Программный комплекс для обучения основам программирования

Для увеличения изображения кликните по выбранной картинке


Программный комплекс Schemes можно приобрести в Пермском государственном университете  (Учебный центр "Информатика"). 

Методика  использования комплекса  Schemes

 

Применение компьютеров на занятиях (уроках) традиционной структуры не приносит заметного эффекта ни в приросте количества проработанного материала (например, количества решенных задач), ни в повышении качества обученности. Причина состоит в том, что использование компьютера не вписывается в стандартную классно-урочную систему.

 

Из педагогической литературы известно, что компьютеры и ИКТ обеспечивают возможность:

  • представлять обучаемому информацию в различной форме: текст, графика, аудио, видео, анимация и т. д.;
  • мобилизовать внимание обучаемого и активизировать процессы восприятия, мышления, воображения и запоминания;
  • обеспечить диалог и обратную связь в реальном масштабе времени;
  • контролировать временные параметры урока для каждого обучаемого;
  • значительно снижать затраты времени преподавателя на контроль нормативных знаний;
  • быть точным и объективным в оценке знаний;
  • использовать мировые информационные ресурсы в учебных целях.

Авторский коллектив разработчиков программного комплекса Schemes исходит из того что, что компьютер и ИКТ не заменяют преподавателя, но является в его руках настолько совершенным средством обучения, что позволяют выполнять некоторые его функции на занятии.

 

Место и роль компьютера

на учебном занятии

 

В основу разработанной методики организации и проведения занятия была положена известная работа М.И. Махмутова [1], откуда заимствованы следующие положения:

  • занятие должно быть развивающим;
  • актуализация знаний, формирование новых понятий и способов действий и применение усвоенного выступают как этапы процесса учения и как три обобщенные дидактические задачи занятия. Они являются компонентами общей дидактической структуры и одновременно основными этапами занятия. В процессе решения этих дидактических задач происходит формирование мировоззрения, эстетических взглядов и нравственных привычек обучаемых;
  • структура практического занятия должна быть трехуровневой: дидактический уровень, логико-психологический и методический уровни;
  • общая дидактическая структура раскрывается и конкретизируется на методическом уровне занятия в его методической подструктуре.

Анализ перечисленных положений и учет дидактических свойств компьютера привели к выводу: место компьютера на практическом занятии – в методической подструктуре, а его роль состоит в выполнении всех формализуемых функций преподавателя по управлению, обучению и контролю на всех этапах занятия. 

 

При таком подходе компьютер фактически играет роль «электронного преподавателя» низкой квалификации, причем их у преподавателя-человека на занятии ровно столько, сколько компьютеров в аудитории. Каждый из этих «электронных преподавателей», работая под управлением программного обеспечения, осуществляет индивидуально с обучаемым актуализацию знаний, формирование новых понятий и способов действий, а также их применение. Темп работы на разных этапах занятия определяется индивидуальными особенностями обучаемого. Время, отводимое на отдельные этапы занятия, жестко контролирует программное обеспечение. Ясно, что при таком подходе объем и качество выполненной работы и, следовательно, ее оценка зависят только от самого обучаемого. 

 

Результаты исследования [2] свидетельствуют о том, что изменение структуры практического занятия приводит к интенсификации работы обучаемых на занятии за счет индивидуализации и дифференциации [3] самостоятельной работы, достигаемой: 

  • включением компьютера в методическую подструктуру дидактической структуры занятия;
  • представлением практического занятия в виде системы управления, что позволяет реализовать непрерывное управление на протяжении всего занятия и передать часть управляющих функций преподавателя компьютеру и самому обучаемому, превращая его в субъект обучения;
  • представлением практического занятия в виде системы массового обслуживания, что позволяет преподавателю заранее вычислить среднее время на индивидуальную работу с каждым обучаемым.

Работа преподавателя на занятии

Первый этап занятия

Актуализация знаний. Здесь преподавателю можно действовать традиционно: провести очень краткую вводную беседу, объявить тему занятия,     задать задание на дом, предложить  всем одновременно тест из 7 - 10 вопросов и т.д.  Но значительно полезнее использовать в течение 5 - 7 мин. компьютерную программу предыдущего занятия для воспроизведения прежних знаний или применения прежних знаний в новой ситуации.

