Programování v Pythonu: výpočty a obrázky

Žáci v 8. ročníku skládají dříve osvojené prvky Pythonu (proměnné, výrazy, cyklus for, podmínky if a funkce) do krátkých aplikací, které pracují se dvěma typy dat: čísly a rastrovými obrázky. Učí se převést slovní zadání na postup: vstup → výpočet nebo úprava pixelů → výstup, a ověřit jeho správnost na konkrétních hodnotách. Tím rozvíjejí dovednosti směřující k výstupům INF-INF-002-ZV9-006 (rozklad úlohy), INF-INF-002-ZV9-007 (přehledný program s opakováním, větvením a proměnnými) a INF-INF-002-ZV9-008 (zkoušení programu a oprava chyb).

V číselných úlohách žáci počítají součty, průměry, minima a maxima, převádějí jednotky nebo používají jednoduché vzorce. U obrázků pracují s mřížkou pixelů: upravují jas, invertují hodnoty, vyřezávají části nebo zvětšují obraz kopírováním pixelů. Obrázek chápou jako mřížku hodnot, kterou už znají z tématu kódování obrazu, a procházejí ji v Pythonu vnořenými cykly. Každá aplikace má očekávaný výsledek, se kterým lze porovnat výstup programu.

Úlohy jsou malé a uzavřené, například jedna funkce nebo jeden skript. Žáci nejprve rozdělí zadání na části, napíší kód a vyzkoušejí ho na několika vstupech. Při hledání chyby kontrolují data i pořadí příkazů. Efektivitu posuzují na jednoduchých příkladech, například zda program zbytečně neopakuje výpočet nebo neprochází celý obrázek, když stačí upravit jen výřez.

Předpoklady

• Proměnné, výrazy a číselné datové typy v Pythonu
• Cyklus for a řízení výpočtu
• Podmíněný příkaz if
• Funkce a vnořené cykly

Klíčové pojmy

Aplikace jako uzavřený postup

Krátký program řeší jedno zadání: převezme data, vypočítá nebo upraví je a vrátí výsledek, který lze zkontrolovat.

Číselný vstup a výstup

Číselné hodnoty zadané uživatelem, uložené v seznamu nebo předané funkci se ukládají do proměnných. Výsledek se vypíše nebo vrátí. Datový typ a rozsah čísla musí odpovídat zadání.

Výpočty se seznamem čísel

Součet, počet, minimum, maximum a průměr lze určit postupným průchodem seznamu. Součet a počet se průběžně aktualizují v cyklu; průměr se vypočítá ze součtu a počtu prvků.

Obrázek jako mřížka pixelů

Rastrový obrázek je dvojrozměrná struktura složená z řádků a sloupců. Podle použité reprezentace je barva nebo jas pixelu uložen jako číslo nebo jako několik čísel; úprava obrázku mění tyto hodnoty.

Vnořené cykly přes pixely

Vnější cyklus prochází řádky a vnitřní sloupce. Tento postup lze použít k úpravě hodnot pixelů, vyříznutí části obrázku nebo kopírování jeho části.

Rozklad zadání

Úloha se rozdělí na části, například načtení dat, výpočet nebo úpravu a zápis výsledku. Každá část má ověřitelný mezikrok, který pomáhá určit, kde vznikla chyba.

Ověření a oprava

Program se zkouší na malých datech se známým výsledkem, například na krátkém seznamu nebo obrázku 3 × 3. Při nesouladu s očekáváním žák prověří výraz, meze cyklu i podmínku.

Časté miskoncepce

• Častá chyba

  Žák vypočítá průměr jako součet dělený pevným číslem, například vždy 10, i když seznam obsahuje jiný počet hodnot.

  Jak na to

  Nechte žáka nejprve ručně vypočítat průměr ze tří čísel a potom spustit program se stejnými hodnotami. Jmenovatelem je počet prvků, například len(seznam) nebo počítadlo aktualizované v cyklu.

