Анализ учебников по информатике

1.3 Анализ учебников по информатике

В проекте стандарта и обязательном минимуме по информатике содержание алгоритмической линии определяется через следующий перечень понятий: алгоритм, свойства алгоритмов, исполнители алгоритмов, система команд исполнителя; формальное исполнение алгоритмов; основные алгоритмические конструкции; вспомогательные алгоритмы.

Изучение алгоритмизации в школьной информатике может иметь два целевых аспекта: первый – развивающий аспект, под которым понимается развитие алгоритмического (еще говорят – операционного) мышления учащихся; второй – программистский аспект. Составление программы для ЭВМ начинается с построения алгоритма; важнейшим качеством профессионального программиста является развитое алгоритмическое мышление. Если в первом школьном учебнике информатики в изучении алгоритмизации превалировал второй, программистский, аспект, то в дальнейшем стала больше подчеркиваться развивающая роль данной темы.

Вопрос о месте и объеме темы программирования в базовом курсе остается дискуссионным. В различных версиях обязательного минимума этот вопрос решался по-разному. Здесь также можно говорить о двух целевых аспектах, с которыми связано изучение программирования в школе. Первый аспект связан с усилением фундаментальной компоненты курса информатики. Ученикам дается представление о том, что такое языки программирования, что представляет собой программа на языках программирования высокого уровня, как создается программа в среде современной системы программирования. Получив представление о языке машинных команд на материале учебных компьютеров и о языках высокого уровня, ученики будут осознанно воспринимать понятие «трансляция».

Второй аспект носит профориентационный характер. Профессия программиста в наше время является достаточно распространенной и престижной. Изучение программирования в рамках школьного курса позволяет ученикам испытать свои способности к такого рода деятельности. Безусловно, в большей степени эту задачу может решать профильный курс информатики в старших классах.

Основой методики обучения алгоритмизации и программированию является методика структурного программирования. Структура ветви программирования носит характер обобщенной методической схемы, которая применима при любом уровне изучения программирования. На разных уровнях изучения может отличаться глубина и степень подробности раскрытия различных разделов схемы.

Понятие «алгоритм» является центральным в первом школьном учебнике информатики [11]. В учебнике приводится следующее определение: «Под алгоритмом понимают понятное и точное предписание (указание) исполнителю совершить последовательность действий, направленных на достижение указанной цели или на решение поставленной задачи» [11, с. 35]. Указание на выполнение каждого отдельного действия названо командой, а «совокупность команд, которые могут быть выполнены исполнителем, называется системой команд исполнителя». В качестве основного свойства алгоритма подчеркивается формальный характер работы исполнителя при его выполнении. Отсюда делается вывод о том, что исполнителем алгоритма может быть автомат (машина, робот). На этой идее основан принцип программного управления работой компьютера, поскольку программа – это и есть алгоритм, представленный на языке, «понятном» компьютеру – на языке программирования.

Сформулированные в учебнике [11] понятия явились дидактической основой для раскрытия темы алгоритмизации во всех последующих учебниках информатики.

Практически весь алгоритмический раздел учебника [11] ориентирован на исполнителя – человека. В задачах вычислительного характера (а их большинство в учебнике) в качестве метода работы исполнителя предлагается заполнение таблицы значений. В программировании такие таблицы принято называть трассировочными таблицами. В учебнике сказано: «При исполнении алгоритма компьютером значения величин хранятся в его памяти. При исполнении алгоритма человеком таблица значений выполняет роль дополнительной памяти для исполнителя» [15, с 36].

Ручная трассировка является весьма полезным методическим приемом при обучении алгоритмизации и программированию. Она позволяет человеку ощутить себя формальным исполнителем, проследить процесс выполнения алгоритма, обнаружить ошибки в алгоритме. От этого приема не следует отказываться, независимо от того, имеется ли в распоряжении учеников компьютер или нет.

Одним из основных методических достижений учебника [11] стало введение в школьную информатику учебного алгоритмического языка. Алгоритмический язык А.П. Ершова можно назвать русскоязычным псевдокодом, предназначенным для обучения методике структурного программирования. Хотя в самом учебнике слова «структурное программирование» нигде не употребляются, но, фактически, реализуется именно этот подход.