Второй и третий этапы занятия

Второй и третий этап для преподавателя отличаются только тем, что на зачете (третий этап – применение усвоенных понятий и способов действий) он не должен отвечать на вопросы обучаемых по усвоенному материалу. В то время как обучаемые работают под управлением программы комплекса, преподаватель должен неоднократно пообщаться с каждым обучаемым на протяжении этих этапов. В процессе этого общения необходимо обязательно последовательно один за другим опросить каждого по домашнему заданию. Тем самым преподаватель учит каждого говорить на каждом занятии. Мы считаем процесс «проговаривания» домашнего задания важнейшим элементом методической подструктуры занятия, потому что «…если в процессе непосредственного воспроизведения заучивающий пытается восстановить материал, используя при этом внешние ассоциативные связи, то при более отсроченном воспроизведении испытуемый опирается главным образом на связи смысловые» [4]. С другой стороны, известно, что «… материальной основой мышления является речь. Мысль опирается на свернутую речь» [5]. Поскольку «проговаривание» должно происходить одновременно с деятельностью всех остальных обучаемых, то интенсификация индивидуальной работы обучаемого на занятии с применением компьютера обеспечивается специально разработанным программным обеспечением.

 

Опрос должен быть анонсирован, т.е. обучаемые должны точно знать, что и как у них спросят, как оценят ответ, и сколько времени будет выделено каждому на ответ. Это позволяет значительно снизить уровень субъективности оценок. Если вопросы по домашнему заданию хорошо структурировать, то и оценок можно поставить больше, не забывая при этом, что все обучаемые должны быть поставлены в одинаковые условия: к каждому должны предъявляться одинаковые требования, каждому должны быть заданы одни и те же вопросы, и каждому выделено одно и тоже количество времени на ответ.

 

Такая методика опроса приучает обучаемых систематически готовиться к занятиям, ничего не откладывать «на потом», воспитывает чувство ответственности за свои поступки, за качество учебы. Преподаватель же получает возможность выставить на занятии минимум две оценки: одну за домашнее задание, вторую – за работу на занятии (ставит программа). Очевидно, что вторая оценка носит объективный характер.

 

Составление списка вопросов для опроса и определение среднего времени на ответ – это творческая задача для преподавателя. Исходными данными для решения этой задачи являются количество обучаемых, присутствующих на занятии, ожидаемое среднее количество их вопросов, среднее время ответа преподавателя на эти вопросы. Результат – среднее время, выделяемое обучаемому на ответ. 

 

В соответствии с концепцией развивающего обучения на занятии необходимо создать среду саморазвития обучаемого. Одной из ее составляющих является система задач, причем такая, «…что она инициирует интеллектуальную деятельность ученика, направленную на освоение знания» [6]. 

 

При разработке задач и вопросов для обязательного усвоения необходимо исходить из требований Государственного образовательного стандарта и помнить слова академика В. И. Арнольда: «Чем определить уровень подготовки математика? Ни перечень курсов, ни их программы уровень не определяют. Единственный способ зафиксировать, чему мы действительно научили своих студентов - это перечислить задачи, которые они должны уметь решать в результате обучения. Речь идет здесь не о каких-либо трудных задачах, а о тех простых вопросах, которые составляют строго необходимый минимум» [7]. Компьютер, интегрированный в методическую подструктуру практического занятия и оснащенный соответствующим программным обеспечением, позволяет создать среду, побуждающую обучаемого к деятельности.

 

Благодаря уникальному свойству программы контролировать время, она сама переводит обучаемого с одного этапа на другой и, наконец, автоматически завершает третий этап занятия на каждом рабочем месте. С этого момента времени программа блокирует ввод данных. Поэтому практически одновременно все обучаемые заканчивают работу и видят на экранах мониторов электронные журналы с оценкой своей деятельности на занятии. Преподаватель получает возможность организованно подвести итоги занятия, дать домашнее задание и т.д. Электронные журналы остаются на экранах для того, чтобы преподаватель мог спокойно зафиксировать в своей документации текущие результаты работы обучаемых.

 

Чтобы завершить работу программы, преподаватель активизирует мягко выделенную кнопку «ОК» нажатием цифровой клавиши, значение которой равно последней цифре в числе текущего дня. Реагируя на щелчок по кнопке «ОК», программа выводит на экран подробный отчет о работе обучаемого на зачете и, кроме того, сохраняет его в файле. 

 

 

Работа обучаемых на занятии

Первый этап занятия (актуализация знаний)

На этом этапе очень важно, чтобы работали все обучаемые, использовали прежние знания и применяли знания в новой ситуации. Радикальный метод организации такой работы – в течение 5 - 7 мин. предложить всем одновременно тест из 5 - 7 вопросов, желательно на компьютере и не обязательно на оценку. Это – просто разминка.

