Статья на тему "Информатика как развивающаяся специальность"

1.  Информатика как развивающаяся специальность.

     Когда я начинаю преподавание курса информатики в новом классе, прежде всего мне нужно объяснить детям суть и задачи моего предмета, а также примерный план моего курса. Даже на этом самом первом этапе приходится разъяснять ряд проблем, связанных со спецификой предмета.

     Если сравнить курс информатики с классическими школьными курсами (математика, физика, химия etc.), сразу можно определить главную суть информатики, а именно, информатика – это непрерывно развивающаяся специальность.

     Что я имею в виду?

     Рассмотрим, допустим, математику как наиболее близкую мне специальность. Школьный курс математики разработан достаточно давно, и преподаётся он по вполне оформившемуся плану (арифметика, алгебра, геометрия). Конечно, с течением времени в этом курсе происходят перемены в методике преподавания, а также добавление или удаление некоторых разделов (скажем, добавление раздела комбинаторики в классах с углубленным изучением математики). Всё это делается со строгим учётом уже изученного материала, а также возрастных и индивидуальных особенностей (опять-таки, математические классы). Ничего же принципиально нового в этом курсе вводить просто нельзя, разве что за счёт повышения сложности (скажем, изучение в старших классах элементов высшей математики из вузовского курса).

     То же самое касается и курсов физики, химии и прочих предметов естественно-научного цикла.

     В чём же принципиальное отличие информатики?

1.    Информатика – сравнительно молодая специальность. Первые ЭВМ были созданы в конце 40-х годов ХХ века, на их основе начали изучать предмет программирования в вузах, а в школе в нашей стране предмет «Информатика» появился лишь в конце 80-х с распространением бытовых персональных компьютеров.

2.    С течением времени в школьный курс информатики включаются всё новые разделы, так или иначе связанные с этим предметом (различные разделы программирования, моделирование, получение пользовательских навыков по работе с готовыми пакетами etc.)

3.    Огромными темпами развивается сама вычислительная техника, а также программное обеспечение для него, на что требуется постоянно вносить некоторые коррективы при изучении.

4.    При решении задач требуется применять определённые знания из других предметов (математика, физика, биология etc.), особенно при построении компьютерных моделей. В данном случае это и есть настоящая интеграция уроков, причём не «притянутая за уши», а вполне реальная и нужная интеграция.

     Все вышеперечисленное сильно влияет на построение учебного курса, причём надо учесть, что количество учебных часов всё-таки ограничено.

     Правда, учителю информатики при построении своего курса несколько легче, чем другим учителям, т.к. он не так жестко связан с конкретной учебной программой. Существует большое количество созданных учебных программ и стандартов по информатике, и фактически каждый учитель информатики вынужден составлять свою уникальную программу, учитывающую, с одной стороны, содержание стандарта, а с другой стороны, реальное компьютерное и программное обеспечение. Хорошо это или плохо – вопрос неоднозначный.

     Итак, компьютерная техника развивается не по дням, а по часам, соответственно развивается и программное обеспечение, растут требования, предъявляемые самой современной жизнью по овладению компьютером, и потому изменяется и развивается сам предмет информатики, который от года к году становится всё сложнее и объёмнее.

2.  Основные разделы информатики. Смещение акцентов.

     В мою задачу не входит детальное рассмотрение всех разделов информатики, это предмет для более тщательного исследования. Хочу остановиться лишь на некоторых изменениях в рассмотрении этих разделов в различное время.

     Несмотря на бурное развитие информатики, в её изучении остаются некоторые разделы, которые можно считать вполне оформившимися и которые просто нельзя упускать.

1.    Фундаментальные основы (понятие информации, измерение информации, информационные процессы)

2.    Пользовательские навыки общения с компьютером (операционные системы и оболочки, редакторы, электронные таблицы, базы данных, архиваторы, антивирусные программы etc.)

3.    Элементы кибернетики (понятие управления, самоуправляющиеся системы, автоматы, исполнители)

4.    Основы программирования (алгоритмы, способы записи алгоритмов, основные средства конкретного языка программирования и решение элементарных задач)

5.    Основы моделирования (этапы построения модели, математическое моделирование и компьютерная реализация на основе изученного языка программирования)

6.    Устройство компьютера (схема фон Неймана, основные блоки компьютера, построение основных устройств на электронном уровне)

7.    Элементы математической логики (логические операции и функции, построение элементов компьютера на основе элементарных схем)

8.    Системы счисления (позиционные и непозиционные системы, основы арифметики в позиционных системах, двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная системы)

     Возможно, это неполный или не совсем корректный список, но он в какой-то мере отражает объём школьного курса информатики. В него может быть добавлено решение нестандартных (олимпиадных) задач или иные разделы, это решает уже сам учитель.

