Технология хранения, поиска и сортировки информации

Технология хранения, поиска и сортировки информации

Изучение темы следует начать с описа­ния области применения компьютерных информационных сис­тем, с обоснования актуальности данного приложения компью­терной техники. Задачу можно сформулировать следующим об­разом: имеется большой объем данных о какой-то реальной системе объектов или событий. Например, о книгах в библиоте­ке, работниках предприятия, товарах на складе, дорожно-транспортных происшествиях за длительный период времени и т.п. Необходимо организовать хранение этой информации таким образом, чтобы ее было удобно просматривать, пополнять, изменять, искать нужные сведения, делать любые выборки, осуществлять сортировку в любом порядке. Такой работой людям приходилось заниматься и задолго до появления компьютера. Основным средством хранения данных была бумага. Данные хранились в виде списков в толстых журналах, папках, на картон­ных карточках. Последний способ используется, например, в библиотечных каталогах. Большинству учеников он хорошо знаком: на каждой карточке записаны сведения об отдельной книге. В алфавитном каталоге карточки систематизированы по фамили­ям авторов в алфавитном порядке, в предметном каталоге — по тематике книг. Подобные систематизированные картотеки исполь­зуются в отделах кадров предприятий. Они удобны тем, что лег­ко можно извлечь нужную карточку, заменить, добавить новые карточки, сохраняя установленный порядок.Тем не менее, если такая картотека содержит тысячи карточек, то, как бы совер­шенна ни была ее организация, обработка данных в ней — дело длительное и трудоемкое.

Компьютерные информационные систем ы позволяют хранить большие объемы данных, осуществлять в них быстрый поиск, вносить изменения, выполнять всевозможные манипуляции с дан­ными (группировать, сортировать и пр.). Следует привести при­меры таких информационных систем. Например, система прода­жи железнодорожных и авиационных билетов. Другой знакомый ученикам пример: во время телерепортажей с крупных междуна­родных соревнований, олимпийских игр на экран мгновенно вы­водится досье любого спортсмена, о котором говорит коммента­тор — это работает компьютерная информационная система.

Основой всякой информационной системы является база дан­ных — организованная совокупность данных на магнитных дисках. Ученики уже хорошо знают, что информация на дисках хранится в виде файлов. Поэтому первый вывод, который можно сделать относительно организации больших баз данных — это то, что они требуют больших объемов дисковой памяти.

Тема «Базы данных и информационные системы» насыщена теоретическими понятиями. Эти понятия пересекаются с другими содержательными линиями базового курса: информационное моделирование, представление ин­формации (в частности, логической информации). Активное развитие теории баз данных началось в 1970-х гг. Особое место в ней занимает теория реляционных баз данных (РБД), разрабо­танная Е. Коддом.

К теоретическим вопросам, рассматриваемым в рамках базового курса, относятся вопросы классификации БД, структуры однотабличной РБД.

Классификация базданных. Базы данных классифицируются по разным признакам. По характеру хранимой информации БД делят на фактографические и документальные. Если проводить аналогию с описанными выше примерами информационных хранилищ, то фактографические БД — это картотеки, а документальные — это архивы. В фактографических БД хранится краткая информация в строго определенном формате. В документальных БД — всевоз­можные документы. Причем это могут быть не только текстовые документы, но и графика, видео и звук (мультимедиа).

Классификация по способу хранения данных делит БД на цент­рализованные и распределенные. Вся информация в централизован­ной БД хранится на одном компьютере. Это может быть автоном­ный ПК или сервер сети, к которому имеют доступ пользователи-клиенты. Распределенные БД используются в локальных и глобальных компьютерных сетях. В таком случае разные части базы хранятся на разных компьютерах.

Третий признак классификации БД — по структуре организа­ции данных. В линии «Моделирование и формализация» рассказывается о трех способах организации данных: табличном, иерархи­ческом и сетевом. Базы данных, использующие соответствующий способ организации информации, называются реляционными (таб­личные БД), иерархическими и сетевыми БД.

