Методическая последовательность изучения основных алгоритмических конструкций
методическая разработка

Краевое государственное бюджетное

профессиональное образовательное учреждение

«Хабаровский промышленно-экономический техникум»

Методическая последовательность изучения основных алгоритмических конструкций

Хабаровск

2021

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты могут применяться  преподавателями информатики для преподавания этого раздела, студентами всех специальностей, изучающих дисциплину «Информатика».

Составитель: Волкова И.Б., преподаватель информатики.

Оглавление

Введение        4

Глава 1. Теоретические основы изучения алгоритмических конструкций в курсе информатики        5

1.1. Содержательный аспект изучения алгоритмических конструкций в курсе информатики        5

2.1 Методический аспект изучения алгоритмических конструкций в курсе информатики        13

2.2. Методические материалы для проведения уроков по изучению алгоритмических конструкций в курсе информатики        15

Заключение        25

Библиографический список        26

Введение        

Алгоритмизация является основным элементом содержания курса информатики. Изучение алгоритмизации имеет два неотъемлемых аспекта: развивающий и программистский. Развивающий аспект связан с необходимостью развития алгоритмического мышления современного человека. Программистский аспект связан с показом учащимся содержания деятельности программиста, где учащиеся получают представление о программе и языках программирования. Основные алгоритмические конструкции реализуются в среде программирования. С помощью конструкций помимо организации алгоритмического мышления можно описывать различные процессы.  Возникновение алгоритмов прослеживается в различных сферах  жизнедеятельности человека. Таким образом, алгоритм – это механизм, способствующий функционированию и развитию любой системы. Человеком самостоятельно осваивается ряд алгоритмов, но есть алгоритмы, требующие обучения.  Алгоритмизация является средством развития мышления ученика.

Изучение алгоритмов включает большой объем материала, связанный с определением понятия алгоритма, построением алгоритмических конструкций, применением и работой языков программирования. Возникает множество вопросов преподавания относительно содержания, методов и средств, используемых для этого. Изучать основные базовые конструкции можно по-разному: с помощью исполнителей, учебных алгоритмических языков, языков программирования.

Различные авторы учебных программ подходят к построению алгоритмической учебной линии по-разному. В том числе по иному решаются проблемы содержания теоретической и практической частей авторами программ.

В связи с вышесказанным рассмотрена тема «Методическая последовательность изучения основных алгоритмических конструкций».

Объект данной  работы – процесс обучения информатике.

Предмет – методическая последовательность изучения основных алгоритмических конструкций в курсе информатики.

Цель работы – раскрыть методическую последовательность изучения основных алгоритмических конструкций в курсе информатики и предложить методические разработки для преподавания темы в курсе информатики.

Исходя из цели и предмета, определены следующие задачи исследования:

• ознакомиться  с содержательным аспектом изучения алгоритмических конструкций в курсе информатики;    
• построить план последовательности изучения основных алгоритмических конструкций в курсе;
• разработать конспект урока по изучению темы;

Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты могут применяться  преподавателями информатики для преподавания этого раздела, студентами всех специальностей, изучающих дисциплину «Информатика».

Глава 1. Теоретические основы изучения алгоритмических конструкций в курсе информатики

1.1. Содержательный аспект изучения алгоритмических конструкций в курсе информатики

Алгоритмы представляются как некоторые структуры, состоящие из основных (базовых) элементов. Элементарные шаги объединяются в алгоритмические конструкции.

Алгоритмы разделяются на следующие группы:

1. линейные (последовательные);
2. разветвляющиеся;
3. циклические;
4. рекурсивные.

Важно знать структуру алгоритма и принципы составления. Для решения любой задачи могут быть построены несколько алгоритмов, приводящих к получению результата решения. Из возможных алгоритмов необходимо выбирать лучший по следующим критериям: по точности решения задачи, временным затратам, количеству и простоте этапов в алгоритме.

Линейная алгоритмическая конструкция

Линейным называется алгоритм, в котором все этапы решения задачи выполняются один раз строго последовательно. Последовательный алгоритм выполняется в естественном порядке его написания, не содержит разветвлений и повторений. Например, алгоритм отпирания дверей – достать ключ, вставить ключ в замочную скважину, открыть замок; алгоритм заваривания чая − достать чайник, насыпать в него чай, залить кипятком, настоять 5 мин.

