Использование "задачного" подхода в условиях адаптивной системы обучения программированию (АСОП)

ЗАЧЕМ? Стандарт среднего (полного) общего образования по предмету Информатика и информационно-коммуникационные технологии (профильный уровень) в качестве целей изучения предмета содержит следующие:

• освоение и систематизация знаний, относящихся к математическим объектам информатики…;
• овладение умениями строить математические объекты информатики, в том числе логические формулы и программы на формальном языке, удовлетворяющие заданному описанию; создавать программы на языке программирования по их описанию…;
• развитие алгоритмического мышления, способностей к формализации, элементов системного мышления [3].

Тема «Алгоритмизация и программирование», входящая в стандарт как дидактическая единица, как нельзя лучше подходит для достижения поставленных целей. Содержание, особенности умственной деятельности учащихся в процессе ее изучения направлены на развитие системного, алгоритмического мышления, на формирование тех его качеств и особенностей, которые, в последствии, помогут выпускникам школы строить свою профессиональную деятельность наиболее эффективным образом. Учащийся, у которого сформированы определенные навыки алгоритмического мышления, способен:

• рассуждать, используя приемы анализа и синтеза, соблюдая законы логики;
• четко формулировать свои мысли, используя формальный язык изложения;
• предсказывать варианты будущих событий как последствия спланированных им сейчас, в данный момент, действий;
• составлять алгоритмы решения задач с учетом ограничений исполнителя;
• пользоваться возможностями интеллектуального моделирования.

Отмеченные качества дисциплинируют мышление школьника, помогают ему при решении задач различного содержания, оценивая возможность их алгоритмического построения. Особенности компонентов, образующих алгоритмическую культуру состоят в том, что они не имеют узкой ориентации исключительно на взаимодействие школьника с компьютером, а имеют независимое от программирования более широкое значение. Говоря иными словами, алгоритмическая культура школьника обеспечивает некоторый начальный уровень грамотности школьника не только для его успешной работы в системе «ученик — компьютер», но и создает операционное наполнение, которое обслуживает деятельность школьника в рамках учебных дисциплин за пределами компьютера. Как отмечал академик Е.П. Велихов в связи с введением в школу предмета Основы информатики и вычислительной техники, «информатика является частью общечеловеческой культуры, не сводящейся к использованию компьютеров, а в равной степени относящейся, скажем, к умению объяснить приезжему дорогу» [2]. Таким образом, образовательная линия «Алгоритмизация и программирование», являясь неотъемлемой частью содержания предмета Информатика и ИКТ, предполагает прямое влияние на развитие мышления школьников и поэтому имеет большое образовательное и воспитательное значение.

ЧТО? Достижение целей, стоящих перед изучением раздела Алгоритмизация и программирование происходит через рассмотрение вопросов теории алгоритмов, освоение конкретного языка программирования, формирование умений и навыков его использования для написания программ решения различных задач. Учитывая специфику материала, а также уровень требований, предъявляемых к его освоению, желаемый результат можно достичь соблюдая следующие условия:

• при отборе теоретического материала: для каждого типа и структуры данных языка программирования выделять для изучения набор базовых алгоритмов работы с ними;
• при отборе практического материала: использовать специальным образом подготовленный «задачный» материал;
• при распределении учебного времени: отдавать предпочтение формированию практических навыков составления алгоритмов и программ решения задач;
• при отборе форм, методов и приемов обучения: использовать деятельностные формы работы с учащимися, обеспечивающие поэтапное овладение умениями и навыками;
• при определении успешности обучения, отслеживании результатов обучения: обязательно проводить мониторинг уровня усвоения каждого нового вида задач.

Попытаемся определить, какими должны быть задачи для того чтобы с их помощью можно было эффективным образом сформировать алгоритмическое мышление учащихся. Введем уровни задач по программированию на основе систематизации, предложенной Д. Толленгеровой [5]:

• задачи, требующие только воспроизведения известного базового алгоритма, его мнемоническое воспроизведение;
• задачи, требующие внесения незначительных изменений в базовый алгоритм и совершения для этого несложных мыслительных операций;
• задачи, требующие значительных изменений в базовом алгоритме и совершения для этого более сложных мыслительных операций, предполагающих анализ ситуации;
• задачи, требующие логически обоснованного сочетания различных базовых алгоритмов, синтез известных алгоритмов и сложных мыслительных операций;
• задачи, в постановке которых содержатся описание реальных ситуаций, требующих разрешения (задачи творческого уровня, выполняемые в форме проекта).

