Исполнители. Черные ящики (стр. 1 )

МОУ Тверская гимназия №10

Авторы:

(предприятие «Роботландия», Переславль-Залесский)

(предприятие «Роботландия», Переславль-Залесский)

Отредактировано и доработано:

учителя информатики и информационных технологий

МОУ Тверской гимназии №10:

, ,

Исполнители. Черные ящики

Сборник предназначен для учащихся 5-х классов

В книге описывается множество исполнителей, с помощью которых в курсе раннего обучения информатике у школьников формируются необходимые умения и навыки. На простых примерах обсуждается метод исследования алгоритмов — метод «черного ящика».

Книга написана на основе версии школьного учебника по курсу информатики (, , . Роботландия. Книга для школьника. НЦ ПСО при МГК по народному образованию. М., 1991).

2010г.

ЧАСТЬ 1. ИСПОЛНИТЕЛИ

§ 1. Исполнитель, система команд

В сказках часто встречаются волшебные устройства, которые послушно исполняют волю сказочных героев. Помните, как выбравшись из чащи леса на полянку, Иван-царевич видит избушку на курьих ножках (рис. 1.1). Иван дает ей команду:

— ИЗБУШКА, ИЗБУШКА! ВСТАНЬ КО МНЕ ПЕРЕДОМ, К ЛЕСУ ЗАДОМ!

Рис. 1.1. Волшебная избушка

И волшебная избушка точно исполняет заданную команду.

Команда должна быть задана очень точно, иначе некого рассчитывать, что устройство окажется послушным. Вспомните Сказку про Али-Бабу и сорок разбойников. События этой сказки связаны с волшебной дверью, которая могла по команде открываться, впуская или выпуская человека в пещеру с сокровищами. Помните, какой печальный конец нашел в пещере жадный Касым, забывший эту команду?

И волшебная дверь, и избушка на курьих ножках ведут себя одинаково: они умеют понимать и очень точно исполнять некоторые команды. Поэтому их можно назвать исполнителями.

Исполнители знакомы вам не только по сказкам. Дрессированная собачка — исполнитель: она понимает и исполняет те несколько команд, которым научил ее хозяин. Мальчика, который по просьбе мамы моет на кухне посуду, тоже можно назвать исполнителем. Даже целый взвод солдат, в точности исполняющий указания командира, тоже исполнитель.

Много раз встречались вам исполнители на уроках информатики. Перевозчик, который по вашим командам перевозил на другой берег реки волка, козу и капусту, был одним из первых исполнителей, с которым вы познакомились. Исполнителями являются и Переливашка, и Конюх, и Монах.

Исполнителем называется человек, коллектив, животное или техническое устройство, которые понимают и умеют точно исполнить задаваемые им команды.

Набор понятных исполнителю команд называется системой команд этого исполнителя, или сокращенно СКИ.

Например, система команд исполнителя Перевозчик состоит из восьми команд:

СКИ Перевозчика

ЛОДКУ НА ПРАВЫЙ БЕРЕГ ЛОДКУ НА ЛЕВЫЙ БЕРЕГ КОЗУ НА ПРАВЫЙ БЕРЕГ КОЗУ НА ЛЕВЫЙ БЕРЕГ КАПУСТУ НА ПРАВЫЙ БЕРЕГ КАПУСТУ НА ЛЕВЫЙ БЕРЕГ ВОЛКА НА ПРАВЫЙ БЕРЕГ ВОЛКА НА ЛЕВЫЙ БЕРЕГ

Таб. 1.1. Система команд Перевозчика

А вот у избушки на курьих ножках СКИ составлено из одной-единственной команды: «ПОВЕРНИСЬ КО МНЕ ПЕРЕДОМ, К ЛЕСУ ЗАДОМ!» Больше ничего этот исполнитель не умеет делать, хотя он и волшебный.

Вопросы и задания

1. Исполнитель Муравей умеет выполнять команды ВВЕРХ,
ВНИЗ, ВЛЕВО, ВПРАВО. Понятны ли ему команды КВЕРХУ,
НАПРАВО и ВЫМОЙ ЛАПЫ? Почему?

2. Назовите примеры исполнителя-животного, исполнителя-человека, исполнителя-коллектива, исполнителя-машины.

