Использование среды Кумир для обучения учащихся алгоритмизации и программированию (проект)

В настоящее время в практике образования активно применяется метод проектов, который успешно решает не только учебные, но и воспитательные задачи. Проект буквально – «брошенный вперед», а проектирование – процесс создания проекта. Метод проектов дает возможность обучающимся активно проявить себя в системе общественных отношений, способствует формированию у них новой социальной позиции, позволяет приобрести навыки планирования и организации своей деятельности, открыть и реализовать творческие способности, развить индивидуальность личности.

Проектирование – это деятельность по осуществлению изменений в окружающей среде. Проектирование стимулирует педагога к получению новых знаний, к творческим поискам, помогает развивать профессиональную компетентность.

Применение метода проектов связано с большими преимуществами:

• метод проектов способствует успешной социализации школьников благодаря адекватной информационной среде, в которой учащиеся учатся самостоятельно ориентироваться, что приводит к формированию личности, обладающей информационной культурой в целом;

• на всех этапах выполнения проекта есть возможность внедрить системно-деятельностный подход к обучению, который лежит в основе ФГОС и концептуально базируется на обеспечении соответствия учебной деятельности обучающихся их возрасту и индивидуальным особенностям, что приводит к развитию творческих способностей учащихся;

• выбирая проблему исследования и решая конкретные задачи, школьники исходят из своих интересов и степени подготовленности. Это обеспечивает каждому собственную траекторию обучения и самообучения, позволяет дифференцировать и индивидуализировать образовательный процесс;

• работа в группе формирует личность, способную осуществлять коллективное целеполагание и планирование, распределять задачи и роли между участниками группы, действовать в роли лидера и исполнителя, координировать свои действия с действиями других участников проекта, коллективно подводить итоги, разделяя ответственность.

Метод проектов можно рассматривать как способ достижения дидактической цели через детальную разработку проблемы (технологию), которая должна завершиться вполне определенным практическим результатом, оформленным тем или иным образом.

На сегодняшний день существует две основные тенденции в обучении информатики: «Изучение прикладного программного обеспечения» и «Изучение основ алгоритмизации и программирования». Обе тенденции интересны и полезны – их нельзя разделять.

Если говорить о прикладном программном обеспечении, то практическая значимость этого блока сразу понятна большинству учащихся, потому что умение «работать на компьютере» необходимы в современном мире практически каждому человеку, независимо от его образовательного уровня и сферы приложения его профессиональных интересов. Гораздо труднее обстоит дело в этом смысле с алгоритмизацией и программированием. Ведь умение программировать будет необходимо только тем, кто выберет данное направление в качестве профессионального и в конце школьного курса обучения при сдаче экзаменов выберет предмет информатику.

Как  создать должный уровень мотивации на изучение данного блока у всех учащихся? Здесь на помощь приходит концепция системного подхода к решению любых «жизненных задач», как производственных, так и бытовых.

Именно поэтому основной задачей  преподавания алгоритмизации и программирования как раз и является развитие особого стиля мышления, который просто необходим для наиболее полной реализации своих способностей и возможностей при выборе наиболее оптимального пути решения задачи.

Актуальностью данного проекта является:

• мотивировать школьников к изучению информатики;

• воспитание алгоритмического и аналитического мышления учащихся;

• подготовка учащихся к более легкому вхождению в программирование в среднем учебном звене;

• подготовка к программированию на языках более высокого уровня и, как следствие, выход на сдачу экзамена по выбору в форме ОГЭ или ЕГЭ.

Цели проекта:

• реализация системно-деятельностного подхода в обучении, лежащего в основе ФГОС, и направленного на становление сознания учащихся и их личности в целом;

• возможность реализации интерактивных методов обучения в процессе взаимодействия, беседы с учащимися;

• организация обучения, ориентированного на более широкое взаимодействие учеников не только с учителем, но и друг с другом и на доминирование активности учащихся в процессе обучения;

• разработка системы дополнительных заданий для программных исполнителей Учебных Миров среды КуМир.