Второй этап занятия (тренировка)

Обучаемые запускают  программу и приступают к работе: зарегистрировавшись, выбирают тему занятия. Программа предлагает тренировку по теме. Обучаемые начинают формировать в своем сознании новые понятия и способы действий. Программа в пределах отведенного на тренировку времени последовательно – сначала на «удовлетворительно», затем на «хорошо» и только после этого на «отлично» – «тренирует» обучаемого, задавая ему вопросы и задания. Время на ответ ограничено.  

 

Вопросы и ответы сформулированы так, чтобы обучаемый многократно проговаривая их «про себя» и, действуя, интериоризировал новые понятия и способы действий [8]. В случае неправильного ответа, программа выводит сообщение об ошибке, правильный ответ и предлагает помощь. При этом реакция обучаемого временем не ограничена. Но нельзя забывать, что время тренировки все-таки ограничено.

 

Помощь – контекстно-зависимая, следовательно, обучаемый не тратит время на поиск нужной ему информации. Кроме того, там, где возможно, помощь анимирована. Это способствует глубокому пониманию материала, т.к. демонстрируется выполнение самого алгоритма получения правильного ответа. Обучаемые самостоятельно «добывают» знания, а преподаватель избавлен от необходимости многократно объяснять одно и то же. По истечении времени тренировки программа прерывает ее и выводит обучаемому сообщение об этом.

Третий этап занятия (зачет)

Проверка умения применять усвоенные понятия и способы действий организована в форме зачета. Работа обучаемого на зачете отличается от работы на тренировке тем, что программа не задает ему вопросы, задания и задачи на которые он уже отвечал (исключаем «натаскивание»), и он лишен возможности получить контекстно-зависимую помощь.

 

Если обучаемый отвечал очень быстро и получил не ту оценку, которую хотел, а до конца занятия есть время, он может выполнять тренировку и зачет сколько ему угодно раз. Таким образом, оценка зависит только от него. Это воспитывает в обучаемом адекватную самооценку своей работы на занятии.

 

При достижении времени окончания урока, указанного преподавателем в файле настройки «Расписание занятий» (за несколько минут до звонка), программа прекратит работу с обучаемым и выведет сообщение с окончательными оценками, которые запоминаются в электронном журнале. С этого момента клавиатура программно блокируется, следовательно, обучаемый вынужден «обратить внимание» на преподавателя, т. е. перейти к подведению итогов занятия.


Все изложенное можно представить в виде таблицы.

Примерный порядок проведения занятия

№ п/п

Время, мин.

Этапы
занятия и их содержание

Работа

преподавателя

обучаемых

компьютера

1

0 - 7

 

Актуализация знаний

 

Проводит вводную беседу.

Объявляет тему и вопросы занятия, порядок работы на занятии.

Проводит тест или опрос на ПК по предыдущему материалу

Приветствие

 

Записывают тему и вопросы занятия.

 

 

 

Работают с тестом

Тестирование обучаемых по предыдущему материалу.

2

7 - 40

Формирование новых понятий и способов действий и применение усвоенных понятий и способов действий:

 

 

формирование новых понятий и способов действий;

 

выработка практических навыков применения усвоенных понятий и способов действий посредством решения задач, предъявляемых программой;

 

 

опрос каждого обучаемого по домашнему заданию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отвечает на вопросы, возникающие в процессе работы.

 

 

 

 

 

Опрашивает  каждого

обучаемого по домашнему заданию

Самостоятельно запускают про­грамму, регист­рируются, выби­рают тему заня­тия, вид ра­боты и работают с программой, формируя спо­собы действий (тренировка), осознавая, ос­мысливая, обоб­щая и применяя понятия и спо­собы действий (зачет).

Каждый «проговаривает» преподавателю все вопросы домашнего задания

Адаптируется к скорости ввода данных.

 

Последовательно проводит тренировку и зачет, адаптируясь к скорости мышления.

 

Контролирует время ответа обучаемого.

 

Контролирует течение времени занятия и автоматически сменяет виды работ обучаемого и этапы занятия

3

40 - 45

Заключительная беседа:

подведение итогов занятия;

объявление домашнего задания

 

Подводит итоги  занятия.

Объявляет домашнее задание

 

 

Слушают итоги.

Записывают домашнее задание

 

На экране – итоги работы обучаемого.

