Генерация дидактических материалов по математике
Генерация дидактических материалов по
математике
В
те времена, когда я преподавал математику в школе (1990-1997), столкнулся с
проблемой отсутствия достаточного количества дидактических материалов на
печатной основе для проведения занятий. В частности, при проведении контрольных
работ было лишь два варианта заданий, и, естественно, ученики списывали, что, с
моей точки зрения, недопустимо. Тогда я стал придумывать варианты заданий и
распечатывать их с помощью старенькой пишущей машинки. Сразу замечу, что
занятие это рутинное, абсолютно не творческое и скучное — придумать 20-25
однотипных вариантов с разным содержанием. Тем не менее, один год я такое
практиковал.
Когда
в институте меня стали учить программированию, тут же возникла идея
приспособить для создания дидактических материалов компьютер. Он для этих целей
идеально подходил, поскольку позволял автоматизировать не только распечатку
текста, но и сам процесс его разработки. Действительно, достаточно
запрограммировать образец для одного задания, и согласно ему будет получено
любое количество заданий. Но и здесь были свои проблемы, связанные с тем, что
сгенерированный текст DOS приходилось затем "доводить до ума"
(ставить верхние и нижние индексы, рисовать дроби и т.д.) с помощью текстового
редактора типа ChiWriter или Lexicon, причем конечный продукт выглядел в
результате достаточно нелепо и коряво.
Технология
окончательно сформировалась в 1994 г., когда я познакомился с системой
форматирования текстов LaTeX, позволяющей форматировать тексты, содержащие
математические формулы любой сложности. Обычно в основу самостоятельной или
контрольной работы закладываются уже существующие дидактические материалы к
тому или иному школьному учебнику математики, и по этому образу и подобию
готовится работа, где данные в каждом из вариантов различные. Таким образом
складывается иллюзия наличия такого же количества вариантов, сколько учеников в
классе.
Наличие
отдельного напечатанного варианта при проведении контрольной или
самостоятельной работы имеет ряд преимуществ перед отсутствием такового:
во-первых, решается проблема списывания — каждый учащийся вынужден обрабатывать
свои данные (правда, при этом можно в качестве образца использовать работу
соседа, но это было и при традиционном проведении контрольной работы);
во-вторых, нет необходимости перед началом урока втискивать текст контрольной
работы на доску (очень не люблю писать на доске!); в-третьих, ни для кого не
является секретом, что зрение большинства учащихся в настоящее время ослаблено,
и им приходится подходить к доске или переспрашивать учителя для уточнения
текста задания, при указанном подходе проблема снимается. Можно найти и другие
достоинства, мною не отмеченные, я думаю... Есть и свои недостатки — учителю
затем нужно проверить не 2 варианта, а 25-30. Не всякий при нынешней
загруженности на это решится. Но при желании число существенно разных вариантов
можно сократить до 5-10.
Продемонстрирую
на паре-тройке примеров технологию подготовки текста в формате LaTeX.
Пример
1. Алгебраическое выражение.
Одно
из наиболее часто встречающихся в 5-7 классах заданий — вычисление значения
выражения. Генерируя такие выражения, нужно учитывать такие обстоятельства,
как:
1)
соответствие изучаемой теме и возрасту учащихся (например, в 5 классе значение
выражения не должно быть равно отрицательному числу);
2)
после выполнения очередного действия полученное значение должно получиться
проще и приемлемым для выполнения следующего действия, где это значение
используется (т.е. некоторые величины в выражении будут случайными, другие —
вычисляемыми);
3)
при записи десятичной дроби в школьной математике используется десятичная
запятая, а при записи на компьютере — десятичная точка;
4)
если в записи выражения используются десятичные дроби, то они должны быть
несократимыми и правильными.
