Ознайомлення з поняттям баз даних

Теорія баз даних – важливий розділ сучасної інформатики, їх широке використання в різних галузях людської діяльності робить актуальною підготовку користувачів баз даних.

Розвиток науки і виробництва обумовив різке зростання кількості різноманітних повідомлень, у зв’язку з чим питання про їх збереження та опрацювання постали досить гостро. Це слугувало появі програм, призначених для опрацювання великих масивів даних. За допомогою таких програм створюються інформаційні системи, метою яких є опра­цювання даних про різноманітні об’єкти та явища реального світу та надання людині потрібної інформації про них. Можна виділити об’єк­ти, які мають однакові властивості, що дає можливість об’єднувати їх в окремі групи. В кожній групі об’єкти можна впорядковувати за загаль­ними правилами класифікації, наприклад за алфавітом, за деякими конкретними загальними ознаками: за формою, мовою опису, галуззю знань тощо. Групування об’єктів за певними ознаками значно полегшує пошук та відбір потрібної інформації.

Тому мета вивчення баз даних, як сукупності засобів для зберігання структурованої інформації, полягає в узагальнені та систематизації цих уявлень, формуванні відповідних теоретичних знань, з’ясуванні загаль­них принципів опрацювання структурованої інформації та оволодіння навичками опрацювання баз даних за допомогою конкретної системи управління базами даних.

При цьому розділ предметної галузі, що вивчається, і дані з якої збе­рігаються в базі даних, повинен бути відомим і зрозумілим учням, і його вивчення не повинне вимагати залучення додаткових теоретичних відомостей з інших предметних галузей. Але разом з тим вивчення відповідного матеріалу дозволяє здійснювати міжпредметні зв’язки на уроках інформатики, актуалізуючи знання учнів з географії, біології, хімії, історії тощо.

Аналізуючи різні аспекти діяльності користувача при роботі з базою даних, легко встановити, що всі вони пов’язані з розв’язуванням інфор­маційних завдань трьох основних типів:

· одержування інформації на основі даних, які вже зберігаються в базі;

· створення нової бази даних і підтримка одержаної моделі пред­метної галузі в певному стані;

· оновлення раніше створеної бази даних (тобто додавання нових і видалення застарілих даних).

Саме такі завдання доцільно вибирати за навчальні і використову­вати в навчальному процесі.

Поряд з традиційними задачами щодо опрацювання інформації: по­шук, додавання, вилучення, зміна даних – учні можуть розв’язувати задачі подання даних у табличній формі, з елементами статистичного опрацювання. Це дозволить застосовувати, з одного боку, знання із ку­рсу математики, географії, економіки та інших предметів при розв’язу­ванні конкретних прикладних задач, з іншого – одержати досить чіткі уявлення про переваги використання комп’ютерів і телекомунікаційних мереж під час опрацювання великих масивів інформації.

Вивчення середовища баз даних можна поділити на дві частини: спочатку слід навчити учнів працювати з готовою базою даних для розу­міння основних понять, властивостей об’єктів та операцій над ними. Далі можна приступати до вивчення можливостей використання кон­кретної системи управління базами даних (СУБД) та створення власних баз даних (БД). Після вивчення теми можна запропонувати творчу або проектну роботу на проектування баз даних, що є достатньо складним завданням, але разом з тим і творчим, і саме тому цікавим для біль­шості учнів.

Під час вивчення баз даних передбачається проведення практичних та лабораторних робіт:

– під час практичної роботи учні під керівниц­твом учителя набувають умінь опрацювання баз даних за допомогою комп’ютера;

– лабораторна робота передбачає самостійну роботу учнів в комп’ютерному класі для закріплення набутих вмінь і навичок.

Однак перш ніж розв’язувати практичні задачі, учні повинні з’ясу­вати та засвоїти теоретичні питання, пов’язані з базами даних.

Поняття баз даних учням відоме інтуїтивно. Вони можуть пояснити зміст слова «база», як місце збереження певних речей. Наприклад ово­чів, меблів, книжок. Учні також розуміють, що речі зберігаються в базах у певному порядку, який дозволяє швидко знаходити потрібні. Крім того, на уроках математики та фізики учні вже працювали з табличним поданням інформації, до того ж вони знають технології опрацювання електронних таблиць, однією з функцій яких є підтримка баз даних. Для визначення суттєвих ознак баз даних та наступного формулювання відповідного означення можна організувати евристичну бесіду та запро­понувати учням дати відповіді на запитання:

1. Чи прийнято в одному і тому ж сховищі зберігати різні предмети, наприклад, книжки, продукти, запчастини для автомашин, одяг тощо?

2. Чи існують деякі правила зберігання речей в спеціальних схови­щах? Для чого потрібні такі правила?

(Зрозуміло, що правила створюються не лише для того, щоб пред­мети в сховищах в разі необхідності можна було швидко знаходити, а й для того, щоб виконувати з ними деякі операції.)

