Урок "Базы данных. СУБД" с применением технологии проблемного обучения
методическая разработка по информатике и икт (9 класс) по теме

Урок: «Базы данных и системы управления базами данных»

9 класс

Постановка проблемы урока:

        Мы покупаем билеты на проезд или самолет. Кассир быстро подбирает нам удобные даты, места, предлагает различные варианты посадок.

        Мы оплачиваем мобильный телефон. Платежный терминал сразу после ввода номера обязательно проверит, имеется ли такой номер телефона в принципе, не ошиблись ли мы.

        Мы ищем в web-интерфейсе своей электронной почты все письма от данного адресата. Результат появляется моментально.

        Какой вопрос у вас возникает? Как организовывают и хранят большие объемы цифровых данных так, чтобы их можно было бы быстро обрабатывать?

Решение проблемы:

        Всем нам из жизненного опыта известно, что способ организации любых данных существенно влияет на производительность их обработки. Если вы знаете, что тетрадки у вас находятся в левом ящике стола, дневник там же, учебники – на первой полке книжного шкафа, ручки и карандаши – в пенале, а пенал всегда лежит в правом отделении рюкзачка, вы утром быстро – за секунды – соберетесь в школу. А  вот  если  минут  пять  искать  нужную тетрадку,  потом  еще  минут  пять  дневник, потом…  ну,  ладно,  сегодня  не  буду  брать учебник…  пенал,  где  мой  пенал?!  —  нет времени, возьму ручку у соседа…

        А,  кстати,  куда  я  задевал  летние  фотографии?..  Эх,  надо  было  сразу  сделать  папку “Летний  поход-2011”…  Так  нет  же,  спешил, забросил  все  фотографии  в  папку  “Мои  документы”.  И  теперь  там  тысячи  картинок  с именами, похожими на IMG1234. Сиди часами — перебирай.

        Организовывать  данные  очень  важно!  Согласны?

Как  именно  следует  организовывать  данные? А  вот на этот вопрос мы не сможем дать однозначного ответа. В зависимости от вида самих данных, от  задач,  которые  придется  решать,  могут  быть удобны различные способы организации. Например,  структура  папок  на  вашем  компьютере образует иерархию. Иерархическая структура для  хранения  файлов  изначально  была  придумана программистами. Им просто было так удобно с технической  точки  зрения.  Это  были  времена,  когда обычные  пользователи  и  близко  не  подходили  к компьютерам  —  в  лучшем  случае  им  разрешалось потоптаться  у  дверей  с  табличкой  “Вычислительный  центр”.  В  дальнейшем  чисто  техническое  решение  приспособили  и  для  нужд  пользователей. Например,  у  вас  на  компьютере  имеются  папки “Мои документы” и “Мои рисунки”. А в папке “Мои рисунки”  хорошо  было  бы  сделать  папку  “Летний поход-2011”. Неужели так и сделали? Молодцы!

Удобно ли хранить файлы в иерархической структуре? Большинству из нас удобно — мы привыкли к ней и приспособились решать возникающие проблемы в ее рамках. А проблемы вполне могут быть. Допустим,  у  вас  уже  имеются  папки  для  фотографий  “Лето-2011”  и  “Походы”.  И  куда  положить  фотографии летнего похода?

Не  стоит  ломать  над  этим  голову!  Как  привыкли  —  так  и  делайте.  Но  важно  понимать,  что  любая  форма  организации  данных  имеет  некоторые ограничения,  которые  можно  воспринимать  и  как неудобства.  Кстати,  все  эти  неудобства/ограничения обычно можно устранить. Но зачастую лишь за счет усложнения формы организации данных.

Вы  ведь,  конечно,  понимаете,  что  наиболее  существенным  является  именно  сам  способ  организации  данных,  а  не  его  физическая  реализация? С  этой  точки  зрения  нарисованная  на  листе  бумаги файловая структура ничем не отличается от реальной  файловой  структуры  вашего  компьютера. Только вопрос “куда записать файл?” превратится в вопрос “куда вписать имя файла?”.

