Базы данных как модель предметной области.

Группа Т(О), ТГ(О), С(О)–24-02, 2025 год

Занятие по рабочей программе №8

Дисциплина: ОД.08 «Информатика»

Раздел 3. Информационное моделирование.

Тема: Базы данных как модель предметной области.

1. Цель занятия:

   1. Дидактическая:

• сформулировать представление студентов о Структурированных типах данных;

• выяснить различные подходы к этапам проектирования баз данных;

• определение Системы управления базами данных;

• систематизировать и объяснить сущность работы с массивами данных;

• углубить и закрепить знания по дисциплине «Информатика».

Воспитательная:

• развивать коммуникативные способности;

• развивать аналитические способности;

• развивать творческий подход к процессу обучения.

• воспитывать самостоятельность, дисциплинированность;

• стимулировать студентов к изучению дисциплины;

• побуждать к формированию активной жизненной позиции;

• прививать уважение и любовь к будущей профессии.

Вид занятия: лекция.

Тип занятия: обобщение и систематизация знаний.

Форма проведения занятия: репродуктивная и эвристическая беседа.

Междисциплинарные связи:

Обеспечивающие Математика, Охрана труда, Безопасность жизнедеятельности.

Обеспечиваемые

Информационные технологии в профессиональной деятельности, и др.

Методическое обеспечение: опорный конспект.

Литература:

1. Информатика. 10 класс : учебник для общеобразоват. организаций: базовый и углубленный уровни / [А.Г.Гейн , А.Б Ливчак, А.И. Сенокосов, Н.А. Юнерман]. – 4-е изд. – М. : Просвещение, 2018. – 272 с. : ил. – ISBN 978-5-09-058130-1

2. Зимин, В. П.  Информатика. Лабораторный практикум в 2 ч. Часть 1 : учебное пособие для среднего профессионального образования / В. П. Зимин. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2023. — 126 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-11851-3. — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/514893

ХОД ЗАНЯТИЯ

1. Ознакомление с темой, целью и планом занятия.

Тема: Базы данных как модель предметной области.

ПЛАН

1. Информационные системы и базы данных.

2. База данных.

3. Системы управления базами данных.

4. Архитектура баз данных.

5. Классификация моделей данных.

6. Жизненный цикл БД.

7. Проектирование базы данных.

1. Изложение и изучение нового материала.

ЛИТЕРАТУРА: [2], стр.

1. Информационные системы и базы данных

Современный человек в своей практической деятельности всё чаще и чаще использует различные информационные системы, обеспечивающие хранение, поиск и выдачу информации по его запросам. Примерами информационных систем являются:

• справочная адресная служба большого города;

• транспортная информационная система, обеспечивающая не только возможность получения справочной информации о расписании поездов и самолётов, но и покупку железнодорожных и авиабилетов;

• информационно-поисковая система, содержащая информацию правового характера.

Центральной частью любой информационной системы является база данных.

2. База данных

База данных (БД) — совокупность данных, организованных по определённым правилам, отражающая состояние объектов и их отношений в некоторой предметной области (транспорт, медицина, образование, право и т. д.), предназначенная для хранения во внешней памяти компьютера и постоянного применения.

Базу данных можно рассматривать как информационную модель предметной области.

Основными моделями организации данных в базах данных являются иерархическая, сетевая и реляционная (рис. 1).

Рис. 1. Модели организации данных в БД:

а — иерархическая, б — сетевая, в — реляционная

Иерархическая модель организации данных обеспечивает упорядоченность объектов по уровням. Между объектами существуют связи: каждый объект может быть связан с объектами более низкого уровня. Говорят, что такие объекты находятся в отношении предка к потомку. Иерархическая модель организации данных реализована в системе папок операционной системы Windows. Поиск какого-либо объекта в такой базе данных может оказаться довольно трудоёмким из-за необходимости последовательно проходить несколько предшествующих иерархических уровней.

Сетевая модель организации данных не накладывает никаких ограничений на связи между объектами: в ней могут быть объекты, имеющие более одного предка. Такая модель организации данных реализована во Всемирной паутине глобальной компьютерной сети Интернет.

