КОНКРЕТНАЯ МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ В ШКОЛЕ НАЧАЛЬНАЯ ШКОЛА
ФОРМИРОВАНИЕ УНИВЕРСАЛЬНЫХ УЧЕБНЫХ ДЕЙСТВИЙ
ФОРМИРОВАНИЕ РЕГУЛЯТИВНЫХ И ОБЩЕУЧЕБНЫХ ПОЗНАВАТЕЛЬНЫХ УНИВЕРСАЛЬНЫХ УЧЕБНЫХ ДЕЙСТВИЙ ПРИ ОБУЧЕНИИ АЛГОРИТМИЗАЦИИ И ИНФОРМАЦИОННЫМ ОСНОВАМ УПРАВЛЕНИЯ
В широком значении термин «универсальные учебные действия» означает умение учиться и характеризует над- предметные, метапредметные результаты обучения. Универсальные учебные действия лежат в основе организации и регуляции любой деятельности учащегося, независимо от ее предметного содержания.
В процессе обучения основам алгоритмизации в начальной школе прежде всего происходит формирование регулятивных и познавательных универсальных учебных действий (УУД). Регулятивные учебные действия отражают содержание ведущей деятельности детей младшего школьного возраста: умение действовать по плану и планировать свою деятельность, умение контролировать процесс и результаты своей деятельности, умение видеть ошибку и исправлять ее. К общеучебным познавательным УУД относятся следующие: самостоятельное выделение и формулирование проблемы; поиск и выделение необходимой информации; самостоятельное создание алгоритмов деятельности при решении проблем творческого и поискового характера; знаково-символическое моделирование; выбор наиболее эффективных способов решения задач в зависимости от конкретных условий; рефлексия способов и условий действия, контроль и оценка результатов деятельности [10].
Мышление младших школьников носит конкретнообразный характер, поскольку возрастной период от 7 до 11 лет — это период организации (формирования) конкретных операций. При этом возрастает роль средств наглядного обучения: предметных, символических, словесных. Однако одной только наглядности для эффективного усвоения знаний недостаточно. К наглядности «надо присоединить еще активную деятельность самого ученика. Активность ученика достигает высшего предела тогда, когда он сам что- либо делает, когда в работе участвует не только его голова, но и руки, когда происходит всестороннее восприятие материала, когда он имеет дело с предметами, которые он может по своему усмотрению перемещать, по-разному комбинировать, ставить их в определенные отношения, наблюдать их и делать из наблюдений выводы» [5, с. 38].
Этому во многом способствует обучение информатике: дети овладевают новыми мыслительными операциями, новым взглядом на окружающий их мир, у них формируются навыки планирования работы, привычка к точному и полному описанию действий, представление о способах анализа и навыки такого анализа. Все это условно характеризуется как алгоритмическое мышление, которое основывается на представлении о последовательности действий, направленных на обработку исходной информации о том или ином объекте (той или иной ситуации), позволяющей затем преобразовывать в нужном направлении сам этот объект (эту ситуацию) или достигать некоторую цель. Алгоритмическое мышление — это умение планировать последовательность действий, а также умение решать задачи, ответом для которых является описание последовательности действий.
Анализ Федеральных государственных образовательных стандартов в контексте предмета информатики позволяет сделать вывод о том, что достижение метапредметных результатов обучения непосредственно связано с формированием алгоритмического мышления — важнейшей цели школьного образования на разных ступенях обучения предмету. Вместе с тем очевидно, что освоение элементов алгоритмического мышления должно происходить еще в начальной школе — как в рамках теоретической составляющей предмета, реализуемой за счет компонента образовательного учреждения, так и в рамках освоения компьютера как универсального инструмента для выполнения алгоритмов в предмете «Технология». Этой же цели могут отвечать и межпредметные связи с другими дисциплинами и, прежде всего, с математикой.
