Бусыгин Б.С., Коротенко Г.М., Коротенко Л.М. Введение в современную информатику

Подождите немного. Документ загружается.

Введение

Если бы за последние 25 лет

авиационная промышленность

развивалась столь же стремительно, как

вычислительная техника, то Боинг-767

можно было бы сегодня приобрести за

500 долларов и облететь на нем земной

шар за 20 минут, израсходовав при этом

19 литров горючего.

Журнал «Scientific American»,

1985 г.

Сегодня никого не удивляет тот факт, что

информационный джинн, стремительно

ворвавшись в современное общество, резко

ускорил процесс воспроизводства знаний. С

момента своего появления около пятидесяти лет

назад, информатика стала определяющей

технологией нашего времени. Достижения в

области информационных технологий за короткое

время стали одной из основных движущих сил

современного общества. Человечество с трудом

поспевает за этими темпами развития.

Вместе с тем, любой из нас, подключившись через модем компьютера к

всемирной сети Интернет, сразу же погружается в сплав многоуровневых,

новейших, интенсивно развивающихся программно-аппаратных сетевых

технологий. Скорее всего, на Вашем персональном компьютере с процессором,

имеющем частоту не менее 1,7 Ггц (производства Intel, а может и AMD), уже

стоит операционная система Windows XP (кстати, задумайтесь, как давно она

заменила у Вас предыдущие версии 95, 98. Millenium?), а набор устройств

Вашего компьютера измеряется уже десятками единиц (видеокарта, аудио

колонки, микрофон, TV-тьюнер, FM-тьюнер, аудио- и видео-проигрыватели,

привод CD-RW, сканер, принтер, флэш-память) и этот список Вас уже не

удивляет, а его можно продолжать и продолжать…

И если через несколько лет у Вас возникнет желание ещё раз открыть эту

книгу, а может она просто случайно попадёт к Вам в руки, то Вы сможете

убедиться, как изменилась первая часть списка и пополнилась вторая.

Уже на 2002 год, по мнению специалистов, из 132 сформировавшихся тем

в совокупности знаний по информатике, «ядро» обязательных составляли 64!

Вся совокупность знаний по информатике условно может быть разделена на 14

областей (см. таблицу 1).

Рекомендации по преподаванию информатики в университетах: Пер. с англ. –СПб.: 2002. –372с.

Таблица 1. Структуризация знаний по информатике на 2002 год

Дискретные структуры (DS) Графика и визуализация (GV)

Основы программирования (PF) Интеллектуальные системы (IS)

Алгоритмы и теория сложности (AL) Управление информацией (IM)

Архитектура и организация ЭВМ (AR) Методы вычислений (CN)

Операционные системы (OS) Человеко-машинное взаимодействие (HC)

Распределённые (сетевые) вычисления

(NC)

Социальные и профессиональные вопросы

программирования (SP)

Языки программирования (PL) Программная инженерия (SE)

Многие процессы, влияющие на информатику, связаны с прогрессом в

развитии новых современных технологий. Как эволюционные, так и

революционные изменения в информационных технологиях повысили

важность многих тем и, в особенности, следующих:

 WWW и его приложения (программирование процессов обработки и

обслуживания ресурсов "Всемирной паутины" (Web-сайтов, Web-узлов,

порталов и т.д.)).

 Использование программных интерфейсов приложений (API)

(межплатформенное взаимодействие и переносимость программных

компонентов).

 Сетевые технологии, в частности, базирующиеся на TCP/IP

(взаимодействие сетей с разными протоколами, операционными системами и

уровнями взаимодействия: локальные, глобальные и пиринговые).

 Беспроводные технологии и их программирование (WAP) (совместное

функционирование и обмен информацией между компьютерными и

телефонными системами, не связанных линиями коммуникации).

 Геоинформационные системы и технологии (ГИС) (глобальное,

всемирное, совместное накапливание, обработка, взаимодействие и

представление колоссальных объёмов информации, собранной о Земле и

инфраструктуре пространственных объектов, расположенных на ней).

