Мотивация изучения алгоритмов

Мотивация изучения алгоритмов. Понятие «алгоритм» является основным, неопределяемым. Сущность его на содержательно-интуитивном уровне может быть описана следующим образом: алгоритм – понятное предписание, указывающее, какие операции и в какой последовательности необходимо выполнить с данными, чтобы решить задачу данного типа. Для описания общего метода решения класса однотипных задач в школе часто используются правила.

Правило представляет собой свернутый алгоритм, отдельные шаги его являются блоками (системами операций в «сжатом» виде). Для того чтобы правильно организовывать работу учащихся по овладению алгоритмами школьного курса математики, учителю необходимо овладеть умением выполнять логико-математический анализ алгоритмов (правил). Логический анализ алгоритмов (правил) предполагает: а) проверку наличия у данного правила характеристических свойств алгоритма; б) выделение последовательности операций и логических условий в данном правиле; в) установление связи алгоритма с другими знаниями.

Логико-математический анализ алгоритма позволяет правильно осуществить отбор материала для работы с учащимися по овладению алгоритма. Работа с учащимися по овладению алгоритмом обычно включает три основных этапа: 1) введение алгоритма; 2) усвоение алгоритма; 3) применение алгоритма.

Одной из целей первого этапа изучения алгоритма и является мотивация изучения алгоритма. Основным средством, используемым на различных этапах формирования алгоритма, является система упражнений. Содержание ее определяется на основании логико-математического анализа конкретного алгоритма. Можно выделить два способа введения алгоритмов: содержательный и формальный. Если алгоритм выполнения некоторой операции выявлен в процессе решения сюжетной задачи, то этот способ введения алгоритма называется содержательный.

Если алгоритм вводят без рассмотрения сюжетной задачи, то этот способ введения алгоритма называется формальным. Рассмотрим мотивировку введения алгоритма на примере введения способов операций и алгоритмов их выполнения в 5 – 6 классах. Алгоритмы выполнения операций должны быть, где это возможно, мотивируемы. Способы мотивировок могут быть различные: словесно-логический, логико-математический, экспериментальный (эмпирический) и т. д. В зависимости от способа введения алгоритма выполнения операций используют сюжетные задачи с различными целями:  При содержательном способе введения алгоритма, исходя из решения текстовой задачи, формулируют алгоритм выполнения операции;  При формальном введении алгоритма содержательное решение текстовой задачи служит мотивировкой введенного алгоритма.

Содержательный способ введения операции и алгоритма ее выполнения. Изучение вопроса начинают с рассмотрения конкретных сюжетных задач, способ решения которых для ранее изученных чисел учащимся известен.

Принимают соглашение, что для новых чисел задачу решают с помощью «той же операции». Здесь мы имеем содержательное введение операции на новом множестве чисел, как обобщение способа решения задачи. Далее возникает проблема - найти правило, то есть алгоритм выполнения операции для новых чисел. Решение задачи, точнее говоря, результат применения операции к данным числам в каждом случае находят, проводя содержательные рассуждения в соответствии с фабулой задачи, и иногда с использованием геометрической иллюстрации задачной ситуации.

В соответствии с принятым соглашением и полученным результатом записывают равенство вида a*b=c. Меняя числовые данные в задаче, как правило, получают несколько таких равенств. Кроме основного равенства в процессе содержательного решения задачи могут быть получены некоторые вспомогательные равенства. Таким образом, при содержательном введении алгоритма роль сюжетных задач сводиться к получению некоторых равенств, то есть к получению формальных объектов.

Чтобы сформулировать правило выполнения операции с новыми числами, нужно провести синтаксический анализ полученных основных равенств, то есть рассмотреть какие объекты имеем в каждой части равенств, установить возможные между ними связи, а используя вспомогательные равенства, выяснить какие использованы ранее известные алгоритмы. При проведении этого анализа рассмотренные сюжетные задачи уже никакой роли не играют.

Исходя из проведенного синтаксического анализа, формулируют правило выполнения введенной операции. Если при этом есть несколько принципиальных различных случаев выполнения операции, то такой анализ нужно проводить для каждого случая отдельно. Совокупность правил выполнения операции в различных случаях представляет алгоритм выполнения операции. Следует заметить, что в школе при введении алгоритмов выполнение действий содержательным способом не всегда должное внимание уделяется приведению синтаксического анализа полученных равенств.

Поэтому даже при использовании сюжетных задач нередко правила выполнения действий учитель формулирует сам. Проводить синтаксический анализ различных выражений необходимо учить учащихся не только при введении новых алгоритмов, нужны специально направленные на это упражнения. Содержательный способ введения алгоритма возможен без содержательного введения операций. В этом случае учащимся уже должно быть известно, что задачу нужно решать с помощью рассматриваемой операции, то есть не нужно вводить соглашение о выполняемой операции.

Что касается введения алгоритма, то изучение вопроса следует вести так же как и в рассмотренном выше случае. Формальный способ введения алгоритма. Здесь имеются различные возможности: 1) можно построить систему синтаксических упражнений, подводящих учащихся к применению алгоритма выполнения новой операции. Проводя анализ выполненных упражнений, учащиеся приходят к формулировке алгоритма; 2) алгоритмы вводит учитель сам, показывает его применение на примерах и т. д. При этом способе введения алгоритма после формулировки его и приобретение учащимися некоторого умения применять алгоритм, следует рассмотреть сюжетные задачи с целью мотивировки введенного правила.

В этом случае решение задачи нужно найти двумя способами: выполняя операцию по алгоритму и проведя содержательные рассуждения в соответствии с фабулой задачи. Совпадение результата решения задачи разными способами подтверждает целесообразность введения именно таких правил выполнения операции.

