extracted_text:
ВЫСШЕЕ
ОБРАЗОВАНИЕ

М.П.ЛАПЧИК,
И.Г.СЕМАКИН, Е.К.ХЕННЕР

МЕТОДИКА
ПРЕПОДАВАНИЯ
ИНФОРМАТИКИ

Под общей
редакцией М. П. Лапчика

Рекомендовано
Учебно-методическим
объединением по специальностям
педагогического
образования в качестве учебного пособия
для студентов
высших учебных заведений, обучающихся
по
специальности 030100 — «Информатика»

УДК37.022: 681.3 (075.8)
ББК32.81я73
Л 24

Рецензенты:
академик
Российской академии образования,
доктор
педагогических наук, профессор А.А.Кузнецов;
доктор
педагогических наук, профессор Н. И. Пак

Лапчик М.П. и др.
Л 24 Методика преподавания информатики:
Учеб. пособие для студ. пед. вузов/ М.П.Лапчик,
           И.Г.Семакин, Е.К.Хеннер; Под
общей ред. М. П. Лапчика. — М.: Издательский центр
          «Академия», 2001. — 624 с.

ISBN 5-7695-0825-6

Учебное пособие предназначено
студентам педагогических вузов, изучающим систематический курс методики
преподавания информатики. В пособии раскрываются цели, принципы отбора
содержания и методы преподавания информатики в средней общеобразовательной
школе. Наряду с изложением общих вопросов теории и методики обучения информатике
рассматриваются конкретные методические рекомендации по постановке базового и
профильных курсов информатики.
Пособие будет полезно также
практическим учителям общеобразовательных школ и преподавателям средних
специальных учебных заведений как руководство при планировании и проведении
занятий по информатике, а также аспирантам и всем тем, кто интересуется
организацией и перспективами обучения информатике в школе.

УДК 37.022: 681.3
(075.8)
ББК 32.81я73

ISBN 5-7695-0825-6                          ©
Лапчик М. П., Семакин И. Г., Хеннер Е. К., 2001
©Издательский
центр «Академия», 2001

Предисловие редактора

Курс «Методика преподавания
информатики» вошел в учебные планы педвузов в середине 80-х гг. прошлого века
практически одновременно с введением в школу предмета Основы информатики и
вычислительной техники (ОИВТ). В последней версии Госстандарта по учительской
специальности 030100 «Информатика» (2000) курс получил название «Теория и
методика обучения информатике», что почти соответствует наименованию научной
(ваковской) специальности (где рядом с «обучением» стоит еще слово
«воспитание»). Впрочем, хорошо известно, что в обыденной практике независимо от
официального названия преподаватели и студенты все равно будут именовать этот
предмет «методикой информатики» и пользоваться аббревиатурой МПИ. Такова уж,
вероятно, судьба всех методических дисциплин: вопреки самой строгой и
изощренной научной аргументации ни одно из правильных названий, включая и
предлагавшиеся не раз «дидактика (предмета)» и «педагогика (предмета)», не
приживается. Пусть читатель простит нас за то, что основываясь, вероятно, на не
вполне научных соображениях, мы в названии достаточно нового методического
курса хотя бы частично сохранили аромат старой традиции. В то же время все
упомянутые выше составляющие: и теория, и методика, и обучение, и даже
воспитание, как надеются авторы, в содержании предлагаемого учебного пособия
нашли свое подтверждение.
Попытки писать пособие по
методике информатики предпринимались педвузовскими авторами и раньше, но можно
сказать, что уже на протяжении полутора десятков лет отсутствие достаточно
полного учебника по курсу МПИ сохраняет немалые трудности при постановке этой
учебной дисциплины в педагогических вузах. Вслед за «скорострельным» пробным
изданием (Лапчик М. П. Методика преподавания информатики: Допущено М-вом
просвещения СССР в качестве учеб, пособия для пед. ин-тов. 1987), появившимся
практически сразу после завершения работы над первыми учебными книгами по информатике
для учащихся и методическими руководствами для учителей, создание
систематического учебного пособия по курсу методики информатики все эти годы
откладывалось. Одна из причин — нескончаемая обстановка неуверенности вокруг
проблемы места курса информатики в учебном плане школы и соответственно его
целей и содержания.
К. сожалению, очень похоже на
то, что лучшее время для школьной информатики еще не настало и настанет еще не
так скоро, как хотелось бы и как того требует сама жизнь. Затянувшаяся
дискуссия, не ослабевая, продолжается по сей день — быть или не быть
протяженному самостоятельному предмету информатики? какие цели должно
преследовать обучение информатике в школе? какое содержание должно составлять
его общеобразовательное ядро? К слабости компьютерной и телекоммуникационной
базы российских школ по-прежнему примешиваются концептуальные несовпадения во
взглядах на проблему информатизации школы в целом. Уверенно можно сказать только
одно: эта книга писалась в убеждении, что предмет информатики в школе не только
есть, но предмету информатики в школе быть, причем в той структурной форме,
которая будет активно наполнять и поддерживать непрерывную линию образования
учащихся в области информатики и ее приложений на протяжении всех лет обучения.
Многие надежды на этот счет связываются сегодня с введением базисного учебного
плана 12-летней школы.
Но есть, конечно же, и другая
(взаимосвязанная) причина — не преодоленные пока еще трудности в осмыслении и
формировании теоретической базы нового направления педагогической науки —
теории и методики обучения информатике. И все же можно сказать, что все эти
годы не прошли даром. Стараниями преимущественно научной школы Российской
Академии образования (ранее Академии педагогических наук СССР) практически
одновременно со становлением базовой науки информатики формирование современной
методики информатики обрело вполне убедительные информационно-кибернетические и
общедидактические основания. Этому сопутствовала активная
опытно-экспериментальная практика и неустанная работа специальных периодических
изданий (прежде всего — журнала «Информатика и образование»), привлекавших
внимание к проблемам школьной информатики как практических учителей и вузовских
преподавателей, так и представителей фундаментальной науки. Дискуссии еще
продолжаются, но современная обстановка уже позволяет считать, что по меньшей
мере начальную стадию формирования теории и практики новая методическая наука
уже прошла. Авторы далеки от мысли, что им удалось в полной мере отразить и
систематизировать все, что накоплено в теории и весьма многоликом практическом
опыте, но все же они надеются, что появление настоящей книги также будет
способствовать развитию и теоретической базы, и содержательно-методического
наполнения новой педагогической науки — теории и методики обучения информатике.
Содержание пособия составляют
две традиционные для методических курсов части — общей и конкретной (или
частной) методики преподавания. Первая часть имеет вводный теоретический характер
и содержит сведения, составляющие содержание так называемой общей методики
преподавания информатики. Переживаемая МПИ стадия становления теоретических
основ, безусловно, сказалась на характере изложения. Здесь и избыточная публицистичность
и, вероятно, большая, чем полагается в таких случаях, доля историзма,
ретроспективного анализа. Однако в условиях становления школьного курса
информатики было бы неосмотрительным излишне торопливо расстаться с предыдущим
опытом: он еще настолько свеж и актуален, что может (и, вероятно, должен)
оставаться предметом пристального изучения в современном курсе МПИ. При всех
неудобствах обстановки, когда изучаемый предмет открыт в части своих понятий и
стратегии развития, она имеет и весьма положительные стороны для учебных
занятий. Постановка курса МПИ в этих условиях неизбежно создает интригу
неопределенности и поиска, что только усиливает творческую составляющую
учебного процесса. Преподавателю такая обстановка дает благоприятные
возможности использовать развивающие, проблемные методы обучения, когда
обсуждаются не какие-нибудь надуманные, а вполне реальные проблемы, имеющие на
самом деле «жизненно важный» характер для школьного информатического
образования. Все темы первой части пособия снабжены рекомендациями к проведению
семинаров, а также обширными библиографическими списками.
Вторая часть пособия — конкретная
методика обучения информатике: базовый и профильные курсы. В основу
построения методической системы изучения базового курса положен действующий
ныне проект стандарта с фиксированным перечнем содержательных линий, которые,
кстати, определяют и лицо используемых в школе соответствующих учебных пособий.
Охватывая информационно-кибернетические основы формирования научной картины мира
(мировоззренческая составляющая информационной культуры), процессы
формализации, моделирования и алгоритмизации, линии технологий и компьютерной
коммуникации, базовый курс информатики на основе современного кабинета
вычислительной техники (КВТ) позволяет осуществить давний научно-методический
замысел — ввести в содержание школьного обучения решение реальных прикладных
задач. Триада «информация — информационное моделирование — информационные
технологии» становится доминирующей идеей не только базового, но и предпрофессионального
образования в области информатики (и только ли информатики?) в средней школе.
Вместе с тем не стоит забывать, что последующее развитие предметной области
информатики и, как следствие — расширение номенклатуры областей научного
знания, влияющих на формирование основ этого учебного предмета в школе, будут
приводить к актуализации пока еще не столь явно прописанных
содержательно-методических аспектов школьной информатики:
социально-экономических, гуманитарно-эстетических, лингвистических (языковых).
Еще продолжается процесс уточнения своего места и роли в базовом образовании
общекибернетических и математических оснований информатики. Именно здесь
находятся сегодня точки роста для будущего развития базового образования
учащихся в области информатики и это не может не учитываться при постановке
курса МПИ в педвузе.
В условиях «дозревания»
концепции профильного обучения информатике на старшей ступени школы перечень
включенных в пособие профильных курсов, основанный на их примерной
классификации, формировался как на основе практического опыта школ, так и на
базе заметных научно-методических разработок. В четырех последних главах,
посвященных профильному обучению, отражены четыре группы наиболее известных
конкретных профильных курсов, ориентированных, соответственно, на
моделирование, программирование, гуманитарные знания и информационные
технологии (с обязательными ссылками на их разработчиков). Все разделы
конкретной методики преподавания базового и профильных курсов сопровождены
указаниями к проведению лабораторных практикумов. Все это, разумеется, носит
рекомендательный характер и предназначено лишь для оказания помощи кафедрам при
организации практической части курса.
Во второй части пособия не
затрагиваются вопросы обучения информатике в младшей школе. Между тем в связи с
закреплением в учебном плане начальной школы стабильного модуля
пропедевтического курса информатики есть все основания надеяться, что
педагогические стандарты подготовки учителя для начальной школы будут приведены
в соответствие с требованиями времени. За пределами книги остались также
организационно-методические аспекты дополнительного образования в области
информатики. Для приведения разноликого практического опыта в соответствие с
законодательными актами, видимо, еще потребуется время.
Среди авторов пособия — те,
кто принимал непосредственное участие в создании первой программы школьного
курса ОИВТ и учебных книг первого поколения, кто разрабатывал современные
версии программ и пособий для учащихся и учителей и участвует в разработке концепции
перспективного школьного курса информатики. Работа авторов распределилась так:
первая часть книги (главы 1 — 6) написана М.П.Лапчиком, вторая часть — И. Г.
Се-макиным (главы 7—12, Приложение 1) и Е. К. Хеннером (главы 13-16).
Авторы благодарны доцентам
кафедры информатики и вычислительной техники Омского педагогического
университета, составившим лабораторные практикумы ко всем главам второй части
пособия: Л.Г.Лучко и О.В.Шкабура (базовый курс - подразделы 7.7, 8.6, 9.5,
10.7, 11.7, 12.7), М.И.Рагулиной и: Л.В.Смолиной (профильные курсы — подразделы
13.6, 14.10, 15.5, lb.ll). Указанные
тексты практически неизменными вошли в книгу и являются не только вкладом, но и
достоянием их авторов. Неоценимую техническую помощь в подготовке
окончательного текста рукописи оказала выпускница факультета информатики ОмГПУ
Т. С. Кононова.
М. П. Лапчик, доктор
педагогических наук, профессор

Часть 1
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ В ШКОЛЕ

Глава 1
ИСТОКИ: ЭТАПЫ ВВЕДЕНИЯ ЭВМ,
ПРОГРАММИРОВАНИЯ И ЭЛЕМЕНТОВ
КИБЕРНЕТИКИ В СРЕДНЮЮ ШКОЛУ СССР И РОССИИ (середина
50-х — середина 80-х гг. XX века)

Информатика как учебный
предмет была введена во все типы средних школ бывшего СССР с 1 сентября 1985 г.
Новая учебная дисциплина получила название «Основы информатики и вычислительной
техники» (ОИВТ). В общеобразовательной школе предмет преподавался в двух
старших классах (тогда это были IX и X кл.).
Вместе с тем, постепенное
проникновение в учебный план общеобразовательной школы сведений из области информатики
началось значительно раньше и начинался этот процесс с опытов по изучению
школьниками элементов программирования и кибернетики. В этом
примечательном периоде истории отечественного образования выделяются несколько
вполне фиксированных этапов, характеризующих важные качественные накопления в
системе школьного образования и обществе в целом. Эти накопления
(мировоззренческие, учебно-методические, организационные и многие другие) и
привели в середине 1980-х гг. к созданию условий, обеспечивших формирование и
введение в школу самостоятельного учебного предмета. Ниже дается краткий обзор
предпосылок введения предмета ОИВТ в среднюю школу стран бывшего СССР.

1.1. Начало

Появление первых электронных
вычислительных машин (ЭВМ) в нашей стране относится к началу 50-х гг. XX века [13, 65][1]. Вместе с этим получила
бурное развитие новая область человеческой деятельности — программирование для
ЭВМ. Надо сказать, что даже в  начальный период своего становления, отмеченный
несовершенством языковых средств и методов, программирование для ЭВМ не
содержало каких-либо принципиальных трудностей, ограничивающих возможности его
понимания и восприятия школьниками. Этому есть простое объяснение: составление
несложных учебных программ для ЭВМ опирается на ограниченный круг весьма
простых и общезначимых понятий, вполне доступных школьнику среднего возраста.
Так или иначе, вскоре после
появления первых ЭВМ в научно-исследовательских учреждениях и крупных вузовских
центрах, там, где доступ к ЭВМ и обладание машинным временем совпадали с
энтузиазмом специалистов и их интересом к поисковой работе со школьниками,
стали возникать группы учащихся (нередко разновозрастные) по изучению начал
программирования для ЭВМ. Сейчас трудно установить, где подобная практика была
осуществлена впервые. Известно, например, что уже к концу 1950-х гг. такой опыт
с участием и под руководством одного из наиболее ярких представителей когорты
отечественных математиков-программистов, будущего академика Академии наук СССР
и организатора работ по созданию первой внедренной версии школьной информатики
А.П.Ершова (1931—1988) получил развитие в ряде школ Новосибирска на базе
вычислительной техники, принадлежащей Академгородку [67]. В короткое время в
аналогичную работу были включены десятки, сотни энтузиастов-ученых из
университетов и научно-исследовательских институтов страны. Эти первые шаги,
однако, еще не имели прямого отношения к формированию регулярного учебного
курса программирования для учащихся, хотя и подтвердили принципиальную
осуществимость самой идеи обучения школьников программированию.

1.2. Специализация по программированию
на базе школ с математическим уклоном

Толчком к
созданию первых официальных учебных программ по курсу программирования,
ориентированного на учащихся средних школ, послужило появление в начале 1960-х
гг. школ с математической специализацией, предусматривающих предпрофессиональную
подготовку вычислителей-программистов на базе общего среднего образования.
Широкую известность в эти годы получила опытная работа, начатая в сентябре 1959
г. на базе одного из классов школы № 425 Первомайского р-на г.Москвы
С.И.Шварцбурдом [72, 73, 74].
С 1960/61 учебного года число
школ, готовящих программистов, стало расти. На основе опыта московской школы №
425 и Других школ, готовивших вычислителей-программистов, уже в июле 1961 г.
Министерство просвещения РСФСР утвердило первый вариант документации для школ с
математической специализацией [73]: квалификационную характеристику выпускника,
учебный план, программы по общему курсу математики, а также специальным учебным
предметам: «Математические машины и программирование», «Вычислительная
математика» (в первом варианте этот предмет имел название «Приближенные вычисления»).
Становление первых школ
(классов) с математической специализацией позволило накопить важный для
будущего опыт организационного взаимодействия общеобразовательных средних школ
с вычислительными центрами крупных научно-исследовательских учреждений и
предприятий, оснащенных передовой вычислительной техникой. Первые шаги в этом
направлении были связаны с немалыми трудностями. Как писал в то время С. И.
Шварцбурд, «...к началу эксперимента в школе № 425 сама мысль о допуске
учащихся на практику в вычислительный центр казалась дерзкой» [73, с. 9][2]. Успех
достигался в результате объединения интереса и усилий управлений образования,
шефствующих предприятий и районных (городских) административных органов.
Одним из первых примеров
такого сотрудничества в новой для школы области явилось проведение с помощью
администрации Первомайского района г. Москвы вычислительной практики учащихся
на базе вновь построенного вблизи школы № 444 (куда в 1962 г. были переведены
классы вычислителей-программистов из школы № 425) Вычислительного центра
Центрального научно-исследовательского института комплексной автоматизации (ВЦ
ЦНИИКА), взявшего на себя заботы предприятия-шефа [70]. Подобный опыт сближения
общеобразовательных школ и научно-производственных учреждений и предприятий
впоследствии был многократно повторен и широко использовался при создании и
организации работы районных учебно-производственных комбинатов во многих
городах страны.
Развитие сети школ со
специализацией в области программирования сыграло весьма важную положительную
роль: оно возбудило поток публикаций и методических разработок, посвященных вопросам
преподавания программирования школьникам. Это и появлявшиеся с начала 1960-х
гг. необычные для журнала «Математика в школе» материалы по обучению
программированию (С. И. Шварцбурд [72, 74]), а также специальные материалы для
школ с математической специализацией (достаточно упомянуть, например, первый
сборник статей [59] из замечательной серии «Проблемы математической школы», издававшейся
в 1965 — 1970 гг.).
Широкое распространение в эти
годы имели подготовленные для школ с математической специализацией учебные
пособия, основанные на системе программирования в содержательных обозначениях
А.Л.Брудно [12, 68 и др.]. Написанные на хорошем методическом уровне, эти книги
сыграли заметную роль и при становлении факультативных курсов по
программированию.

1.3. Обучение школьников элементам
кибернетики

Одна из наиболее
перспективных содержательно-методических линий развития фундаментальных основ
школьной информатики получила развитие с начала 1960-х гг. в связи с экспериментами
по обучению учащихся элементам кибернетики. У истоков этого исследовательского
направления стоит В.С.Леднев, предпринявший с 1961 г. экспериментальное
преподавание специально разработанного курса по общим основам кибернетики для
средней школы и настойчиво доказывавший необходимость включения основ
кибернетики в учебный план средней школы в качестве базового (обязательного)
компонента общего образования.
Впоследствии в это новое направление
научно-методических исследований активно включился А. А. Кузнецов, ученик
В.С.Леднева [48, 51]. Важно заметить, что предпринятое исследование велось в
широкой, прицельной на общее школьное образование постановке и захватывало
целый ряд общезначимых вопросов общего среднего образования, а именно: «место
кибернетики в содержании общего среднего образования, ее значение для
образования учащихся средней школы, пути изучения ее в школе, содержание и
методы преподавания курса кибернетики» [50]. Более четверти века тому назад
В.С.Ледневым и А.А.Кузнецовым были сформулированы аргументы, позволявшие
сделать убедительные выводы об общеобразовательном, политехническом значении
основ кибернетики для среднего образования. Приведем здесь только некоторые из
них: «Кибернетика, вводя понятие об информационных связях, присущих системам
различной природы, об общности строения управляющих органов всех целесообразно
действующих систем, способствует формированию представлений о единстве мира.
Трактовка явлений, процессов, изучаемых с разных сторон учебными предметами, в
том числе и кибернетикой, создает у учащихся глубокое, мно-госторуннее,
подлинно научное представление о мире.
Изучение кибернетики
открывает возможности для более последова-тельного изложения основных мировоззренческих
идей, позволяет завершить обучение в средней школе важнейшими выводами и
обобщениями, способствующими диалектико-материалистическому пониманию
окружающего мира. Кибернетика расширяет сферу человеческого познания,
вторгается в область, куда раньше наука практически не имела доступа, что также
имеет большое мировоззренческое значение, так как отвергает всякого рода
агностические взгляды об ограниченности человеческого познания.
Роль кибернетики в подготовке
учащихся к профессиональному обучению определяется прежде всего тем, что
изучение целого ряда практических наук, осуществляемое в профессиональной
школе, прямо или косвенно базируется на изучении ее основ. Так как общее
среднее образование должно служить основой для профессионального обучения
любого направления, то изучение кибернетики становится в настоящее время
необходимым для подготовки учащихся средней школы к последующему
профессиональному обучению и для формирования у них общетрудовых умений и
навыков» [50].
На основе длительной
теоретико-экспериментальной работы был сделан однозначный вывод: «...изучение
кибернетики должно войти в содержание общего среднего образования как отдельный
предмет» [50]. Однако большее, чего в то время удалось добиться исследователям
— это официального включения в середине 1970-х гг. курса «Основы кибернетики»
общим объемом в 140 часов (по 70 часов в IX и X кл.) в число факультативных курсов для общеобразовательной
средней школы [51]. Для того чтобы получить представление о характере
содержания предлагавшегося учебного материала, ниже приведены основные разделы
факультатива.
Введение
1. Вводные понятия — 6 ч
2. Что изучает кибернетика —
2ч
3. Модель — 6 ч
4. Представление информации
в кибернетической системе —
6ч
Преобразование и
преобразователи информатики
1. Алгоритм и преобразование
информации — 12 ч
2. Логические преобразователи
информации — 24 ч
3. Конечные автоматы — 14 ч
4. Цифровые вычислительные
машины — 18 ч
5. Программирование для ЦВМ —
14 ч
Сигнал и информация
1. Элементы теории
вероятностей — 8ч
2. Энтропия и информация — 8ч
3. Кодирование и передача
сообщений — 8ч
Принципы построения систем
управления — 12ч
Заключение — 2ч
Поскольку актуализированные в
этом исследовательском проекте такие кибернетические категории и понятия, как
управление, автоматизация, а также хранение, передача, преобразование и
использование информации войдут впоследствии наряду с основами алгоритмизации и
программирования в число базовых компонентов школьного курса информатики, естественно
считать, что именно эти, теоретически обоснованные и методически апробированные
в процессе экспериментальной работы основы общеобразовательного курса кибернетики
(в современном наименовании — информатики) и создали предпосылки для
формирования фундаментальных компонентов современного школьного курса
информатики [46].
Несколько иной аспект опытной
работы по включению элементов кибернетики (основы конструирования автоматов) в
программу для учащихся по математической логике еще в «дофакультативный» период
начала 1960-х гг. осуществлялся в школе г. Ялты и на базе Малой академии наук
школьников «Искатель» В.Н.Касаткиным [39]. Эти важные начинания, способствовавшие
изданию и широкому распространению новой учебной литературы, адресованной
учащимся и учителям [27, 28, 30], создавали основу не только для внедрения
соответствующих факультативных курсов, но и активной поддержки идеи включения
элементов кибернетики в содержание общего среднего образования.

1.4. Специальные факультативные курсы

С введением в среднюю
общеобразовательную школу факультативных занятий как новой формы учебной
работы, нацеленной на углубление знаний и развитие разносторонних интересов и
способностей учащихся (правительственное постановление «О мерах дальнейшего
улучшения работы средней общеобразовательной школы», 1966), началась работа и
по организации факультативов по математике и ее приложениям. В их числе три
специальных факультативных курса, постановка которых в той или иной степени
предполагала использование ЭВМ: «Программирование», «Вычислительная
математика», «Векторные пространства и линейное программирование». С введением
этих факультативных курсов и, прежде всего, курса «Программирование» связан
протяженный и своеобразный этап поступательного внедрения элементов программирования
в среднюю школу. Своеобразие этого процесса заключалось в том, что (в отличие
от школ с математической специализацией) факультативные занятия по программированию
чаще всего строились в условиях «безмашинного» обучения, что, кстати говоря,
нередко приводило к поиску весьма методически оригинальных подходов,
опиравшихся на выявлении общеобразовательной сути алгоритмизации и
программирования.
Впоследствии в связи с
приведением системы факультативных занятий в соответствие с осуществляемой в те
годы перестройкой среднего математического образования в перечень
рекомендованных школе факультативных курсов были включены новые избранные темы:
«Системы счисления и арифметические устройства ЭВМ» (VII кл.), «Алгоритмы и программирование» (VIII кл.), «Основы кибернетики» (IX; X кл.), «Языки программирования» (Хкл.). Основные
методические проблемы, связанные с разработкой содержания и методов обучения
элементам программирования для ЭВМ и кибернетики в рамках специальных
факультативных курсов того времени, нашли свое решение в работах И.Н.Антипова
[4, 5], В.М.Монахова [54, 55], В.С.Леднева и А.А.Кузнецова [34, 35, 36, 48, 50,
51], В.Н.Касаткина и др. [27, 29, 30], М.П.Лапчика [39, 41, 44], а также многих
других методических разработках.
Справедливости ради надо
сказать, что специальные факультативные курсы, предполагавшие изучение
программирования для ЭВМ и элементов кибернетики, не могли получить широкого
распространения. Это было связано с двумя главными причинами:
неподготовленностью преподавателей и необеспеченностью материальной базой.
Сказалось также и затянувшееся идейное перевооружение литературы по
программированию, обусловленное заметным уже в то время отставанием СССР в
области производства ЭВМ. Все это привело к тому, что еще в середине 1970-х гг.
школе предлагались учебные пособия, построенные на устаревших подходах к
программированию. И все же настойчиво пропагандируемые специальные
факультативные курсы по программированию, сохранившиеся во многих случаях
исключительно за счет энтузиазма практических учителей, в том числе и в
условиях «безмашинного» преподавания, так или иначе способствовали
распространению в учительской среде представлений о новой увлекательной и
практически значимой области — программировании для ЭВМ. Накопленный таким
путем опыт, особенно в части развития контактов школы и базовых
научно-производственных предприятий, оснащенных вычислительной техникой,
создавал предпосылки для развития нового канала внедрения программирования и
вычислительной техники в сферу школьного образования — на базе
учебно-производственных комбинатов (УПК).