Задачи проекта:

• показать практическую значимость использования программирования для наглядного представления решения задач в различных областях жизнедеятельности человека;

• научить учащихся основам программирования с использованием среды программирования КуМир;

• научить составлению и оформлению программ в соответствии с нормативными требованиями языка программирования;

• развивать логическое и аналитическое мышление школьников;

• найти место для изучения всех исполнителей в курсе изучения информатики.

После изучения имеющихся инструментов для реализации данного проекта были сделаны следующие выводы.

В 2010 году правительством РФ был подписан указ «План перехода федеральных органов власти и федеральных бюджетных учреждений на использование свободного программного обеспечения». В рамках проекта, сотрудниками ALT Linux был разработан и протестирован пакет Свободного программного обеспечения (ПСПО).

Комплект включает в себя дистрибутивы операционной системы ALT Linux, содержащие все необходимые программы для подготовки уроков и обучения информатике, значительный набор программ по математике, физике, черчению, астрономии и другим предметам, обучающие и развивающие игры, стандартный набор офисных программ.

В нашей Гимназии установлен Альт Линукс Школьный Мастер. Он может быть установлен практически на любой компьютер, так как включает в себя версии, адаптированные под различные системные требования аппаратного обеспечения. Этот дистрибутив можно использовать как для обучения компьютерной грамотности, так и для разработки полноценных программ на различных языках программирования.

Преимуществами Альт Линукс Школьный Мастер является то, что все компоненты системы являются свободно распространяемыми, защищенность от вирусов и стабильность.

Недостаток в том, что домашней операционной системой в основном является Windows. В связи с этим иногда дети испытывают определенный дискомфорт при работе в другой ОС.

Для  наиболее полной реализации данного проекта необходимо применять гибкий подход к выбору языка программирования.

Наиболее подходящим программным комплексом является система программирования КуМир (Комплект Учебных МИРов)  — это свободно распространяемая кроссплатформенная русскоязычная система программирования, предназначенная для начального обучения основам алгоритмизации. В ней реализованы все основные алгоритмические конструкции (следование, ветвление, циклы), следовательно у учащихся можно развить все необходимые навыки по программированию.

Достоинства данной среды:

• свободно распространяемая среда;

• кроссплатформенность (Windows, Linux);

• поддержка со стороны российских разработчиков;

• русскоязычные команды языка программирования;

• развитые возможности отладки программ;

• автоматическое выравнивание, показывающее структуру программы;

• возможность строить заготовки задач с автоматической проверкой;

• возможность управления исполнителями из программы;

• возможность подключения новых исполнителей;

• удобная, простая учебная среда разработки, “помогающая” в создании программ;

• используя систему КуМир, можно существенно увеличить число и качество задач, которые сможет решить школьник.

Недостатки:

• сложно мотивировать учащихся на изучение языка, который нигде не применяется;

• очень медленная работа интерпретатора.

Многие учителя информатики согласятся с тем, что тема «Программирование» – одна из наиболее сложных тем школьного курса информатики. Не все учащиеся к 8-9 классу, в котором обычно и запланировано изучение данной темы, готовы к ее освоению. И для этого существует целый ряд причин.

Во-первых, это связано с недостаточным уровнем сформированности у учащихся алгоритмического мышления, умения строить последовательность действий, анализировать их ход и результаты выполнения.

Во-вторых, учащимся зачастую очень сложно перейти от известных алгоритмических конструкций (ветвление, цикл), интуитивно понимаемых, к их формальному описанию на языке программирования, а тем более, использующему служебные слова не из родного языка.

В-третьих, у большого количества учащихся часто просто отсутствует мотивация к изучению темы «Программирование». Особенно это наблюдается на первых этапах знакомства с данной темой, когда учащимся приходится решать задачи на отработку простейших навыков правильного построения структуры программы, организации ввода и вывода данных, описания простейших алгоритмических конструкций. Именно на этом этапе приходится решать простейшие задачи, например о нахождении суммы или частного двух чисел, вычислении суммы прогрессии и т.д. Ученику тяжело оценить результаты своей работы, проанализировать работу программы, найти ошибки, тем более что нет наглядности при выводе результатов работы программы.