     На заре школьной информатики основной упор делался на программирование (существовал даже так называемый «безмашинный» вариант, по которому дети писали алгоритмы, не имея возможности их реализовать). Программирование велось чаще всего на языке Basic или на «русском алгоритмическом языке» (Е-практикум). Дело в том, что хороших пользовательских пакетов тогда просто не существовало.

     С течением времени обновился парк машин и появилось достаточно много программного обеспечения для различных типов школьных машин, в том числе пользовательские программы (редакторы и т.д.). Беда была в том, что разные типы этих машин были несовместимы друг с другом, а школы оснащались самыми различными вариантами компьютеров по известному советскому принципу «абы что». Поначалу и это было хорошо, но вскоре это стало тормозить дальнейшее развитие изучения информатики.

     Что касается изучения программирования, то в принципе не так важно, какой язык принять для изучения (чаще всего Basic или Pascal). Главное – показать основные алгоритмические конструкции и научить решать элементарные задачи. Конечно, на старых школьных машинах лучше всего пользоваться языком Basic (это единственное, что на них более или менее хорошо работает). Можно изучать и язык Pascal, он даёт гораздо больше возможностей, хотя и более сложен для изучения.

     Но вот если говорить о пользовательских программах – это совсем другое дело. Не зря здесь затронута тема «смещения акцентов».

     Допустим, человек купил компьютер. Пусть это будет не специалист в области информатики, а простой пользователь. Для каких целей он будет чаще всего использовать свою машину? Конечно, он не будет сразу же изучать языки программирования и писать программы. Он будет в основном пользоваться уже готовыми пакетами для своих конкретных нужд: для печати хорошо оформленных документов, для составления нужных ему баз данных и таблиц, для комфортной работы с графической, а также аудио- и видеоинформацией.

     Что же можно показать ребёнку на наших стареньких персоналках? Максимум, учебные пользовательские программы (простенькие редакторы, недалёкие электронные таблицы, не говоря уже о работе с графикой или со звуком). В этом, конечно, всё равно есть определенный плюс: человеку легче будет научиться пользоваться профессиональными программами, если он овладел учебными. Но всё-таки лучше сразу учить его пользоваться современным программным обеспечением, это более полезно и занимает меньше времени при переподготовке.

     Споры о смещении акцентов в сторону пользовательских программ идёт давно. Далеко не все после окончания школы изберут своей специальностью компьютеры, но большинство из них будет пользоваться компьютером для своих конкретных целей. Именно поэтому, особенно когда для изучения информатики отводится небольшое количество часов, мне кажется, следует уделить большее внимание именно овладению пользовательскими программами.

     (Маленькое добавление – всё вышеперечисленное возможно лишь при наличии хотя бы простеньких IBM-овских машин, в противном случае придётся готовить в лучшем случае прекрасных «бейсиковедов»).

     Что же касается остальных разделов, они занимают не такой большой объем времени и потому не вызывают таких серьёзных споров в ту или иную сторону.

     Такие же разделы, как моделирование и решение олимпиадных задач (на серьёзном уровне) возможно только в специализированных математических классах с достаточной подготовкой и при наличии дополнительного времени.

3.  Компьютер как инструмент

     Не зря в предыдущей части я сказал о смещении акцентов. Хотелось бы немного поговорить о компьютере – одном из самых мощных инструментов, изобретённых человеком.

     Далеко не все однозначно воспринимают компьютер. Кто-то просто не понимает, зачем он нужен, а потому даже боится к нему подойти, кто-то считает это вообще вредным и опасным для здоровья. Лучше всего воспринимают компьютер дети, потому что он позволяет играть, да ещё в такие игры, которых нет в реальности.

     На самом первом уроке я рассказываю своим ученикам о сферах применения компьютера и даю определение: «Компьютер есть средство обработки информации».

     Человек изобрёл различные средства для передачи и обработки информации – от книг до радио и телевидения. Применение компьютера позволило выйти на совершенно иной уровень – уровень объединения этих различных средств.

     У каждого человека есть собственные потребности в информации и в её обработке. Компьютер на современном уровне помогает человеку в самых различных сферах. Представляется, что в скором будущем абсолютно все средства передачи и обработки информации вместит в себя компьютер (собственно, это уже почти произошло).