1.5. Специализации на базе УПК

В начале 1970-х гг. в рамках
развиваемой в то время системы межшкольных учебно-производственных комбинатов
наряду с другими направлениями подготовки учащихся по профилю наиболее
распространенных рабочих профессий стали возникать специализации по
профессиональной подготовке учащихся старших классов в области применения
вычислительной техники. С 1971 г. соответствующий эксперимент начат в УПК
Первомайского района г. Москвы. Функции научно-методического руководства были
возложены на руководимую С. И. Шварцбурдрм лабораторию прикладной математики
НИИ содержания и методов обучения Академии педагогических наук СССР, базовое
предприятие — ВЦ Центрального научно-исследовательского института комплексной
автоматизации (ЦНИИКА) [75].
Вскоре, в 1972 г., в Москве
был создан получивший широкую известность Октябрьский УПК № 1. До 1984 г.
базовым предприятием для Октябрьского УПК являлся Институт электронных
управляющих машин (ИНЭУМ) Минприбора СССР, с 1984 г. был подключен вновь
организованный Институт проблем информатики Академии наук СССР (ИПИАН) [И].
В это же время специализации
по вычислительной технике и программированию стали открываться в межшкольных
районных (городских) УПК по всей стране. За короткое время получил известность
положительный опыт работы многих УПК Ленинграда, Свердловска, Новосибирска и
других городов. В отличие от факультативов по программированию соответствующие
специализации в УПК, поддерживаемые мощными предприятиями-шефами, как правило,
с самого начала обеспечиваются основательной учебно-материальной базой и
подготовленными кадрами. Не случайно впоследствии они стали межшкольными
центрами, поддерживающими на первой стадии внедрения практическую часть нового
школьного курса основ информатики и вычислительной техники.
На базе УПК получил
«прописку» целый ряд направлений трудовой подготовки школьников по
специальностям, связанным с изучением и использованием вычислительной техники:
оператор ЭВМ, оператор устройств подготовки данных для ЭВМ, электромеханик по
ремонту и обслуживанию внешних устройств ЭВМ, регулировщик электронной
аппаратуры, программист-лаборант, оператор вычислительных работ. С
распространением ЭВМ массового применения (персональные ЭВМ, многотерминальные
комплексы на базе малых ЭВМ, диалоговые вычислительные комплексы и т.д.)
перечень и содержание подготовки по «компьютерным» специальностям УПК
потребовали пересмотра и уточнения, приведения их в соответствие с такими
функциональными возможностями ЭВМ массового применения, как оснащенность их
развитыми пакетами прикладных программ и преобладающее использование
современных систем программирования.
С началом 1990-х гг. на фоне
решительной перестройки экономической системы государства, повлекшей
безработицу и развал многих научно-производственных предприятий, которые в свое
время создавали и поддерживали материальную базу УПК, произошло фактическое
исчезновение УПК как формы образовательной деятельности средней школы. Лишь
относительно немногие из них, сохранившие хоть какую-то материальную базу и
педагогические кадры, продолжают на межшкольной основе поддерживать курс
школьной информатики.

1.6. Развитие общеобразовательного
подхода. Алгоритмическая культура
учащихся

Преподавание программирования
в школах с математическим уклоном, как и в УПК, преследовало большей частью
специальные, профессионально-направленные интересы. Однако в это же время
настойчиво велось исследование общеобразовательного влияния ЭВМ и
программирования как новой области человеческой деятельности на содержание
обучения в массовой средней школе. С самого начала было ясно, что
общеобразовательная сила идей и методов, заимствованных из области программирования,
несет в себе огромный потенциал для развития новых фундаментальных компонентов
содержания общего школьного образования. Выявлению общеобразовательных
ценностей практического программирования способствовала также происходящая как
раз в это время (60—70-е гг. XX века) быстрая смена его внешнего облика,
направленная на развитие естественных форм общения человека и ЭВМ. Что из
общеобразовательных ценностей программирования и новых подходов к решению задач
на основе применения ЭВМ должно войти в общее образование и как оно может
влиять на содержание и методику школьного обучения? — вот вопросы, которые
вызывали активный интерес ученых-педагогов задолго до эпохи персональных
компьютеров и появления школьной информатики.
В основе программирования для
ЭВМ лежит понятие алгоритмизации, рассматриваемой в широком смысле как процесс
разработки и описания алгоритма средствами заданного языка. Однако
алгоритмизация как метод, на который опирается общение человека с
формализованным исполнителем (автоматом), связана не только с составлением
программ для ЭВМ. Так же как и моделирование, алгоритмизация — это общий метод
кибернетики. Процессы управления в различных системах сводятся к реализации
определенных алгоритмов. С построением алгоритмов связано и создание самых
простейших автоматических устройств, и разработка автоматизированных систем
управления сложнейшими производственными процессами. Фундаментальные основы
алгоритмизации лежат в сугубо теоретической области современной математики —
теории алгоритмов, однако, алгоритмизация в широком практическом смысле
понимается как набор определенных практических приемов, основанных на особых
специфических навыках рационального мышления об алгоритмах.
Хорошо известно, что
представления об алгоритмических процессах и способах их описания формировались
(хотя и неявно) в сознании учащихся при изучении школьных дисциплин еще до
появления информатики и вычислительной техники. Основная роль среди школьных
дисциплин при этом выпадала математике, в которой операционные и алгоритмические
действия изначально составляли один из существенных элементов учебной
деятельности. Действительно, умение формулировать, записывать, проверять
математические алгоритмы, а также точно исполнять их всегда составляли
важнейший компонент математической культуры школьника, хотя сам термин
«алгоритм» мог при этом в школьных учебных программах и не употребляться. С
распространением ЭВМ и программирования этот сектор математической культуры
стал приобретать самостоятельное значение, требовалось только дополнить его за
счет наиболее общезначимых компонентов алгоритмизации. Образованная таким образом
совокупность специфических понятий, умений и навыков, определяющая новый
элемент общей культуры каждого современного человека и претендующая по этой
причине на включение в общее школьное образование (как и в разряд новых понятий
теории и методики школьного обучения), получила название алгоритмической
культуры учащихся (М.П.Лапчик [38, 40, 42, 43]).
Ниже приведены перечень и
описание компонентов алгоритмической культуры, составленные на основе анализа
общеобразовательных основ алгоритмизации.
1. Понятие алгоритма и его
свойства. Понятие алгоритма является центральным понятием алгоритмизации и,
соответственно, основным компонентом алгоритмической культуры. В обучении
алгоритмизации нет необходимости (да и возможности) использовать строгое
математическое уточнение этого понятия, достаточно его толкования на
интуитивно-наглядном уровне. Существенное значение при изложении приобретают
такие содержательные свойства алгоритмов, как понятность, массовость,
детерминированность и результативность.
2. Понятие языка описания
алгоритмов. Задача описания алгоритма всегда предполагает наличие
некоторого языка, на котором должно быть выполнено описание. По этой причине
само понятие алгоритма находится в неразрывной связи с понятием языка как
средства выражения (представления) алгоритма. Выбор языка в каждом отдельном
случае определяется областью применения алгоритма, т.е., по существу,
свойствами объекта (человека, автомата, компьютера), выступающего в роли
исполнителя. Соблюдение требования строго следовать границам языковых
возможностей в общении с тем или иным исполнителем служит в некотором роде
первоосновой алгоритмизации. Понимание этого обстоятельства и точное соблюдение
возможностей используемых языковых средств в каждой конкретной ориентации
описания также составляет важный компонент алгоритмической культуры.
3. Уровень формализации
описания. Понятие уровня формализации описания неразрывно связано с
понятием языка. Если описание составлено для автомата, то используемый при этом
язык подчиняется строгим ограничениям, которые обычно могут быть сведены в
систему формальных правил, образующих синтаксис языка. Сам язык в подобных
случаях становится, как говорят, формализованным. Однако на практике в процессе
разработки алгоритмов, особенно при построении предварительных описаний, могут
использоваться языковые средства, не обязательно строго ограниченные. Более
того, такая ситуация возможна и не только в процессе предварительной разработки.
Если, к примеру, алгоритм адресуется человеку, то и окончательный вариант
алгоритмизации может иметь неформальное, «расплывчатое» представление. Немалое
множество используемых на практике алгоритмов «работают» именно в неформализованном
варианте. Важно лишь, чтобы алгоритм был понятен исполнителю, т.е. не
использовал средств представления, выходящих за границы его возможностей.
Таким образом, применяемые на
практике уровни формализации представления алгоритмов могут варьироваться в
довольно широком диапазоне: от уровня полного отсутствия формализации до уровня
формализации «в той или иной мере» и, наконец, до уровня «абсолютной»
формализации. Умение работать с языками различных уровней формализации с учетом
фактора понятности алгоритма для исполнителя также является существенным
компонентом алгоритмической культуры.
4. Принцип дискретности
(пошаговости) описания. Построение алгоритма предполагает выделение четкой
целенаправленной последовательности допустимых элементарных действий,
приводящих к требуемому результату. Организованная совокупность этих действий
образует определенную дискретную структуру описания алгоритма, сообщающую ему
ясность и четкость. В различных языках такие отдельные этапы алгоритма
представляются различными средствами. В словесных представлениях алгоритма (на
естественном языке) — это отдельные предложения, указания, пункты, в языке схем
— это отдельные блоки, в объектном языке ЭВМ — это отдельные команды, в
алгоритмическом языке высокого уровня — операторы.
5. Принцип блочности. Возможности
языка, используемого для построения алгоритмов, вынуждают избирать ту или иную
степень детализации описаний. Это обстоятельство не препятствует, однако, тому,
чтобы в процессе работы по составлению требуемого алгоритма при описании его
первоначальной схемы употребить язык, единицы действия которого более крупны по
сравнению с возможностями исполнителя, которому алгоритм адресуется. По сути дела,
речь в данном случае идет об умении расчленять сложную задачу на более простые
компоненты. Такой путь приходится избирать всегда, когда задача оказывается
достаточно сложной, чтобы алгоритм ее решения в нужном языке можно было описать
сразу. В этом случае задача разбивается на информационно замкнутые части
(блоки), которым придается самостоятельное значение, и после составления
первоначальной схемы, связывающей части задачи, проводится работа по
детализации отдельных блоков. Каждый из этих блоков может быть детализирован по
только что описанному принципу.
Принцип блочности, являясь на
деле общим мыслительным приемом, имеет большое общеобразовательное и
воспитательное значение. Очень часто в его схему укладывается процесс
исследования в самых различных областях. Установив внешние связи, исследователь
стремится поделить область неведомого на отдельные самостоятельные части
(блоки), а затем уже проникает внутрь каждого блока. Или наоборот: с целью
обозреть общую схему связей сначала отдельные элементы группируются в
самостоятельные блоки, которые связываются затем между собой. Принцип блочности
наглядно показывает, какую общеобразовательную силу могут иметь подходы,
заимствованные из области программирования.
При окончательном построении
алгоритма из блоков возможны два принципиально различных подхода:
а) детальное представление
блока помещается в соответствующее место алгоритма, а сам блок, исчерпав свою
роль общего приема поиска алгоритма, как бы «растворяется» в нем;
б) содержание блоков не
встраивается в алгоритм, а в его соответствующих местах помещаются ссылки —
обращение к размещенным отдельно блокам; окончательным алгоритмом считается
совокупность главного алгоритма и всех его отдельных блоков (вспомогательных
алгоритмов).
6. Принцип ветвления. Требование
алгоритмической полноты языков, используемых для представления алгоритмов,
должно обеспечивать наличие средств, позволяющих реализовывать в
алгоритмических описаниях логические ситуации, т. е. ситуации, в которых
требуется принятие решения в зависимости от заданных начальных условий.
Организация таких алгоритмов требует умелого использования логических (разветвляющих)
средств языка. Существенными компонентами алгоритмической грамотности здесь
является осознание того, что:
а) описание должно
предусматривать все возможные варианты исходных данных и для каждой их
комбинации быть результативным;
б) для конкретных значений
исходных данных исполнение алгоритма всегда проходит только по одному из
возможных путей, определяемому конкретными условиями.
7. Принцип цикличности. Эффективность
алгоритмических описаний в большинстве случаев определяется возможностью неоднократного
использования одних и тех же фрагментов описаний при различных значениях
входных величин. Именно на этом приеме основано построение описаний, не удлиняющихся
при увеличении объема действий, предусматриваемых этими описаниями. Возвращение
к повторному прохождению одного и того же фрагмента описания может быть
организовано с применением логических средств языка, однако язык может
содержать и специальные средства организации циклических алгоритмов (например,
операторы цикла в языках высокого уровня). И в том и другом случае существенным
компонентом алгоритмической культуры здесь является понимание общей схемы
функционирования циклического процесса и, что особенно важно, умение выделять
при построении алгоритмов повторяющуюся (рабочую) часть цикла.
8. Выполнение
(обоснование) алгоритма. Существенно важным компонентом алгоритмической
грамотности является постоянно привлекаемое в процессе алгоритмизации умение
воспринимать и исполнять разрабатываемые фрагменты описания алгоритма
отвлеченно от планируемых результатов — так, как они описаны, а не так, как
может быть, в какой-то момент хотелось бы самому автору или исполнителю. Говоря
иными словами, требуется развитое умение четко сопоставлять (и разделять) то,
что задумано автором, с тем, к чему приводит фактически написанное. Этот
компонент алгоритмизации понуждает автора алгоритма постоянно перевоплощаться в
хладнокровного и педантичного исполнителя и является, по сути дела,
единственным работающим в процессе создания алгоритмического описания (до
передачи его исполнителю) средством контроля правильности и обоснования
алгоритма.
9. Организация данных. Исходным
материалом для алгоритма является информация или исходные данные, которые
надлежит обработать. Составитель алгоритма обязан думать не только о том, как и
в какой последовательности производить обработку, но и о том, где и как
фиксировать промежуточные и окончательные результаты работы алгоритма.
Мы перечислили компоненты
алгоритмической культуры, овладение которыми имеет основополагающее значение
для формирования навыка составления алгоритмов — алгоритмизации и,
следовательно, программирования для ЭВМ. Однако особенность компонентов,
образующих алгоритмическую культуру, в том, что они не имеют узкой ориентации
исключительно на взаимодействие школьника с ЭВМ, а имеют, вообще говоря,
независимое от программирования более широкое значение. Говоря иными словами,
алгоритмическая культура школьника как совокупность наиболее общих
«доп-рограммистских» представлений, умений и навыков обеспечивает некоторый
начальный уровень грамотности школьника не только для его успешной работы в
системе «ученик — компьютер», но и в неформальных безмашинных системах «ученик
— учитель», «ученик — ученик» и т.п., т.е. создает то операционное наполнение,
которое, в частности, обслуживает деятельность школьника в рамках учебных
дисциплин за пределами «компьютерной» обстановки. 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» [8].
Исследования, направленные на
выявление общеобразовательного материала по программированию для средней школы,
связывались в конечном итоге с педагогической задачей формирования
общеобразовательного предмета (раздела) по программированию для последующего
включения в учебный план массовой школы. Такая попытка впервые была реализована
к середине 1970-х гг.: в курсе алгебры VIII класса появился материал для беседы по теме «Вычисления и
алгоритмы», а позднее 11-часовой раздел «Алгоритмы и элементы программирования»
[2].
Значение этого внезапного
«прорыва» сведений о программировании для ЭВМ в регулярное содержание школьного
образования трудно переоценить, хотя в целом эта акция оказалось явно неудачной
и новый раздел вскоре был исключен из учебника алгебры. Причина в том, что
вместо привлечения наработанных к тому времени умеренных учебно-методических
средств наглядного обучения алгоритмизации в учебник была введена формальная
англоязычная нотация языка Алгол-60, что, естественно, шокировало
неподготовленного массового учителя математики. В результате — развивается идея
использования для формирования фундаментальных компонентов алгоритмической
культуры учащихся учебных (гипотетических) машин и языков алгоритмизации
(И.Н.Антипов [3, 6], М.П.Лапчик [40] и др.). В периодической методической
печати все настойчивее ставится вопрос о введении в школу общеобразовательных
курсов (разделов}, посвященных изучению элементов кибернетики, ЭВМ и
программирования, в его обсуждении наряду с методистами принимают участие
известные математики [9, 26, 28, 31, 33, 53, 60 и др.]. В то же время исследуются
содержательно-методические аспекты межпредметного влияния алгоритмизации на
традиционные школьные предметы и, прежде всего, математику через язык,
алгоритмическую направленность содержания, усиление внимания к прикладной
стороне знаний и т.п. [7, 40, 53, 71, 75]. Перспективная значимость этих работ
в том, что они рассматривали именно те аспекты глубокого влияния идей и методов
программирования на содержание и процесс обучения, недостаток которых в полной
мере стал проявляться в условиях решительной экспансии компьютеризации школы,
грянувшей десятилетие спустя.

1.7. Электронные калькуляторы

Во второй половине 1970-х гг.
внимание ученых-методистов было привлечено к широко распространенным
портативным микропроцессорным приборам — микрокалькуляторам, обещавшим немало
привлекательных перспектив от внедрения их в учебный процесс школы: ускорение
процессов счета и высвобождение солидной части учебного времени на решение
прикладных задач, формирование полезных навыков работы с автоматическим
устройством, ряд новых возможностей методики преподавания школьных дисциплин и
прежде всего дисциплин естественнонаучного цикла — математики, физики, химии.
Проведенная экспериментальная проверка [32 и др.] повлекла решение Министерства
просвещения СССР о введении калькуляторов в учебный процесс массовой школы
[58]. С распространением дешевых программируемых калькуляторов тут же появились
методические разработки по использованию этих моделей как технического средства
для обеспечения обучения школьников программированию и даже для управления
учебным процессом [18, 25, 32, 69]. Тенденции эти, однако, вскоре должны были
уступить натиску персональных компьютеров, обладающих куда более
привлекательными потребительскими свойствами и несравнимой широтой
функциональных и дидактических возможностей.

1.8. Появление ЭВМ массового применения

Освоение производства
микропроцессоров, приведшее к радикальному изменению структуры парка ЭВМ и
широкому распространению ЭВМ массового применения (персональные ЭВМ,
многотерминальные комплексы на базе малых ЭВМ, диалоговые вычислительные
комплексы и т.п.), создало необходимые предпосылки для преодоления возникшего
на рубеже 1960 — 1970-х гг. (одновременно с существенным усложнением
архитектуры ЭВМ третьего поколения) временного кризиса идей и практических
шагов по внедрению ЭВМ и программирования в школу. Характеризуя особенность
нового момента, А.П.Ершов говорил по этому поводу: «Сейчас, после появления
микропроцессоров, вопрос о том, быть или не быть ЭВМ в школе, уже становится
схоластикой. ЭВМ уже есть в школах и будет приходить туда в нарастающих количествах,
и от нас требуется очень активная интеллектуальная и организационная работа,
чтобы придать этому процессу управляемый и педагогически мотивированный
характер» [14].
Качественно новый этап в
развитии отечественной вычислительной техники, обязанный появлению
микропроцессоров, начался во второй половине 1970-х гг. Это возбудило новую
волну исследований по проблеме введения ЭВМ и программирования в школу. Вперед
выдвинулась инициативная «сибирская группа школьной информатики»,
сформированная под руководством А. П. Ершова при отделе информатики ВЦ
Сибирского отделения Академии наук СССР. Основные программные положения
апологетов этой группы (А.П.Ершов, Г.А.Звенигородский, Ю.А.Первин), в
значительной части своей послужившие впоследствии развитию национальной
программы компьютеризации школы, опубликованы в 1979 г. [17]. Отдел информатики
ВЦ СО АН СССР стал инициатором и центром проведения Всесоюзных заочных олимпиад
школьников по информатике, организатором летних школ юных программистов и
других форм работы с учащимися, в том числе и раннего подросткового возраста
(А.П.Ершов, Г.А.Звенигородский, Ю.А.Первин, Н.А.Юнерман и др. [16, 22]).
Значительный вклад в результаты деятельности сибирской группы школьной
информатики внес молодой и талантливый ученый Г. А. Звенигородский (1952—1984),
возглавлявший в то время работы по созданию интегрированной системы
программирования «Школьница» — первой отечественной программной системы,
специально ориентированной на школьный учебный процесс [15, 19, 20, 21]. К выходу
правительственных документов о намеченной в то время очередной школьной реформе
[61] в методической науке и школьной практике был накоплен значительный
теоретический и практический багаж, вместивший опыт трех предыдущих
десятилетий. Тем самым были созданы все необходимые предпосылки для активных
государственных решений проблемы компьютеризации школьного образования.

1.9. Введение в школу предмета «Основы
информатики и вычислительной техники»

Итак, толчком к
проработке конкретных организационно-методических мероприятий в области
компьютеризации школы стали «Основные направления реформы общеобразовательной и
профессиональной школы» (1984, [61]). Одним из главных положений школьной
реформы того времени стала впервые явно продекларированная задача введения информатики
и вычислительной техники в учебно-воспитательный процесс школы и обеспечения
всеобщей компьютерной грамотности молодежи. В конце 1984 г. под совместным кураторством
ВЦ СО АН СССР (А. П. Ершов) и Научно-исследовательского института содержания и
методов обучения (НИИ СиМО) АПН СССР (В.М.Монахов) с привлечением группы
педагогов-информатиков из различных регионов страны развернулась работа по созданию
программы нового общеобразовательного предмета для общеобразовательной школы,
получившего название «Основы информатики и вычислительной техники». К середине
1985 г. такая работа была выполнена и одобрена Министерством просвещения СССР
[64]. Последующими правительственными решениями был одобрен и главный
стратегический путь, позволяющий быстро решить задачу формирования компьютерной
грамотности молодежи — введение в среднюю школу предмета «Основы информатики и
вычислительной техники» как обязательного, а также конкретный срок введения
нового предмета в среднюю школу — 1 сентября 1985 г. В сжатые сроки вслед за
программой были подготовлены пробные учебные пособия для учащихся [62, 63],
книги для учителей [23, 24]. Свидетельством большого внимания государства к
В.М.Монахов проблеме компьютеризации школы явилось учреждение нового
научно-методического журнала «Информатика и образование» (ИНФО), первый номер
которого вышел к началу 1986/87 учебного года. Невзирая на экономические
трудности нынешнего периода развития России, ИНФО и по сей день остается
исключительно важным для современной системы образования специальным
научно-методическим журналом, освещающим методические, дидактические,
технические, организационные, социально-экономические, психолого-педагогические
вопросы внедрения информатики и информационных технологий в сферу образования.
Для преподавания нового
предмета в течение летнего периода 1985 и 1986 гг. была проведена интенсивная
курсовая подготовка учителей, главным образом из числа работающих
преподавателей математики и физики [57], а также организаторов образования
[56]. Этот контингент был пополнен путем ускоренной углубленной подготовки в
области информатики и вычислительной техники будущих молодых учителей —
выпускников физико-математических факультетов 1985—1986 гг. В то же время
Министерством просвещения СССР были приняты оперативные организационно-методические
меры по организации регулярной подготовки учителей информатики и вычислительной
техники на базе физико-математических факультетов пединститутов [37, 38].
Чтобы точнее понимать
характер и уровень сложности проблем, которые требовалось в сжатые сроки решить
в сфере кадрового обеспечения введения предмета ОИВТ в школу или, если сказать
шире, в сфере компьютеризации школы в целом, следует напомнить о том, каким был
фактический уровень подготовки в области информатики и ЭВМ учителей, работавших
в середине 1980-х гг. в школах СССР.
Впервые весьма краткий
ознакомительный курс программирования для ЭВМ с экзотическим названием
«Математические машины и программирование с вычислительным практикумом»
появился в учебных планах физико-математических факультетов педагогических
вузов в 1964 г. В 1970 г. в учебные планы этих учебных заведений вводится
обновленный курс «Вычислительные машины и программирование» (около 50 часов),
причем содержание программы этого курса явно не соответствует перспективным
направлениям развития программирования.
Следующая официальная версия
программы синтетического курса «Вычислительная математика и программирование»
(1976) уже отводила на программирование около 70 часов и предполагала, в
частности, ознакомление с языком высокого уровня Алгол-60 [45]. При этом
следует учесть, что наивысшим для того времени уровнем технического
обеспечения, причем для очень небольшого числа педвузов страны, являлось
наличие одной — двух малых ЭВМ типа «Наири», «Проминь», «Мир» и т.п. К концу
1970-х гг. в педвузах России было открыто лишь четыре кафедры программирования
и вычислительной математики (Москва, Ленинград, Свердловск, Омск), а первые
персональные ЭВМ (отечественные ПЭВМ ряда «Искра», «ДВК», «Электроника») стали
появляться в очень ограниченном количестве и в очень ограниченном числе
педвузов практически лишь к середине 1980-х гг.
Из сказанного выше со всей
очевидностью следует, что к моменту введения информатики в среднюю школу (1985)
уровень компьютерной подготовки работавших в то время в школе выпускников
физико-математических факультетов педвузов в массе своей ни в какой мере не
соответствовал требованиям преподавания нового курса ОИВТ.
Причины очевидны:
• педвузовское образование не
давало образования в области информатики, а было ориентировано лишь на
ознакомление с началами программирования, причем на значительно более отсталом
идейном уровне, чем тот, на котором курс информатики стал вводиться в школу;
• педвузовская подготовка по
программированию носила исключительно образовательный характер, она не была
ориентирована на преподавание этого предмета школьникам (не было такой задачи).
Очевидно, что предпринимаемые
во второй половине 1980-х гг. государственными и региональными органами
управления образованием самые решительные и оперативные организационно-методические
меры по обеспечению срочной доподготовки учителей для преподавания информатики
и вычислительной техники из числа работающих учителей математики и физики
годились лишь как неотложные меры первого этапа внедрения ОИВТ в школу. Что же
касается налаживания регулярной подготовки учителей информатики и организаторов
компьютеризации школы на базе физико-математических факультетов пединститутов,
как и осуществления последующих мероприятий по приведению в соответствие
компьютерного образования учителей других школьных дисциплин, то эти меры
должны были опираться на основательные научно-методические обоснования и
разработки.

