0ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И МОЛОДЕЖНОЙ ПОЛИТИКИ
ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА – ЮГРЫ
БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА – ЮГРЫ
«СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ИНФОРМАТИКИ
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
Направление подготовки
44.03.05 Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки)
Направленность «Математика и Информатика»
Уровень бакалавриата
Сургут, 2020
– 1 –
Стр.1
УДК 004(075.8)
ББК 32.81я73-9
Т 33
Печатается по решению
Редакционно-издательского совета
БУ «Сургутский государственный
педагогический университет»
Рецензенты:
Саркисян Татьяна Анатольевна, кандидат педагогических наук, доцент,
доцент кафедры высшей математики и информатики
БУ «Сургутский государственный педагогический университет»
Попов Николай Иванович, доктор педагогических наук, доцент,
заведующий кафедрой физико-математического и информационного образования
Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина
Теоретические основы информатики : учебно-методическое пособие. Направление подготовки
Т 33
44.03.05 Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки), направленность «Математика
и Информатика», уровень бакалавриата / Департамент образования и молодёжной политики
ХМАО – Югры, Бюджетное учреждение высшего образования ХМАО – Югры «Сургутский государственный
педагогический университет» ; авторы-составители: А. В. Иванова, Е. В. Митющенко. –
Сургут : РИО БУ «Сургутский государственный педагогический университет», 2020. – 95 [1] с. –
Текст : непосредственный.
В учебно-методическом пособии «Теоретические основы информации» рассмотрены
основные понятия информатики, вопросы кодирования данных и измерения количества
информации, арифметические основы ЭВМ, теории алгоритмов. Приводятся цели и задачи
изучения дисциплины. Каждая тема включает в себя теоретический материал, глоссарий,
опорные схемы, практикум и материалы для организации самостоятельной работы студентов.
Предназначено для студентов очной формы обучения направления подготовки 44.03.05
Педагогическое образование (с двумя профилями), направленности – Математика и Информатика
(уровень бакалавриата).
УДК 004(075.8)
ББК 32.81я73-9
БУ «Сургутский государственный педагогический университет», 2020
– 2 –
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .................................................................................................................................................................. 5
РАЗДЕЛ 1. ИНФОРМАТИКА КАК НАУКА. ТЕОРИЯ ИНФОРМАЦИИ ....................................................... 7
ТЕМА 1.1. ИНФОРМАТИКА КАК НАУКА И КАК ВИД ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ .................. 7
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ................................................................................................................................. 7
ПРАКТИКУМ ............................................................................................................................................................. 8
Вопросы и задания к семинарским занятиям ...................................................................................................... 8
Практические задания ........................................................................................................................................... 8
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ .......................................................... 9
Темы рефератов ..................................................................................................................................................... 9
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................................... 9
ТЕМА 1.2. ИНФОРМАЦИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ. .............................................................. 10
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ................................................................................................................................. 10
1.2.1. Информация. Сигналы. Данные .................................................................................................................. 10
1.2.2. Диалектическое единство данных и методов в информационном процессе .......................................... 11
1.2.3. Носители данных .......................................................................................................................................... 12
1.2.4. Операции с данными .................................................................................................................................... 12
1.2.5. Свойства информации .................................................................................................................................. 15
ПРАКТИКУМ ............................................................................................................................................................. 16
Вопросы и задания к семинарским занятиям ...................................................................................................... 16
Практические задания ........................................................................................................................................... 16
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ .......................................................... 17
Темы рефератов ..................................................................................................................................................... 17
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................................... 18
ТЕМА 1.3. ИЗМЕРЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ .......................................................................................................... 19
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ................................................................................................................................. 19
1.3.1. Количество информации как мера уменьшения неопределенности знаний ........................................... 19
1.3.2. Единицы измерения количества информации ........................................................................................... 20
1.3.3. Определение количества информации ....................................................................................................... 20
ПРАКТИКУМ ............................................................................................................................................................. 20
Вопросы и задания к семинарским занятиям ...................................................................................................... 20
Практические задания ........................................................................................................................................... 20
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ .......................................................... 21
Темы рефератов ..................................................................................................................................................... 21
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................................... 21
Упражнения ............................................................................................................................................................ 22
РАЗДЕЛ 2. ТЕОРИЯ КОДИРОВАНИЯ ............................................................................................................... 24
ТЕМА 2.1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ КОДИРОВАНИЯ. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ ................ 24
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ................................................................................................................................. 24
2.1.1. Понятие о кодировании. Представление информации в ЭВМ ................................................................. 24
2.1.2. Кодирование данных двоичным кодом ...................................................................................................... 25
2.1.3. Кодирование целых и действительных чисел ............................................................................................ 26
2.1.4. Кодирование текстовых данных ................................................................................................................. 29
2.1.5. Кодирование графических данных ............................................................................................................. 30
