Разноуровневые задания при изучении содержательной линии «Алгоритмизация и программирование» школьного курса информатики

• 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). [17]

При описании любого исполнителя  алгоритмов необходимо выделять следующие  его характеристики:

• Среда
• Режимы работы
• Система команд
• Данные

Совокупность таких  характеристик можно назвать архитектурой исполнителя. [14]

Мы предлагаем в качестве примера рассмотреть описание архитектуры широко известного исполнителя Чертежник.

1.2.2 Архитектура учебного исполнителя.

 

Среда исполнителя. Исполнитель Чертёжник предназначен для построения рисунков, чертежей и т.д. на координатной плоскости. С помощью данного исполнителя можно построить практически любое изображение. Изображения могут быть не только чёрного цвета, но и любого другого или нескольких цветов.

Координатная плоскость  является средой обитания этого исполнителя. Чертёжник имеет перо, которое он может поднимать, опускать, перемещать. При перемещении опущенного пера за ним остаётся след в виде отрезка, соединяющего старое и новое положения пера. На экране изображается только небольшая часть координатной плоскости. Эту видимую часть называют полем Чертёжника. Поле может иметь вид полной координатной плоскости. Выход чертёжника за пределы поля не считается ошибкой. Чаще всего ошибкой считается опускание пера, если перед этим оно уже опущено, либо поднятие пера, если перед этим перо было уже поднято.

Режимы работы. В управлении исполнителем возможны два режима: режим пряного управления и режим программного управления.

Работа в режиме прямого управления происходит так: человек отдает команду, Чертежник ее выполняет; затем отдается следующая команда и т. д.

Работа в программном  режиме имитирует автоматическое управление исполнителем. Управляющая система (компьютер) обладает памятью, в которую заносится программа. Человек составляет программу и вводит ее в память. Затем Чертежник переводится в режим установки и человек вручную (с помощью определенных клавиш) устанавливает исходное состояние исполнителя. После этого производится переход в режим исполнения и Чертежник начинает работать по программе. Если возникает ситуация, при которой он не может выполнить очередную команду (выход за границу поля), то выполнение программы завершается аварийно. Если аварии не происходит, то работа исполнителя заканчивается на последней команде.

Система команд исполнителя (СКИ). Наиболее распространенными командами исполнителя Чертежник являются следующие:

PenUp (поднять перо) – Чертёжник поднимает перо. При дальнейшем перемещении исполнитель не будет оставлять за собой след.

PenDown (опустить перо) – Чертёжник опускает перо. При дальнейшем перемещении исполнитель будет оставлять за собой след.

ToPoint (переместиться в) – перо перемещается в указанную точку с координатами (х, у).

OnVector (переместиться на) – перо смещается относительно его текущего положения, то есть, если текущее положение – точка (х,у), то перо сместится в точку (х+а, у+b).

Procedure – процедура.

Все команды Чертежника, кроме «поднять перо», «опустить перо», используют параметры, которые являются величинами.

Также исполнитель Чертежник  использует следующие команды:

Сменить Цвет (n) – данная команда позволяет установить новый цвет для последующего рисования, где n – это число, задающее номер цвета:

1. Чёрный
2. Тёмно-синий
3. Тёмно-зелёный
4. Тёмно-голубой
5. Тёмно-красный
6. Тёмно-сиреневый
7. Болотный
8. Светло-серый
9. Тёмно-синий
10. Синий
11. Зелёный
12. Голубой
13. Красный
14. Сиреневый
15. Жёлтый

Написать ('текст') – команда позволяет напечатать записанный в скобках текст. Текст записывается в одинарных кавычках и выводится с текущей позиции пера.

Вернуть Х – функция, которая возвращает в программу вещественное значение координаты Х текущей точки.

Вернуть У – функция, которая возвращает в программу вещественное значение координаты У текущей точки.

Данными при работе с этим исполнителем является обстановка на поле Чертежника. Она определяется имеющимся рисунком и состоянием самого Чертежника: его позицией на поле и направлением. Обычно исходной обстановкой является отсутствие рисунка (чистое поле) и определенное состояние исполнителя. Результатом работы является рисунок.

1.2.3 Методика обучения учеников работе с исполнителем

Первыми заданиями по управлению Чертежником 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. Следует обратить внимание учеников на необходимость первоначальной установки исполнителя на поле. Можно продемонстрировать ученикам реакцию Чертежника в случае, если его пытаются переместить за границу поля. С ним происходит «авария». Следовательно, выход за край поля допускать нельзя. [14]

Наибольший интерес  представляет работа в программном  режиме. Для перехода в этот режим  достаточно переместить курсор в  поле программы. После этого сразу увеличится «белое меню».