Линейный алгоритм используется при вычислении арифметического выражения с простейшими алгебраическими действиями. Структура алгоритма (табл. 1).

Таблица 1 – Линейные алгоритмы

Прямоугольник может представлять как одну команду, так и множество действий, необходимых для обработки данных.

Итак, при разработке линейного алгоритма необходимо учитывать:

1. вид алгоритма является простейшим;
2. алгоритм используется для реализации простых вычислений по формулам;
3. инструкции выполняются последовательно.

Разветвляющаяся алгоритмическая конструкция

На практике чаще всего встречаются задачи, содержащие условие, появляется ветвление.

В разветвляющейся (ветвящейся) конструкции обеспечивается выбор одной из альтернатив в зависимости от значения данных на входе.

Или разветвляющийся алгоритм – это алгоритм, в котором в зависимости от условия выполняется либо одна, либо другая последовательность команд. Например, если идет дождь, то необходимо открыть зонт; если билет в кино стоит не более двухсот рублей, то купить билет и занять место, иначе (если стоимость билета больше 200 рублей) вернуться домой. Количество ветвей в такой конструкции не обязательно равно двум. При каждом конкретном наборе входных данных разветвляющийся алгоритм сводится к линейному алгоритму.

Варианты структуры ветвления следующие:

1. полное ветвление;
2. неполное ветвление.

Полное ветвление предполагает выполнение действий для обеих ветвей:

Если [условие], то [действие 1], иначе [действие 2]

Представим структуру (табл. 2).

Таблица 2 – Полная форма ветвления

Неполное ветвление

Действие выполняется на одной ветви алгоритма (вторая ветвь отсутствует):

Если [условие], то [действие]

Структура такого алгоритма представлена в виде таблицы (табл. 3).

Таблицы 3 – Неполное ветвление

Итак, при разработке разветвляющегося алгоритма учитывается, что:

1. данный вид алгоритма применяется при наличии операций условного перехода;
2. алгоритм используется для вычислений функций, заданных несколькими арифметическими выражениями (формулами);
3. инструкции в данной конструкции выполняются в зависимости от значения условия.

Выбор (табл. 4).

Выбор

при условие1: действия1

при условие2: действия2

…………………………….

при условие N: действия N

иначе действия N+1

Все

Таблица 4 – Команда выбор

Циклическая алгоритмическая конструкция

Алгоритмы, в которых действия многократно повторяются, называются алгоритмами циклической структуры, которая позволяет сократить объем алгоритма, представить его в компактной форме путем организации повторений большого числа одинаковых вычислений над разными данными для получения требуемого результата.

В циклической конструкции идущая подряд группа действий (шагов) выполняется несколько раз, в зависимости от входных данных или условия задачи.

Совокупность повторяющихся действий алгоритма называют циклом, т. е. циклические алгоритмы включают в себя циклы.

Группа повторяющихся действий на каждом шагу цикла называется телом цикла.

Примеры циклических алгоритмов: покраска стен, прием документов учащихся при поступление в образовательное учреждение.

Циклический алгоритм включает в себя:

1. команды, связанные с заданием исходных данных, используемых в цикле;
2. тело цикла для вычисления искомых данных, подготовку значений для повторного выполнения шагов в теле цикла;
3. команды, определяющие необходимость дальнейшего выполнения тела цикла.

Циклы, для которых число повторений определяется в ходе выполнения цикла, называются итерационными (циклы с неизвестным числом повторений). В этом случае одно повторение цикла называется итерацией. Для лучшего понимания их основных отличий друг от друга рассмотрим каждый тип отдельно.

Арифметический цикл (цикл с параметром)

Предполагает, что число итераций заранее известно. Предписывает выполнять тело цикла для всех значений некоторой переменной (параметра цикла) в заданном диапазоне.

Цикл типа Для:

Для всех [параметр цикла] повторять [действие]

[параметр цикла] − счетчик количества повторений;

[действие] – тело цикла (последовательность команд, шагов).

Количество повторений однозначно определяется правилом изменения параметра, которое задается с помощью начального и конечного значений параметра и шагом его изменения.

Структура цикла с параметром представлена в таблице (табл. 5).

Таблица 5 – Цикл с параметром

Цикл с предусловием

Цикл типа Пока:

Пока <условие> выполнять [действие]

<условие> – некоторое проверяемое логическое условие;

[действие] – тело цикла (последовательность команд, действий).

