32509

МЕТОДИКА ВВЕДЕНИЯ ПОНЯТИЯ АЛГОРИТМИЗАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ УЧЕБНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ

Лекция

Информатика, кибернетика и программирование

Основной характеристикой исполнителя с точки зрения управления является система команд исполнителя СКИ. Схема функционирования исполнителя алгоритмов Для выполнения всякой работы решения поставленной задачи исполнитель на входе получает алгоритм и исходные данные а на выходе получаются требуемые результаты. Всякая команда должна быть сформулирована так чтобы определить однозначное действие исполнителя. Работа исполнителя состоит в последовательном выполнении команд алгоритма.

Русский

2013-09-04

134.5 KB

38 чел.

екция №20. Теория и методика обучения информатики,

МЕТОДИКА ВВЕДЕНИЯ ПОНЯТИЯ АЛГОРИТМИЗАЦИЯ С ПОМОЩЬЮ УЧЕБНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЕЙ.


Определение и свойства алгоритма. «Алгоритм — понятное и точное предписание исполнителю выполнить конечную последовательность команд, приводящих от исходных данных к искомому результату».

Центральным объектом в этой системе является ИСПОЛНИТЕЛЬ алгоритмов. Исполнитель — это тот объект (или субъект), для управления которым составляется алгоритм. Основной характеристикой исполнителя, с точки зрения управления, является система команд исполнителя (СКИ). Это конечное множество команд, которые понимает исполнитель, т.е. умеет их выполнять.

Рис. 11.1. Схема функционирования исполнителя алгоритмов

Для выполнения всякой работы, решения поставленной задачи исполнитель на входе получает алгоритм и исходные данные, а на выходе получаются требуемые результаты. Алгоритм может включать в себя только команды, входящие в СКИ. Это требование к алгоритму называется свойством понятности.

Другое свойство алгоритма — точность. Всякая команда должна быть сформулирована так, чтобы определить однозначное действие исполнителя.

Работа исполнителя состоит в последовательном выполнении команд алгоритма. Отсюда следует вывод о возможности создания автоматических исполнителей.

Еще одно свойство, которое отражено в определении алгоритма — конечность. Оно формулируется так: исполнение алгоритма и, следовательно, получение искомого результата должно завершиться за конечное число шагов. Здесь под шагом подразумевается выполнение отдельной команды. Это свойство является предупреждением ситуации, которую программисты называют зацикливанием. Бесконечно исполняемый алгоритм безрезультатен. Поэтому свойство конечности называют еще результативностью алгоритма.

В учебной литературе встречается описание еще двух свойств алгоритмов: дискретности и массовости.

«Дискретность состоит в том, что команды алгоритма выполняются последовательно, с точной фиксацией моментов окончания выполнения одной команды и начала выполнения следующей» (это свойство можно не выделять, поскольку требование последовательного выполнения команд заложено в определении алгоритма).

«Свойство массовости выражается в том, что алгоритм единым образом применяется к любой конкретной формулировке задачи, для решения которой он разработан»

Основные типы учебных алгоритмических задач. Для закрепления основных понятий, связанных с определением алгоритма полезно рассмотреть с учениками несколько заданий следующего содержания:

  1.  выполнить роль исполнителя: дан алгоритм, формально исполнить его;
  2.  определить исполнителя и систему команд для данного вида работы;
  3.  в рамках данной системы команд построить алгоритм;
  4.  определить необходимый набор исходных данных для решения задачи.

Методика обучения алгоритмизации на учебных исполнителях, работающих «в обстановке»

Изучаемые вопросы:

  •  Основные требования к учебным исполнителям алгоритмов.
  •  Описание архитектуры учебного исполнителя.
  •  Типовые учебные задачи.
  •  Способы описания алгоритмов.