2.1.6. Кодирование звуковой информации ........................................................................................................... 32
2.1.7. Кодирование команд .................................................................................................................................... 34
ПРАКТИКУМ ............................................................................................................................................................. 34
Вопросы и задания к семинарским занятиям ...................................................................................................... 34
Практические задания ........................................................................................................................................... 35
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ .......................................................... 35
Темы рефератов ..................................................................................................................................................... 35
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................................... 36
Упражнения ............................................................................................................................................................ 36
– 3 –
Стр.3
ТЕМА 2.2. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ .............................................................................................. 37
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ .................................................................................................................................. 37
2.2.1. Понятие о системе счисления ...................................................................................................................... 37
2.2.2. Системы счисления, используемые в вычислительной технике .............................................................. 39
2.2.3. Перевод чисел из одной системы счисления в другую ............................................................................. 39
2.2.4. Арифметические операции в позиционных системах счисления ............................................................. 41
2.2.5. Арифметические действия над целыми числами ....................................................................................... 43
2.2.6. Арифметические действия над нормализованными числами ................................................................... 46
ПРАКТИКУМ .............................................................................................................................................................. 47
Вопросы и задания к семинарским занятиям ...................................................................................................... 47
Практические задания ........................................................................................................................................... 47
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ ........................................................... 48
Темы рефератов ..................................................................................................................................................... 48
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................................... 48
Упражнения ............................................................................................................................................................ 49
РАЗДЕЛ 3. ТЕОРИЯ АЛГОРИТМОВ ................................................................................................................... 50
ТЕМА 3.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ АЛГОРИТМОВ ........................................................................ 50
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ .................................................................................................................................. 50
3.1.1. Этапы решения задачи ................................................................................................................................. 50
3.1.2. Понятие алгоритма и его свойства .............................................................................................................. 52
3.1.3. Основные средства представления алгоритмов ......................................................................................... 53
ТЕМА 3.2. ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ
ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ ........................................................................................................... 54
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ .................................................................................................................................. 54
3.2.1. Линейные алгоритмы ................................................................................................................................... 55
3.2.2. Разветвленные алгоритмы ............................................................................................................................ 55
3.2.3. Циклические алгоритмы .............................................................................................................................. 60
3.2.4. Алгоритмы обработки последовательностей чисел .................................................................................. 62
3.2.5. Алгоритмы обработки одномерных числовых массивов .......................................................................... 64
3.2.6. Алгоритмы сортировки одномерных массивов ......................................................................................... 73
3.2.7. Алгоритмы обработки упорядоченных массивов ...................................................................................... 75
3.2.8. Алгоритмы обработки двумерных массивов .............................................................................................. 78
ПРАКТИКУМ .............................................................................................................................................................. 81
Вопросы и задания к семинарским занятиям ...................................................................................................... 81
Практические задания ........................................................................................................................................... 81
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ ........................................................... 83
Темы рефератов ..................................................................................................................................................... 83
Вопросы для самоконтроля ................................................................................................................................... 84
Упражнения ............................................................................................................................................................ 84
Глоссарий по дисциплине ...................................................................................................................................... 89
Список литературы ................................................................................................................................................. 91
Приложения ............................................................................................................................................................. 93
Методические рекомендации по написанию реферата по дисциплине ............................................................. 93
– 4 –
Стр.4
ВВЕДЕНИЕ
Современный федеральный государственный образовательный стандарт бакалавриата по направлению
«Педагогическое образование» не предполагает углубленной подготовки абитуриентов по выбранному
профилю, все абитуриенты сдают одинаковые вступительные экзамены. Вместе с тем, подготовка
учителя-предметника требует внимательного и ответственного отношения к теоретическим
основам профильной области знаний и к организации их освоения. Подготовка учителя информатики
предполагает понимание базовых теоретических положений функционирования электронно-вычислительной
техники, что необходимо для качественного, осознанного освоения таких разделов информатики,
как «Программирование», «Вычислительная техника», «Архитектура ЭВМ», «Программное
обеспечение ЭВМ», а также для обеспечения возможности успешного развития обучающегося,
его самообразования и, в дальнейшем, повышения квалификации.