 Графика и мультимедиа (совместное кодирование, представление,

обработка, запись и вывод аудио- и видеоинформации).

 Встроенные системы (конструирование и программирование

микропроцессоров, встраиваемых в современную технику: автомобили,

бытовую, радио-, видео-, электро- и многую другую).

 Реляционные, объектно-ориентированные и XML-ориентированные

базы данных (базы данных, формируемые и управляемые с помощью разных

механизмов представления данных и обработки объектов).

 Способность к взаимодействию (интероперабельность – interoperability)

(программирование средств обеспечения доступа практически к любым

источникам информации: библиотечным ресурсам, компьютерам,

радиотелефонам, ноутбукам, локальным сетям, Internet, WWW и др.).

 Объектно-ориентированное и компонентно-ориентированное

программирование (ООР и СОР) (создание компьютерных систем и языков

программирования, обеспечивающих адекватное представление в

информационных системах объектов и сущностей реального мира, а также

возможности их обработки).

 Надёжность программного обеспечения (создание механизмов

обеспечения бесперебойного выполнения программных процессов

представления и обработки данных в компьютерных и информационных

системах любого уровня).

 Анализ и управление контентом (Topic Maps) (разработка и внедрение

теоретических методов управления смысловым поиском требуемой

информации в WWW и Internet).

 Безопасность и криптография (защита персональной, корпоративной и

информации в Internet от хакерских атак и несанкционированного доступа, а

также от компьютерных вирусов любых разновидностей).

Одно из возможных представлений

пересечения и взаимодействия наиболее

крупных современных компьютерных

направлений

представлено на рисунке 1.

Несомненно, что один из наиболее ёмких

секторов рынка компьютерных

технологий принадлежит

информационным системам, работающим

в корпоративном пространстве и

опирающимся на научные разработки

(CS), программную инженерию (SE) и

аппаратную технологическую базу (CE).

Не будет преувеличением сказать,

что подавляющая часть тем информатики

зиждется на использовании тех или иных

языков программирования, как

единственно возможном инструменте

управления разнообразными

компонентами сложных многоуровневых

компьютерных систем и самим

информационным контентом. И хотя

рынок программных продуктов

постоянно пополняется всё новыми и новыми приложениями, покрыть поле

пользовательских интересов они не в состоянии…

На начальных этапах освоения их возможностей, как правило,

пользователь применяет инструменты стандартного интерфейса приложения

(API), а затем, освоившись, применяет встроенный язык системы (типа Visual

Training Course SE MSF.NET / V. Pavlov, M. Boyko, D. Malenko, O. Biloborod’ko // .NET Technologies’2004

workshop proceedings. Copyright UNIAN Agency – Science Press, Plzen, Czech Republic. –.5 p.

Рис. 1. Пересечение

некоторых компьютерных

областей:

Computer Science (CS), Software

Engineering (SE), Information

System (IS), Computer

Engineering (CE)

Basic for Application). И действительно, вряд ли Вас надолго увлечёт процесс

использования чужих программ (кстати, ведь и их кто-то создавал в своё

время!). А ещё большую неудовлетворённость вызывает следование

многочисленным руководствам для «чайников» типа: «Подведите курсор мыши

к меню окна приложения такого-то, выберите требуемую команду и щёлкните

левой кнопкой мыши ОК!». И неизбежно наступит момент, когда Вам самому

захочется направить ход действий компьютера по своему усмотрению. А это и

будут Ваши первые шаги в программировании и в программирование.

Но, прежде чем вступать в эту

таинственную и увлекательную область

человеческой деятельность, задумайтесь над

словами академика А.П. Ершова (рис. 2),

сказанными на Объединенной

вычислительной конференции Американской

федерации обществ по обработке информации

в Атлантик-Сити (США) ещё в 1972 г., в его

выступлении под названием «О человеческом

и эстетическом факторах в

программировании»: «Программирование

становится массовой профессией. Однако надо

иметь в виду, что сейчас это, пожалуй, самая

трудная из всех массовых профессий, причем,

к сожалению, эта трудность не признана в

должной мере».

