Знакомство с системой программирования кумир. Простейший алгоритм

Знакомство с программой Кумир осваение азов программирования.

В ней учащиеся могут получить практические навыки при создании и отладке алгоритма, работая с такими исполнителями, как Робот, Чертёжник, Водолей, Кузнечик,Черепашка.

При изучении одного из наиболее трудных разделов информатики «алгоритмизация и программирование».

Цель разработки :

Скачать:

Предварительный просмотр:

Методическая разработка по информатике.

Тема: «Исполнитель Робот в программе КуМир на уроках информатики »

учитель технологии «Информатика и ИКТ»

Пояснительная записка

Цель разработки : изучить возможности программирования на примере конкретного исполнителя Робот с использованием среды КУМИР; дать практические навыки работы с исполнителем.

Методическая разработка составлена для проведения уроков информатики Практика на компьютере : работа с учебным исполнителем алгоритмов; составление линейных, ветвящихся и циклических алгоритмов управления исполнителем; составление алгоритмов со сложной структурой; использование вспомогательных алгоритмов (процедур, подпрограмм).

Учащиеся должны знать:

• что такое исполнитель; СКИ Робота, среду исполнителя Робот;
• что такое алгоритм; 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:

Учащиеся должны уметь:

• понимать описания алгоритмов на учебном алгоритмическом языке;
• выполнить трассировку алгоритма для известного исполнителя;
• составлять линейные, ветвящиеся и циклические алгоритмы управления исполнителя Робот; выделять подзадачи; определять и использовать вспомогательные алгоритмы.

Занятие 1 (2 часа) Урок 1.

Исполнитель Робот. Система команд исполнителя.

План урока.

1. Описание СКИ исполнителя, среды исполнителя.

2.Разбор типичных алгоритмов Робота.

Ход урока.

Рассмотрим описание исполнителя.

Среда исполнителя : Исполнитель Робот умеет перемещаться по лабиринту, начерченному на плоскости, разбитой на клетки.

СКИ Робота : простые команды: вверх, вниз, влево, вправо, закрасить.

Команды логические: (проверки условия)

сверху свободно снизу свободно

слева свободно справа свободно.

Логические связки: И,НЕ, ИЛИ:

Пример:(Не слева свободно) или (не справа свободно)

Команда ветвления : команда цикла:

Если условие то нц пока условие

Серия команд серия команд

всё кц

(В КИМах 2009 года команды Робота отличались от привычных детям, что приводило к путанице :)

Команда ветвления : команда цикла:

Если условие то нц пока условие делать

Серия команд серия команд

конец конец

Общий вид окна программы Кумир. Графическая среда Робота:

В КИМах демонстрационного варианта 2010 года формат команд изменен на привычный

Порядок создания алгоритма:

1.Командами Инструменты -Редактировать стартовую обстановку нарисовать на поле Робота стены и установить Робота в начальное положение.

2.Командами Робот- Сменить стартовую обстановку сохранить новую обстановку.

3.Командами Вставка- Использовать Робот указать исполнителя.

4.В окне документа записать алгоритм, используя меню Вставка.

5.Командами Выполнение –выполнить непрерывно (или по шагам) запустить алгоритм.

6.Рассмотреть результат выполнения алгоритма и при необходимости произвести его отладку.

Занятие 1 (2 часа) Урок 2.

Практическая работа « Составление линейных алгоритмов».

Задания: 1.Робот в произвольной точке поля. Закрасить клетку сверху, снизу и справа от исходного положения.

1. Робот в произвольной точке поля. Передвинуть Робот на 4 клетки вправо, закрасив их.
2. Создайте новую стартовую обстановку, нарисовав на поле квадрат со стороной 4 клетки. Сохраните обстановку как стартовую.
3. Создайте новую стартовую обстановку, нарисовав на поле коридор с проходами в стенах. Сохраните обстановку как obst2.fil. Смените стартовую обстановку на вновь созданную.

Занятие 2 (2 часа) Урок 1.

Тема : Ветвление и последовательная детализация алгоритма.

Разбор задач КИМов с использованием исполнителя Робот.

использовать Робот

алг ким 2009

нач

если не снизу свободно

то вправо

все

если не снизу свободно

то вправо

все

если не снизу свободно

то вправо

все

кон

использовать Робот

алг ким 2010

нач

если не снизу свободно

то вправо

все

если не снизу свободно

то вправо

все

если не снизу свободно

то вправо

все

кон

Пр. раб. №14. Составление и отладка алгоритмов ветвления

Задания. См. Приложение.

Занятие 3. Циклические алгоритмы. Урок 1-2

Цель: раскрыть сущность понятия цикла в алгоритмах, показать формы записи циклов алгоритмах, дать навыки создания и записи циклических алгоритмов.

Пр. раб. №15. Составление и отладка циклических алгоритмов

1.Составьте алгоритм, закрашивающий все внутренние клетки, прилегающие к стене.

использовать Робот

алг

нач

нц пока справа свободно

закрасить; вправо

кц

нц пока снизу свободно

закрасить; вниз

кц

нц пока не снизу свободно

закрасить; влево

кц

кон

2.Составить алгоритм, закрашивающий все клетки между Роботом и стеной. Расстояние до стены неизвестно.

использовать Робот

алг

нач

нц пока справа свободно

вправо; закрасить

кц

кон

3.Составить алгоритм, закрашивающий все клетки, находящиеся между двумя стенами.

использовать Робот

алг уч3

нач

нц пока (не сверху свободно) или (не снизу свободно)

вправо

если (не сверху свободно) и (не снизу свободно)

то

закрасить

все

кц

кон

4.Составить алгоритм, закрашивающий все клетки вокруг прямоугольной стены.

