Информатика и основы вычислительной техники 8—11 классы
Профильный курс для школ и класса
с углубленным изучением информатики

А. Г. Гейн, А. И. Сенокосов

Пояснительная записка

Основной задачей курса является знакомство учащихся с отраслью общественного производства, обеспечивающей разработку, производство и обслуживание средств промышленной эксплуатации информационных ресурсов, т. е. с “промышленностью обработки данных” (ПОД), а также приобретение необходимых трудовых навыков в создании одного из средств производства ПОД — программного обеспечения (ПО).

Курс рассчитан на изучение в 8—11 классах общеобразовательных учреждений согласно учебному плану для школ (классов) указанного типа за счет часов вариативной части. Тем самым во всех классах курсу отводится по 136 ч (4 ч в неделю). Дополнительное время в старших классах для работы над собственными проектами в области ПОД обеспечивается за счет факультативных и кружковых часов.

Курс состоит из пяти основных разделов:

1. Информация как промышленный ресурс.
2. Этапы решения задач с помощью ЭВМ.
3. Программное обеспечение ЭВМ и методы его разработки.
4. Основные виды алгоритмов и вычислительные аспекты применения ЭВМ.
5. Основные принципы устройства ЭВМ, устройства сбора, накопления и передачи данных.

Программой предусматривается параллельное и концентрическое изучение этих разделов. Это позволяет по мере изучения курса давать все более глубокие знания по каждому из разделов, не теряя при этом целостности изложения всего материала.

Курс рассчитан на широкое применение ЭВМ и предусматривает выделение половины всего времени на практическую работу на ЭВМ. Для успешной работы по темам курса рекомендуется организовать в школе центр информационных технологий, решающего, кроме учебных, еще и промышленные задачи, связанные, в первую очередь, с внедрением в школе компьютерных технологий образования. Необходимо подчеркнуть, что центр информационных технологий имеет характер учебно-промышленного производственного участка. Все необходимые теоретические знания для работы в нем учащиеся должны получать в основное учебное время.

Программа представляет из себя программу-максимум, предусматривающую наличие в школе средств вычислительной техники, (СВТ) — не менее 12 рабочих мест, учебного робота-манипулятора и средств промышленной графики: цветного принтера или графопостроителя, дисплеев с высокой степенью разрешения и модема. И если наличие СВТ является условием необходимым, то в остальном программа, на наш взгляд, легко адаптируется к условиям конкретной школы.

Раскроем теперь содержание всех выше упомянутых разделов.

Содержание обучения

1. Информация как промышленный ресурс

1.1. Понятие об информации, ее виды и свойства. Историческая необходимость возникновения промышленной обработки данных (ПОД)

Историческая необходимость возникновения промышленной обработки данных (ПОД).

Исторические аспекты хранения, преобразования и передачи текстовой информации. Краткое знакомство с другими видами информации, способами их сбора, передачи, хранения и преобразования. Человек как информационный процессор. Особенности восприятия информации человеком. Понятие об информационном потоке, информации как объекте труда (ручного или автоматизированного). Возрастание роли информации в научно-техническом прогрессе.

Информация как неотъемлемый компонент развития цивилизации. Изобретение письменности —- первая информационная революция, книгопечатание — вторая. Замыкание цикла: знания — наука — общественное производство — знание. Создание предпосылок ускоренного развития технологической цивилизации: Информационный взрыв в XX веке — предпосылка создания ПОД. Появление ПОД — третья информационная революция. Феномен персонального компьютера (ПК). Особенности современного этапа развития новых информационных технологий.

Кодирование информации. Двоичное кодирование. Количество информации.

Текстовый редактор и работа с ним.

Учащиеся должны знать:

• определение предмета информатики;
• содержание понятий “информация” и “количество информации”;
• роль информации в научно-техническом прогрессе;
• возможности конкретного текстового редактора.