     Несмотря на сохранение традиционных средств хранения информации, компьютер быстро завоёвывает всё новые и новые позиции в этом вопросе. Магнитные носители, компакт-диски (CD ROM и CD-R), DVD-носители хранят огромные массивы практически любой информации: тексты, графические изображения, аудио- и видеоинформацию. Ну и конечно, нельзя не вспомнить о таком средстве общения, как Интернет: всю эту информацию можно получить через Сеть, оставаясь перед дисплеем своего верного помощника – компьютера.

     То есть компьютер в себе уже соединяет практически все традиционные носители и средства обработки информации: бумажные носители (книги, альбомы), магнитофон, видеомагнитофон, CD-плейер, а также средства коммуникации: телевизор, радио, плюс большое количество новых средств коммуникаций (электронная почта, телеконференции, чаты и т.д.)

     Надо бы заметить ещё и то, что компьютер применяет цифровой способ записи информации, т.е. возможно её бесконечное копирование без каких-либо потерь.

     Теперь вернёмся к нашим школьным проблемам. На уроках информатики учитель учит детей пользоваться различными пакетами, причём следует делать упор именно на развитие этих самых пользовательских навыков.

     Научили пользоваться текстовым редактором – значит, можно оформлять на компьютере рефераты, печатные задания, школьную газету.

     Изучили графический редактор – дети рисуют картинки – готова выставка рисунков, созданных на компьютере.

     Прошли электронные таблицы – надо уметь ими пользоваться при выполнении лабораторных работ на физике, химии и т.д.

     Оформили учебные базы данных – ученики могут создать специализированные школьные базы данных по классам, по учебникам и чему угодно ещё.

     То есть, полученные знания должны приносить реальную пользу. Неплохо, конечно, простое изучение этих средств, но только в последнем случае отдача от обучения будет наиболее эффективной.

     Предмет информатики в развитых странах прошёл именно эти стадии – от специализированного предмета до использования компьютера на всех предметах.

     Что же касается проблем – они самые банальные:

1.    Компьютеров в школе мало, и они стоят в одном классе, а потому нет возможностей производить реальную обработку, скажем, лабораторных работ.

2.    В этом кабинете имеется один хозяин – учитель информатики, который отвечает за сохранность оборудования, а лишние проблемы ему тоже ни к чему.

3.    Реальные интегрированные уроки (информатика+физика, информатика+математика и т.д.) возможны только как образцово-показательные, т.к. к сожалению, далеко не все учителя имеют опыт работы с компьютером.

     Конечно, ничего нового по этому вопросу я не сказал, но честно говоря, он беспокоит меня очень сильно, т.к. теряется очень много пользы при получении этих самых главных навыков общения с компьютером.

     Что же касается решения этих проблем – увы, они упираются только в финансы, а здесь учителя бессильны…

4.Философские аспекты

информатики

     Философия в школе вообще остаётся на задворках, что конечно же, не радует. Философские вопросы дети могут обсуждать при изучении в основном гуманитарных предметов (история, литература), в принципе, и то хорошо, что ученики не остаются в стороне от вопросов морали и развития общества.

     Что же касается предметов естественно-научного цикла – здесь уже начинаются проблемы.

     Затронем, например, математику. Ученики изучают арифметику, алгебру, геометрию, совершенно не задумываясь о природе чисел, переменных, геометрических объектов. Мало кто из учителей математики рассказывает о том, что всё вышеперечисленное суть абстрактные объекты, имеющие некое реальное воплощение.

     Существуют ли в природе точки, кривые, поверхности? Как объяснить, что вычерчивание окружности циркулем есть всего лишь модель абстрактного понятия – окружность?(особенно хорошо это видно при выводе окружности на экране компьютера) При объяснении тем, связанных с моделированием я всегда обращаю на это внимание.

     Теперь собственно о философских аспектах информатики.

     Во-первых, это само понятие информация. Существует три неопределяемых понятия в философии: материя, энергия и информация. Сначала даётся интуитивное определение (информация – это сведения, получаемые человеком при помощи его органов чувств). Затем рассказывается, что информация существует лишь на материальном носителе и что передача информации всегда связана с передачей энергии.

     Но мало кто из учителей объясняет, что информация появляется лишь с возникновением живых организмов и что информация – это сведения, необходимые для решения задач.

     В чём состоит главная задача любого живого существа? Дети довольно быстро отвечают, что это задача выжить. Причём задача эта распадается на две подзадачи: выжить как индивиду (для этого нужно получать воздух, воду, питание, укрываться от врагов и т.д.) и выжить как вид (то есть оставить после себя потомство).