Идея и технология структурного программирования возникла и интенсивно развивалась в 60–70-х гг. XX столетия и связана с именами таких классиков программирования, как Э.В. Дейкстр, X. Д. Миле, Е. Кнут и др. Большой вклад в теорию и практику программирования внес в этот период и академик А.П. Ершов. В частности, им был разработан АЛЬФА-язык программирования (развитая версия структурного языка Алгол-60 с русскоязычной нотацией) и создан транслятор с этого языка (АЛЬФА-транслятор). Учебный алгоритмический язык содержит в себе многие черты АЛЬФА-языка. Для учебных целей на базе алгоритмического языка был создан язык программирования РАПИРА, описанный в учебнике [11]. Однако он не получил распространения. В 1987 г. в МГУ была осуществлена разработка учебной среды программирования на основе алгоритмического языка, получившая название «Е-практикум» (Е-87). Впоследствии она получила развитие и распространение через известный пакет учебного программного обеспечения КуМир (Комплект Учебных Миров).

Наряду с использованием алгоритмического языка для описания алгоритмов в учебнике [11] активно используются блок-схемы. Подчеркивается необходимость стандартного изображения блок-схем, чего также требует методика структурного подхода к программированию.

В своих методических статьях и выступлениях А.П. Ершов выдвигал следующую идею применительно к школьной информатике: различать исполнителей алгоритмов, работающих с величинами и работающих «в обстановке»; а соответствующие алгоритмы для этих исполнителей называть алгоритмами работы с величинами и алгоритмами работы «в обстановке». В алгоритмах второго типа отсутствуют такие элементы, как величины (переменные, константы), команда присваивания, однако используются все типы алгоритмических структур. Идея применения таких исполнителей для обучения в полной мере была реализована в более поздних учебных изданиях.

Исторически первым педагогическим программным средством, предназначенным для обучения детей алгоритмизации, был язык программирования ЛОГО, разработанный в конце 1960-х гг. американским педагогом-психологом С. Пейпертом [16]. В состав ЛОГО входит исполнитель Черепашка, назначение которого – изображение на экране чертежей, рисунков, состоящих из прямолинейных отрезков. Программы управления Черепашкой составляются из команд: вперед(а), назад(а), направо(в), налево(в), поднять хвост, опустить хвост. Имеется в виду, что Черепашка рисует хвостом, и если хвост опущен, то при перемещении проводится линия, а когда хвост поднят, то линия не рисуется. Кроме того, в языке имеются все основные структурные команды. В целом ЛОГО предназначен для обучения структурной методике программирования. От ЛОГО происходит понятие черепашьей графики, используемой также и в некоторых профессиональных системах компьютерной графики.

Главное методическое достоинство исполнителя Черепашки – ясность для ученика решаемых задач, наглядность процесса работы в ходе выполнения программы. Как известно, дидактический принцип наглядности является одним из важнейших в процессе любого обучения.

В учебнике А.Г. Кушниренко [20] были развиты идеи преподавания алгоритмизации, заложенные А.П. Ершовым и С. Пейпертом. Основным методическим приемом стало использование разнообразных учебных алгоритмических исполнителей. В учебнике введено два таких исполнителя – это Робот и Чертежник. Назначение Робота – перемещение по полю, разделенному на клетки с выставленными в разных местах стенами. По пути своего движения Робот может закрашивать клетки, измерять температуру и уровень радиации. Исполнитель Чертежник – это своеобразный графопостроитель, действующий в системе декартовых координат, связанных с экраном. Назначение Чертежника – изображение чертежей, графиков, рисунков, состоящих из прямолинейных отрезков. Чертежник близок по идее к Черепашке, однако работа Черепашки не связана с системой координат (хотя единица длины для нее существует).