алг уч4

нач

закрасить;вверх

нц пока не справа свободно

закрасить;вверх;

кц

закрасить;вправо

нц пока не снизу свободно

закрасить;вправо;

кц

закрасить;вниз

нц пока не слева свободно

закрасить;вниз;

кц

закрасить;влево

нц пока не сверху свободно

закрасить; влево;

кц

кон

использовать Робот

алг уч5

нач

вправо

нц пока не снизу свободно

закрасить; вправо

кц

закрасить; вниз

нц пока слева свободно

закрасить; влево

кц

нц пока не слева свободно

закрасить; вниз

кц

закрасить;влево;закрасить; вверх;

нц пока сверху свободно

закрасить; вверх

кц

нц пока не сверху свободно

закрасить; влево

кц

кон

Занятие 4 Урок 1

Вспомогательные алгоритмы .

Цель: ввести понятие основного и вспомогательного алгоритма; объяснить правила использования вспомогательного алгоритма; разобрать примеры алгоритмов с использованием вспомогательного.

План урока

1.Ввод новых терминов (основного и вспомогательного алгоритма, вызова) и объяснение новых понятий.

2.Разбор примеров решения задач с применением вспомогательного алгоритма.

При решении некоторых задач удобно разбить их на более мелкие подзадачи, каждую из которых можно оформит как самостоятельный алгоритм. В этом случае сначала составляется так называемый основной алгоритм, в котором для решения подзадач используются вызовы вспомогательных алгоритмов, которые дописываются позднее. Такой способ решения называется методом последовательного уточнения. Он позволяет работать над проектом группе программистов, каждый при этом решает свою подзадачу.

В процессе решения задачи каждый вспомогательный алгоритм может при необходимости быть разбит на более мелкие вспомогательные алгоритмы.

Команда выполнения вспомогательного алгоритма называется вызовом и записывается в теле основного алгоритма.

Один и тот же алгоритм может рассматриваться как основной и вспомогательный по отношению к другим алгоритмам. В алгоритмическом языке сначала записывается основной алгоритм, ниже подряд записываются вспомогательные.

Задача1:

Робот находится в верхнем левом углу поля. Стен и закрашенных клеток нет. Составить алгоритм, с использованием вспомогательного, рисующий четыре крестика на одной горизонтали. Конечное положение Робота может быть произвольным.

Решение

Разбор на доске:

Задача2. Робот находится в верхнем левом углу поля. Стен и закрашенных клеток нет. Составьте алгоритм, который закрашивает в шахматном порядке квадрат 8 х 8. Конечное положение Робота может быть произвольным.

Занятие 4 Урок 2

Практическая работа на ПК «Решение задачи с использованием вспомогательных алгоритмов» .

Цель : привить практические навыки построения алгоритмов методом последовательного уточнения.

План урока

1.Задание полностью проходит за ПК. Учащиеся получают задания и выполняют их в программной среде Кумир. Результаты Работы сохраняются в виде файлов для последующей проверки.

Задача1 . Робот находится в нижнем левом углу поля. Стен и закрашенных клеток нет. Составьте алгоритм, который закрашивает 6 вертикальных полос одинаковой длины в 6 клеток. Конечное положение Робота может быть произвольным.

Задача2 .Используя вспомогательные, составьте алгоритм для закрашивания клеток, образующих число 1212.

Домашнее задание : Придумайте алгоритм, рисующий следующее изображение: Для решения задачи примените два вспомогательных алгоритма.

Занятие 5 Урок 1-2

Контрольная работа

«Составление алгоритма в среде исполнителя Робот».

Цель: проверить полученные знания по созданию и умению анализировать алгоритмы в программной среде Кумир.

Задания для контрольной работы делятся по уровням сложности и включает в себя 3 задачи с исполнителем Робот (1 и 2 задача –на ветвление и циклы, 3 задача с- на использование вспомогательного алгоритма.) Тексты заданий приводятся в приложении.

Исходные и конечные обстановки и созданные алгоритмы записываются в виде файла.

Оценка выставляется соответственно уровню сложности задания. Ученик вправе сам выбрать тип задания.

Исполнитель Робот Система команд исполнителя Робот Команды перемещения: вверх, вниз, влево, вправо Робот перемещается на одну клетку вверх, вниз, влево, вправо. Команда закрасить – закрашивает клетку, в которой стоит Робот. Проверка истинности условия: сверху свободно, снизу свободно, слева свободно, справа свободно Робот проверяет истинность условия отсутствия стены у той клетки, где находится Робот. Можно использовать запись составных условий, образованных логическими операциями И, ИЛИ, НЕ.

Исполнитель Робот Непосредственное редактирование обстановки Все команды редактирования обстановки выполняются с помощью мыши: поставить/убрать стену – щелкнуть по границе между клетками, закрасить/очистить клетку – щелкнуть по клетке, переместить Робота – перетащить мышью в нужную клетку.

Исполнитель Робот Команды меню Робот Показать поле Робота Делает видимым окно наблюдения за Роботом. Напечатать обстановку Создает файл в формате PDF, изображающий текущую обстановку в цветном или в черно-белом варианте. Сохранить обстановку в файл Создает текстовый файл с описанием обстановки во внутреннем формате *.fil. Этот файл в дальнейшем может быть загружен в качестве стартовой обстановки (команда Сменить стартовую обстановку) или при редактировании стартовой обстановки (команда Открыть окна редактирования стартовой обстановки). Сменить как стартовую обстановку Устанавливает новое имя файла стартовой обстановки (с помощью стандартного диалога) и загружает новую стартовую обстановку. Вернуться в стартовую обстановку Делает стартовую обстановку текущей.