Эта трудность заключается в том, что

именно программисты непосредственно упираются в пределы человеческого

познания в виде алгоритмически неразрешимых проблем и глубоких тайн

работы головного мозга.

Трудность состоит ещё и в том, что собственный стек программиста

должен быть не в 56 позиций глубины, как это обнаружили психологи у

среднего человека, а той же глубины, что и стек в его очередной задаче,

подлежащей программированию, плюс еще как минимум две-три позиции.

Трудность программирования заключается также и в том, что программист

должен обладать способностью первоклассного математика к абстракции и

логическому мышлению в сочетании с эдисоновским талантом сооружать все,

что угодно, из нуля и единицы. Он должен сочетать аккуратность бухгалтера с

проницательностью разведчика, фантазию автора детективных романов с

трезвой практичностью экономиста. А, кроме того, программист должен иметь

вкус к коллективной работе, понимать интересы пользователя и многое, многое

другое».

Это одна сторона дела, но есть ещё и другая. А.П.

Ершов обратил

внимание присутствующих на очень важный аспект, связанный с проблемами

программирования: «Во время пребывания в 1970 г. в Соединенных Штатах на

меня произвели очень большое впечатление новые идеи профессоров

Массачусетского технологического института Марвина Минского и Сеймура

Рис. 2.

Андрей Петрович Ершов

(1931-1988), советский

математик, академик АН

СССР (слева) и Джон

МакКарти (отец языка Лисп,

США)

Рис.3 Интерфейс одной из систем

электронного дистанционного

образования (е-Learning) в Web-браузере

Пейперта в области обучения детей. Они выбросили в корзину ходячее

представление о том, что дети учатся бессознательно методом подражания.

Минский и Пейперт доказывают, что человек чему-то научается только в том

случае, если у него в голове складывается блок-схема действия, выделены

подпрограммы и проложены информационные связи. Профессор Пейперт

навсегда обратил меня в свою веру на примере жонглирования двумя мячами,

когда, апеллируя к моим способностям программиста, он за десять минут

научил меня тому, чего бы я сам не сделал и за несколько часов. Таким

образом, человек неизмеримо усилит интеллект, если сделает частью своей

натуры способность планировать свои действия, вырабатывать общие правила

и способ их применения к конкретной ситуации, организовывать эти правила в

осознанную и выразимую структуру, – одним словом, сделается

программистом.

Творческая и конструктивная природа программирования не требует

особых доказательств. В своей творческой природе оно идет намного дальше

большинства других профессий, приближаясь к математике и писательскому

делу. В большинстве других профессий мы лишь «приручаем» при помощи сил

природы те или иные физические или биологические явления, не обязательно

постигая их сущность. В программировании же мы в некотором смысле идем

до конца. Один из тезисов современной теории познания: «мы знаем что-то,

если можем это запрограммировать» – очень выпукло характеризует этот

максимализм программирования.

В этом и заключается

фундаментальная роль

основных понятий

информатики в формировании

способностей и интеллекта

современного человека и в

вытекающей из этой роли

необходимости внедрения

компьютеров в учебный

процесс» (рис. 3).

И если после этого Вы еще

не передумали заниматься

программированием, то перед

Вами встанет вопрос: «По

какой книге и какой язык

программирования следует в

первую очередь изучать»?

Ответ неоднозначен, но, к счастью, может быть «разложен на составляющие».

Условно его можно разбить на три части.

1. В принципе, программировать можно на любом языке

программирования. В классической работе Бома и Джакопини (опубликована в

журнале Communications of the ACM в мае 1966 г.) было показано, что для

программы, в которой всякий модуль проектировался с единственным входом и

единственным выходом, а программа является множеством вложенных

модулей, каждый из которых также имеет один вход и один выход, может быть

реализована в языке, включающем только две основные управляющие

конструкции. Фактическая реализация этих конструкций может быть различной

в различных языках программирования. Принцип, изложенный в статье Бома и

Джакопини, называемый «структурной теоремой» имеет фундаментальное

значение и составляет основу большинства реализаций алгоритмов при

проектировании программ.