В базовом курсе информатики рассматриваются лишь фактог­рафические реляционные базы данных. Это связано не только с огра­ниченностью школьного курса, но и с тем фактом, что реляци­онный тип БД используется сегодня наиболее часто и является универсальным. Теоретически доказано, что любая система дан­ных может быть отражена с помощью таблиц. Простейшая реля­ционная БД содержит одну таблицу, более сложная может состо­ять из множества взаимосвязанных таблиц.

Структура однотабличной реляционной БД. Таблица со­держит информацию о некоторой системе объектов или событий. В разных строчках содержится информация о разных объектах опи­сываемой системы, а столбцы соответствуют различным атрибу­там этих объектов. В терминологии реляционных баз данных стро­ки таблицы называются записями, столбцы — полями. Само назва­ние «реляционная БД» происходит от английского слова «relation», что переводится как «отношение». Здесь термин «отношение» по­нимается как взаимосвязь между полями таблицы. В реляционном подходе таблица называется отношением.

Объяснение данного материала следует проводить на конк­ретных примерах («Домашняя библиотека», «Погода», «Успеваемость»). Следует подчеркнуть, что в базах данных каждая таблица должна иметь свое имя. Учителю будет удобно работать, если эти таблицы вынести на плакаты.

Основные представления, которые должны быть закреплены учениками:

• всякая таблица содержит в себе информацию о некоторой реальной системе (процессе) и, следовательно, является ее ин­формационной моделью;

• всякая запись в таблице — информация о конкретном объек­те (событии) данной системы;

• значение поля в каждой записи — это определенная характе­ристика (свойство, атрибут) объекта.

Вопросы, задаваемые ученикам для закрепления этих поня­тий должны быть следующего характера:

Вопрос: Информация о какой системе содержится в таблице «Успеваемость»?

Ответ: Об определенном классе школы.

Вопрос: Информация о каком объекте содержится в каждой записи этой таблицы?

Ответ: О конкретном ученике.

Вопрос: Что обозначают значения полей в записи?

Ответ: Оценки, полученные данным учеником по школьным предметам.

Основные понятия, связанные с записями и полями: главный ключ записи, имя поля, значение поля, тип поля.

Главный ключ — это поле или совокупность полей, которое од­нозначно определяет запись в таблице. Можно еще сказать так: главный ключ — это идентификатор записи. В базах данных слово «ключ» имеет несколько употреблений: ключ поиска — поле, по значению которого ищется запись в БД, ключ сортировки — поле, по значению которого происходит упорядочение записей. Поэто­му идентификатор записей приходится называть главным клю­чом.

Учителю важно понимать, что тема «Базы данных» содержит в себе ряд узловых вопросов, имеющих фундаментальное значение для курса информатики в целом. В этой теме ученики впервые встречаются с понятием величины. В дальнейшем это понятие будет широко использоваться в электронных таблицах, в алгоритмах и программах. Величина — это отдельный информационный объект, имеющий собственное имя и занимающий место в памяти компьютера. С этой точки зрения поля являются величинами. Каждое поле в таблице имеет имя, для каждого поля определен тип. Снятие типа величины связано с тремя ее свойствами:

• множеством значений, которые может принимать величина;

• множеством операций, которые можно выполнять с этой величиной;

• формой внутреннего представления в памяти ЭВМ.

В большинстве случаев в базах данных используются четыре основных типа: символьный, числовой, дата и логический. Поле символьного типа может хранить значение любой последовательности символов; числовые поля могут содержать целые или дробные десятичные числа; дата — день/месяц/год; логические поля — значения логических величин (да — нет, истина — ложь, true — false).