Учитывая
приведенные выше соображения, покажем на примере следующего числового выражения
получение его аналогов:
Проанализируем
данное выражение. Его значение равно 2,32 и получается как разность двух
произведений. Таким образом, значение выражения — произвольное рациональное
число, модуль которого не больше 10. Значение первого и второго произведений —
десятичные дроби, это соответственно 2,62 и 0,3. При генерации произведений
будем ориентироваться также на десятичные значения. В первом произведении
первый сомножитель — сумма обыкновенных дробей с разными знаменателями, НОД
которых отличен от 1, а второй сомножитель — число, которое можно сократить с
общим знаменателем первого сомножителя. Второе произведение — произведение
обыкновенной и десятичной дроби, которые нужно подобрать так, чтобы результат
был точной десятичной дробью.
Приступим
к генерации выражения. Пусть A=НОД(B,C), где B, C — знаменатели дробей суммы.
Тогда B=A*B1, C=A*C1, где B1, C1 — случайные числа. D, F — числители
рассматриваемых дробей, причем D<B, F<C. Целую часть первого слагаемого
можно сгенерировать случайным образом. Второй сомножитель в первом произведении
получаем так: K=НОК(B,C)*R/100, 1<R<10 — случайное число.
Аналогично
получаем второй сомножитель. Не нужно забывать о том, что значение выражения по
абсолютной величине не должно превышать 10.
Таким
образом, выражение может быть получено с помощью следующего фрагмента
программы:
B1 := 1 + Random(9);
C1 := 1 + Random(9);
A := 2 +
Random(4); {НОД знаменателей дробей суммы}
B
:= A * B1; {Знаменатель первой дроби}
C
:= A * C1; {Знаменатель второй дроби}
D
:= 1 + Random(B — 2); {Числитель первой дроби}
F
:= 1 + Random(C — 2); {Числитель второй дроби}
K
:= Nod(D, B); {НОД чисел D, B}
D
:= D Div K; {Сокращение первой дроби}
B := B Div K;
K := Nod(F, C); {НОД чисел
F, C}
F := F Div K; {Сокращение
второй дроби}
C := C Div K;
K := B * C Div
Nod(B, C) * (1 + Random(7)); {Второй сомножитель
в первом произведении}
Repeat
Repeat
M := 3 + Random(6); {Одно из чисел, на которое будет
производиться сокращение во втором произведении}
Ch1 := M * (1 + Random(3)) {Числитель второй дроби}
Until Odd(M) and
Odd(Ch1);
Zn := M * 5;
{Знаменатель первого сомножителя во втором
произведении}
SS := 2 + Random(4);
Zn1 := Stepen(2, SS); {Знаменатель второго сомножителя -
случайная степень числа 2}
Ch := Zn1 Div 2; {Числитель первой дроби}
Until
(Ch < Zn) And (Ch1 < Zn1); {Повторяем генерацию дробей,
пока числители не станут
меньше знаменателей}
S
:= Nod(Ch, Zn);
Ch
:= Ch Div S; {Сокращение дроби}
Zn := Zn Div S;
Ch1 := Ch1 *
Stepen(10, SS); {Подготовка числителя
второй дроби к целочисленному
делению}
{Печать
результата генерации в файл Name}
WriteLn(Ch1, ' ', Zn1);
Write(Name, '$$\left(', 1 + Random(3), '\frac{', D);
Write(Name, '}{', B, '}+\frac{', F, '}{', C, '}\right)\cdot');
Write(Name, K Div 100, '{,}', K Mod 100, '-\frac{', Ch);
WriteLn(Name, '}{', Zn, '}\cdot 0{,}', Ch1 Div Zn1, '.$$')
В
фрагменте программы использованы функции пользователя: Nod(A, B) — НОД(A,B);
Stepen(A,B) — AB. Указанные функции должны быть описаны в программе.
