⛓️ Составление цепочки команд

Циклы в действии: программируем умные алгоритмы

🔄 Циклы • 📋 Алгоритмы • ⚡ Оптимизация • 🤖 Практика
7 класс • Технология • 45 минут
Учитель: mw285748 • 2025-06-15

🎯 Цель практической работы

💡 Научимся:

Составлять эффективные цепочки команд
Оптимизировать алгоритмы с помощью циклов
Программировать роботов для сложных маршрутов
Отлаживать и улучшать программы

🔄 Практический подход:

1Задача → Анализ → Цикл → Код → Тест → Оптимизация

🧠 Анализ повторяющихся действий

🔍 Поиск паттернов

❌ Неэффективный код:

1robot.forward(50)
2robot.turn_right(90)
3robot.forward(50)  
4robot.turn_right(90)
5robot.forward(50)
6robot.turn_right(90)
7robot.forward(50)
8robot.turn_right(90)
9# 8 строк для квадрата!

✅ Эффективный код:

1for i in range(4):
2    robot.forward(50)
3    robot.turn_right(90)
4# 3 строки для квадрата!

📊 Экономия: 62% кода, меньше ошибок, легче изменять

🎯 Типы повторений в робототехнике

1️⃣ Точное количество раз:

1# Обход 5 контрольных точек
2for checkpoint in range(5):
3    robot.move_to_checkpoint(checkpoint)
4    robot.signal()

2️⃣ До выполнения условия:

1# Движение до препятствия
2while distance_sensor.value() > 10:
3    robot.forward()
4robot.stop()

3️⃣ Минимум один раз:

1# Поиск линии (обязательно повернуться)
2do:
3    robot.turn_right(10)
4while color_sensor.value() != "black"

🔧 Алгоритм оптимизации

Шаги анализа задачи:

Выделить повторяющиеся фрагменты
Определить тип повторения
Выбрать подходящий цикл
Минимизировать операции в теле цикла
Проверить условия выхода

⚠️ Опасности:

Бесконечные циклы
Неточные условия
Избыточные вычисления

🛠️ Практические задания

🟢 Базовый уровень: “Геометрические фигуры”

Задача: Робот рисует правильный многоугольник

1# Параметры
2sides = 6        # количество сторон
3side_length = 40 # длина стороны в см
4angle = 360 / sides  # угол поворота
5
6# Алгоритм
7for i in range(sides):
8    robot.forward(side_length)
9    robot.turn_right(angle)

🎯 Расширения:

Изменить количество сторон
Разные размеры сторон
Спираль с увеличивающимся радиусом

🟡 Средний уровень: “Змейка с препятствиями”

Задача: Движение зигзагом с обходом препятствий

 1rows = 4
 2columns = 5
 3
 4for row in range(rows):
 5    for col in range(columns):
 6        # Проверка препятствия
 7        if distance_sensor.value() < 15:
 8            robot.obstacle_avoidance()
 9        else:
10            robot.forward(30)
11    
12    # Переход на следующую строку
13    if row < rows - 1:
14        robot.turn_right(90)
15        robot.forward(30)
16        robot.turn_right(90)

🔧 Алгоритм обхода препятствий:

1def obstacle_avoidance():
2    robot.turn_left(90)
3    robot.forward(40)
4    robot.turn_right(90)
5    robot.forward(40)
6    robot.turn_right(90)
7    robot.forward(40)
8    robot.turn_left(90)

🔴 Продвинутый уровень: “Умный патруль”

Задача: Патрулирование с адаптивным маршрутом

 1checkpoints = [(0,0), (100,0), (100,100), (0,100)]
 2patrol_count = 0
 3max_patrols = 10
 4
 5while patrol_count < max_patrols:
 6    for point in checkpoints:
 7        robot.move_to(point)
 8        
 9        # Сканирование на 360°
10        for angle in range(0, 360, 45):
11            robot.turn_to(angle)
12            if threat_detected():
13                robot.alert()
14                robot.investigate_threat()
15                break
16    
17    patrol_count += 1
18    robot.status_report(patrol_count)

🧠 Адаптивность:

Изменение маршрута при обнаружении угроз
Оптимизация времени патрулирования
Запоминание проблемных зон

📐 Математика оптимизации

⏱️ Временная сложность

Оценка эффективности алгоритмов: $T = n \times t_{step} + k \times t_{overhead}$

где:

n - количество итераций
t_step - время одной итерации
k - количество дополнительных операций
t_overhead - время служебных операций

📊 Сравнение подходов:

1Без циклов: T = 8 × 2с = 16с (квадрат)
2С циклом:   T = 4 × 2с + 0.1с = 8.1с
3Выигрыш:    50% времени выполнения

🎯 Оптимизация вложенных циклов

Сложность вложенности: $O(n^k) \text{ где k - уровень вложенности}$

⚠️ Примеры:

Одинарный цикл: O(n) - линейная сложность
Двойной цикл: O(n²) - квадратичная сложность
Тройной цикл: O(n³) - кубическая сложность

💡 Правило: Избегайте глубокой вложенности!