Программирование исполнителя Робот возможно как без использования величин, так и с величинами. В первом случае исполнитель ориентируется только в обстановке на поле, проверяя наличие стены в некотором направлении или выясняя, закрашена ли очередная клетка. Например, для того чтобы закрасить все клетки вдоль стены, расположенной горизонтально ниже Робота, он должен выполнить определенную программу. Здесь использован цикл с предусловием – основной тип циклической команды (нц – начало цикла, кц – конец цикла). Рассмотрим еще один пример: Робот движется вдоль горизонтальной стены и закрашивает только пустые (не закрашенные) клетки.

нц пока снизу стена

если клетка не закрашена то закрасить все

вправо кц

Авторы учебника [20] интерпретируют своего исполнителя следующим образом: Робот – это автоматическое устройство, управляемое компьютером. Между компьютером и Роботом имеется прямая и обратная связь. По прямой связи от ЭВМ к Роботу передаются управляющие команды, по обратной связи – ответы Робота на запросы о текущей обстановке. Например, фраза «снизу стена» обозначает запрос компьютера к Роботу на проверку условия: находится ли под ним стена. В результате Робот по обратной связи отвечает «да» или «нет» в зависимости от обстановки. То же самое относится к фразе «клетка не закрашена».

Из рассмотренных примеров следует вывод о том, что лишь при наличии обратной связи алгоритмы управления исполнителем могут иметь сложную структуру, содержащую циклы и ветвления. Без обратной связи алгоритмы могут быть только линейными.

На примере исполнителя Робота вводится понятие вспомогательного алгоритма и метода последовательного уточнения (нисходящего проектирования; программирования сверху вниз). Пример использования Робота в учебнике [20] доказывает, что ограничиваясь исполнителями и алгоритмами, работающими без величин, можно успешно обучать структурной методике программирования.

В язык Робота постепенно включается использование величин со всеми их атрибутами: именем, значением, типом. Все команды Чертежника, кроме «поднять перо», «опустить перо», используют параметры, которые являются величинами.

Языком описания алгоритмов для всех исполнителей является учебный алгоритмический язык (АЯ). За основу взята версия АЯ, описанная в учебнике А.П. Ершова [11]. Однако введены некоторые модификации в изобразительные средства языка. Введение в учебнике [20] всякой новой конструкции алгоритмического языка происходит по одинаковой методической схеме:

·  рассматривается новая задача, требующая введения новой конструкции;

·  описывается алгоритм решения этой задачи;

·  дается формальное описание данной конструкции в общем виде.

Наряду с алгоритмами для Робота и Чертежника в учебнике [20] рассматриваются алгоритмы вычислительного характера, ориентированные на универсального исполнителя обработки информации – компьютер. Это типовые задачи обработки числовой и символьной информации: вычисление числовых последовательностей, обработка массивов, литерных строк и пр. Рассматриваются также алгоритмы решения содержательных задач методами математического моделирования.

В целом можно сказать, что в учебнике [20] алгоритмическая линия школьной информатики проработана наиболее полно и последовательно как в содержательном, так и в методическом плане.

Алгоритмическая линия в учебнике А.Г. Гейна [6] реализована по двум направлениям. Первое направление заключается в использовании учебных исполнителей алгоритмов, работающих «в обстановке», подобно тому, как это делается в учебнике [20]. Второе направление заключается в обучении построению вычислительных алгоритмов для решения задач математического моделирования.

В учебнике [6] также применен исполнитель с названием «Чертежник», который относится к категории исполнителей, работающих по принципу «черепашьей графики». В отличие от Чертежника из учебника А.Г. Кушниренко, его команды перемещения (сделать шаг, прыгнуть) и вращения (повернуть налево) не имеют параметров. По одной команде исполнитель перемещается на строго определенное расстояние – один шаг, или поворачивается против часовой стрелки на 90°. Поэтому создаваемые рисунки могут состоять только из горизонтальных и вертикальных отрезков. В этом смысле изобразительные возможности данного исполнителя более скромные, чем у Чертежника А.Г. Кушниренко. Можно сказать, что Чертежник А.Г. Гейна в чистом виде является исполнителем, работающим «в обстановке».