Формирование творческого мышления учащихся возможно при условиях, которые позволяют отрабатывать такие качества ума, как глубина, гибкость, устойчивость, а также осознанность своей мыслительной деятельности и самостоятельность при приобретении и оперировании новыми знаниями. Теперь воспользуемся исследованием С. Окулова, который определил три уровня развития мышления ученика, занимающегося изучением программирования: алгоритмический, структурный, эвристический [4]. Алгоритмический позволяет написать алгоритм, составить план будущей деятельности, записать с использованием формальной системы обозначений с ограниченными возможностями. Умение делить задачу на подзадачи определяет наличие структурного уровня мышления. Характерные черты этого стиля: простота и ясность; использование только базовых (основополагающих) конструкций. Умение находить истину, доказывать факт правильности решения задачи (работы программы) он называет эвристическим стилем мышления. Факторами успешной эвристической деятельности являются умение оценивать рациональность действий, оптимальность составленного алгоритма. Для определения, какие мыслительные операции присуще каждому типу задач, воспользуемся систематикой, предложенной Б. Блумом:

1 уровень: знание на уровне запоминания специфичной информации, понимание этого материала не зависимо от другого, умение использовать данный материал в новых ситуациях;
2 уровень определяется умением анализировать информацию;
3 уровень определяется умением составлять целое из отдельных частей, придумывать, создавать; уметь давать сравнительную оценку в соответствии с определенными ценностями по заданным стандартам и критериям;
4 уровень соответствует проявлению исследовательских умений и навыков, творческой активности, интеллектуальной инициативы, самостоятельной проработки материала.

Таким образом, мы получаем соответствие между уровнем задач, уровнем алгоритмического мышления и характерными мыслительными операциями при их решении (Табл. 1).

Табл. 1

(Приложение 1)

Пытаясь ответить на вопрос, от чего зависит успешность освоения учеником рассматриваемой темы, обратимся к мнению А.П. Ершова, который, рассуждая об особенностях процесса программирования, отмечал следующее: те, кто занимается этой деятельностью «непосредственно упираются в пределы человеческого познания в виде алгоритмически неразрешимых проблем и глубоких тайн работы головного мозга» [1]. Цель учителя - вывести ученика на максимально возможный для него уровень овладения изучаемым материалом, что становится реальным при поэтапном усвоении базовых алгоритмов и формировании умений строить с их помощью решения различных задач. Данная схема изучения показана на рисунке

и содержит 2 этапа:

1 этап: Теоретическое занятие, на котором учащихся знакомят с очередным типом данных. Обычно необходимый для ознакомления материал излагается за 1-2 учебных часа.

2 этап. Разбор одного за другим базовых алгоритмов и их отработка на определенном для каждого алгоритма наборе задач.

Для реализации этой схемы становится необходимым создание гибкой, адаптивной системы обучения программированию (АСОП), включающей в себя все необходимое для учета склонностей и способностей ученика, а также предлагающей методы и приемы обучения, направленные на достижение владения материалом на творческом уровне. Ее структура представлена на <Рис. 2>. Среди принципов, положенных в основу функционирования АСОП, кроме принципов традиционной педагогики, можно отметить следующие:

• принцип соответствия процесса обучения в АСОП закономерностям учения определяет необходимость организации учебно-познавательной деятельности обучающихся в соответствии с постепенным, пошаговым овладением ими содержанием изучаемой темы и предполагает поэтапное достижение творческого уровня его использования.
• принцип единства образовательной, воспитательной и развивающей функций обучения. Изучение темы «Алгоритмизация и программирование» способствует не только увеличению объема знаний ученика, но и развитию его умственных способностей, совершенствует стиль мышления, повышает его алгоритмическую культуру. Создаваемая обучающая среда, предпочтение использованию методов обучения, побуждающих к деятельностной активности, позволяет формировать такие нравственные качества как: добросовестность, ответственность, честность, гордость за найденное решение и т.д.
• принцип стимулирования и мотивации позитивного отношения обучающихся к учению отражает закономерную связь между успешностью их учебно-познавательной деятельности и формированием интереса к ней.. Соблюдать данный принцип позволяют активные формы обучения. Именно они позволяют вызывать у обучаемых познавательный интерес за счет стимулов социальной, личной значимости. Учитывая особенности рассматриваемой темы, зная, что успех ее изучения зависит не только от общего развития обучаемого, но и от наличия особых склонностей и способностей, необходимо отмечать, поощрять и стимулировать любые положительные изменения в развитии формируемых навыков.
• принцип оптимального сочетания коллективной учебной работы с индивидуальным подходом в обучении позволяет сочетать личностно-ориентированный подход к обучению с возможностью организации работы в микрогруппах. Такое соединение дает возможность учителю решать ряд педагогических задач по выявлению и нивелированию уровней владения материалом, а также возможность корректировки взаимоотношений среди учащихся. Для формирования микрогрупп могут быть использованы различные критерии, меняющиеся в зависимости от целей, которые ставит учитель на уроке.
• принцип сочетания возможностей абстрактного мышления с наглядностью отражает закономерную связь между разнообразием чувственных восприятий содержания учебного материала и возможностью его понимания, запоминания, хранения в памяти, воспроизведения и применения. При изучении вопросов программирования используются словесные, знаковые, изобразительные формы наглядности, которые всегда сопутствуют абстрактному мышлению.
• принцип ориентированности обучения на активность личности позволяет, как и требует адаптивная система, ориентироваться на обучение, развитие и воспитание конкретного ученика, учитывая его интересы и потенциальные возможности. Учебный процесс должен быть спроектирован с максимальным учетом начальных параметров, значимых для обучения программированию. Применяемые формы и методы работы с учащимися должны быть направлены на раскрытие индивидуальных особенностей получения знаний через анализ способов учебной работы. Обучающая среда предполагает не только передачу знаний, совершенствование умений, но и постоянное формирование механизма самоорганизации и самореализации ученика, развития его познавательных способностей, что предполагает не жесткое нормативное построение его деятельности, а некоторую свободу выбора (выбрать самому задачу, структуры данных, метод решения, и т.д.).

7 принцип обучения на высоком уровне сложности, «на пределе возможного» предполагает использование уровня заданий – на грани «может – не может». Эта ситуация побуждает к деятельности, активности учащегося в направлении поиска решения.

КАК? На рисунке  показано,

какие формы уроков могут быть использованы на различных этапах изучения материала. Приведем описание некоторых из них.

Школьная лекция. Для уроков изучения нового материала в школе традиционно выбирается комбинированная форма урока. Она предполагает в своей структуре наличие всех основных моментов, которые обеспечивают актуализацию знаний учащихся, изложение нового материала, его закрепление. Вопросы рассматриваемой темы требуют другого подхода. Это объясняется тем, что они связаны, в основном, с описанием очередного типа изучаемого языка программирования, структуры данных, которые требуют изначально целостного восприятия и позволяют дальнейшее последовательное уточнение. Такой подход к подаче теоретического материала может реализовать лекция, но не в традиционном виде, а с учетом возраста, с использованием приемов, позволяющих повысить познавательную активность слушателей. Такую лекцию называют школьной или ученической. В традиционном понимании лекция – это форма, которая предполагает монологическое изложение теоретического материала, где ученик – это слушатель, а его деятельность заключается только в попытке понять, запомнить излагаемый материал и в ведении конспекта. Такая деятельность не соответствует активным формам обучения, а значит, не работает на активизацию познавательной деятельности на уроке. Возбудить интерес, заставить работать мышление, позволяет хорошо продуманная система вопросов, актуализирующих изученный ранее материал, ставящих перед учениками проблему, задачу, решение которой может быть найдено в ходе лекции. Условиями эффективного проведения школьной лекции являются:

• четкое продумывание плана лекции, который должен соответствовать обобщенному плану описания типа данных: множество значений, особенности представления данных в памяти, множество операций и стандартных средств обработки (при необходимости);
• логически стройное и последовательное изложение с промежуточными заключениями и выводами;
• использование разнообразных средств наглядности;
• обучение учащихся фиксирующим записям, умению выделять главное, подчеркивать основные мысли, делать выводы и т.д.;
• использование приемов мобилизации внимания, интереса учащихся, стимуляция их познавательной активности.
• необходимость продумывания характера взаимодействия учителя и учащихся, способов осуществления обратной связи;
• планирование закрепления, продумывания характера вопросов и заданий, вынесенных на закрепление;
• манера проведения и характер общения учителя и учащихся.