Наибольшее распространение получили реляционные базы данных. Их мы рассмотрим более подробно.

Реляционные базы данных

В реляционной базе данных (РБД) используется реляционная модель данных, основанная на представлении данных в виде таблиц.

Реляционная БД может состоять из одной или нескольких взаимосвязанных прямоугольных таблиц.

Строка таблицы РБД называется записью, столбец — полем (рис. 2).

Рис. 2. Структура таблицы реляционной БД

Запись содержит информацию об одном объекте, описываемом в базе данных:

• об одном товаре, продаваемом в магазине;

• об одной книге, имеющейся в библиотеке;

• об одном сотруднике, работающем на предприятии, и т. п.

Поле содержит информацию о значениях только одной из характеристик (атрибутов, свойств) объекта:

• названия товара;

• стоимости товара;

• количества имеющихся в наличии товаров;

• названия книги;

• автора книги;

• года издания;

• фамилии, имени, отчества сотрудника;

• даты рождения; специальности и т. п.

Значения полей в одном столбце относятся к одной характеристике объекта.

Поле базы данных имеет имя, тип и длину.

Все имена полей таблицы должны быть разными.

Тип поля определяется типом данных, которые поле содержит.

Основные типы полей:

• числовой - для полей, содержащих числовую информацию;

• текстовый - для полей, содержащих всевозможные последовательности символов;

• логический - для полей, данные в которых могут принимать всего два значения: ДА (ИСТИНА, TRUE, 1) и НЕТ (ЛОЖЬ, FALSE, 0);

• дата - для полей, содержащих календарные даты (в нашей стране принято писать день, а потом месяц и год).

 Длина поля — это максимальное количество символов, которые могут содержаться в поле.

Для записи структуры таблицы можно применять следующую форму:

ИМЯ ТАБЛИЦЫ (ИМЯ ПОЛЯ 1, ИМЯ ПОЛЯ 2, ...)

Например, описать однотабличную базу данных «Календарь погоды» можно так:

КАЛЕНДАРЬ ПОГОДЫ (ДЕНЬ, ТЕМПЕРАТУРА, ВЛАЖНОСТЬ, ДАВЛЕНИЕ, НАПРАВЛЕНИЕ ВЕТРА, СКОРОСТЬ ВЕТРА)

Здесь поле ДЕНЬ будет иметь тип «дата», поля ТЕМПЕРАТУРА, ВЛАЖНОСТЬ, ДАВЛЕНИЕ, СКОРОСТЬ ВЕТРА — числовой тип; поле НАПРАВЛЕНИЕ ВЕТРА — текстовый тип.

В таблице не должно быть совпадающих записей. Иначе говоря, должны быть поле или совокупность полей, значения которых для всех записей разные.

Например, значения поля ДЕНЬ базы данных «Календарь погоды» всегда будут разными в разных записях.

В базе данных УЧЕНИК (ФАМИЛИЯ, ИМЯ, ОТЧЕСТВО, ДАТА РОЖДЕНИЯ, СЕРИЯ СВИДЕТЕЛЬСТВА О РОЖДЕНИИ, НОМЕР СВИДЕТЕЛЬСТВА О РОЖДЕНИИ, КЛАСС) наверняка не будут совпадать только значения совокупности таких полей, как СЕРИЯ СВИДЕТЕЛЬСТВА О РОЖДЕНИИ и НОМЕР СВИДЕТЕЛЬСТВА О РОЖДЕНИИ.

Поле или совокупность полей, значения которых в записях не повторяются (являются уникальными), называют ключом таблицы базы данных.

3. Системы управления базами данных

В настоящее время большинство предприятий и организаций в той или иной мере используют в своей деятельности различные информационные системы (ИС). ИС могут быть связаны с различными областями деятельности предприятия, будь то бухгалтерия, управление персоналом или конкретный производственный процесс. В любом случае ИС имеют дело с огромными массивами информации, которые необходимо хранить, обновлять, корректировать, а также производить различные вычисления. Информация имеет достаточно сложную структуру и хранится в базах данных (БД). От эффективности управления БД непосредственно зависит эффективность работы ИС, а, следовательно, и самого предприятия, которое использует данную систему. Эффективность работы БД в большой степени зависит от грамотного проекта базы данных.

