Федеральное агентство  по образованию

     Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

     «Новосибирский  государственный педагогический университет»

     Факультет технологии и предпринимательства 
 
 
 

     КУРСОВАЯ  РАБОТА

     по  дисциплине

     «Методика профессионального обучения»

     на  тему: Методика изучения темы программирования в курсе информатика 
 
 
 

     Выполнил: студент 4 курса 43-И гр.         Руководитель: Тиковенко Д.Н.

               Лысов Г.А 
 
 
 
 
 
 

     Новосибирск 2010 

Оглавление 

Введение

     Бурное  развитие информационных технологий повлекло за собой создание множества искусственных языков, ориентированных на решение проблемы общения человека с компьютером. Любой обзор по языкам программирования первым делом неизбежно затрагивает вопросы классификации этих языков. Не стремясь к соблюдению слишком строгой и исчерпывающей классификации и опираясь на ряд традиционных подходов, попробуем проанализировать современное состояние языков программирования.

     Один  из подходов, помогающий провести обзор  языков программирования, — подход исторический. Действительно, на первый взгляд все выглядит очень просто. Сначала было программирование в машинных кодах, когда программист являлся единственным посредником между остальными смертными и Машиной — гигантским "ламповым монстром", занимающим если не целое здание, то почти целый этаж. Затем появились мнемонические представления машинного кода, ассемблер и, наконец, макроассемблер. В конце 50-х возникли языки формульного программирования, из которых наиболее замечательным был Фортран, затем (в 60-х) центр тяжести стал понемногу смещаться к нечисленным методам — появился АЛГОЛ. Еще немного, и к 70-м годам произошла структурная революция — АЛГОЛ-W и, наконец, Паскаль. Далее настала очередь "модульного" программирования — Модула и Модула-2. Приблизительно в это же время рождается знаменитый язык Си, идет новая революция логического программирования — в моде ПРОЛОГ и экспертные системы. Пентагон проводит свой знаменитый конкурс, на котором побеждает Ада, а Япония заявляет о проекте машин пятого поколения, основанных на SmallTalk. В результате происходит объектно-ориентированная революция, появляются С++, Оберон, Eiffel и Модула-3.

     Общие тенденции развития языков программирования при историческом подходе проследить вполне возможно, однако изложение  получается сумбурным и путаным. Удивляться тут нечему — ладно если бы произошла, например, структурная революция: программистская общественность присягнула на верность программированию без "goto" и прощай Фортран! Но нет, и Фортран сейчас "в ходу", а если вспомнить об его преуспевших детях Basic и Visual Basic, то придется признать, что "некрологи" Фортрана более чем двадцатилетней давности выглядят в наше время как забавный исторический курьез. Язык Паскаль также, по сравнению со многими другими языками, сейчас уже не молод, но это не мешает ему оставаться одним из наиболее популярных языков и в наши дни. А Кобол? У него еще более преклонный возраст, а если посмотреть по конференциям на Internet — окажется, что очень много работ и сейчас проводится на Коболе.

     Другой  возможный классификационный критерий языков программирования — это революционные идеи программирования, воплотившиеся в соответствующих решениях: структурное программирование, модульное программирование, объектно-ориентированное программирование. Однако и тут четкой классификации не получится. К примеру, Паскаль возник как "продукт" структурной революции, удачно впитал в себя идеи революции "модульной", и сегодня существует практически на всех компьютерных платформах в объектно-ориентированных воплощениях. Другой пример: приверженцы языка С++, как правило, самым важным его достоинством называют объектно-ориентированное программирование. Однако было бы неверно считать, что С++ стал популярным только благодаря объектам — как и объектно-ориентированный Паскаль, С++ является языком гибридным. Применение объектно-ориентированной парадигмы при работе на нем совсем не обязательно, и многие программисты в практической работе этими возможностями как в С++, так и в объектно-ориентированном Паскале не пользуются. Точно так же, работая с современными компиляторами языка Паскаль, например с широко известными Borland Pascal/Turbo Pascal (Borland) 7.0 для IBM PC или Think Pascal (Symantec) для компьютеров Macintosh, можно в явном виде не пользоваться модульными возможностями, оформляя исходный код программы почти в полном соответствии со стандартным Паскалем. Ошибочный подход, скажет иной поклонник прогресса. Однако исходный код, соответствующий стандарту, будет обладать высокой переносимостью на разные платформы. Могут быть и иные резоны как для стандартных, так и для гибридных подходов. Видимо, поэтому разработчики объектно-ориентированного языка Модула-3 сделали принцип "гибридности" одним из основных в своем языке. С другой стороны, существует большая группа чистых объектно-ориентированных языков, где объектно-ориентированная парадигма является обязательной. Примером такого языка может служить Dee . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 ПОНЯТИЕ ЯЗЫКА  ПРОГРАММИРОВАНИЯ

