Языки
Определение и классификация языков
Язык — это определенная система символьного представления информации. В словаре по школьной информатике, составленном А.П. Ершовым [6], дано такое определение: “Язык — множество символов и совокупность правил, определяющих способы составления из этих символов осмысленных сообщений”. Поскольку под осмысленным сообщением понимается информация, то данное определение по сути своей совпадает с первым.
Языки делятся на две группы: естественные и формальные. Естественные языки — это исторически сложившиеся языки национальной речи. Для большинства современных языков характерно наличие устной и письменной форм речи. Анализ естественных языков в большей степени является предметом филологических наук, в частности, лингвистики. В информатике анализом естественных языков занимаются специалисты в области искусственного интеллекта. Одна из целей разработки проекта ЭВМ пятого поколения — научить компьютер понимать естественные языки.
Формальные языки — это искусственно созданные языки для профессионального применения. Они, как правило, носят международный характер и имеют письменную форму. Примерами таких языков являются язык математики, язык химических формул, нотная грамота — язык музыки и др.
С любым языком связаны следующие понятия: алфавит — множество используемых символов; синтаксис — правила записи языковых конструкций (текста на языке); семантика — смысловая сторона языковых конструкций; прагматика — практические последствия применения текста на данном языке.
Для формальных языков характерна принадлежность к ограниченной предметной области (математика, химия, музыка и пр.). Назначение формального языка — адекватное описание системы понятий и отношений, свойственных для данной предметной области. Поэтому все названные выше компоненты языка (алфавит, синтаксис и др.) ориентированы на специфику предметной области. Язык может развиваться, изменяться, дополняться вместе с развитием своей предметной области.
Естественные языки не ограничены в своем применении, в этом смысле их можно назвать универсальными. Однако не всегда бывает удобным использовать только естественный язык в узкопрофессиональных областях. В таких случаях люди прибегают к помощи формальных языков.
Известны примеры языков, находящихся в промежуточном состоянии между естественными и формальными. Язык эсперанто был создан искусственно для общения людей разных национальностей. А латынь, на которой в древности говорили жители Римской империи, в наше время стала формальным языком медицины и фармакологии, утратив функцию разговорного языка.
Языки информатики
Далее речь пойдет о языках, используемых при работе ЭВМ, в компьютерных информационных технологиях.
Информация, циркулирующая в компьютере, делится на два вида: обрабатываемая информация (данные) и информация, управляющая работой компьютера (команды, программы, операторы).
Информацию, представленную в форме, пригодной для хранения, передачи и обработки компьютером, принято называть данными. Примеры данных: числа при решении математической задачи; символьные последовательности при обработке текстов; изображение, введенное в компьютер путем сканирования, предназначенное для обработки. Способ представления данных в компьютере называется языком представления данных.
Для каждого типа данных различается внешнее и внутреннее представление данных. Внешнее представление ориентировано на человека, определяет вид данных на устройствах вывода: на экране, на распечатке. Внутреннее представление — это представление на носителях информации в компьютере, т.е. в памяти, в линиях передачи информации. Компьютер непосредственно оперирует с информацией во внутреннем представлении, а внешнее представление используется для связи с человеком.
В самом общем смысле можно сказать, что языком представления данных ЭВМ является язык двоичных кодов. Однако с точки зрения приведенных выше свойств, которыми должен обладать всякий язык: алфавита, синтаксиса, семантики, прагматики, — нельзя говорить об одном общем языке двоичных кодов. Общим в нем является лишь двоичный алфавит: 0 и 1. Но для различных типов данных различаются правила синтаксиса и семантики языка внутреннего представления. Одна и та же последовательность двоичных цифр для разных типов данных имеет совсем разный смысл. Например, двоичный код “0100000100101011” на языке представления целых чисел обозначает десятичное число 16 683, а на языке представления символьных данных обозначает два символа — “А+”. Таким образом, для разных типов данных используются разные языки внутреннего представления. Все они имеют двоичный алфавит, но различаются интерпретацией символьных последовательностей.