✅ Хорошо:

1# O(n + m) - линейная сложность
2for row in range(n):
3    process_row(row)
4for col in range(m):
5    process_column(col)

❌ Плохо:

1# O(n * m) - квадратичная сложность
2for row in range(n):
3    for col in range(m):
4        process_cell(row, col)

🧪 Отладка и тестирование

🔍 Поиск ошибок в циклах

Типичные проблемы:

1. Бесконечный цикл:

 1# ❌ Ошибка: условие никогда не станет ложным
 2x = 10
 3while x > 0:
 4    robot.forward()
 5    # x не изменяется!
 6
 7# ✅ Исправление
 8x = 10
 9while x > 0:
10    robot.forward()
11    x -= 1  # изменяем переменную цикла

2. Неточное условие:

1# ❌ Ошибка: может не найти точно 50
2while distance_sensor.value() != 50:
3    robot.forward()
4
5# ✅ Исправление: диапазон значений
6while abs(distance_sensor.value() - 50) > 2:
7    robot.forward()

🧮 Методы отладки

Пошаговое тестирование:

 1def debug_patrol():
 2    print("Начало патрулирования")
 3    
 4    for i, checkpoint in enumerate(checkpoints):
 5        print(f"Движение к точке {i}: {checkpoint}")
 6        robot.move_to(checkpoint)
 7        print(f"Достигнута точка {i}")
 8        
 9        if sensor_check():
10            print("Обнаружена аномалия!")
11            break
12    
13    print("Патрулирование завершено")

Визуализация состояния:

1def show_robot_state():
2    print(f"Позиция: ({robot.x}, {robot.y})")
3    print(f"Направление: {robot.heading}°")
4    print(f"Батарея: {robot.battery}%")
5    print(f"Датчики: {robot.get_sensor_data()}")

🎮 Практическая работа

⏱️ План выполнения (45 минут)

👥 Команды по 2-3 человека

 1Этап 1: Анализ задания (5 мин)
 2• Понимание требований
 3• Выделение повторяющихся действий
 4• Выбор типа цикла
 5
 6Этап 2: Создание алгоритма (10 мин)
 7• Блок-схема решения
 8• Псевдокод программы
 9• Проверка логики
10
11Этап 3: Программирование (20 мин)
12• Написание кода
13• Загрузка в робота
14• Первичное тестирование
15
16Этап 4: Отладка и оптимизация (7 мин)
17• Исправление ошибок
18• Улучшение производительности
19• Финальные испытания
20
21Этап 5: Презентация (3 мин)
22• Демонстрация работы
23• Объяснение решения

🏆 Критерии оценки

📊 Оценочная матрица (20 баллов):

Критерий	Максимум	Описание
Алгоритм	5	Логика, оптимальность, комментарии
Программа	5	Работоспособность, эффективность
Исполнение	5	Точность, плавность, скорость
Защита	5	Понимание, объяснение, ответы

🎯 Перевод в оценки:

18-20 баллов: “5” (отлично)
14-17 баллов: “4” (хорошо)
10-13 баллов: “3” (удовлетворительно)
< 10 баллов: “2” (неудовлетворительно)

🎤 Демонстрация результатов

📋 Структура защиты (2 минуты)

1. Постановка задачи (30 сек):

Что должен делать робот?
Какие ограничения учитывались?

2. Объяснение алгоритма (60 сек):

Какие циклы использованы и почему?
Как решены сложные моменты?
Какие оптимизации применены?

3. Демонстрация (30 сек):

Показ работы робота
Комментарии к выполнению

❓ Вопросы для обсуждения

🔧 Технические аспекты:

Почему выбран именно этот тип цикла?
Как можно дальше оптимизировать алгоритм?
Что произойдет при изменении условий?

🧠 Алгоритмические решения:

Как избежали бесконечных циклов?
Какие альтернативные подходы рассматривались?
Как тестировали корректность работы?

📚 Памятка программиста

🔧 Правила использования циклов

1. Выбор типа цикла:

FOR - точное количество итераций
WHILE - условие проверяется ДО выполнения
DO-WHILE - условие проверяется ПОСЛЕ выполнения

2. Безопасность:

Всегда предусматривайте выход из цикла
Используйте таймауты для критических операций
Проверяйте граничные условия

3. Оптимизация:

Выносите константы за пределы цикла
Минимизируйте операции в теле цикла
Избегайте глубокой вложенности

4. Отладка:

Добавляйте отладочную печать
Тестируйте граничные случаи
Используйте пошаговое выполнение

🤔 Рефлексия “3-2-1”

📝 Анализ работы

3 вещи, которые узнал или научился делать:

2 вопроса, которые остались:

1 идея для дальнейшего развития:

🏠 Домашнее задание

🎯 Основное задание

Разработать алгоритм “Умная уборка”:

Робот-пылесос должен убрать комнату размером 4×4 метра:

Использовать вложенные циклы для покрытия всей площади
Избегать повторной уборки одних участков
Возвращаться на базу при низком заряде батареи
Оптимизировать траекторию для минимального времени

📋 Требования:

Блок-схема алгоритма
Псевдокод программы
Расчет времени выполнения
Анализ эффективности

🌟 Творческое задание

Придумать робототехническую задачу: Описать реальную задачу, которая эффективно решается вложенными циклами:

Постановка проблемы
Описание алгоритма решения
Оценка сложности
Области применения

🎉 Итоги практической работы

🏆 Что освоили

✅ Практические навыки:

Анализ задач на предмет циклических структур
Составление оптимальных цепочек команд
Программирование роботов с использованием циклов
Отладка и тестирование циклических алгоритмов

🔄 Понимание принципов:

Циклы экономят код и повышают надежность
Правильный выбор типа цикла критически важен
Оптимизация улучшает производительность
Тестирование выявляет скрытые ошибки

🌟 Главное правило

“Хороший цикл - это цикл, который завершается в нужный момент и делает именно то, что требуется, не больше и не меньше”

🚀 Следующий уровень: Изучение сложных алгоритмических структур и машинного обучения

💡 Теперь ваши роботы думают циклично и действуют эффективно!