§ 2. Что надо знать об исполнителе?

Катя Пушкова, Петя Кук и Вова Абрамов торопились на урок информатики.

— Сегодня учитель обещал познакомить нас с новым исполнителем, — сказала Катя мальчикам.

— Это значит, — ответил Петя, — что он нам расскажет новую СКИ. Помнишь, как мы знакомились с командами Мудрого Крота:

СКИ Мудрого Крота

ВВЕРХ ВНИЗ ВЛЕВО ВПРАВО

Таб. 2.1 Система команд Мудрого Крота

— Знать названия команд мало, — вмешался в разговор Вова. — Ведь кроме названия надо знать еще, во-первых, как каждую из этих команд можно передать исполнителю, и, во-вторых, как исполнитель выполняет эту команду.

— Я согласна, — поддержала беседу Катя. — В самом деле, разные исполнители получают свои команды по-разному. Переливашке, например, надо команду писать на клавиатуре: «А — Б». А Мудрый Крот получает свои команды ВЛЕВО, ВПРАВО, ВВЕРХ, ВНИЗ, когда человек нажимает клавиши со стрелками.

— И, конечно, важно знать, как выполняется команда, согласился Петя. — Я должен точно знать, что делает Мудрый Крот по команде ВВЕРХ: поднимает правую лапу или перемещается вверх на одну клетку.

— Итак, знакомясь с исполнителем, необходимо выяснить:

1. Какие команды входят в СКИ

2. Как команды передаются исполнителю

3. Как исполнитель выполняет команды

Вопросы

1.  Перечислите все команды Мудрого Крота.

2.  Как можно задать команды Курсор? Как он их выполняет?

§ 3. Сообщения исполнителя НЕ ПОНИМАЮ и НЕ МОГУ

Петя Кук остановился на полпути и не знает, куда дальше идти, вперед или назад. Попробуйте ему дать записочку со словом ВПИРЕТ. Он, конечно, улыбнется, глядя на ваши ошибки, но все-таки поймет, что надо делать.

А вот если в СКИ исполнителя-робота имеется команда ВПЕРЕД, а вы наберете это слово с ошибкой, робот напишет на экране:

НЕ ПОНИМАЮ

Рис. 3.1. Сообщение исполнителя о непонятной команде

Так всегда отвечают роботы, когда им дают команду, не входящую в их СКИ. Ведь в СКИ написано ВПЕРЕД, а команды ВПИРЕТ там нет. Робот принимает команды к исполнению только тогда, когда они отданы буквально так, как записано в СКИ.

Можно задать исполнителю команду, имеющуюся в СКИ, и, тем
не менее, поставить его в затруднительное положение. Представьте
себе, что коза находится на правом берегу, а вы отдаете Перевозчику
команду КОЗУ НА ПРАВЫЙ БЕРЕГ. Исполнитель напишет на эк
ране:

НЕ МОГУ

Рис. 3.2. Сообщение исполнителя о невыполнимой команде

Так всегда отвечают роботы, когда не могут по каким-либо причинам выполнить команду из своей СКИ.

НЕ ПОНИМАЮ	Все исполнители говорят в одном и том же случае: когда им задают команду, не входящую в СКИ.
НЕ МОГУ	У каждого исполнителя свое: Перевозчик не может везти козу, если ее нет на одном с ним берегу; Мудрый Крот откажется выполнять команду ВПРАВО, уперевшись в правую стенку лабиринта; Переливашка не сможет вылить воду из пустого ведра. Значит, знакомясь с исполнителем надо знать, когда исполнитель говорит НЕ МОГУ.

Вопросы и задания:

1. Исполнитель Перевозчик находится на правом берегу вместе
с козой, а волк с капустой — на левом. В таком положении Перевозчику приказано КАПУСТУ НА ЛЕВЫЙ БЕРЕГ. Как он отзовется на такое поручение?

2. Исполнитель Переливашка получил команду А-Е. Что произойдет по такой команде?

§ 4. Как познакомиться с исполнителем?

Когда человек хочет познакомиться с новым исполнителем, он должен выяснить:

1.  В какой среде (обстановке) работает исполнитель и какую работу он может выполнять?

2.  Какая СКИ у исполнителя, то есть:

•  Какие команды входят в СКИ?