По Бому и Джакопини для построения программы требуется три основных

составляющих блока (рис.4):

 функциональный блок или линейная последовательность операторов;

 условный оператор (конструкция принятия двоичного или

дихотомичного решения);

 конструкция обобщённого цикла (цикл с параметром, с предусловием, с

постусловием и т.д.).

Тогда для всякой программы, составленной из

указанных конструкций, всегда может быть

получено ещё и доказательство её правильности!

2. Если Вы намереваетесь сразу решать

конкретные задачи в конкретной организации, то

здесь при выборе языка программирования, Вам

необходимо (и обязательно придётся!) учитывать

массу факторов: накопленный опыт организации,

специфику решаемой задачи, имеющееся

аппаратное обеспечение, наличие лицензионных

программных продуктов, установленные сроки

выполнения проекта и т.д., что и позволяет уже

остановить свой выбор на подходящих средствах

реализации проекта. Тем более, что хорошему

программисту для уверенности в завтрашнем дне

требуется знание нескольких языков

программирования.

3. Но, если Вы решили начать с освоения систематического и научного

подхода к программированию, т.е. научиться реализовывать большие

программы со сложными алгоритмами и структурами данных, то, несомненно,

Вам нужно начинать с языка Турбо Паскаль.

Сам язык Паскаль появился в Цюрихе в «Школе программирования», во

главе которой стоит Никлаус Вирт (1968-1999 гг. – профессор информатики в

университете г. Цюрих, Швейцария) (рис. 5), обобщивший свой многолетний

авторский опыт обучения программированию. Созданный специально с

педагогическими целями Паскаль оказался крайне удачным не только в силу

того, что ему просто научиться, но и как основа обсуждения языков

программирования вообще. Язык проектировался с учётом простоты написания

соответствующего транслятора, а описание Паскаля, занимающее около 30

Рис. 4. Три

основных блока в

программе

страниц текста, представляет собой яркий пример систематического и научного

подхода к обучению построению программ. Для сравнения попробуйте

заглянуть в книгу Бьёрна Страуструпа по С++ и, как говорится, почувствуйте

разницу!

Никлаус Вирт первым сформулировал

тезис о том, что программы представляют

собой, в конечном счёте, конкретные

формулировки абстрактных алгоритмов,

применяемые к обработке спроектированных

структур данных. Это и нашло своё отражение в

языке Паскаль. Так, освоив конструкцию

описания массива:

Array[1..N] of Real,

Вы далее узнаете, что конструкция 1..N

представляет собой ограниченный тип и может

быть представлена самостоятельным

идентификатором (именем, названием),

например Border и тогда то же описание будет

выглядеть так:

Array[Border] of Real.

Плавный переход от простых типов

данных к составным позволяет научиться

проектировать пользовательские типы данных и

алгоритмы их обработки, легко перемещаясь по

уровням абстракций, что является основным в программировании. Это должно

позволить Вам программировать или быстро научиться программировать

практически на любом из основных языков программирования, который(е) Вам

придется использовать в будущем на рабочем месте.

Важно отметить, что в программировании, в отличие от математики, нет

формул, подставив в которые некоторые исходные данные можно получить

гарантированный результат и в этом состоит его объективная трудность. Но

зато здесь имеется известный набор приёмов и примеров их использования.

Фрагменты кода и примеры программ, конечно, многому могут научить, но не

следует забывать и о возможностях направлять ход мыслей программиста, т.е.

предлагать ему уже апробированные алгоритмы проектирования программ и

проектирования алгоритмов. Тем более, что известный во всём мире

специалист в области компьютерных технологий Дональд Кнут (США)

(рис. 6)

Профессор Компьютерных наук Стэндфордского университета Дональд Кнут (США), обладатель премии

Тьюринга в 1974 г., член Британского компьютерного общества с 1980 г., Почётный член организации IEEE с

1982 г. Член Американской академии Искусства и Науки, Национальной американской академии Наук,

Национальной Американской Инженерной Академии, зарубежных академий: Френцузской Академии наук

(l'Académie des Sciences (Paris)) и Норвежской Научной академии (Det Norske Videnskaps-Akademi (Oslo)).