Исполнитель Робот Изображение текущей обстановки в окне наблюдения Изображение текущей обстановки всегда полностью помещается в рабочем поле окна наблюдения за Роботом. Фон рабочего поля – зеленый. Закрашенные клетки – серые. Между клетками – тонкие черные линии. Стены Изображаются толстыми желтыми линиями. В клетке рабочего поля окна наблюдения Робот изображается ромбиком.

Исполнитель Робот Пример 1. Составим алгоритм с именем «Ход конем», что бы Роботу попасть из точки А в точку Б (Рис.3). Алгоритм имеет вид (Рис. 4.). После его исполнения Робот переместиться в нужную точку (Рис.5). Алгоритм, записанный на языке исполнителя называется программой. Рис.3Рис.4 Рис.5

Робот существует в определенной обстановке (прямоугольном клетчатом поле). Между некоторыми клетками поля могут быть расположены стены. Некоторые клетки могут быть закрашены (рис. 3.11).

Робот занимает ровно одну клетку поля.

По командам вверх, вниз, влево и вправо Робот перемещается в соседнюю клетку в указанном направлении. Если на пути оказывается стена, то происходит отказ - выдается сообщение о невозможности выполнить очередную команду.

По команде закрасить Робот закрашивает клетку, в которой стоит. Если клетка уже была закрашена, то она закрасится повторно, хотя никаких видимых изменений не произойдет.

Робот может исполнять только правильно записанные команды. Если вместо команды вниз написать внис, то Робот эту запись не поймет и сразу же сообщит об ошибке.

О
шибки: 1 синтаксические; 2. логические

Описания обстановок хранятся в текстовых файлах специального формата (формат.fil).

Текущая - обстановка, в которой находится Робот в данный момент (включая информацию о положении Робота).

Стартовая - обстановка, в которую принудительно помещается Робот в начале выполнения программы, использующей Робот.

Порядок работы:

1. 
   Задать стартовую обстановку по условию задачи:

2. Указать Исполнителя:

Меню Вставка →Использовать Робот

3. Написать алгоритм решения задачи.

4. Выполнить алгоритм (Меню Выполнение →Выполнить непрерывно /F9)

Система команд исполнителя Робот в системе КУМИР

Цикл – организация повторения действий, пока верно некоторое условие.

Тело цикла – набор повторяемых действий.

Условие – логическое выражение (простое или сложное (составное))
Типы циклов:

1.Цикл «Повторять n раз» 2. Цикл «Пока»
нц n раз нц пока
. . Тело цикла. . Тело цикла
кц кц

Пример: нц пока справа свободно

Общий вид цикла «Повторять n раз:

ПОВТОРИТЬ n РАЗ

КОНЕЦ
кц

Общий вид цикла «пока»:

ПОКА ДЕЛАТЬ

КОНЕЦ
Составные условия образуются из одного или нескольких простых условий и служебных слов И, ИЛИ, НЕ.

Пусть А - сверху свободно, В - справа свободно, тогда составное условие А И В - сверху свободно И справа свободно.

Пример: Пусть А – клетка закрашена (простое условие).

Проверка составного условия НЕ А:

а) А - выполнено, НЕ А (НЕ закрашено) - не выполнено.

б) А - не выполнено, НЕ А (НЕ закрашено) - выполнено.

Ветвление - форма организации действий, при которой в зависимости от выполнения или невыполнения некоторого условия совершается либо одна, либо другая последовательность действий.

Общий вид команды ЕСЛИ:

ЕСЛИ ТО ИНАЧЕ

КОНЕЦ

В языке КУМИР:

Полное ветвление: Неполное ветвление:
если то если то

иначе

все все

Вспомогательный алгоритм - алгоритм, решающий некоторую подзадачу основной задачи.

В системе КУМИР вспомогательные алгоритмы пишутся в конце основной программы (после служебного слова кон ), вызываются на выполнение в основой программе по имени.

Вопросы и задания

1. Приведите все алгоритмы из трех команд, которые переместят Робота из исходного положения в клетку Б.

Существует ли для этой задачи алгоритм, при выполнении которого Робот делает:

а) два шага; б) четыре шага; в) пять шагов; г) семь шагов?

1. 
   Петя составил алгоритм, переводящий Робота из клетки А в клетку Б с закрашиванием каких-то клеток. Что должен сделать Коля с этим алгоритмом, чтобы получить алгоритм, переводящий Робота из Б в А и закрашивающий те же клетки?

7. Известны два вспомогательных алгоритма Робота

Нарисуйте, что получится при выполнении Роботом следующих основных алгоритмов:

8. Составьте алгоритмы, под управлением которых Робот закрасит указанные клетки:

10. Известно, что где-то правее Робота есть закрашенная клетка.

Составьте алгоритм, под управлением которого Робот закрасит ряд клеток до закрашенной клетки и вернется в исходное положение.

11. Известно, что Робот находится рядом с левым входом в горизонтальный коридор.

12. Известно, что Робот находится где-то в горизонтальном коридоре. Ни одна из клеток коридора не закрашена.

Составьте алгоритм, под управлением которого Робот закрасит все клетки этого коридора и вернется в исходное положение.

Составьте алгоритм, который закрашивает клетки:

а) ниже каждой закрашенной клетки;

б) выше и ниже каждой закрашенной клетки.

нц пока клетка закрашена

ЕСЛИ справа свободно ТО

вправо; закрась

к
ц

15. Напишите программу, с помощью которой Робот сможет попасть в клетку Б во всех трех лабиринтах.

З

адачи ГИА

1. 
   Коридор1. Робот находится где-то в вертикальном коридоре. Ни одна из клеток коридора не закрашена. Составить алгоритм, под управлением которого Робот закрасит все клетки этого коридора и вернется в исходное положение.

