Актуальность рассматриваемой темы обусловлена большими трудностями обучения студентов программированию на языке С++ при изучении дисциплин области знаний «Информатика» в высшей школе. Знания и умения (компетенции), получаемые студентом при изучении С++, позволяют на следующем этапе легко освоить наиболее популярные языки современного профессионального программирования Java и C#. Изучение программирования на основе других языков делает перспективу освоения студентом компетенций профессионального программиста более отдаленной и проблемной.
Главная цель исследования автора статьи – выяснить причины отмеченного выше явления. Зная причины, можно предлагать пути решения соответствующих проблем. Эти причины многочисленны и разнообразны.
Материалы и методы исследования
В настоящее время указанное выше явление широко обсуждается вместе с другими проблемами обучения современному программированию. Данная статья является продолжением других наших статей. Также она развивает некоторые идеи автора и его коллег [1–3] по преподаванию математики и информатики. Для анализа используется опыт преподавания автором С++ в некоторых вузах Санкт-Петербурга. На основе анализа предлагаются некоторые новые методы и приемы обучения программированию на языке С++. Эти методы и приемы сравниваются с теми, что используются традиционно. Результаты обучения обобщаются и делаются практические выводы. Используются как индуктивные, так и дедуктивные методы исследования.
Результаты исследования и их обсуждение
При обучении программированию на С++ традиционно студенты слушают лекции по языку С++ и выполняют лабораторные работы по вариантам с использованием какой-нибудь системы программирования, включающей С++. На лабораторной работе студент по индивидуальному заданию разрабатывает алгоритм в виде блок-схемы [4], а затем – программу на С++, которую и реализует на компьютере.
Первая идея автора состоит в том, что при этом студента не обучают практическим навыкам разработки соответствующих алгоритмов и написания программ. В принципе это должны быть практические занятия с выполнением заданий, аналогичных тем, что студент будет самостоятельно выполнять в ходе лабораторных работ. Помимо конспекта лекций или учебника по С++ студент должен также иметь учебное пособие – практикум с образцами выполнения заданий, аналогичных лабораторным работам.
Вторая идея автора – раннее использование в курсе С++ декомпозиции и структурирования алгоритмов (блок-схем) и программ С++. Это способствует улучшению их понимания студентом. Традиционно декомпозиция и структурирование изучаются в середине курса С++ после операторов ветвления и цикла. Автор предлагает это изучать почти с самого начала курса – параллельно с ветвлениями и циклами. В качестве доказательства, что это возможно, приводим фрагмент нашего практикума – образца выполнения задания на ветвления с использованием декомпозиции и структурирования.
Задание для изучения ветвлений
Ввести с клавиатуры значения a, b, y, z и последовательно вычислить:
1) 
;
2) 
;
3) 
.
Вывести на экран значение F.
Блок-схема
Единую блок-схему на одном рисунке нарисовать и понять было бы трудно, необходима ее декомпозиция – разбиение на кусочки (рис. 1–5). Внутри главной блок-схемы (рис. 1) мы видим вызовы блок-схем «Начальные действия», «Условные действия», «Конечные действия». Соответствующий значок [4] означает предопределенный процесс (подпрограмму, модуль). Блок-схема «Условные действия» (рис. 3) содержит вызов блок-схемы «Внутренние условные действия».
Рис. 1. Главная блок-схема
Рис. 2. Блок-схема «Начальные действия»
Рис. 3. Блок-схема «Условные действия»
Рис. 4. Блок-схема «Внутренние условные действия»
Рис. 5. Блок-схема «Конечные действия»
Конструкция программы
#include <iostream> // разрешение ввода и вывода
#include <locale> // разрешение национальных алфавитов
#include <cmath> // разрешение математических функций
#include <string> // разрешение работы со строками
using namespace std; // разрешение стандартного пространства имен
Cоздание глобальных переменных
Прототипы пользовательских функций
void main() // заголовок main
{ // между { и } – тело main
setlocale(LC_ALL, "rus"); // разрешение русского алфавита при выводе
Операторы
}
Описание пользовательских функций
Здесь и далее непосредственно символы программы выделены курсивом. Это терминальные символы, если проводить аналогию с грамматиками Н. Хомского, а подчеркнутые элементы требуют дальнейшей конкретизации. Это нетерминальные символы.
Cоздание глобальных переменных
double a, b, y, z, d, Z, F; // создание ГЛОБАЛЬНЫХ действительных переменных
Будем использовать только глобальные переменные, чтобы отложить на будущее изучение локальных переменных, формальных и фактических параметров.