Система управления базами данных (СУБД) — совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, ведения и совместного использования БД многими пользователями.

Преимущества использования БД:

• компактность - информация хранится в БД, нет необходимости хранить многотомные бумажные картотеки;

• скорость - скорость обработки информации (поиск, внесение изменений) компьютером намного выше ручной обработки;

• низкие трудозатраты - нет необходимости в утомительной ручной работе над данными;

• применимость - всегда доступна свежая информация.

Дополнительные преимущества появляются при использовании БД в многопользовательской среде, поскольку становится возможным осуществлять централизованное управление данными.

4. Архитектура баз данных

В процессе научных исследований, посвященных тому, как именно должна быть устроена СУБД, предлагались различные способы реализации. Самым жизнеспособным из них оказалась предложенная американским комитетом по стандартизации ANSI (American National Standards Institute) трехуровневая система организации БД, изображенная на Рис. 3:

Рис. 3. Трехуровневая модель системы управления базой данных

1. Уровень внешних моделей – самый верхний уровень, где каждая модель имеет свое «видение» данных. Этот уровень определяет точку зрения на БД отдельных приложений. Каждое приложение видит и обрабатывает только те данные, которые необходимы именно этому приложению. Например, система распределения работ использует сведения о квалификации сотрудника, но ее не интересуют сведения об окладе, домашнем адресе и телефоне сотрудника, и наоборот, именно эти сведения используются в подсистеме отдела кадров.

2. Концептуальный уровень – центральное управляющее звено, здесь база данных представлена в наиболее общем виде, который объединяет данные, используемые всеми приложениями, работающими с данной базой данных. Фактически концептуальный уровень отражает обобщенную модель предметной области (объектов реального мира), для которой создавалась база данных. Как любая модель, концептуальная модель отражает только существенные, с точки зрения обработки, особенности объектов реального мира.

3. Физический уровень – собственно данные, расположенные в файлах или в страничных структурах, расположенных на внешних носителях информации. Эта архитектура позволяет обеспечить логическую (между уровнями 1 и 2) и физическую (между уровнями 2 и 3) независимость при работе с данными.

Логическая независимость предполагает возможность изменения одного приложения без корректировки других приложений, работающих с этой же базой данных.

Физическая независимость предполагает возможность переноса хранимой информации с одних носителей на другие при сохранении работоспособности всех приложений, работающих с данной базой данных.

Выделение концептуального уровня позволило разработать аппарат централизованного управления базой данных.

4.1. Процесс прохождения пользовательского запроса.

Рис. 4 иллюстрирует взаимодействие пользователя, СУБД и операционной системы (ОС) при обработке запроса на получение данных. Цифрами помечена последовательность взаимодействий:

Рис. 4. Схема прохождения запроса к БД

1. Пользователь посылает СУБД запрос на получение данных из БД.

2. Анализ прав пользователя и внешней модели данных, соответствующей данному пользователю, подтверждает или запрещает доступ данного пользователя к запрошенным данным.

3. В случае запрета на доступ к данным СУБД сообщает пользователю об этом (стрелка 12) и прекращает дальнейший процесс обработки данных, в противном случае СУБД определяет часть концептуальной модели, которая затрагивается запросом пользователя (стрелка 4) .

4. СУБД получает информацию о запрошенной части концептуальной модели. СУБД запрашивает информацию о местоположении данных на физическом уровне (файлы или физические адреса).

5. В СУБД возвращается информация о местоположении данных в терминах операционной системы.

6. СУБД просит операционную систему предоставить необходимые данные, используя средства операционной системы.

7. Операционная система осуществляет перекачку информации из устройств хранения и пересылает ее в системный буфер.

8. Операционная система оповещает СУБД об окончании пересылки.

9. СУБД выбирает из доставленной информации, находящейся в системном буфере, только то, что нужно пользователю, и пересылает эти данные в рабочую область пользователя.