Таблицы всюду

С  представлением  информации  в  табличной  форме  мы  имеем  дело  постоянно.  В  начальной  школе, только изучая таблицу умножения, мы уже прекрасно умели пользоваться таблицей с расписанием уроков, и  таблицей-календарем,  и  таблицей  с  автобусным расписанием. Таблицы всюду! Прежде чем идти дальше, давайте-ка немного “разомнемся”.

•  Представьте  следующую  информацию в табличной форме.

Задание  1.  У  Васи  Иванова  день рождения  1  сентября,  живет  Вася  в Москве,  позвонить  ему  можно  по  телефону  8(495)123-45-67.  В  Екатеринбурге  живет  Маша  Петрова.  Ей  можно  позвонить по телефону 8(343)76-543-21. А 19 октября мы можем поздравить Машу с днем рождения. По телефону 8(846)109-87-65 можно позвонить Денису Сидорову. Судя по коду города в телефонном номере, он живет в Самаре. Когда у Дениса день рождения, мы, к сожалению, не знаем.

Задание 2.  1 сентября в 12:00 в кинотеатре шел фильм  “Олимпийский  мишка”.  В  зале  было  всего 10  человек.  В  тот  же  день  после  обеда  в  16:45  показывали  “Смешных  ребят”.  Народу  было  уже  побольше  — 55 человек. Вечернего сеанса 1 сентября не  было,  зато  он  был  на  следующий  день  в  19:00. Зал  был  полон  —  на  фильм  “Таблица”  пришло  205 человек.

Справились? Конечно, справились! Ничего сложного! Но все же давайте посмотрим, что у вас получилось.  Сравните  ваши  таблицы  и  то,  что  получилось у меня.

Укажем,  на  что  важно  обратить  внимание.  Во-первых,  мы  снабдили  каждый  столбец  таблицы  заголовком, в котором записали, какую именно информацию мы будем записывать в этот столбец. Далее мы “выуживали”  из  текста  —  в  данном  случае  это  было  не  сложно  — объекты, о которых идет речь. В первом примере речь шла о людях, во втором — о сеансах в кинотеатре. Информацию о каждом объекте мы записали в одной строке таблицы. Причем в каждой ячейке мы записывали информацию, соответствующую заголовку столбца.

Отметим сразу, что нередко одни и те же данные можно  организовать  посредством  различных  таблиц,  каждая  из  которых  будет  выглядеть  вполне разумно.  Например,  в  первой  таблице,  возможно, имеет смысл разместить коды городов в отдельном столбце.

Мы  с  вами  начинаем  заниматься  изучением  баз данных. В этой области информатики есть своя терминология, с которой мы познакомимся, но в минимально необходимом объеме. Сейчас как раз такой случай. Давайте  запомним,  что  строки  таблицы  принято  называть записями, а столбцы — полями. Отметим, что последний термин часто используют для обозначения различных объектов. Это не ведет к непониманию, но все же необходимо прояснить этот вопрос.

Мы сказали, что полем называют столбец таблицы. Фактически речь идет и о названии столбца, и обо всем столбце целиком, и о каждой конкретной ячейке — тогда говорят о поле конкретной записи. Если имеется риск неточного понимания, то предпочитают употреблять точные термины: “название поля”  —  о  заголовке,  “поле  записи”  —  о  ячейке. Если из контекста понятно, о чем идет речь, можно просто употреблять слово “поле”.

Мы  начали  с  обсуждения  вопроса  о  том,  что  способ  организации  данных  крайне  важен  для  их  эффективной обработки. Поскольку сейчас мы говорим о  таблицах,  вы  наверняка  уже  сделали  вывод  (правильный!), что мы будем рассматривать именно табличную  организацию  данных.  Конкретнее   —  базы данных, в которых данные организованы в таблицы. В  настоящее  время  именно  табличные  базы  данных наиболее  распространены.  О  самом  термине  “база данных” мы поговорим далее в этом параграфе.

Но это же не всегда может быть удобно, скажете вы. Согласимся — не всегда. Но опять же вспомним то, о чем мы уже говорили, — всякая форма организации данных имеет свои преимущества (удобства) и недостатки (неудобства). Таблицы — достаточно удобная и универсальная форма организации данных.  С  помощью  таблиц  можно  представить  данные  даже  очень  сложной  структуры.  Правда,  иногда придется хорошенько подумать — как именно.