В данном разделе впервые в курсе информатики ученики встре­чаются с логическим типом данных, с логическими величинами. Первое понятие о логической величине можно дать как ответ на альтернативный вопрос. Например: «Имеется ли данная книга в библиотеке?», или «Поступил ли абитуриент в университет», или «На улице идет дождь?» и т. п. Ответами на такие вопросы могут быть только «да» или «нет». Синонимами являются «истина» «ложь»; «true», «false». Если поле таблицы будет принимать только такие значения, то ему назначается логический тип.

Необходимо закрепить понятия «главный ключ», «имя поля», «тип поля» на серии заданий.

Задания первого типа: дано имя таблицы и перечень полей, требуется указать главный ключ и определить типы всех полей. Пример:

БИБЛИОТЕКА (НОМЕР, АВТОР, НАЗВАНИЕ, ГОД, ПОЛКА)

Здесь использована традиционная форма для представления таблиц (отношений) в теории реляционных баз данных. Перед скобками записано имя таблицы, в скобках через запятую пере­числены имена полей. Ключевые поля подчеркиваются. В данном отношении все поля символьного типа.

ПОГОДА (ДЕНЬ, ОСАДКИ, ТЕМПЕРАТУРА, ДАВЛЕНИЕ, ВЛАЖНОСТЬ)

Здесь поле ДЕНЬ имеет тип «дата», ОСАДКИ — символьный тип; ТЕМПЕРАТУРА, ДАВЛЕНИЕ и ВЛАЖНОСТЬ - числовые поля.

УСПЕВАЕМОСТЬ (УЧЕНИК, РУССКИЙ, АЛГЕБРА, ХИМИЯ, ФИЗИКА, ИСТОРИЯ, МУЗЫКА)

Здесь поле УЧЕНИК символьного типа, все остальные — числового. Оценки имеет смысл определить числовым типом, так как в запросах могут использоваться вычисления, например, поиск по среднему баллу.

Задания второго типа: определена предметная область базы данных; требуется озаглавить таблицу, определить имена полей и их типы, назначить главный ключ. Конечно, эта задача имеет от­ношение к области проектирования БД и уже по этой причине сложная. Поэтому требовать от учеников какой-то полноты ее ре­шения не следует. Достаточно, чтобы они указали несколько полей, имеющих отношение к данной теме, и правильно определи­ли типы полей. Например, требуется определить поля, типы по­лей и ключи для баз данных «Страны мира», «Одноклассники», «Кинофильмы». Возможны следующие решения:

После знакомства с основными по­нятиями, относящимися к организации информации в реляци­онных БД, следует перейти к изучению программного обеспечения, предназначенного для работы с базами данных. Такое программное обеспечение называется СУБД — система управления базами данных.

В базовом курсе Н.Д.Угриновича не предполагается осво­ение учащимися какой-либо СУБД. В качестве программных средств для организации табличного хранения данных описывается ис­пользование текстового процессора MS Word и табличного про­цессора MS Ехсеl. Для манипулирования данными используются возможности сортировки строк в таблицах. Поиск данных реализуется в электронных таблицах с помощью механиз­ма фильтрации.

В практикуме по информационным технологиям в составе УМК к базовому курсу Н. В. Макаровой имеется раздел «Осво­ение системы управления базой данных Ассеss». Выполняя зада­ния из этого раздела, учащиеся осваивают основные технологи­ческие приемы работы в среде СУБД МS Ассеss: создание струк­туры и заполнение базы данных, использование форм, сортиров­ка и фильтрация данных, создание запросов и отчетов.

В учебнике И.Г.Семакина в соответствии с общим прин­ципом, принятым в курсе, не приводится описания какой-либо конкретной СУБД. Применен следующий методический прием: рассматривается некоторая гипотетическая реляционная СУБД. Для нее определяется язык команд, в котором используются русские служебные слова. Система взаимодействует с пользователем в ди­алоговом режиме: на экран выводится приглашение в виде точки (так принято в dBase и ей подобных СУБД). В ответ на приглаше­ние пользователь вводит с клавиатуры очередную команду. После выполнения команды повторяется приглашение. Задания для прак­тической работы учащихся содержаться в разделе «Базы данных» задачника-практикума. Условия заданий сформулированы ин­вариантно к используемой СУБД и, следовательно, могут быть выполнены в любой системе реляционного типа, выбранной учи­телем. В последнее время наиболее часто используемой в школах системой стала МS Ассеss.