Традиционно применяемым дидактическим средством в этом разделе являются учебные исполнители алгоритмов. Подходит любой исполнитель, который удовлетворяет следующим условиям:   

  •  это должен быть исполнитель, работающий «в обстановке»;
  •  этот исполнитель должен имитировать процесс управления некоторым реальным объектом (черепахой, роботом и др.).
  •  в системе команд исполнителя должны быть все структурные команды управления (ветвления, циклы);
  •  исполнитель позволяет использовать вспомогательные алгоритмы (процедуры).

Последние два пункта означают, что на данном исполнителе можно обучать структурной методике алгоритмизации. Всякое педагогическое средство должно соответствовать поставленной учебной цели. Главной целью раздела алгоритмизации является овладение учащимися структурной методикой построения алгоритмов.

Каким бы исполнителем ни пользовался учитель, рекомендуется следовать единой методической схеме обучения. При описании любого исполнителя алгоритмов необходимо выделять следующие его характеристики: среда, режимы работы, система команд, данные. Совокупность таких характеристик можно назвать архитектурой исполнителя.

Рассмотрим в качестве примера описание архитектуры широко известного исполнителя КЕНГУРЕНОК.

Архитектура учебного исполнителя.

Среда исполнителя. На экране присутствуют три основных элемента среды учебного исполнителя: строка меню, поле программы и поле рисунка, на котором находится Кенгуренок. На поле рисунка неявно (т.е. ее не видно) нанесена прямоугольная сетка. Длину стороны одной квадратной ячейки этой сетки назовем шагом. Размер всего поля -15 шагов по горизонтали и 19 шагов по вертикали.

Режимы работы. Режим работы — это определенное состояние учебного исполнителя, в котором могут выполняться определенные действия.

Кенгуренок может работать в режиме прямого управления: « команда — исполнение» (в схеме это названо ручным управлением)

Режим программного управления следует трактовать как имитацию ситуации, когда объектом управляет компьютер. В режиме программного управления имеются следующие режимы (подрежимы) работы:

  •  установка исходного состояния: стирается рисунок с поля Кенгуренка, устанавливается исходное положение и направление Кенгуренка (этот режим работает и при «ручном» управлении);
  •  программирование: набор программы на программном поле;
  •  исполнение: работа Ру по заданной программе.

Исполнение может проходить в трех режимах:

  •  в автоматическом режиме (на экране сразу появляется результат выполнения программы);
  •  в автоматическом пошаговом режиме (Кенгуренок демонстрирует выполнение каждой команды);
  •  в отладочном режиме (исполнение каждой команды запускается отдельно и подробно комментируется мультипликационными средствами).

Режим  работы с файлами. В этом режиме можно сохранить программу в файле, прочитать программу из файла в поле программы, сохранить рисунок в файле, распечатать на принтере рисунок и программу.

Режим справки. Позволяет получить справку о работе системы и о способах редактирования программы.

Система команд исполнителя (СКИ). Команды делятся на команды установки (изменения) режимов и команды управления Кенгуренком (команды программы). Все команды могут быть выбраны из меню. Команды первого уровня «желтого меню» и соответствующие им функциональные клавиши, следующие:

[F1] _ ПУСК — запуск на исполнение готовой программы в пошаговом автоматическом режиме;

[F2] — ОТЛАДКА — выполнение программы в отладочном режиме с остановкой после каждой команды;

[F3] — УСТАНОВКА — очистка поля и установка положения Ру с помощью клавиш перемещения курсора;

[F4] _ РАЗНОЕ - содержит подменю с дополнительными командами работы с файлами;

[F5] _ РЕЗУЛЬТАТ — мгновенное получение результата работы программы (автоматический режим исполнения).

В свою очередь команда РАЗНОЕ имеет два уровня подменю, состоящих из команд файлового типа.