1.1 Машинный код

     Процессор компьютера — большая интегральная микросхема. Все команды и данные он получает в виде электрических сигналов. Фактически процессор можно рассматривать как огромную совокупность достаточно простых электрических элементов — транзисторов. Транзистор имеет три вывода. На два крайних подается напряжение, необходимое для создания в транзисторе электрического тока, а на средний вывод — напряжение, с помощью которого можно управлять внутренним сопротивлением транзистора, а значит, управлять и током, и напряжением на его выводах.

     В электронике транзисторы имеют 3 применения: для создания усилителей, в электронных схемах, обладающих автокабельными свойствами, и в электронных переключателях. Последний способ и применяется в цифровой вычислительной технике. В процессоре компьютера транзисторы сгруппированы в микроэлементы, называемые триллерами и вентилями. Триллеры имеют два устойчивых состояния ( открыт – закрыт) и переключается из одного состояния в другое электрическими сигналами. Этим устойчивым состояниям соответствуют математические понятия 0 и 1. Вентили немного сложнее – они могут иметь несколько входов ( напряжение на выходах зависит от комбинаций напряжений на входах) и служат для простейших арифметических и логических операций).

     Команды, поступающие в процессор по его  шинам, на самом деле являются электрическими сигналами, но их тоже можно представить как совокупность нулей и единиц. Разным командам соответствуют разные числа. Поэтому реально программа, с которой работает процессор, представляет собой последовательность чисел, называемую машинным кодом.

1.2 Алгоритм и программа

     Управлять компьютером нужно по определенному алгоритму. Алгоритм – точно определенное описание способа решения задачи в виде конечной (по времени) последовательности действий. Такое описание еще называют формальным. Для представления алгоритма в виде, понятным компьютеру, служат языки программирования. Сначала всегда разрабатывают алгоритм действий, а потом он записывается на одном из таких языков. В итоге получается текст программы – полное, законченное и детальное описание алгоритма на языке программирования. Затем этот текст программы специальными служебными приложениями, которые называются трансляторами, либо переводится в машинный код, либо исполняется.

1.3 Что такое язык программирования

     Самому  написать программу в машинном коде сложно, причем эта сложность резко  возрастает с увеличением размера  программы и трудоемкости решения  нужной задачи. Условно можно считать, что машинный код приемлем, если размер программы не превышает несколько десятков байтов.

     Поэтому сегодня почти все программы  создаются с помощью языков программирования. Теоретически программу можно написать и средствами обычного естественного  языка – это называется программированием  на метаязыке(этот подход обычно используется на этапе составления алгоритма), но автоматически перевести такую программу на машинный код пока невозможно из-за высокой неоднозначности естественных языков.

     Языки программирования – искусственные  языки. От естественных они отличаются ограниченным числом «слов», значение которых понятны транслятору, и очень строгими правилами записи команд (операторов). Совокупность подобных требований образуют синтаксис языка программирования, а смысл каждой команды и других конструкций языка – его семантику. Нарушение формы записи программы приводит к тому, что транслятор не может понять назначение оператора и выдает сообщение о синтаксической ошибке, а правильно написанное, но не отвечающее алгоритму использование команд языка приводят к семантическим (логическим) ошибкам.

     Процесс поиска ошибки в программе называется тестированием, процесс устранения ошибки – отладкой.

1.4 Уровни языков программирования

     Разные  типы процессоров имеют разные наборы команд. Если язык программирования ориентированный  на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня. Операторы языка низкого уровня близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора.