Результаты
работы программы для количества заданий, равного 5:
$$\left(1\frac{2}{3}+\frac{5}{8}\right)\cdot0{,}48-\frac{4}{35}\cdot
0{,}875.$$
$$\left(3\frac{1}{2}+\frac{1}{7}\right)\cdot0{,}98-\frac{8}{35}\cdot
0{,}4375.$$
$$\left(2\frac{10}{27}+\frac{1}{18}\right)\cdot2{,}7-\frac{8}{25}\cdot
0{,}3125.$$
$$\left(2\frac{1}{2}+\frac{5}{6}\right)\cdot0{,}24-\frac{4}{15}\cdot
0{,}375.$$
$$\left(1\frac{5}{6}+\frac{3}{5}\right)\cdot1{,}5-\frac{4}{35}\cdot
0{,}875.$$
Результат
обработки этого файла будет следующим:
Пример
2. Квадратное уравнение.
Настоящий
пример несколько проще предыдущего. Рассмотрим два случая: а) корни уравнения —
целые; б) корни уравнения — обыкновенные дроби.
Как
и в предыдущем случае, целесообразно идти к получению задания от ответа.
Сгенерируем два корня уравнения и, используя теорему Виета, получим его
коэффициенты. При генерации целых корней разумно сделать их различными и
отличными от нуля. В приведенном ниже примере это задания по буквами а, б. При
выводе задания в файл требуется учесть, что коэффициенты могут быть равны нулю,
а также тот факт, что коэффициент, равный единице, не записывается.
Задания
под в, г предполагают наличие двух различных корней, являющихся обыкновенными
правильными дробями. Алгоритм получения соответствующих коэффициентов в этом
случае более громоздкий, хотя в основу положена всё та же теорема Виета.
Изначально опять же генерируем ненулевые различные корни уравнения, а затем на
их основе получаем уравнение в целыми коэффициентами. В примере это делается
поэтапно: сначала — корни уравнения; затем — коэффициенты уравнения —
обыкновенные дроби, наконец, коэффициенты — целые числа, причем НОК(A, B, C) =
1.
Ниже
приводятся законченный фрагмент программы, генерирующий
задания, пример работы этой программы и результат обработки файла, полученного
с помощью программы.
Program Kw;
Var F : Text;
{Процедура,
производящая начальные установки в формате LaTeXа}
Procedure UST;
Begin
WriteLn(F, '\documentstyle[12pt,a4wide]{article}');
WriteLn(F, '\topmargin-3cm');
WriteLn(F, '\pagestyle{empty}');
WriteLn(F, '\setlength{\textheight}{27cm}');
WriteLn(F, '\setlength{\textwidth}{16cm}');
WriteLn(F, '\begin{document}');
END;
{НОД}
Function Nod (X, Y : Integer) : Integer;
Begin
WHILE X <> Y Do
IF X > Y THEN X := X — Y ELSE Y := Y — X;
Nod := X
END;
{НОК}
Function NoK (X, Y : Integer) : Integer;
Begin
NoK := X * Y Div NoD(X, Y)
END;
Var X1, I, X2, A, C, B : Integer;
Ch, Ch1, Zn, Zn1, BCh, BZn, CCh, CZn, J, V, Vsp : Integer;
Begin
Assign(F, 't:\rustex\kw_ur.tex');
ReWrite(F);
UST;
Randomize;
{Корни
уравнения (целые)}
Repeat X1 := -10 + Random(21)
Until X1 <> 0;
Repeat X2 := -10 + Random(21) Until X2 <> 0;
B := -(X1 + X2);
C := X1 * X2;
WriteLn(F, '\begin{tabular}{ll}');
Write(F, 'а)~$x^2');
If B <> 0
Then Begin
If B > 0
Then If B <> 1 Then Write(F, '+', B) Else Write(F,
'+')