В режиме ручного управления (курсор за программным полем) пользуются всего три простые команды «белого меню»:

  1.  шаг — перемещение Ру на один шаг вперед с рисованием
  2.  поворот — поворот Ру на 90° против часовой стрелки;
  3.  прыжок — перемещение Ру на один шаг вперед без рисования линии.
  4.  При переходе в режим программирования «белое меню» меняется. К нему, кроме перечисленных, добавляются следующие команды:
  5.  пока <условие> повторять <тело цикла> конец цикла — цикл с  предусловием;
  6.  если <условие> то <серия 1> иначе <серия 2> конец ветвления — полное ветвление;
  7.  если <условие> то <серия > конец ветвления — неполное ветвление
  8.  сделай <имя процедуры> - обращение к процедуре.

Исходной обстановкой является отсутствие рисунка и определенное состояние Ру. Такая обстановка устанавливается в режиме УСТАНОВКА. Результатом работы является рисунок.

Приведенное выше описание можно назвать описанием архитектуры исполнителя КЕНГУРЕНОК. По такой же схеме рекомендуется описывать архитектуру любого другого алгоритмического исполнителя.

Обучение алгоритмизации. Первыми заданиями по управлению кенгуренком должны быть задачи на работу в режиме прямого управления с целью получить определенный рисунок. Этими рисунками могут быть фигуры, узоры, буквы, построенные из вертикальных и горизонтальных отрезков.

Наибольший интерес представляет работа в программном режиме. Обучение программированию для исполнителя нужно строить на последовательности решаемых задач. Очередность задач должна определяться следующими принципами:

  •  -от простого к сложному: постепенное усложнение зада
  •  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.

Рассматрим последовательность задач, которая позволяет ученикам осваивать приемы алгоритмизации 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).

Задача 2 Составить алгоритм рисования числа «1919». Алгоритмы решения таких подзадач называются вспомогательными алгоритмами, а реализующие их программы  - подпрограммами (процедурами).

Задача 3: составить алгоритм рисования горизонтальной линии, проведенной от края до края поля. Команда цикла является структурной командой. Структурная команда включает в себя несколько действий: проверка условия, выполнение тела цикла. В языке исполнителя Кенгуренок имеется только команда «цикл-пока».

Задача 4: построить прямоугольную рамку по краю поля. Циклическая программа рисования линии оформляется в виде процедуры ЛИНИЯ.

Задача 5: расчертить экран горизонтальными линиями. Используются две процедуры: ЛИНИЯ и ВОЗВРАТ, а сам становится циклическим. 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. Здесь используется два шага детализации, поскольку в процедуре РЯД содержится обращение к процедуре следующего уровня — КВАДРАТ.

Ученики должны усвоить два основных принципа структурной методики алгоритмизации (структурного программирования):

  1.  всякий алгоритм может быть построен с использование трёх типов управляющих структур: следование, ветвление, цикл;
  2.  при построении сложных алгоритмов следует применять метод последовательной детализации.

О способах описания алгоритмов. Основное достоинство блок-схем – наглядность алгоритмической структуры. Однако это качество проявляется лишь в том случае, если изображение блок-схемы происходит стандартным способом.

Алгоритмический язык – это текстовая форма описания алгоритма. Она ближе к языкам программирования, чем блок-схемы. Строгого синтаксиса в алгоритмическом языке нет.

Методические проблемы изучения алгоритмов работы с величинами

Знакомясь с программным управлением исполнителями, работающими «в обстановке», ученики осваивали методику структурного программирования. С величинами ученики встречались при изучении баз данных, электронных таблиц.

ЭВМ — исполнитель алгоритмов. Методические вопросы изучения темы «Алгоритмы работы с величинами» будем проведем в программистском аспекте. Рассмотрим взаимодействие программиста с компьютером

Входным языком такого исполнителя является язык программирования Паскаль.

Необходимо продолжать ту же структурную линию, которая была заложена в алгоритмическом разделе. При выборе языка программирования следует отдавать предпочтение языкам структурного программирования (Паскаль).

Процесс программирования делится на три этапа:

  1.  составление алгоритма решения задачи;
  2.  составление программы на языке программирования;
  3.  отладка и тестирование программы.