     Языком  с низким уровнем является язык ассемблера, кот просто представляет каждую команду машинного кода, но в виде чисел, с помощью символьных условных обозначений, называемых мнемониками. Однозначное преобразование одной машинной инструкции в одну команду ассемблера называется транслитерацией. Так как наборы инструкций для каждой модели процессора отличаются, конкретной архитектуре соответствует свой язык ассемблера, и написанная на нем программа может быть использована только в этой среде.

     С помощью языков низкого уровня создаются  очень эффективные и компактные программы, так как разработчики получают доступ ко всем возможностям процессора. С другой стороны, при этом требуется очень хорошо понимать устройство компьютера, затрудняется отладка больших приложений, а результирующая программа не может быть перенесена на компьютер с другим типом процессора. Подобные языки обычно применяют для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки и нестандартным оборудованиям, когда важнейшими требованиями становятся компактность, быстродействие и возможность прямого доступа к аппаратным ресурсам. В некоторых областях, например, в машинной графике, на языке ассемблера пишутся библиотеки, эффективно реализующие требующие интенсивных вычислений алгоритмы обработки изображений.

     Языки программирования, имитирующие естественные языки, обладающие укрупненными командами, ориентированными на решение прикладных содержательных задач, называются языками высокого уровня.

     Языки программирования высокого уровня имеют  следующие особенности:

     Алфавит значительно шире машинного, что делает его гораздо более выразительным и существенно повышает наглядность и понятность текста;

     Набор операций, допустимых для использования, не зависит от набора машинных операций, а выбираются из соображений удобства формулирования алгоритмов решения задач определенного класса;

     Конструкция команд (операторов) отражает содержательные виды обработки данных и задаются в удобном для человека виде;

     Используется  аппарат переменных и действия над  ними;

     Поддерживается  широкий набор типов данных

     Таким образом, языки программирования являются машинно-независимыми и требуют использования соответствующих программ – трансляторов для представления программы на языке машины, на которой она будет исполняться.

     Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому создаваемые программы на уровне исходных текстов легко переносимы на другие платформы, для которых создан транслятор этого языка.

1.5 Компилируемые и интерпретируемые языки

     Языки программирования делятся на два  класса — компилируемые и интерпретируемые.

     Программа на компилируемом языке при помощи специальной программы компилятора преобразуется (компилируется) в набор инструкций для данного типа процессора (машинный код) и далее записывается в исполняемый файл, который может быть запущен на выполнение как отдельная программа. Другими словами, компилятор переводит программу с языка высокого уровня на низкоуровневый язык, понятный процессору.

     Если  программа написана на интерпретируемом языке, то интерпретатор непосредственно выполняет (интерпретирует) ее текст без предварительного перевода. При этом программа остается на исходном языке и не может быть запущена без интерпретатора. Можно сказать, что процессор компьютера — это интерпретатор машинного кода.

     Кратко  говоря, компилятор переводит программу на машинный язык сразу и целиком, создавая при этом отдельную программу, а интерпретатор переводит на машинный язык прямо во время исполнения программы.

     Разделение  на компилируемые и интерпретируемые языки является несколько условным. Так, для любого традиционно компилируемого языка, как, например, Паскаль, можно написать интерпретатор. Кроме того, большинство современных «чистых» интерпретаторов не исполняют конструкции языка непосредственно, а компилируют их в некоторое высокоуровневое промежуточное представление (например, с разыменованием переменных и раскрытием макросов).

     Для любого интерпретируемого языка  можно создать компилятор — например, язык Лисп, изначально интерпретируемый, может компилироваться без каких бы то ни было ограничений. Создаваемый во время исполнения программы код может так же динамически компилироваться во время исполнения.

     Как правило, скомпилированные программы выполняются быстрее и не требуют для выполнения дополнительных программ, так как уже переведены на машинный язык. Вместе с тем при каждом изменении текста программы требуется ее перекомпиляция, что создает трудности при разработке. Кроме того, скомпилированная программа может выполняться только на том же типе компьютеров и, как правило, под той же операционной системой, на которую был рассчитан компилятор. Чтобы создать исполняемый файл для машины другого типа, требуется новая компиляция.