1.10. Рекомендации к проведению
семинарского занятия

Тема «Этапы введения ЭВМ,
программирования и элементов кибернетики в среднюю школу СССР и России
(середина 50-х — середина 80-х гг. XX в.)»
Вопросы для обсуждения:
1. Анализ исторических
предпосылок формирования целей и задач введения в школу предмета ОИВТ.
2 Алгоритмическая культура
учащихся как исходный базис для формирования целей обучения информатике в
школе.
3 Начальная концепция
школьной информатики (А. П. Ершов и др.)

Литература к главе 1

1. Абрамов С.А., Антипов
И.Н. Программирование на упрощенном Алголе. - М.: Наука, 1978.
2. Алгебра-8: Учеб. пособие
для сред. шк. — М.: Просвещение, 1974, 1979, 1982.
3. Антипов И.Н. Абстрактная
модель ЭВМ для безмашинного обучения элементам программирования // Новые
исследования в педагогических науках. - 1975. - № 12 (XXVI).
4. Антипов И.Н. Алгоритмический
язык АЛГОЛ-60. — М.: Просвещение, 1975.
5. Антипов И.Н. Программирование:
Учеб. пособие по факультативному курсу для учащихся VIII—IX кл. — М.: Просвещение, 1976.
6. Антипов И.Н. Учебная
модель ЭВМ // Математика в школе. — 1977. — № 3.
7. Антипов И.Н.,
ШварцбурдЛ. С. О символике школьного курса математики с точки зрения
программирования // Математика в школе. — 1975. - № 6.
8. Велихов Е. П. Новая
информационная технология в школе // ИНФО. — 1986.-№1.
9. Виленкин Н.Я., Блох
А.Я. Изучение дискретной математики в школе // Математика в школе. — 1977.
— № 6.
10. Гейтс Билл. Дорога
в будущее: Пер. с англ. — М.: Изд. отд. «Русская редакция» ТОО «Channel Trading Ltd.», 1996.
11. Гиглавый А.В., Згут
М.А., Кравчук Т.П. Учим работать с ЭВМ (из опыта работы первого
межшкольного учебно-производ. комб. вычислительной техники Октябрьского р-на г.
Москвы): Пособие для учителя. — М.: Просвещение, 1984.
12. Гутер Р. С., Овчинский
Б.В., Резниковский П. Т. Программирование и вычислительная математика. —
М.: Просвещение, 1965.
13. Дашевский Л. Я., Шкабара
Е.А. Как это начиналось. — М.: Знание, 1981.
14. Ершов А. П. Программирование
— вторая грамотность. — Новосибирск, 1981. (Препринт / АН СССР, Сиб. отд. ВЦ;
293).
15. ЕршовА.П.,
Звенигородский Г.А. Информатика//ИНФО.— 1987.— № 3.
16. Ершов А. П., Звенигородский
Т.А. Зачем надо уметь программировать // Квант. - 1979. - № 9.
17. Ершов А.П.,
Звенигородский Г.А., Первин Ю.А. Школьная информатика (концепции,
состояние, перспективы). — Новосибирск, 1979. (Препринт / АН СССР. Сиб. отд-ние
ВЦ; 152 с.).
18. Жалдак М.И., Рамский
Ю. С. Программирование на микрокалькуляторах: Пособие для самообразования
учителей. — Киев: Рад. шк., 1985.
19. Звенигородский Г. А. Вычислительная
техника и ее применение. — М.: Просвещение, 1987.
20. Звенигородский Т.А. Первые
уроки программирования. — М.: Наука, 1985.
21. Звенигородский Т.А. Программное
наполнение системы «Школьница». — Новосибирск, 1987.
22. Звенигородский Г.А.,
Первин Ю.А., Юнерман И.А. Заочная школа профаммирования//Квант. — 1979.—
№9—11; 1980.-№ 1 — 3; 1981.— № 1-3.
23. Изучение основ
информатики и вычислительной техники: Пособие для учителей / Под ред.
А.П.Ершова, В.М.Монахова. — М.: Просвещение, 1985.— Ч. 1.
24. Изучение основ
информатики и вычислительной техники: Пособие для учителей / Под ред.
А.П.Ершова, В.М.Монахова. — М.: Просвещение, 1986. — Ч. 2.
25. Ионов Г. И. Электронный
помощник учителя // Математика в школе. - 1983. - № 5.
26. Канторович Л. В.,
Соболев С.Л. Математика в современной школе // Математика в школе. — 1979.
— № 4.
27. Касаткин В. И. Введение
в кибернетику: Пособие для факультативных занятий в 9 классе. — Киев, 1976.
28. Касаткин В.Н. Программирование
как элемент общего образования // Кибернетика. — 1973. — № 2.
29. Касаткин В. Н. Элементы
анализа и синтеза простейших автоматов в школьном курсе математической логики
// Математика в школе. — 1964.-№1.
30. Касаткин В.Н., Верлань
А.Ф. Секреты кибернетики. — Киев: Рад. шк., 1971.
31. К вопросу преподавания
программирования в средней школе / В.Н.Антипов, Н.Б.Балыгюк, А.Д.Кудрявцев,
В.В.Щенников // Математика в школе. — 1973. — № 5.
32. Ковалев М. П.,
Шварцбурд С.И. Электроника помогает считать: Пособие для учителей. — М.:
Просвещение, 1978.
33. Колмогоров А.Н. Современная
математика и математика в современной школе // Математика в школе. — 1971. — №
6.
34. Кузнецов А. А. Изучение
факультативного курса «Основы кибернетики». Факультативные занятия в средней
школе.— М.: Педагогика, 1978.
35. Кузнецов А.А. Основы
кибернетики // Содержание углубленного изучения физики в средней школе. — М.:
Педагогика, 1974.
36. Кузнецов А.А. Цифровые
вычислительные машины: Учеб. материалы для учащихся. — М., 1969.
37. Лапчик М. П. Готовить
учителей нового типа // ИНФО. — 1987. — № 2.
38. Лапчик М.П. Информатика
и информационные технологии в системе общего и педагогического образования:
Монография. — Омск: Изд-во Ом. гос. пед. ун-та, 1999.
39 Лапчик М.П. Метод
блок-схем в профаммировании: Учеб. пособие. — Омск, 1969.
40 Лапчик М.П. Обучение
алгоритмизации. — Омск, 1977.
41 Лапчик М.П. Основы
программирования: Учеб. пособие для учащихся. - М.: НИИ СИМО АПН СССР, 1972.
42. Лапчик М.П. Проблема
формирования алгоритмической культуры школьников. Сообщение 1. Постановка
проблемы, выдвижение целей и задач исследования // Новые исследования в
педагогических науках. — М.: Педагогика, 1976. - № 1(27). - С. 33-36.
43. Лапчик М.П. Проблема
формирования алгоритмической культуры школьников. Сообщение 2. Алгоритмическая
культура учащихся: содержание понятия // Новые исследования в педагогических
науках. — М.: Педагогика, 1976. - № 2(28). - С. 37-41.
44. Лапчик М.П. Профаммирование
для трехадресной машины: Учеб. пособие для студентов мат. фак. пед. ин-тов /
Под ред. проф. А. Л. Брудно. — Омск, 1972.
45. Лапчик М.П. Элементы
профаммирования для ЭВМ: Учеб. пособие для студентов физ.-мат. фак. пед.
ин-тов. — Омск, 1976.
46. Леднев В. С. Годом
рождения курса является 1961-й // ИНФО. — 1999. - № 10.
47. Леднев В. С. Содержание
образования. — М.: Высш. шк., 1989.
48. Леднев В. С., Кузнецов
А.А. Начала кибернетики: Учеб. Материалы для учащихся. — М., 1968.
49. Леднев В. С., Кузнецов
А.А. Перспективы изучения кибернетики в школе // Перспективы развития
содержания общего среднего образования. — М., 1974.
50. Леднев В. С., Кузнецов
А.А. Перспективы изучения основ кибернетики в средней школе // Советская
педагогика. — 1975. — № 6.
51. Леднев В. С., Кузнецов
А.А. Программа факультативного курса «Основы кибернетики» // Математика в
школе. — 1975. — № 1.
52. Леднев В. С, Кузнецов
А. А., Бешенков С. А. Состояние и перспективы развития курса информатики в
общеобразовательной школе // ИНФО. — 1998. - № 3.
53. Ляпунов А.А. О
реформе математических профамм // Математика в школе. — 1973. — № 2.
54. Монахов В. М. О
специальном факультативном курсе «Программирование» // Математика в школе. —
1973. —№ 2.
55. Монахов В.М. Профаммирование.
Факультативный курс: Пособие для учителя. — М.: Просвещение, 1974.
56. Научно-методические
основы информатики и электронно-вычислительной техники: Проф. повышения
квалификации организаторов нар. образования (60 ч) / Сост. В.И.Ефимов, М.П.Лапчик
и др. — М.: Ротапринт Минпроса СССР.
57. Научно-методические
основы информатики и вычислительной техники: Проф. подгот. учителей математики
и физики сред, общеобразоват. шк., преподавателей ПТУ и ССУЗ (72 ч): АПН СССР,
НИИ СИМО / Сост.
В.М.Монахов, А.А.Кузнецов,
М.П. Лапчик и др. — М.: Ротапринт Минвуза СССР, 1985.
58. Об использовании
микрокалькуляторов в учеб, процессе // Математика в школе. — 1982. — № 3.
59. Обучение в математических
школах: Сб. ст. / Сост. С.И.Шварц-бурд, В.М.Монахов, В.Г.Ашкинузе. — М.:
Просвещение, 1965.
60. О включении элементов
программирования в школьный курс математики / В.Н.Антипов, Н.Б.Бальцюк, С. И.
Шварцбурд, В.В.Щенников // Математика в школе. — 1974. — № 4.
61. Основные направления
реформы общеобразовательной и профессиональной школы: Сб. док. и материалов. —
М.: Политиздат, 1984.
62. Основы информатики и
вьиислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений / Под
ред. А.П.Ершова, В.М.Монахова. — М.: Просвещение, 1985. - Ч. 1.
63. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений / Под
ред. А.П.Ершова, В.М.Монахова. — М.: Просвещение, 1986. - Ч. 2.
64. Основы информатики и
вычислительной техники: Прогр. сред, общеобразовательной шк.: Рек. Гл. упр.
школ М-ва просвещения СССР / Сост. А.А. Кузнецов, С. И. Шварцбурд, Г.
М.Нурмухамедов, Д.О.Смекалин, Я.Э.Гольц, С.А.Бешенков, В.К.Белошапка,
Ю.А.Первин, Э.Ю.Красс, Э. И. Кузнецов, М. П. Лапчик, Н. В. Апатова / Под ред.
А. П. Ершова, В. М. Монахова, Л. Н. Преснухина // Математика в школе. — 1985. —
№ 3. — С. 4 — 7.
65. Поспелов Д. А. Становление
информатики в России // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». —
1999. — № 19.
66. Проблемы педагогики
информационного общества и основы педагогической информатики / Г.А.Бордовский,
В.В.Извозчиков, И.А.Румянцев, А.М.Слуцкий //Дидактические основы компьютерного
обучения. -Л. - 1989. - С. 3-32.
67. Работа со школьниками в
области информатики: Опыт Сиб. отд-ния АН СССР / А.П.Ершов, Г.А.Звенигородский,
С.И.Литерат, Ю.А.Первин // Математика в школе. — 1981. — №1.
68. Резниковский П. Т.,
Монахов В.М. Программирование для одноадресных машин. — М.: Просвещение,
1968.
69. Саградян М.К.,
Кузнецов Э.И. Обучение элементам программирования на базе электронных
клавишных машин // Математика в школе. — 1980. — № 1.
70. Симою М.П., Резник
С.М. и др. Обучение программированию и практика на ЭЦВМ // Линейная алгебра
и геометрия (Проблемы математической школы). — М.: Просвещение, 1967.
71. Формирование
алгоритмической культуры школьника при обучении математике: Пособие для
учителей / В.М.Монахов, М.П.Лапчик, Н.Б.Демидович, Л.П.Червочкина — М.:
Просвещение, 1978.
72. Шварцбурд С. И. Из
опыта работы с учащимися 9 класса, овладевающими специальностью
лаборантов-программистов // Математика в школе. — 1960. — № 5.
73. Шварцбурд С. И. Математическая
специализация учащихся средней школы: Из опыта работы шк. N° 444 г. Москвы. —
М.: Просвещение,
1963.
74. Шварцбурд С. И. О
подготовке программистов в средней общеобразовательной политехнической школе //
Математика в школе. — 1961. — №2.
75. Шварцбурд С. И. Проблемы
повышенной математической подготовки учащихся. — М., 1972.

Глава 2
ПРЕДМЕТ МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ
ИНФОРМАТИКИ

2.1. Информатика как наука:
предмет и понятие

Появление и начальное
становление информатики как науки относится ко второй половине прошлого века.
Область интересов информатики — это структура и общие свойства информации, а
также вопросы, связанные с процессами поиска, сбора, хранения, преобразования,
передачи и использования информации в самых различных сферах человеческой
деятельности. Обработка огромных объемов и потоков информации немыслима без
автоматизации и систем коммуникации, поэтому электронные вычислительные машины
и современные информационные и коммуникационные технологии являются и
фундаментальным ядром, и материальной базой информатики.
Термин «информатика» (в том
смысле как он применен в первом абзаце) в отечественной литературе используется
сравнительно недавно, к тому же его толкование до настоящего времени еще нельзя
считать установившимся и общепринятым. Терминологические и понятийные
трудности, связанные с сущностью самого понятия «информатика» (равно как и
производных понятий) не преодолены до сих пор. Обратимся к истории вопроса,
восходящей ко времени появления электронных вычислительных машин.
После второй мировой войны
получила бурное развитие кибернетика как общая наука об управлении и
связи в системах различной природы — искусственных, биологических, социальных.
Рождение кибернетики принято
связывать с опубликованием в 1948 г. американским математиком
Норбертом Винером книги «Кибернетика, или Управление и связь в животном и
машине». В этой работе были показаны пути создания общей теории управления и
заложены основы методов рассмотрения проблем управления и связи для различных
систем с единой точки зрения. Развиваясь одновременно с прогрессом электронных
вычислительных машин, кибернетика со временем превращалась в более общую науку
о преобразовании информации. Под информацией в кибернетике понимается любая
совокупность сигналов, воздействий или сведений, которые некоторая система
воспринимает от окружающей среды (входная информация X), выдает в окружающую среду (выходная информация Y), а также хранит в себе (внутренняя, внутрисистемная
информация Z) (рис. 2.1).

Рис. 2.1

Развитие кибернетики в нашей
стране переживало драматические периоды (достаточно подробный обзор событий и
фактов, сопровождавших становление информатики в СССР и, далее, в России, дан в
статье Д. А. Поспелова [32]). Как писал в начале 1960-х гг. академик А. И.
Берг, немало сделавший для официального признания кибернетики в Советском
Союзе, «... в 1955 — 57 гг. и даже позже в нашей литературе были допущены
грубые ошибки в оценке значения и возможностей кибернетики. Это нанесло серьезный
ущерб развитию науки в нашей стране, привело к задержке в разработке многих
теоретических положений и даже самих электронных машин» [4]. Достаточно
сказать, что еще в четвертом издании «Краткого философского словаря» (1954)
кибернетика была определена как «реакционная лженаука, возникшая в США после
второй мировой войны и получившая широкое распространение и в других капиталистических
странах; форма современного механицизма» [34]. Помимо чисто идеологических
мотивов, причиной этого явления послужили, с одной стороны, недооценка новой
бурно развивающейся науки отдельными учеными «классического» направления, с
другой — неумеренное пустословие тех, кто вместо активной разработки конкретных
проблем кибернетики в различных областях спекулировал на полуфантастических
прогнозах о ее безграничных возможностях, дискредитируя тем самым эту науку.
Случилось так, что «...кибернетика обросла паразитным слоем пустой болтовни, за
которой не все сумели разглядеть очень важное научно-техническое открытие,
создавшее предпосылки для революции в развитии производительных сил
человеческого общества» [7].
Но и после преодоления
идеологических барьеров и официального признания кибернетики как науки (а уже в
1959 г. в Академии наук СССР был создан Научный совет по комплексной проблеме
«Кибернетика») трудностей не убавилось. Дело в том, что развитие отечественной
кибернетики в течение длительного периода сопровождалось серьезными неудачами в
реализации крупных государственных проектов. Приведем краткий обзор положения,
сложившегося к середине 1980-х гг., ссылаясь на оценки специалистов [13].
Воодушевляющие перспективы
применения кибернетики в народном хозяйстве возбудили предложения широкого
применения математических методов и ЭВМ для целей глобального планирования и
управления. Сформулированные крупными учеными, эти предложения нашли отражения
в партийных и правительственных решениях. В государственные планы включались
программы создания автоматизированных систем управления (АСУ) во всех звеньях
народного хозяйства от предприятия до отрасли. АСУ должны были стать базой
структурной перестройки управления народным хозяйством: с АСУ должны были
взаимодействовать автоматизированные системы управления технологическими
процессами (АСУТП), над АСУ предполагалось создать автоматизированные системы
плановых расчетов (АСПР). Все автоматизированные системы планировалось
реализовать на единой общегосударственной сети вычислительных центров. Однако
по ряду причин были доведены до практической реализации лишь отдельные
фрагменты системы управления, общая же идея достижения глобальной цели
управления не была осуществлена.
К середине 1970-х гг. была
поставлена задача создания САПР (систем автоматического проектирования); в
рамках САПР получила развитие идея создания автоматизированных рабочих мест
(АРМ) конструкторов, научных работников, плановиков и т.п. Позднее получила
широкое распространение и поддержку идея создания гибких автоматизированных
производств (ГАП) и промышленных роботов.
Работа в указанных
направлениях привела к накоплению значительного опыта создания информационных
систем управления технико-экономическими объектами, были созданы отдельные
САПР, давшие возможность многократно увеличить производительность труда
проектировщиков новых сложных систем; Достигнуты определенные успехи в области
конструирования и «интеллектуализации» ЭВМ, в технологии их изготовления.
Вместе с тем первоначально поставленные глобальные цели все-таки не были
достигнуты. Сложилась ситуация, в которой, с одной стороны, требовалось
окончательно отмежеваться от шелухи пустословия и выделить из кибернетики
здоровое научное и техническое ядро, а с другой — консолидировать силы для
развития нового движения к давно уже стоящим глобальным целям. (К сожалению,
приходится констатировать, что неудачи и незавершенность крупномасштабных
государственных проектов в области информатизации общества сохранялись и после
описанных событий.)
Подойдем сейчас к вопросу о
становлении информатики на основе кибернетики с терминологической точки зрения.
Вскоре вслед за появлением термина «кибернетика» в мировой науке стало
использоваться англоязычное «Computer Science» (компьютерная наука); этот термин и
сейчас достаточно широко распространен в Соединенных Штатах Америки, в Канаде и
некоторых странах латино-американского континента в качестве наименования как
для научной, так и учебной дисциплины, изучающих процессы обработки, хранения и
передачи информации при помощи компьютеров и телекоммуникационных систем [11].
Чуть позже, на рубеже 60-х и
70-х гг. XX века, французы ввели термин «informatique» (информатика), образованный, судя по всему, как
производное от двух французских слов — «informatione» (информация) и «avtomatique»
(автоматика). Новый термин получил впоследствии распространение в СССР (следовательно,
в России и странах СНГ) и странах Западной Европы. Надо сказать, что в русском
языке наиболее раннее (примерно с середины 1960-х гг.) употребление термина
«информатика» было связано с узкоконкретной областью научно-технической
информации и документалистики (см., например, [25]). Согласно определению,
данному в Большой советской энциклопедии, информатика рассматривалась как
«дисциплина, изучающая структуру и общие свойства научной информации, а также
закономерности ее создания, преобразования, передачи и использования в
различных сферах человеческой деятельности» [26]. Подобное определение
связывало информатику с библиотековедением, библиографией, методами поиска
информации в массивах документов. С этой целью в 1952 г. был создан Институт
научной информации АН СССР, позже преобразованный в ВИНИТИ — Всесоюзный
институт научной и технической информации.
Параллельно с этим
направлением (и независимо от него) развивалось другое толкование термина
«информатика», которое, как считал академик А.П.Ершов, начиная со второй
половины 1970-х гг. стало широко закрепляться в отечественной литературе после
появления перевода с немецкого (под ред. А. П. Ершова) учебного пособия и
задачника [1, 2] по вузовскому курсу информатики. Поясняя значение термина
«информатика» (в связи с открытием с 1983 г. в составе Академии наук СССР
нового отделения информатики, вычислительной техники и автоматизации),
А. П. Ершов утверждал, что
этот термин вводится в русский язык как название фундаментальной естественной
науки, изучающей процессы передачи и обработки информации. При таком толковании
информатика оказывается более непосредственно связанной с философскими и
общенаучными категориями, проясняется и ее место в кругу «традиционных»
академических научных дисциплин».
Комментируя это определение
информатики, А. П. Ершов отмечал далее: «Сознавая некоторую относительность
деления наук на естественные и общественные, мы все же относим информатику к
естественнонаучным дисциплинам в соответствии с принципом вторичности сознания
и его атрибутов и с представлением о единстве законов обработки информации в
искусственных, биологических и общественных системах. Отнесение информатики к
фундаментальным наукам отражает общенаучный характер понятия информации и
процессов ее обработки. Информатика как самостоятельная наука вступает в свои
права тогда, когда для изучаемого фрагмента мира построена так называемая
информационная модель. И хотя общие методологические принципы построения
информационных моделей могут быть предметом информатики, само построение и
обоснование информационной модели является задачей частной науки. Понятия
информационной и математической моделей очень близки друг к другу, поскольку и
та и другая являются знаковыми системами. Информационная модель — это то
сопряжение, через которое информатика вступает в отношение с частными науками,
не сливаясь с ними, и в то же время не вбирая их в себя» [8, с. 29—30].
Созвучно высказанному выше
представлению о науке информатике и мнение академика Н.Н.Моисеева: «Зародившись
в недрах науки о процессах управления — кибернетики, информатика ... буквально
на наших глазах из технической дисциплины о методах и средствах обработки
данных при помощи средств вычислительной техники превращается в фундаментальную
естественную на-уку об информации и информационных процессах в природе и обществе»
[28]. Между тем среди отечественных ученых с самого начала становления
информатики как самостоятельной отрасли науки не было полного единодушия в
ответе на вопрос, что такое информатика.
В том же «установочном»
сборнике «Становление информатики» В- С.Михалевич, Ю. М. Каныгин и В. И.
Гриценко утверждают: «Информатика — комплексная научная и инженерная
дисциплина, изучающая все аспекты разработки, проектирования, создания, оцен-Kttj Функционирования машинизированных (основанных на ЭВМ) систем
переработки информации, их применения и воздействия на различные области
социальной практики» [27]. Как видим, в последнем толковании не только явно
подчеркивается связь самого возникновения информатики с развитием компьютерной
техники, но и то, что информатика — это следствие развития ЭВМ.
Коснемся вопроса об объекте и
предмете науки информатики. В общегносеологическом плане противопоставление
объекта и предмета науки является относительным [36]. И все же представление о
различии понятий «объект науки» и «предмет науки» важно для установления
существа любой науки.
Объект — это область действительности, на которую
направлена деятельность исследователя, а предмет — это посредствующее
звено между субъектом и объектом исследования. Понятие «предмет науки» выражает
диалектическое единство объективной и субъективной сторон познания, оно не
тождественно понятию «объект науки». Основное структурное отличие предмета от
объекта заключается в том, что в предмет входят лишь главные, наиболее существенные
свойства и признаки[3].
Объект выступает как такая
часть объективной реальности, которая находится во взаимодействии с субъектом,
причем само выделение объекта познания осуществляется при помощи форм
практической и познавательной деятельности, выработанных обществом и отражающих
свойства объективной реальности [36, с. 452]. Предметная область — область
объектов, универсум рассмотрения (рассуждения), класс (множество) объектов,
рассматриваемых в пределах данного контекста (понимаемом как отдельное
рассуждение, фрагмент научной теории или теория в целом). Например, в теории
чисел предметной областью служит натуральный ряд (множество целых
неотрицательных чисел) [36, с. 525].
В.С.Леднев при сопоставлении
понятий «объект» и «предмет» науки опирается на представления о двух способах
отражения наами их объектов: аспектный и объектный [20, с. 85 — 87]. При этом
при определении предмета науки учитывается не только ее объект, «… но и аспект
отражения наукой ее объекта» [20, с. 99]. Вот как описывает В.С.Леднев предмет
и объект науки кибернетики: «Предметная область кибернетики охватывает... живую
природу, человека, общественные и технические системы. Но эта предметная
область кибернетикой всесторонне не изучается. Всесторонне (в объектном плане)
ее изучают биология, антропологические, общественные и технические науки.
Кибернетика изучает только информационно-управленческий аспект этой предметной
области — процессы управления. К тому же она рассматривает лишь определенную
сторону процесса управления — его общие закономерности, свойственные любым
процессам управления, т.е. не зависящие от специфики конкретных систем» [20, с.
90].
Отсюда напрашивается вывод,
что предмет информатики, как и кибернетики, образуется на основе широких
областей своих приложений, а объект — на основе общих закономерностей,
свойственных любым информационным процессам в природе и обществе.
Действительно, поскольку
информационный подход все более начинает восприниматься как общенаучный метод
познания природы и общества, широчайшие приложения информатики становятся ее
важнейшей особенностью. Это приложения, охватывающие в основном все виды
общественной деятельности: производство, управление, науку, образование,
проектные разработки, торговлю, денежно-кассовые операции, медицину,
криминалистику, охрану окружающей среды и др., а также быт, личную
деятельность. Главное значение здесь имеет совершенствование социального
управления на основе информационных процессов и информационно-коммуникационных
технологий.
Информатика изучает то общее,
что свойственно всем многочисленным разновидностям конкретных информационных
процессов (технологий). Эти информационные процессы и технологии и есть объект
информатики (см. также [27, с. 33— 35]).
Предмет информатики
определяется многообразием ее приложений. Различные информационные технологии,
функционирующие в разных видах человеческой деятельности (управление
производственным процессом, системы проектирования, финансовые операции,
образование и т.п.), имея общие черты, в то же время существенно различаются
между собой. Тем самым образуются различные «предметные» информатики,
базирующиеся на разных наборах операций и процедур, различных видах
кибернетического оборудования (во многих случаях наряду с компьютером
используются специализированные приборы и устройства), разных информационных
носителях и т.п.
Одной из областей
человеческой деятельности, испытывающей в настоящее время активное влияние
информатики, является система образования. Ветвь информатики, обслуживающая
проблемы средней школы, получила название школьной информатики. Впервые
в отечественной литературе этот термин введен в широкое употребление в
одноименном концептуальном документе, разработанном под руководством А.П.Ершова
[9]. Воспроизведем описание предмета школьной информатики, опираясь на основные
положения указанной работы.
Школьная информатика определяется
как ветвь информатики, занимающаяся исследованием и разработкой программного,
технического, учебно-методичесйсого и организационного обеспечения применения
ЭВМ в школьном учебном процессе.
Программное (или математическое) обеспечение школьной
информатики поддерживает информационную, управляющую и обучающую системы
средней школы, включает в себя программистские средства для проектирования и
сопровождения таких систем, а также средства общения с ними, ориентированные на
школьников, учителей и работников аппарата управления органами просвещения.
В области технического
обеспечения школьная информатика имеет своей целью экономически обосновать
выбор технических средств для сопровождения учебно-воспитательного процесса
школы; определить параметры оборудования типовых школьных кабинетов
вычислительной техники (КВТ); найти оптимальное соотношение использования
серийных средств и оригинальных разработок, ориентированных на среднюю школу.
Учебно-методическое
обеспечение школьной
информатики состоит в разработке учебных программ, методических пособий,
учебников по школьному курсу информатики, а также по всем школьным предметам,
которые могут испытывать методологическое влияние информатики, и по курсам, при
преподавании которых планируется использование средств информатики.
Проблемы организационного
обеспечения, связанного с внедрением и поддержанием новой информационной
технологии учебного процесса, сложны и многообразны, особенно на первом этапе
компьютеризации школьного образования. Сюда, в частности, относятся:
организационно-технические мероприятия по обеспечению и последующему
сопровождению технической базы школьной информатики; организации разработки,
тиражирования и доставки педагогических программных средств (ППС) в школу;
подготовка и переподготовка кадров для всех уровней системы просвещения и
прежде всего школьных учителей, способных нести в массовую школу информатику
как новую научную дисциплину, как инструмент совершенствования преподавания
других школьных предметов, как стиль мышления.
В связи с развитием
информатики возникает вопрос о ее взаимосвязи и разграничении с кибернетикой.
При этом, очевидно, требуется уточнение предмета науки кибернетики, более
строгое его толкование. Информатика и кибернетика имеют много общего
основанного на концепции управления, однако «...информатика не растворяется
целиком в кибернетике» [27, с. 35]. Один из подходов разграничения информатики
и кибернетики — отнесение к области информатики исследований информационных
технологий только в социальных системах, а не в любых кибернетических системах
(т.е. системах любой природы: биологических, технических и т.д.). Кроме того,
за кибернетикой сохраняются исследования общих законов движения информации в
произвольных системах, в то время как информатика, «опираясь на этот теоретический
фундамент, изучает технологию — конкретные способы и приемы переработки, передачи,
использования информации. Кибернетические принципы не зависят от частных
реальных систем, а принципы информатики всегда в технологической связи именно с
реальными системами» [27, с. 36].
Не все разделы информатики
возникали одновременно. История информатики связана с постепенным расширением
области ее интересов. Возможность расширения диктовалась развитием компьютеров
и накоплением моделей и методов их применения при решении задач различного
типа.
Как считает Д. А. Поспелов,
структуру информатики в настоящее время определяют следующие основные области
исследования [32]:
• теория алгоритмов
(формальные модели алгоритмов, проблемы вычислимости, сложность вычислений и
т.п.);
• логические модели
(дедуктивные системы, сложность вывода, нетрадиционные исчисления: индуктивный
и дедуктивный вывод, вывод по аналогии, правдоподобный вывод, немонотонные
рассуждения и т.п.);
• базы данных (структуры
данных, поиск ответов на запросы, логический вывод в базах данных, активные
базы и т.п.);
• искусственный интеллект
(представление знаний, вывод на знаниях, обучение, экспертные системы и т.п.);
• бионика (математические
модели в биологии, модели поведения, генетические системы и алгоритмы и т.п.);
• распознавание образов и
обработка зрительных сцен (статистические методы распознавания, использование
призначных пространств, теория распознающих алгоритмов, трехмерные сцены и т.
п.);
• теория роботов (автономные
роботы, представление знаний о мире, децентрализованное управление,
планирование целесообразного поведения и т.п.);
• инженерия математического
обеспечения (языки программирования, технологии создания программных систем,
инструментальные системы и т.п.);
• теория компьютеров и
вычислительных сетей (архитектурные решения, многоагентные системы, новые
принципы переработки информации и т.п.);
• компьютерная лингвистика
(модели языка, анализ и синтез текстов, машинный перевод и т.п.);
• числовые и символьные
вычисления (компьютерно-ориентированные методы вычислений, модели переработки
информации в различных прикладных областях, работа с естественно-языковыми
текстами и т.п.);
• системы человеко-машинного
взаимодействия (модели дискурса, распределение работ в смешанных системах,
организация коллективных процедур, деятельность в телекоммуникационных системах
и т.п.);
• нейроматематика и
нейросистемы (теория формальных нейронных сетей, использование нейронных сетей
для обучения, нейрокомпьютеры и т.п.);
• использование компьютеров в
замкнутых системах (модели реального времени, интеллектуальное управление,
системы мониторинга и т. п.).