1. 
   К
   Надо

   Дано
   оридор2. Робот находится в верхней клетке узкого вертикального коридора. Ширина коридора – одна клетка, длина коридора может быть произвольной.

Напишите для Робота алгоритм, закрашивающий все клетки внутри коридора и возвращающий Робота в исходную позицию. Например, для приведенного выше рисунка Робот должен закрасить следующие клетки (см.рисунок):

1. 
   На бесконечном поле имеется длинная горизонтальная стена. Длина стены неизвестна. Робот находится в одной из клеток непосредственно сверху от стены. Начальное положение Робота также неизвестно. Одно из возможных положений:

Дано
апишите алгоритм для Робота, закрашивающий все клетки, расположенные выше стены и прилегающие к ней, независимо от размеров стены и начального положения Робота. Например, для приведенного рисунка Робот должен закрасить следующие клетки:

Конечное положение Робота может быть произвольным. При выполнении алгоритма Робот не должен разрушаться.

1. 
   На бесконечном поле имеется длинная вертикальная стена. Длина стены неизвестна. Робот находится в одной из клеток, расположенной непосредственно справа от стены. Начальное положение робота также неизвестно. Одно из возможных положений робота приведено на рисунке (робот обозначен буквой «Р»):Напишите для работа алгоритм, закрашивающий все прилегающие к стене клетки: слева, начиная с верхней не закрашенной и через одну; справа, начиная с нижней закрашенной и через одну. Робот должен закрасить только клетки, удовлетворяющие данному условию. Например, для приведенного выше рисунка робот должен закрасить следующие клетки (см. рисунок): Конечное расположение робота может быть произвольным. Алгоритм должен решать задачу для произвольного размера стены и любой допустимой начальной позиции робота. При исполнении алгоритма Робот не должен разрушиться.

Напишите для Робота алгоритм, закрашивающий все клетки, расположенные левее вертикальной стены и выше горизонтальной стены и прилегающие к ним. Робот должен закрасить только клетки, удовлетворяющие данному условию. Например, для приведённого выше рисунка Робот должен закрасить следующие клетки (см. рисунок).

Напишите для Робота алгоритм, закрашивающий прилегающие к стене клетки, сверху и снизу, начиная с левой и через одну. Робот должен закрасить только клетки, удовлетворяющие данному условию. Например, для приведѐнного рисунка а) Робот должен закрасить следующие клетки (см. рис. б).

Конечное положение Робота может быть произвольным. Алгоритм должен решать задачу для произвольного размера стены и любой допустимой начальной позиции Робота.

1. 
   На бесконечном поле имеется длинная вертикальная стена. Длина стены неизвестна. Робот находится в одной из клеток, расположенной непосредственно слевав от стены. Начальное положение робота также неизвестно. Одно из возможных положений робота приведено на рисунке (робот обозначен буквой «Р»):

• 
  слева все;
• 
  справа, начиная с верхней незакрашенной и через одну.

B
1102_ГИА2011

На бесконечном поле имеются две горизонтальные стены. Длина стен неизвестна. Расстояние между стенами неизвестно. Робот находится над нижней стеной в клетке, расположенной у ее левого края. Напишите для Робота алгоритм, закрашивающий все клетки, расположенные выше нижней стены и ниже верхней стены и прилегающие к ним. Робот должен закрасить только клетки, удовлетворяющие данному условию. Например, для приведенного выше рисунка робот должен закрасить следующие клетки (см. рисунок):

Конечное расположение робота может быть произвольным. Алгоритм должен решать задачу для произвольного размера поля и любого допустимого расположения стен внутри прямоугольного поля. При исполнении алгоритма Робот не должен разрушиться.

В
1103_ГИА_2011

Напишите для Робота алгоритм, закрашивающий все клетки, расположенные выше горизонтальной стены и правее вертикальной стены и прилегающие к ним. Робот должен закрасить только клетки, удовлетворяющие данному условию. Например, для приведённого выше рисунка Робот должен закрасить следующие клетки (см. рисунок).

Для вводного курса с использованием исполнителей используется Кумир с «Модулем поддержки курсов» - МПК, разработанным Д.П.Кириенко, г.Москва . Поддержка МПК включена в стабильные версии системы Кумир только начиная с версии 1.8.0. Версии Кумир до 1.8.0 не содержат возможности поддержки курсов.

Для системы Windows - установить версию 1.8.0 системы Кумир с сайта разработчиков. Ссылка: http://lpm.org.ru/kumir2/files/1.8.0/kumir-1.8.0.rev2565-windows-32bit-setup.exe
Версии Кумир до 1.8.0 не содержат «Модуля поддержки курсов», поэтому нужна именно версия 1.8.0.

Запуск МПК

Для открытия окна МПК используется меню системы Кумир «Инструменты» - «Практикум».

Архив заданий для исполнителя Робот

Задания на исполнителя Робот (0-16 ) выполняются с использованием МПК. Необходимо скачать архив с заданиями , открыть из МПК файл vodoley.kurs.xml или robot.kurs.xml . Этот xml-файл содержит описания заданий, условия задач, ссылки на шаблоны алгоритмов, примеры стартовых обстановок для проверки, проверяющие алгоритмы.

Учащийся должен сохранить курс у себя в рабочем каталоге в файле с именем, например, ivanov.work.xml . В этом файле хранятся тексты решений, созданных школьником, результаты проверки его задач. Впоследствии учащийся должен открывать именно свой рабочий файл *.work.xml .

На примерах стартовых обстановок буквой “A” обозначена клетка, где робот находится до исполнения алгоритма, буквой “B” обозначена клетка, в которую необходимо переместить робота, звездочками в правом нижнем углу обозначены клетки, которые робот должен закрасить.