Учащиеся должны уметь:

• рассчитывать объем текстовой информации;
• работать с конкретным текстовым редактором.

1.2. Системы хранения и поиска данных

Методы хранения и поиска информации. Элементы алгебры логики. Информационно-поисковые системы. Базы данных, практическая работа с учебными базами данных, изучение структуры и возможностей реляционной базы данных, понятие о СУБД, языках запросов. Создание собственной базы данных на основе пакета, имеющего возможность автоматизированного создания пользовательского интерфейса (Сlаrion, Fохрrо, Ассеss и т.п.). Понятие об экспертных системах, банках знаний, искусственном интеллекте.

Электронные таблицы как сращивание информационно-поисковых и вычислительных систем. Основные функции электронной таблицы. Использование электронной таблицы для простых расчетов.

Понятие об автоматизированных рабочих местах.

Учащиеся должны знать:

• основные принципы построения конкретных файловых систем, принципы работы с СУБД, электронными таблицами;
• принципы организации диалога в базах данных и экспертных системах;
• структуру базы данных;
• виды автоматизированных рабочих мест на основе вычислительной техники.

Учащиеся должны уметь:

• составлять программу поиска, включения, исключения, замены элементов в учебных базах данных;
• пользоваться электронными таблицами для решения задач прогнозирования и планирования;
• вести диалог с учебной экспертной системой;
• пользоваться конкретным АРМ;
• разрабатывать и отлаживать собственную базу данных на основе пакетов с автоматизированным созданием пользовательского интерфейса.

1.3. Компьютерная графика и системы автоматизации проектирования

Понятие о компьютерной графике и системах автоматизации проектирования, их место в ПОД. Знакомство с графопостроителем, цветным или черно-белым принтером, графическими возможностями ПК, пакетом графических программ. Изучение учебной системы машинной графики с элементами расчета, работа с ней, модификация и улучшение, работа на графопостроителе, ПК с графическими возможностями, выдача графической информации на принтер. Знакомство с промышленной системой автоматизированного проектирования.

Учащиеся должны знать:

• принципы работы графопостроителя, принтеров разных типов, графического ОЗУ ПК;
• назначение систем автоматизации проектирования;
• правила техники безопасности при работе на графопостроителе и с принтерами.

Учащиеся должны уметь:

• пользоваться пакетом графических программ;
• непосредственно работать на графопостроителе, принтере и ПК с графическими возможностями;
• пользоваться учебной системой машинной графики с элементами расчета, создавать собственные компьютерные слайды и слайды с элементами мультипликации для использования их в мультимедиа-кабинетах при изучении других предметов.

1.4. Робототехника как подотрасль ПОД

Понятие о робототехнических системах, их специфике и месте в ПОД, роль и значение в промышленном производстве. Знакомство с промышленным вариантом робототехнической системы. Программирование учебного робота-манипулятора.

Учащиеся должны знать:

• принципы работы промышленных роботов, их типы;
• системы команд учебного робота-манипулятора.

Учащиеся должны уметь:

• программировать учебного робота-манипулятора.

1.5. Информатика взадачах управления

Понятие управления объектом или процессом. Принцип обратной связи. Автоматизированные системы управления (АСУ). Учебная АСУ “Теплица”. Понятие об управленческом решении. Важность полной и достоверной информации для принятия правильного решения. Знакомство с промышленной компьютеризированной системой управления. Работа над промышленной задачей экономико-управленческого характера. Структура АСУ “Школа”. Работа с ней, улучшение и модернизация. Работа с учебной программой составления расписания.

Понятие “черный ящик”. Использование этого понятия при выработке управленческого решения. Компьютерная деловая игра "Регион"

Учащиеся должны знать:

• принцип обратной связи;
• назначение и принципы построения АСУ;
• понятие “черный ящик”.

Учащиеся должны уметь:

• программировать учебную АСУ “Теплица”;
• принимать и оценивать управленческие решения в деловой игре “Регион”;
• работать с АСУ “Школа”, менять ее структуру, расширять функции.