Различия в использовании содержательных задач при разных способах введения алгоритмов состоит в том, что при первом способе учащиеся проводят синтаксический анализ равенств, полученных при решении задачи, при втором способе такой анализ не проводиться, так как нас интересует результат выполнения операции по алгоритму и результат, полученный при содержательном решении задачи. Следует заметить, что не всегда при формальном введении алгоритмов выполнения операций их мотивировку проводят содержательно, иногда мотивировку можно провести формальными средствами.

Первый способ введения алгоритмов выполнения операции наряду с основной целью – формулировкой алгоритма, позволяет развивать у учащихся умение проводить анализ, обобщение, сравнение, то есть способствует развитию мышления. Кроме того, в процессе изучения математики необходимо научить школьников переводить на математический язык содержание задачи, сформулированной в терминах естественного языка, а также осуществлять обратный перевод, то есть интерпретировать символические записи в терминах конкретной задачи.

Эти умения связаны с обучением математическому моделированию. При содержательном введении алгоритмов можно показать учащимся, что переход от естественного языка к языку математических знаков: а) совершенствует форму записи мыслей, делает ее более компактной и обозримой; б) позволяет в самой структуре языка отражать структурные связи между изучаемыми объектами; в) дает единую модель для решения разнообразных задач – в этом заключается универсальность математических методов.

Второй способ введения алгоритмов позволяет формировать у учащихся такой элемент алгоритмической культуры, как умение выполнять формальные предписания. Однако следует помнить, что это оперирование по формальному предписанию важно не само по себе, а для достижения определенных целей: познавательных, практических и тому подобное. За знаками, с которыми оперируют по данному алгоритму, стоит определенное внезнаковое содержание, которое отображается с помощью данных знаков.

В случае алгоритма в математическом смысле мы отвлекаемся (в определенной мере) от этого содержания. Такое абстрагирование облегчает действия по алгоритму, так как исполнителю не приходиться отвлекать внимание на смысл операций и значение знаков, с которыми оперирует по алгоритму. При решении текстовых задач с использованием известных алгоритмов содержательному толкованию подвергаются лишь исходные данные решаемой задачи и результат ее решения по данному алгоритму.

Здесь важно, что бы учащиеся умели устанавливать соответствия между формальными знаками, с которыми работает алгоритм, и отображаемым в них содержанием. Такие умения формируются у учащихся при содержательном введении операций и алгоритмов. Все три аспекта важны в системе школьного обучения, поэтому при изучении операций и алгоритмов их выполнения следует использовать оба способа их введения.

При содержательном способе введения операций и алгоритмов их выполнения большую роль играет выбор сюжетных задач, которые называются ведущими. В качестве ведущих следует набирать такие задачи, которые удовлетворяют следующим требованиям: 1) при выборе фабулы задачи следует учитывать и использовать практический опыт учащихся; 2) меняя числовые данные в задаче, можно рассмотреть все возможные случаи вводимой операции; 3) содержательный способ решения задачи должен быть адекватным вводимому алгоритму.

Проведение анализа задач, использованных в качестве ведущих, в учебниках математики, с точки зрения высказанных требований, может способствовать улучшению изложения материала учебников.[16] Рассмотрим содержательный способ введения на примере алгоритма сложения дробей с разными знаменателями. В начале урока учитель предлагает ученикам для решения следующую задачу: «Изобразите в тетради такой же квадрат, как на рисунке. Закрасьте ½ квадрата синим цветом, ¼ - красным, 1/8 – желтым, 1/16 – зеленым.

Какая часть квадрата осталась незакрашенной? Какая часть квадрата закрашена?»[9] Ребята без труда ответят на вопросы задачи. Далее учитель задает вопрос: «Как ответить на вопрос задачи, не пользуясь рисунком? С помощью каких действий?». Этот вопрос также не будет затруднительным, ученики без труда ответят, что нужно сложить ½ +1/4 +1/8 + 1/16. Но возникает проблема, как это сделать, так как пока изучено только сложение дробей с одинаковыми знаменателями.

Таким образом перед учениками ставиться цель – научиться складывать дроби с разными знаменателями. После этого учитель вводит алгоритм сложения дробей с разными знаменателями: 1. приведем эти дроби к общему знаменателю; 2. выполним сложение по правилу сложения дробей с равными знаменателями. После введения алгоритма и выполнения нескольких примеров на закрепление, без труда решается задача, предложенная в начале урока. Плюс задачи в том, что можно сразу проверить полученный результат с тем, который получился при закрашивании квадрата.

Рассмотрим другой способ введения алгоритма – формальный, на примере сложения десятичных дробей. В начале урока ученикам предлагаются для решения различные несложные упражнения. Например, • Выполнить сложение: 1/7 + 5/7; 1/10 + 7/10. • Записать в виде обыкновенной дроби числа: 0,5; 0,07. • Представить числа в виде разрядных слагаемых: 457; 4,57; 56; 0,56. • Назвать числа, равные числу 4,7. • Сложить числа, представив их в виде суммы разрядных слагаемых и применив законы сложения: 286 + 37. • Выполнить сумму, называя каждый раз единицы каких разрядов вы складываете: 5873 326 Далее вводиться сам алгоритм сложения десятичных дробей: 1. Уровнять число знаков после запятой в слагаемых; 2. Записать слагаемые друг под другом так, что бы запятая оказалась под запятой; 3. Сложить полученные числа, как складываются натуральные числа; 4. Поставить в полученной сумме запятую под запятыми в слагаемых.

После введения алгоритма может быть рассмотрена задача, например: «В соревнованиях по тройному прыжку Юра сделал прыжки 2,48 м, 2,76 м и 3,42 м, а Саша – 2,54 м, 2,3 м и 3,56 м. Кто из мальчиков стал победителем?»[10]