Инструкция по выполнению заданий

Для выполнения заданий дома учащимися и переноса выполненных заданий в школу имеется

Исполнитель “Робот”. Понятие алгоритма. Управление “Роботом” с помощью пульта. Команды-вопросы. Протокол сеанса ручного управления “Роботом”. Автоматическое управление “Роботом” с помощью ЭВМ. Алгоритм - план будущей деятельности. Алгоритмический язык.

В конце восьмидесятых годов в Политехническом музее в Москве проходили тематические встречи, организованные редакцией популярного тогда среди компьютерных специалистов журнала “Микропроцессорные средства и системы”. Один из таких вечеров был посвящен компьютерным играм и проводился под лозунгом “Учись работать играя”. В этом лозунге много верного. Часто компьютерные игры имеют удобный и привычный интерфейс, базирующийся на накопленных игроком вне компьютерной сферы знаниях и навыках. А значит, процесс обучения становится практически незаметным или даже ненужным: человек сразу приступает к решению поставленной перед ним задачи - начать играть в новую, неизвестную ему до этого момента игру и... постараться в этой игре преуспеть: выиграть конкретный раунд, подняться на возможно более высокий уровень, показать рекордный результат и т.д. Но желание преуспеть возникает не только в играх, и это можно использовать в обучении. Важнейшее условие здесь - возможность быстрого достижения первых успехов каждым учеником.

Мы провозгласили самостоятельной целью развитие алгоритмического стиля мышления и сказали, что при достижении этой цели есть собственные сложности, которые учителю и ученикам придется преодолевать. Сложностей много, но на первых порах главная из них - техническая. Сколько времени и сил придется потратить ученику, чтобы освоить “правила игры”, начать “играть” (а в действительности начать “учиться работать”) и добиться первого успеха? Хотелось бы, чтобы требуемое время измерялось минутами, а усилия были близки к нулю, чтобы вхождение в новую игру (изучение информатики) делалось, как говорится, “играючи”! Именно поэтому на начальном этапе обучения задачи, которые решают ученики, и инструменты, которые при этом используются, нужно очистить от мешающих лишних технических деталей, от неизвестного (или известного, но “чужого”) английского алфавита и английских слов, от необходимости набирать длинные тексты (или от необходимости набирать тексты вообще), от необходимости тратить силы на понимание условий задачи, выраженных в математической форме.

Поэтому мы начинаем с Робота. Для понимания устройства Робота и правил управления им нужен всего лишь здравый смысл. Робот чрезвычайно прост, и изучать в нем практически нечего. Точно так же, как нечего изучать в большинстве игр, прежде чем начинаешь в них играть .

Чтобы рассказать, что такое Робот, хватит и трех минут. Фраза “Роботом можно управлять с помощью пульта” понятна и дошколятам. Ведь созданный нашим воображением Робот прост, и набор правил для игры с ним ребенок может осознать как набор условных, игровых понятий. С другой стороны, жизненный багаж малышей, как правило, уже содержит знания о том, что бывают радиоуправляемые игрушки, что они управляются дистанционно с помощью пульта, что при неудачном управлении игрушка может упереться в стену и т.д. Поэтому для них не будет удивительным, что введенный нами (взрослыми) воображаемый Робот управляется дистанционно и у него есть пульт управления. То, что пульт управления имеет много кнопок, также вряд ли удивит ребенка, так как он знает, что пульты “водятся” в доме повсюду и наличие на них различных непонятных кнопок совершенно не беспокоит ни детей, ни взрослых. Важно уметь пользоваться лишь некоторыми из них.

Итак, для начального знакомства с Роботом вообще ничего знать не нужно. Даже не обязательно твердо помнить, где “право”, а где “лево”, так как на кнопках пульта Робота вместо слов “вправо-влево” выгравированы стрелки. Но задачи уже можно ставить и решать. Замечательно в этих задачах то, что если уж ученик задумался над задачей по управлению Роботом, то учитель может быть на 100% уверен, что все сложности ученика алгоритмические: “как же это сделать?”, а не “что же тут надо решать?”. Нет сложности не только в самом Роботе, но и в постановке задачи. Нарисуем на поле Робота прямоугольное препятствие размером 3 ? 4, поставим Робота под левым нижним углом препятствия, дадим школьнику пульт и попросим “поуправлять” Роботом так, чтобы он обошел вокруг препятствия и закрасил все клетки, прилегающие к препятствию. Эта постановка задачи проста и даже скучновата. Задача станет интереснее, если попросить школьников составить план решения аналогичной задачи обхода прямоугольного препятствия “неизвестных размеров”. Неизвестность размеров проявляется в том, что пульт школьнику дается, а поле Робота не показывается. Тут-то и возникает стимул для изучения остальных кнопок на пульте Робота - команд-вопросов. Опыт работы со школьниками показывает, что после демонстрации работы этих команд задача обхода прямоугольного препятствия “неизвестных размеров” также не вызывает особых трудностей у 5–6-классников.

В этот момент и начинается самое интересное. На табло пульта высвечивается протокол диалога Человека и Робота при решении задачи Человеком, не видящим поля Робота, а получающим всю информацию об окружении Робота с помощью команд-вопросов, “задаваемых” с пульта. Возникает идея поручить проведение подобного диалога автоматическому устройству - ЭВМ. Для реализации этой идеи нужно придумать правила описания подобных диалогов - алгоритмический язык. И попытаться записать на этом языке алгоритм “автоматического” обхода препятствия.