Но это ведь и интересно!

Не все то таблица…

Всякую  ли  таблицу,  нарисованную  от  руки  на  листе  бумаги  или  даже  расчерченную  в  текстовом  редакторе,  можно  использовать  для  хранения  информации  в  базе  данных?  Увы  —  нет.  Имеется  немало требований  к  таблицам  баз  данных.  Большую  часть этих требований мы рассмотрим на следующих уроках  (эти  материалы  не  вошли  в журнальную  статью),  а  самые основные — прямо сейчас.

Итак.  Во-первых, все записи должны состоять из одного  и  того  же  набора  полей. Порядок  следования  полей тоже, разумеется, должен быть единым.  (Чувствуете,  как  мы сразу  перешли  на  использование  терминологии  —  записи, поля. Привыкайте!)

Может  ли  так  случиться,  что у  какой-то  записи  нет  того  или иного  поля?  

Ответ:  нет,  не  может! Другое дело, что мы можем не знать значение в этом поле, и его придется оставить пустым. Но просто “выбросить” поле нельзя. В текстовом редакторе, например, можно также “объединить ячейки” в таблице, но такие таблицы не годятся в качестве таблиц баз данных.

Во  всех  записях  в  одном  и  том  же  поле  должны находиться данные одного и того же вида. Вы ведь уже  изучали  основы  программирования?  Тогда скажем точнее: во всех записях в одном и том же поле  должны  находиться  данные  одного  и  того же  типа.  Конкретный  набор  допустимых  типов данных  обычно  определяется  используемой  системой  —  где-то  больше,  где-то  меньше.  Основные типы — числа и строки символов имеются в любой системе.  Практически  в  любой  системе  имеются также  специальные  типы  для  хранения  значений даты и времени.

Поясним  это  требование  примером  того,  как нельзя.  Допустим,  мы  храним  в  поле  “Оценка”… оценку, что же еще в нем хранить? Если мы храним оценки в виде чисел, то всюду и надо использовать именно числа.

Если бы мы (хотя это жутко неудобно!) решили хранить  оценки  в  виде  слов  (строк),  то  ошибочными  были  бы,  напротив,  данные  в  первых  двух строках.

К  последнему  требованию  примыкает  еще одно  — в  каждом  поле  может  быть  записано  не более  одного  данного.  В  частности,  две  следующие таблицы с этой точки зрения являются неправильными.

•  “Почините” несколько таблиц. Способ ремонта в  каждом  случае  выбирайте  сами  —  может  быть, придется заводить новые поля.

Проверим  на  всякий  случай,  что  получилось  у вас?  Это  интересно,  поскольку  решения не являются однозначными!

При  починке  первой  таблицы  понятно,  что  “Не знаю”  надо  просто  убрать.  А  вот  с  телефонами  не все  так  просто.  Можно  предложить  два  варианта. Первый — очевидный.

Второй вариант починки первой таблицы менее очевидный.  Но  многие  специалисты  сделали  бы именно так.

Результат ремонта второй таблицы выглядит однозначно.

Бд и СУБд

Вы  наверняка  уже  поняли  —  хотя  бы  прочитав название  этого  параграфа,  что  за  аббревиатурами “БД” и “СУБД” скрываются термины  база данных и система управления базами данных . А вообще  — различаются ли эти понятия? Ведь их так часто путают! Ответ: различаются.

Давайте  договоримся,  что  мы  будем  понимать под  указанными  понятиями.  Базой  данных  мы  будем  называть  организованную  совокупность  цифровых  данных.  В  этом  параграфе  мы  обсуждали организацию  данных  в  виде  таблиц.  Сами  данные также,  разумеется,  включаются  в  базу  данных,  но наиболее  важным  является  именно  сам  способ  их организации.  Нередко  используют  термин  структура,  под  которым  понимают  именно  способ  организации  данных  в  чистом  виде.  Когда  говорят о  структуре  таблицы,  то  говорят,  например,  о  названиях и типах полей, а сами записи при этом не интересуют  —  их  может  быть  много,  мало  или  не быть вообще.  Для удобства и компактной записи структуру таблицы нередко представляют в виде перечня полей.  