Условие записывается в виде логического выражения, в нем определяется значимость дальнейшего выполнения повторяющихся шагов.

Оператор цикла с предусловием выполняется следующим образом:

1.  проверяется условие цикла;
2. если условие истинно, тогда выполняется тело цикла;
3. проверяется условие продолжения цикла и т. д.;
4. если условие продолжения цикла ложно, тогда следует выход из цикла.

При  изначально ложном условии тело цикла не выполнится вообще.

Структура цикла с предусловием представлена в таблице (табл. 6).

Таблица 6 – Цикл с предусловием

Цикл с постусловием

Так же, как и в цикле с предусловием, число итераций заранее не определено и зависит от входных данных задачи. Но, в отличие от него, значение условия проверяется после выполнения очередного шага цикла.

Цикл типа До:

Выполнять [действие] до тех пор пока <условие> ложно

<условие> – некоторое проверяемое логическое условие;

[действие] – тело цикла (последовательность команд, действий)

Условие записывается в виде логического выражения, в нем определяется необходимость дальнейшего выполнения повторяющихся действий.

Оператор цикла с постусловием выполняется следующим образом:

− сначала выполняется тело цикла;

− затем проверяется условие продолжения цикла;

− если условие является истинным, тогда выполняется тело цикла, далее идет проверка условия и т. д.;

− если условие цикла ложно, тогда происходит выход из цикла.

Цикл выполнится хотя бы один раз до того, как проверяется условие.

Вспомогательный алгоритм – это блок последовательных действий в основном алгоритме, который выделен в качестве самостоятельного алгоритма, имеющего свое имя [3]. Вспомогательный алгоритм является вложенным при включении в другой алгоритм. Пока вложенной конструкции не дано имя, она не является вспомогательным алгоритмом. Вспомогательный алгоритмам относится к процедуре, которая описывается перед выполнением основной программы и служит для выполнения одинаковых действий с различными параметрами.

При разработке алгоритма необходимо пройти две стадии – сначала алгоритм должен быть понятен разработчику, затем алгоритм следует преобразовать с учетом специфики среды.

Глава 2 Методические особенности изучения алгоритмических конструкций в курсе информатики

2.1 Методический аспект изучения алгоритмических конструкций в курсе информатики

Большую сложность вызывает изучение алгоритмических конструкций. Подробно необходимо остановить на каждой конструкции.

Линейные структуры воспринимаются легче всего.

В ряде учебников первой изучаемой конструкцией после линейной конструкции рассматривается цикл, что сокращает запись алгоритма. Это конструкция «повторить n раз». Такой подход затрудняет освоение циклов как структуры организации действий. Циклы с предусловием и с постусловием (цикл «пока», цикл с параметром, цикл «до») воспринимаются как изолированные друг от друга. Не уделено внимание учащихся на умения, необходимые при разработке циклов: выделение условия продолжения или окончания цикла, необходимое выделение тела цикла. Проверка условия в цикле «повторить n раз» практически не видна, и циклический алгоритм часто продолжает восприниматься учениками как алгоритм следования, только иначе оформленный, это порождает неправильный стереотип у учеников в общем восприятии циклов.

Методически правильным является вначале изучить команды ветвления, в которой используется условие.

При разборе конкретного разветвляющегося алгоритма на схеме необходимо отметить разными цветами два возможных способа выполнения команды, точку входа и выхода из команды. Обязательно вслух проговаривается алгоритм с использованием ключевых слов «если», «то», «иначе» для лучшего усвоения данной структуры и пропедевтики записи алгоритма с помощью псевдокода. Команда ветвления заканчивает свою работу, как только выполнится одно из двух предложенных действий.

Следует обсуждать с учащимися необходимость использования команды ветвления. Для этого необходимо задать вопросы: почему алгоритм решения задачи не может иметь линейную конструкцию? Какое условие необходимо проверить при выполнении алгоритма? Какие действия выполняются при соблюдении условия, а какие выполняются при несоблюдении условия? Какая форма команды ветвления применена в задаче? Для каких задач используется данная конструкция алгоритма?

С понятием «цикл» преподаватель знакомит после введения понятия «условный оператор». Необходимо направить учащихся на правильный выбор той или иной циклической структуры.

Необходимо сказать, что операторы цикла используются в том случае, если возникает необходимость неоднократно выполнить некоторые операторы. В языке Паскаль различают операторы цикла: while, repeat, for.