В этот момент и начнутся трудности. Они ожидаемы и объяснимы. Ведь школьник должен будет освоить правила новой сложной двухэтапной игры: сначала он должен составить план будущей деятельности и записать его по строгим правилам, и только после того как работа по составлению плана будет закончена, ЭВМ станет выполнять этот план, командуя Роботом. Только на втором этапе станет ясно, был ли план составлен правильно или нет. В новой “двухэтапной” игре есть две новые трудности. Техническая, которой можно и нужно избежать, и содержательная, избежать которой нельзя.

Техническая трудность состоит в том, что алгоритм нужно описывать по строгим формальным правилам, и школьник может нарушить эти правила, записывая свои идеи по автоматическому управлению Роботом. На первых порах этой трудности можно избежать, предоставив школьнику программную систему, которая позволяет создавать только правильные алгоритмы.

Данный курс и посвящен объяснению того, как педагог может помочь школьникам преодолеть эту содержательную трудность овладения алгоритмическим стилем мышления.

Забежав вперед, заметим, что у учителя в данном курсе будет три основных инструмента: 1) школьный язык программирования (сокращенно - язык “КуМир”),
2) система программирования на этом языке, нацеленная на обеспечение начального курса информатики для новичков, и 3) методика поэтапного развития алгоритмического стиля мышления, основанная на решении специально подобранной последовательности задач. Язык и система “КуМир” специально разрабатывались таким образом, чтобы ученик мог решать задачи и концентрироваться на преодолении соответствующей алгоритмической сложности, а не разбираться с особенностями языка или программного обеспечения. Этой цели служат и средства “порождения” только правильных конструкций языка, и немедленная диагностика ошибок при составлении алгоритма, и удобные средства исполнения и показа результатов работы написанного алгоритма. В процессе исполнения на экране изображаются и алгоритм, и результаты его работы - перемещения Робота по полю. Как и в любых других системах программирования, алгоритм можно исполнять по шагам. Этот процесс исполнения можно прервать, подправив алгоритм и запустив его вновь.

“КуМир” - учебная система. Она сводит к минимуму “накладные расходы” на освоение, имеет развитую систему диагностики ошибок, средства, позволяющие ученику следить за выполнением программы, и т.п. Ученик, никогда ранее не программировавший, может начать писать и выполнять относительно сложные алгоритмы через 1–2 часа после первого знакомства с “КуМиром”. В то же время, система “КуМир” позволяет создавать достаточно большие и сложные программы (сотни строк).

Работа в “КуМире” очищена от понятий “компиляция” и “режим отладки”. Можно сказать, что “КуМир” (на начальном уровне обучения) очищен даже от понятия вывода информации, хотя работа с файлами включена в него как отдельный исполнитель. При создании Е-практикума - нулевой версии системы “КуМир” -
в 1986 году на мехмате МГУ перед разработчиками стояла задача подготовить в кратчайшие сроки первых учителей информатики. Большинству из них выпала нелегкая доля: им предстояло сначала изучить этот предмет, а затем немедленно начать его преподавать. Поэтому создатели системы “КуМир” стремились сделать язык и систему максимально простыми.

Простота начального освоения Робота создает у учеников, особенно у лидеров класса по данному предмету, справедливое на первый взгляд ощущение игрушечности происходящего. Поэтому важно с самого начала обнародовать ряд задач высокой алгоритмической сложности, над которыми лидеры класса могут трудиться часами и гордиться, когда решение будет получено.

Еще одна проблема - монотонность, графическая похожесть обстановок, в которых действует Робот. Для того чтобы внести в методику работы с Роботом графическое (да и алгоритмическое) разнообразие, Робота в “КуМире” можно “высаживать” не только на плоские клетчатые “планеты”, но и на цилиндрические или даже тороидальные.

Для дошкольников или младшеклассников игрушечность Робота совершенно необходима и полезна. Графически Робот должен быть привлекательным, симпатичным и смешным, таким, как Робот-фонарщик в игре Lightbot (см. лекцию 1), а вовсе не унылым ромбиком, как в учебнике 7–9 Кушниренко, Лебедева, Зайдельмана. Графическая аскетичность уместна в старших классах школы, дабы не отвлекать ученика от содержательной задачи забавным видом исполнителя.

Игрушечная простота, однако, не всегда присуща даже компьютерным играм. Так, книга правил игры “Star Wars RPG” - это 300-страничный том, правда, написанный в стиле “all you need to play”. В другой игре - “Dungeons & Dragons”, для полноценной игры потребуются минимум две такие книжки, не изучив которые нельзя даже думать о победе.

Итак, вернемся к принципам преподавания, которые мы предлагаем. Г.В. Лебедев в своих лекциях в Архангельске сформулировал их так:

“Наш курс и, соответственно, учебник построены на трех глобальных методических принципах:

1) все познается через работу (“черепаха” курса);

2) проблемный подход;

3) выделение алгоритмической сложности в “чистом виде” .

Если рассказанная выше задача обхода прямоугольного препятствия покажется слишком сложной, в качестве первой “проблемы”, которую можно поставить перед учениками, возьмите более простую задачу: используя пульт, переместить Робота по полю вниз, обойдя первое встретившееся прямоугольное препятствие. В наши дни большинство школьников (и даже дошколят) знакомы с радиоуправляемыми машинками и успешно управляются с ними дома или в парке аттракционов. Поэтому для современного ребенка даже 5–6 лет тут нет никакой серьезной задачи. Решения ребенок принимает по ходу управления, к тому же домашние машинки сложнее Робота. Робот по своей природе дискретен: выполнение двух команд влево, а затем двух команд вправо вернет Робота в ту клетку, где он был в начале.

Такой стиль управления исполнителем с помощью пульта мы назовем “непосредственным управлением”: решение об управляющем воздействии принимается по ходу управления.