Аналогічно для зберігання інформаційної бази даних повинно існу­вати спеціальне «місце» та відповідні правила роботи з нею, які можуть відрізнятися за формою в різних системах, але основні принципи ство­рення таких правил та їх використання залишаються однаковими.

Після визначення суттєвих ознак бази даних доцільно сформулювати її означення, як сукупності повідомлень (даних), поданих у вигляді впо­рядкованого набору елементів однакової структури та спеціальним чином організованих за певними правилами, що передбачають загальні принципи опису, зберігання і опрацювання даних.

Можна навести найпростішу базу даних, з якою працює інформацій­на система. Прикладом такого інформаційного сховища може бути файл, як структурна одиниця збереження інформації. У програмуванні файл означає цілісний поіменований набір повідомлень – записів. Такий набір може містити і один єдиний елемент або навіть бути порожнім. Усі записи в файлі містять деякі дані. Файли призначені для зберігання даних обмеженого обсягу, що використовуються безпосередньо в деякій комп’ютерній програмі. При пересиланні і опрацюванні файл розгляда­ється як єдине ціле.

Далі слід провести етап мотивації та на конкретних прикладах продемонструвати практичну значущість СУБД. Основна мета такої демонстрації: роз’яснити учням, що при великому обсязі інформації її доцільно структурувати за певними правилами та опрацьовувати за допомогою комп’ютера. Для ефективної роботи з великими базами даних користувачеві потрібні спеціальні програмні засоби для підтрим­ки діяльності, пов’язаної з використанням баз даних.

Доцільно провести з учнями бесіду про галузі використання баз даних та надати їм можливість навести приклади конкретних баз даних: інформаційна система продажу і резервування авіа- та залізничних квитків; база даних, що замінює паперовий бібліотечний каталог; елек­тронні енциклопедії з відомостями, наприклад про медичні поради і рецепти для лікування різноманітних захворювань, музичні твори та інструменти, шедеври Ермітажу або кулінарні рецепти, хімічні еле­менти, співробітників деякої установи; бази даних, що містять номери телефонів та адреси мешканців міста, бази даних з інформацією про власників автомобілів; бази даних товарів, що продаються у великому магазині тощо. Деякі з таких реальних баз даних доцільно продемон­струвати в дії.

Корисними для подальшого пояснення можуть бути основні особли­вості використання баз даних:

• набір даних в базі даних створюється і зберігається як єдине ціле при розв’язуванні сукупності задач деякої предметної галузі;

• кожна прикладна програма, що звертається до СУБД для розв’язу­вання задачі, вибирає із предметної бази даних дані, які потрібні для її розв’язування;

• при розв’язуванні задач за допомогою прикладних програм, що звертаються до баз даних, відсутня залежність прикладних про­грам від даних, тобто зміна даних не викликає необхідності вне­сення змін до прикладних програм.

Моделі подання даних

До основних теоретичних знань з баз даних слід віднести знання типів та моделей подання даних. Учитель повинен пояснити учням, що розрізняють фактографічні і документальні бази даних.

У фактогра­фічних базах даних містяться короткі відомості про об’єкти, що опи­суються, подані в точно визначеному форматі. Наприклад, бази даних книжкового фонду бібліотеки, кадрового складу установи, наявності авіаквитків в касі швидше за все будуть організовані як фактографічні. У базі даних бібліотеки про кожну книжку зберігаються бібліографічні відомості: рік видання, автор, назва, видавництво тощо. Зрозуміло, текст книжки в базі даних міститися не буде. У базі даних відділу кадрів установи зберігаються анкетні дані співробітників: прізвище, ім’я, по батькові, рік і місце народження тощо.

Бази даних стосовно законодавчих актів в галузі карного права, сучас­ної музики напевно будуть організовані як документальні. Перша з них буде містити тексти законів; друга – тексти і ноти пісень, біографічну і довідкову інформацію про життя і творчість композиторів, поетів, ви­конавців, звукові записи і відеокліпи. Отже, документальна БД містить інформацію різного типу: текстову, графічну, звукову, мультимедійну.

Характер зв’язків між елементами бази даних визначає тип органі­зації даних (модель подання даних) – структуру даних. Розрізняють ієрархічні, реляційні та мережеві бази даних.

Пояснення відмінностей в організації даних доцільно провести індуктивне, спираючись на наочні приклади.

РЕЛЯЦІЙНІ МОДЕЛІ.