Прототипы пользовательских функций
void InitialActions();
void ConditionActions();
void InternalСonditionActions();
void FinalActions();
Программу нужно разбить на отдельные подпрограммы, соответствующие блок-схемам на рис. 1–5. Подпрограммы в С++ называются функциями. Имена функций InitialActions, ConditionActions, InternalСonditionActions, FinalActions соответствуют блок-схемам с именами «Начальные действия», «Условные действия», «Внутренние условные действия», «Конечные действия». Эти функции – пользовательские, поскольку их имена и соответствующие им алгоритмы придумывает пользователь (мы).
Операторы
InitialActions(); // вызов InitialActions
ConditionActions(); // вызов ConditionActions
FinalActions();// вызов FinalActions
system(«pause»); // пауза перед завершением программы
Это операторы функции main. Главной блок-схеме соответствует функция main – главная в переводе с английского. Запуск программы – это ее вызов. Остальные функции вызываются операторами вызова этих функций внутри программы.
Описания пользовательских функций
void InitialActions() // заголовок InitialActions
{ // между { и } – тело InitialActions
cout << "Изучение ветвлений\n" << "Введите в следующем порядке\n"
<< "значения a, b, y, z:\n";
cin >> a >> b >> y >> z; // ввод 4 чисел в столбик или в строчку
}
void ConditionActions() // заголовок ConditionActions
{ // между { и } – тело ConditionActions
if (y<a*a) // если y<a*a
d = z*z*(y+1); // вычисление d способом для y<a*a
else // иначе
InternalСonditionActions(); // вызов InternalСonditionActions
}
void InternalСonditionActions() // заголовок InternalСonditionActions
{ // между { и } - тело InternalСonditionActions
if (y>b*b) // если y>b*b
d = z*z*(y+3); // вычисление d способом для y > b*b
else // иначе
d = z*z*(y+2); // вычисление d способом для a<= x < = b
}
void FinalActions() // заголовок FinalActions
{ // между { и } - тело FinalActions
Z = a*a-a*b+b*b; // вычисление Z
F = sqrt(d*d+Z*Z); // вычисление F
cout << "F=" << F << endl; // вывод строки "F =", значения F, строки endl
}
Заметим, что описание пользовательской функции ConditionActions содержит оператор вызова пользовательской функции InternalСonditionActions, а описание пользовательской функции FinalActions – вызов встроенной функции sqrt, она вычисляет квадратный корень.
Пример работы программы
Изучение ветвлений
Введите в следующем порядке
значения a, b, y, z:
2.5 3.4 4.3 5.2 Enter
F = 143.614
Для продолжения нажмите любую клавишу... Enter
Выделенный курсивом текст возникает на экране при запуске нашей программы, подчеркнутым курсивом выделено то, что печатает пользователь в диалоге с работающей программой, Enter означает нажатие пользователем соответствующей клавиши.
В вузах России обычно используются системы программирования семейства Microsoft Visual Studio, которые так называются, поскольку допускают визуальное программирование. В них встроены языки Visual C++, Visual C#, Visual Basic и другие. Однако визуальное программирование «почти везде» в вузах России почему-то «традиционно» не используется вовсе. Третья идея автора предлагает визуальное программирование как можно более широко использовать в обучении, а использование «традиционного» программирования при этом – минимизировать. Такая методика используется, например, в учебниках [5, 6] В.В. Зиборова. Автор с успехом их использовал на занятиях со студентами.
Имеются другие статьи [1–3] автора и его коллег, связанные с проблемами изучения математики и программирования современными студентами. Там приводится статистика [2], свидетельствующая о резком росте доли правополушарных студентов за последние три десятка лет. Сейчас даже на математических и технических факультетах более половины студентов – правополушарные. У этих студентов [7], как правило, интуиция развита больше, чем логика, образное мышление преобладает над понятийным, действенное – над абстрактным. Отсюда актуальность применения образных технологий обучения вообще и визуального программирования в частности.
Выводы
Сложность изучения С++ можно существенно снизить: 1) если лекции по С++ и лабораторные работы дополнить обучением практическим навыкам разработки алгоритмов и программ; 2) благодаря раннему использованию методов декомпозиции и структурирования алгоритмов и программ параллельно с изучением ветвлений и циклов; 3) если при обучении широко использовать визуальное программирование.