Большинство программ для начальной школы (Е. П. Бененсон [1], [2], А. В. Горячев [3], [4], Н. В. Матвеева [13], [14], М. А. Плаксин [17], А. Л. Семенов [18]) содержат раздел, посвященный основам алгоритмизации и ознакомлению с работой в среде исполнителей.
Изучаемые вопросы:
- • понятие об алгоритме;
- • способы записи алгоритмов;
- • исполнитель алгоритма;
- • система команд исполнителя;
- • человек как исполнитель алгоритма.
Основной объект алгоритмического мышления — алгоритм. При объяснении этого понятия целесообразно привести несколько примеров, близких школьникам младшего возраста: «Режим дня», «Как перейти улицу?», «Правила техники безопасности и поведения в компьютерном классе», а также предложить задания двух типов:
- 1) «опишите подробно одно из действий алгоритма» — отражает подход «проектирование сверху вниз, или метод последовательной детализации»: сначала создается укрупненный алгоритм, а затем уточняются алгоритмы выполнения каждого шага ([3], [1]);
- 2) «составьте алгоритм из заданных команд», например, «расставьте слова (события, номера для действий) так, чтобы получился алгоритм...» — соответствует подходу «проектирование снизу вверх» ([3]).
После чего можно сформулировать интуитивное определение: «Описание действий, которые надо выполнить в определенном порядке для того, чтобы решить поставленную задачу, называется алгоритмом» [17, с. 116]. Кроме того, полезно параллельно знакомить учащихся с этическими нормами работы с информацией в рамках сквозной для всего курса информатики темы «Правила работы с информацией» [14]. В структуру урока на этапе объяснения нового материала можно включить метод эвристической беседы, а этап обобщения и систематизации знаний провести в форме практической работы.
Далее следует объяснить, что алгоритм всегда должен иметь конечное число команд, а чтобы было понятно, что алгоритм закончился, надо писать после всех команд слово стоп. Для приобретения этого навыка учащимся можно предложить такое задание (репродуктивный метод обучения), например: «Выполни алгоритм “Кошка”: 1) возьми карандаши; 2) соедини по порядку следования номеров все точки линиями; 3) раскрась; 4) убери карандаши на место; 5) стоп». Затем для проверки усвоения целесообразно задать несколько вопросов: 1) каким правилам или предписаниям вы следуете в повседневной жизни, приведите 2-3 примера; 2) можно ли считать хорошо поставленной задачу: «Иди туда, не знаю куда. Принеси то, не знаю что»; 3) что такое алгоритм; 4) какие алгоритмы вы изучали в школе. Ученики должны прийти к пониманию того, что алгоритмы выполняются формально (буквально) и что один и тот же результат может быть получен при помощи разных алгоритмов, т. е. необходимо, чтобы дети стремились разработать оптимальный способ получения результата, применив наименьшее количество команд.
Учащимся начальной школы доступны следующие способы описания алгоритмов: словесная запись, блок-схема (структурная схема) и граф-схема. В пособии [1] изложена методика ознакомления младших школьников с представлением алгоритмов в виде блок-схемы как одном из графических способов. Учащиеся должны понять, что алгоритм записывается с помощью различных блоков: блок начала и конца алгоритма, блок ввода данных или сообщения результатов; блок арифметических операций; блок проверки условия, научиться составлять и записывать алгоритмы (например, для решения примеров на сложение и вычитание) в виде блок-схемы, а также восстанавливать примеры по графической записи алгоритма. «Детям очень нравится принимать активное участие в составлении алгоритмов. Большое удовольствие им доставляет проверка и поиск ошибок в составленных ими алгоритмах» [19, с. 31].
Особое место в курсе раннего обучения информатике занимают исполнители. При рассмотрении этого вопроса необходимо начать с того, что современного человека окружает множество разнообразных технических устройств, и привести несколько примеров, применив объяснительноиллюстративный метод, после чего ввести новое понятие: «Исполнитель алгоритмов — это человек или какие-либо устройства (компьютеры, роботы), способные выполнять определенный набор команд». Следует обратить внимание учащихся на то, что каждое устройство предназначено для решения своей задачи и способно выполнять некоторый ограниченный набор действий, или команд.