Else If B <> -1 Then Write(F, B) Else Write(F,
'-');
Write(F, 'x');
End;
If C <> 0 Then If C < 0 Then Write(F, C) Else Write(F,
'+', C);
WriteLn(F, '=0$;& б)~$');
Repeat X1 := -10 + Random(21) Until X1 <> 0;
Repeat X2 := -10 + Random(21) Until (X2 <> 0) And (X2
<> X1);
B := -(X1 + X2);
C := X1 * X2;
Write(F, 'x^2');
If B <> 0
Then Begin
If B > 0
Then If B <> 1 Then Write(F, '+', B) Else Write(F,
'+')
Else If B <> -1 Then Write(F, B) Else Write(F,
'-');
Write(F, 'x');
End;
If C <> 0 Then If C < 0 Then Write(F, C) Else Write(F,
'+', C);
WriteLn(F, '=0$;\\');
{Генерируем
уравнения с корнями — обыкновенными дробями}
For J := 0 To 1 Do
Begin
Repeat
{первый корень}
Zn := 2 + Random(8); {знаменатель}
V := Nod(Abs(Ch), Zn);
Ch := Ch Div V;
Zn := Zn Div V
Until (Zn > 1) And (Zn > Abs(Ch));
Repeat
{второй корень}
Repeat Ch1 := -4 +
Random(11) Until Ch1 <> 0;
Zn1 := 2 + Random(8);
V := Nod(Abs(Ch1), Zn1);
Ch1 := Ch1 Div V;
Zn1 := Zn1 Div V
Until (Zn1 > 1) And (Zn1 > Abs(Ch1)) And (Ch * Zn1 + Zn *
Ch1 <> 0);
Vsp := Nod(Abs(Ch * Zn1 + Zn * Ch1), Zn1 * Zn);
BCh := (Ch * Zn1 + Zn * Ch1) Div Vsp; {числитель коэффициента B}
BZn := Zn * Zn1 Div Vsp; {знаменатель коэффициента B}
Vsp := Nod(Abs(Ch * Ch1), Zn1 * Zn);
CCh := Ch * Ch1 Div Vsp; {числитель коэффициента C}
CZn := Zn1 * Zn Div Vsp; {знаменатель коэффициента C}
A := Nok(BZn, CZn); {A}
B := BCh * A Div BZn; {B}
C := CCh * A Div CZn; {C}
Write(F, Chr(Ord('в') +
J), ')~$', A, 'x^2');
If B <> 0
Then Begin
If B > 0
Then If B <> 1 Then Write(F, '+', B) Else Write(F,
'+')
Else If B <> -1 Then Write(F, B) Else Write(F,
'-');
Write(F, 'x');
End;
If C <> 0 Then If C < 0 Then Write(F, C) Else Write(F,
'+', C);
Write(F, '=0$;');
If J = 0 Then WriteLn(F, '&') Else WriteLn(F, '\\');
End;
WriteLn(F, '\end{tabular}');
WriteLn(F);
WriteLn(F, '\end{document}');
Flush(F);
Close(F)
End.
\documentstyle[12pt,a4wide]{article}
\topmargin-3cm
\pagestyle{empty}
\setlength{\textheight}{27cm}
\setlength{\textwidth}{16cm}
\begin{document}
\begin{tabular}{ll}
а)~$x^2+2x-8=0$;&
б)~$
x^2-4x-45=0$;\\
в)~$49x^2-7x-6=0$;&
г)~$12x^2+16x+5=0$;\\
\end{tabular}
\end{document}
Если
в приведенную выше программу внести незначительные изменения, то можно получить
вариант, генерирующий
логарифмические уравнения или какие-либо другие. Вот результат работы такой
программы.
\documentstyle[12pt,a4wide]{article}
\topmargin-3cm
\pagestyle{empty}
\setlength{\textheight}{27cm}
\setlength{\textwidth}{16cm}
\begin{document}
\begin{tabular}{ll}
а)~$\log_{2}^2x-\log_{2}x-20=0$;&
б)~$\log_{5}^2x
+7\log_{5}x+10=0$;\\
в)~$15\log_{3}^2x+22\log_{3}x+8=0$;&
г)~$27\log_{2}^2x+12\log_{2}x+1=0$;\\
\end{tabular}
\end{document}
Пример
3. Задание по теме "Тождественные преобразования алгебраических
выражений". (Из книги "Сборник задач для поступающих во втузы":
Учеб. пособие / В.К. Егерев, Б.А. Кордемский, В.В. Зайцев и др.; Под. ред. М.И.
