Методика изучения темы «Алгоритмы и исполнители»

Содержание вопроса:

Цели изучения основ алгоритмизации в школьном курсе информатики. Методические особенности изучения базовых понятий алгоритмизации. Системы учебных исполнителей и их использование в обучении алгоритмизации. Методические подходы к изучения ключевых вопросов темы: «Алгоритм. Свойства алгоритма». «Исполнитель алгоритмов. Компьютер как формальный исполнитель алгоритмов», «Алгоритмические конструкции», «Вспомогательные алгоритмы», «Алгоритмы работы с величинами».

Содержание ответа:

Цели изучения темы в базовом курсе информатики: ввести понятие алгоритма, развить алгоритмическое мышление (операторное), познакомить с языком записи алгоритма. Ввести понятие «исполнитель», ввести понятие «ски»; овладе­ние учащимися структурной методикой построения алгоритмов.Ввести понятие «величина», познакомить с основными характеристиками величины, познакомить с действиями, выполняемыми над величинами в алгоритме, сформировать навык построения алгоритмов для работы с величинами.

В определении алгоритма содержатся основные понятия, связанные с алгоритмом и его главные свойства. Взаимосвязь понятий отра­жена на рисунке.

Центральным объектом в этой системе является ИСПОЛНИ­ТЕЛЬ алгоритмов. Вводится понятие исполнителя. Исполнитель — это тот объект (или субъект), для управления которым составляется алгоритм. Алгоритм может вклю­чать в себя только команды, входящие в СКИ.

Далее приводятся свойства алгоритма:

• понятность.

• точность.

• конечность.

• результативность.

• исходные данные.

• Дискретность. Дискретность состоит в том, что команды алгоритма выполняются последовательно, с точной фиксацией моментов окончания выполнения одной ко­манды и начала выполнения следующей.

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

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.

Для обучение методам построения алгоритмов используется понятие «исполнитель» и «ски» исполнителя, знакомство с программируемыми исполнителями. Традиционно применяемым дидактическим средством в этом разделе являются учебные исполнители алгоритмов. К таким исполнителям можно отнести: КУКАРАЧА, МУРАВЕЙ Г.Н.Гутмана, КЕНГУРЕНОК, реализованный фирмой КУДИЦ. Для изучения 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.

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:

· Вначале описывается среда исполнителя;

· Режимы работы. Режим работы — это определенное со­стояние учебного исполнителя, в котором могут выполняться оп­ределенные действия. Необходимо в наглядной форме предста­вить ученикам все возможные режимы работ используемого ис­полнителя.

Режим программного управления следует трактовать как имитацию ситуации, когда объектом управляет компьютер. Роль человека — составление алгоритма, ввод программы и инициализация ее ис­полнения компьютером.

И, наконец, исполнение может проходить в трех режимах:

— в автоматическом режиме (на экране сразу появляется результат выполнения программы);

— в автоматическом пошаговом режиме;

— в отладочном режиме (исполнение каждой команды запуска отдельно и подробно комментируется мультипликационными средствами).

· Система команд исполнителя (СКИ). Систему команд управления исполнителем следует сообщать ученикам не всю сразу, а постепенно, по мере их необходимости для решения задач.

Первыми заданиями по управлению исполнителем должны быть задачи на работу в режиме прямого уп­равления с целью получить определенный рисунок (слово, в зависимости от выбора исполнителя). Нужно продемонстрировать ученикам реакцию исполнителя при выполнении команды не входящей в «ски». Исполнитель дает сообщение о невозможности выполнить команду. 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.

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.

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.

Можно выделить две стороны в обучении алгоритмизации:

—обучение структурной методике построения алгоритмов;

—обучение методам работы с величинами.

Знакомясь с программным управлением исполнителями, ученики осваивали методику структурного программирования. При этом понятие «величина» могло быть не затронуто вовсе. Теперь требуется объединить навыки структурной алгоритмизации и навыки работы с величинами.

Учащимся следует сказать что, всякий алгоритм (программа) составляется для конкретного исполнителя, в рамках его системы команд. Исполнителем является комплекс «ЭВМ + система программирования (СП)».

Для описания алгоритмов работы с величинами следует, 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.

Понятие величины вводится с использованием рассуждения учителя, Которое заключается в следующем: 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. Термин «ячейка памяти» рекомендуется употреблять и в дальнейшем для обозначения места хранения величины.

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.

Учащиеся знакомятся с минимально-необходимым набором основных типов данных, к которому относятся следующие: целый, вещественный, логический и символьный.

Действия над величинами, определяемые алгоритмом (программой), основываются на следующей иерархии понятий: операция — выражение — команда, или оператор — система команд (рис. 1).

Рис. 1. 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.

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

Узловыми понятиями в программировании являются понятия переменной и присваивания. Процесс решения вычислительной задачи — это процесс после­довательного изменения значений переменных. В итоге в определенных переменных получается искомый результат. Переменная получает определенное значение в результате присваивания.

Команда присваивания имеет следующий вид:

<переменная>:= <выражение>

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

1) вычислить выражение;

2) присвоить полученное значение переменной.

Обратите внимание учеников на то, что команда выполняется справа налево. Нельзя путать команду присваивания с математическим равенством! Особенно часто путаница возникает в тех случаях, когда в качестве знака присваивания используется знак «=» и учитель читает его как «равно». В некоторых языках программирования знак «=» используется как присваивание, например, в Бейсике и Си. В любом случае надо говорить «присвоить».