Изучение конкретной СУБД следует проводить по стандарт­ной методической схеме. В отличие от интерфейса текстовых или графичес­ких редакторов, интерфейсы различных СУБД менее унифициро­ваны. Поэтому здесь трудно давать обобщенное описание. Адаптацию к конкретной системе должен выполнить учитель.

Например, для СУБД Access различаются следующие основные режимы работы:

• режим работы с таблицей: «Таблица»;

• режим работы с запросами: «Запрос»;

• режим работы с отчетами: «Отчет»;

• режим работы с формами: «Форма».

(Режимы работы с макросами и модулями в базовом курсе не рассматриваются). В свою очередь, в каждом из отмеченных режимов есть подрежимы: «Просмотр», «Конструктор» и «Создать». Например, работая в режиме «Таблица — Просмотр», пользователь может просмотреть содержание таблицы, а также отредактировать некоторые ее поля. В режиме «Таблица — Конструктор» можно просмотреть описание структуры таблицы и внести в нее изменения. В режиме «Таблица — Создать» описывается и создается струк­тура новой таблицы.

Подобно большинству тем базового курса, изучение темы «Базы данных» может происхо­дить на разных уровнях. Обозначим два уровня изучения: мини­мальный и углубленный. Задача первого уровня: дать общие пред­ставления о базах данных, научить работе с готовой БД: осуще­ствлять поиск информации; сортировку, удаление и добавление записей. Дополнительные задачи второго уровня: познакомить с основами проектирования БД; научить создавать структуру и за­полнять БД.

Работа с СУБД начинается с запуска соответствующей про­граммы, поэтому ученикам необходимо показать, где хранится программа и как ее запустить на исполнение.

Первое понятие, которое должны усвоить ученики: БД хранится в файле; чтобы начать с ней работать, необходимо открыть файл с БД. Затем учитель должен показать, как можно просмот­реть на экране записи таблицы. Для этого должна быть заранее подготовлена демонстрационная БД. (В приложении задачника-практикума Семакина содержатся разнообразные таблицы, которые можно использовать в этих целях.)

Представляя ученикам демонстрационную БД, необходимо обратить внимание на то, что наряду с самой таблицей в памяти компьютера хранится описание ее структуры, откуда пользователь может узнать параметры полей: имя, тип, формат и др. В СУБД Access это делается в режиме «Таблица — Конструктор».

Создание БД происходит в два этапа: создание структуры БД и ввод данных. Создание структуры БД в МS Асcеss» следует выполнять с помощью конструктора таблиц. Ученики за­ранее должны спроектировать таблицу: определить имена полей, типы полей, первичный ключ. Следует обращать внимание учени­ков на подбор форматов полей. Правильный подбор форматов позволяет рационально использовать память. Экономия памяти - важнейшая проблема при создании БД. Следует продемонстриро­вать ученикам два способа ввода данных: непосредственно в таб­лицу и с помощью формы ввода.

Обучение построению многотабличных баз данных может про­изводиться при углубленном изучении базового курса или в рам­ках профильного курса информатики в старших классах. Нередко в олимпиадных заданиях на базы данных требуется создать много­табличную БД.

Подбор практического материала задачника-прак­тикума Семакина И.Г. позволяет организовать изучение темы «Базы данных» на разных уровнях, использовать различные СУБД. Весь комплект заданий ориентирован на углубленное изучение темы, на исполь­зование развитых версии реляционных СУБД, в том числе МS Ассеss. Задача учителя — сделать выборку заданий для организа­ции практической работы в соответствии с поставленными целя­ми обучения, резервом учебного времени, имеющимися техни­ческими и программными средствами.