Для моделирования методов решения задач обработки табличной информации в [6] введен исполнитель Робот-манипулятор. Прямоугольная таблица имитируется стеллажом, состоящим из ячеек, в которые могут быть помещены различные радиодетали (микросхемы, транзисторы и пр.). Робот умеет перемещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях вдоль ячеек, помещать в них детали или извлекать детали из ячеек. Здесь можно говорить о появлении величин, рассматривая имя детали в ячейке как величину (производится сравнение ее имени с именем искомой детали). Характерная структура алгоритмов управления Роботом – вложенные циклы с ветвлениями.

Второе направление алгоритмической линии в учебнике [6] – алгоритмы решения вычислительных задач. Для построения таких алгоритмов используется учебный исполнитель Вычислитель. Это исполнитель, работающий только с числовыми величинами. Поскольку в качестве языка программирования для реализации вычислительных алгоритмов на ЭВМ используется Бейсик, то и язык Вычислителя «бейсикообразен». Несмотря на неструктурный характер используемой версии Бейсика, авторы стараются оставаться в рамках структурного подхода. В частности, это проявляется в том, что в языке Вычислителя отсутствует команда перехода.

Для моделирования понятия переменной применительно к Вычислителю используется образ ящика. Имя переменной – это буква, записанная на «ящике», а присваиваемое ей значение – это величина (число), помещаемое в «ящик». Составление программы на Бейсике по данному алгоритму интерпретируется как перевод с языка Вычислителя на язык Бейсик. При этом «ящики» для переменных заменяются на ячейки памяти ЭВМ, а при записи программы требуется строго соблюдать правила синтаксиса Бейсика. Для программирования цикла с предусловием в учебнике предлагается использовать стандартный способ его реализации с помощью операторов IF GOTO (для версий Бейсика, в которых нет оператора WHILE).

В учебнике В.А. Каймина и др. [13] не применяется методика учебных исполнителей. Изучение алгоритмизации ориентируется на исполнителя-ЭВМ. Для описания алгоритмов используется алгоритмический язык, близкий к варианту А.П. Ершова. Блок-схемы практически не используются. В учебнике [13] рассматриваются вычислительные задачи, а также задачи на построение графических изображений. Языком реализации алгоритмов на ЭВМ является Бейсик. Как и в учебнике [6], авторы уделяют внимание стандартным приемам программирования на неструктурном Бейсике циклов и ветвлений.

В учебнике третьего поколения А.Г. Гейна и др. [7] существенно изменился подход к обучению алгоритмизации и программированию по сравнению с учебником [6] того же авторского коллектива. Введен новый учебный исполнитель Паркетчик. Для того, чтобы подчеркнуть формальный характер работы исполнителей алгоритмов, авторы используют термин «Бездумные исполнители» – БИ. Таким образом, Паркетчик представляет из себя БИ, назначение которого – выкладывать на клетчатом поле узоры из разноцветных плиток (красных и зелёных). Поле имеет прямоугольную форму; каждая клетка идентифицируется двумя индексными номерами – г по горизонтали и по вертикали, например: (1,1), (3,5) и т.п.

Паркетчик может перемещаться с помощью команд «шаг вверх», «шаг вниз», «шаг влево», «шаг вправо» к соседним клеткам, а также к любой клетке поля по команде «перейти на (т, п)». В текущую клетку Паркетчик может положить плитку указанного цвета по команде «положить (цвет)» или убрать плитку по команде «снять плитку». Условиями в командах ветвления и цикла может быть проверка цвета лежащей плитки или проверка наличия препятствия (стены) в любом направлении от текущей клетки.

Паркетчик предназначен для методичного обучения структурному способу построения алгоритмов. Форма языеа Паркетчика применяется также и для описания вычислительных алгоритмов, подобно тому, как используется алгоритмический язык в учебнике А.Г. Кушниренко [20]. По сути дела, между алгоритмическим языком и языком Паркетчика нет принципиальной разницы. И тот и другой представляет собой структурный русскоязычной псевдокод. Видимо, считая описание алгоритма на языке Паркетчика достаточно структурированным и наглядным, авторы отказались от использования в учебнике [7] блок-схем.

В учебнике [7] предлагаются для изучения два языка программирования: QBasic и Паскаль. Поскольку QBasic является структурированной версией Бейсика, то нет принципиальной разницы в выборе того или другого языка для начального обучения программированию.