     Интерпретируемые  языки обладают некоторыми специфическими дополнительными возможностями (см. выше), кроме того, программы на них  можно запускать сразу же после  изменения, что облегчает разработку. Программа на интерпретируемом языке  может быть зачастую запущена на разных типах машин и операционных систем без дополнительных усилий. Однако интерпретируемые программы выполняются заметно медленнее, чем компилируемые, кроме того, они не могут выполняться без дополнительной программы-интерпретатора.

     В реальных системах программирования переменны технологии и компиляции и интерпретации. В процессе отладки программу можно выполнять по шагам, а результирующий код не обязательно будет машинным – он даже может быть исходным кодом, написанном на другом языке программирования или промежуточным машинно-независимым кодом абстрактного процессора, который в различных компьютерных архитектурах станет выполняться с помощью интерпретатора или компилироваться в соответствующий машинный код.

2 КЛАССИФИКАЦИЯ ЯЗЫОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

     Существуют  разные подходы к классификации  языков программирования. Все они  в той или иной мере упрощают реальную картину и охватывают лишь отдельные  характеристики языков. Сложность классификации  понятна: 50 лет эволюции языков программирования привели к тому, что взаимопроникновение концепций языков, которые используют различные модели и парадигмы, достигло едва ли не своего апогея. Почти каждый новый язык представляет собой «гремучую смесь» разных концепций и механизмов.

     В течение многих лет программное обеспечение строилось на основе операционных и процедурных языков, таких как Фортран, Бейсик, Паскаль, Ада, Си. Сегодня современные версии этих и им подобных языков (Модула, Форт) доминируют при разработке прикладных программных средств. Однако по мере эволюции языков программирования получили широкое распространение и другие, принципиально другие подходы.

     Классическое  операционное программирование требует  от программиста детального описания того, как решить задачу, то есть формулировки алгоритма и его специальные записи. При этом ожидаемые свойства результата обычно не указываются. При процедурном подходе операторы объединяются в группы – процедуры. Структурное программирование не выходит за рамки этого направления, оно лишь дополнительно фиксирует некоторые полезные приемы технологии программирования.

     Модульное программирование является развитием  и совершенствованием процедурного программирования и библиотек специальных  программ. Основная черта модульного программирования — стандартизация интерфейса между отдельными программными единицами. Модуль — это отдельная функционально-законченная программная единица, которая структурно оформляется стандартным образом по отношению к компилятору и по отношению к объединению ее с другими аналогичными единицами и загрузке. Как правило, каждый модуль содержит паспорт, в котором указаны все основные его характеристики: язык программирования, объем, входные и выходные переменные, их формат, ограничения на них, точки входа, параметры настройки и т.д. Объем модуля обычно не превышает 1000 команд ЭВМ или операторов языка программирования. В противном случае модуль становится громоздким и трудным к восприятию и использованию.

     Модульное программирование — это искусство  разбиения задачи на некоторое число  различных модулей, умение широко использовать стандартные модули путем их параметрической настройки, автоматизация сборки готовых модулей из библиотек, банков модулей.

     Основные  концепции модульного программирования:

     каждый  модуль реализует единственную независимую  функцию;

     каждый  модуль имеет единственную точку  входа и выхода;

     каждый  модуль имеет единственную точку  входа и выхода;

     размер  модуля по возможности должен быть минимизирован;

     каждый  модуль может быть разработан и закодирован  различными членами бригады программистов и может быть отдельно протестирован;

     вся система построена из модулей;

     модуль  не должен давать побочных эффектов;

     каждый  модуль не зависит от того, как реализованы  другие модули.

     При таком подходе сложная система  разделяется на несколько частей, одновременно создаваемых различными программистами. Каждый модуль реализует единственную функцию. Размер модуля невелик, поэтому тестирование управляемо и может быть проведено тщательным образом. После кодирования и тестирования всех модулей происходит их интеграция, и тестируется вся система.

     При сопровождении тестируется и  отлаживается только тот модуль, который  плохо работает. Очевидны преимущества в облегчении написания и тестирования программ, уменьшается стоимость  их сопровождения.