фундаментальные
  Основы информатики

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ
ИНФОРМАТИКА

Информация как семантическое свойство
  материи. Информация и эволюция в живой и неживой природе. Начало общей теории
  информации. Методы измерения информации, Макро- и микроинформация.
  Математические и информационные модели. Теория алгоритмов. Стохастические
  методы в информатике. Вычислительный эксперимент как методология научного
  исследования. Информация и знания. Семантические аспекты интеллектуальных
  процессов и информационных систем. Информационные системы искусственного
  интеллекта. Методы представления знаний. Познание и творчество как
  информационные процессы. Теория и методы разработки и проектирования
  информационных систем и технологий.

СРЕДСТВА
  ИНФОРМАЦИИ

ТЕХНИЧЕСКИЕ

ОБРАБОТКИ, ОТОБРАЖЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Персональные компьютеры. Рабочие
  станции. Устройства ввода/вывода и отображения информации. Аудио- и видеосистемы,
  системы мультимедиа. Сети ЭВМ. Средства связи и компьютерные телекоммуникационные
  системы.

ПРОГРАММНЫЕ

ПРОГРАММНЫЕ

СИСТЕМНЫЕ

Операционные системы и среды. Системы и
  языки программирования. Сервисные оболочки, системы пользовательского интерфейса.
  Программные средства межкомпьютерной связи (системы теледоступа),
  вычислительные и информационные среды.

РЕАЛИЗАЦИИ
  ТЕХНОЛОГИЙ

УНИВЕРСАЛЬНЫХ

Текстовые и графические редакторы.
  Системы управления базами данных. Процессоры электронных таблиц. Средства
  моделирования объектов, процессов, систем. Информационные языки и форматы
  представления данных и знаний; словари; классификаторы; тезаурусы. Средства
  зашиты информации от разрушения и несанкционированного доступа.

ПРОФЕССИОНАЛЬНО-
ориентиро-
ВАННЫХ

Издательские системы. Системы реализации
  технологий автоматизации расчетов, проектирования, обработки данных (учета,
  планирования, управления, анализа, статистики и т.д.). Системы искусственного
  интеллекта (базы знаний, экспертные системы, диагностические, обучающие и
  др.).

ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ

Ввода/вывода, сбора, хранения, передачи
  и обработки данных. Подготовки текстовых и графических документов,
  технической документации. Интеграции и коллективного использования разнородных
  информационных ресурсов. Защиты информации. Программирования, проектирования,
  моделирования, обучения, диагностики, управления (объектами, процессами,
  системами).

СОЦИАЛЬНАЯ
ИНФОРМАТИКА

Информационные ресурсы как фактор
  социально-экономического и культурного развития общества. Информационное
  общество — закономерности и проблемы становления и развития. Информационная
  инфраструктура общества. Проблемы информационной безопасности. Новые
  возможности развития личности в информационном обществе. Проблемы демократизации
  в информационном обществе и пути их решения. Информационная культура и
  информационная безопасность личности.

Рис. 2.2.
Структура предметной области информатики

Для сферы образования крайне
существенно адекватное определение предметной области информатики, отражающей
все фундаментальные основы этой области научного знания. На рис. 2.2
воспроизведена структура предметной области «Информатика» в той интерпретации,
которая была представлена в Национальном докладе Российской Федерации на II Международном Конгрессе ЮНЕСКО «Образование и информатика» [31].
Эта структурная схема
включает четыре раздела: теоретическая информатика, средства информатизации,
информационные технологии, социальная информатика. При этом теоретическая
информатика включает философские основы информатики, математические и информационные
модели и алгоритмы, а также методы разработки и проектирования информационных
систем и технологий. Как отмечает К. К. Колин, «в состав курса впервые включены
вопросы, связанные с изучением социально-экономических аспектов информатизации
общества, которые являются исключительно актуальными и все больше выдвигаются
на первый план самим ходом развития общества. Поэтому такие важные понятия, как
«информационные ресурсы», «информационная инфраструктура» и «информационная
среда общества», а также его «информационный потенциал» и «информационная
безопасность», станут доступными для тех слушателей, которые успешно изучат
предлагаемый базовый курс информатики. Это очень важно в условиях, когда
глобальный процесс информатизации общества все более активно воздействует на
его социальные и экономические структуры, на роль и положение в обществе самого
человека» [11, с. 80].

2.2. Информатика как учебный
предмет в средней школе

Школьный учебный предмет
информатики не может включать всего того многообразия сведений, которые
составляют содержание активно развивающейся науки информатики. В то же время
школьный предмет, выполняя общеобразовательные функции, должен отражать в себе
наиболее общезначимые, фундаментальные понятия и сведения, раскрывающие
существо науки, вооружать учащихся знаниями, умениями, навыками, необходимыми
для изучения основ других наук в школе, а также подготавливающими молодых людей
к будущей практической деятельности и жизни в современном информационном
обществе.
Среди принципов формирования
содержания общего образования современная дидактика выделяет принцип
единства и противоположности логики науки и учебного предмета. Как отмечает
в этой связи Б.Т.Лихачев, «идея единства и противоположности логики науки и
логики конструирования учебного предмета обусловлена тем, что наука развивается
в противоречиях. Она пробивает себе дорогу сквозь толщу предрассудков,
совершает скачки вперед, топчется на месте и даже отступает.
Педагогическая логика
содержания учебного предмета учитывает логику развития основных категорий,
понятий данной науки. Вместе с тем педагоги и психологи руководствуются
необходимостью учета возрастных особенностей освоения материала школьниками,
организуют его на основе как восхождения от абстрактного к конкретному, так и
от конкретного к абстрактному» [23, с. 378]. В связи с этим обстоятельством
приходится констатировать, что на процессе формирования школьного учебного
предмета информатики сказывается чрезвычайно малая временная дистанция между
возникновением информатики как самостоятельной отрасли науки и включением в
практику массовой общеобразовательной школы соответствующего ей нового учебного
предмета — около 10—15 лет. По этой причине определение содержания школьного
курса информатики является очень непростой задачей, на решении которой продолжает
активно сказываться процесс становления самой базовой науки информатики.
Проблема также и в том, что даже целесообразность введения в школу отдельного
предмета информатики не является бесспорной — существуют аргументы (выдвигаемые
как зарубежными, так и отечественными специалистами), которые показывают, что
такой путь не является единственным и бесспорным (см., например, [29, 30, 35] и
др.). Вопрос в конечном итоге заключается в следующем: чего в новом
общеобразовательном знании больше — того, что должно составить отдельный
учебный предмет для общеобразовательной школы, или того, что может (или должно)
быть неразрывно связано с содержанием и технологией изучения всех школьных
предметов? 42
Для ответа на этот вопрос
обратимся к общедидактическому анализу проблемы развития содержания общего
среднего образования, данному B.C. Ледневым [19, 20]. В результате длительного
теоретического и экспериментального исследования, начатого еще в начале 60-х
гг. прошлого века, было установлено, что фундаментальные основы
кибернетического знания должны стать составной частью содержания общего
школьного образования и что для решения этого вопроса требуется введение в
систему школьных дисциплин отдельного учебного курса. Основываясь на
общекибернетической природе нового знания, с самого начала своего исследования
В.С.Леднев для наименования нового школьного предмета использует термин
«кибернетика», однако, для данного рассмотрения это обстоятельство можно
считать непринципиальным. Рассмотрим суть проблемы подробнее (см. также [18,
21, 22]).
Появление кибернетики как
науки, изучающей общие закономерности информационных процессов управления,
стало важнейшим шагом в познании окружающего мира. Как подчеркивал А. П. Ершов,
«понимание единой природы информации вслед за установлением единой природы
вещества и энергии стало важнейшим шагом к постижению материального единства
мира» [8, с. 30]. Основываясь на этих же общенаучных представлениях о двух
типах организации материальных систем — физическом (вещественно-энергетическом)
и кибернетическом (антиэнтропийным) [20, с. 85], В.С.Леднев
анализирует два ряда наук:
• науки, изучающие
вещественно-энергетическую организацию материи (химия, космология, физика);
• науки, изучающие
кибернетическую (антиэнтропийную) организацию материи (кибернетика, биология,
комплекс антропологических наук, обществознание, техникознание).
При этом физика и кибернетика
(каждая из них в своей группе) относятся к категории аспектных наук,
т.е. наук, исследующих наиболее общие закономерности соответственно
вещественно-энергетического и кибернетического подходов к исследованию
действительности. На этой же основе складывается и концепция структуры
содержания общего среднего образования. Согласно этой концепции, в частности,
выделяются две группы общеобразовательных учебных дисциплин, которые изучают
два основных аспекта организации окружающего мира: вещественно-энергетический и
кибернетико-информационный. Каждая их этих групп предметов является системой со
своим системообразующим элементом. В случае вещественно-энергетического аспекта
таким системообразующим предметом является физика, в случае
кибернетико-ин-формационного аспекта — кибернетика (информатика).
Киберне-тико-информационная картина мира формируется практически всеми
школьными предметами, однако только курс кибернетики (информатики) способен подытожить
и обобщить полученные учащимися знания, т.е. выступить в качестве
системообразующего фактора [22].
Таким образом, основываясь на
описанной выше концепции научной картины мира и исходя из того, что набор
обязательных учебных предметов предопределяется двумя факторами — обобщенной
структурой деятельности и структурой объекта изучения [20, с. 108 —109],
В.С.Леднев делает основополагающий вывод об обязательном перечне учебных
общеобразовательных предметов, в число которых включается и кибернетика. При
этом указанные выше два фактора носят объективный характер, что объясняет
стабильность структуры общего среднего образования. Появление в этой структуре
новых устойчивых учебных предметов может быть вызвано лишь существенными
изменениями в научной картине мира и сменой доминирующего вида деятельности.
Весьма примечательно, что курс кибернетики (информатики)— единственный новый
общеобразовательный учебный предмет, родившийся в XX веке, все остальные учебные предметы для сферы общего образования
— продукт XIX века.
Важным в рассматриваемой
проблеме является вопрос о том, как изучать информатику в общеобразовательной
школе — в отдельном учебном курсе, как дисциплину в составе одного из уже
имеющихся курсов или целесообразнее рассредоточить учебный материал по
информатике среди ряда учебных дисциплин. Рассматривая этот же вопрос
применительно к общеобразовательному курсу кибернетики, В.С.Леднев приводит
следующие аргументы в пользу отдельного учебного курса [19, с. 213].
«Если учебный материал по
кибернетике распределить между различными учебными курсами, то в этом случае
сведения об области действительности, изучаемой кибернетикой и не входящей
составной частью в предметы других наук, будут систематизированы не по основным
признакам, по которым они систематизируются в науке, а по второстепенным, так
как будут излагаться в логике другого учебного курса. Это неизбежно влечет за
собой формирование у учащихся неполных и даже искаженных представлений по
области действительности, изучаемой кибернетикой. Более того, такой путь
исключает возможность формирования основных, фундаментальных понятий
кибернетики в рамках и логике понятийного и методического аппарата,
выработанного этой наукой, что является эффективным дидактическим средством
формирования понятий. Понятия кибернетики, изучаемые в логике других учебных
курсов, оказываются инородными в их понятийной системе и будут восприняты
учащимися как второстепенные, не имеющие принципиального значения. Поэтому наиболее
целесообразным решением вопроса о путях изучения кибернетики в средней школе
является выделение для ее изучения отдельного учебного курса.... Разумеется,
в разумных пределах сведения из кибернетики могут и должны быть включены в
смежные учебные предметы: математику, биологию и курс трудового обучения.
Появление в содержании общего среднего образования нового учебного предмета
влечет за собой необходимость определенного переосмысления роли тесно связанных
с ним учебных предметов и даже некоторой корректировки их содержания. Эти
изменения не могут не отразиться на характере и структуре межпредметных связей»
[3, с. 213]. Развивая эти выводы, авторы статьи [21] обосновывают положение
учебного предмета «Информатика» в структуре школьных учебных вполне
определенно: «Общее кибернетическое образование является базовым компонентом
содержания общего образования. Это значит, что на него распространяется
следующая дидактическая формула: всякий базовый компонент общего образования
включается в содержание образования двояко — в виде особого учебного предмета
(сегодня это курс информатики) и в виде «вкраплений» во все другие учебные
предметы».

2.3. Методика преподавания информатики
 как новый раздел педагогической науки
и учебный предмет подготовки учителя
информатики

Введение в 1985 г. в среднюю
школу отдельного общеобразовательного предмета «Основы информатики и
вычислительной техники» дало старт формированию новой области педагогической
науки, объектом которой является обучение информатике. Следуя
официальной классификации научных специальностей, этот раздел педагогики,
исследующий закономерности обучения информатике на современном этапе ее
развития в соответствии с целями, поставленными обществом, в настоящее время
получил название «Теория и методика обучения и воспитания (информатике; по
уровням образования)». Даже при очевидной неудобочитаемости приведенной
трактовки научного направления видно, что строка классификатора демонстрирует
явное стремление к максимальной цельности и полноте этого раздела
педагогической науки. Из приведенной формулировки следует, что к теории и
методике обучения информатике нужно относить исследование процесса обучения
информатике везде, где бы он ни проходил и на всех уровнях: дошкольный период,
школьный период, все типы средних учебных заведений, высшая школа,
самостоятельное изучение информатики, дистанционные формы обучения и т.п.
Каждая из перечисленных областей в настоящее время ставит свои специфические
проблемы перед современной педагогической наукой. Нас в данном случае в первую
очередь будет интересовать та область методики информатики, которая
рассматривает обучение информатике в средней школе в рамках
общеобразовательного предмета информатики.
Понятно, что определение
методики информатики как науки об обучении информатике само по себе еще не
означает существования этой научной области в готовом виде. Теория и методика
обучения информатике в настоящее время интенсивно развивается; школьному
предмету информатики уже более полутора десятка лет, но многие задачи в новой
педагогической науке возникли совсем недавно и не успели получить еще ни
глубокого теоретического обоснования, ни длительной опытной проверки.
В соответствии с общими
целями обучения методика преподавания информатики ставит перед собой следующие
основные задачи: определить конкретные цели изучения информатики, а также
содержание соответствующего общеобразовательного предмета и его место в учебном
плане средней школы; разработать и предложить школе и учителю-практику наиболее
рациональные методы и организационные формы обучения, направленные на
достижение поставленных целей; рассмотреть всю совокупность средств обучения
информатике (учебные пособия, программные средства, технические средства и
т.п.) и разработать рекомендации по их применению в практике работы учителя.
Говоря иными словами, перед
методикой преподавания информатики, как и перед всякой предметной школьной
методикой, ставится традиционная триада основных вопросов:
• зачем учить
информатике?
• что надо изучать?
• как надо обучать
информатике?
Методика преподавания информатики
— молодая наука, но она формируется не на пустом месте. Опережающие
фундаментальные дидактические исследования целей и содержания общего
кибернетического образования, накопленный отечественной школой еще до введения
предмета информатики практический опыт преподавания учащимся элементов
кибернетики, алгоритмизации и программирования, элементов логики,
вычислительной и дискретной математики, проработка важных вопросов
общеобразовательного подхода к обучению информатике имеют в общей сложности
почти полувековую историю. Будучи фундаментальным разделом педагогической
науки, методика информатики опирается в своем развитии на философию,
педагогику, психологию, информатику (в том числе школьную информатику), а также
обобщенный практический опыт средней школы.
Из всей совокупности
методико-педагогических знаний и опыта, объединяемых методикой информатики,
выделяется учебный предмет «Теория и методика обучения информатике», который
согласно Государственному образовательному стандарту высшего профессионального
образования входит в образовательно-профессиональную программу подготовки
учителя по специальности «Информатика» [5]. Впервые учебный курс «Методика
преподавания информатики» был введен в учебные планы педвузов в 1985 г. в связи
с организацией подготовки учителей по дополнительной специальности
«Информатика» на базе физико-математических факультетов [24]. Вскоре появилось
и первое учебное пособие по этому курсу [17]. В 1993 г. был сделан первый набор
на учительскую специальность «Информатика» как основную (Омский педуниверситет
[16]). С 1995 г. действует Государственный стандарт высшего педагогического
образования по специальности «Информатика». В российских педвузах стала
расширяться подготовка «профильных» учителей информатики. В то же время
справедливо отмечалось, что в течение весьма длительного периода содержание
методической подготовки будущего учителя информатики — наиболее слабая часть (и
наиболее слабо обеспеченная часть) его профессиональной подготовки [15]. В
настоящее время появились издания других учебных книг по методике информатики
([3] и др.), хотя в течение долгого времени кафедрам и студентам приходилось
делать основной упор на периодику. Официальным ориентиром в методической
подготовке будущих учителей информатики служат рекомендованные Министерством
образования РФ примерные учебные программы (см., например, [33]). Содержание
этого учебного предмета составляет рассмотрение общих теоретических основ
методики преподавания информатики, совокупности основных программно-технических
средств, а также методов изучения конкретных тем школьного курса информатики на
пропедевтическом, базовом и профильном этапах обучения. Рассмотрению этих двух
групп вопросов посвящены, соответственно, первая и вторая части настоящего
пособия.