В  частности,  структуру  последней  рассмотренной выше починенной таблицы можно записать так:

С  системой  управления базами данных мы пока не работали, с  ней  мы  познакомимся  далее.  СУБД  —  компьютерная  программа, предназначенная для того, чтобы базу данных можно  было  хранить  и  обрабатывать  в  компьютерном виде.

Одну  и  ту  же  базу данных  можно  представить  в  компьютерном  виде  при помощи  различных СУБД. Можно даже использовать  обычный текстовый  документ c  таблицами.  Только в  таком  случае  данные будет не слишком удобно обрабатывать. А именно удобство и скорость обработки данных — важные функции СУБД.

Информационные истемы (ИС)

Термин  “информационные  системы” широко  распространен.  Так  часто  называют  разнообразные комплексы программных, аппаратных и иных (например,  организационных)  средств,  обеспечивающих обработку данных. Как соотносятся между собой базы данных (БД), системы управления базами данных (СУБД) и информационные системы (ИС)?

В  достаточно  упрощенном  виде  схему  их  взаимодействия можно представлять следующим образом:

Для  компьютерной  реализации  базы  данных требуется  система  управления  базами  данных. И именно с этой системой взаимодействует информационная  система,  которой  требуется  использовать ресурсы базы данных.

Мы  назвали  схему  достаточно  упрощенной  по причине того, что одна СУБД может управлять множеством  баз  данных  и  одна  информационная  система  тоже  может  использовать  ресурсы  нескольких  баз  данных.  Например,  информационная  система по продаже авиабилетов может использовать множество  баз  данных  авиакомпаний,  каждая  из которых  может  обслуживаться  собственной  СУБД.

Но на принципиальном уровне эта схема отражает суть взаимодействия. Приведем более точную схему, отражающую отношения между понятиями ИС, СУБД и БД. В этой схеме  учтены  указанные  выше  обстоятельства  — ИИС  может  использовать  ресурсы  различных  БД, каждая из которых может обслуживаться собственной СУБД.

Обобщение новых знаний

Организация  данных  существенно  влияет  на производительность их обработки. И эффект этот проявляется  тем  сильнее,  чем  больше  объемы данных. Мы будем заниматься знакомством с технологиями хранения и обработки больших объемов  данных  при  помощи  табличных  баз  данных.

Строки  таблиц  называют  записями,  столбцы  — полями. Не всякая таблица, которую можно нарисовать на бумаге, может быть таблицей базы данных.  В  частности,  необходимо,  чтобы  все  записи состояли из одного и того же набора полей, чтобы в одном и том же поле в различных записях находились данные одного и того же типа, а в каждом поле было записано только одно данное. Системы управления  базами  данных  представляют  собой компьютерные  программы  для  работы  с  базами данных.

Применение знаний

•  Представьте  следующую  информацию  в  табличной форме. Позаботьтесь о том, чтобы таблица была  правильной  в  рассмотренном  выше  смысле. Постарайтесь  предложить  несколько  вариантов табличного представления данных.

1  сентября  Вася  сходил  на  фильм  “Новый  учебный год”. Причем фильм так понравился Васе, что, посмотрев  сеанс  в  16:00,  он  сразу  же  пошел  на фильм  еще  раз.  Следующий  сеанс  был  в  18:00.  На следующий день Миша по рекомендации Васи тоже захотел посмотреть “Новый учебный год”. Но билетов на сеанс 16:00 уже не оказалось. Миша сразу купил себе билеты на сеанс в 18:00, а чтобы не терять времени даром, в 16:00 посмотрел фильм “Таблица возвращается”.  Оба  фильма  Мише  понравились. 4 сентября Вася по рекомендации Миши посмотрел фильм “Таблица возвращается”. Билеты были только на сеанс 20:00. Может быть, оттого, что было уже поздновато,  но  фильм  Васе  совсем  не  понравился. 7  сентября  товарищи  пригласили  одноклассницу Машу  и  втроем  сходили  на  фильм  “Абак”.  Маше очень понравился фильм, а Васе с Мишей — нет.

Литература:

Журнал «Информатика» январь 2012, автор С.Л. Островский