ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Важное место в программном обеспечении современных ЭВМ зани­мают системы программирования. Основное их назначение - освобо­дить программиста от необходимости работать на языке машинных ко­манд. Язык программирования, с которым работает система програм­мирования, называется ее входным языком. Системы программирования именуются по названию своего входного языка. Например: Бейсик - система, Паскаль - система, система пролог. Иногда в название систем включаются префиксы, обозначающие, например, фирменное происхождение системы. Очень популярны системы с приставкой "Тур­бо": Турбо - Паскаль, Турбо - Си и др. Это системы программирова­ния, разработанные фирмой Borland.

Системы программирования - это универсальные средства работы с информацией. С их помощью можно решать вычислительные задачи, обрабатывать тексты, получать графические изображения, осущест­влять хранение и поиск данных и т.д., в общем, делать все, что делают средства прикладного программного обеспечения - специали­зированные исполнители. Кроме того, сами эти средства (графичес­кие и текстовые редакторы, СУБД и др.) - это программы, написан­ные на языках программирования, созданные с помощью систем прог­раммирования.

Языки программирования претерпели большие изменения с тех пор, как в сороковых годах началось их использование. Они все еще продолжают изменяться и теперь даже быстрее, чем когда либо ра­нее.

Первые языки программирования были очень примитивными и мало чем отличались от формализованных упорядочений двоичных чисел (единиц и нулей), понятных компьютеру. Использование таких языков было крайне неудобно с точки зрения программиста, так как он дол­жен знать числовые коды всех машинных команд, должен сам распре­делять память под команды программы и данные. На языках машинных команд трудно поддерживать структурную методику программирования.

Для того, чтобы облегчить общение человека с ЭВМ были созда­ны языки программирования типа Ассемблер. Переменные величины стали изображаться символическими именами. Числовые коды операций заменились на мнемонические (словесные) обозначения, которые лег­че запомнить. Язык программирования приблизился к человеческому языку, но удалился от языка машинных команд. Чтобы ЭВМ могла ра­ботать на языке Ассемблера, необходим транслятор - системная программа, переводящая текст программы на Ассемблере в эквива­лентные ей машинные команды. Языки типа Ассемблер - машиноориен­тированные, потому что они настроены на структуру машинных команд конкретного компьютера. Разные компьютеры с разными типами про­цессоров имеют разный Ассемблер.

В пятидесятых годах, с широким развитием ЭВМ и применением их в различных областях науки и техники, возникла серьезная проб­лема: простой пользователь не мог работать с ЭВМ из-за сложности языков программирования, а подготовленный программист был просто не в состоянии обслужить огромное количество пользователей. Раз­решением данной проблемы явилось создание языков программирования высокого уровня (ЯПВУ). Форма записи программ на ЯПВУ по сравне­нию с Ассемблером и машинными языками ближе к традиционной мате­матической форме и разговорному языку. Они легко изучаются, хоро­шо поддерживают структурную методику программирования, и еще, что очень важно, ЯПВУ являются машинонезависимыми языками. Одна и та же программа на таком языке может быть выполнена на ЭВМ различных типов, оснащенных соответствующим транслятором. Однако программы, написанные на языках высокого уровня, занимают больше памяти и медленнее выполняются, чем программы на машинных языках или язы­ках Ассемблера.

Первыми популярными языками высокого уровня, появившимися в 50-х годах, были Фортран, Кобол (в США) и Алгол (в Европе). Для первых ЯПВУ была характерна их предметная ориентация. Так языки Фортран и Алгол были ориентированы на научно - технические расче­ты математического характера. Кобол - язык для программирования экономических задач. В нем, по сравнению с двумя другими языками программирования, слабее развиты математические средства, зато хорошо развиты средства обработки текстов, организация вывода данных в форме требуемого документа.

Огромное количество новых языков программирования стало по­являться в 60-х, 70-х годах. За всю историю ЭВМ их было создано более тысячи. Однако распространились и выдержали испытание вре­менем немногие.

В 1965 году появились два новых важных языка. Профессорами университета в городе Дартмуне Т. Куртцем и Д. Кемени был разра­ботан язык для обучения программированию, который являлся упро­щенной версией Фортрана и получил название Бейсик (Beginner's All-purpose Simbolic Instruction Code, т.е. многоцелевой код сим­волических команд для начинающих). Бейсик предоставляет разнооб­разные средства для диалога: пользователь имеет возможность "об­щаться" с Бейсик-программой во время ее выполнения. Программа мо­жет "попросить" пользователя ввести данные, проверить их, осу­ществить выбор и т.д. Наибольшее признание Бейсик получил с появ­лением микроЭВМ начиная с 1975 года. Сейчас Бейсик со всеми его реализациями вполне можно назвать наиболее известным и широко распространенным языком высокого уровня.