     Затем уже появляется понятие элементарной задачи (выбор из двух возможных вариантов), на основе чего даётся понятие единицы измерения информации (бит). А потом уже можно объяснить, что решение любой задачи связано с решением каскада элементарных задач.

     Можно обратиться и к такому авторитетному источнику, как Библия (вспомним, Вначале было Слово…). Что же такое Слово, как не информация? Информация, обращенная в материю! При затрагивании таких вещей дети соприкасаются с самым сокровенным вопросом философии: о первенстве возникновения духа и материи. Согласитесь, это уже немало…

     Во-вторых, немало философских тем возникает при изучении такой темы, как исполнители.

     Что такое исполнитель? Это некий довольно тупой объект, понимающий ограниченное количество команд и работающий либо в командном, либо в программном режиме. Объясняется, что наиболее универсальным исполнителем является человек, и что дрессированное животное есть пример командного исполнителя (яркий пример – собака).

     Затем переходим к решению задач на примере некоторого компьютерного исполнителя. Таких примеров много: Кенгурёнок, Пылесосик на IBM; Чертежник, Колобок на «Корвете» и т.д. В основном они применяются для обучения основным конструкциям программирования: линейная структура, ветвление, циклы, подпрограммы. Уроки проходят достаточно весело и приносят немало пользы.

     Но кроме чисто методических задач, эти примеры опять-таки приводят к серьёзным философским вопросам.

     Любой живой организм характеризуется свободой воли, т.е. он способен принимать решения и реализовывать их, в отличие от неживых объектов (куда ветер подует, туда пух и летит).

     Конечно, за исполнителей принимает решения человек, который их программирует. Правильность алгоритма проверяется результатом достижения цели (съесть все яблоки на поле, нарисовать определённый объект и т.д.).

     Наиболее интересно построение исполнителя, который по написанному алгоритму ищет выход из лабиринта. Поведение такого исполнителя коренным образом отличается от всех остальных. Он действительно ищет этот выход, он мечется в его поисках по ограниченному полю, и наблюдать за этим процессом одновременно и интересно, и немного… жутковато. Получается, что в определённом смысле этот исполнитель получает некоторую пресловутую свободу воли (в рамках алгоритма), но кто знает, какими рамками ограничен человек в рамках программы, заданной Богом (или природой, как хотите)?

     Вот на это я тоже обращаю внимание своих учеников, я показываю, что именно от нас зависит правильность или неправильность выполнения исполнителем цели, а в конечном итоге – правильно или неправильно мы научили его решать свою задачу. И правильно или неправильно я научил своих учеников писать эти самые алгоритмы…

     В каком-то смысле при написании подобных программ человек сам становится на уровень, граничащий с Создателем! А уж что касается написания самообучающихся программ, даже самых простеньких, страшно подумать, какие серьёзные философские проблемы встают перед учителем.

5.Немного о моделировании

     Моделирование – одна из самых серьёзных и тяжёлых тем в информатике. Во всех учебниках сформулированы этапы построения моделей (правда, по-разному) и наиболее распространённая модель – это полёт тела, брошенного под некоторым углом к горизонту.

     Хотелось бы остановиться лишь на некоторых вопросах, связанных с моделями. Вначале нужно обговорить само понятие модели и привести некоторые примеры.

     Под моделью обычно понимается некий объект, который по некоторым параметрам приближается к моделируемому объекту.

     Человек начинает изучать окружающий мир именно через модели, которые в просторечии именуются игрушками (машинки, куклы, посудка и т.д.). Именно так и происходит большей частью любое обучение – от простого к сложному.

     Можно привести и примеры моделей объектов, используемых на других предметах: на биологии (скелет человека), на химии (кристаллические решётки), на физике (модель атома), на географии (глобус, карты) и так далее.

     Более интересны модели уже не объектов, а процессов. Допустим, как смоделировать в простейшем виде круговорот воды в природе? Берём стакан с водой, закрытый крышкой, ставим на спиртовку. Сначала вода испаряется – уровень воды понижается. Убираем спиртовку – уровень повышается – происходит конденсация (выпадение осадков). Неплохой пример – набор пластиковых макетов, показывающих образование оврагов (география). Наиболее убийственный пример – модель броуновского движения на примере школьной перемены (быстрые мелкие молекулы – это малыши, более крупные и медленные молекулы – это старшеклассники, и наиболее медленные престарелые молекулы – учителя).

     Затем можно переходить к понятию математической модели. Здесь неплохо бы объяснить, что математика – это особенная наука, которая имеет дело не с реальными объектами, а с абстракциями в чистом виде. Причём можно показать как бы двойственное отражение на простейшем примере. Допустим, существует реальный земельный участок определённой конфигурации. Делаем чертеж (скажем, простейший прямоугольник). Получается, с одной стороны, что данный чертёж есть модель реального земельного участка, а с другой стороны, данный земельный участок есть модель абстрактной математической фигуры, называемой прямоугольником.