Беседа является диалогическим методом изложения учебного материала (от греч. dialogs – разговор меду двумя или несколькими лицами), что уже само по себе говорит о существенной специфике этого метода. Беседа представляет собой не сообщающий, а вопросно-ответный способ учебной работы по осмыслению изучаемого вопроса. Главный смысл использования этой формы урока - побуждать учащихся с помощью вопросов к рассуждениям, анализу материала и обобщениям, к самостоятельному «открытию» новых для них выводов, идей, алгоритмов и т.д. Эту форму в процессе обучения программированию уместно использовать при рассмотрении базовых алгоритмов. Сущность беседы в данном случае заключается в том, что учитель путем продуманных, умело сформулированных вопросов побуждает учащихся рассуждать, анализировать, искать алгоритм решения поставленной задачи, самостоятельно достигая поставленную учителем цель. Искомый алгоритм решения задачи не только понимается, но еще и проходит через чувственное восприятие («чувствуется»), так как имеет свою «историю появления», вызывая эмоции и ощущения – это гарантия активности познания, и осознанного усвоения. Эта форма изучения нового материала будет эффективной и действенной при выполнении следующих условий:

• учитель должен четко продумать структуру урока, рассчитав время на каждый его этап таким образом, чтобы итогом урока оказалось верное решение рассматриваемой задачи;
• атмосфера, которую должен создать учитель во время урока, не должна сковывать ученика; ничто не должно препятствовать высказыванию своих идей, пусть даже не всегда правильных – это возможно только при нормально сложившихся отношениях в группе;
• учитель должен умело руководить беседой, ведя ее в направлении верного решения.

В зависимости от уровня решаемой задачи, рассматриваемого алгоритма, при правильной организации такие уроки дают возможность одним ученикам отработать навыки уже сформированного алгоритмического мышления, другим - сделать шаг вперед в этом направлении. Тем самым происходит нивелирование уровней развития отрабатываемого типа мышления.

Метод открытых программ относится к иллюстративно-демонстрационным. Суть его заключается в следующем. Учащимся демонстрируется текст программы решения задачи. Эта демонстрация может быть произведена на экранах мониторов или на доске. Учащимся предлагается сформулировать условие задачи, это можно сделать до объявления темы и целей урока. Такое неожиданное начало урока активизирует внимание, усиливает познавательную активность, ставит учащихся в такие условия, когда им приходится не только видеть в программе знакомые фрагменты, но и понять назначение незнакомых. Опираясь на свои знания, свой опыт, они должны сформулировать решаемую задачу. Этот метод приносит эффективный результат, если рассматриваемая задача несложная, одинаково доступная для понимания всех. Если же в классе сильное расслоение по входным параметрам подготовленности и к тому же рассматриваемый алгоритм достаточно сложен, то эффективность использования метода снижается.

На этапах формирования навыков использования изучаемого сложного типа или структуры данных хорошо использовать такую форму урока как «урок одной задачи» или организацию индивидуальной работы на «тихом уроке». Они отвечают принципам личностно-ориентированного обучения, работают на рефлексию учащихся и дают в руки учителя достаточно тонкий инструмент корректировки и дальнейшего развития алгоритмического мышления и его культуры.

Урок « одной задачи» (Приложение 2.). В основе таких уроков лежит принцип формирования навыков «от простого – к сложному». Начиная с открытой программы решения достаточно простой задачи, которую надо просто узнать (вариант – найти допущенную в тексте ошибку), и заканчивая программой решения сложной, основанной на предложенном в начале урока исходном тексте программы – вот путь, который должны пройти ученики в течение урока под руководством учителя. Каждый шаг на этом пути - это решение следующей задачи, которая формулируется на основе предыдущей добавлением сведений, усложняющее ее постановку и соответственно решение. И, хотя начальный уровень сложности задачи у всех одинаков, но уровень, который будет достигнут по окончании занятия может оказаться различным. Эффективность используемого метода будет высокой при выполнении следующих условий:

• учитель владеет информацией о текущем состоянии параметров, определяющих уровень развития алгоритмического мышления учащихся;
• имеется достаточная база разноуровневого дидактического материла, который лежит в основе практической деятельности учащихся;
• правильно спланирована деятельность каждого ученика путем выстраивания для него и только для него ряда решаемых задач;
• учитель в течение урока должен фиксировать для себя результативность работы каждого – это информация для дальнейшей корректировки развития ученика.