Если при командовании Роботом мы видим поле Робота и его перемещения, то команды обратной связи нам не нужны. Такой режим полезен в самом начале освоения Робота. Пусть теперь мы не видим поля Робота, как будто он находится на далекой планете, а нам по-прежнему нужно им управлять. На пульте есть специальные кнопки, нажав которые мы можем запросить информацию от Робота, в конструкцию которого включены различные датчики. Робот смотрит (или ощупывает), есть ли стена справа (мы нажали кнопку “стена” и “вправо” и получили на табло ответ “справа стена - нет”). Значит, справа стены нет.

Теперь задача ученика - не видя ничего, кроме пульта управления, заставить Робота спуститься под препятствие (при этом расстояние от начального положения Робота до препятствия неизвестно).

Это некоторое незначительное усложнение: ученик должен представлять себе обстановку Робота в уме и принимать решение, базируясь на ответах Робота. Может, и не с первой попытки, но практически все ученики такую задачу решат. Надо осторожно шагать вниз до препятствия: при каждом шаге проверять, свободно ли еще внизу. Как только дойдем до препятствия, на очередной вопрос “снизу свободно” Робот ответит “нет”.
В этот момент надо начать шагать вправо, при каждом шаге проверяя, не кончилось ли препятствие (что нужно для этого спросить у Робота?). Потом спускаться вниз, проверяя наличие препятствия слева.
И, наконец, сделать один шаг влево, чтобы оказаться под препятствием. Такие последовательные нажатия на кнопки - даже с анализом невидимой для учащегося обстановки, вряд ли вызовут большие затруднения у большинства учащихся. Если в начале урока за окном хорошая погода и учитель захочет провести урок во дворе школы (на воздухе), а не за компьютерами в классе, то роль Робота с удовольствием исполнит кто-нибудь из класса, а клетчатое поле можно нарисовать палочкой на футбольной площадке.

Как уже говорилось, записать или объяснить устно кому-нибудь придуманный алгоритм решения задачи труднее, чем выполнить работу самому. Эксперименты, проведенные в классах, показывают, что если школьника попросить записать последовательность нажатий на кнопки пульта Робота для решения задачи предыдущего абзаца (обхода препятствия неизвестных размеров, находящегося где-то ниже Робота), то значительная часть учеников, которая прекрасно представляет, на какие кнопки и как надо нажимать, чтобы заставить Робота обойти препятствие, не в состоянии четко записать эту последовательность действий.

Проблема состоит в том, что если раньше ученик просто нажимал на кнопки (схема “непосредственного управления”), то теперь он пишет программу (алгоритм), которая далее будет выполняться без его участия - обычно с помощью ЭВМ, которая “нажимает на кнопки” и командует исполнителем.

Итак, задача записи алгоритма для его последующего автоматического выполнения разделяется на два этапа: на первом этапе нужно не только записать алгоритм, но и выбрать способ записи, некоторый формальный язык, который понимает и человек, и ЭВМ (или любое другое устройство, которое предназначено для выполнения алгоритма, имеющее связь с исполнителем ). На втором этапе происходит отчуждение алгоритма от человека, и ЭВМ сама начинает командовать Роботом в соответствии с составленным алгоритмом.

Почему же алгоритм трудно записать? Можно выделить три причины:

Итак, алгоритм - это план будущей деятельности, записанный в заранее выбранной формальной системе обозначений (нотации). Для простоты будем считать, что составляет алгоритм человек, а выполняет - ЭВМ.

И все-таки, как же миновать трехглавого дракона, который мешает нам научиться составлять алгоритмы для ЭВМ?

Прежде всего сделаем шаг назад и заметим, что задача записи алгоритма существует и вполне реальна. Предположим, мы посылаем Робота на какую-нибудь далекую планету. Пусть мы - на Земле, а Робот - на клетчатом поле на космической станции на Нептуне. Тогда, если мы сами командуем Роботом с Земли, наша команда дойдет до Нептуна примерно за 4 часа, после чего еще столько же времени ответ будет идти назад.

Скажем, мы “спросили” “справа стена?”, через 4 часа эта команда дойдет до Робота, Робот проверит, есть ли справа стена, и еще 4 часа ответ будет идти обратно на Землю. И только после этого мы сможем его проанализировать, принять решение, куда двигаться дальше, и послать соответствующую команду Роботу (которая еще 4 часа будет идти до Робота). Такое управление предполагает неторопливое исследование планеты с темпом выдачи команд - 3 команды в сутки. В большинстве случаев такой низкий темп недопустим. Более того, на Нептуне за 8 часов со стенками может что-нибудь случиться: одни стенки могут исчезнуть, а другие - возникнуть. Чтобы управлять Роботом с нормальной скоростью, можно вывести на орбиту вокруг Нептуна спутник и командовать Роботом со спутника. От спутника до Робота сигнал будет идти доли секунды - задержек не будет, и процесс ускорится. Поскольку, однако, мы не собираемся держать на борту спутника экипаж для управления Роботом, на спутнике придется установить ЭВМ. Тогда мы с Земли сможем послать на спутник программу - алгоритм управления Роботом. Эта программа будет идти до спутника те же 4 часа, но зато потом ЭВМ сможет командовать Роботом без нашего участия, выдавая команды и получая ответы за доли секунды.

Для нас методически важно четкое разграничение того, что делает исполнитель, а что - ЭВМ, поэтому в приведенном примере не рассматривается возможность интеграции ЭВМ прямо с Роботом, так как это будет совсем другой исполнитель и для него нужно писать совсем другие алгоритмы.

Но вернемся к задаче записи учеником первого в его жизни алгоритма. При этом приходится раздваивать внимание: во-первых, нужно использовать только допустимые правила записи, а во-вторых, нужно заботиться о том, чтобы алгоритм на втором этапе выполнялся правильно. Смягчить эти трудности может помочь пульт.