Если число повторений оператора (составного оператора) заранее неизвестно, а задано лишь условие его повторения (или окончания), используются операторы while, repeat. Оператор for используется, если число повторений заранее известно.

Проанализировав учебную и методическую литературу, мы пришли к выводу, что методически целесообразно изучение команды повторения следует начинать с введения цикла с постусловием. В этом случае учащемуся дается возможность вначале осмыслить команды, входящие в цикл, и только после этого сформулировать условие повторения этих команд. Методически неверной будет последовательность ввода цикла с предусловием. Учащемуся придется выполнять одновременно оба этих действия. Это снизит эффективность проведения урока. В то же время цикл с постусловием рассматривается в качестве подготовки восприятия цикла с предусловием. Необходимо обратить внимание на то, что виды цикла отличаются по месту проверки условия, по условию возврата к повторению выполнения тела цикла. Если в команде повторения с постусловием тело цикла выполняется хотя бы один раз, то в команде повторения с предусловием тело цикла может не выполняться ни разу.

Тему вспомогательные алгоритмы методически целесообразно рассматривать после трех базовых структур. Знакомство с основными алгоритмическими конструкциями  позволяет ввести понятия вложенности структур алгоритма и функционального блока. Все это позволяет определить построение вспомогательного алгоритма. Вспомогательный алгоритм строится как комбинация элементарных функциональных блоков, то есть комбинация базовых структур.

2.2. Методические материалы для проведения уроков по изучению алгоритмических конструкций в курсе информатики

Предлагаем конспект урока по теме «Циклические алгоритмы».

Цели урока

Учебная:

• познакомить учащихся с понятием, структурой, способами записи циклического алгоритма;
• сформировать умения использования циклических конструкций при решении задач.

Воспитательная:

• воспитывать внимательность, аккуратность, дисциплинированность, усидчивость;
• способствовать воспитанию ответственности.

Развивающая:

• развивать алгоритмическое мышление;
• способствовать развитию внимания, памяти, мыслительных операций.

Основные понятия: циклический алгоритм, цикл, тело цикла, условие цикла.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Ход урока:

Заключение

Важной составляющей интеллектуального развития человека является алгоритмическое мышление. Наибольшим потенциалом для формирования алгоритмического мышления учащихся среди естественнонаучных дисциплин обладает информатика. Выбор и разработка алгоритма имеет важнейшее значение для успешной работы над программой. Правильно проработанный алгоритм решения задачи – необходимое условие эффективной работы по составлению алгоритма.

Рассмотрена последовательность изучения алгоритмических конструкций, что позволяет сделать следующие выводы:

• предложена и обоснована концепция последовательности преподавания алгоритмических конструкций в курсе информатики;
• разработан конспект урока «Циклические алгоритмы».

Можно сделать вывод о том, что поставленная в начале цель раскрыть методическую последовательность изучения основных алгоритмических конструкций в курсе информатики и предложить методические разработки для преподавания темы в курсе информатики была достигнута.

Библиографический список

1. Аляев Ю. А. Практикум по алгоритмизации и программированию на языке Паскаль : учебное пособие / Ю. А. Аляев, В. П. Гладков, О. А. Козлов. – М. : Финансы и статистика, 2004. – 528 с.
2. Босова Л.Л., Босова А.Ю. Информатика и ИКТ. Учебная программа и поурочное планирование для 8-9 классов. –М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 263 с.
3. Бочарова Т.А. Основы алгоритмизации: учеб. пособие/ Т.А. Бочарова, Н.О. Бегункова. – Хабаровск: Изд-во Тихоокеан. гос. ун – та, 2011. – 64 с.
4. Изучение информатики и вычислительной техники: пособие для учителей / А.П. Ершова, В.М. Монахова. – М., 2003.
5. Информатика и информационные технологии / Ю. Д. Романовой. – М. : Эксмо, 2005. – 592 с.
6. Князева М. Д. Алгоритмика: от алгоритма к программе: учеб. пособие / М.Д. Князева. – М. : КУДИЦ-ОБРАЗ, 2006. – 191 с.
7. Кормен Т. Алгоритмы: построение и анализ / Т. Кормен, Ч. Лейзерсон, Р. Ривест. – М. : МЦНМО, 2002. – 955 с.
8. Лапчик М.П. Методика обучения информатики / Лапчик М.П. – М., 2001.