Опубликовал 160 статей и 19 книг, имеет много научных и государственных наград разных стран мира,

является почётным профессором Оксфордского, Парижского и Петербургского университетов, а также многих

колледжей мира.

Рис. 5.

Никлаус Вирт перед

тренировочным полётом на

боевом истребителе

разработал и издал три тома наиболее употребительных вычислительных

алгоритмов.

Таким образом, в основе программирования лежит творческий акт и

основная задача при обучении состоит в развитии способностей человека

творчески мыслить. И здесь нужно не столько рассказывать, сколько

показывать, как делается «то» или «это». Здесь большую роль играет выбор

материала и подбор примеров, в которых подчёркиваются основополагающие

принципы программирования.

Как тонко заметил Н. Вирт:

«Программирование – это искусство

конструирования». Конечно, научить

конструкторской или изобретательской

деятельности весьма трудно. Но можно

воспользоваться старым как мир

способом. Подобно тому, как ребёнок

учится говорить, складывая из букв

слова, а из слов предложения,

программист «складывает» алгоритмы

программных модулей, из модулей –

программы, а из программ –

системы

…

«Вхождение» в Паскаль

существенно облегчается наличием

компактной интегрированной среды

программирования Турбо Паскаль

(ТП). Ещё одной из причин начать свои первые шаги в программировании на

Турбо Паскале, является его многофункциональная среда разработки, которая

включает текстовый редактор для ввода программ, заботливый компилятор,

который в случае наличия ошибки в тексте Вашей программы, устанавливает

курсор в этом месте и сообщает номер и название этой ошибки, а также и

дебаггер, то есть отладчик программ, который позволяет не только отлаживать,

но и исследовать написанные Вами программы. Простота его использования

позволит Вам сосредоточиться на основных тонкостях программирования в

отличие от монстрообразных систем быстрой разработки программ, изучение

возможностей которых требует отдельных (а иногда и напряжённых) усилий.

Лучше всего эту ситуацию иллюстрирует история, приведенная Джозефом

Фоксом в его книге «Программное обеспечение и его разработка»: «Когда в

начале 1970-х гг. мы успешно завершили первую рабочую версию новой

программной системы управления воздушными перевозками для компьютеров

IBM (рис.7), мы испытали чувство огромного удовлетворения (группа из 500-т

программистов работала над её созданием 7 лет).

Бортовое программное обеспечение (ПО) всех российских спутников связи пишется на языке Модула-2,

разработанном Н.Виртом в 1979 г.после создания языка Паскаль в 1970 г.

Рис. 6. Професор Дональд Кнут

(США), разработавший и

напечатавший три книги

вычислительных алгоритмов для

комьютеров

Рис. 7. Компьютер IBM

System/360, 1974 г.

Система была отправлена в Джексонвилл, шт. Флорида, для испытаний в

рабочих условиях в ночную смену в Центре управления авиаперевозками.

Однако диспетчеры из Джексонвилла отказались пользоваться ею – они

заявили, что она «ненадёжна».

«Ненадёжность» диспетчерской авиаслужбы требует особого внимания.

Нам удалось решить проблему исключением из состава системы значительной

доли функций, которые ранее были туда включены. Следующий вариант

программы, поставленной в Джексонвилле, содержал гораздо меньше

системных возможностей. И диспетчерам он понравился. А потом постепенно,

очень медленно мы стали добавлять функции, уже запрограммированные и

оттестированные нами ранее.

Понятно, что если Вам предложат пуд

мороженного, трудно ожидать, что Вы сможете

проглотить его за один приём. Это не

получится».

