме автоматической установки гиперссылок достаточно ввести в текст электронный адрес, и ссылка установится. Например: school34@mail.ru.

Список литературы

1. Семакин И.Г., Хеннер Е.К. Информатика и ИКТ. 10–11-е классы. М.: БИНОМ. Лаборатория Знаний, 2007 (в печати).

2. Семакин И.Г., Хеннер Е.К. Практикум по информатике и ИКТ для 10–11-х классов. М.: БИНОМ. Лаборатория Знаний, 2007 (в печати).

3. Семакин И.Г., Хеннер Е.К. Методическое пособие по курсу “Информатика и ИКТ. 10–11-е классы”. М.: БИНОМ. Лаборатория Знаний, 2007 (в печати).