2.4. Рекомендации к проведению семинарского занятия

Тема
«Предмет методики преподавания информатики»
Основные вопросы:
1. Информатика как наука и
как учебный предмет в средней общеобразовательной школе.
2. Методика преподавания
информатики как новый раздел педагогической науки и как учебный предмет
подготовки учителя информатики.

Литература к главе 2

1. Бауэр Ф.Л., Гнац Р.,
Хилл У. Информатика. Задачи и решения: Пер. с нем. / Под ред. А.П.Ершова. —
М.: Мир, 1978.
2. Бауэр Ф.Л., Гооз Г. Информатика.
Вводный курс: Пер. с нем. / Под ред. А. П. Ершова. — М.: Мир, 1976.
3. Бочкин А. И. Методика
преподавания информатики: Учеб. пособие. — Минск: Вышэйш. шк., 1998.
4. Возможное и невозможное в
кибернетике. — М.: Наука, 1964.
5. Государственный
образовательный стандарт высшего профессионального образования по специальности
030100 «Информатика». — Ми-нобразование РФ, 2000.
6. Дидактика средней школы:
Некоторые проблемы современной дидактики / Под ред. М.Н. Скаткина. — М.:
Просвещение, 1977.
7. Дородницын А. А. Информатика:
предмет и задачи // Кибернетика. Становление информатики. — М.: Наука, 1986.
8. Ершов А. П. Информатика:
предмет и понятие // Кибернетика. Становление информатики. — М.: Наука, 1986.
9. Ершов А. П.,
Звенигородский Г. А., Первин Ю.А. Школьная информатика (концепции, состояние,
перспективы). — Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1979.
10. Кибернетика —
неограниченные возможности и возможные ограничения // Кибернетика. Становление
информатики. — М.: Наука, 1986.
11. Колин К. К. Курс
информатики в системе образования: современное состояние и перспективы развития
// Системы и средства информатики. — М.: Наука.; Физматлит, 1966. — Вып. 8. \
12. Колин К. К. О
структуре и содержании образовательной области | «Иформатика» (современная
концепция) // ИНФО. — 2000. — № 10. '
13. Краснощекое П. С.,
Петров А. А., Федоров В. В. Информатика и проектирование. — М.: Знание,
1986.
14. Кузнецов А. А. О
концепции содержания образовательной области «Информатика» в 12-летней школе //
ИНФО. — 2000. — № 7.
15. Кузнецов А. А., Кареев
С. С. Основные направления совершенствования методической подготовки
учителей информатики в педагогических вузах // ИНФО. - 1997. — № 6.
16. Лапчик М.П. Информатика
и информационные технологии в общем и пед. образовании. — Омск: Изд-во Ом. гос.
пед. ун-та, 1999.
17. Лапчик М.П. Методика
преподавания информатики: Учеб. пособие для физ.-мат. факультетов пед. вузов. —
Свердловск, 1987.
18. Леднев В. С. Годом
рождения курса является 1961-й (Интервью журналу ИНФО) // ИНФО. - 1999. - № 10.
19. Леднев В. С. Содержание
образования. — М.: Высш. шк., 1989.
20. Леднев В. С. Содержание
образования: сущность, структура, перспективы. — М.: Высш. шк., 1991.
21. Леднев В. С., Кузнецов
А. А., Бешенков С. А. О теоретических основах содержания обучения
информатике в общеобразовательной школе// ИНФО. - 2000. - № 2. - С. 13 - 16.
22. Леднев Б. С., Кузнецов
А. А., Бешенков С. А. Состояние и перспективы развития курса информатики в
общеобразовательной школе // ИНФО. — 1998. -№3. -С. 76-78.
23. Лихачев Б. Т. Педагогика.
Курс лекций: Учеб. пособие для студентов пед. учеб, заведений и слушателей ИПК
и ФПК. — М.: Прометей, 1992.
24. Методика преподавания
информатики и вычислительной техники: Прогр. пед. ин-тов/ Сост. В.М.Заварыкин,
В.Г.Житомирский, М.П.Лапчик, В.И.Ефимов; Отв. ред. В.М.Монахов. — М.: Минпрос СССР,
1987.
25. Михайлов А.И., Черный
А.И. Основы информатики. — М.: Наука, 1968.
26. Михайлов А.И, Черный
А.И., Гиляревский Р.С. Информатика // Большая советская энциклопедия. — 3-е
изд. — Т. 10. — М.: Сов. энцикл., 1972.-С. 348-350.
27. Михалевич B.C., Каныгин Ю.М., Гриценко В.И. Информатика — новая область науки и
практики // Кибернетика. Становление информатики. — М.: Наука, 1986.
28. Моисеев Н.Н. Алгоритмы
развития. — М.: Наука, 1987.
29. Пейперт С. Переворот
в сознании: дети, компьютеры и плодотворные идеи. — М.: Педагогика, 1988.
30. Петель М. Для чего
нужна информатика в школе // ИНФО. — 1987. — №3.
31. Политика в области
образования и новые информационные технологии: Нац. доклад РФ на II Международном конгр. ЮНЕСКО «Образование
и информатика». Москва, 1—5 июля 1996 г. // ИНФО. — 1996. — №6.
32. ПоспеловД.А. Становление
информатики в России // Информатика. - 1999. - № 19. - С. 7-10.
33. Примерная программа курса
«Теория и методика обучения информатике» / Сост. М.П.Лапчик, Л.Г.Лучко и др. —
М.: М-во образования РФ, 2000.
34. Системы и средства
информатики. — М.: Наука. Физматлит, 1996. — Вып. 8.
35. Уваров А.Ю. Информатика
в школе: вчера, сегодня, завтра // ИНФО. — 1990. — № 4.
36. Философский
энциклопедический словарь / Гл. ред. Л.Ф.Ильчев и др. — М.: Сов. энцикл., 1983.

Глава 3
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ВВЕДЕНИЯ В ШКОЛУ
ПРЕДМЕТА ИНФОРМАТИКИ

3.1. О целях общих и конкретных

Цели образования вообще, как
и общего школьного образования, в частности, являются прерогативой государства,
которое на основе действующей законодательной базы формирует общие принципы
своей педагогической политики. Согласно Статье 2 Закона Российской Федерации
«Об образовании» в числе таких принципов на первом месте стоит
«...гуманистический характер образования, приоритет общечеловеческих ценностей,
жизни и здоровья человека, свободного развития личности; воспитание
гражданственности и любви к Родине» [10]. Образование в России имеет целью
становление самостоятельной, свободной, культурной, нравственной личности,
сознающей ответственность перед семьей, обществом и государством, уважающей
права, свободы других граждан, Конституцию и законы, способной к
взаимопониманию между людьми, народами, различными расовыми, национальными,
этническими, религиозными, социальными группами [34, с. 315].
На этой основе формулируются
и главные задачи общеобразовательной школы:
• обеспечение усвоения
учащимися системы знаний, определяемой общественными и производственными
потребностями;
• формирование научного
миропонимания, политической, экономической, правовой культуры, гуманистических
ценностей и идеалов, творческого мышления, самостоятельности в пополнении
знаний;
• удовлетворение
национально-культурных потребностей населения, воспитание физически и морально
здорового поколения;
• выработка у молодежи
осознанной гражданской позиции, человеческого достоинства, стремления к участию
в демократическом самоуправлении, ответственности за свои поступки [там же].
«Средняя школа является
общеобразовательной и общеразвивающей, закладывающей основы всестороннего
развития, первоначальной профессиональной подготовки, способность к
непрерывному образованию и освоению любой профессии каждым ребенком» [26, с.
371].
Описанные выше проектируемые
результаты образовательно-воспитательной деятельности школы могут быть
сгруппированы в три основные общие цели, которые ставятся перед системой
общего школьного образования: образовательные и развивающие цели; практические
цели; воспитательные цели.
Общие цели обучения
информатике определяются с учетом особенностей информатики как науки, ее роли и
места в системе наук, в жизни современного общества. Рассмотрим, как основные
цели, характерные для школы в целом, могут быть отнесены к образованию
школьников в области информатики.
Образовательная и
развивающая цель обучения
информатике в школе — дать каждому школьнику начальные фундаментальные
знания основ науки информатики, включая представления о процессах
преобразования, передачи и использования информации, и на этой основе раскрыть
учащимся значение информационных процессов в формировании современной научной
картины мира, а также роль информационной технологии и вычислительной техники в
развитии современного общества. Изучение школьного курса информатики призвано
также вооружить учащихся теми базовыми умениями и навыками, которые
необходимы для прочного и сознательного усвоения этих знаний, а также основ
других наук, изучаемых в школе. Усвоение знаний из области информатики, как и
приобретение соответствующих умений и навыков призвано существенно влиять на
формирование таких черт личности, как общее умственное развитие
учащихся, развитие их мышления и творческих способностей.
Практическая цель школьного курса информатики — внести вклад
в трудовую и технологическую подготовку учащихся, т.е. вооружить
их теми знаниями, умениями и навыками, которые могли бы обеспечить подготовку к
трудовой деятельности после окончания школы. Это означает, что школьный курс
информатики должен не только знакомить с основными понятиями информатики,
которые, безусловно, развивают ум и обогащают внутренний мир ребенка, но и быть
практически ориентированным — обучать школьника работе на компьютере и
использованию средств новых информационных технологий.
В целях профориентации курс
информатики должен давать учащимся сведения о профессиях, непосредственно
связанных с ЭВМ и информатикой, а также различными приложениями изучаемых в
школе наук, опирающимися на использование ЭВМ. Наряду с производственной
стороной дела практические цели обучения информатике предусматривают также и «бытовой»
аспект — готовить молодых людей к грамотному использованию компьютерной
техники и других средств информационных и коммуникационных технологий в быту, в
повседневной жизни.
Воспитательная цель школьного курса информатики
обеспечивается, прежде всего, тем мощным мировоззренческим воздействием на
ученика, которое оказывает осознание возможностей и роли вычислительной техники
и средств информационных технологий в развитии общества и цивилизации в целом.
Вклад школьного курса информатики в научное мировоззрение школьников
определяется формированием представления об информации как одном из трех
основополагающих понятий науки: веществе, энергии и информации, лежащих в
основе строения современной научной картины мира. Кроме того, при изучении
информатики на качественно новом уровне формируется культура умственного труда
и такие важные общечеловеческие характеристики, как умение планировать свою
работу, рационально ее выполнять, критически соотносить начальный план работы с
реальным процессом ее выполнения.
Изучение информатики, в
частности, построение алгоритмов и программ, их реализация на ЭВМ, требующие от
учащихся умственных и волевых усилий, концентрации внимания, логичности и
развитого воображения, должны способствовать развитию таких ценных качеств
личности, как настойчивость и целеустремленность, творческая активность и
самостоятельность, ответственность и трудолюбие, дисциплина и критичность
мышления, способность аргументировать свои взгляды и убеждения. Школьный
предмет информатики, как никакой другой, предъявляет особый стандарт требований
к четкости и лаконичности мышления и действий, потому что точность мышления,
изложения и написания — это важнейший компонент работы с компьютером.
Хорошо известно, как трудно
иногда подвести ученика к догадке, как решить задачу. В курсе же
информатики дело не только в догадке, ее нужно четко и педантично реализовать в
алгоритме для ЭВМ, абсолютно точно записать этот алгоритм на бумаге и/или
безошибочно ввести его с клавиатуры. При изучении нового курса у школьников
должно постепенно складываться негативное отношение ко всякой нечеткости,
неконкретности, расплывчатости и т.п. Было бы наивно полагать, что эти важные
черты личности при изучении предмета информатики формируются сами по себе.
Здесь требуется кропотливая работа учителя, причем необходимо сразу учесть эти
особенности информатики и не попустительствовать небрежности учащихся, даже
если в каком-то конкретном случае это и не несет немедленных неприятностей.
Ни одна из перечисленных выше
основных целей обучения информатике не может быть достигнута изолированно друг
от друга, они прочно взаимосвязаны. Нельзя получить воспитательный эффект
предмета информатики, не обеспечив получения школьниками основ общего
образования в этой области, так же как нельзя добиться последнего, игнорируя
практические, прикладные стороны содержания обучения.
Общие цели школьного
образования в области информатики, как триада основных целей, остающихся по
своей общедидактической сути весьма расплывчатыми (хотя и вполне устойчивыми),
при наложении на реальную учебную сферу трансформируются в конкретные цели обучения.
И вот тут оказывается, что формулирование конкретных целей обучения предмету
информатики очень непростая онтодидактическая задача (и весь предшествующий —
хотя и не такой уж большой — опыт постановки предмета информатики в школе это
подтверждает).
Такое положение имеет место
не только по отношению к школьной информатике и ему имеется известное
объяснение. Обратимся к общефилософскому толкованию понятия цель: «Цель
— идеальное, мысленное предвосхищение результата деятельности. В качестве
непосредственного мотива цель направляет и регулирует человеческую
деятельность. Содержание цели зависит от объективных законов действительности,
реальных возможностей субъекта и применяемых средств» [44]. Как продукт
идеальный (нематериальный) цель сама по себе очень подвижна, динамична, так как
порождается сознанием деятельного человека, постоянно взаимодействующего с
изменяющимся миром и постоянно меняющегося самого [33, с. 63]. Сказанное
означает, что будучи объективной по своему происхождению, цель субъективна.
Недаром, по утверждению латинян, «когда двое говорят одно и то же, то это не
одно и то же». Мудрость и прозорливость древних может быть ярко иллюстрирована
суждениями многих современных педагогов-информатиков, использующих нередко
одинаковые понятия, но вкладывающих в эти понятия существенно различающееся
содержание.
И все же, из чего
складываются и что влияет на формирование целей школьного образования в области
информатики?
Очевидно, что проецирование конкретных
целей школьного предмета информатики должно основываться прежде всего на
анализе фундаментальных основ науки информатики, ее положения среди других наук
и роли, которую она выполняет в обществе на современном этапе его развития.
Здесь сразу же приходится заметить, что фундаментальные основы науки
информатики продолжают пребывать в состоянии становления и развития, что
приводит к небесспорным и неоднозначным их оценкам, до сих пор
сопровождающимися дискуссиями (см. главу 2). На формирование конкретных целей
обучения школьным предметам оказывает влияние также развитие самой парадигмы
образования, в частности, формирование и стабилизация подходов к стандартам
общего среднего образования, что также порождает перекрещивание различных, иногда
откровенно субъективных взглядов и суждений [3, 7, 20, 25, 39, 40, 41, 42, 46 и
др.].
В то же время только
осознанный, научно обоснованный выбор цели дает возможность сформировать
адекватный учебный материал (содержание обучения), который при использовании
эффективных методов обучения и позволит достичь выполнения тех задач, которые
ставятся перед преподаванием информатики. Постепенное «созревание» и эволюцию
целей общего школьного образования в области информатики целесообразно
рассмотреть последовательно, начиная с целей первой версии школьного предмета
ОИВТ.

3.2. Исходные цели и задачи школьного
курса ОИВТ. Понятие компьютерной
грамотности учащихся

Стратегической целью введения
в школу предмета «Основы информатики и вычислительной техники», как об этом
было объявлено в первой программе введенного в школу нового учебного курса
[32], являлось «... всестороннее и глубокое овладение молодежью вычислительной
техникой», что рассматривалось как важный фактор ускорения научно-технического
прогресса в стране.
Объяснением этому служило
наметившееся к тому времени широкое распространение персональных ЭВМ в
различных сферах деятельности людей, приведшее к лавинообразному росту числа
пользователей, работающих в режиме непосредственного контакта с компьютером.
Основная цель курса «Основы
информатики и вычислительной техники» (см. пояснительную записку к упомянутой
выше учебной программе) состояла в формировании представлений об основных
правилах и методах реализации решения задачи на ЭВМ и элементарных умений пользоваться микрокомпьютерами для
решения задач; в ознакомлении учащихся с ролью ЭВМ в современном общественном
производстве и перспективами развития вычислительной техники. Предполагалось,
что введение курса ОИВТ создаст предпосылки для изучения ряда
естественно-научных предметов на качественно ином уровне, поскольку возможность
применения учащимися ЭВМ на уроках должна существенно повысить наглядность
обучения; моделирование на ЭВМ сложных объектов и процессов сделает усвоение
учебного материала более доступным, значительно расширит познавательные
возможности школьников, существенно активизирует их самостоятельную учебную
деятельность.
В качестве исходной
характеристики конкретных целей обучения информатике в средних учебных
заведениях уже в первой программе курса ОИВТ была объявлена компьютерная
грамотность учащихся. Понятие компьютерной грамотности формировалось вместе с
введением в школу предмета «Основы информатики и вычислительной техники» и
сразу же встало в ряд новых понятий школьной дидактики. Попытка сформулировать
требования к компьютерной грамотности учащихся сделана уже в пояснительной
записке к первой программе [32, с. 8], однако, в более систематизированном
изложении компоненты компьютерной грамотности описаны в адресованном учителю
первом методическом руководстве по преподаванию курса ОИВТ в школе [11]; здесь
выделялись следующие группы компонентов, составляющих содержание компьютерной
грамотности школьников [11, с. 8):
• понятие об алгоритме, его
свойствах, средствах и методах описания алгоритмов, программе как форме
представления алгоритма для ЭВМ; основы программирования на одном из языков
программирования;
• практические навыки
обращения с ЭВМ;
• принцип действия и
устройство ЭВМ и ее основных элементов;
• применение и роль
компьютеров в производстве и других отраслях деятельности человека.
Анализ перечисленных
компонентов показывает, что появление понятия компьютерной грамотности (КГ)
явилось результатом
Ниже приведено ставшее
впоследствии достаточно устойчивым наполнение понятия «компьютерная
грамотность», которое сложилось в толкованиях специалистов и педагогов вскоре
после появления первой программы курса ОИВТ, пробных учебных пособий для
учащихся и методических руководств для учителей [5, 8, 17, 27, 28 и др.].
1. Умение «общаться» с
компьютером. Общение с ПК на «пользовательском уровне» — это в основном
умение подготовить компьютер к работе, запускать и останавливать его, умение
работать за дисплеем, т.е. овладеть клавиатурой, уметь вводить числа и
переменные, корректировать введенные данные, вводить, отлаживать и запускать
программу. Сюда же могут быть отнесены и навыки работы с простейшими сервисными
программами, такими как редактор текстов, графический редактор, электронная
таблица, разнообразные игровые программы, а также работа с компьютером в режиме
диалога (в частности обучающего, в том числе и за пределами курса информатики).
Примечательно, что по своему характеру эти знания, умения и навыки могут быть
доступны младшим школьникам и даже дошкольникам.
2. Составление простейших
программ для компьютера. Подготовка программистов не является целью
общеобразовательной школы, однако понимание основных принципов программирования
Для ЭВМ должно входить в систему общего образования.
Процесс этот может быть
постепенным и растянутым во времени. Начальные навыки составления
самостоятельных программ, включающие организацию ветвлений и циклов,
основываются на компонентах алгоритмической культуры, которые могут быть
сформированы на простых и наглядных «допрограммистских» средствах. В старших
звеньях обучения возможно ознакомление с расширения понятия алгоритмической
культуры (АК) учащихся (см. подраздел 1.1) путем добавления таких
«машинных» компонентов, как умение обращаться (или, на жаргоне информатиков —
общаться) с ЭВМ, знание устройства и принципов действия ЭВМ, а также роли ЭВМ в
современном обществе. Эта естественная преемственная связь понятия КГ с
понятием АК явно подчеркивалась и в пояснительной записке к программе нового
курса, одна из задач которого объявлялась как «систематизация и завершение
алгоритмической линии курса алгебры восьмилетней школы» (см. [32, с. 5]), и в
адресованных учителю методических рекомендациях, определявших в качестве первой
методической задачи курса ОИВТ задачу «завершить формирование ведущих
компонентов алгоритмической культуры школьников как основы формирования
компьютерной грамотности» [12, с. 3]. Обозначим для наглядности этот
эволюционный переход формулой:
несколькими различными
языками программирования (по меньшей мере, в условиях углубленного изучения
предмета). На этом уровне, однако, не столько важен выбор языка, на котором
будут написаны программы, сколько прочность фундаментальных знаний, необходимых
для разработки лежащих в их основе алгоритмов.
3. Представление об
устройстве и принципах действия ЭВМ. В этом компоненте компьютерной
грамотности выделяются две основные составляющие:
а) структура ПК и функции егб
основных устройств;
б) физические основы и
принципы действия основных элементов компьютера.
Этот компонент имеет
важнейшее мировоззренческое значение, хотя и труден для освоения учащимися.
Изначально считалось, что «сведения об этом, включаемые в курс информатики,
должны иметь прикладной характер, быть ориентированы прежде всего на
потребности пользователя, помогать ему оценить возможности отдельной машины или
сравнить различные компьютеры. Это не исключает, конечно, того, что в курсе
физики могут подробно рассматриваться различные физические явления, лежащие в
основе функционирования ЭВМ, а в курсе математики или в фундаментальных
разделах курса информатики — наиболее общие и абстрактные положения,
относящиеся к принципам ее работы» [5].
4. Представления об
областях применения и возможностях ЭВМ, социальных последствиях
компьютеризации. Формирование этого компонента компьютерной грамотности
также не является задачей исключительно курса информатики и выходит за его
пределы. Сферы применения и роль ЭВМ в повышении эффективности труда
целесообразно раскрывать учащимся в процессе практического использования
компьютера для решения различных задач в ряде учебных предметов. При этом
необходимо, чтобы совокупность этих задач по возможности охватывала все
основные сферы применения ЭВМ. Школьный компьютер может быть использован
учащимися для вычислительных работ в курсах математики, физики, химии, анализа
данных учебного эксперимента и поиска закономерностей при проведении
лабораторных работ, исследования функций в курсе алгебры, построения и анализа
математических моделей, физических, химических, биологических и других явлений
и процессов. В курсе географии, истории и ряда других гуманитарных предметов
персональная ЭВМ может использоваться школьниками как информационная система,
банк данных, автоматизированный справочник.
Зародившись на первом этапе
введения предмета в школу, понятие КГ по сей день активно «работает» в
методической литературе. Сокращенно четырехкомпонентная структура компьютерной
грамотности, описанная выше, может быть обозначена совокупностью четырех
ключевых слов: общение, программирование, устройство, применение. Нетрудно
заметить, что даже при сохранении всех компонентов компьютерной грамотности
усиленное акцентирование внимания на том или ином из них может приводить к
существенному изменению конечной цели преподавания предмета информатики. Если,
к примеру, начнет доминировать компонент общение, то курс становится преимущественно
пользовательским, нацеленным, в частности, на освоение компьютерных технологий.
При доминирующей компоненте программирование цели курса сведутся к
подготовке программистов и т.д.