Далее следует сказать, что команды, которые может выполнить конкретный исполнитель, образуют систему команд исполнителя (СКИ)1, познакомить с такими понятиями, как «средаисполнителя», «элементарное действие», «отказ». Например, исполнитель Энтик, в СКИ которого входят команды: «иди», «влево», «вправо» и числа от 1 до 3, среда — это поле 5x4 клеток, элементарное действие (команда) соответствует передвижению в соседнюю клетку [1]. Отказ возникает в случае, если в соответствии с командами алгоритма исполнитель должен перейти за границу поля. Данный исполнитель позволяет составлять линейные алгоритмы, а также реализовывать их на компьютере.
Впервые программная реализация исполнителей (Дежурик, Маляр, Муравей) как средство обучения алгоритмизации появилась в среде языка Робик (созданного в группе академика А. П. Ершова), позднее — в разработках группы А. Г. Кушниренко (Робот, Чертежник), А. Г. Гейна (Робот-манипулятор, Паркетчик), А. Л. Семенова (Робот) и др. По мнению А. Г. Гейна, учащийся должен иметь дело с развивающимся исполнителем. Это означает, что по
‘Важно, чтобы каждое занятие включало обсуждение команд, используемых исполнителем в алгоритме.
мере появления у обучаемого нового понятийного инструментария, такой же инструментарий должен появляться и у исполнителя. В настоящее время активно используются: программно-методический комплекс (ПМК)
«Роботландия»[1], объединивший, во-первых, совокупность отдельных исполнителей, предназначенных для сравнительно узкой педагогической задачи — формирования определенного навыка. Сюда относятся исполнители Перевозчик, Переливашка, Конюх и др. Во-вторых, исполнителей, демонстрирующих межпредметные связи информатики, — арифметических: Автомат и Плюсик, а также специализированных, ориентированных на гуманитарное воспитание: Раскрашка — рисование, Шарманщик — музыка, Правилка — русский язык, Угадайка — математика; комплект компьютерных программ к УМК «Перспективная начальная школа» [1], в состав которого включены исполнители Считайка, Чертежник, Пожарный, позволяющие работать с переменными, командами с параметрами, создавать вложенные алгоритмические конструкции.
Для алгоритмов, составленных учащимися, характерны следующие ошибки:
- 1) не сформулированы начальные условия (начальное положение исполнителя);
- 2) пропущены некоторые элементарные действия;
- 3) элементарные действия записаны в неправильной последовательности;
- 4) отсутствует проверка условия завершения задания (бесконечный цикл).
При этом важно заметить, что во многих случаях сам человек является исполнителем алгоритмов. Для наилучшего понимания вышесказанного целесообразно привести такой пример: «Каждый из нас при переходе улицы является исполнителем алгоритма: 1) остановись на тротуаре; 2) посмотри налево; 3) если транспорта нет, то иди до середины улицы и остановись, иначе выполняй п. 2; 4) посмотри направо; 5) если транспорта нет, то иди до противоположного тротуара, иначе выполняй п. 4».
Младшие школьники способны гораздо более последовательно и целенаправленно думать в тех случаях, когда они рассуждают вслух. Поэтому даже если на занятиях используется компьютер, важно уделять внимание разбору алгоритмов, исполнителем которых является человек. «Это способствует лучшему пониманию учащимися различий в способах выполнения заданий компьютерами и людьми. Кроме того, у детей вырабатывается ощущение границ возможного и невозможного для компьютеров» [19, с. 18].