•  Как команды передаются исполнителю?

•  Как команды выполняются исполнителем?

•  Когда выполнение команды приводит к ситуации НЕ МОГУ.

Ниже приводится схема знакомства. Используйте ее при выполнении заданий.

ИСПОЛНИТЕЛЬ
СРЕДА	СКИ ски
	КОМАНДЫ КАК ОТДАЮТСЯ КАК ВЫПОЛНЯЮТСЯ КОГДА НЕ МОГУ

Таб. 4.1. Схема знакомства с исполнителем

Пример.

Петя Кук обучает младшего брата работе с Мудрым Кротом.

— Посмотри, Вася, на схему знакомства. Сначала я расскажу тебе о среде исполнителя: Крот работает в лабиринте. Кроме Крота в лабиринте находятся мешки с зерном. Точками отмечен склад. Кроту надо собрать все мешки в лабиринте и перенести их на склад.

Теперь, Вася, давай рассмотрим СКИ Мудрого Крота. Вот какие у него команды:

ВВЕРХ

ВНИЗ

ВЛЕВО

ВПРАВО

Эти команды отдаются Кроту нажатием на клавиши-стрелки. Исполняя эти команды, Крот перемещается в соответствующем направлении на один шаг. Если на пути встречается мешок с зерном, он толкает его перед собою.

Крот не может выполнить команду, если он упирается в стенку лабиринта, не может он также толкать перед собою два мешка или больше.

Петя доволен: строго следуя схеме знакомства, он рассказал братику все, что нужно знать о Мудром Кроте. Брат тоже доволен: понятен и Мудрый Крот, и схема знакомства с исполнителем.

Вопросы и задания

1.  Используя схему знакомства, расскажите про исполнителей:

•  Курсор

•  Перевозчик

•  Переливашка

2.  Как Мудрый Крот сообщает человеку о ситуациях НЕ ПОНИМАЮ и НЕ МОГУ?

3.  Опишите среду, в которой исполнитель Конюх переставляет шахматных коней?

§ 5. Лабораторная работа: Квадратик

Программные средства: исполнитель Квадратик.

Квадратик умеет рисовать на экране квадрат, треугольник, круг, может закрасить нарисованные фигуры.

СКИ Квадратика

КВАДРАТ ТРЕУГОЛЬНИК ОКРУЖНОСТЬ ЗАКРАСКА ОЧИСТКА

Таб. 5.1. Система команд Квадратика

Квадратик не может рисовать фигуру, если на экране уже есть рисунок. Чтобы нарисовать новую фигуру, надо сначала очистить экран от предыдущей.

Задания

1.  Нарисуйте квадрат.

2. Нарисуйте треугольник.

3.  Нарисуйте окружность.

4. Дайте Квадратику команды, которые нарисуют в той же последовательности те же фигуры, закрашивая их.

§ 6. На железнодорожной станции

Ребята из класса Пети Кука давно мечтали сходить на железнодорожную станцию. И вот учитель повел их на давно обещанную экскурсию.

Впечатлений оказалось очень много: и старенький паровоз, поставленный слева от здания станции на вечную стоянку как памятник героям-железнодорожникам, и сверкающая лампочками карта железнодорожных путей страны в кассовом зале, и сложный пульт управления в кабинете начальника станции. И все же больше всего Куку запомнился небольшой маневровый тепловоз, который беспрестанно ездил вперед и назад, таская за собою вагоны. Петя буквально замер на месте, наблюдая как на сортировочной горке машинист тепловоза из одного длинного товарного поезда составлял два других, поменьше, в каждом из которых оказывались вагоны одного вида: в одном платформы, а в другом — цистерны. Машинист оттаскивал назад сборный поезд, а затем снова возвращался к стрелке. Стрелку надо было перевести в зависимости от того, какой вагон оказывался хвостовым. Тогда тепловоз толкал последний вагон на нужный путь и отцеплял его. Потом все начиналось сначала.

Рис. 6.1. Схема сортировочной горки

Приглядевшись внимательно, Петя вдруг обнаружил, что в кабине машиниста никого нет. От удивления Петя даже вскрикнул. Но учитель все объяснил:

— Машиниста-человека в кабине действительно нет. Зато есть робот. Это Машинист-исполнитель. Он выполняет команды дежурного по станции, которые получает по радио.