1.6. Применение СВТ в учебном процессе

Понятие об обучении как одной из отраслей информатики.

Основные этапы обучения с точки зрения информатики. Применение новых информационных технологий в обучении. Понятие о педагогическом программном средстве (ПСС). Понятие о концепции мультимедиа-обучения. Основные требования к ППС, особенности его создания и сопровождения. Специфика ППС для мультимедиа-классов.

Разработка собственного учебного ППС с дальнейшей его доводкой до промышленного изделия.

Учащиеся должны знать:

• требования к ППС, основные его этапы создания и сопровождения.

Учащиеся должны уметь:

• сопровождать используемые в учебном процессе ППС;
• разрабатывать простейшие ППС.

2. Этапы решения задачи с помощью ЭВМ

2.1. Компьютерное моделирование

Понятия “плохо” и “хорошо” поставленной задачи. Модель задачи. Понятия компьютерной модели задачи. Построение модели: выделение предположений, на которых будет основана модель (постановка задачи), определение исходных данных в задаче и результатов, установление соотношений, связывающих исходные данные и результаты.

Проверка адекватности построенной модели. Неоднозначность выбора модели “плохо” поставленной задачи. Понятие о компьютерном эксперименте.

Цикл построения компьютерной модели.

Учащиеся должны знать:

• этапы решения задачи на ЭВМ;
• принципы построения модели задачи;
• цели проведения компьютерного эксперимента.

Учащиеся должны уметь:

• распознавать “плохо” и “хорошо” поставленные задачи;
• строить простые компьютерные модели;
• анализировать соответствие модели исходной задаче;
о проводить компьютерный эксперимент для построенных моделей.

2.2. Архитектура промышленного изделия

Понятие об архитектуре промышленного изделия, дизайне. Принципы создания архитектурных проектов различных изделий, специфика архитектуры (спецификации пользователя или внешние спецификации) в программном обеспечении ЭВМ. Понятие интерфейса “человек-машина”. Типы интерфейса. Принципы построения сценариев программного обеспечения. Стандарты пользовательского интерфейса.

Учащиеся должны знать:

• принципы создания архитектурных проектовПО;
• особенности организации интерфейса человек-машина, основные требования стандартов пользовательского интерфейса.

Учащиеся должны уметь:

• проводить качественный анализ пользовательского интерфейса программного продукта;
• разрабатывать архитектуру простейших программных проектов;
• создавать сценарии работы с несложными программными продуктами.

3. Программное обеспечение ЭВМ и методы его разработки

3.1. Основы алгоритмизации

Понятия алгоритма и исполнителя алгоритмов. Допустимые действия исполнителя. Понятие о достижимых целях исполнителя. Исполнитель алгоритмов Паркетчик.

Основные алгоритмические конструкции: ветвления, циклы, вспомогательные алгоритмы, определяемые допустимые действия. Ветвления в полной и неполной формах. Ветвление в форме “выбор”. Циклы в формах “пока” и “от... до... с шагом”. Требования к оформлению вспомогательных алгоритмов. Формальные и фактические параметры во вспомогательных алгоритмах.

Переменные в алгоритмах. Особенности работы с переменными. Переменные при работе исполнителя Паркетчик. Типы переменных.

ЭВМ как универсальный исполнитель. Имитация других исполнителей на ЭВМ.

Организация данных в алгоритмах. Массивы.

Учащиеся должны знать:

• способы представления алгоритмов;
• основные алгоритмические конструкции (ветвления, циклы и т. д.), правила их записи и особенности исполнения;
 системы допустимых действий учебных исполнителей алгоритмов;
• основные способы организации данных.