Языки внешнего представления данных обычно приближены к привычной для человека форме: числа представляются в десятичной системе, при записи текстов используются алфавиты естественных языков, традиционная математическая символика и пр. В представлении структур данных используется удобная табличная форма (реляционные базы данных). Но и в этом случае всегда существуют определенные правила синтаксиса и семантики языка, применяется ограниченное множество допустимых символов.
Внутренним языком представления действий над данными (языком управления работой компьютера) является командный язык процессора ЭВМ. К внешним языкам представления действий над данными относятся языки программирования высокого уровня, входные языки пакетов прикладных программ, командные языки операционных систем, языки манипулирования данными в СУБД и пр.
Любой язык программирования высокого уровня включает в себя как средства представления данных — раздел данных, так и средства представления действий над данными — раздел операторов (см. “Языки программирования” ). То же самое относится и к другим перечисленным выше типам компьютерных языков.
Среди формальных языков науки наиболее близким к информатике является язык математики.
В свою очередь, из множества математических дисциплин наибольшее приложение в информатике имеют теория чисел и математическая логика.
В связи с этим можно говорить о том, что темы систем счисления (языка представления чисел) и основ математической логики (языка логики) относятся к фундаментальным основам информатики (см. “Системы счисления” и “Логические выражения” ).
Методические рекомендации
В пропедевтическом и базовом курсах информатики большое образовательное значение имеет разговор о языках применительно к человеку. Знакомый ученикам термин “язык” приобретает новый смысл в их сознании. Вокруг этого термина строится целая система научных понятий. Понятие языка является одним из важнейших системообразующих понятий курса информатики.
Изучая каждое новое средство ИКТ, следует обращать внимание учеников на то, что для работы с ним пользователь должен овладеть определенным формализованным языком, что его использование требует строгого соблюдения правил языка: знания алфавита, синтаксиса, семантики и прагматики. Такая строгость связана с тем, что формализованные языки, как правило, не обладают избыточностью. Поэтому любое нарушение правил (использование символа, не входящего в алфавит, неправильное употребление разделительных знаков, например, запятой вместо точки и т.п.) приводит к ошибке.
Следует обращать внимание учеников на общность некоторых языковых конструкций, используемых в различных технологиях. Например, правила записи формул в электронных таблицах и арифметических выражений в языках программирования практически одинаковы. Существуют и различия, на которые тоже следует обращать внимание. Например, в языках программирования логические связки (NOT, AND, OR) являются знаками операций, а в электронных таблицах — именами функций.
Для упрощения работы пользователя в современном программном обеспечении часто применяются различного рода оболочки, обеспечивающие удобный пользовательский интерфейс. Следует объяснять ученикам, что за этими оболочками, как правило, скрыт определенный формализованный язык. Например, за графической оболочкой операционной системы Windows скрывается командный язык ОС. Другой пример: СУБД MS Access предоставляет пользователю возможность для создания БД использовать конструктор таблиц, а для построения запросов — конструктор запросов. Однако за этими высокоуровневыми средствами “скрывается” SQL — универсальный язык описания данных и манипулирования данными. Перейдя в соответствующий режим, можно показать, как выглядят команды на SQL, сформированные в результате работы с конструктором.
Формальные языки в курсе информатики
Роль и место понятия языка в информатике
Тема представления информации является сквозной в курсе информатики. Ключевым понятием этой темы выступает понятие языка.
Информацию, с которой имеет дело человек можно разделить на два вида: на символьную ( воспринимаемая человеком в речевой или письменной, знаковой форме) и образную (воспринимаемые человеком вкусовые ощущения, запахи, тактильные ощущения, а также через зрение и слух).
Образная информация – это сохраненные в памяти ощущения человека от контакта с источником; она воспринимается всеми органами чувств человека.
Далее речь будет идти лишь о символьной информации. Язык – это определенная система символьного представления информации. Языки делятся на 2 группы: естественные и формальные. Естественные языки – это исторически сложившиеся языки национальной речи. Формальные языки – это искусственно созданные языки для профессионального применения. Они носят международный характер и имеют письменную форму (язык математики, химии, нотная грамота и др.).