Описание алгоритмов должно быть ориентировано на исполнителя со структурным входным языком.

Характеристики величин. Информация, обрабатываемая компьютерной программой, называется данными. Величина — это отдельный информационный объект, отдельная единица данных. По отношению к программе данные делятся на:

Важнейшее понятие: Всякая величина занимает свое определенное место в  памяти ЭВМ — ячейку памяти.

У всякой величины имеются три основных характеристики: имя, значение и тип. В алгоритмах и языках программирования величины делятся на константы и переменные.

Теперь о типах величин — типах данных. В любой язык входит минимально-необходимый набор основных типов данных, к которому относятся следующие: целый, вещественный, логический и символьный.

Данные делятся на простые и структурированные. Для простых величин: одна величина — одно значение. Для структурированных: одна величина — множество значений. К структурированным величинам относятся массивы, строки, множества и др.

Действия над величинами, определяемые алгоритмом (программой) основываются на следующей иерархии понятий: операция - выражение — команда, или оператор — система команд (рис. 11.7).

Операция — простейшее законченное действие над данными.

Выражение - запись в алгоритме (программе), определяющая последовательность операций для вычисления некоторой величины.

Команда — входящее в запись алгоритма типовое предписание исполнителю выполнить некоторое законченное действие. Команды присваивания, ввода, вывода называются простыми командами; команды  цикла и ветвления — составными, или структурными командами.

Переменная получает определенное значение в результате присваивания. Из числа команд, входящих в представленную выше СКИ, присваивание выполняют команда ввода и команда присваивания. 

<переменная> := <выражение>

Знак «:=» надо читать как «присвоить». Это инструкция, которая обозначает следующий порядок действий:

1) вычислить выражение;

2) присвоить полученное значение переменной.

Одним из важнейших дидактических принципов в методике обучения является принцип наглядности. Успешность обучения алгоритмизации при использовании учебных исполнителей объясняется наличием таких образов (Черепашки, Робота, Кенгуренка и др.). Можно еще сказать так: архитектура учебных исполнителей является наглядной, понятной ученикам. Исполнителем вычислительных алгоритмов (алгоритмов работы с величинами) является компьютер.

Эффективным методическим средством, позволяющим достичь понимания программирования, является ручная трассировка алгоритмов, которая производится путем заполнения трассировочной таблицы.

Примеры решения задач

Пример 1. Вместо многоточия впишите в алгоритм несколько команд присваивания, в результате чего получится алгоритм возведения в 4-ю степень введенного числа (дополнительных переменных кроме А не использовать):

ввод А … вывод  А

Решение.

Ввод  А

А*А   (А2)

А*А   (А4)

Вывод  А

Пример 2. Записать алгоритм циклического обмена значениями трех переменных А, В, С. Схема циклического обмена:

                               А                           В                           С

Требования к знаниям и умениям учащихся по линии алгоритмизации с помощью учебных исполнителей

Учащиеся должны знать:

  •  что такое алгоритм; какова роль алгоритма в системах управления;
  •  в чем состоят основные свойства алгоритма;
  •  способы записи алгоритмов: блок-схемы, учебный алгоритмический язык;
  •  основные алгоритмические конструкции: следование, ветвление, цикл; структуры алгоритмов;
  •  назначение вспомогательных алгоритмов; технологии построения сложных алгоритмов: метод последовательной детализации и сборочный (библиотечный) метод;
  •  основные свойства величин в алгоритмах обработки информации: что такое имя, тип, значение величины; смысл присваивания;
  •  назначение языков программирования;
  •  *в чем различие между языками программирования высокого уровня и машинно-ориентированными языками;
  •  правила представления данных на одном из языков программирования высокого уровня (например, на Паскале);
  •  содержание этапов разработки программы: алгоритмизация -кодирование — отладка — тестирование.