Учащиеся должны уметь:

• составлять и записывать алгоритмы для учебных исполнителей с использованием соответствующих алгоритмических конструкций;
• составлять протоколы исполнения алгоритмов;
• распознавать необходимость применения той или иной алгоритмической конструкции при решении задачи;
• использовать готовые вспомогательные алгоритмы при создании нового алгоритма;
• организовывать данные для эффективной алгоритмической обработки.

3.2. Понятие о программном обеспечении как средстве производства ПОД. Этапы создания ПОД

Соотношение программного обеспечения и средств вычислительной техники в ПОД. Понятие о software и hardware. Виды ПО и их краткая характеристика. Понятие о проектировании и алгоритмизации.

Понятие о машинном языке, трансляторах, кодировке программы, отладке, комплексном тестировании. Простейшие приемы отладки и тестирования.

Учащиеся должны знать:

•  роль программного обеспечения в ПОД, его виды;
•  принципы и методы отладки программ.

Учащиеся должны уметь:

• осуществлять перевод алгоритма в программу для конкретного исполнителя;
•  осуществлять отладку и тестирование программы.

3.3. Технология разработки ПО.

Метод пошаговой детализации, стандартные программы и функции; функции, определяемые пользователем; способы обращения к подпрограммам. Понятие о нисходящем проектировании, язык РDL (рrogramm design language), нисходящее РDL-проектирование, структурное программирование. Основные проблемы больших программных проектов: понятие о комплексном программном продукте. Понятие о бригаде главного программиста, организация системы документирования и нисходящего тестирования.

Понятие об инструментарии программиста. Методы его создания и ведения. Понятие интерфейса пользователя и существующие рекомендации по его созданию. Автоматизированные системы разработки и создания интерфейса пользователя. Структура языка и ее влияние на стиль проектирования и создания инструментария. Понятие о концептуальном единстве системы.

Учащиеся должны знать:

• метод пошаговой детализации;
• основные принципы структурного программирования;
• основные проблемы создания больших программных проектов и способы их решения;
• требования к стандартным программам.

Учащиеся должны уметь:

• пользоваться методом пошаговой детализации для решения задач;

•  проводить нисходящее РDL-проектирование, структурировать программы;
•  осуществлять разделение труда и вести коллективную работу при реализации простейших программных проектов;
•  документировать свои программы;
•  пользоваться стандартными программами и одной из автоматизированных систем создания интерфейса пользователя.

3.4. Языки программирования

Язык программирования как одно из средств “общения” с ЭВМ. Соотношение между понятиями “алгоритм” и “программа”. Переменные в языках программирования; типы переменных.

Понятие процедурного языка программирования. Знакомство с одним из процедурных языков (Си, Паскаль и т. п.).

Понятие логического программирования. Знакомство с языком Пролог.

Понятие объектно-ориентированного языка программирования. Обзор языка Форт (или объектно-ориентированных диалектов языков Си или Паскаля).

Учащиеся должны знать:

•  основные операторы и запись основных конструкций на изучаемом языке программирования;
•  типы переменных, используемых в данном языке.

Учащиеся должны уметь:

•  программировать на изучаемом языке и вести отладку простейших программ.

3.5. Прикладное и системное программное обеспечение

Типы пакетов прикладных программ: библиотеки программ, проблемно-ориентированные системы. Иерархия языков. Языки управления заданиями. Трансляторы: компиляторы и интерпретаторы, принципы построения Форт-системы. Понятие о кросс-системах. Понятие об ОС и программах-оболочках. Простейшие системные работы в конкретной ОС. Системные стандартные программы. Карта памяти ОС.

Учащиеся должны знать:

•  типы пакетов прикладных программ;
•  области применения наиболее употребительных языков программирования;
• этапы разработки трансляторов;
• функции ОС, взаимодействие ОС и программы пользователя;
• основы языка управления заданиями конкретной ОС.

Учащиеся должны уметь:

• использовать диагностику транслятора для отладки программ;
• проводить системные работы в конкретной ОС;
• уметь использовать конкретную оболочку для ОС.