Клавиатура блокирована


ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Краткие сведения о программном обеспечении

Программное обеспечение разработано с целью передачи компьютеру формализуемых функций преподавателя. В соответствии с дидактическими этапами занятия программа последовательно «ведет» по ним обучаемого, т.е. избавляет преподавателя от таких вопросов, как: «А как перейти к решению следующей задачи?», «А что мне дальше делать?» и т.д. со стороны обучаемых. Она предоставляет обучаемому два режима работы: тренировку и зачет. 

 

Программа отвечает следующим требованиям (кроме уже известных из литературы):

 

1. Контролирует продолжительность каждого этапа занятия и всего занятия в целом и автоматически завершает работу обучаемого на каждом этапе и за несколько минут до конца занятия по желанию преподавателя.

2. Содержит задания разного уровня сложности и предлагает сначала задания, соответствующие уровню «удовлетворительно», затем –  уровню «хорошо» и только потом – на уровню «отлично». Основание для перехода на следующий более высокий уровень – правильно решено более 71% выданных заданий[9]. Особо следует подчеркнуть, что программа не предлагает выбирать правильный ответ из нескольких предложенных.

3. На каждом уровне сложности программа выдает сформированные случайным способом наборы задач (заданий, вопросов) и контролирует  . . .

в режиме тренировки:
  • время, отводимое на ответ, и выводит сообщение о его истечении, а затем – правильный ответ;
  • правильность ответа, сопровождает его корректными комментариями и предоставляет по желанию обучаемого анимированную контекстно-зависимую помощь;
в режиме зачета:
  • время, отводимое на ответ, выводит сообщение о его истечении и только комментирует правильность ответа сообщениями:  правильно, ошибка;
  • оценивает работу обучаемого (например, по пятибалльной шкале) на всех этапах занятия и сообщает оценку по завершении каждого этапа.
4. Индицирует текущее состояние процесса обучения на всех этапах занятия и во всех режимах, т.е. в любой момент времени и преподаватель (в первую очередь), и обучаемый имеют возможность видеть:
  • название этапа занятия для обучаемого;
  • уровень сложности заданий, выполняемых обучаемым;
  • количество заданий, которые необходимо выполнить на текущем уровне;
  • количество и качество выполненных заданий;
  • сколько времени дается на выполнение очередного задания;
  • нужна ли помощь обучаемому.
5. Учитывает скорость работы обучаемого с клавиатурой и мышью и увеличивает количество времени, отводимое на ответы, если обучаемый не успевает отвечать (адаптация программы к психофизиологическим возможностям обучаемого).

6. Сохраняет результаты работы обучаемого на внешнем носителе.

  

Системные требования. Программа функционирует на IBM PC совместимых компьютерах, отвечающих следующим требованиям: микропроцессор Pentium 133 и выше, 128 Mb RAM и более, Video High Color 800×600 и более,  операционная система MS Windows 95/98/ME/2000/XP.

 

Программа Schemes.exe разработана для поддержки занятий по структурному проектированию алгоритмов и предназначена для формирования и развития алгоритмического мышления при изучении информатики и основ программирования, а также для решения несложных практических задач непрограммирующими пользователями.

 

Программа Schemes.exe позволяет разрабатывать, отлаживать  и исполнять:

  •  линейные алгоритмы;
  •  разветвляющиеся алгоритмы;
  •  циклические алгоритмы:
  •   цикл с предусловием;
  •   цикл с постусловием;
  •  цикл с параметром;
  • алгоритмы работы с одномерными (до 20 элементов) и с двумерными (до 10×10 элементов) массивами;
  •  алгоритмы с процедурами;
  •  алгоритмы работы со строками.

Программа Schemes.exe представляет собой интерпретатор алгоритмов, представленных в виде схем (блок-схем). Разработанная схема алгоритма не требует перевода в какие-либо промежуточные формы представления, поэтому алгоритм сразу может быть исполнен. 

 

Программа Schemes.exe демонстрирует процесс построения схемы алгоритма в интерактивном режиме, избавляя тем самым преподавателя от необходимости объяснять как работать с программой (интерфейс, инструментарий, последовательность действий и т.д.) и как строить алгоритм. 

 

Программа Schemes.exe поддерживает три режима работы:

  • демонстрация решения одной задачи для каждой темы (краткое объяснение изучаемого материала – уровень сложности на оценку «3»);
  •  тренировка;
  •  зачет.

Задачи для тренировки и зачета выбираются из файла случайным образом. Причем на текущем занятии повторно одни те же задачи не предъявляются.