Сканави. — 6-е изд., испр. и доп. — М.: "Столетие", 1997 — упр.
2.061, с. 21):
Таким
образом, можно заметить, что числитель дроби-делимого, полученной после
алгебраических преобразований в первых скобках, есть произведение ответа и
числителя дроби-делителя, полученной после преобразований во вторых скобках.
Следовательно, сам ответ, знаменатель дробей и числитель дроби-делителя могут
быть сгенерированы произвольно, а на их основе строится дробь-делимое. Кроме
того, для приведения выражения к виду, заданному в образце, необходимо и в
первой, и во второй скобке числитель частично разделить на знаменатель.
Эти
соображения и реализованы в приведенной ниже программе.
Program V;
Var F : Text;
{Процедура,
производящая начальные установки в формате LaTeXа}
Procedure UST;
Begin
WriteLn(F, '\documentstyle[12pt,a4wide]{article}');
WriteLn(F, '\topmargin-3cm');
WriteLn(F, '\pagestyle{empty}');
WriteLn(F, '\setlength{\textheight}{27cm}');
WriteLn(F, '\setlength{\textwidth}{16cm}');
WriteLn(F, '\newcommand{\ds}{\displaystyle}');
WriteLn(F, '\begin{document}');
END;
Function Nod (X, Y : Integer) : Integer;
Begin
WHILE X <> Y Do
IF X > Y THEN X := X — Y ELSE Y := Y — X;
Nod := X
END;
Var D, I, A, C, B, E, G, H, O, P, L, M, N, E1, G1, H1, O1, P1 :
Integer;
Vx2, J, Vsp : Integer;
X, Znak : Char;
Begin
Assign(F, 't:\rustex\ex_v.tex');
ReWrite(F);
UST;
Randomize;
For I := 1 To 5 Do
Begin
Repeat {пока в числителях дробей не будут взаимно простые числа}
X
:= Chr(Ord('x') + Random(3)); {буква-переменная}
{Получаем
знаменатель — выражение вида Ax+B,
A,
B — целые, x — буква}
A := 1 + Random(5);
Repeat B := -4 + Random(9) Until B <> 0;
Vsp := Nod(A, Abs(B));
A := A Div Vsp; B := B Div Vsp;
Repeat
Repeat
{Получаем
числитель делителя после преобразования
—
выражение вида Lx^2+Mx+N,
L,
M, N — целые, x — буква}
L := 1 + Random(5);
Repeat M := -4 + Random(9) Until M <> 0;
Repeat N := -4 + Random(9) Until N <> 0;
Vsp := Nod(Nod(L, Abs(M)), Abs(N));
L := L Div Vsp;
M := M Div Vsp;
N := N Div Vsp;
{Получаем
ответ — выражение вида Cx+D,
C,
D — целые, x — буква}
C := A * (1 + Random(3));
Repeat D := -4 + Random(9) Until D <> 0;
{Формируем
выражение-делитель. Получаем его в виде
(Ex+G+(Hx^2+Ox+P)/(Ax+B))}
Repeat E := -3 + Random(7) Until E <> 0;
Repeat G := -3 + Random(7) Until G <> 0;
H := L — A * E;
O := M — (B * E + G * A);
P := N — B * G;
Until (H <> 0) And (O <> 0) And (P <> 0);
If H < 0 Then Begin Znak := '-'; H := -H; O := -O; P := -P
End
Else Znak := '+';
{Формируем на
основе ответа и делителя выражение-делимое
вида
(E1x^2+G1x+(O1x+P1)/(Ax+B))}
E1 := C * L Div A;
Vx2 := D * L + M * C — E1 * B;
G1 := Vx2 Div A;
O1 := D * M + N * C — G1 * B;
P1 := D * N;