3.3. Компьютерная грамотность и
информационная культура учащихся

Монопольное положение
методической концепции первой программы школьного курса ОИВТ продолжалось
недолго. Едва завершилась работа над пробными учебными пособиями, была
разработана и опубликована (для участия в объявленном конкурсе на создание
учебника по курсу ОИВТ) вторая версия программы. Эта новая программа заняла
видное место в развитии целей и содержания школьного образования в области
информатики и вошла в историю как программа «машинного варианта» школьного
курса ОИВТ [36].
Примечательно, что всего лишь
один год, прошедший со времени публикации первой программы курса ОИВТ, показал,
что цели преподавания информатики в школе не могут жестко ограничиваться
рамками компьютерной грамотности и что уже в ближайшей перспективе потребуется
развитие и расширение самих целей. Наряду с уже известным понятием
«компьютерная грамотность» в новой программе впервые на нормативном уровне
появляется новое понятие «информационная культура учащихся». Согласно
пояснительной записке к конкурсной программе проектируемый обновленный курс
ОИВТ «... должен формировать у учащихся:
• навыки грамотной постановки
задач, возникающих в практической деятельности, для их решения с помощью ЭВМ;
• навыки формализованного
описания поставленных задач, элементарные знания о методах математического
моделирования и умение строить простые математические модели поставленных
задач;
• знания основных
алгоритмических структур и умение применять эти знания для построения
алгоритмов решения задач по их математическим моделям;
• понимание устройства и
функционирования ЭВМ и элементарные навыки составления программ для ЭВМ по
построенному алгоритму на одном из языков программирования высокого уровня;
• навыки квалифицированного
использования основных типов современных информационных систем для решения с их
помощью практических задач и понимание основных принципов, лежащих в основе
функционирования этих систем;
• умение грамотно
интерпретировать результаты решения практических задач с помощью ЭВМ и
применять эти результаты в практической деятельности. ,
Эти требования, взятые в их
минимальном объеме, составляют задачу достижения первого уровня компьютерной
грамотности, взятые в максимальном объеме — воспитание информационной культуры
учащихся» [36].
Приведенное пояснение
показывает, что понятие «информационная культура» (ИК) образовано путем
добавления новых и некоторого расширения прежних компонентов компьютерной
грамотности, причем почти все новые включения в понятие «информационная
культура» относятся к вопросам применения метода математического моделирования
для решения задач с помощью ЭВМ (или, как часто говорят, компьютерного
математического моделирования). Надо сказать, что соблазнительный замысел
включения в содержание школьного образования хотя бы первоначальных сведений о
методе математического моделирования с попыткой рассмотрения всех этапов
решения практической задачи давно преследовал ученых и методистов-математиков.
Уж очень заманчивой образовательной и мировоззренческой силой обладает этот
раздел естественно-научного знания, хотя и нелегко поддается методической
обработке, позволяющей наглядно и доступно раскрывать его содержание учащимся.
Именно поэтому стремление отразить идеи математического моделирования мы
находим уже в первой программе школьного курса ОИВТ [32, с. 6]. Помещение же
этого материала в рамки «машинного» курса информатики, что дает возможность
последовательно рассмотреть и наглядно (с применением ЭВМ) реализовать все
этапы решения практической задачи, впервые создало предпосылки для успешного
решения давнего методического замысла.
Укажем на еще одно
примечательное (хотя и носящее как бы редакционный характер) расширение целей в
новой программе: компонент компьютерной грамотности, отождествляемый в прежней
редакции с развитием упрощенных навыков «общения» с ЭВМ, в новой системе целей
связывается уже с навыками «квалифицированного использования основных типов
современных информационных систем» и «понимания основных принципов, лежащих в
основе функционирования этих систем».
Очевидно, что в данном случае
мы имеем дело с фактом стабилизации линии информационных технологий как
перспективной содержательно-методической линии школьного курса информатики.
Схематически эволюция целей
образования школьников в области информатики теперь может быть обозначена
следующим образом:
АК ® КГ ® ИК ® ?
Сохранение в конце цепочки
знака вопроса имеет вполне понятное объяснение. Введенное вместе с программой
«машинного» варианта новое понятие «информационной культуры учащихся» не могло
(да и не предполагало) замыкаться на перечне объявленных в то время компонентов,
это противоречило бы динамическому характеру целей образования. Вместе с тем
сам термин «информационная культура», похоже, обрел достаточно удачную (или,
скорее, удобную) формулировку, пригодную для длительного отождествления с
целями школьного образования в области информатики. Сказанное, разумеется, основывается
на неограниченном во времени процессе постоянного развития и уточнения как
состава, так и наполнения компонентов информационной культуры учащихся, что
является отражением требования к общему школьному образованию соответствовать
современному состоянию развития науки и практики. Так, например,
одновременно с развитием каналов связи и компьютерных коммуникаций сразу же
возникает неотвратимая потребность включения в содержание понятия «информационная
культура» представлений о коммуникационных технологиях, что в современном
информационном мире становится обязательным элементом общей культуры каждого
человека [35, 45, 47 и др.]. На корректировку целей обучения информатике в
школе оказывали (и оказывают) влияние и другие процессы и обстоятельства,
которые будут рассмотрены дальше.

3.4. Информационная культура
учащихся: становление понятия

Появившиеся вслед за
проведенным конкурсом несколько новых вариантов учебных пособий по информатике
для средней школы [4, 6, 14, 21 и др.], как и признанное к тому времени
официальными органами управления образованием нормальным состояние
многовариантности учебных программ (см. официальные издания Госкомитета СССР по
народному образованию и Министерства образования РФ [37, 38], рекомендовавшего
к использованию в школах несколько разных учебных программ по курсу
информатики) привели к тому, что не только содержание, но и цели образования
школьников в области информатики в некоторых их частях стали трактоваться
по-разному. Так, например, в пояснительной записке к программе авторов пособия
[21] сообщалось, что «основная цель обучения информатике в общеобразовательной
средней школе — развитие операционного (алгоритмического) мышления учащихся», и
что «из сказанного следует, что центральное понятие курса — алгоритмы, а
основное содержание учебной деятельности — составление и анализ алгоритмов»
[37, с. 4]. В это же время авторы другого учебного пособия [6] в своей
программе незатейлив/) объясняли, что «основной целью курса является обучение
школьников решению жизненных задач с помощью ЭВМ» [37, с. 32]. Не менее экстравагантное
толкование целям обучения информатике дается и применительно к пособию [14],
которые, как поясняется в [13], — «это умение работать с информацией на ЭВМ:
читать и писать, считать и рисовать, искать и накапливать информацию и работать
с компьютерными программами» (думается, что умение писать, умение рисовать, как,
впрочем, и умение читать и считать, не есть только умение
нажимать правильные кнопки на клавиатуре).
Недопустимая легкость, или
даже бесшабашность, во взглядах известных авторов, конечно же, влиявших на
формирование официальной точки зрения, по прошествии некоторого времени только
усилило анархизм в практических действиях «на местах», когда в условиях
свойственного той эпохе «демократического разгула» наряду с официально
рекомендованными учебными программами при практически полной бесконтрольности
органов управления образованием в школах стали широко применяться (и даже как
бы поощряться) так называемые «авторские» программы, составляемые учителями.
Нетрудно представить достаточно характерную для того времени ситуацию:
составителем «авторской» программы является работающий учителем информатики
специалист с инженерным образованием, имеющий весьма отдаленное представление о
том, что существуют программы, разработанные научно-педагогическими
коллективами и рекомендованные Министерством образования, и что в этих
программах заложены вполне осмысленные базовые общеобразовательные установки и
цели, игнорировать которые «с порога» недопустимо. Все это привело к тому, что
общее состояние предмета ОИВТ стало вызывать тревогу.
Это состояние в какое-то
время стало крайне неопределенным, ибо цели, задачи и даже состав и содержание
базовых понятий курса стали трактоваться в высшей степени свободно, если не
сказать — произвольно. Возникло избыточное разнообразие конкретных учебных
программ, в большинстве случаев оказывающихся односторонними, далеко не
отражающими состояние информатики как науки, изучающей все аспекты
получения, хранения, преобразования, передачи и использования информации [2]. В
наиболее массовом случае содержание обучения сводилось обыкновенно к
практическому программированию (Бейсик, Паскаль, Си и т. п.), к чрезмерному
увлечению технологическими аспектами информатики и забвению исходной ориентации
на развитие ее фундаментальных, общеобразовательных основ.
Однако проблема не сводилась
только к описанной выше кризисной ситуации, которая объяснялась весьма
кратковременными организационными издержками и со временем была преодолена. В
основе неустойчивости (и «недописанности») исходных целей обучения школьников
информатике лежали куда более глубокие и трудно устранимые противоречия.
Известно, что принятое в
самом начале решение о размещении введенного в школу курса ОИВТ в двух старших
классах школы основывалось отнюдь не на убеждениях авторов концепции школьной
информатики, а исключительно на характерных для того времени и диктовавших
тактику действий практических обстоятельствах: фактическое отсутствие
материальной базы школ, неготовность учительских кадров, как, впрочем, и
всеобщая неготовность к «глубокому» вхождению информатики в учебный план школы.
Однако уже к середине 1990-х гг. нецелесообразность обучения ОИВТ только на
старшей ступени стала вопиюще очевидной, так что сама эта парадигма уже не
могла более выступать в качестве официальной стратегии.
Поворотным этапом здесь стало
решение коллегии Министерства образования России от 22 февраля 1995 г. № 4/1
(Приложение 2), в котором впервые на нормативном уровне в рекомендательной
форме декларировалась идея «снижения» обучения информатике на младшие звенья
обучения и построения непрерывного курса информатики для средней школы [29].
Под реализацию нового понимания целей обучения информатике в 11-летней школе в
упомянутом документе излагалась трехэтапная структура курса с распределенными целевыми
установками:
• Первый этап (I —VI кл.) — пропедевтический. На этом
этапе происходит первоначальное знакомство школьников с компьютером,
формируются первые элементы информационной культуры в процессе использования
учебных игровых программ, простейших компьютерных тренажеров и т.д. на уроках
математики, русского языка и других предметов.
• Второй этап (VII—IX кл.) — базовый
курс, обеспечивающий обязательный общеобразовательный минимум подготовки
школьников по информатике. Он направлен на овладение школьниками методами и
средствами информационной технологии решения задач, формирование навыков
сознательного и рационального использования компьютера в своей учебной, а затем
профессиональной деятельности.
• Третий этап (X—XI кл.) — продолжение образования в области
информатики как профильного обучения, дифференцированного по объему и
содержанию в зависимости от интересов и направленности допрофессиональной
подготовки школьников [29, с. 18—19].
Очевидно, что в связи с более
ранним изучением информатики школьниками становится реальной возможность
систематического использования методов и средств новой информационной
технологии при изучении всех школьных учебных предметов.
Именно этот фактор, по
существу, и обусловил проблему перераспределения целей образования
учащихся в области информатики, поскольку с началом «...применения компьютеров
в обучении всем учебным дисциплинам, начиная с младших классов, умения,
составляющие «компьютерную грамотность» школьников, приобретают характер
общеучебных и формируются во всех школьных учебных предметах, а не только в
курсе информатики» [29, с. 18]. Сказанное означает, что при снижении курса
информатики многие компоненты КГ начинают формироваться раньше, причем через
другие школьные дисциплины, так что сама КГ уже не может рассматриваться как
«единая и неделимая» цель, связываемая только с курсом информатики.
Такой подход заставлял
по-новому взглянуть на собственные цели школьного курса информатики,
применительно к которому более явно обнажалась актуальность задачи выявления
фундаментальных, общеобразовательных основ, делающим его позиции как
самостоятельной школьной дисциплины более прочными и долговечными. Решение
коллегии отмечало в этой связи: «Дальнейшее развитие школьного курса
информатики связано с явной тенденцией усиления внимания к общеобразовательным
функциям этого курса, его потенциальным возможностям для решения общих задач
обучения, воспитания и развития школьников. Иными словами, с переходом от
прикладных задач формирования компьютерной грамотности к полноценному
общеобразовательному учебному предмету» [29, с. 18].
Распределенный (панорамный)
характер целей формирования компьютерной грамотности и информационной культуры
в школьном обучении требовал и обновленного подхода к созданию системы
учебно-методического обеспечения. Этим же решением коллегии были рекомендованы
созданные и к тому времени уже частично апробированные учебно-программные
комплексы: базовый курс информатики А. А. Кузнецова [29, с. 20 — 23], а также
два варианта непрерывного курса информатики для средней школы — А.Л.Семенова и
Н.Д.Угриновича [29, с. 23 — 29], Е.Я.Когана и Ю.А.Первина [29, с. 29 — 36].
Акцентированное в [29]
внимание к задаче поиска общеобразовательных, фундаментальных основ образования
школьников в области информатики лишь еще раз подтвердило, сколь непроста эта
задача. Во второй половине 1990-х гг. обострилась очередная проблема для
дискуссий — угроза экспансии «технологизации» содержания обучения информатике в
ущерб развитию общеобразовательных, фундаментальных основ школьной информатики.
Первопричиной послужил, как
ни странно, естественный процесс широкого распространения в различных сферах
практической деятельности информационных технологий (ИТ), реализуемых на
персональных компьютерах, а также поддерживаемый окружающей обстановкой на
рынке труда естественный интерес школьников и их родителей к образованию
молодежи в сфере практических навыков использования ИТ. Но эти позитивные, по
сути, процессы привели к тому, что сугубо прагматические тенденции стали
излишне тенденциозно (если не сказать вредно) влиять на содержание отдельных
школьных программ и пособий по информатике, адресуемых учащимся (см., например,
[9, 48]). В итоге создалась угроза «выдавливания» общеобразовательных, фундаментальных
основ знаний из школьного образования в области информатики, а в связи с
появлением в учебном плане школы новой образовательной области «Технология» — и
полного исчезновения отдельного предмета информатики в школе.
Будущее школьного предмета
информатики — в развитии ее фундаментальной компоненты, а не в «погружении» в
область информационных технологий — так можно обозначить равнодействующую
мнений большинства участников «Круглого стола», составившего отдельный выпуск
еженедельного приложения к газете «Первое сентября» [49]. Отметим лишь наиболее
характерные высказывания участников, отстаивавших высказанную выше позицию.
А. И. Сенокосов: «Я ни на секунду не сомневаюсь, что
«чувство машины» приходит именно при изучении фундаментальных основ
информатики... Никакой текстовый редактор, база данных, электронная таблица не
смогут заменить простенького исполнителя типа Лого-черепашки в деле развития
алгоритмического мышления... Несколько лет работы в школе по базовой программе
7 — 9 дают мне право утверждать, что совсем ни к чему изучать Norton Commander,
Windows, Word, Access и всякие другие «ёк-сели-моксели» для того, чтобы считать
нашего выпускника вполне компьютерно грамотным».
А. С.Лесневский: «Компьютер становится все более бытовым и,
главное, все более доступным прибором, программное обеспечение — все более
естественным. Поэтому по мере развития событий на рынке общедоступных информационных
технологий роль технологического компонента в решении задач социальной адаптации
будет становиться все более скромной».
Е.К.Хеннер: «Технология наряду с
общеобразовательным курсом, обучение технологии после общеобразовательного
курса, технология как часть профессиональной подготовки в СПТУ — да, но
технология, подменяющая общее развитие, — нет».
Информатика как
самостоятельный учебный предмет с явно выраженной фундаментальной компонентой —
вот на что должна была бы ориентироваться школа, но для этого требуется
активное продолжение научного поиска, переосмысление общеобразовательной роли
этого предмета как части фундаментального образования.
Важнейший аспект
целеполагания информатического образования школьников, связанный как раз с
проявлением фундаментальных истоков науки информатики, положен в основу широкой
опытно-экспериментальной работы, предпринимаемой Московским департаментом
образования под руководством ректора МИПКРО А. Л. Семенова [39, 40, 42 и др.].
По мнению А. Л. Семенова, информатику в школе (как в отечественной, так и в
зарубежной) составляют «...элементы следующих областей:
• математическая информатика;
• практические навыки работы
со СНИТ, в частности, умение писать программы на каком-либо распространенном
универсальном языке программирования для компьютера;
• информационная культура, т.
е. общее представление об информационных процессах в окружающем мире, об
источниках той или иной информации, средствах массовой информации, системе
морально-этических и юридических норм, ценностная ориентация» [40].
Как видно, в наибольшей
степени эффект новизны связан с словосочетанием математическая информатика. По
трактовке А. Л. Семенова, математическая информатика есть фундаментальная
естественно-научная часть информатики, которая «...строит теоретические модели
процессов обработки, хранения, передачи информации. По своим объектам, понятиям
и методам — это область математики. Предметом ее изучения служат конечные
(конструктивные) объекты и алгоритмически описанные (конструктивные) процессы,
происходящие в среде этих объектов» [39]. В общем, понятно, но — до какой
степени и глубины абстракции, необходимой при изучении «важнейших определений и
теорем математической информатики», которые «были найдены до появления
компьютеров», удастся довести тот учебный материал, который должен будет
адресоваться школьнику? Одно дело, если это «исходный советский курс информатики»,
который в основном, по мнению А.Л. Семенова, и был курсом математической
информатики. А что делать с результатами Гильберта, Геделя, Тьюринга, Поста?
Или с колмогоровской сложностью конечного объекта и выросшей на его базе
алгоритмической теории информации? Очевидно, речь может идти лишь о выявлении и
включении в школьную информатику элементов общеобразовательного знания, отражающего
фундаментальные основания информатики. Именно это и является предметом особой
заботы педагогов-ин-форматиков, хотя они при этом могут и не использовать
термин «математическая информатика».
В рамках научного
направления, развиваемого в Российской академии образования (В.С.Леднев, А. А.
Кузнецов, С.А. Бешен-ков), акцент ставится на выявление и включение в
содержание общего образования базового кибернетического образования, «направленного
на изучение феномена самоуправляемости, в основе которого лежат процессы
передачи, восприятия, хранения и переработки информации». Это ядро базового
кибернетического образования, по мнению ученых, и должно составлять основу
предмета школьной информатики.
Ниже приводится полное
описание проектируемых целей обучения информатике в общеобразовательной школе
как результат применения указанного выше подхода [23]:
«1. Формирование основ
научного мировоззрения.
В данном случае речь идет
прежде всего о формировании представлений об информации (информационных
процессах) как одном из трех основополагающих понятий науки: веществе, энергии,
информации, на основе которых строится современная научная картина мира;
единстве информационных принципов строения и функционирования самоуправляемых
систем различной природы.
2. Формирование
общеучебных и общекультурных навыков работы с информацией.
Здесь имеется в виду умение
грамотно пользоваться источниками информации, оценка достоверности информации,
соотнесение информации и знания, умение правильно организовать информационный
процесс, оценить информационную безопасность.
3. Подготовка школьников к
последующей профессиональной деятельности.
В связи с изменением
доминанты профессиональной деятельности и увеличением доли информационного
сектора в экономике необходимо готовить школьников к разнообразным видам
деятельности, связанным с обработкой информации. Это включает в себя, в
частности, освоение средств информатизации и информационных технологий. Особо
следует отметить важность начальной подготовки в области управления. Как
известно, многие развитые в технологическом отношении страны (Великобритания,
ФРГ и др.) видят в этом залог успешного государственного и экономического
развития.
4. Овладение
информационными и коммуникационными технологиями как необходимое условие
перехода к системе непрерывного образования.
Необходимость такой
подготовки вытекает из особенностей непрерывного образования: реализации
индивидуальных образовательных «траекторий», дифференцированности
образовательных процессов, усиления роли средств обучения».
В наиболее концентрированном
виде современные взгляды на Цели информатического образования учащихся были
проявлены в связи с предпринятым на рубеже веков обоснованием концепции
3 Лагтчик 65
12-летней школы [1, 18].
Весьма примечательны в этой связи аргументы, которые приводит и на которые
ссылается академик РАО А. А. Кузнецов [19], в пользу развития
общеобразовательных основ информатики — в противовес гипертрофируемой в ряде
случаев роли технологической компоненты содержания информатического образования
как средству подготовки подрастающего поколения к последующей профессиональной
деятельности. Ссылаясь на мнение В. Г. Кинелева [15], согласно которому «...
новую образовательную парадигму можно формулировать в виде логической связанной
триады: от целостной картины мира — к целостному знанию, и через него — к
целостной личности», А. А. Кузнецов делает вывод о том, что «...главной целью
образования становится формирование целостного мировоззрения, предполагающего
новый способ мышления и деятельности человека. Роль изучения информатики в
формировании такого мировоззрения трудно переоценить. Именно поэтому
формирование научной картины мира и становится сейчас приоритетной задачей в
системе задач изучения информатики в школе. Не замечать эту тенденцию или
сводить мировоззренческие аспекты изучения информатики к роли информационных
технологий в развитии общества (как это пытаются делать некоторые авторы) уже
нельзя» [19]. Информатика сегодня — это «...одна из стратегически важных и
перспективных «точек роста» мировой науки... Происходит философское
переосмысление роли информатики и информационных процессов в развитии природы и
общества, растет понимание общенаучного значения информационного подхода как
метода научного познания» (К.К.Колин [16]).

3.5. Рекомендации к проведению семинарского занятия

Тема «Цели и задачи обучения информатике в средней общеобразовательной
школе»
Основные вопросы:
1. Общие и конкретные цели
обучения основам информатики в средней общеобразовательной школе.
2. Компьютерная грамотность
как исходная цель введения курса ОИВТ в школу.
3. Информационная культура
учащихся как перспективная цель обучения информатике в школе: проблемы
становления понятия.
4. Постановка целей обучения
информатике в 12-летней школе.

Литература к главе 3

1. Базисный учебный план для
общеобразовательных учреждений Российской Федерации для 12-летней школы
(проект) // Учительская газета — 2000. — № 38.
2. Базлов И. Ф., Шляго А.
И. Экзаменационные материалы по информатике // ИНФО. - 1995. - № 2.
3. Бешенков С. А.,
Матвеева Н.В., Власова Ю.Ю. Два пути в школьном курсе информатики // ИНФО.
— 1998. — № 2.
4. Ваграменко Я. А. и др. Электронно-вычислительная
техника. — М.: Просвещение, 1988.
5. Велихов Е. П. Новая информационная технология в школе //
ИНФО. — 1986. -№ 1.
6. Теин А. Г., Житомирский
В.Г. и др. Основы информатики и вычислительной техники. — М.: Просвещение,
1991.
7. Ершов А. П. Школьная
информатика в СССР: от грамотности к культуре // ИНФО. - 1987. - № 6.
8. Ершов А. П.,
Звенигородский Г. А., Первин Ю.А. Школьная информатика (концепции,
состояние, перспективы). Препринт ВЦ СО АН СССР. — Новосибирск, 1979. — № 152.
9. Ефимова О. В., Шафрин
Ю.А. Практикум по компьютерной технологии. - М.: АБФ, 1997.
10. Закон РФ «Об
образовании».
11. Изучение основ
информатики и вычислительной техники. 4.1. — М.: Просвещение, 1985.
12. Изучение основ
информатики и вычислительной техники. Ч. 2. — М.: Просвещение, 1986.
13. Каймин В. А. К
концепции информатизации образования в СССР // ИНФО. -1989. -№1.
14. Каймин В. А. и др. Основы
информатики и вычислительной техники. — М.: Просвещение, 1989.
15. Кинелев В.Г. Контуры
системы образования XXI века // ИНФО. — 2000. — № 5.
16. Колин К. К. Информатика
на пороге XXI века // Системы и средства информатики. —
М.: Ин-т проблем информатики РАН, 1999. — Вып. 9.
17. Концепция информатизации
образования // ИНФО. — 1988. — №6.-С. 3-31.
18. Концепция содержания
обучения информатике в 12-летней школе (проект) // ИНФО. - 2000. - № 2.
19. Кузнецов А. А. О
концепции содержания образовательной области «Информатика» в 12-летней школе //
ИНФО. — 2000. — № 7.
20. Кузнецов А. А. Школьная
информатика: что дальше? // ИНФО. — 1998. - № 2.
21. КушниренкоА.Г.,
Лебедев Г. В., Своренъ Р. А. Основы информатики и вычислительной техники. —
М.: Просвещение, 1990.
22. Леднев В. С. Годом
рождения курса является 1961-й (интервью журналу ИНФО) // ИНФО. - 1999. - № 10.
23. Леднев В. С., Кузнецов
А. А., Бешенков С. А. О теоретических основах содержания обучения
информатике в общеобразовательной школе // ИНФО. - 2000. - № 2. - С. 13-16.
24. Леднев В. С., Кузнецов
А. А., Бешенков С. А. Состояние и перспективы развития курса информатики в
общеобразовательной школе // ИНФО. — 1998. — №3. -С. 76-78.
25. Леонтьева М.Р. Информатика
в школе необходима (интервью журналу ИНФО) // ИНФО. - 1999. - № 9.
26. Лихачев Б. Т. Педагогика.
Курс лекций: Учеб. пособие для студентов пед. учеб, заведений и слушателей ИПК
и ФПК. — М.: Прометей, 1992.
27. Логвинов И. И. Чему
учить пользователя ЭВМ? // Советская педагогика. - 1987. - № 2. - С. 45-49.
28. Машбиц Е.И. Компьютеризация
обучения: проблемы и перспективы. — М.: Знание, 1986.
29. Основные компоненты
содержания информатики в общеобразовательных учреждениях. Приложение 2 к
решению Коллегии Минобразования РФ от 22.02.95 № 4/1 // ИНФО. - 1995. - № 4. -
С. 17-36.
30. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений. Ч. 1.
— М.: Просвещение, 1985.
31. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений. Ч. 2.
— М.: Просвещение, 1986.
32. Основы информатики и
вычислительной техники: Программа для сред. учеб, заведений. — М.: Просвещение,
1985.
33. Педагогика: Учеб. пособие
для студентов пед. вузов и пед. колледжей / Под ред. П. И. Пидкасистого. — М.:
Педагогическое общество России, 1998.
34. Подласый И. П. Педагогика.
Новый курс: Учеб. для студентов пед. вузов: В 2 кн. — М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС,
1999. — Кн. 1. Общие основы. Процесс обучения.
35. Палат Е. С. Телекоммуникации
в школе // ИНФО. — 1993. — №!.-* С. 55-57.
36. Программа курса «Основы
информатики и вычислительной техники» // Микропроцессорные средства и системы.
— 1986. — № 2. — С. 86—89.
37. Программы средней
общеобразовательной школы. Основы информатики и вычислительной техники: — М.:
Просвещение, 1991.
38. Программы для средних
общеобразовательных учебных заведений. Основы информатики и вычислительной
техники: — М.: Просвещение, 1992. - 49 с.
39. Семенов А.Л. Математическая
информатика в школе // ИНФО, 1995.-№5.-С. 54-58.
40. Семенов А.Л. Образование,
информатика, компьютеры // ИНФО. — 1995. — № 5. -С. 6-11.
41. Семенов А. Л. Школьная
информатика: от истоков к будущему // ИНФО. - 1998. - № 3. - С. 79 - 84.
42. Семенов А. Л. и др. Программа
информатизации российского общего образования // Материалы для обсуждения на
Коллегии Мин-ва образования РФ. 26 декабря 2000 г.
43. Сластенин В. А. и др. Педагогика:
Учеб. пособие для студентов пед. учеб, заведений. — М.: Школа-Пресс, 1997.
44. Советсткий
энциклопедический словарь. — М.: Сов. энцикл., 1987.
45. Уваров А. Ю. Компьютерные
коммуникации // ИНФО. — 1991. — № 1.
46. Уваров А. Ю. Три
стратегии развития курса информатики // ИНФО. — 2000. -№ 2. -С. 27-34.
47. Уваров А.Ю. Учебные
компьютерные сети // ИНФО. — 1993. —
№ 3.-С. 41-55.
48. Шафрин Ю. А. Основы
компьютерной технологии: Учеб. пособие для VII—XI классов по курсу «Информатика и
вычислительная техника». —
М.: АБФ, 1997.
49. Школьная информатика в
России. Круглый стол // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». —
1998. — № 16.
Глава 4
СОДЕРЖАНИЕ ШКОЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
В ОБЛАСТИ ИНФОРМАТИКИ