В учебнике А.А. Кузнецова и Н.В. Апатовой [19] каких-то специальных учебных средств для описания алгоритмов не используется. Значительный по объему раздел «Введение в программирование» ориентирован на начальное изучения Паскаля на примерах задач вычислительного характера, а также задач построения графических изображений и обработки строк.

В учебнике И.Г. Семакина и др. [6] применен отличный от рассмотренных подход к теме алгоритмизации. Его можно назвать кибернетическим подходом. Алгоритм трактуется как информационный компонент системы управления. Такой подход дает возможность ввести в содержание базового курса новую содержательную линию – линию управления. Это многоплановая линия, которая позволяет затронуть следующие вопросы:

·  элементы теоретической кибернетики: кибернетическая модель управления с обратной связью;

·  элементы прикладной кибернетики: структура компьютерных систем автоматического управления (систем с программным управлением); назначение автоматизированных систем управления;

·  основы теории алгоритмов.

Для того чтобы соблюсти принцип инвариантности содержания по отношению к конкретным версиям программного обеспечения, в учебнике [6] описывается гипотетический учебный исполнитель, которому дано имя ГРИС – графический исполнитель. Это исполнитель, работающий «в обстановке» (т.е. без использования величин). Наиболее близкими к нему являются Кенгуренок (пакет учебного ПО фирмы КУДИЦ) и Чертежник (учебник А.Г. Гейна [7]). На примере ГРИС вводятся основные понятия алгоритмизации. Предлагаемая последовательность заданий способствует эффективному достижению основной цели раздела – освоения структурной методики построения алгоритмов.

Отметим, что в среде Scratch пока отсутствуют такие важные компоненты языка вообще и объектно-ориентированного языка в частности, как процедуры и функции, передача параметров и возвращение значений (кроме как через глобальные переменные), рекурсия, определение классов объектов, наследование и полиморфизм, обработка исключений, текстовый ввод и файловый ввод и вывод. Однако не вызывает сомнений, что в ближайшем будущем язык пополнится этими и, вероятно, некоторыми другими компонентами. Как мы видим, Scratch действительно имеет богатые возможности. При этом для начала его изучения не требуется ничего (на первых порах), кроме умения читать, поскольку программа составляется из готовых цветных блоков. Этому уровню соответствуют практически все первоклассники.

Одной из важнейших особенностей проекта Scratch является большое постоянно действующее сообщество пользователей. Собственные разработки можно выкладывать в интернет и затем просматривать их на любом компьютере, где установлена Java (или сам Scratch). В настоящее время актуальной является версия Scratch 1.3, поддерживающая кириллицу (и несколько десятков других языков).

Уже в начальной школе дети легко могут освоить такие понятия как «параллельность» и «синхронизация». При этом важным является не «знание» терминологии, но понимание взаимной связи выполняющихся потоков.

Scratch разрабатывался как новая учебная среда для обучения школьников программированию. В то же время учащиеся в полной мере могут раскрыть свои творческие таланты, так как в нем можно легко создавать фильмы, игры, анимированные открытки и презентации; придумывать и реализовывать различные объекты, определять, как они выглядят в разных условиях, перемещать по экрану, устанавливать способы взаимодействия между объектами. Дети могут сочинять истории, рисовать и оживлять на экране придуманных ими персонажей, учиться работать с графикой и звуком. Важно и то, что ребенок имеет возможность поделиться результатом своего творчества с друзьями или другими пользователями.

Scratch создавался для учащихся начиная от 8 и до 16 лет, но и дети более раннего возраста могут работать в этой среде над проектами вместе с родителями или старшими братьями и сестрами. С другой стороны, даже студенты многих вызов могут использовать Scratch на занятиях в компьютерных классах.

Анализ учебников и учебных пособий показал то, что программирование учащимся начальной школы должно тесно идти с развитием творческого потенциала учащихся. Одним из способов организации учебной деятельности учащихся является метод проектов, где подходящим инструментом для реализации является среда программирования Scratch. Так как простота освоения и огромный потенциал отлично сочетаются в одной среде, Scratch, интересен для начального уровня изучения программирования.