Запросы на поиск данных. Основная задача любой информационной системы — поиск информации в БД. Поиск происходит по запросу пользователя. В результате выполнения запроса получается таблица, состоящая из полей, указанных в команде. В эту таблицу включается информация из тех записей, которые удовлетворяют условию поиска. Условие поиска представляет собой логическое выражение. Здесь мы встречаемся еще с одной фундаментальной составляющей дан­ной темы курса — с основами математической логики. Помимо прикладного применения в информатике эта тема имеет большое общеобразовательное значение.

Переходя к работе с конкретной СУБД, учитель знакомит уче­ников с правилами формирования в ней команды запроса. В СУБД Access для создания запросов используется конструктор запросов. Формируемая команда оказывается скрытой от пользова­теля. Работа с конструктором требует определенных навыков, ко­торые следует отрабатывать на упражнениях. Целесообразно посту­пать следующим образом: выполнение любого задания на поиск данных в БД начинать с записи в тетради команды на языке гипо­тетической СУБД, а затем, перейдя в режим создания запроса на выборку, соответствующим образом заполнить поля конструктора.

В СУБД Access используется своеобразный табличный способ представления условий поиска. В ячейках таблицы конструктору запросов записываются условия, накладываемые на значения с ответствующих полей. Условия, стоящие в одной строке, должны выполняться одновременно, т.е. соединены между собой операцией И; условия в разных строках соединены операцией ИЛИ. Таблица играет роль фильтра при отборе записей из БД: сначала отбираются записи, удовлетворяющие условиям первой строки, затем к ним добавляются записи, удовлетворяющие условиям второй стро­ки и т.д.

Запросы на удаление данных. Условия поиска в форме логичес­ких выражений используются и в командах удаления записей из таблицы. В Access с помощью конструктора формируется запрос на уда­ление и условие для отбора удаляемых записей задается в таблич­ной форме, так же как и в запросе на выборку.

Запросы на сортировку. Еще один важный вид манипулирования информацией в базе данных — сортировка записей. Здесь основны­ми понятиями, которые должны усвоить ученики, являются «ключ сортировки» и «порядок сортировки». Ключ сортировки — это поле, по значению которого происходит упорядочение записей в табли­це. Порядок сортировки имеет два варианта: по возрастанию зна­чений ключа и по убыванию значений.

Если ключей несколько, то среди них устанавливается иерар­хия: первичный ключ, вторичный ключ и т.д. В первую очередь записи сортируются по значению первичного ключа; внутри группы записей с одинаковыми значениями первичного ключа происходит сортировка по вторичному ключу и т.д. СУБД Access позволяет сортировать записи как во всей исход­ной таблице, так и в таблицах, получаемых в результате выполне­ния запроса на выборку.

Рекомендации по организации практической работы

Практические задания делятся на три типа:

1) задачи: теоретические задания для закрепления основных понятий;

2) упражнения: практические задания для работы в среде СУБД с целью отработки отдельных навыков;

3) индивидуальные работы: зачетные задания, требующие от учеников комплексного владения теоретическими знаниями и практическими навыками.

Упражнения, предложенные в задачнике Семакина, выполняются на компьютере. Учитель может ис­пользовать материал упражнений в ходе объяснений для демонст­рации приемов работы с базой данных средствами изучаемой СУБД. После такого объяснения следует предложить ученикам коллек­тивно выполнить другие упражнения того же типа. Рабочий мате­риал для упражнений (файлы с таблицами) учитель должен под­готовить заранее.

Варианты индивидуальных работ учитель распределяет среди учеников по своему усмотрению. Возможен вариант, когда все делают одно и то же задание. В таком случае учителю легче осуще­ствлять контроль, оказывать помощь ученикам. По результатам выполнения работы каждый ученик получает оценку.