Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

ДЕКОМПОЗИЦИЯ И СТРУКТУРИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ С++ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ИНФОРМАТИКИ В ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

Фокин Р.Р. 1
1 ФГКВОУ ВО «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского»
Темы, связанные с улучшением качества преподавания математики и информатики в современной высшей школе, неоднократно рассматривались автором. В данной статье речь идет о преподавании C++. Алгоритмизация и программирование имеют три фундаментальных принципа: ветвление, цикличность, структурирование алгоритмов и программ. При обучении структурирование алгоритмов рассматривается обычно последним, переходя далее к структурированию данных и объектно-ориентированным технологиям. Автор предлагает изучать ветвление и цикличность параллельно со структурированием алгоритма. Тогда сложный для понимания алгоритм может быть разбит на несколько простых. Это и есть декомпозиция. В результате студентам легче понять сложные ветвления и циклы после разбиения на простые. Еще одна идея автора состоит в том, что из знаний правил языка программирования вообще и C++ в частности, полученных на лекциях, никак не следуют навыки разработки алгоритмов и программ – их нужно формировать на практических занятиях, предшествующих лабораторным работам. Также автор предлагает максимально обучать современных студентов визуальному программированию и минимально – обычному классическому программированию. Большинство современных студентов относятся к правополушарному психологическому типу. У них образное мышление преобладает над понятийным.
C++
программирование
ветвления
структурирование
декомпозиция
образность обучения
асимметрия мозга
1. Фокин Р.Р. Социальные, психологические и методические причины трудностей изучения математики и программирования современными студентами // Современные наукоемкие технологии. 2020. № 4. С. 138–142.
2. Фокин Р.Р. Некоторые психологические и статистические аспекты преподавания дисциплин из областей математики и информатики в современной высшей школе // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 9. С. 175–179.
3. Абиссова М.А., Атоян А.А. Сервисы обучения RAD-программированию для активизации познавательной деятельности студентов при обучении информатике и математике // Письма в Эмиссия.Оффлайн 2013. № 12. [Электронный ресурс]. URL: www.emissia.org/offline/2013/2118.htm (дата обращения: 15.11.2020).
4. ГОСТ 19.701-90 (ИСО 5807-85) Единая система программной документации (ЕСПД). Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Обозначения условные и правила выполнения. Сб. ГОСТов. М.: Стандартинформ, 2012. 23 с.
5. Зиборов В.В. MS Visual C++ 2010 в среде .NET. СПб.: Питер, 2012. 320 с.
6. Зиборов В.В. MS Visual C# 2010 на примерах. СПб.: БХВ-Петербург, 2011. 432 с.
7. Спрингер С., Дейч Г. Левый мозг. Правый мозг. М.: Книга по требованию, 2013. 254 с.

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) fokin01.wmf;

2) fokin02.wmf;

3) fokin03.wmf.

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».

Fok1.wmf

Рис. 1. Главная блок-схема

Fok2.wmf

Рис. 2. Блок-схема «Начальные действия»

Fok3.wmf

Рис. 3. Блок-схема «Условные действия»

Fok4.wmf

Рис. 4. Блок-схема «Внутренние условные действия»

Fok5.wmf

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.


Библиографическая ссылка

Фокин Р.Р. ДЕКОМПОЗИЦИЯ И СТРУКТУРИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММ С++ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ИНФОРМАТИКИ В ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ // Современные наукоемкие технологии. – 2020. – № 11-2. – С. 417-421;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=38399 (дата обращения: 23.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074