В информационном окне пульта прокручиваются выполняемые Роботом команды. Конечно, сейчас мы еще ничего не знаем о языке ЭВМ, однако мы достаточно знаем о командах Робота и можем предположить, что ЭВМ может их понять и управлять Роботом. Рассмотрим первый вариант, без обратной связи, когда ученик видит поле Робота и должен провести его ниже препятствия. Эта задача легко решалась при помощи пульта, и, главное, результат ее решения - требуемая последовательность команд - оказался запомненным в окне пульта. Давайте используем это при составлении программы для ЭВМ. Запустим систему “КуМир”. И просто перепишем все команды, которые мы нажимали на пульте Робота (они видны в окне на пульте), в окно системы “КуМир” между скобками “нач” и “кон”. Обратим внимание, что “КуМир” позитивно реагирует на наши записи, окрашивая в синий цвет введенные нами команды. На полях при этом нет никаких сообщений. Это означает, что команды Робота знакомы ЭВМ и допустимы в алгоритме.

Чтобы проверить составленный алгоритм, нажмем кнопку выполнить, и - о ужас! - строка “влево” подсвечивается красным цветом и выполнение программы прерывается. Вероятно, мы что-то сделали неправильно. Действительно, человеку свойственно ошибаться, и при переписывании команд с экрана Робота мы пропустили строку “вниз”, и при выполнении программы Робот уперся в стену. Когда у школьника в руках был пульт Робота, то при получении команды, которую в данной обстановке нельзя исполнить (слева от Робота стена, а команда “влево”), на экране пульта сообщалось о возникновении исключительной ситуации - “отказ”. Робот не выполнил полученную команду, но, к нашему счастью, оказался вполне интеллектуальным и не сломался. Подчас многие современные электронные приборы поступают точно так же, при вставлении батареек в неправильной полярности (минус к плюсу) такой прибор не сгорает. О нашей ошибке мы можем судить только по тому, что прибор не включился. Робот же поведал нам о том, что команда не может быть выполнена. Вообще в “КуМире” программа останавливается в момент невозможности исполнения любой команды, сообщая о причине останова. В этот момент школьник может проанализировать причину неприятности, скорректировать программу и попробовать выполнить ее еще раз. Так поступим и мы. Добавим строку “вниз” перед последней строкой и еще раз сверим текст программы в “КуМире” и то, что было записано нами на экране пульта Робота при пошаговом исполнении (если мы предварительно запротоколировали работу, аккуратно переписав все нажимаемые на пульте команды при непосредственном управлении Роботом).

Эта модифицированная программа будет работать правильно. При исполнении ее в пошаговом режиме мы увидим на экране, что Робот проделает те же шаги, что и при управлении с пульта. Полученная программа очень проста (относится к так называемым “линейным программам”), то есть не содержит никаких команд-вопросов, не запрашивает от Робота информацию и не “подлаживается” к обстановке, в которой находится Робот. Теперь мы готовы к дальнейшем свершениям и получению нового опыта в составлении линейных программ. Например, мы можем, используя команду “закрасить”, запрограммировать Робота нарисовать номер дома, в котором мы живем. Те, кому повезло, будут рисовать номер дома из одной цифры, а невезучим придется посвятить некоторое время рисованию двух или трех цифр. Очень важно, что на самом начальном этапе ученик добивается маленьких побед в программировании, а не тратит массу времени на изучение многостраничного введения в систему программирования. Для управления системой “КуМир” ему потребуется лишь пара клавиш - команда “выполнить непрерывно” и выполнить “шаг”.

Нужно ли тратить драгоценное время школьника на тривиальные линейные программы? Ответ - безусловно, нужно, ибо при этом в “комфортных условиях” осваивается методика отладки: составляем программу, выполняем, обнаруживаем проблемы, корректируем программу - и так, пока не будет получен правильный результат.

Заметим еще, что освоение методов отладки на линейных программах комфорт­но для учителя. Любой ученик, которому предоставлено достаточное время, справится с отладкой программы “закрашивания” на поле Робота двухзначного числа. В более сложных задачах число учеников, которым нужна помощь учителя, может выйти за разумные пределы.

Конечно, Робот более сложен, чем кажется с первого взгляда, у него больше команд, и с их помощью можно решать много интересных задач. Но изучение простейших алгоритмов удобно начинать именно с него, ведь при его простоте можно развивать умение записывать алгоритм в общем виде, предсказывать результат его работы, глядя на текст алгоритма, что является важной компонентой алгоритмической культуры.

Упражнения

1. Нарисуйте обстановку Робота, разместите его где-нибудь на поле и составьте два алгоритма обхода Роботом препятствия слева и сверху при помощи непосредственного управления с пульта.

2. Измените обстановку и проведите Робота за препятствие с помощью пульта, когда поле Робота не видно.

3. Модифицируйте исполнителя Робот. Пусть стены могут быть разной высоты - низкие и высокие (например, высокие - границы поля). Добавьте команду “прыг”, по которой Робот запрыгивает на низкие препятствия или спрыгивает с них. Придумайте новую обстановку Робота с такими низкими препятствиями. Управляя Роботом с пульта, составьте алгоритм перемещения Робота с перепрыгиванием препятствия слева.

4. Добавьте Роботу команды “справа/слева/снизу/сверху низкое препятствие”. Проведите Робота за препятствие, когда поле Робота не видно. Придумайте более удачное название этих команд.

5. С какими трудностями вы столкнулись при выполнении задания п. 4 (опишите их, формализуйте для себя)?

6. Загрузите систему “КуМир” с сайта www.infomir.ru и проделайте упражнения 1–2 в системе “КуМир”.

7. Напишите программу в системе “КуМир” для п. 1.