Вторым языком, появившемся в 1965 году, был ПЛ/1 (Program­ming Language 1, т.е язык программирования 1). ПЛ/1 был разрабо­тан при содействии фирмы IBM. При этом преследовалась цель соз­дать язык, сочетающий в себе лучшие свойства Алгола, Кобола и Фортрана. ПЛ/1 действительно подходит для решения широкого круга задач и является более гибким по сравнению с Алголом, Коболом и Фортраном. При появлении языка ПЛ/1 предсказывали, что он станет основным языком и в конечном итоге заменит своих предшественни­ков. Однако этого не произошло. Главная причина по-видимому свя­зана с тем, что некоторые пользователи Кобола и Фортрана не ощу­тили тех преимуществ языка ПЛ/1, которые оправдали бы переход к нему. Другая причина связана с "размерами" языка. Большое коли­чество средств и разнообразие операторов ПЛ/1 привели к тому, что он оказался довольно сложным в изучении.

В 1971 году профессор Н. Вирт из Технического университета в Цюрихе разработал новый язык, известный под названием "Паскаль" (в честь хорошо известного математика 17-го века Блеза Паскаля). Язык паскаль основан на Алголе, но содержит ряд усовершенствова­ний. Первоначально он создавался как учебный язык, в нем аккурат­но соблюдена структурная линия программирования. Наибольший успех и распространение языку Паскаль принесли первые персональные компьютеры. Фирма Borland Internetional Inc (США) разработала систему Турбо - Паскаль для ПК. Турбо - Паскаль - это не только язык и транслятор с него, но еще и операционная оболочка, позво­ляющая пользователю удобно работать на Паскале. Турбо - Паскаль вышел за рамки учебного предназначения и стал языком профессио­нального программирования с универсальными возможностями. В силу своих достоинств Паскаль послужил источником для создания многих основных современных языков программирования, таких как Ада, Си, Модула-2 и др.

Язык Си первоначально был разработан для мини - ЭВМ исполь­зующих операционную систему UNIX. Он является относительно прос­тым языком, в нем нет операций над символьными строками и списка­ми, но, в отличии от Паскаля, в нем заложены возможности непос­редственного обращения к некоторым машинным командам, к опреде­ленным участкам памяти компьютера. Си широко используется как инструментальный язык для разработки операционных систем, транс­ляторов, баз данных т других системных и прикладных программ.

В 1965 году появился язык программирования Лисп (LISt Pro­cessing, т.е. обработка списков). Он служит для обработки строк и рекурсивных данных. Лисп располагает также средствами для выпол­нения арифметических и логических операций. Он находит широкое применение в исследованиях по созданию искусственного интеллекта.

В настоящее время существует большое количество языков высо­кого уровня, и каждый год появляются новые языки (хотя немногие из них действительно реализованы и в какой-то степени используют­ся).

В современной информатике можно выделить два основных нап­равления развития языков программирования: процедурное и непроце­дурное (рис. 1.).

Процедурное программирование возникло на заре вычислительной техники и получило широкое распространение. В процедурных языках программа явно описывает действия, которые необходимо выполнить, а результат задается только способом получения его при помощи не­которой процедуры, которая представляет собой определенную после­довательность действий. Основные средства, применяемые в этих языках - величины (в том числе и табличные), присваивания, циклы, процедуры. При построении процедурной программы необходимо ясно представлять какие действия и в какой последовательности будут производиться при ее выполнении. Следовательно, процедурное прог­раммирование основано на алгоритмическом мышлении и может служить средством его развития.

Среди процедурных языков можно выделить в свою очередь структурные и операционные языки. В структурных языках одним опе­ратором записываются целые алгоритмические структуры: ветвления, циклы. В операционных языках для этого используются несколько операций. Широко распространены структурные языки: Паскаль, Си, Ада, ПЛ/1. Операционные: Фортран, Бейсик, Фокал.

Непроцедрное (декларативное) программирование появилось в начале 70-х годов, но стремительное его развитие началось в 80-е годы, когда был разработан японский проект создания ЭВМ пятого поколения, целью которого явилась подготовка почвы для создания интеллектуальных машин. К непроцедурному программированию отно­сятся функциональные и логические языки.

В функциональных языках программа описывает вычисление неко­торой функции. Обычно эта функция задается как композиция других, более простых, те в свою очередь разлагаются на еще более простые и т.д. Один из основных элементов в функциональных языках - ре­курсия, то есть вычисление значения функции через значение этой же функции от других элементов. Присваивания и циклов в класси­ческих функциональных языках нет.

Наиболее распространенными среди функциональных языков явля­ются Лисп и Рефал. Лисп - язык обработки списков давно и активно применяется в системах искусственного интелекта. Рефал, построен­ный на алгоритмах Маркова, удобен для обработки текстов и единс­твенный из распространенных в мире языков программирования, раз­работанный в нашей стране.