 

В процессе тренировки и зачета программа Schemes.exe выводит условие задачи (ставит задачу). Обучаемый формализует условие, разрабатывает модель решения задачи и решает ее средствами программы Schemes.exe. При этом программа последовательно «ведет» обучаемого по этапам решения задачи с помощью ЭВМ (каскадная модель жизненного цикла согласно стандарту ISO/IEC 12207): разработка схемы алгоритма; отладка схемы алгоритма; контрольное тестирование разработанной схемы алгоритма с целью оценивания деятельности обучаемого.

 

Программа контролирует продолжительность занятия, этапов его дидактической структуры, всех видов работы и этапов решения задачи.

 

Программа содержит контекстно-зависимую справочную систему, которая может быть использована и при ознакомлении с изучаемым материалом в качестве краткого «электронного» конспекта.

 

Программа SchemesPr.exe разработана на основе программы Schemes.exe, но в отличие от нее она не имеет встроенного задачника и средств контроля времени как продолжительности занятия, так и его этапов. Следовательно, преподавателю предоставлена возможность совершенно свободно использовать программу в рамках своих методик изучения соответствующих тем курса. В этом случае программа SchemesPr.exe используется просто как интегрированная инструментальная система для разработки, отладки и тестирования алгоритмов. Однако и проверку правильности разработанных алгоритмов выполняет преподаватель.

 

Программа SchemesTst.exe разработана на основе программы Schemes.exe и служит для поддержки текущего контроля (входной, рубежный, контроль остаточных знаний) уровня обученности по структурному проектированию алгоритмов при изучении информатики и основ программирования. Кроме того, она может быть с успехом использована на зачетах и экзаменах. Программа обеспечивает количественную оценку уровня обученности. 

 

Программа SchemesTst.exe позволяет контролировать уровень обученности по темам:

  •  линейные алгоритмы;
  • разветвляющиеся алгоритмы;
  •  циклические алгоритмы:
  •  цикл с предусловием;
  •  цикл с постусловием;
  •  цикл с параметром;
  •  алгоритмы работы с одномерными (до 20 элементов) и с двумерными (до 10×10 элементов) массивами;
  •  алгоритмы с процедурами;
  •  алгоритмы работы со строками. 

Задачи для тестирования выбираются из соответствующих файлов случайным образом. Причем на текущем занятии повторно одни те же задачи не предъявляются. 

В процессе тестирования программа SchemesTst.exe выводит условие задачи (ставит задачу). Обучаемый формализует условие, разрабатывает модель решения задачи и решает ее средствами программы SchemesTst.exe. При этом программа последовательно «ведет» обучаемого по этапам решения задачи (каскадная модель жизненного цикла согласно стандарту ISO/IEC 12207):

  • разработка схемы алгоритма (выполняет обучаемый интерактивно взаимодействуя с программой);
  • отладка схемы алгоритма (выполняет обучаемый интерактивно взаимодействуя с программой);
  • контрольное тестирование разработанной схемы алгоритма с целью оценивания деятельности обучаемого (выполняет программа).

Программа контролирует продолжительности занятия в соответствии с заданным преподавателем  расписанием (это может быть и не расписание занятий в учебном заведении). 

 

Программа содержит контекстно-зависимую справочную систему, которая может быть использована в качестве краткого «электронного» конспекта.

 

Список литературы


[1] Махмутов М. И. Современный урок: Вопросы теории. М.: Педагогика, 1981.

[2] Миндоров Н.И. Индивидуализация в структуре практического занятия по информатике как средство интенсификации учебного процесса в военном вузе: Автореф. дисс. … канд. пед. наук. Пермь, 2000. 

[3] Унт И. Э. Индивидуализация и дифференциация обучения. М.: Педагогика, 1990. 

[4] Рубинштейн С.Л. Память // Хрестоматия по общей психологии. Психология памяти / Под ред. Ю.Б. Гиппенрейтер, В.Я. Романова. М.: Изд–во Моск. ун–та, 1979.

[5] Гамезо М. В, Домашенко И.А. Атлас по психологии. М.: Педагогическое общество России, 2001.

[6] Башмаков М. И.,  Поздняков С. Н., Резник Н. А. Информационная среда обучения. СПб: Свет, 1997. 

[7] Арнольд В. И. Математический тривиум // Успехи математических наук. 1991. Т. 46, вып. 1(277).

[8] Выготский Л.С. Психология. – М.: Изд-во ЭКСМО-Пресс, 2000. Леонтьев А.Н. Избранные психологические произведения: В 2 т. М.: Педагогика, 1983. Т.2.

[9] Беспалько В. П. Слагаемые педагогической технологии. М.: Педагогика, 1989.