3.6. Цикл жизни ПО

Понятие о сопровождении ПО, стоимость различных этапов разработки и внедрения ПО, их специфика. Методы снижения расходов. Система организации сопровождения ПО. Принципы совместной работы с конечным пользователем. Основные части технического задания. Особенности договоров на разработку и сопровождение ПО. Система документации ПО.

Учащиеся должны знать:

• назначение и принципы сопровождения ПО, этапы его разработки, внедрения и сопровождения;
• принципы совместной работы с конечным пользователем.

Учащиеся должны уметь:

• сопровождать программы АСУ “Школа” и ППС.

4. Основные виды алгоритмов и вычислительные аспекты применения ЭВМ

4.1. Основные виды нечисленных алгоритмов Алгоритмы на линейно упорядоченных множествах: поиск наибольшего элемента; сортировка; двоичный поиск. Понятие об эффективности алгоритмов.

Учащиеся должны знать:

•  указанные алгоритмы и оценки их эффективности.

Учащиеся должны уметь:

• использовать указанные алгоритмы для решения задач.

4.2. Приближенные вычисления

Особенности приближенных вычислений. Понятие о плохой и хорошей обусловленности задач. Понятие об устойчивости метода к ошибкам округления. Интерполяция.

Метод наименьших квадратов.

Учащиеся должны знать:

• особенности приближенных вычислений;
метод линейной интерполяции;
• метод наименьших квадратов.

Учащиеся должны уметь:

• оценивать ошибки вычислений на ЭВМ;
• пользоваться методами линейной интерполяции и наименьших квадратов.

4.3. Обзор вычислительных методов решения задач

Метод деления пополам.
Метод прямоугольников и метод трапеций для вычисления площадей.
Поиск экстремума покоординатным спуском, градиентные методы.
Методы линейного программирования.
Метод Монте-Карло. Датчики случайных чисел (ДСЧ);
основные требования к ДСЧ”
Статистические методы оценки правдоподобия (критерии Фишера и Стьюдента).

Учащиеся должны знать:

• указанные методы.

Учащиеся должны уметь:

• использовать изученные методы для решения задач.

5. Основные принципы устройства ЭВМ, устройств сбора и передачи данных

5. 1. Представление информации в ЭВМ

Представление информации в ЭВМ. Понятие о цифровой информации. Обогащение информации. Понятие о центральном процессоре как основном устройстве обогащения информации. Понятие об оперативной памяти, внешних накопителях, устройствах сбора, передачи цифровой информации как о средствах производства ПОД.

Системы счисления. Двоичная и шестнадцатеричная системы.
Действия с числами в двоичной системе. Перевод чисел из одной системы счисления в другую.

Учащиеся должны знать:

•  способы представления информации в ЭВМ, принципы записи чисел в позиционной системе счисления, в частности в двоичной и шестнадцатиричной;
•  назначение центрального процессора, оперативной памяти, внешних устройств как средств производства ПОД.

Учащиеся должны уметь:

•  переводить числа из двоичной системы в шестнадцатиричную и обратно, из двоичной и шестнадцатиричной в десятичную;
•  подсчитывать объем памяти, необходимой для хранения заданного набора символов.

5.2. Основы микроэлектронной и микропроцессорной техники

Вентили и двоичный сумматор; принципы фон Неймана. Понятие об аппаратном интерфейсе. Контроллер. Принципы работы процессора. Понятие о системе команд процессора, языке Ассемблер. Учебная виртуальная ЭВМ "Малютка", ее устройство и система команд. Ассемблер и Дизассемблер для "Малютки".

Обзор микропроцессорных средств и систем.

Исторический обзор и перспективы развития СВТ. Так называемые поколения ЭВМ, оптоэлектроника, нейристоры. Современные тенденции развития вычислительной техники и программного обеспечения.