• Častá chyba

  Žák prohodí řádky a sloupce: použije šířku jako vnější cyklus a přistupuje k pixelům pomocí prohozených indexů. Program pak může skončit chybou nebo upravit jen část obrázku.

  Jak na to

  Nakreslete mřížku se třemi sloupci a dvěma řádky, označte přístup obraz[řádek][sloupec] a společně uspořádejte cykly tak, aby vnější index označoval řádek.

• Častá chyba

  Žák při inverzi barevného pixelu upraví jen jeden kanál a očekává stejný výsledek jako při úpravě všech složek RGB.

  Jak na to

  Ukažte pixel jako trojici hodnot RGB. U osmibitových složek od 0 do 255 vypočítejte inverzi jako 255 − složka pro každou ze tří hodnot a porovnejte výsledek.

• Častá chyba

  Po chybě, například IndexError nebo nesprávném součtu, žák náhodně mění hodnoty v range místo toho, aby ověřil délku seznamu nebo rozměry obrázku.

  Jak na to

  Před opravou ověřte délku seznamu nebo rozměry obrázku. Chybu opravujte až poté, co žák ukáže, který index překročil rozsah.

Jak učit

2–3 hodiny

1. Evokace: Ukažte slovní zadání, například výpočet průměru známek nebo úpravu obrázku, a nechte žáky určit vstupy, výpočet a způsob ověření výsledku.
2. Uvědomění: Společně rozdělte číselnou a pixelovou úlohu na části, sestavte odpovídající cyklus a podmínku a ověřte program na malých datech. Při nesprávném výsledku určete, která část postupu selhala.
3. Reflexe: Žáci změní jednu hodnotu ve vstupu a popíší, zda a proč se musí změnit některá část programu. Poté ověří nový výsledek.

Nápady na aktivity

• Dvojice dostane seznam teplot a napíše skript pro výpočet minima, maxima a průměru. Výsledky nejprve ověří ručně nebo kalkulačkou a potom je porovná s výstupem programu.
• Na černobílé mřížce 8 × 8 žáci invertují hodnoty pixelů a vyříznou předem vyznačený čtverec 4 × 4. Výstup porovnají s kontrolní mřížkou.

Hodnocení

Žák rozdělí krátké zadání s čísly nebo obrázkem na části, napíše program s cyklem a případně podmínkou a na zadaném vstupu porovná výstup s očekávaným výsledkem (INF-INF-002-ZV9-006, INF-INF-002-ZV9-007).

Žák najde a opraví chybu v krátkém programu, například chybný index nebo nesprávný jmenovatel průměru, a ověří výsledek opakovaným spuštěním (INF-INF-002-ZV9-008).

Zdroje

• Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání (informatika)
• Metodická podpora informatického myšlení
• Otevřená data NPI

Co pro vás ScioBot připraví k tématu Programování v Pythonu: výpočty a obrázky

Interaktivní aktivity, které žáci spustí na tabletu či tabuli, tisknutelné kartičky a hry pro celou třídu – každý formát na téma Programování v Pythonu: výpočty a obrázky jedním klikem.

Základní materiály

• Příprava na hodinu

  Kompletní příprava s cíli, průběhem a aktivitami.

• Pracovní list

  List s úlohami, klíčem a variantou.

• Písemka

  Časovaná písemka s body a variantami.

• Aktivita

  Aktivita do hodiny, kterou žáci hned spustí.

• Prezentace

  Sada slajdů k výkladu a procvičení.

• Kartičky

  Materiál k tisku (kartičky, plakát, pracovní list).

• QR hra

  Interaktivní hra k procvičení tématu.

Interaktivní aktivity 15

• Křížovka s tajenkou

  Legendová křížovka, kde se ve sloupci skrývá tajenka. Skvělá na opakování pojmů.