Вероятно, Вам будет интересно узнать, что

авторы книги за свою жизнь «вкусили» все

прелести программистского ремесла. Ещё на

студенческой скамье в 1970 г. пришлось

программировать в машинных кодах для

электронной вычислительной машины (ЭВМ)

«Урал-1». На преддипломной практике в

Институте кибернетики АН УССР им. академика

Глушкова программировали в кодах

трёхадресной машины М-220. Обучаясь в

аспирантуре и затем, работая там же,

программировали для ЭВМ БЭСМ-6 на языках

Алгол, Фортран и Автокоде «Мадлен», а для ЕС ЭВМ (линия IBM, рис.7) – на

языках PL/1, Fortran и Assembler. Уже в эпоху IBM PC, работая в высших

учебных заведениях, программировали на языках Турбо Паскаль, Quick Basic,

Пролог, Ассемблер, Лисп. В настоящее время предпочтение отдают языкам

Турбо Паскаль, С++, Visual Basic for Application, Python. Указанный языковой

слалом «выверил и разметил» сам процесс развития информационных

технологий, а отнюдь не эксцентричность в избрании подхода к изучению

серии языков.

Идея создания этого учебного пособия возникла в процессе общения

авторов с преподавателями и студентами Национального горного университета,

а также учителями и школьниками Региональных учебных центров НГУ в

Павлограде, Комсомольске, Александрии и Днепрорудном в 2003-2004 г.г.

Опыт этих встреч показывает, что, несмотря на наличие большого числа

учебных пособий и специальной литературы по информатике, изучение языка

программирования в отрыве от истории появления персональных компьютеров,

основных тенденций развития информационных технологий и изменения

парадигмы создания программ, получается очень «плоским». Кроме того,

известно, что специалисты, осваивавшие в студенческие годы учебный курс «с

картинками» и «без картинок», обычно принципиально отличаются друг от

друга по стилю мышления в дальнейшем. Поэтому авторы уделили особое

внимание подкреплению изложения материала иллюстративными материалами.

Следует также иметь в виду, что определённую трагикомичность ситуации

с обучением информатике на начальных курсах вуза придаёт тот факт, что

персональный компьютер практически превратился во многих семьях в

настольный бытовой прибор для поддержки детских игр (рис.8), а простота

инсталляции операционной системы (ОС) Windows (спасибо Биллу Гейтсу и

его команде!) позволяет "юным дарованиям" самостоятельно устанавливать эту

ОС на ПК, а затем с лёгкостью пользоваться всевозможными игровыми,

интернет- и мультимедийными программами, что у простых (и не очень)

пользователей рождает эйфорию полного владения информационными

технологиями. Но одно дело осваивать буквально в течение десятка минут

приложения, которые и создавались в расчёте на их максимальную

дружественность неподготовленному пользователю, а другое –

проектировать и разрабатывать такие программы…

Основная часть

популярной (и очень нужной!)

литературы по овладению

компьютерной грамотностью

направлена на описание

аппаратных и программных

компонентов компьютерных

систем. Стремительное их

развитие быстро «старит»

излагаемый в них материал.

Поэтому в предлагаемом

пособии особое внимание было

уделено освещению ряда

вопросов, которые с одной

стороны слабо освещены в

известной литературе, а с

другой стороны – относятся к

разряду фундаментальных (то

есть не стареющих).

К примеру, простой вопрос: «Что происходит в процессе включения

компьютера?» – вызывает сильное замешательство и ставит в тупик многих

юных компьютерщиков. Поэтому авторы почли своим долгом заглянуть внутрь

персонального компьютера и снабдили книгу подробным глоссарием,

содержащим более 1000-и терминов из области компьютерных технологий, без

которого многие вещи ускользают из поля зрения при изучении глубин и основ

информатики.

И до сих пор продолжается нестихающая полемика о том, «что» и «как»

следует в первую очередь излагать в информационных курсах (см.

Приложение 1), поэтому на наш взгляд тема эта неиссякаема. Если же говорить

Рис. 8. Фрагмент мультимедийной игры