«Тихий урок». Эта форма урока позволяет реализовать в индивидуальном режиме формирование и отработку навыков решения различных по уровню задач. Для проведения такого урока необходимо посадить учащихся по одному (это обязательно) так, чтобы место рядом с каждым было свободным, выдать набор задач разного уровня (как вариант учитель может предоставить ученику свободу в выборе задач). Предлагаемые задания подбираются таким образом, чтобы из их содержания можно было бы выделить подзадачи, алгоритмы решения которых известны и составляют минимум уровня владения изучаемым материалом. Поэтому решение задачи складывается из следующей последовательности действий:

• проанализировать условие задачи, выделяя подзадачи, решения которых известны;
• оформить программу, соединяя в ней фрагменты известных решений в исходном варианте или предварительно изменяя, соотнося их с условием решаемой задачи.

Деятельность учителя во время таких уроков заключается в сборе информации об успешности знания базовых алгоритмов и об уровне владения ими и в консультировании учащихся, которое проходит строго в индивидуальном режиме.

Для учащихся результатом урока является повышение уровня владения материалом, за счет отработки навыков его использования в различных условиях. Учитель получает возможность оказания индивидуальной помощи каждому обучающемуся. Информация, полученная им в процессе урока, дает возможность корректировать линию развития каждого в направлении уровня владения материалом соответствующего творческому.

«Деловая игра» - активная форма обучения, представляющая собой ролевую игру, которая позволяет сочетать индивидуальный и коллективный вид деятельности и является эффективным средством завершения этапа изучения структуры данных. К этому моменту уровень знаний и навыков должен позволить применить изученные алгоритмы обработки в изменившихся условиях. В зависимости от сложившихся в группе отношений, от тех целей, которые ставит для себя и для учеников учитель, происходит формирование микрогрупп. Их деятельность начинается с выбора «руководителя отдела», в задачи которого входит:

• руководство деятельностью отдела, направленное на достижение определенной цели;
• консультирование работников отдела;
• подведение итогов работы:
• оценивание деятельности каждого члена коллектива, его вклада в решение общей задачи;
• оформление результатов.

Так как решением одной задачи занимается группа разработчиков, то она должна отвечать некоторым требованиям:

• задача должна быть сформулирована в терминах реальных объектов, что даст возможность отрабатывать и совершенствовать навыки по реализации всех этапов получения решений с помощью компьютера;
• желательно, чтобы задача содержала самостоятельные подзадачи, решения которых можно поручить членам группы.

Задача учителя на этом занятии – не простого наблюдать за деятельностью групп, а составлять свое собственное мнение о работе каждого. Так как обстановка этого урока необычная, то и поведение детей отличается от их обычного, «урочного». Оно более свободное, раскованное. Эта ситуация дает возможность учителю отметить личностные качества ученика (активность, коммуникативные качества, уровень притязаний и т.д.). Эта информация может стать основой для определения или изменения стиля работы с учащимися. Заканчивается урок «собранием рабочего коллектива», на котором каждый руководитель докладывает об итогах работы как всей группы, так и каждого его члена.

Литература

1. А.П. Ершов О человеческом и эстетическом факторах в программировании // Информатика и образование. 1993. №6. С. 3-7.
2. Велихов Е.П. Новая информационная технология в школе // ИНФО. – 1986. - №1
3. Информатика и ИКТ в образовательных учреждениях Воронежской области. Примерные программы и учебно-тематические планы для 8-11 классов / Л.А. Бачурина [и др.]. - Воронеж: ВОИПКиПРО, 2007. – 104 с.
4. Окулов С.М. Информатика: Развитие интеллекта школьников / С. М. Окулов. — М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. – 212 с., ил.
5. Толлингерова Д. Психология проектирования умственного развития детей. — М.:Прага,1994.-48с.

Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4