  10–20 min

• Kartičky

  Sada oboustranných kartiček na učení pojmů a definic. Žáci si je procvičí překlápěním.

  5–20 min

• Pexeso a spojovačka

  Dvojice kartiček s obrázky, pojmy nebo příklady. Spojovačka, pexeso i volné třídění – ideální na slovní zásobu i opakování.

  10–25 min

• Poslechové cvičení

  Vícehlasý dialog s namluvenými hlasy a navázanými otázkami k poslechu.

  5–30 min

• Rozhodovačka

  Rychlé rozhodování mezi možnostmi s okamžitou zpětnou vazbou.

  5–12 min

• Otázky

  Sada otázek s výběrem odpovědí; jedna nebo více správných. Okamžitá sebekontrola.

  5–15 min

• Vpisování

  Žáci dopisují krátké odpovědi a ihned vidí, zda se trefili.

  5–15 min

• Rozřazovačka

  Žáci přetahují kartičky do správných kategorií.

  5–15 min

• Rozbory

  Žák přiřazuje značky k částem věty nebo výrazu — větné členy, slovní druhy, větné rozbory. Sebevyhodnocovací procvičování.

  10–20 min

• Označování

  Žáci označují správná slova přímo v textu.

  5–15 min

• Doplňování textu

  Žáci doplňují chybějící slova přímo do vět nebo krátkého textu.

  5–15 min

• Krok po kroku

  Žáci řadí kroky procesu do správného pořadí.

  5–15 min

• Popis obrázku

  Diagram s očíslovanými špendlíky. Žáci přiřazují popisky k částem obrázku — biologie, zeměpis, anatomie.

  5–15 min

• Přesouvání

  Žáci přetahují kartičky do přesně určených slotů.

  5–15 min

• Čtení s porozuměním

  Žáci čtou krátký text a odpovídají na otázky k jeho obsahu.

  10–25 min

K tisku a rozstříhání 8

• Páry

  Kartičky se dvěma polovinami, které k sobě patří (např. datum–událost). Žáci je vystřihnou a párovají.

  10–20 min

• Výběr z možností (s tajenkou)

  Kartičky s úlohami a třemi možnostmi. Písmena u správných odpovědí složí tajenku — žák si tak řešení zkontroluje sám.

  10–20 min

• Doplňování do vět

  Věty s výběrem ze dvou možností uvnitř — žák zakroužkuje správnou.

  10–20 min

• Hra Riskuj

  Kvízová hra se třemi podtématy a otázkami různé hodnoty — klasický formát Riskuj / Jeopardy.

  15–30 min

• Hra AZ kvíz

  28 otázek na hexagonální hrací pole — cílem je spojit všechny tři strany.

  15–35 min

• Označ správnou možnost

  Kartičky s otázkou a čtyřmi možnostmi — žák označí správnou (např. kolíčkem).

  10–20 min

• Já mám, kdo má …?

  Kartičky s tvrzením a otázkou — žáci je čtou v kruhu a hledají navazující odpověď.

  10–25 min

• Hádej, kdo jsem

  Kartičky s popisem osobnosti, věci nebo zvířete v 1. osobě — žáci tipují, o koho/co jde.

  10–25 min

Hry pro celou třídu 4

• AZ kvíz

  28 otázek na hexagonálním hracím poli — cílem je spojit všechny tři strany. Včetně náhradních ANO/NE otázek.

  15–35 min

• Riskuj

  Klasická hra se 5 kategoriemi a otázkami za 100–500 bodů — týmy soutěží o nejvyšší skóre.

  15–40 min

• Pexeso

  Klasické pexeso s 10 dvojicemi (pojem ↔ popis) — dva týmy se střídají a hledají shody.

  10–25 min

• Šarády

  Šarády se 12 úkoly (mluvení, kreslení, pantomima) — dva týmy hádají, kdo uhodne první, dostane bod.

  15–30 min

Očekávané výstupy