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. [9]

И. Г. Семакин предлагает 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. [6]

1.2.4 Способы  описания алгоритмов

Традиционно в школьной информатике используются два способа описания алгоритмов: блок-схемы и учебный алгоритмический язык. Основное достоинство блок-схем — наглядность алгоритмической структуры. Однако это качество проявляется лишь в том случае, если изображение блок-схемы происходит стандартным способом. Основным следствием освоения учениками структурной методики должно стать умение при построении алгоритмов «мыслить структурами». Структурно изображенные блок-схемы (рисунок 1.2) помогают такому видению алгоритма.

а)                                                            б)

Рисунок 1.2 Блок-схемы

 

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 алгоритмическом языке 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. [22]

1.3 Введение понятия «величина»

Есть две стороны  в обучении алгоритмизации:

• обучение структурной методике построения алгоритмов;
• обучение методам работы с величинами.

Знакомясь с программным  управлением исполнителями, работающими  «в обстановке», ученики осваивали  методику структурного программирования. При этом понятие «величина» могло быть не затронуто вовсе. Однако с величинами ученики уже встречались в других темах базового курса: в частности, при изучении баз данных, электронных таблиц. Теперь требуется объединить навыки структурной алгоритмизации и навыки работы с величинами.

1.3.1 Представление алгоритма в ЭВМ

Составление любой программы  для ЭВМ начинается с построения алгоритма. Как известно, всякий алгоритм (программа) составляется для конкретного исполнителя, в рамках его системы команд. При программировании для ЭВМ исполнителем является компьютер. Входным языком такого исполнителя является язык программирования Паскаль.

Процесс программирования делится на три этапа:

1) составление алгоритма  решения задачи;

2) составление программы  на языке программирования;

3) отладка и тестирование  программы.

Для описания алгоритмов работы с величинами следует также использовать блок-схемы и учебный алгоритмический язык. Описание алгоритмов должно быть ориентировано на исполнителя со структурным входным языком, независимо от того, какой язык программирования будет использоваться на следующем этапе. [10]

1.3.2 Характеристики величин

 

Компьютер работает с  информацией. Информация, обрабатываемая компьютерной программой, называется данными. Величина — это отдельный  информационный объект, отдельная единица данных. Команды в компьютерной программе определяют действия, выполняемые над величинами. По отношению к программе данные делятся на исходные, результаты (окончательные данные) и промежуточные данные, которые получаются в процессе вычислений.

Важнейшим понятием, которое  должны усвоить ученики, является следующее: всякая величина занимает свое определенное место в памяти ЭВМ – ячейку памяти. В результате в сознании учеников должен закрепиться образ ячейки памяти, сохраняющей величину. [6]

У всякой величины имеются  три основных характеристики: имя, значение и тип. На уровне машинных команд всякая величина идентифицируется адресом ячейки памяти, в которой она хранится, а ее значение — двоичный код в этой ячейке. В алгоритмах и языках программирования величины делятся на константы и переменные. Однако ученики должны знать, что и константа, и переменная занимают ячейку памяти, а значение этих величин определяется двоичным кодом в этой ячейке.

В каждом языке программирования существует своя концепция типов  данных, своя система типов. Однако в любой язык входит минимально-необходимый  набор основных типов данных, к которому относятся следующие:

• Целый
• Вещественный
• Логический
• Символьный [13]

Значение и свойства основных типов данных приведены  в таблице 1:

Тип	Значения	Операции	Внутреннее  представление
Целый	Целые положительные  и отрицательные числа в некотором диапазоне. Примеры: 23, -12, 387	Арифметические операции с целыми числами: +, — , х, целое деление и остаток от деления. Операции отношений (<, >, = и др.)	Формат c фиксированной точкой
Вещественный	Любые (целые и дробные) числа в некотором диапазоне. Примеры: 2.5, -0.01, 45.0, 3.6х109	Арифметические операции: +, -, х, /. Операции отношений	Формат с плавающей  точкой
Логический	True (истина), False (ложь)	Логические операции: И (and), ИЛИ (or), HE (not). Операции отношений	1 бит: 1 — true; 0 - false
Символьный	Любые символы компьютерного  алфавита. Примеры: V, '5', '+', '$'	Операции отношений	Коды таблицы символьной кодировки. 1 символ — 1 байт

Таблица 1 Свойства основных типов данных

1.3.3 Действия  над величинами

 

Действия над величинами определяемые алгоритмом (программой), основываются на следующей иерархии понятий: операция — выражение — команда, или оператор — система команд (рисунок 1.3).

 

 

 

Рисунок 1.3 Средства выполнения действий над величинами

 

Операция — простейшее законченное действие над данными. Операции для основных типов данных перечислены в приведенной выше таблице.

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