УРОК 1. Етапи розв’язування задач за допомогою комп’ютера
Мета уроку: Дати поняття про основні етапи розв’язування задачі з використанням комп’ютера.
Теоретичний матеріал
Нині важко уявити собі життя сучасної людини без комп’ютера. Люди використовують його для розв’язання найрізноманітніших задач: від виконання складних обчислень у наукових дослідженнях та економіці до виконання кропіткої домашньої роботи (наприклад: такі процеси як прання білизни, приготування їжі, миття посуду з використанням сучасної побутової техніки зараз комп’ютеризовані. Комп’ютеру можна доручити навіть функції домашнього секретаря). Комп’ютер—це помічник людини, без нього неможлива обробка величезного потоку інформації, який кожного дня все зростає: будь то оформлення складної документації, створення та обробка графічних зображень, розв’язування математичних задач, отримання даних з будь-якої теми, тощо. Це далеко не повний перелік всіх можливостей нашого помічника.
Для розв’язання цих задач комп’ютер озброєний найрізноманітнішим програмним забезпеченням, яке поділяється на чотири великих категорії: операційні системи, системні утиліти, системи програмування, прикладне програмне забезпечення.
Отже, користувач аналізує завдання, яке необхідно розв’язати, та обирає оптимально придатний програмний засіб, який є в арсеналі засобів його комп’ютера. Однак є велика кількість задач, для розв’язання яких не існує відповідного програмного забезпечення, або існуюче програмне забезпечення з певних причин не влаштовує. У цьому випадку користувач може самостійно написати програму для виконання поставленої задачі.
Розглянемо розв’язання прикладної задачі за допомогою комп’ютера:
Постановка (або формулювання) — це перший крок у розв’язанні будь-якої задачі. На цьому етапі слід чітко з’ясувати: що дано і що треба знайти. Тобто чітко уяснити суть задачі, необхідні початкові дані для її розв’язання, а також те, що можна вважати за очікуваний результат.
Наприклад, батьки вирішили відремонтувати квартиру. Отже, безпосередньо комп’ютер не може зробити ремонт. Але комп’ютер може допомогти не тільки розрахувати кількість потрібних матеріалів, вартість їх перевезень та вартість виконаних ремонтних робіт, а навіть запропонувати оптимальний варіант з кількох можливих, враховуючи всі вимоги до якості та до термінів ремонту, а також фінансові можливості родини.
У цій задачі вхідними даними будуть: розміри кімнат, які необхідно відремонтувати, набір витратних матеріалів (можна тільки поклеїти шпалери та пофарбувати, а можна ще й замінити двері, вікна та підлогу), ціни на ці матеріали, вартість виконуваних робіт тощо. Результатом роботи програми має бути необхідна сума коштів на проведення ремонту.
Побудова математичної моделі — це другий крок розв’язування задачі. Це дуже відповідальний етап, оскільки не завжди в умові задачі міститься формула, яку можна застосувати в програмі. Для цього створюється інформаційна математична модель об’єкта.
У нашому прикладі математичною моделлю задачі буде:
• по-перше, розрахунок площі поверхні стін, що підлягає ремонту;
• по-друге, розрахунок необхідних матеріалів (з урахуванням площішпалер, що знаходяться в рулоні, та додаткових шпалер, необхідних дляспівпадання малюнків на стіні);
• по-третє, розрахунок вартості витратних матеріалів та вартості виконаних робіт.
Примітка: Ці формули отримати неважко, тому таке завдання можна дати учням безпосередньо на уроці або вдома.
Розробка алгоритму — третій крок у розв’язуванні задач. Алгоритм розробляється на основі побудованої математичної моделі. В ньому можна використати вже відомі методи розв’язування отриманих математичних співвідношень, причому за наявності кількох методів розв’язування, необхідно їх проаналізувати та обрати оптимальний. Якщо існуючими методами не можна розв’язати задачу, то треба розробити власний метод.
Під час створення складних алгоритмів застосовується метод покроко-вої деталізації, який полягає в тому, що складна задача розбивається на прості підзадачі, кожна з яких, в свою чергу, може розбиватися на ще простіші. Такий підхід дозволяє розбити алгоритм на окремі частини — модулі, реалізацію кожного з таких модулів можна доручити окремому програмісту. В цьому випадку програміст концентрується на розв’язанні окремої підзадачі, використовуючи для цього свої методи.
Останнім етапом у методі покрокової розробки є об’єднання окремих модулів у єдине ціле. Для цього між усіма модулями мають бути встановлені зв’язки, тобто узгоджена передача інформації від одних модулів до інших. Це дуже кропітка робота і від оптимальності вибору вхідних та вихідних параметрів окремих модулів залежить оптимальність роботи всієї програми.