4.1. Общедидактические принципы
формирования содержания образования
учащихся в области информатики

Общие требования к содержанию
образования, согласно Закону Российской Федерации «Об образовании», сводятся к
следующему [7, статья 14]:
«1. Содержание образования
является одним из факторов экономического и социального прогресса общества и
должно быть ориентировано: на обеспечение самоопределения личности, создание
условий для ее самореализации; на развитие гражданского общества; на укрепление
и совершенствование правового государства.
2. Содержание образования
должно обеспечивать:
• формирование у обучающегося
адекватной современному уровню знаний и уровню образовательной программы
(ступени обучения) картины мира;
• адекватный мировому уровень
общей и профессиональной культуры общества;
• интеграцию личности в
системы мировой и национальных культур;
• формирование
человека-гражданина, интегрированного в современное ему общество и нацеленного
на совершенствование этого общества; воспроизводство и развитие кадрового
потенциала общества.
4. Содержание образования
должно содействовать взаимопониманию и сотрудничеству между людьми, народами,
различными расовыми, национальными, этническими, религиозными и социальными
группами; учитывать разнообразие мировоззренческих подходов, способствовать
реализации права обучающихся на свободный выбор взглядов и убеждений».
По мнению известного дидакта
В. С. Леднева «содержание образования — это содержание триединого целостного
процесса, характеризующегося, во-первых, усвоением опыта предшествующих
поколений, во-вторых, воспитанием типологических качеств личности, в-третьих,
умственным и физическим развитием человека. Ведущим видом деятельности является
при этом обучение, ибо усвоение опыта — ближайшая и непосредственная цель
образования. Воспитание и развитие... осуществляется опосредованно; это как бы
зона отдаленного действия. Тем не менее процесс образования триедин» [15, с.
54]. Отсюда следуют три компоненты образования, среди которых «обучение»
занимает центральное положение:
Применительно к общему
среднему образованию Б.Т.Лихачев отмечает следующие основные
общеметодологические принципы формирования его содержания [17, с. 371]:
• общеобразовательный
характер учебного материала;
• гражданская и
гуманистическая направленность содержания;
• связь учебного материала с
практикой перемен в нашем обществе;
• основообразующий и
системообразующий характер учебного материала;
• интегративность изучаемых
курсов;
• гуманитарно-этическая
направленность содержания образования;
• развивающий характер
учебного материала;
• взаимосвязанность и
взаимообусловленность учебных предметов;
• эстетические аспекты
содержания образования.
Общедидактические
характеристики содержания общего школьного образования описаны во многих
работах (например, [4, 25, 31] и др.). При этом встречающиеся расхождения во
взглядах чаще всего относятся не к существу вопроса, а исключительно к способу
трактовки одних и тех же понятий.
Полезность подобных
рекомендаций для разработки программ и составления учебных пособий бесспорна,
хотя их главный недостаток в том, что из этих советов трудно извлечь конструктивную
процедуру, инструмент для отбора конкретного материала. Недостаток этот, вероятно,
трудно устраним, и едва ли можно требовать от общей дидактики большего.
Важно отметить
сформулированный В.С.Ледневым [14] принцип отражения образовательных областей в
содержании общего образования, названный его автором принципом «бинарного
вхождения базовых компонентов в структуру образования» и заключающийся в том,
что каждая образовательная область включается в содержание образования двояко.
Во-первых, как отдельный учебный предмет и, во-вторых, имплицитно — в качестве
«сквозных линий» в содержании школьного образования в целом. Для информатики и
информационных технологий этот принцип имеет важное значение, поскольку
реализуются они как через отдельный учебный предмет, так и через информатизацию
всего школьного образования.
Применяя указанные выше
принципы к отбору содержания школьного курса информатики, обратим внимание на
две группы основных факторов, традиционно находящихся в диалектическом
противоречии.
1. Научность и
практичность. Содержание учебного предмета информатики должно идти от науки
информатики (т. е. не противоречить современному состоянию науки и быть
методологически цельным; см. основообразующий и системообразующий факторы
организации учебного материала); изучение предмета должно давать такой уровень
фундаментальных познаний учащихся, который действительно мог бы обеспечивать
подготовку учащихся к будущей профессиональной деятельности в различных сферах
(практическая цель).
2. Доступность и
общеобразовательность. Включаемый в учебный предмет материал должен быть
посилен основной массе учащихся, отвечать уровню их умственного развития и
имеющемуся запасу знаний, умений и навыков. Курс информатики должен, кроме
того, содержать все наиболее общезначимые, общекультурные, общеобразовательные
сведения из соответствующих разделов науки информатики.
Говоря упрощенно, можно
сказать, что школьный курс информатики, с одной стороны, должен быть
современным, отвечать все усложняющимся требованиям науки и практики, а с
другой — быть элементарным и доступным для изучения. Совмещение этих двух
требований как раз и является наиболее сложной методической задачей.
Формирование содержания
информатического образования в советской и российской школе — сложный и
противоречивый процесс, который охватывает период от начала 60-х гг. прошлого
столетия до настоящего времени. При этом приходится констатировать, что
фактическое состояние теоретических разработок проблемы содержания
информатического (кибернетического, математического — в разных концепциях
по-разному!) образования школьников, как и отдельных экспериментальных
достижений в этой области, весьма слабо коррелируют с тем фактическим
состоянием развития модели содержания школьного курса информатики, которая
многие годы находится, достаточно медленно видоизменяясь, на вооружении
практического учителя. Начнем с момента введения курса ОИВТ и среднюю школу.

4.2. Структура и содержание первой
отечественной программы учебного
предмета ОИВТ. Учебный алгоритмический
язык А. П. Ершова

В основу разработки первой
программы школьного курса «Основы информатики и вычислительной техники» (1985)
были положены три базовых понятия: информация, алгоритм, ЭВМ [23]. Эти понятия
и составили концептуальную основу первой версии содержания школьного предмета
информатики, именно этой системой понятий определялся обязательный для усвоения
учащимися объем теоретической подготовки.
Содержание обучения
складывалось на основе фундаментальных компонентов алгоритмической культуры и
далее компьютерной грамотности учащихся (см. подраздел 3.2) и определялось
через задачи нового школьного курса следующим образом [23, с. 5-6]:
• систематизация и завершение
алгоритмической линии курса алгебры восьмилетней школы;
• овладение основными
умениями алгоритмизации;
• формирование представлений
о возможности автоматизации выполнения алгоритма;
• усиление прикладной и
политехнической направленности алгоритмической линии, заключающееся в
конкретной реализации алгоритмов решения задач с помощью ЭВМ;
• ознакомление с основами современной
вычислительной техники на примере рассмотрения общих принципов работы
микрокомпьютера;
• формирование представления
об этапах решения задачи на ЭВМ;
• ознакомление с основными
сферами применения вычислительной техники, ее ролью в развитии общества.
Курс ОИВТ ставился в двух
старших классах средней школы (по действующему в то время учебному плану — IX и X кл.). В IX кл. на изучение курса отводилось 34 часа
(1 час в неделю). В X кл. в зависимости от возможности организации практической работы
школьников на ЭВМ объем и содержание курса дифференцировались на два варианта —
полный и краткий:
— полный курс (68 часов) —
для школ, располагающих вычислительными машинами или имеющих возможность
организовать систематические занятия школьников на ВЦ других организаций;
— краткий курс (34 часа) —
для школ, не имеющих такой возможности.
Теоретическая часть курса для
X кл. — единая для обоих вариантов, отличие только в объеме и
содержании практической части. Для школ, имеющих доступ к ЭВМ, дополнительные
34 часа рекомендовалось использовать для решения на ЭВМ различных задач,
отработки навыков применения компьютера и его программного обеспечения. При
определении содержания курса остается важным вопрос о последовательности
изучения его тем. Две эти задачи (определения содержания обучения и построение
оптимальной последовательности изучения, соответствующей логике науки и уровню
развития учащихся) тесно взаимосвязаны. Основное содержание школьного курса
ОИВТ в соответствии с программой [23] складывалось из следующих тем:
IX класс
(1 ч в неделю,
всего 34 ч)
1. Введение — 2ч.
2. Алгоритмы. Алгоритмический
язык — 6ч.
3. Алгоритмы работы с
величинами — 10 ч.
4. Построение алгоритмов для
решения задач — 16ч.
X класс
(1 ч в неделю,
всего 34 ч)
5. Принципы устройства и
работы ЭВМ — 12 ч.
6. Знакомство с
программированием — 16 ч.
7. Роль ЭВМ в современном
обществе. Перспективы развития вычислительной техники — 2ч.
8. Экскурсии на
вычислительный центр — 4ч.

Подробный
логико-дидактический анализ всех тем первой версии курса ОИВТ приведен в двух
первых (соответственно, по первой и второй частям курса) специально
составленных книгах для учителя [8, 9], в которых подробно разъяснялись новые
для школьных учителей разделы учебного материала и методические особенности его
преподавания.
В результате изучения первой
части курса учащийся должен был получить представления об информатике как науке
о методах и средствах решения задач на ЭВМ, взаимосвязи информатики и
вычислительной техники. Важнейшее понятие первой части курса — понятие алгоритма,
важнейшее умение — представить решение задачи в виде алгоритма и записать его
на алгоритмическом языке. В связи с этим учащийся должен был понимать сущность
алгоритма, знать его свойства, правила записи основных конструкций
алгоритмического языка, типы величин, уметь проследить безмашинный процесс
исполнения алгоритмов, используя так называемую таблицу значений, как способ
наглядного фиксирования шагов алгоритма. В результате изучения последней темы
первой части курса (построение алгоритмов для решения задач) учащиеся знакомились
с этапами решения задач на ЭВМ, что позволяло дать первое представление о
компьютерном подходе к решению практических задач.
Содержание второй части курса
развивает и обогащает понятия, введенные на первом году обучения информатике,
закладывает научные основы для формирования всех основных компонентов
компьютерной грамотности учащихся. Получают дальнейшее развитие приобретенные в
первой части курса первоначальные сведения об устройстве ЭВМ, раскрывается
принцип программного управления работой ЭВМ, организации автоматического исполнения
программы. Вместе с тем центральное место во второй части курса занимал раздел
программирования, при изучении которого завершалось формирование знаний
учащихся об основных алгоритмических структурах, умений применять эти знания
для построения алгоритмов решения задач. С этой целью вводятся новые (по
сравнению с первой частью курса) конструкции алгоритмического языка: команда
выбора, цикл с параметром, алгоритм вычисления значений функций и операции работы
с текстами. Кроме того, дается краткое изложение начальных сведений о языке
программирования, что в условиях хотя бы эпизодического доступа учащихся к ЭВМ
позволяло бы практически показывать процесс исполнения программы.
Завершающий раздел курса — знакомство
учащихся с основными областями применения ЭВМ, формирование хотя бы начальных
представлений о компьютерах, как о средстве повышения эффективности
деятельности человека. При отсутствии в школе кабинета вычислительной техники
главная роль при изучении этой темы принадлежала экскурсии на предприятия или
учреждения, использующие ЭВМ.
Основным средством описания
алгоритмов, заложенным в самой программе курса ОИВТ [23] и последовательно
используемом в обеих частях пробного учебного пособия для учащихся [21, 22]
является специально разработанный под руководством А. П. Ершова учебный
алгоритмический язык. Теперь, по прошествии уже достаточно большого времени
можно уверенно сказать, что приобретенная этим языком с самого начала его
использования репутация наилучшего средства обучения основам алгоритмизации в
«безмашинном варианте» полностью подтвердилась. Обладая определенной свободой
записей (в нем нет на начальной стадии применения строгих и формальных правил нотации),
учебный алгоритмический язык позволяет, тем не менее, познакомиться со всеми
основными понятиями и методами алгоритмизации. Кроме того, он обладает целым
рядом привлекательных свойств, которые и объясняют, почему при выборе
дидактического средства для записи алгоритмов в курсе информатики именно этому
языку было отдано предпочтение перед широко распространенными в то время официальными
языками программирования (например, Бейсиком):
1. Русская (или
национальная) лексика. Служебные слова языка пишутся на русском (или
родном) языке и понятны школьнику. В то время как иностранные слова (равно как
и аббревиатуры, составленные на основе иноязычных слов), принятые для
обозначения конструкций в распространенных языках программирования, создают при
изучении (особенно при первоначальном изучении) дополнительные трудности, не
имеющие никакого отношения к сути предмета.
2. Структурность. Учебный
алгоритмический язык (в отличие, скажем от того же Бейсика, использующего
построчную алгоритмическую нотацию) построен на куда более современных идеях
структурного программирования. Внутренняя структурная единица алгоритмического
языка — составная команда — обеспечивает единство структуры алгоритма и его
записи, что наилучшим образом соответствует операционному мышлению человека.
3. Независимость от ЭВМ. В
алгоритмическом языке нет деталей, связанных с устройством машины, что
позволяет сосредоточить внимание на алгоритмической сути решаемых задач.
При введении курса ОИВТ в
школу программа этого предмета, на основе которой писались пробные учебные
пособия, сами эти пособия, как и выбранная для размещения в школьном учебном
плане позиция для курса ОИВТ (два завершающих года обучения в школе) — все это
подвергалось резкой, иногда просто уничижительной критике. Одна из главных
мишеней для критики — это относительная избыточность алгоритмизации и
программирования (действительно, на непосредственно связанные с
программированием разделы 2, 3, 4 и 6 программы в явном виде выделялось 48
часов из 68). Объяснение здесь простое: при составлении программы принимался во
внимание не столько научно-методический анализ соответствующих тому времени
требований к общеобразовательной подготовке школьников в области информатики,
сколько реальное состояние отечественной практики в этой области, реальные
возможности оснащения школ материально-технической базой, реальное состояние
готовности учительских кадров. Этим объяснялось многое: и то, что вопреки
желанию самих разработчиков первой программы она умышленно ориентировалась на
«безмашинный» вариант обучения, и то, что вместо широкой подготовки к жизни и
деятельности в современном информационном обществе она едва ли не подавляющую
часть учебного времени отводила на алгоритмизацию и программирование, через
которые в первой программе преимущественно и рассматривалась
общеобразовательная функция предмета информатики.

4.3. Машинный вариант курса ОИВТ

Первая учебная программа
«машинного варианта» школьного курса информатики была опубликована в 1986 г. в
связи с объявлением конкурса на создание учебника по курсу «Основы информатики
и вычислительной техники» [26]. Программа курса рассчитана на обучение основам
информатики в двух старших классах средней общеобразовательной школы в объеме
102 часов. Ниже приводится перечень тем этой программы с ориентировочным
распределением часов по темам.
1. Введение — 2 ч.
2. Первоначальное знакомство
с ЭВМ — 8ч.
3. Основы алгоритмизации — 26
ч.
4. Основы вычислительной
техники — 12 ч.
5. Основы программирования —
20 ч.
6. Решение задач на ЭВМ — 28
ч.
7. ЭВМ в обществе — 6ч.
Как отмечалось в
пояснительной записке к новой программе [26], содержание курса разрабатывалась
исходя из понимания основ информатики и вычислительной техники как
общеобразовательного предмета. Сопоставляя названия разделов этой программы с
программой «безмашинного курса» [23], можно заметить, что между ними нет
существенных различий. Однако в отличие от первой (продолжавшей, кстати, еще
долго действовать в школах, не имеющих возможности обеспечивать учащимся доступ
к ЭВМ) официальной программы, содержание программы «машинного варианта» было
ориентировано на обучение информатике в условиях активной работы школьников с
ЭВМ в кабинете вычислительной техники (КВТ). По этой причине в новой программе
значительное время отводилось на практическую работу. Программа писалась в
предположении, что «в ближайшем будущем школы страны будут оснащены
вычислительной техникой, предоставляющей учащимся новое средство познания и
моделирования реального мира, работа с которым должна способствовать их
всестороннему развитию, дать им знания и умения, необходимые как в период
обучения, так и после окончания школы в трудовой деятельности и при продолжении
образования» [26].
Важным элементом этой
программы является впервые объявленный в составе официального документа,
регламентирующего обучение школьной информатике, примерный перечень
программного обеспечения в поддержку курса ОИВТ:
1. Базовое программное
обеспечение школьной ЭВМ (операционная система, файловая система, текстовый
редактор).
2. Языковая система
программирования с библиотекой стандартных программ и системой отладки.
3. Клавиатурный тренажер.
4. Простой редактор текстов.
5. Простой графический
редактор.
6. Учебный интерпретатор
алгоритмического языка.
7. Учебная база данных.
8. Учебная система обработки
электронных таблиц.
9. Демонстрационный пакет для
предварительного знакомства с ЭВМ.
10. Семейство исполнителей с
заданной системой команд и фиксированной обстановкой.
11. Библиотека
вспомогательных алгоритмов.
12. Пакет программ,
моделирующих работу ЭВМ и ее устройств.
13. Пакет моделирующих
программ по темам из школьных курсов математики и физики.
14. Программная модель
типовых структур данных.
15. Учебный пакет
автоматического решения задач.
16. Пакет программ управления
учебным роботом.
17. Демонстрационный пакет по
применению ЭВМ.
Легко видеть, что этот
перечень программных средств, по сути дела, повторяет все разделы курса ОИВТ,
хотя и состоит большей частью из гипотетических компонентов (учебных моделей),
которые в условиях объявленного конкурса следовало рассматривать как
приглашение к разработке. В последующие годы большинство из них действительно
было разработано, причем в многократно повторяющихся вариантах, с различными
уровнями дидактической полезности и для различных типов используемых в школах
ПЭВМ.
Пакет программных средств по
обеспечению курса ОИВТ создал важный для образовательной практики прецедент
(как образец неотъемлемого компонента методической системы преподавания любого
учебного курса) и стал фактически первым прототипом более общего понятия «пакет
программных средств по учебной дисциплине».
Особое положение в перечне
программных средств занимает интерпретатор учебного алгоритмического языка
(раздел 6), первая версия которого уже фактически действовала к моменту
объявления конкурса. Роль этого программного средства для построения
методической системы преподавания курса ОИВТ и развития его
общеобразовательного начала трудно переоценить.
Как уже отмечалось выше,
важнейшая особенность нового курса основ информатики, методики и организации
учебного процесса при его изучении — постоянная работа школьников с ЭВМ на
каждом уроке информатики. Все темы курса включают в себя значительный объем
практических работ а использованием ЭВМ. В пояснительной записке к новой
программе в методику преподавания информатики были впервые внесены (ставшие
впоследствии привычными для преподавания информатики в школе) три вида
организованного использования кабинета вычислительной техники — демонстрация,
лабораторная работа (фронтальная) и практикум (см. об этом подробнее в
подразделе 6.1).
Концепция содержания,
заложенная в программе «машинного варианта», была практически реализована в
нескольких подготовленных на ее основе учебных пособиях, пополнивших вслед за
первыми изданиями пробных учебных пособий [21, 22] ряд учебных книг по
информатике для средней школы, в том числе авторов А. Г. Кушниренко и др. [12],
В. А. Каймина и др. [11], А. Г. Гей-на и др. [20], получившие широкое
распространение в школах. Как уже отмечалось выше, концептуально содержание
новой версии курса ОИВТ отличалось от прежней его трактовки не более чем погружением
в компьютерную практику. Не продвинулись дальше и учебники, в целом
добросовестно отражавшие концепцию исходной программы (если не считать попытки
явной актуализации линии логики в учебнике [11]). Появление этой серии учебных
пособий вызвало поток достаточно жесткой критики (см., например, [2, 3, 18]).
Впрочем, критика эта часто относилась не столько к самими пособиям, сколько к
программе, их породившей, и была направлена преимущественно на гипертрофированную
в курсе ОИВТ линию алгоритмизации и программирования и слабое продвижение в
части развития фундаментальных основ школьного предмета информатики. Так,
например, применительно к учебному пособию [12] В. К. Белошапка не без юмора
отмечал, что «к учебнику с самых разных позиций можно предъявить большие
претензии за то, чего там нет».
Освоение школьным курсом
информатики новых компонентов информационной культуры существенно тормозилось
общим состоянием процессов информатизации общества, провалами в развитии
материальной базы и, как следствие, слабым распространением информационных
технологий. «Общим недостатком имеющихся учебников является то, что ни один из
них не сделал принципиально нового шага по сравнению с первым вариантом,
который был в предельно сжатые сроки подготовлен авторским коллективом под
руководством академика А. П. Ершова. Впрочем, насколько мы продвинемся по пути
формирования школьного курса истинно информатики, зависит уже не от авторов
учебников, а от общего уровня информатизации нашего общества. Школьный учебник
не может бесконечно Долго выдавать желаемое за действительное, в противном
случае вера в реальное предназначение знаний из области информатики будет
подорвана окончательно» [13].

4.4. Формирование концепции содержания
непрерывного курса информатики для
средней школы

Нецелесообразность (и
недостаточность) обучения информатике только на старшей ступени школы,
осознаваемая многими учеными-педагогами, как и авторами разработки первой
программы уже в момент введения предмета ОИВТ в школу, со временем становилась
все более очевидной [6]. К началу 1990-х гг. по истечении пяти лет после
введения курса ОИВТ в среднюю школу в рамках предпринимаемых в ряде мест
экспериментальных инициатив постепенно начинает складываться новая структура
обучения информатике в общем среднем образовании. Отличительными факторами этой
новой структуры являются, с одной стороны, «омоложение» и «снижение» содержания
обучения с ориентацией на самое младшее звено — начальную школу, а с другой — вычленение
так называемого базового содержания школьного образования в области
информатики, ориентированного на среднее звено школы. Это нашло отражение в
разработанных в начале 1990-х гг. и рекомендованных Министерством образования
РФ экспериментальных программах [28], в которых уже просматривались «ростки»
концепции непрерывного образования в области информатики.
Из программ, помещенных в
этом сборнике, выделим для нашего рассмотрения две: программу курса информатики
для начальной школы, основанную на программно-методической системе Роботландия,
и программу курса информатики для базового звена средней школы.
Анализ этих программ наглядно
показывает уже вполне сложившиеся к тому времени (начало 1990-х) подходы к
формированию содержания обучения на разных ступенях (этапах) школьного
образования, а также позволяет понять, какие тенденции в формировании
содержания обучения информатике учащихся разных возрастных групп (в том числе
на основе и отечественного, и зарубежного опыта) начали в то время доминировать
при определении концепции непрерывного информатического образования учащихся.

Программа курса
информатики
для III— IV классов начальной общеобразовательной школы
(составители: А.
М. Гольцман, А. А. Дуванов,
Я.Н.Зайдельман,
Ю.А. Первин)
Цель этого курса — развитие
алгоритмического подхода к решению задач, формирование представлений об
информационной картине мира, практическое освоение компьютера как инструмента
деятельности. '
Содержание программы курса
формировалось вокруг четырех основных направлений, пронизывающих все темы
курса:
1. Мировоззренческое (ключевое
слово — информация). Здесь рассматриваются понятия информации и информационных
процессов (обработка, хранение и передача информации). В результате должно
сформироваться умение видеть информационную сущность мира, распознавать и
анализировать информационные процессы.
2. Практическое (ключевое
слово — компьютер). Здесь формируется представление о компьютере как
универсальной информационной машине, рассматриваются разнообразные применения
ЭВМ, дети приобретают навыки общения с машиной.
3. Алгоритмическое (ключевые
слова — алгоритм, исполнитель, программа). В курсе не изучаются
распространенные языки программирования. Программистская вершина Роботландии —
язык управления исполнителями, хотя и содержит основные конструкции развитых
языков, остается весьма примитивным. Путь к этой вершине лежит через решение
алгоритмических задач, изучение «черных ящиков», программирование простейших
исполнителей. В результате формируется представление об алгоритмах, способах их
записи и выполнения.
4. Исследовательское направление
(ключевое слово — творчество). Содержание и методика курса нацелены на
формирование творческих, исследовательских качеств.
Курс проектировался как
двухгодичный при 2-х часах в неделю и ориентировался на III — IV кл. начальной школы. Особенность курса — его прикладная
направленность. Знакомясь с программными средствами Роботландии, дети своими
руками создают интересные для них объекты — компьютерную стенгазету, книги
собственного сочинения, вернисаж машинных рисунков, концерт под аккомпанемент
музыкального редактора. Учитывая возраст детей, значительное место на занятиях
отводилось игровой форме обучения. На втором году обучения рекомендовалось
использовать систему учебных проектов — индивидуальных или групповых заданий,
выполняемых детьми на протяжении длительного времени (четверти, полугодия) с
использованием доступных детям учебных средств — редакторов текстовой,
графической и музыкалькой информации, а также другими, не входящими в
Робот-ландию, прикладными программами. Предполагалось, что после завершения
двухлетнего курса информатики школьники будут готовы к свободному и осознанному
применению компьютера в своей учебной деятельности при изучении других школьных
дисциплин.