§ 7. Исполнитель Машинист

Теперь с каждым новым исполнителем мы будем знакомиться по единой схеме:

ИСПОЛНИТЕЛЬ
СРЕДА	СКИ
	КОМАНДЫ КАК ОТДАЮТСЯ КАК ВЫПОЛНЯЮТСЯ КОГДА НЕ МОГУ

Таб. 7.1. Схема знакомства с Машинистом

СРЕДА

Посмотрите на рисунок 7.1. Среда Машиниста включает три железнодорожных пути со стрелкой и железнодорожный состав, состоящий из тепловоза (М) и трех вагонов: крытого (В), цистерны (Ц), платформы (П). Исполнитель Машинист, управляемый человеком, сортирует вагоны в нужном порядке — такая у него работа на станции.

Рис. 7.1. Среда Машиниста

КОМАНДЫ

СКИ Машиниста

ВПЕРЕД НАЗАД СТРЕЛКА ПРИЦЕПИ ОТЦЕПИ

Таб 7.2. Система команд Машиниста

КАК ОТДАЮТСЯ

Команды исполнителю набираются на клавиатуре компьютера заглавными русскими буквами точно так, как они обозначены в СКИ.

КАК ВЫПОЛНЯЮТСЯ

ВПЕРЕД	Тепловоз двигается: а) от начала основного пути до стрелки; б) от стрелки до тупика.
НАЗАД	Тепловоз двигается в начало основного пути.
СТРЕЛКА	Тепловоз переводит стрелку на развилке из двух путей; если первый путь был закрыт (и, значит, открыт второй), то команда СТРЕЛКА открывает первый путь и закрывает второй.
ПРИЦЕПИ	Тепловоз прицепляет один вагон.
ОТЦЕПИ	Тепловоз отцепляет один последний вагон состава.

КОГДА НЕ МОГУ

Команда	Когда возникает ситуация НЕ МОГУ
ВПЕРЕД	Тепловоз (или весь состав) упирается в тупик
НАЗАД	Тепловоз в начале пути
СТРЕЛКА	Тепловоз не у стрелки
ПРИЦЕПИ	1) Тепловоз не у вагонов 2) Прицеплены все вагоны
ОТЦЕПИ	1) Тепловоз не у вагонов 2) Отцеплены все вагоны

Таб. 7.3. Ситуации НЕ МОГУ для команд Машиниста

Алгоритм и программа.

Алгоритм – общий план решения задачи (понятно человеку).

Программа – запись алгоритма с помощью команд исполнителя (понятно исполнителю).

Пример.

Составить алгоритм и программу, по которому Машинист переставил бы цистерну на нижний путь.

Дано: Надо:

ВЦП ВП

М М

Ц

Алгоритм.	Программа.
1.  Переставить Ц-П на нижний тупик	ВПЕРЕД ВПЕРЕД ПРИЦЕПИ ПРИЦЕПИ НАЗАД ВПЕРЕД СТРЕЛКА ВПЕРЕД (8 КОМАНД)
2. Вернуть П на верхний тупик	ОТЦЕПИ НАЗАД ВПЕРЕД СТРЕЛКА ВПЕРЕД (5 команд)
3. Вернуть М на место	ОТЦЕПИ НАЗАД (2 команды) (всего 15 команд)

Вопросы и задания

1.  Какую информацию обрабатывает Машинист?

2.  Разберитесь в описании приведенного в этом параграфе алгоритма. Для этого нарисуйте на листе бумаги пути, представьте вагоны и тепловоз спичечными коробками, а стрелку сделайте из спичек. Представьте себе, что вы и есть исполнитель Машинист, и выполните все команды этого алгоритма.

3.  Пользуясь командами Машиниста, составьте алгоритм, по которому вагоны, стоящие на верхней ветке, окажутся на нижней, но в обратном порядке (начальное и конечное положения показаны на рисунке 7.3).

Рис. 7.3. Перестановка вагонов в обратном порядке

§ 8. Модели на компьютере

Когда создается новый самолет, конструктор продумывает разные варианты будущей машины. Эти варианты могут отличаться размахом крыльев, расположением двигателей, количеством пассажирских кресел. Однако невозможно каждый раз сооружать самолет, проверяя новый вариант конструктора: это очень долго, сложно и дорого.

