Методика преподавания информатики (стр. 65 )

Обучение программированию для исполнителя нужно строить на последовательности решаемых задач. Очередность задач должна определяться следующими принципами:

— от простого к сложному: постепенное усложнение задач;

— новизна: каждая задача вносит какой-то новый элемент знаний (новая команда, новый прием программирования);

— наследование: следующая задача требует использования знаний, полученных при решении предыдущих задач.

В учебнике [6] рассматривается последовательность задач, которая позволяет ученикам осваивать приемы алгоритмизации в таком порядке:

— составление линейных алгоритмов;

— описание и использование вспомогательных алгоритмов;

— составление циклических алгоритмов;

— использование ветвлений в алгоритмах;

— использование метода последовательной детализации при составлении сложных алгоритмов.

Алгоритмы решения задач, которые рассматриваются ниже, приведены в [6]. Здесь же будут обсуждаться только дидактические и методические проблемы, связанные с решением каждой задачи.

Задача 1: составить алгоритм рисования буквы «Т» в центре поля рисунка. Длина горизонтального и вертикального отрезков — 4 шага. Кенгуренок находится в крайней левой точке горизонтального отрезка и смотрит на восток (направо).

При разборе этой задачи необходимо обратить внимание учеников на два обстоятельства. Первое: управление Кенгуренком для достижения поставленной цели будет происходить без обратной связи. Считаем, что рисование производится вдали от края и выход на границу поля произойти не может. В этом случае алгоритм управления будет иметь линейную структуру.

Второе: алгоритм зависит не только от сформулированной цели (искомого результата), но и от исходного состояния исполнителя. Если бы исходное состояние было другим (например, Ру находится в нижней точке вертикального отрезка и направлен на север), то был бы другим и алгоритм, несмотря на то, что в результате получается один и тот же рисунок. Для алгоритмов работы «в обстановке» начальное состояние исполнителя является исходным данным задачи. Состояние Кенгуренка определяется местом его расположения на поле и ориентацией. Результатом же выполнения алгоритма становится не только рисунок (главная цель), но и конечное состояние исполнителя.

Задача 2 естественным образом выводит на идею вспомогательного алгоритма. Задание следующее: составить алгоритм рисования числа «1919». Учитель может поступить следующим образом: предложить ученикам написать алгоритм прежними средствами, т. е. используя только три основные команды: шаг, поворот, прыжок. Такое задание, очевидно, не вызовет энтузиазма учеников, поскольку принцип им уже понятен, а писать длинный линейный алгоритм довольно скучно. В этой ситуации вполне возможно самостоятельное «открытие» учениками идеи вспомогательного алгоритма. Обратив внимание на то, что в рисунке дважды присутствуют цифры «1» и «9», ученики могут прийти к идее отдельного описания алгоритмов рисования этих цифр, а затем использования их для получения четырехзначного числа «1919». После обсуждения этой идеи учитель вводит понятие вспомогательного алгоритма и объясняет, как производится его описание и использование. На языке Кенгуренка вспомогательный алгоритм называется процедурой.

Умение использовать вспомогательные алгоритмы необходимо вырабатывать у учеников как можно раньше, уже на примерах линейных алгоритмов. Важнейший прием алгоритмизации и программирования — декомпозиция задачи, т. е. выделение в исходной задаче некоторых более простых подзадач. Алгоритмы решения таких подзадач называются вспомогательными алгоритмами, а реализующие их программы — подпрограммами (процедурами). Таким образом, решение исходной задачи разбивается на несколько алгоритмов: основной алгоритм и вспомогательные алгоритмы. Как правило, в основном алгоритме происходит многократное обращение к вспомогательному алгоритму.

Существуют две методики программирования с использованием подпрограмм: метод последовательной детализации, или «сверху вниз», и сборочный метод, или «снизу вверх». При построении сложных алгоритмов наиболее эффективным является метод последовательной детализации. В этом случае программирование начинается с составления основного алгоритма. В нем записываются обращения к вспомогательным алгоритмам, которые пока еще не составлены. Но уже на этом этапе необходимо решить вопрос о спецификациях подпрограмм, т. е. об их входах и выходах. Для графического исполнителя спецификации заключаются в ответах на вопросы: какой рисунок создает подпрограмма, каким должно быть исходное состояние исполнителя, каким будет конечное состояние исполнителя.

Задача 3: составить алгоритм рисования горизонтальной линии, проведенной от края до края поля. Эта задача вносит в данную тему следующие новые элементы: управление с обратной связью; структурная команда цикла. Обратная связь между объектом управления (Кенгуренком) и управляющей системой заключается в том, что перед выполнением каждого шага проверяется условие «впереди не край?». Если оно истинно, т. е. ответ положительный, то делается шаг, в противном случае выполнение цикла прекращается.