Следует заострить внимание на том, что решение задачи по готовому алгоритму требует от исполнителя строгого следования заданным предписаниям. Важный умственный навык младшего школьника, относящийся к образному мышлению, — ролевая игра, которая может быть стимулятором процесса обучения алгоритмизации, особенно когда требуется умение войти в роль исполнителя и понять, что исполнитель не вникает в смысл того, что делает, и действует формально. С этим связана возможность автоматизации деятельности человека: процесс решения задачи представляется в виде последовательности простейших операций; создается машина (автоматическое устройство), способная выполнять эти операции в последовательности, заданной в алгоритме; человек освобождается от рутинной деятельности, выполнение алгоритма поручается автоматическому устройству [4].
В результате обучения учащиеся должны:
- 1) знать/понимать: понятия «алгоритм», «исполнитель» ; «система команд исполнителя»;
- 2) уметь: приводить примеры алгоритмов, встречающихся в математике, в языке общения, в быту; составлять и записывать линейные алгоритмы, алгоритмы с ветвлениями, алгоритмы с повторяющимися действиями на языке описания и в системе команд учебного исполнителя; находить и исправлять ошибки в алгоритмах; реализовывать алгоритмы на компьютере в среде исполнителя;
- 3) использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни: для формирования алгоритмического подхода к решению задач — подхода, основанного на применении алгоритмов.
Умения решать задачи, разрабатывать стратегию ее решения, выдвигать и доказывать гипотезы опытным путем, прогнозировать результаты своей деятельности, анализировать и находить рациональные способы решения задачи путем оптимизации, детализации созданного алгоритма, представлять алгоритм в формализованном виде на языке исполнителя — все это позволяет судить об уровне сформированное™ рефлексивных и общеучебных познавательных универсальных действий младших школьников.
Обратимся к проблеме обучения младших школьников информационным основам управления.
Изучаемые вопросы:
- • управление исполнителем;
- • выполнение алгоритма;
- • метод «черногоящика»;
- • вспомогательный алгоритм.
Как уже говорилось, процесс обучения информатике в общеобразовательной школе целесообразно организовывать «по спирали», что позволит постепенно переходить к более глубокому и всестороннему изучению основных содержательных линий. Изучение информационных основ управления является неотъемлемым компонентом непрерывного курса информатики. Это объясняется многими факторами: происходит актуализация знаний о сущности и свойствах информации, информационных процессов, формализации, алгоритмизации; осуществляется пропедевтика кибернетического аспекта информатики (кибернетика изучает общие закономерности и принципы управления в системах различной природы) и моделирования; развитие мышления младших школьников до уровня понимания причинно-
Рис. 5.1
Непосредственное
управление
следственных связей.
Понятие «управление» (как процесс целенаправленного воздействия на объект) необходимо рассмотреть на пропедевтическом уровне через деятельность учащихся, поскольку само управление носит деятельностный характер.
Рис. 5.2
Управление с «обратной связью»
Одним из компонентов управления является объект управления, а это не что иное, как исполнитель. Понятия «управление» и «обратная связь» целесообразно вводить на интуитивном уровне в контексте работы с компьютером и поддерживать составлением алгоритмов управления исполнителями в виртуальных средах, обеспечивая тем самым возможность создания учебных ситуаций управления формальными исполнителями на доступном младшему школьнику уровне.
Первое знакомство учащихся с миром исполнителей и способами их управления происходит в командном режиме (рис. 5.1).
Очевидно, что нет необходимости объяснять детям термин «непосредственное управление», однако учитель должен оперировать его смыслом [16]. Следует обратить внимание учащихся на то, что процесс управления невозможен без того, чтобы объект управления и управляющая система обменивались между собой информацией (рис. 5.2).
Управление с использованием команд «обратной связи» характеризуется тем, что каждая следующая команда передается исполнителю в зависимости от его поведения (можно попросить учащихся привести примеры таких исполнителей из жизни).
Рис. 5.3
Программное управление
Когда ученики будут изучать сложный исполнитель (пропедевтика программирования), они познакомятся с программным способом управления (рис. 5.3), при котором исполнитель получает от человека серию команд или программу действий (пропедевтика принципа программного управления). «В этом случае человек не видит результат предшествующего действия, а планирует или программирует его» [16, с. 74]. Надо сказать, что все исполнители
(Кенгуренок, Пылесосик, Робот, Машинист и др.) поддерживают оба режима: непосредственного и программного управления.