Главная проблема школьного обучения программированию — отсутствие системного подхода в этом вопросе. Беда в том, что в школе учат не решению проблем с помощью программирования, не разработке программ, а лишь языку программирования как таковому. Школьные уроки сводятся, по сути, к изучению конструкций языка и выполнению каких-либо заданий на эти конструкции, но не учат намного более важному умению — применять их для решения возникающих на практике задач. Те из учащихся, кто имеет талант к программированию, учатся этому, как правило, на кружках или самостоятельно, остальные же получают представление о программировании как «скучном и нудном занятии для ботаников».

Но программирование ведь нужно не только «избранным». На уроках программирования дети учатся в первую очередь работать с информацией, структурировать её, управлять ею, а эти навыки жизненно необходимы в условиях все нарастающего «информационного вала» современной жизни. Даже приблизительное понимание, как устроен компьютер, как он работает и исполняет программы, каковы его возможности и ограничения, — важный навык в нынешних условиях, когда компьютеры проникли буквально повсюду. Даже если ребенок и не станет программистом, приобретенные во время занятия программированием навыки будут для него хорошим подспорьем в будущей жизни. От компьютеров ведь он никуда не уйдет.

Изучение информатики в нашей Гимназии начинается с начальной школы. И к 5 классу дети уже знакомы с такими понятиями как алгоритм и исполнитель.

Впервые ученик встречается с основами программирования в 5 классе при изучении темы «Разработка плана действий и его запись» (тематическое планирование по учебнику Л.Л. Босовой). 

На этом этапе на уроках на практике я подключила исполнителя Водолей среды Кумир. У исполнителя «Водолей» есть два сосуда, первый объемом A литров, второй объемом B литров, а также кран с водой. Водолей может выполнять следующие операции:

1. Наполнить сосуд A (обозначается A).

2. Наполнить сосуд B (обозначается B).

3. Вылить воду из сосуда A (обозначается A).

4. Вылить воду из сосуда B (обозначается B).

5. Перелить воду из сосуда A в сосуд B (обозначается как AB).

6. Перелить воду из сосуда B в сосуд A (обозначается как BA).

Команда переливания из одного сосуда в другой приводят к тому, что либо первый сосуд полностью опустошается, либо второй сосуд полностью наполняется.

С помощью этого исполнителя можно решить класс задач на переливание. В учебнике автора Л.Л.Босовой имеется только одна задача. Поэтому мною были разработаны уроки, содержащие дополнительные задания. (Приложение 1).

В 6 классе учащиеся изучают довольно обширный блок под названием «Алгоритмы и исполнители», в рамках которого предусмотрено знакомство и работа с какими-либо формальными исполнителями. Изучение блока начинается с алгоритмического исполнителя Кузнечик.

Кузнечик является простейшим исполнителем. Он может скакать вперед и назад по координатному лучу.

Для того чтобы им управлять обычно используются целочисленные положительные значения. То есть натуральный ряд чисел. В некоторых случаях используется координатная прямая, где могут быть получены отрицательные значения.

Система команд Кузнечика:

Вперед .

Назад .

Вместо подставляются конкретные значения.

Команда «перекрасить» помечает цветом квадратик (которым выделены числа координатного луча).

Имеется возможность помечать флажком квадратики, необходимые для обязательного «посещения» Кузнечиком.

Обычно в условии вводится точное указание на сколько квадратиков может прыгнуть Кузнечик.

К сожалению, работа с Кузнечиком в среде КуМир несколько затруднена. Наличие команд «вперед 3» и «назад 2» поможет решить только специально придуманные для этого задания.

Для управления другими действиями придется произвести настройку.

На эту тему мною также были разработаны и проведены уроки с раздаточным материалом. Различные виды заданий выполнялись с учащимися как фронтально, так и самостоятельно. Задания для самостоятельной работы приведены в Приложении 2.

Далее по программе учащиеся изучают исполнителя Чертежник. Исполнитель Чертежник предназначен для построения рисунков на координатной плоскости. Чертежник имеет перо, которое можно поднимать, опускать и перемещать.

При перемещении опущенного пера за ним остается след – отрезок от предыдущего положения до нового. При перемещении поднятого пера никакого следа не остается. В начальном положении перо Чертежника всегда поднято и находится в точке (0, 0).