Поэтому прежде чем построить самолет, делают его модель (рис. 8.1) или даже несколько моделей. Модель занимает немного места, изготовляется быстро, стоит недорого. Даже если модель испортится, потеря невелика. А польза огромна: испытывая модель, можно в короткие сроки ответить на многие вопросы конструктора.

Модели сооружают не только конструкторы самолетов. Модели нужны строителям (рис. 8.2). Костюмеры также готовят модели прежде чем сшить большую партию новых платьев (рис. 8.3).

8.1. Модель самолета Рис. 8.2. Макет здания Рис. 8.3. Моделирование

одежды

Часто приходится делать модели действий, а не модели вещей. Агроном, планирующий сев, хотел бы знать, под какие растения следует отвести поля в разных уголках своего совхоза. Хорошо было бы попробовать несколько разных вариантов. Но ведь чтобы увидеть результат, надо ждать целый год пока вырастут плоды. И вот тут на помощь приходит компьютер. Вместо того чтобы сажать семена в поле, делают модель роста растений и наблюдают на экране компьютера за созреванием урожая. Компьютеру надо давать информацию о почве, в которой растут растения, об удобрениях, которыми подкармливают посевы, о сельскохозяйственных машинах, используемых при посеве или сборе урожая. Компьютер, обработав эту информацию, показывает на экране, как мог бы расти урожай на самом деле. Это модель работы фермерского хозяйства.

Компьютерная модель может показать изображаемые действия (посев, прорастание семян, всходы растений, подкормку, прополку, сбор урожая) с любой скоростью — как при ускоренной киносъемке. Тогда год жизни совхозного поля можно увидеть на экране ЭВМ за три минуты.

Компьютеры часто используют для создания моделей.

Вы сами это видели на уроках информатики. Действительно, если бы задачу о перевозке через реку надо было решать не на экране компьютера, а находясь в одной лодке с настоящим живым волком, то далеко не все дети захотели бы выступить в роли исполнителя. С помощью компьютера была создана модель Перевозчика.

Точно так же исполнитель Машинист — это модель сортировочной площадки на железнодорожной станции. Эта модель позволяет проверить, как будет работать на станции настоящий робот-тепловоз, а также научить людей пользоваться сложными техническими устройствами.

Вопросы

1.  Для каких целей люди используют модели вместо сложных машин?

2. Чем отличается модель от моделируемого устройства? Что у них общего?

3. Чем полезны исполнители, моделирующие действия? Приведите примеры.

§ 9. Исполнитель Автомат

Сегодня мы будем изучать новый исполнитель. Он называется Автомат. А знакомиться в ним надо так же, как с любым другим исполнителем:

ИСПОЛ	НИТЕЛЬ
СРЕДА	СКИ
	КОМАНДЫ КАК ОТДАЮТСЯ КАК ВЫПОЛНЯЮТСЯ КОГДА НЕ МОГУ

Таб. 9.1. Схема знакомства с исполнителем Автомат СРЕДА

Среда исполнителя Автомат состоит из экрана, на котором высвечиваются четырехзначные числа, и пульта управления с двумя кнопками. Исполнитель работает с числовой информацией. В начальный момент работы Автомата на экране высвечивается нуль.

КОМАНДЫ

СКИ Автомата

ПРИБАВИТЬ УМНОЖИТЬ

Таб. 9.2. Система команд Автомата

КАК ОТДАЮТСЯ

Чтобы отдать команду Автомату, нужно нажать соответствующую кнопку на пульте управления.

КАК ВЫПОЛНЯЮТСЯ
ПРИБАВИТЬ — к числу на экране прибавляется один.

УМНОЖИТЬ — число на экране умножается на два.

КОГДА НЕ МОГУ

Исполнитель попадает в ситуацию НЕ МОГУ при попытке получить на экране число, которое больше 9999.

Пример. Получить на экране Автомата число 5.

	На экране
Команда	до выполнения	после выполнения
ПРИБАВИТЬ	000	001
ПРИБАВИТЬ	001	002
УМНОЖИТЬ	002	004
ПРИБАВИТЬ	004	005

Рис. 9.1. Среда Автомата