Учащиеся должны знать:

•  принципы фон Неймана;
•  разделение информации, хранимой в памяти ЭВМ, на числа и команды, виды представления данных;
•  основные принципы работы процессора и оперативной памяти;
•  организацию памяти и систему команд учебной виртуальной ЭВМ;
•  основные принципы создания и применения микропроцессорной техники.

Учащиеся должны уметь:

•  программировать учебную ЭВМ, писать программы на Ассемблере;
•  пользоваться Дизассемблером.

5.3. Устройства сбора, накапливания и передачи информации

Устройство сбора данных. Устройства хранения информации. Устройства передачи информации. Устройства вывода информации. Понятие о локальных и глобальных сетях ЭВМ.

Учащиеся должны знать:

•  виды и типы устройств сбора, накапливание и передачи информации;
•  правила работы с накопителями информации, принтером, модемом.

Учащиеся должны уметь:

•  обращаться с накопителями информации, принтером, модемом;
•  пользоваться простейшими функциями телекоммуникационных пакетов.

5.4. Персональные компьютеры

Отличительные особенности персональных компьютеров (ПК). Технические и психологические аспекты феномена ПК. Специфика эксплуатации ПК. Понятие об автоформализации знаний.

Учащиеся должны знать:

•  отличительные особенности ПК;
•  правила эксплуатации конкретного ПК и техники безопасности при работе на нем.

Учащиеся должны уметь:

•  работать на ПК конкретного типа.

Тематическое планирование

В тематическом планировании указано как общее число часов, отводимых на изучение материала данного класса (из расчета 4 ч в неделю), так и распределение этих часов по отдельным темам. При этом в скобках приведено разделение этих часов на работу в теоретическом и дисплейном классах.

Тематическое планирование приведено в двух вариантах. Первый вариант (основной) предусматривает изучение углубленного курса информатики после изучения в 7 классе части базового курса в объеме, соответствующем тематическому планированию. Если же изучение углубленного курса информатика начинается лишь в 10 классе, после того как закончено изучение базового курса, предусмотренного программой 7—9, то, приступая к такому обучению, необходимо обеспечить изучение разделов, отмеченных символом * (например, за счет факультативов). При этом, естественно, происходит перераспределение тем в тематическом планировании 8-го и 9-го классов так, чтобы в каждом из них оставалось по 2 ч в неделю.

Второй вариант предназначен для школ, в которых изучение информатики начинается в 8 классе.

Вариант I

8 класс, 136 ч (68 + 68)

9 класс, 136 ч (68+68)

10 класс, 136 ч (68 +68)

11 класс, 136 ч (68 + 68)

Вариант II

8 класс, 136 ч (68+68)

9 класс, 136 ч (68 + 68)

10 класс, 136 ч (68+68)

11 класс, 136 ч (68 + 68)

ЛИТЕРАТУРА

1. Теин А. Г., Сенокосов А. И., Информатика: Учеб. для 8—9 кл. щк. с углуб. изуч. информатики. — М.: Просвещение, 1995.
2. Теин А. Г., Житомирский В, Г., Липецкий Е. В., Сапир М. Я., Шолоховин В. Ф. Основы информатики и вычислительной техники: Учеб. для 10—11 кл. общеобр. учреж. — М.: Просвещение, 1991.
3. Шолохович В. Ф., Гейн А. Г., Комов С. Д, Данилина И. И., Некрасов Е. В., Основы экологии и природопользования. Компьютерный курс: Учеб. пособ. для 9—10 кл. общеобр. учреж. — М.: Просвещение, 1995.
4. Гейн А. Г. Земля информатика//Информатика. 1996. № 20, 22, 24, 26, 36, 38.
5. Информатика. Энциклопедический словарь для начинающих.— М.: Педагогика-Пресс, 1994.
6. Бек Л. Введение в системное программирование. — М.: Мир, 1987.
7. Броуди Л. Начальный курс программирования на языке Форт. — М.: Финансы и статистика, 1990.