С любым языком связаны следующие понятия:
o алфавит – множество используемых символов;
o синтаксис – правила записи языковых конструкций (текста на языке);
o семантика – смысловая сторона языковых конструкций;
o прагматика – практические последствия применения текста на данном языке.
Назначение формального языка – адекватное описание системы понятий и отношений, свойственных для данной предметной области. Известны примеры языков, находящихся в промежуточном состоянии между естественными и формальными (эсперанто, латынь).
Формальные языки в курсе информатики
Информацию, циркулирующую в компьютере, можно разделить на два вида: обрабатываемая информация (данные) и информация, управляющая работой компьютера (команды, программы, операторы).
Информацию, представленную в форме, пригодной для хранения, передачи и обработки компьютером принято называть данными (числа, символьные последовательности, изображение). Способ представления данных в компьютере называется языком представления данных.
Для каждого типа данных различается внешнее (ориентированное на человека) и внутреннее (представление на носителях информации в компьютере) представление данных. В самом общем смысле можно сказать, что языком представления данных ЭВМ является язык двоичных кодов. Общим в нем является лишь двоичный алфавит: 0 и 1. Но для различных типов данных различаются правила синтаксиса и семантики языка внутреннего представления ( двоичный код 0100000100101011 на языке представления целых чисел обозначает десятичное число 16683, а на языке представления символьных данных – два символа А+. Таким образом, для разных типов данных используются разные языки внутреннего представления.
Внутренним языком представления действий над данными (языком управления работой компьютера) является командный язык процессора ЭВМ. К внешним языкам представления действий над данными относятся языки программирования высокого уровня, входные языки пакетов прикладных программ, командные языки операционных систем, языки манипулирования данными в СУБД и пр.
Разработка урока по информатике на тему: «Кодирование информации. Языки кодирования. Формальные и неформальные языки»
Кодирование информации. Языки кодирования. Формальные и неформальные языки.
Цель урока: изучить кодирование информации, языки кодирования. Рассмотреть формальные и неформальные языки.
Развивать логическое мышление.
Личностные: способствовать нравственно-этической ориентации учащихся, собственной позиции.
Регулятивные: развивать умение прогнозировать ситуацию, корректировать ответы свои и других людей.
Познавательные: развивать умение анализировать и синтезировать, доказывать, выбирать критерии для сравнения, строить алгоритм решения проблемы.
Коммуникативные: способствовать учебному сотрудничеству с одноклассниками, умению точно и полно выражать свои мысли, работать в паре.
Тип урока: формирование новых знаний.
Оборудование: учебник, доска, ПК.
Ход урока: 1. Организационный момент. 2. Проверка домашнего задания. 3. Объявление новой темы.
Из базового курса известно:
— Историческое развитие человека, формирование человеческого общества связано с развитием речи, с появлением и распространением языков. Язык — это знаковая система для представления и передачи информации.
— Люди сохраняют свои знания в записях на различных носителях. Благодаря этому знания передаются не только в пространстве, но и во времени — от поколения к поколению.
— Языки бывают естественными, например, русский, китайский, английский, и формальные, например, математическая символика, нотная грамота, языки программирования. Естественные языки развивались веками и служат для общения людей между собой. Формальные языки разрабатываются для специальных применений.
— Каждый язык имеет свой алфавит. Под алфавитом языка понимают набор используемых символов. Под мощностью алфавита понимают количество составляющих алфавит символов.
Код — система условных знаков (символов), предназначенных для представления информации в соответствии с определенными правилами.
Кодирование — переход от одной формы представления информации к другой, наиболее удобной для её хранения, передачи или обработки.
Декодирование — процесс по восстановлению первоначальной формы представления информации, т. е. операция, обратная кодированию.
При кодировании ставятся разные цели и, соответственно, применяются различные способы кодирования.