Найбільш поширеними є реляційні бази даних. Реляційною базою даних (від англ, слова relation – відношення) називається база даних, що містить інформацію, подану у відповідних прямокутних таблицях. Така таблиця називається відношенням. Кожен рядок таблиці містить інформацію про один окремий об’єкт системи (про конкретну книжку, співробітника установи тощо), а кожен стовпчик – певні характерис­тики (властивості, атрибути) цих об’єктів. Наприклад, атрибутами об’єк­тів можуть бути автор книжки, посада співробітника, відділ, в якому він працює, тощо. Рядки такої таблиці називаються – записами, а стовпчи­ки – полями. Кожен запис повинен відрізнятися від інших значеннями головного ключа – певного поля або сукупності полів, що ідентифіку­ють запис, роблять його унікальним. Для кожного поля визначається тип і формат. Найчастіше реляційна база даних – це сукупність таб­лиць, що зберігається на диску, як множина файлів. Різні таблиці можуть бути пов’язані між собою через спільні поля.

Далі доцільно для так вибраної сукупності даних продемонструвати представлення даних за допомогою різних моделей подання.

Реляційна модель такої бази даних може бути подана у вигляді кіль­кох таблиць, в яких зберігаються, наприклад, відомості про частини світу та країни. Кожен рядок міститиме відомості про одну країну або посилання на файли, де містяться ці відомості.

Реляційна модель бази даних має такі властивості:

· Кожен елемент таблиці – один елемент даних.

· Усі дані в одному і тому ж стовпчику в таблиці мають один тип.

· Кожний стовпчик (поле) має унікальне ім’я.

· Однакові рядки в таблиці відсутні.

· Порядок слідування рядків в таблиці може бути довільним і може характеризуватися кількістю полів, кількістю записів, типом даних.

Над реляційною базою часто необхідно виконувати такі дії:

• впорядкування даних;

• добір даних за групами;

• пошук записів.

ІЄРАРХІЧНІ МОДЕЛІ.

У ієрархічній моделі баз даних основною структурою подання інфор­мації є дерево. Усі вершини дерева мають певні рівні. На найвищому (першому) рівні знаходиться тільки одна вершина, яка називається коренем дерева – вузлом. Вона з’єднується ребрами з усіма верши­нами, що знаходяться на наступному – другому рівні, і лише з ними. Вершини другого рівня з’єднуються з вершинами третього рівня реб­рами так, що кожна вершина третього рівня з’єднана тільки з однією вершиною другого рівня, і т. д.

Сукупність даних про країни світу можна подати за допомогою ієрархічної моделі у вигляді дерева (мал. нижче).

В ієрархічній моделі бази даних вузол Світ може являти собою карту світу, кожній частині світу та кожній країні відповідає певна інформація.

На відміну від реляційної моделі, де відомості про країни зберіга­ються в одній таблиці, в ієрархічній моделі дані про кожну країну подаються в окремій таблиці.

В ієрархічних базах даних елементи в записі впорядковані певним чином, один елемент вважається головним, інші – підлеглими. Дані в записі впорядковано в певній послідовності, як сходинки сходів, і пошук даних може здійснюватися лише послідовним «спусканням» зі сходинки на сходинку – від вищих рівнів вузлів до нижчих. Пошук деякого елемента даних в такій системі може виявитися досить трудо­містким через необхідність послідовно пройти кілька ієрархічних рів­нів. Ієрархічну базу даних утворює, наприклад, каталог файлів, які зберігаються на дискові, а дерево каталогів – наочна демонстрація структури такої бази даних і пошуку в ній потрібного елемента. Такою ж базою даних є родове генеалогічне дерево.

МЕРЕЖЕВІ МОДЕЛІ

У мережевій моделі баз даних основною структурою є мережі, тобто довільні графи, у вершинах яких записано деяку інформацію, а ребра відповідають зв’язкам між вершинами (граф – це математична кон­струкція, що складається з вершин і ребер). Кожне ребро з’єднує дві вершини.

У мережевій структурі будь-яка вершина може бути пов’язана з будь-якою іншою.

Мережева база даних відрізняється більшою гнучкістю, оскільки в ній існує можливість встановлювати додатково до вертикальних ієрар­хічних зв’язків горизонтальні зв’язки. Це полегшує процес пошуку потрібних елементів даних, оскільки вже не вимагає обов’язкового проходження кількох ієрархічних рівнів.

Важливо, щоб учні, розглядаючи особливості кожної з трьох моде­лей баз даних та порівнюючи їх між собою, зробили такі висновки:

1) за допомогою відношень (таблиць) можна виразити мережеві структури, а отже, й ієрархічні. Однак виконується це за рахунок повто­рення однакових даних. У результаті неекономно використовується пам’ять комп’ютера.;

2) використання відношень дозволяє достатньо легко опрацьовувати дані бази даних, робити таке опрацювання доступним і для не дуже досвідчених користувачів;

3) опрацювання реляційних структур виявляється найпростішим, хоча в деяких випадках менш ефективним, ніж опрацювання структур інших типів;

4) існування розвиненого математичного апарату з теорії відношень забезпечує можливість глибокого теоретичного дослідження функціо­нування і особливостей реляційних баз даних;

5) мережеві і ієрархічні структури іноді виявляються зручнішими, їх використання дозволяє економити пам’ять і в деяких випадках приско­рює опрацювання даних.