     Концепция модульного программирования реализована в ряде языков, таких как Modula 2, Turbo Pascal 5.0 и выше, C, Python,Perl.

     Отличие в реализации процедурного программирования от модульного состоит в том, что  модуль не виден программе. В отличие  от стандартных языков процедурного программирования, в модульных языках лишние модули просто не прикомпановываются на этапе сборки.

     Принципиально иное направление в программировании связано с парадигмами непроцедурного программирования. К ним можно отнести объектно-ориентированное и декларативное программирование.

     Объектно-ориентированный  язык создает окружение в виде множества независимых объектов. Каждый объект ведет себя подобно  отдельному компьютеру, их можно использовать для решения задачи как «черные  ящики», не вникая во внутренние механизмы их функционирования.

     Из  языков объектного программирования, популярных среди профессионалов, следует  назвать прежде всего C++, для более  широкого круга программистов предпочтительны  среды типа Delphi и Visual Basic.

     При использовании декларативного языка программист указывает исходные информационные структуры, взаимосвязи между ними и то, какими свойствами должен обладать результат. При этом алгоритм программист не строит. То есть при использовании декларативного языка в программах описывается способ решения поставленной задачи, а не предписываются шаги для получения результата.

     Декларативные языки подразделяются на два класса: функциональные и логические.

     Функциональное  программирование — парадигма программирования, в которой процесс вычисления трактуется как вычисление значений функций в математическом понимании (то есть тех, чей единственный результат работы заключается в возвращаемом значении, или другими словами, вычисление которых не имеет побочного эффекта); способ решения задачи описывается при помощи зависимости функций друг от друга (в том числе возможны рекурсивные зависимости), но без указания последовательности шагов.

     Типичным  представителем функциональных языков программирования является Лисп. В  основе языка Лисп лежит лямбда-исчисление. Лямбда-исчисление – формализм для представления функций и способов их комбинирования. Вместе со своим эквивалентом –комбинаторной логикой, в которой не используются переменные, – предложено около 1930 г. логиками Черчем, Шейнфинкелем и Карри.

     В лямбда-исчислении Черча функция записывается в виде l (x1,x2, … , xn).fn

     В Лиспе лямбда-выражение имеет  вид: 

     (LAMBDA(x1,x2, … , xn).fn). 

     Символ  LAMBDA означает, что мы имеем дело с определением функции. Символы xi являются формальными параметрами, они образуют список, называемый лямбда-списком; fn – тело функции, которое может иметь произвольную форму, допускаемую интерпретатором Лиспа. Телом функции может быть константа или композиция из вызовов функций.

     Программы на языках логического программирования выражены как формулы математической логики, а компилятор пытается получить следствия из них. Так же как в функциональном программировании, программист остается в неведении о методах, применяемых при вычислении, и последовательности исполнения элементарных действий. Большая часть ответственности за эффективность вычислений в логическом и функциональном программировании перекладывается на «плечи» транслятора используемого языка программирования.

     Все сказанное выше можно отобразить следующей схемой: 

     Схема 2.1 «Классификация языков программирования» 

     Приведем  другие классификации языков программирования.

     Одной из наиболее примечательных является классификация моделей языков, предложенная Дж. Бэкусом в 1977 г. В соответствии с ней выделяются три категории языков:

     Простые операционные модели (языки, основанные на конечных автоматах, машине Тьюринга);

     Аппликативные модели (языки на основе лямбда-исчисления Чёрча, системы комбинаторов Карри, чистого Лиспа);

     Модели  фон Неймана (традиционные языки  программирования).

     Джон  Устерхаут предложил принцип  классификации языков, в соответствии с которым высокоуровневые языки делятся на языки системного программирования и на скриптовые.

     Скриптовый  язык (англ. scripting language, также называют язык сценариев) — язык программирования, разработанный для записи «сценариев», последовательностей операций, которые пользователь может выполнять на компьютере. Простые скриптовые языки раньше часто называли языками пакетной обработки (batch languages или job control languages). Сценарии всегда интерпретируются, а не компилируются.