Наиболее распространенные цели кодирования:
1) экономность (сократить запись);
2) надежность (засекретить информацию);
Чаще всего кодированию подвергаются тексты на естественных языках (русском, английском и пр.).
Существуют три основных способа кодирования текста:
1) графический — с помощью специальных рисунков или значков;
2) числовой — с помощью чисел;
3) символьный — с помощью символов того же алфавита, что и исходный текст.
Процесс чтения текста — это обратный по отношению к письму процесс, при котором письменный текст преобразуется в устную речь. Чтение можно назвать декодированием письменного текста.
А теперь обратим внимание на то, что может существовать много способов кодирования одного и того же текста на одном и том же языке.
Русский текст мы привыкли записывать с помощью русского алфавита. Но то же самое можно сделать, используя латинский алфавит. Иногда так приходится поступать, отправляя SMS по мобильному телефону, на котором нет русских букв, или электронное письмо на русском языке за границу, если у адресата нет русифицированного программного обеспечения. Например, фразу «Здравствуй, дорогой Саша!» приходится писать так: « Zdravstvui , dorogoi Sasha !».
Существует множество способов кодирования. Например, стенография — быстрый способ записи устной речи. Ею владеют лишь немногие специально обученные люди — стенографисты. Они успевают записывать текст синхронно с речью выступающего человека. В стенограмме один значок обозначает целое слово или сочетание букв. Скорость стенографического письма превосходит скорость обычного в 4-7 раз. Расшифровать (декодировать) стенограмму может только сам стенографист.
Пример стенографии, в которой написано следущее: « Говорить умеют все люди на свете. Даже у самых примитивных племен есть речь. Язык — это нечто всеобщее и самое человеческое, что есть на свете »:
Стенография — скоростное письмо, основанное на применении специальных систем знаков и сокращений слов и словосочетаний, позволяющее вести синхронную запись устной речи и рационализировать технику письма.
Приведённые примеры иллюстрируют следующее важное правило:
Для кодирования одной и той же информации могут быть использованы разные способы; их выбор зависит от ряда обстоятельств: цели кодирования, условий, имеющихся средств.
Если надо записать текст в темпе речи, делаем это с помощью стенографии; если надо передать текст за границу, пользуемся латинским алфавитом; если надо представить текст в виде, понятном для грамотного русского человека, записываем его по правилам грамматики русского языка.
Еще одно важное обстоятельство:
Выбор способа кодирования информации может быть связан с предполагаемым способом её обработки.
Заметим, что две эти записи, эквивалентные по смыслу, используют разные языки: первая — естественный русский язык, вторая — формальный язык математики, не имеющий национальной принадлежности. Переход от представления на естественном языке к представлению на формальном языке можно также рассматривать как кодирование. Человеку удобно использовать для кодирования чисел десятичную систему счисления, а компьютеру — двоичную систему.
В некоторых случаях возникает потребность засекречивания текста сообщения или документа, для того чтобы его не смогли прочитать те, кому не положено. Это называется защитой от несанкционированного доступа. В таком случае секретный текст шифруется. В давние времена шифрование называлось тайнописью.
Шифрование представляет собой процесс превращения открытого текста в зашифрованный, а дешифрование — процесс обратного преобразования, при котором восстанавливается исходный текст. Шифрование — это тоже кодирование, но с засекреченным методом, известным только источнику и адресату. Методами шифрования занимается наука криптография .
Шифрование — медод защиты любой информации от несанкционированного доступа, просмотра, а также её использования, основанный на преобразовании данных в зашифрованный формат.
Криптография — это наука о методах и принципах передачи и приема зашифрованной с помощью специальных ключей информации.
Ключ — секретная информация, используемая криптографическим алгоритмом при шифровании/расшифровке сообщений.
Закрепление учебного материала:
1. Конспект основных понятий.
2. Выполнить задание в учебнике №1.
3. выполнить задание в учебнике №2, 3.
Итоги урока: изучили представление информации, языки, кодирование. Рассмотрели цели и способы кодирования информации.
Домашнее задание: выучить основные понятия, параг.2 (стр. 15-20) прочитать.