Одними из основополагающих в концепции баз данных являются следующие обобщенные категории:

Предметная область - это часть реального мира, данные о которой отображаются в базе данных. Например, в качестве предметной области можно выбрать бухгалтерию какого-либо предприятия, отдел кадров, банк, аптеку и т.д. Предметная область бесконечна и содержит как существенно важные понятия и данные, так и малозначащие или вообще не значащие данные. Так, если в качестве предметной области выбрать учет товаров на складе, то понятия "накладная" и "счет-фактура" являются существенно важными понятиями, а то, что сотрудница, принимающая накладные, имеет двоих детей - это для учета товаров неважно. Однако, с точки зрения отдела кадров данные о наличии детей являются существенно важными. Таким образом, важность данных зависит от выбора предметной области.

Модель предметной области - это наши знания о предметной области. Знания могут быть как в виде неформальных знаний в мозгу эксперта, так, и выражены формально при помощи каких-либо средств. В качестве таких средств могут выступать текстовые описания предметной области, наборы должностных инструкций, правила ведения дел в компании и т.п. Опыт показывает, что текстовый способ представления модели предметной области крайне неэффективен. Гораздо более информативными и полезными при разработке баз данных являются описания предметной области, выполненные при помощи специализированных графических нотаций. Модель предметной области описывает скорее процессы, происходящие в предметной области и данные, используемые этими процессами. От того, насколько правильно смоделирована предметная область, зависит успех дальнейшей разработки приложений.

Данные, в концепции баз данных, – это набор конкретных значений, параметров, характеризующих объект, условие, ситуацию или любые другие факторы. Примеры данных: Петров Николай Степанович, $30 и т. д. Данные не обладают определенной структурой, данные становятся информацией тогда, когда пользователь задает им определенную структуру, то есть осознает их смысловое содержание. Поэтому центральным понятием в области баз данных является понятие модели.

Модель данных — это некоторая абстракция, которая, будучи приложима к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязь между ними.

5. Классификация моделей данных

Модели концептуального уровня должны выражать информацию о предметной области в виде, независимом от используемой СУБД. Эти модели называются инфологическими, или семантическими, и отражают в естественной и удобной для разработчиков и других пользователей форме информационно-логический уровень абстрагирования, связанный с ф иксацией и описанием объектов предметной области, их свойств и их взаимосвязей (Рис. 5).

Рис. 5. Классификация моделей данных

И нфологические модели используются на ранних стадиях проектирования для описания структур данных в процессе разработки приложения.

Даталогические модели поддерживаются конкретной СУБД и соответствуют представлению информации в виде определенных структур данных (дерево, сеть, таблица).

Физические модели используют различные методы размещения данных, основанные на файловых структурах. Кроме того, современные СУБД широко используют страничную организацию данных. Физические модели данных, основанные на страничной организации, являются наиболее перспективными.

6. Жизненный цикл БД

Под жизненным циклом базы данных понимаются этапы развития БД, начиная от анализа предметной области, и заканчивая эксплуатацией БД.

Этапы жизненного цикла базы данных изображены на Рис. 6.

Рис. 6. Этапы жизненного цикла базы данных

7. Проектирование базы данных

Процесс проектирования БД представляет собой последовательность переходов от неформального словесного описания информационной структуры предметной области к формализованному описанию объектов предметной области в терминах некоторой модели.

В общем случае, можно выделить следующие этапы проектирования (Рис. 7):

1. Системный анализ и словесное описание информационных объектов предметной области.

2. Проектирование инфологической модели предметной области – частично формализованное описание объектов предметной области в терминах некоторой семантической модели.

3. Даталогическое или логическое проектирование БД, то есть описание БД в терминах принятой даталогической модели данных.

4. Физическое проектирование БД, то есть выбор эффективного размещения БД на внешних носителях для обеспечения наиболее эффективной работы приложения.

Рис. 5. Этапы проектирования БД

Кон­троль­ные во­про­сы

1. Основные этапы эволюции систем обработки данных.

2. Основные отличия в концепциях обработки данных разных этапов.

3. Охарактеризуйте основные классы СУБД.

4. Сходство и отличие процессов обработки данных средствами файловой системы и СУБД.

5. Каковы основные тенденции развития СУБД в настоящее время?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Изучить материал занятия, познакомиться с презентацией «База данных как модель».

2. Составить конспект лекции.