Until (Nod(Abs(H), Nod(Abs(O), Abs(P))) = 1) And
(Nod(Abs(O1), Abs(P1)) = 1);
{выводим в
файл очередное получившееся выражение,
учитывая,
что некоторые из коэффициенты могут быть нулями,
коэффициенты,
равные 1 или -1, не указываются и др.}
Write(F, Chr(Ord('а') + I — 1), ')~$\ds\left(');
If Abs(E1) <> 1 Then Write(F, E1)
Else If E1 = -1 Then Write(F, '-');
Write(F, X, '^2');
If G1 <> 0
Then Begin
If Abs(G1) <> 1 Then Begin
If G1 > 0 Then
Write(F, '+');
Write(F, G1)
End
Else If G1 = -1
Then Write(F, '-')
Else Write(F, '+');
Write(F, X);
End;
If O1 <> 0
Then Begin
If O1 < 0
Then Begin Write(F, '-'); O1 := -O1; P1 := -P1 End
Else Write(F, '+');
Write(F, '\frac{');
If O1 <> 1 Then Write(F, O1);
Write(F, X);
If P1 <> 0
Then Begin If P1 > 0 Then Write(F, '+');
Write(F, P1)
End;
Write(F, '}');
End
Else If P1 <> 0
Then Begin If P1 < 0
Then Write(F, '-')
Else Write(F, '+');
Write(F, '\frac{', Abs(P1), '}');
End;
If (O1 <> 0) Or (P1 <> 0)
Then Begin
Write(F, '{');
If A <> 1 Then Write(F, A);
Write(F, X);
If B > 0 Then Write(F, '+');
Write(F, B, '}')
End;
Write(F, '\right):\left(');
If Abs(E) <> 1 Then Write(F, E)
Else If E = -1 Then Write(F, '-');
Write(F, X);
If G > 0 Then Write(F, '+');
Write(F, G);
Write(F, Znak, '\frac{');
If H <> 1 Then Write(F, H);
Write(F, X, '^2');
If O > 0 Then Write(F, '+');
If Abs(O) <> 1 Then Write(F, O)
Else If O = -1 Then Write(F, '-');
Write(F, X);
If P > 0 Then Write(F, '+');
Write(F, P, '}{');
If A <> 1 Then Write(F, A);
Write(F, X);
If B > 0 Then Write(F, '+');
WriteLn(F, B, '}\right)$;');
WriteLn(F)
WriteLn(F);
WriteLn(F, '\end{document}');
Flush(F);
Close(F)
End.
Вот
один из результатов её работы:
\documentstyle[12pt,a4wide]{article}
\topmargin-3cm
\pagestyle{empty}
\setlength{\textheight}{27cm}
\setlength{\textwidth}{16cm}
\newcommand{\ds}{\displaystyle}
\begin{document}
а)~$\ds\left(6z^2+z+\frac{13z+6}{3z-4}\right):
\left(-z-2+\frac{5z^2-z-6}{3z-4}\right)$;
б)~$\ds\left(12y^2+20y+\frac{19y-1}{y-1}\right):
\left(2y+3+\frac{2y^2+3y+4}{y-1}\right)$;
в)~$\ds\left(4x^2-2x-\frac{8x+3}{x+1}\right):
\left(-x-1+\frac{3x^2+6x+2}{x+1}\right)$;
г)~$\ds\left(12x^2-22x+\frac{39x+1}{x+2}\right):
\left(-2x+3+\frac{6x^2+3x-7}{x+2}\right)$;
д)~$\ds\left(z^2+2z-\frac{2z-9}{z-2}\right):
\left(-2z+2+\frac{3z^2-9z+7}{z-2}\right)$;
\end{document}
А
вот что получено после обработки этого документа с помощью LaTeX:
Итак,
программа значительно увеличила количество заданий, отвечающих заданному
образцу. Однако следует заметить, — в этот вариант программы не заложена
гарантия, что все сгенерированные задания будут различны. Для подобного рода
гарантий необходимо предпринять дополнительные усилия.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.comp-science.ru/