Вышеизложенное обосновывает роль дисциплины «Теоретические основы информатики» в подготовке
студентов-бакалавров по направлению 44.03.05 «Педагогическое образование» (с двумя
профилями подготовки), направленность «Математика и Информатика».
Цель дисциплины – овладение основами теоретической информатики, теориями и методами
исследования информационных процессов.
Задачи дисциплины:
формирование понятийно-терминологической базы современной теории информации, овладение
способами решения задач на вычисление количества информации;
формирование понятийно-терминологической базы современной теории кодирования, овладение
способами решения задач на кодирование информации;
формирование понятийно-терминологической базы современной теории автоматов, овладение
способами решения задач на анализ логических выражений и схем;
формирование понятийно-терминологической базы современной теории алгоритмов, овладение
способами решения задач на построение и реализацию алгоритмов различного вида.
Процесс освоения дисциплины направлен на формирование профессиональной компетенции
ПК-2: способен осуществлять разработку алгоритмических и программных решений в процессе
обучения информатике.
В результате изучения дисциплины обучающийся должен овладеть следующими компонентами
компетенций:
Знать:
виды информационных моделей, их специфику;
принципы построения различных моделей при разработке алгоритмов;
понятие и этапы формализации задачи;
типы данных, переменных, структур данных;
сущность алгоритма, его свойств, способов записи, положения теории алгоритмов;
сущность методов преобразования информации в типовых алгоритмических задачах;
принципы разработки и методы проектирования алгоритма;
понятие и признаки связности, эффективности алгоритма;
принципы оценивания алгоритмического решения;
способы повышения связности алгоритма, его эффективности по времени и по памяти;
типы задач организации и осуществления информационных процессов, в т.ч. средствами
информационных технологий: задач преобразования данных;
специфику условий (начальных условий, ограничений и т.п.) задач организации и осуществления
информационных процессов различных типов;
виды информационных процессов, их структуры и специфики.
Уметь:
выявлять данные, которые фиксируют входную и выходную информацию (определение их
структуры и свойств);
определить результат, который необходимо получить при решении задачи;
определить отношения между данными, условия и ограничения, накладываемые на эти отношения;
–
5 –
Стр.5
определять вид модели в соответствии с формализованными условиями задачи, в т.ч. выбор
метода преобразования данных (при необходимости);
строить непротиворечивую, не содержащую внутримодельных (математических, логических,
других) ошибок модель решения задачи с учетом выбранного вида, методов, условий, результата;
осуществлять анализ алгоритма и его корректировку для достижения связности алгоритма,
эффективности по времени и по памяти;
определить цель преобразования данных, рассматриваемого информационного процесса;
определить условия: входные и выходные данных; организации информационного процесса,
его вида;
определить структуру информационного процесса: методы, этапы преобразования данных.
Владеть:
методами формализации задачи;
методами математического моделирования;
методами преобразования информации в типовых алгоритмических задачах;
методами проектирования и способами записи алгоритма;
методами тестирования алгоритма на результативность, конечность, массовость, универсальность;
методами оценки эффективности алгоритма, способами повышения эффективности алгоритма;
способами преобразования информации.
Иметь опыт:
разработки алгоритмического решения;
анализа алгоритмического решения, повышения эффективности алгоритма;
преобразования данных в информационных процессах, в т.ч. средствами информационных
технологий.
Настоящее пособие направлено на поддержку для процесса освоения дисциплины «Теоретические
основы информатики», в частности является методическим обеспечением самостоятельной
работы студентов.
Дисциплина запланирована к изучению на первом курсе. Общая трудоемкость дисциплины
составляет 3 зачетные единицы, 108 часов, из них контактная работа – 44 часа; самостоятельная
работа – 62 часа; промежуточная аттестация – экзамен.
Пособие состоит из трех разделов, каждый из которых содержит теоретическую часть (основные
положения, основные термины), практическую часть (вопросы и задания к семинарским
занятиям, практические задания), материалы для организации самостоятельной работы студентов
(темы рефератов, устных сообщений, Ошибка! Закладка не определена., упражнения и т.п.), которые
могут быть использованы при подготовке к промежуточной аттестации по данной дисциплине.
В приложении приводятся требования к реферату по дисциплине.
– 6 –
Стр.6