     Затем объясняется, что построение математической модели есть подбор набора уравнений и неравенств, описывающих данный реальный процесс.

     Ну а дальше происходит компьютерное моделирование на основе полученных математических уравнений и неравенств.

     В общем-то, всё это общеизвестно. Наиболее интересно то, что дети, достаточно долго занимающиеся моделированием, с удивлением узнают об этом на уроках информатики.

     Что такое решение так называемых текстовых задач на уроках математики? Это чистой воды моделирование: по поставленной реальной задаче ученик должен завести некоторые переменные, правильно составить свои уравнения, решить их, а затем снова трансформировать полученные числовые (или функциональные) результаты в виде, отвечающем условиям задачи.

     Эти навыки в дальнейшем применяются при решении задач по физике (математика здесь используется не более чем как инструмент).

     То есть эти самые математические модели ученик встречает повсюду. На информатике же происходит как бы дальнейшее развитие этих моделей.

     В сущности, самые интересные задачи – это задачи, поставленные неформализованным образом (не просто решить уравнение, а решить реальную жизненную задачу). Такие задачи также встречаются практически везде, в том числе и на информатике (ещё до компьютерного моделирования).

     На информатике очень популярны задачи по использованию массивов. Опять-таки, интереснее сформулировать задачу неформализованно: не обработать массив так-то и так-то, а скажем, написать телефонный справочник, выдающий номер по фамилии или фамилию по номеру. Сложность задачи при этом не возрастёт, а реальная польза этой программы видна налицо.

     После объяснения таких вещей гораздо проще заниматься созданием реальных серьёзных программ, моделирующих определённые процессы.

6.Компьютерные игры

     К компьютерным играм многие относятся настороженно и даже с опаской. По крайней мере, не все понимают, что они бывают не только небесполезны, но и могут принести конкретную пользу.

1.        Есть программы, написанные в игровой форме, но имеющие глубокий внутренний смысл: программы из пакета «Роботландия» и подобные им, уже упомянутые исполнители, а также развивающие игры («Мудрый крот», который должен разместить определённое число камней в достаточно ограниченном месте, «Муравей» (Pushover), для решения задач которого нужно выяснить очерёдность и назначение определённых доминошек, и т.д.), то есть игры, в которых нужно решать задачи.

2.        «Интеллектуальные» игры, то есть реализации известных игр (шашки, шахматы, «Реверси» и т.д.), увлекаться ими на уроках не стоит, но на их примере можно выяснить как собственный интеллектуальный уровень, так и уровень алгоритма, применённого в данной реализации (кто умнее?)

3.        В принципе, любые игры с достаточно хорошим интерфейсом, на основе которых можно показать разнообразие курсоров, видов компьютерных меню, способы выводов справок, а также способы программирования клавиатуры (средства компьютерного сервиса). Всё это немаловажно, т.к. многие старшеклассники не способны сформулировать, что такое курсор или как работать в данном меню. Конечно, использование таких игр актуально в основном на первых этапах общения с компьютером, причём при обучении младших классов (больше с ними, честно говоря, и заняться-то нечем, но польза от этого есть).

4.        В дополнение к предыдущей части, любая компьютерная игра есть не что иное, как модель, причём неплохо реализованная, и это также можно учесть при изучении раздела «Моделирование».

     В общем, всё, что может пригодиться при обучении, можно и нужно использовать, не забывая, однако, о выполнении учебной программы и об ограниченности учебных часов.

7.Вместо заключения

     Каждый учитель постепенно накапливает свой опыт работы, который далеко не всегда может пригодиться другим, а потому обмен опытом проходит не всегда успешно. У каждого появляются свои методические разработки, удачные уроки, которые накапливаются в его багаже и которыми он с радостью готов поделиться.

     В этой работе нет реального подведения итогов или определённых методических разработок. Просто существует ряд вот таких маленьких проблем большой информатики, с которыми приходится постоянно сталкиваться и о которых я хотел рассказать.

     Вперёд идёт время, вырастают наши ученики, на их смену приходят новые, зачастую более умные, серьёзные, подготовленные. Мы учимся друг у друга, помогаем друг другу и постигаем друг друга, как снова приходит время им уходить, а нам – оставаться.

     Пусть же всё, чему мы их научили, пригодится им в жизни, а мы будем снова учиться их учить.