Рис. 5.4
Выполнение алгоритма на компьютере
Полезно объяснить учащимся, как происходит выполнение алгоритма на компьютере (рис 5.4), акцентировав внимание на то, что человек должен составить алгоритм, пользуясь при этом способом записи, понятным исполнителю.
Пропедевтику кибернетической линии продолжает ознакомление младших школьников с понятием «черный ящик»[2] [17]. В информатике под «черным ящиком» понимают алгоритм, который преобразует заданную исходную информацию в выходную информацию, но при этом неизвестно, по какому правилу он это делает. Закономерности работы и устройство «черных ящиков» выявляют, изучая по выходным данным реакцию системы на различные входные данные. Метод «черного ящика» формирует у учащихся исследовательские навыки, умение выдвигать гипотезы и развивает творческую активность.
Урок можно построить в форме игры, сказав детям: «Сегодня мы познакомимся с загадочным устройством. Мы ему сообщаем число, а оно выдает результат, сообщаем другое число — оно выдает другой результат, но неизвестно, какое математическое действие устройство выполняет». По ходу игры учащиеся одновременно с учителем (он работает у доски) заполняют таблицу вида: № испытания, вход, выход, действие. Затем учитель предлагает поработать в парах и сделать вывод о том, какое действие выполняет «черный ящик». Задания подобного рода активно включают такие приемы умственной деятельности, как синтез, сравнение, обобщение и порождают обратные связи в мыслительных процессах. Эту тему поддерживает исполнитель Буквоед из ПМК «Роботландия», предоставляя среду для отгадывания более 60 алгоритмов, а исполнитель Турбо-Буквоед позволяет самим учащимся составлять новые алгоритмы в дополнение к базовому пакету. В пособии [17] предлагается, помимо примеров с числовой информацией, выполнять задания по обработке текстовой информации (исполнитель Автомат).
Одним из фундаментальных понятий курса информатики, непосредственно связанным с управлением (точнее, управлением вычислительным процессом), являются понятия «рекурсия» и «вспомогательный алгоритм». Первоначальное знакомство с рекурсией целесообразно провести на основе решения известной задачи «Ханойские башни» в среде исполнителя Монах, затем проанализировать рекурсивный алгоритм из исполнителя Угадайка (ПМК «Робот- ландия»), а далее с целью обобщения рассмотреть различные рекурсивные алгоритмы (числа Фибоначчи, пирамида Сер- пинского и др.), используя числовые, текстовые, графические информационные объекты.
Ознакомление учащихся со вспомогательным алгоритмом или процедурой можно начинать в среде исполнителя Кенгуренок. Для этого здесь существует специальная конструкция. Необходимо, чтобы дети запомнили, что процедура обязательно должна иметь имя в соответствии с той задачей (подзадачей), которую она решает. Несложным языком располагает и исполнитель Кукарача (ПМК «Робот- ландия»), благодаря чему позволяет очень наглядно увидеть результат работы алгоритма с процедурами и даже «запрограммировать» решение задачи о Ханойской башне.
В результате обучения учащиеся должны:
- 1) знать/понимать: понятия «управление», «процедура», «рекурсия»; связь информационных процессов и управления; технологию выполнения алгоритма исполнителем;
- 2) уметь: управлять исполнителями в режиме непосредственного и программного управления; составлять рекурсивные, а также вспомогательные алгоритмы и реализовывать их в среде исполнителей;
- 3) использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни: для понимания информационной природы процессов, протекающих в технике и обществе.
Процесс обучения алгоритмизации на базе исполнителей в младшей школе, построенный с учетом кибернетического аспекта информатики, неизбежно влечет интенсификацию умственной деятельности школьников и способствует развитию интеллекта.