Система команд исполнителя «Чертежник» включает 6 команд:

• опустить перо

• поднять перо

• сместиться в точку (X, Y)

• сместиться на вектор (dX, dY)

• установить цвет (цвет)

• надпись (ширина, текст)

На изучение этого исполнителя в курсе отводится достаточное количество уроков и заданий, поэтому разработка дополнительных не потребовалась.

На этом этапе важно учить программированию, а не языку. Все понятия, даваемые детям, выводятся как инструмент решения проблемы. Даже не совсем так: сначала формулируется проблема, дается возможность её «пощупать», попробовать решить имеющимися средствами (в качестве домашнего задания или вместе с преподавателем в классе).

Например, мы умеем рисовать на экране домик (у нас уже есть такая функция). Давайте нарисуем на экране 5 домиков друг за другом. Задачу, безусловно, можно решить, вызвав функцию 5 раз. Но, проверяя технологию, мы задаем вопросы: а если надо будет 10 домиков? 50? 100? А если 4? А если столько, сколько поместится на экране? Или столько, сколько введет пользователь программы? Затем детям предлагается обсудить, как можно было бы решить эту проблему, и обычно они сами, с некоторой помощью преподавателя, формулируют с той или иной степенью приближения идею цикла. Лишь только затем рассказывается синтаксис оператора цикла.

Таким образом, уже в 6 классе появляется возможность познакомить учащихся с основами программирования на примере написания программ для исполнителей Чертежник, Водолей, Кузнечик. Очень важно именно в этом возрасте для учащегося – это возможность наглядно увидеть результаты работы программы, им написанной, увидеть, где есть ошибка, где исполнитель не может выполнить команду, т.е. есть возможность научить учащихся самостоятельно проводить тестирование и пошаговую отладку программы. При этом сама программа использует служебные слова из русского языка.

Использование данного проекта на текущем этапе дало хорошие результаты:

• учащиеся быстро входят в среду;

• легко запоминают систему команд исполнителя;

• с интересом выполняют любые задания как в процессе индивидуальной работы, так и групповой;

• визуализация работы программы на графическом экране упрощает понимание и освоение управляющих конструкций языка для учащихся с любым стилем мышления;

• структурная организация данной среды максимально приближена к среде Паскаль и переход от одной к другой осуществляется легко и безболезненно.

Последовательность знаний и умений, получаемых детьми, ориентирована на их практическое использование. Конструкции даются как результат возникающих у детей в процессе обучения проблем. Разумеется, задания подбираются именно так, чтобы проблемы эти возникали в определенном порядке — в этом состоит одна из задач преподавателя. Задачи подбираются по принципу: чем важнее навык, тем раньше он изучается. Важность понимается как частота употребления конструкции в промышленном коде. Именно поэтому функции, важнейший элемент программирования, изучаются как можно раньше.

В дальнейшем в 8-9 классе, когда изучается тема «Программирование на языке Паскаль», эти навыки очень востребованы, т.к. учащимся гораздо легче освоить конструкции формального языка, опираясь на навыки, приобретенные при работе с графическими исполнителями.

Приложение 1.

Задания для исполнителя Водолей.

Приложение 2.

Задания для исполнителя Кузнечик.

Задание 1: закрасить все четные точки в диапазоне от 0 до 10.

СКИ: ВПЕРЕД 3

НАЗАД 2

ПЕРЕКРАСИТЬ

Задание 2: закрасить все нечетные точки в диапазоне от 0 до 10.

СКИ: ВПЕРЕД 3

НАЗАД 2

ПЕРЕКРАСИТЬ

Задание 3: переместить кузнечика из точки 0 в точку 10, пройдя через все точки с флажками, закрасить точку 10.

СКИ: ВПЕРЕД 3

НАЗАД 2

ПЕРЕКРАСИТЬ

Задание 4: переместить кузнечика из точки 0 в точку 10, в точки с флажками не заходить, закрасить точку 10.

СКИ: ВПЕРЕД 3

НАЗАД 2

ПЕРЕКРАСИТЬ