Учащиеся должны уметь:

  •  пользоваться языком блок-схем, понимать описания алгоритмов на учебном алгоритмическом языке;
  •  выполнять трассировку алгоритма для известного исполнителя;
  •  составлять несложные линейные, ветвящиеся и циклические алгоритмы управления одним из учебных исполнителей;
  •  выделять подзадачи; определять и использовать вспомогательные алгоритмы.

PAGE  12


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75980. Олімпійський урок свято. Швидше – вище – сильніше до спортивних висот 41.5 KB
  Слово ведучого Шановні діти гості Сьогодні ми проводимо Олімпійський урок під девізом: Швидше – вище – сильніше до спортивних висот. Майбутні олімпійці рівняйсь струнко Тамара Семенівно Дозвольте олімпійське свято розпочати олімпійський вогонь прапор внести. – Право пронести олімпійський вогонь прапор надається Спортику і переможцям шкільних змагань. Олімпійський прапор 5 олімпійських кілець символізують єдність народів всіх континентів земної кулі та переплітаються зліва направо.
75981. Форми земної поверхні 237 KB
  Запишіть які форми земної поверхні переважають у вашій місцевості. Запишіть відповіді: так чи ні Стримують утворення ярів на горбистій місцевості такі заходи: правильний обробіток ґрунту; закріплення схилів; збереження рослинного покрову; часті літні зливи.
75982. Олімпійський урок 164.5 KB
  Мета: Познайомити учнів із історією олімпійських ігор, досягненнями українських спортсменів на олімпіаді в Пекіні, виховувати почуття патрітизму, прагнення до здорового способу життя...
75983. Тематичний вечір присвячений ювілею Бориса Олійника. «Іду. І поруч твердо Крокує честь – мій секундант» 133.5 KB
  Мені доля вручила перстень І сказала що вже до смерті Я розмічений і заверстаний В наростаючу круговерть. Що однині не буде спокою Ні вночі мені ані вдень І життя моє піде боком А не так як у всіх людей. Коли б земля так думалось мені Була мов куля та ще й оберталась...
75984. Опис репродукції картини М.П.Глущенка «Зима» 180.5 KB
  Мета: Ознайомити учнів з творчою діяльність М.П.Глущенка. Розвивати в учнів образне і логічне мислення. Духовно збагачувати внутрішній світ учнів. Формувати поняття пейзаж, колорит, композиційний центр і т.д. Вироблення вмінь і навичок аналізувати події, прикмети.
75985. Людина – живий організм. Організм людини. Шкіра – захисник організму 8.39 MB
  Мета: Формувати поняття про людину як живий організм та про тіло людини як єдиний організм, у якому всі органи залежать один від одного; дати знання про властивості шкіри як органа, розкрити її значення для людини; розвивати уміння спостерігати...
75986. Свято «Осіння казка» 69.5 KB
  Учитель. За народними переказами осінь перша старша дочка Сонця. Вона останньою залишила батьківський дім і стала на Землі четвертою порою року. Посилаючи осінь на землю, Сонце сказало їй: «Забирай все моє багатство. Я віддаю тобі все своє золото. Будь щедрою і люди будуть любити тебе».
75987. Літературно – музична композиція «Осінні етюди». Позакласний захід за творчістю Ліни Костенко з мультимедійним додатком 80 KB
  Осінь Зустрічайте її Входить дівчина в костюмі Осені Осінь. Слайд 1 Я Осінь - чарівна й ясна Я дивна наче казочка сама Тримаю пензлик у руках Малюю всюди – тут і там Щоб догодити любі вам Щоб вміли ви красу кохати Щоб теж у руки пензлик брали Красу природи малювали.
75988. Чи може природа існувати без осені? 346 KB
  Мета: навчати розглядати певну тему з різних точок зору, виявляти їх переваги та недоліки, висувати альтернативну точку зору, сприяти розвитку мислення та вміння вести дискусію; спонукати дітей до пошуку додаткової інформації, розширювати їхній світогляд...