3. Ответить письменно на контрольные вопросы.

Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы.

Основные источники:

1. Информатика. 10 класс : учебник для общеобразоват. организаций: базовый и углубленный уровни / [А.Г.Гейн , А.Б Ливчак, А.И. Сенокосов, Н.А. Юнерман]. – 4-е изд. – М. : Просвещение, 2018. – 272 с. : ил. – ISBN 978-5-09-058130-1

2. Информатика. 11 класс : учебник для общеобразоват. организаций: базовый и углубленный уровни / [А.Г.Гейн, А.И. Сенокосов]. – 6-е изд. – М. : Просвещение, 2019. – 336 с. : ил. – ISBN 978-5-09-072326-8.

Электронные источники:

1. Зимин, В. П.  Информатика. Лабораторный практикум в 2 ч. Часть 1 : учебное пособие для среднего профессионального образования / В. П. Зимин. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2023. — 126 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-11851-3. — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/514893

2. Зимин, В. П.  Информатика. Лабораторный практикум в 2 ч. Часть 2 : учебное пособие для среднего профессионального образования / В. П. Зимин. — 2-е изд. — Москва : Издательство Юрайт, 2023. — 153 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-11854-4. — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/514918

3. Мойзес, О. Е. Информатика. Углубленный курс : учебное пособие для среднего профессионального образования / О. Е. Мойзес, Е. А. Кузьменко. — Москва: Издательство Юрайт, 2020. — 164 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-07980-7. — Текст : электронный // ЭБС Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/455803 .

4. Советов, Б. Я. Информационные технологии : учебник для среднего профессионального образования / Б. Я. Советов, В. В. Цехановский. — 7-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2020. — 327 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-06399-8. — Текст: электронный // ЭБС Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/450686 .

5. Новожилов, О. П. Информатика в 2 ч. Часть 1 : учебник для среднего профессионального образования / О. П. Новожилов. — 3-е изд., перераб. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2020. — 320 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-06372-1. — Текст : электронный // ЭБС Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/448995 .

6. Новожилов, О. П. Информатика в 2 ч. Часть 2 : учебник для среднего профессионального образования / О. П. Новожилов. — 3-е изд., перераб. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2020. — 302 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-06374-5. — Текст : электронный // ЭБС Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/448996

7. Гаврилов, М. В. Информатика и информационные технологии : учебник для среднего профессионального образования / М. В. Гаврилов, В. А. Климов. — 4-е изд., перераб. и доп. — Москва: Издательство Юрайт, 2020. — 383 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-03051-8. — Текст: электронный // ЭБС Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/449286

Дополнительные источники:

1. Филимонова, Е. В. Информатика и информационные технологии в профессиональной деятельности: учебник / Е. В. Филимонова. – Москва: Юстиция, 2019. – 213 с. – (Среднее профессиональное образование). - ISBN 978-5-4365-2703-1.

2. Цветкова М.С., Информатика. Практикум для профессий и специальностей естественно-научного и гуманитарного профилей: : учеб. пособие для студентов учреждений сред. проф. образования / М.С. Цветкова, И.Ю. Хлобыстова. - 5-е изд., стер. - М. : Издательский центр "Академия", 2019. - 240 с. ISBN 978-5-4468-7901-4

Электронные источники:

1. Гаврилов, М. В.  Информатика и информационные технологии : учебник для среднего профессионального образования / М. В. Гаврилов, В. А. Климов. — 4-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2021. — 383 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-03051-8. — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/469424

2. Акопов, А. С.  Компьютерное моделирование : учебник и практикум для среднего профессионального образования / А. С. Акопов. — Москва : Издательство Юрайт, 2023. — 389 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-10712-8. — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/517999

3. Демин, А. Ю.  Информатика. Лабораторный практикум : учебное пособие для среднего профессионального образования / А. Ю. Демин, В. А. Дорофеев. — Москва : Издательство Юрайт, 2023. — 133 с. — (Профессиональное образование). — ISBN 978-5-534-07984-5. — Текст : электронный // Образовательная платформа Юрайт [сайт]. — URL: https://urait.ru/bcode/516857

Преподаватель: Владимир Александрович Волков