Промежуточное положение занимает язык Лого, который содержит средства и процедурного и функционального программирования. На начальном уровне, которым всегда начинается и часто заканчивается его изучение, он похож на классический процедурный язык. Однако при решении сложных задач обработки данных на первый план выходят функциональные методы. Фактически, Лого - это Лисп, адаптирован­ный для обучения. Эта адаптация потребовала включения в язык про­цедур, переменных, присваивания, т.е. средств, характерных скорее для процедурных, чем для функциональных языков. Функциональная программа, как и процедурная, описывает действия, которые надо совершить для достижения результата (вызов функции - это тоже действие), но ее построение требует скорее математического, чем алгоритмического мышления.

В логической традиции программа вообще не описывает дейс­твий. Она задает данные и соотношения между ними. После этого можно задавать вопросы. Машина перебирает известные (заданные в программе) данные и находит ответ на вопрос. Порядок перебора не описывается в программе, а неявно задается самим языком. Класси­ческим языком логического программирования считается Пролог, хотя он и содержит некоторые средства управления перебором, т.е. про­цедурные элементы. Построение логической программы вообще не тре­бует алгоритмического мышления. Здесь нет динамики, нет описания действий, программа описывает статические отношения объектов, а динамика находится в механизме перебора и скрыта от программиста.

Можно выделить еще один класс языков программирования - объ­ектноориентированные языки сверхвысокого уровня. На таких языках не описывают подробной последовательности действий для решения задачи, хотя они содержат элементы процедурного программирова­ния.

Объектноориентированные языки, благодаря богатому пользова­тельскому интерфейсу, предлагают человеку решить задачу в удобной для него форме. Примером такого языка может служить язык програм­мирования визуального общения Smalltak. Трудно провести четкую границу между системами программирования сверхвысокого уровня и прикладным программным обеспечением. Как те, так и другие системы позволяют работать с ними неквалифицированному пользователю, т.е. не программисту.

ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ДЛЯ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА

Выбирая стратегию преподавания информатики в школе, необхо­димо учитывать, что задача общеобразовательного курса - это в большой степени выработка определенного стиля мышления, формиро­вание наиболее общих навыков, умений и представлений, нежели ос­воение тех или иных конкретных языков и технических средств прог­раммирования.

В то же время такой курс должен служить базой для последую­щего профессионального изучения программирования в высшей школе или старших классах средней школы (в рамках профессионального обучения).

В настоящее время существуют три наиболее распространенных подхода к преподаванию программирования:

1) преподавание программирования как теоретической дисципли­ны вообще, без освоения конкретных языков и систем;

2) преподавание на основе специально разработанного языка, ориентированного на обучение основным навыкам программи­рования;

3) изучение одного или нескольких языков программирования, широко используемых при решении научных и хозяйственных задач (такие языки можно назвать стандартными).

Первый подход представляется наиболее логичным. Однако его практическая реализация наталкивается на серьезные трудности, так как с отказом от языка программирования не только теряется воз­можность использовать соответствующий инструментарий, но и зачас­тую становится трудно обосновать необходимость его использования.

Второй подход часто используется при преподавании основ программирования в младших классах средней школы. Разработаны и специализированные языки для этих целей. В их числе можно назвать Школьник, Рапира (СССР), SMR (Великобритания), LOGO (США). Они предельно упрощены и рассчитаны на возможности младшего школьника в области программирования. Такой подход хорош при углубленном изучении информатики в специализированных классах при начальном этапе обучения.

Противники третьего подхода утверждают, что он непригоден прежде всего потому, что ни один из существующих стандартных язы­ков не отражает в достаточно чистом виде современный концептуаль­ный запас программирования. Такое положение, вообще говоря, ес­тественно, так как все эти языки разрабатывались со своими целями и каждый из них ориентирован на определенную, более или менее уз­кую область применения. Кроме того, большинство реализаций стан­дартных языков загружено большим количеством технических деталей и сложны в изучении.

Наиболее приемлемым для общеобразовательной школы, где курс информатики преподается в 8-х - 9-х классах, является сочетание первого и третьего подходов - обучение теоретическим основам программирования на базе стандартного языка. При этом не обяза­тельно вдаваться в глубины языка. Учащиеся, которых он заинтере­сует, могут сделать это и сами. Наибольшее внимание следует уде­лить переходу от алгоритмических структур к их программно реали­зации на языке программирования.

Здесь стоит отметить, что Бейсик и Паскаль первоначально создавались как учебные языки, но со временем получили широкое распространение в качестве стандартных языков. Можно взять за ос­нову один из них. У каждого языка есть свои сторонники и против­ники, и конечный выбор определяется наличием аппаратных средств и личными наклонностями преподавателя. Ориентируясь на ЭВМ БК-0011М, имеющийся в наличии, целесообразно выбрать Бейсик - систему, реализованную на этих машинах.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ

Из существующих технологий программирования наиболее попу­лярной и широко используемой является технология структурного программирования "сверху - вниз". Ее достоинством является то, что она позволяет сформировать у обучаемых алгоритмичесий стиль мышления, необходимый при изучении практически всего курса инфор­матики. Следовательно, выбирая язык программирования для школьно­го курса, нужно ориентироваться на один из структурных языков. Желательно, чтобы этим языком был Бейсик или Паскаль, так как они первоначально создавались для учебных целей.