Механизм обратной связи наглядно иллюстрируется в отладочном режиме исполнения программы. В этом режиме анимационными средствами на экране изображается мальчик Кристоффер, который отдает команды управления Кенгуренку. В начале каждого цикла Кристоффер спрашивает Ру: «Впереди не край?» и получает в ответ: «Да» или «Нет». Дальнейшие действия зависят от ответа.

Команда цикла является структурной командой в отличие от простых команд «шаг», «поворот», «прыжок». Структурная команда включает в себя несколько действий: проверка условия, выполнение тела цикла, которое, в свою очередь, может состоять из нескольких команд.

В теории алгоритмов существует два типа циклов: цикл с предусловием и цикл с постусловием. Цикл с предусловием (другое его название — «цикл-пока») является основным видом циклической структуры и достаточен для построения любого циклического алгоритма. В языке исполнителя Кенгуренок имеется только команда «цикл-пока».

Задача 4: построить прямоугольную рамку по краю поля. Решение этой задачи требует объединения умений, полученных учениками при решении предыдущих задач. Циклическая программа рисования линии оформляется в виде процедуры ЛИНИЯ. А в основной программе происходит четырехкратное обращение к этой процедуре.

Задача 5: расчертить экран горизонтальными линиями. Эта задача является прямым продолжением предыдущей задачи. Усложнение заключается в том, что используются две процедуры: ЛИНИЯ и ВОЗВРАТ. Кроме того, основной алгоритм сам становится циклическим. Здесь снова нужно отметить то важное обстоятельство, что при использовании процедур в основной программе необходимо учитывать начальное и конечное состояние исполнителя при их выполнении.

Задача 6: нарисовать орнамент, состоящий из квадратов, расположенных по краю поля. Здесь вводится еще одна структурная команда — ветвление. На примере этой задачи еще раз демонстрируется методика последовательной детализации. Причем, в отличие от предыдущих программ, здесь используется два шага детализации, поскольку в процедуре РЯД содержится обращение к процедуре следующего уровня — КВАДРАТ.

Разобравшись в рассмотренных задачах, выполнив самостоятельные задания аналогичного типа, ученики должны усвоить два основных принципа структурной методики алгоритмизации (структурного программирования):

— всякий алгоритм может быть построен с использование трех типов управляющих структур: следование, ветвление, цикл;

— при построении сложных алгоритмов следует применять метод последовательной детализации.

О способах описания алгоритмов. Традиционно в школьной информатике используются два способа описания алгоритмов: блок-схемы и учебный алгоритмический язык. В базовом курсе информатики необходимо использовать обе эти формы. Основное достоинство блок-схем — наглядность алгоритмической структуры. Однако это качество проявляется лишь в том случае, если изображение блок-схемы происходит стандартным способом. Эта тема затрагивается в подразделе 10.1 «Что такое структурное программирование» во второй части учебника [6]. Основным следствием освоения учениками структурной методики должно стать умение при построении алгоритмов «мыслить структурами». Например, исходя из условия задачи, делать следующие выводы: «Алгоритм решения данной задачи будет представлять собой два вложенных цикла: или — цикл с вложенным ветвлением, или — два последовательных цикла» и т. п. Структурно изображенные блок-схемы (рис. 1.4) помогают такому видению алгоритма.

Рис. 11.4. Блок-схемы:

Вот, например, две блок-схемы: а — пример структурного изображения алгоритма; б — пример неструктурного изображения алгоритма

На первый взгляд трудно понять, что на двух этих блок-схемах изображен один и тот же алгоритм. Из схемы а четко видна его структура: цикл-пока с вложенным ветвлением. В схеме б довольно сложно усмотреть эту же структуру. Блок-схема а нарисована стандартно, блок-схема б — произвольно.

Алгоритмический язык — это текстовая форма описания алгоритма. Она ближе к языкам программирования, чем блок-схемы. Однако это еще не язык программирования. Поэтому строгого синтаксиса в алгоритмическом языке нет. Для структурирования текста алгоритма на АЯ используются строчные отступы. При этом соблюдается следующий принцип: все конструкции одного уровня вложенности записываются на одном вертикальном уровне; вложенные конструкции смещаются относительно внешней вправо. Соблюдение этих правил улучшает наглядность структуры алгоритма, однако не дает такой степени наглядности, как блок-схемы.

11.4. Методические проблемы изучения

алгоритмов работы с величинами

Изучаемые вопросы:

✦ ЭВМ — исполнитель алгоритмов.

✦ Понятие «величина», характеристики величин.

✦ Действия, выполняемые над величинами.

Есть две стороны в обучении алгоритмизации:

— обучение структурной методике. построения алгоритмов;

— обучение методам работы с величинами.