Алгоритм, призначений для комп’ютерної реалізації, має бути записаний однією з мов програмування. На даному етапі розвитку комп’ютерної техніки існує така розмаїтість мов програмування, що програміст завжди може обрати оптимальний варіант для отримання результату розв’язку. А враховуючи можливість розбиття алгоритму на окремі модулі, реалізацію кожної підзадачі можна виконати різними засобами.
Отже, мова програмування обрана, програма написана. Тепер програму необхідно налагодити та протестувати. Це наступний крок розв’язування задачі. Під налагоджуванням програми розуміють процес випробування роботи програми з виправленням виявлених при цьому помилок. Виправити помилки, пов’язані з правилами написання програм, допоможе середовище програмування, але логічні помилки виправити набагато важче. В цьому доможуть правильно підібрані тести.
Останній крок — це використання програми для отримання результатів. На цьому етапі необхідно ще раз перевірити правильність очікуваних результатів. Якщо отримані результати є помилковими, слід повернутися до одного з попередніх етапів (іноді, навіть, до самого першого—постановки задачі) і ще раз перевірити правильність проведених робіт. Можливо, що деякі етапи потребують переробки або доопрацювання.
Тепер програму можна експлуатувати і, навіть, пропонувати іншим користувачам, доповнивши її необхідною документацією.
Отже, підіб’ємо підсумки. Основні етапи розв’язування задачі за допомогою комп’ютера такі:
1) постановка задачі;
2) побудова математичної моделі;
3) розробка алгоритму;
4) опис алгоритму мовою програмування;
5) тестування та налагоджування програми;
6) експлуатація програми.
Домашнє завдання:
• За підручником Т. Караванової «750 задач з алгоритмізації та програмування» прочитати сторінки 21—24.
• Придумати власну задачу, яка може бути розв’язана за допомогоюкомп’ютера. Записати етапи її розв’язування.
• Створити математичну модель задачі розрахунку кількості фарби дляфарбування заданої поверхні, якщо відома норма витрат фарби на квадратний метр поверхні (вид поверхні: квадрат, прямокутник, шар тощо).
УРОК 2. Інформаційна модель
Мета уроку: Дати поняття про моделювання та створення інформаційних моделей об’єктів.
Теоретичний матеріал
З давніх часів людина використовує моделювання для дослідження об’єктів та явищ в різних галузях діяльності. Результати цих досліджень допомагають визначити та покращити характеристики реальних об’єктів та процесів, краще зрозуміти сутність явищ та пристосуватися до них або керувати ними, конструювати нові та модернізувати старі об’єкти. Моделювання допомагає людині приймати обгрунтовані рішення та передбачати наслідки своєї діяльності. Комп’ютерне моделювання — це використання в цьому процесі комп’ютера як потужного сучасного засобу обробки інформації. Завдяки комп’ютеру суттєво розширюються галузі застосування моделювання, а також забезпечується всебічний аналіз отриманих результатів. Що ж таке модель? Моделлю можна назвати і матеріальні макети реально існуючих об’єктів, і нематеріальні об’єкти (наприклад такі, як теорія розвитку суспільства або всім відома формула земного тяжіння Р = mgh), багато чого іншого. Як же в одному слові можна об’єднати такі різні поняття?
Справа в тому, що поняття моделі об’єднує дещо спільне, а саме те, що модель — це штучно створений людиною абстрактний або матеріальний об’єкт. Спостереження та аналіз моделі дозволяє пізнати сутність реально існуючого складного об’єкта, процесу чи явища, які називаються прототипами об’єкта. Таким чином, модель — це спрощене уявлення про реальний об’єкт, процес чи явище, а моделювання — побудова моделей для дослідження та вивчення об’єктів, процесів та явищ.
Може виникнути запитання, чому не можна дослідити сам об’єкт, навіщо створювати моделі? Для цього може існувати багато причин:
• оригінала на момент дослідження може не існувати (наприклад, угіпотезах про загиблий материк Атлантида або про побудову Єгипетськихпірамід, або про можливу «ядерну зиму», яка може початися після атомногобомбардування);
• реально цей об’єкт не можна побачити цілком (наприклад, земну кулю,усю сонячну систему або атом);
• дослідник хоче побачити об’єкт, але не має можливості потрапити намісце його знаходження (наприклад: Ейфелева вежа, єгипетські піраміди,Софіївський собор тощо);
• процес, який досліджується, небезпечний для життя (наприклад,ядерна реакція).
• Таких прикладів можна навести б