Программа курса
информатики для VIII— IX классов общеобразовательной школы (составители: А.Г.Гейн, Е. В.Липецкий, М.
В. Сапир,
В. Ф. Шолохович).
Программа рассчитывалась на
три полугодия по 2 часа в неделю (всего 102 часа), при этом предполагалось,
что, как минимум, половину учебного времени учащиеся проводят в компьютерном
классе. Курс строился на общеобразовательных началах, предполагавших выработку,
с одной стороны, некоторых элемен-|гов общей культуры, составляющих
теоретическую базу, а с другой — определенных практических навыков. ! К
теоретической базе авторы относили знание общих принципов решения задач с
помощью ЭВМ, понимание того, что значит поставить задачу и построить
компьютерную модель, знание основных способов алгоритмизации, а также общее
представление об информации и информационных системах, о принципах строения
ЭВМ. Практические навыки должны были складываться в процессе работы на ЭВМ, в
том числе с готовыми программными средствами, информационно-поисковыми
системами, редак-ргорами текстов и графическими редакторами, электронными
таб-шцами, другими пакетами прикладных программ.
Основные блоки учебной
программы:
Часть 1. Знакомство с ЭВМ.
Введение. Знакомство с
назначением основных устройств ЭВМ.
Клавиатура и дисплей.
Графический редактор.
Электронная таблица.
Понятие компьютерной модели.
Часть 2. Алгоритмы и исполнители.
Основные понятия. Ветвления.
Циклы. Вспомогательные алгоритмы.
Организация данных. Основы
языка программирования.
Часть 3. Информация и ЭВМ как средство ее
обработки.
Информация. Измерение
количества информации. Информа-дионно-поисковые системы. Прикладные программы.
Основы вычислительной техники.
В программе явно
просматривается (хотя и в несистематизированном виде)
содержательно-методическая линия исполнителя (компьютера), линия информационных
технологий, алгоритмическая линия, а также обозначение линий моделирования,
информационных процессов и представления информации. Но главное очевидное
методическое достоинство, реализованное в этой программе —
вводно-ознакомительный характер содержания, построенный на основе умеренных по
сложности понятиях, а также выраженная пользовательская ориентация курса, что
должно было бы позволять эффективно и осознанно использовать компьютер (в
условиях снижения курса информауики в среднее звено школы) при последующем изучении
других школьных дисциплин. Все это — новые контуры нарождающегося базового
курса для среднего звена школы.
В первой половине 1990-х гг.
появилось несколько концепций и даже учебных программ, развивающих идею
непрерывного школьного курса информатики (см., например, [1, 5, 16, 32 и др.]).
Однако первая официальная рекомендация к построению непрерывного (трехэтапного)
курса информатики для средней школы была принята решением Коллегии Министерства
образования РФ № 4/1 от 22 февраля 1995 г. [19] (см. также инструктивное письмо
Министерства образования РФ от 29 мая 1995 г. [10]).
Коллегия постановила признать
целесообразной необходимость выделения трех этапов в овладении основами
информатики и формирования информационной культуры в процессе обучения в школе:
первый этап (I—VI кл.) —
пропедевтический, второй этап (VII—IX кл.) — базовый курс, третий этап (X—XI кл.) — профильные курсы.
Одним из результатов изучения
учащимися курса информатики должна была стать возможность систематического
использования методов и средств информационных технологий при изучении всех
школьных предметов.
Вместе с тем Коллегией был
принят также и важнейший документ, определявший требования к содержанию
информатического образования учащихся — «Основные компоненты содержания
школьного образования по информатике» [19]. По замыслу этот официальный
документ должен был до утверждения стандарта школьного образования в области
информатики (а в это же время уже началась работа над стандартом; см. следующий
пункт) служить своеобразным эталоном, задающим уровень обязательных требований
к курсу, в том числе и на каждом из выделенных этапов непрерывного курса
информатики. В данном случае анализ этого документа важен с точки зрения
отражения в нем сформированных к тому времени официальных взглядов на
содержание обучения информатике в средней школе. Содержание «Основных
компонентов» укладывалось в следующую минимальную номенклатуру тем,
определявших содержательно-методические линии курса:
1. Информационные процессы,
представление информации.
2. Алгоритмы и
программирование.
3. Компьютер и программное
обеспечение.
4. Основы формализации и
моделирования.
5. Информационные технологии.
Одновременно с «Основными
компонентами» Коллегией предлагались к тому времени уже частично апробированные
учебно-программные комплексы: базовый курс информатики А. А. Кузнецова [19, с.
20 — 23], а также два варианта непрерывного курса информатики для средней школы
— А.Л. Семенова и Н.Д.Угриновича [19, с. 23-29], Е.Я.КоганаиЮ.А-Первина [19, с.
29-36].
В наиболее завершенном и
сложившемся к концу 1990-х гг. виде сонцепция содержания непрерывного курса
информатики отражена в специальном издании сборника программно-методических
материалов «Информатика. I — XI кл.» [27], в который вошли: гве программы пропедевтического курса
информатики для I—VI i V—VII кл., программа базового курса для VIII —IX кл., две трограммы базового курса для VII —IX кл. основной школы, про-рамма профильного курса для VIII — XI кл. с углубленным изучением информатики и программа
экспериментального курса «Информационная культура» для I —XI кл. общеобразовательных учреждений.
I Важной особенностью этих программ, охватывающих весь
пе-эиод общего среднего образования от I до XI кл., является параллельное и концентрическое изучение учебного
материала. Это позволяет по мере изучения курса давать все более глубокие
зна-|ния по всем основным содержательно-методическим линиям курса, (не теряя
при этом целостности изложения всего материала.

4.5. Стандартизация школьного образования
в области информатики

Согласно Федеральному закону
«Об образовании», принятому в июле 1992 г., в Российской Федерации
устанавливаются государственные образовательные стандарты, включающие
федеральный и национальный компоненты. Российская Федерация в лице федеральных
(центральных) органов государственной власти и управления в рамках их
компетенции устанавливает федеральные компоненты государственных
образовательных стандартов, определяющих в обязательном порядке обязательный
минимум содержания основных образовательных программ, максимальный объем
учебной нагрузки обучающихся, требования к уровню подготовки выпускников.
Государственные образовательные стандарты по новым образовательным программам
вводятся не ранее чем через пять лет после начала работы по данным программам.
Государственные образовательные стандарты разрабатываются на конкурсной основе
и уточняются на той же основе не реже одного раза в десять лет. Конкурс объявляется
Правительством Российской Федерации.
Государственные
образовательные стандарты являются основой объективной оценки уровня
образования и квалификации выпускников независимо от форм получения образования
[7, статья 7].
Разработка федеральных
компонентов государственных образовательных стандартов общего образования по
всем предметам школьного цикла была проведена Министерством образования РФ в
соответствии с постановление^ Правительства РФ от 28 февраля 1994 г. «Об
утверждении порядка разработки, утверждения и введения в действие федеральных
компонентов государственных образовательных стандартов начального общего,
основного, среднего (полного) общего и начального профессионального образования».
Конкурс начался с июня 1994 г. и был завершен 1 июля 1996 г. На I этапе были рассмотрены концепции федеральных компонентов
государственных образовательных стандартов общего образования. Первое место
было присуждено концепции, представленной авторским коллективом Института
общеобразовательной школы РАО под руководством академика РАО В. С. Лед-нева
[33]. Победителем конкурса по информатике был признан проект стандарта,
представленный авторским коллективом под руководством А. А. Кузнецова [30].
Прежде чем перейти к
рассмотрению проекта стандарта общего школьного образования по информатике,
отметим, что согласно Закону «Об образовании» Госстандартом нормируется лишь
минимально необходимый уровень образованности, т. е. тот уровень, без которого
невозможно ни развитие личности, ни продолжение образования.
Общеобразовательный стандарт
по информатике является нормативным документом, определяющим требования:
• к месту базового курса
информатики в учебном плане школы;
• к содержанию базового курса
информатики в виде обязательного минимума содержания образовательной области;
• к уровню подготовки
учащихся в виде набора требований к знаниям, умениям, навыкам и научным
представлениям школьников;
• к технологии и средствам
проверки и оценки достижения учащимися требований образовательного стандарта.
Характеризуя проект
Госстандарта по информатике в целом, можно отметить, что в концептуальном плане
в этом документе унаследовано многое из того, что уже нашло отражение в
«Основных компонентах» содержания курса информатики в общеобразовательных
учреждениях (решение Коллегии Министерства образования РФ, февраль 1995 г.
[19]), а именно: структура курса, место предмета, основные содержательные
линии. В то же время анализ приведенной в проекте Госстандарта общей
характеристики образовательной области со всей очевидностью показывает, что в
стандарте настойчиво и последовательно реализуется идея развития и усиления
фундаментальных основ школьного образования в области информатики, исходя из
представлений о том, что в настоящее время информатика — одна из
фундаментальных областей научного знания, формирующая системно-информационный
подход к анализу окружающего мира, изучающая информационные процессы, методы и
средства получения, преобразования, передачи, хранения и использования информации,
стремительно развивающаяся и постоянно расширяющаяся область практической
деятельности человека, связанная с использованием информационных технологий. На
этой основе в проекте стандарта выделяются два аспекта, формирующие
общеобразовательное содержание курса информатики.
Первый аспект определяется сферой пересечения предметов
информатики и кибернетики: системно-информационная картина мира, общие информационные
закономерности строения и функционирования самоуправляемых систем
(биологические системы, общество, автоматизированные технические системы).
Специфической особенностью этих систем является свойство их целесообразного
функционирования, определяемое наличием в них органов, управляющих их
поведением на основе получения, преобразования и целенаправленного
использования информации.
Второй аспект — методы и средства получения, обработки,
передачи, хранения и использования информации, решения задач с помощью
компьютера и других средств новых информационных технологий. Этот аспект
связан, прежде всего, с подготовкой учащихся к практической деятельности,
продолжением образования.
Доминирование в системе
фундаментальных оснований образовательной области «Информатика» отмеченных выше
аспектов означает фактически стабилизацию новой парадигмы содержания школьного
курса: явный и окончательный отход от изначально определявшей концепцию
школьного курса информатики символической триады «информация — алгоритм — ЭВМ»
и переход к триаде «информация — информационные модели — информационные
технологии».
Подтверждением сказанному
является и характерное (по сравнению с «Основными компонентами», см. [19]),
хотя и незаметное на первый взгляд, изменение перечня основных содержательных
линий курса, среди которых взамен единой линии «Информационные процессы,
представление информации» появляются две раздельные и самостоятельные
содержательные линии курса: линия информационных процессов и линия
представления информации. Отметим еще одну примечательную особенность проекта
стандарта по информатике, особенность, которая характеризует общую тенденцию
изменений в системе общего школьного образования. Речь идет о декларации нового
— критериально-ориентированного — подхода (взамен традиционного нормированного)
к способу оценки уровня подготовки школьников по информатике (см. [30, раздел
III]). Эти изменения могут иметь
принципиальное значение для развития демократических, личностных аспектов
системы общего школьного образования.
Создание образовательных
стандартов — важный шаг в развитии отечественной школы. Переход на стандарты
оказывает значительное влияние на учебный процесс, деятельность образовательных
учреждений, работу учителей. Именно по этой причине введение (и обновление)
Госстандартов для общеобразовательной школы, как и для всех типов и форм
образования, согласно Закону «Об образовании» является важнейшей
государственной акцией, осуществляемой на самом высоком уровне государственного
управления [34]. Вместе с тем уже в процессе разработки и экспериментальной
проверки проекта стандарта он становится определенным ориентиром для авторов
школьных программ, учебников, методических рекомендаций, а отдельные компоненты
стандарта, такие как: обязательный минимум содержания обучения, требования к
результатам обучения — становятся достоянием практики школ (см., например,
[24]).

4.6. Рекомендации к проведению семинарского занятия

Тема «Содержание школьного
образования в области информатики»

Основные вопросы:
1. Общие принципы
формирования содержания обучения информатике.
2. Структура и содержание
первой отечественной программы учебного предмета ОИВТ. Учебный алгоритмический
язык А. П. Ершова.
3. Программа машинного
варианта курса ОИВТ.
4. Формирование концепции
содержания непрерывного курса информатики для средней школы.
5. Стандартизация обучения
информатике в школе.

Литература к главе 4

1. Антипов И.Н., Боковнев
О.А., Степанов М.Е. О преподавании информатики в младших классах // ИНФО. —
1993. — № 5.
2. Белошапка В.К. Три
учебника информатики // ИНФО. — 1991. — № 1.
3. Виленкин Н.Я.,
Ратинский Ин.А. Информатика или программатика? // ИНФО.- 1990. — № 2.
4. Дидактика средней школы /
Под ред. М. Н. Скаткина. — М., 1982.
5. Долматов В.П. Информатика — базовый курс: цели и
содержание, методика и средства (проект). — М.: Психол. ин-т РАО, 1993.
6. Ершов А. П. Школьная
информатика в СССР: от грамотности — к культуре // ИНФО. - 1987. - № 6.
7. Закон РФ «Об образовании».
8. Изучение основ информатики
и вычислительной техники. Ч. 1. — М.: Просвещение, 1985.
9. Изучение основ информатики
и вычислительной техники. Ч. 2. — М.: Просвещение, 1986.
10. Инструктивное письмо
Министерства образования РФ «Об изменении структуры обучения информатике в
общеобразовательной школе» от 29 мая 1995 г. // ИНФО. — 1995. - № 4. — С. 5-6.
11. Кайман В. А. и др. Основы
информатики и вычислительной техники. — М.: Просвещение, 1989.
12. Кушниренко А. Г.,
Лебедев Г. В., Сворень Р. А. Основы информатики и вычислительной техники. —
М.: Просвещение, 1990.
13. Летчик М.П. Информатика
и технология: компоненты педагогического образования // ИНФО. — 1991. — № 6.
14. Леднев В. С. Содержание
образования. — М.: Высш. шк., 1989.
15. Леднев В. С. Содержание
образования: сущность, структура, перспективы. — М.: Высш. шк,, 1991.
16. Лесневский А. С.,
Белошапка В. К. Требования к знаниям и умениям школьников по информатике //
ИНФО. — 1993. — № 6.
17. Лихачев Б. Т. Педагогика.
Курс лекций: Учеб. пособие для студентов пед. учеб, заведений и слушателей ИПК
и ФПК. — М.: Прометей, 1992.
18. Матюшкин-Герке А. Школьная
информатика: уроки, проблемы и перспективы // ИНФО. — 1991. — № 1.
19. Основные компоненты
содержания информатики в общеобразовательных учреждениях. Приложение 2 к
решению Коллегии М-ва образования РФ от 22 февраля 1995 № 4/1 // ИНФО. — 1995.
— № 4. — С. 17-36.
20. Основы информатики и
вычислительной техники / А.Г.Гейн, В.Г.Житомирский, Е.В.Липецкий и др. — М.:
Просвещение, 1991.
21. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений. Ч. 1.
— М.: Просвещение, 1985.
22. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений. Ч. 2.
— М.: Просвещение, 1986.
23. Основы информатики и
вычислительной техники: Прогр. для сред, учеб, заведений. — М.: Просвещение,
1985.
24. Оценка качества
подготовки выпускников основной школы по информатике / Сост. А.А.Кузнецов,
Л.Е.Самовольнова, Н.Д.Угринович // Информатика. Еженед. прил. к газете «Первое
сентября». — 1999. — № 38-44.
25. Педагогика: Учеб. пособие
для студентов пед. вузов и пед. колледжей / Под ред. П.И.Пидкасистого. — М.:
Пед. об-во России, 1998.
26. Программа курса «Основы
информатики и вычислительной техники» // Микропроцессорные средства и системы.
— 1986. — № 2 (см. также Математика в школе. — 1986. — № 3).
27. Программно-методические
материалы: Информатика: I—XI кл. / Сост. Л.Е.Самовольнова. — М.:
Дрофа, 1998.
28. Программы для средних
общеобразовательных учебных заведений. Основы информатики и вычислительной
техники. — М.: Просвещение, 1992.
29. Программы средней
общеобразовательной школы. Основы информатики и вычислительной техники. — М.:
Просвещение, 1991. — 44 с.
30. Проект федерального
компонента Государственного образовательного стандарта начального общего,
основного общего и среднего (полного) образования. Образовательная область
«Информатика» // ИНФО. — 1997.-№1.-С. 3-11.
31. Сластенин В. А. и др. Педагогика:
Учеб. пособие для студентов пед. учеб, заведений. — М.: Школа-Пресс, 1997.
32. Угринович Н. Т. Программа
непрерывного курса информатики для средней школы // ИНФО. — 1993. — № 1.
33. Учительская газета. —
1995. — № 19—20.
34. Федеральный закон «О
государственном образовательном стандарте основного общего образования» //
Вестник образования. — 1998. — №2.-С. 82-89.

Глава 5
БАЗИСНЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ШКОЛЫ И
МЕСТО КУРСА ИНФОРМАТИКИ В СИСТЕМЕ УЧЕБНЫХ ДИСЦИПЛИН

5.1. Проблема места курса информатики
в школе

Место учебной дисциплины в
школьном преподавании (объем в часах, протяженность и положение относительно
других дисциплин по годам обучения) определяется учебным планом школы. В
прежние времена в течение длительного времени наша школа имела по существу
единообразный для всех школ учебный план, перечень и положение учебных
дисциплин, в котором жестко фиксировалось центральными органами управления
образованием и не могло ни в какой своей части меняться ни на региональном, ни
на школьном уровне. Такое положение сохранялось до рубежа 80 — 90-х гг.
прошлого века (если не считать того минимально возможного фактора
вариативности, который в середине 1960-х гг. был разрешен школе в связи с
введением в учебный план блока факультативных дисциплин, что в свое время стало
весьма примечательным, но, к сожалению, едва ли не единственным явлением такого
рода).
Итак, при введении в школу
нового учебного предмета «Основы информатики и вычислительной техники»,
осуществленном в 1985 г., место этому предмету определялось еще в «жестком»
учебном плане (т. е. без особых премудростей четко фиксировалось название
учебной дисциплины, отнесенные к ней сроки изучения и объем часов), и место
это, как известно, оказалось таким: два последних года обучения в школе (в то
время это были IX и X кл.).
Как уже отмечалось выше,
фиксированное положение курса информатики исключительно в старших классах с
самого начала понималось и воспринималось как временное. Поэтому по истечении
уже первого пятилетия преподавания нового школьного предмета разрешение
проблемы места курса информатики в школе оказалось под воздействием двух
факторов: с одной стороны — очевидная потребность смещения курса «вниз», в
среднее и младшее звено школы, а с другой — пришедшая как раз к тому времени в
движение сама концепция учебного плана, которая в буквальном смысле взорвала
сохранявшиеся долгое время неприкосновенными и неизменяемыми его общие основы.
К сказанному надо добавить, что уже с самого начала (с начала 1990-х гг.)
одновременно с пересмотром концепции учебного плана в этот процесс удивительным
образом вовлекались самые невероятные проекты относительно структуры и
содержания школьного образования в области информатики, что, к сожалению, в
течение долгого времени сохраняется как хроническая компонента непростой судьбы
школьной информатики в России. Трудности, с которыми было сопряжено уже самое
начало этого процесса, достаточно подробно (хотя и несколько эмоционально, что
только подчеркивает напряжение свойственной для того времени обстановки,
связанной с определением места курса ОИВТ) описаны в [14]. Коснемся кратко
анализа положения курса информатики в школе в начале 1990-х гг.
После длительного периода
использования жесткого учебного плана в результате происходивших в обществе
демократических преобразований на рубеже 1980— 1990-х гг. школа оказалась в
положении, когда она в решающей степени сама может выбирать или даже
частично корректировать «спускаемый сверху» учебный план. Так, в 1989— 1990 гг.
Министерством образования было рекомендовано российской школе 15 вариантов
учебных планов [16, 17, 18], которые с незначительными изменениями (не
относящимися к информатике) письмом Министерства образования РСФСР от 25 января
1991 г. № 1369/15 были рекомендованы к дальнейшему использованию [19]. А в это
же самое время уже шла работа над созданием новой концепции так называемого
базисного учебного плана [22].
Что же предлагалось в 15
вариантах учебных планов, которые, олицетворяя собой наступление эпохи
свободного выбора, должны были бы, в частности, позволять (в рамках декларированной
свободы) при желании поправить дело с имевшим место неудовлетворительным
положением курса информатики? Однако быстро выяснилось, что курс информатики в
этих планах как самостоятельный предмет отсутствует, а вместо негр введена
интефативная дисциплина «Математика, информатика и ВТ». В условиях фактического
отсутствия рекомендаций (что делать с этой строкой учебного плана?) школы, как
правило, придерживались прежнего положения, при котором на курс ОИВТ отводилось
102 часа, распределяемых проверенным способом, восходящим к заре компьютеризации:
соответственно по 1 и 2 часа в неделю в X и XI классах.
В откровенной форме эти же
«принципы» были реализованы и в экспериментальных учебных планах Министерства
народного образования РСФСР (варианты 1 — 6 для первой ступени — начальная
школа, варианты 7—14 для второй и третьей ступеней — с V по XI класс), разработанных на основе проекта пока еще всесоюзного
государственного (базисного) учебного плана [22] и рекомендованных
инструктивным письмом Министерства народного образования РСФСР от 2 апреля 1990
г. № 22-у к экспериментальной проверке в двух школах (городской и сельской)
каждой территории РСФСР [20]. Все структурно-содержательные «достижения» этих
планов применительно к образованию учащихся в области информатики сводились к
следующему:
1. В два из шести вариантов
учебных планов начальной школы была включена интефативная дисциплина
«Математика, конструирование и ЭВТ».
2. Курс информатики
отсоединен от математики, но ни в одном из 8 вариантов, рекомендованных для
средней школы, не включен в союзно-республиканский компонент. Как дисциплина
блока «республиканский компонент» курс ОИВТ размещается на «традиционном» месте
— X и XI кл.; при этом в половине случаев (для
физико-математического, естественно-научного, и трудового направлений) в X кл. 1 час в неделю, в XI кл. — 2 часа; в
других случаях (гуманитарные и эстетические направления) — по 1 часу.
Как видно, прописанные в
учебных планах начала 1990-х гг. возможности для курса ОИВТ носили явно
ограниченный и консервативный характер. Особенно это относится к положению
курса ОИВТ — если в обычных, не экспериментальных учебных планах 1989 г.
сохранялась хотя бы теоретическая возможность «снижения» курса ОИВТ в низшие
ступени (в рамках интефативного курса «Математика, информатика и ВТ»), то его
жесткое базирование в выпускном звене школы (X и XI кл.) в «экспериментальных» планах противоречило самой сути идеи
широкого использования знаний из области информатики при преподавании других
школьных дисциплин. Нельзя, правда, опустить из рассмотрения тот факт, что в
предлагавшихся в то время экспериментальных проектах присутствовал также и
школьный компонент, часовое пространство которого (от 2 до 6 часов в неделю в
зависимости от класса) разрешалось распределять совету школы. В пояснительной
записке утверждалось, что это «открывает широкий простор творческой инициативе
каждого учителя и всего коллектива школы».
Нет слов, сказано красиво,
однако когда замечаешь, что этот «широкий простор» ограничен 2 — 3 часами в
неделю (для V— VII кл.), а творческая инициатива, как это водится, связывается с
разными интересами, а не только с интересами в области информатики, то
становится ясно, что проявить такую инициативу учителю информатики по отношению
к среднему звену (V— VII кл.) очень непросто. А именно здесь было рекомендовано вводить еще
и факультативные курсы, а также обобщающие межпредметные занятия. В конечном
итоге, как мы видим, успех дела в постановке школьного информатического
образования с самого начала в условиях нерешительных действий организаторов и
чиновников от образования в решающей степени ставился в зависимость от
профессионализма, инициативности и настойчивости конкретного школьного учителя
информатики.
Безусловно, оснований для
нерешительности и даже некоторого замешательства «законодателей» программы
обучения информатике в школе — Госкомитета по народному образованию СССР и
республиканского министерства народного образования России — при явно
обнажившихся к тому времени уже вполне очевидных провалах государственной программы
технического обеспечения компьютеризации школы было достаточно. Эта
неуверенность, усиленная непониманием истинного положения дела в школе, как и
недостаточно адекватными оценками стратегических перспектив кадрового
обеспечения информатизации, а также неуемное «скольжение» к западным проектам
без учета уже наработанного собственного опыта, своеобразных традиций,
глубинного профессионализма, стойкости и даже отваги отечественной школы при
подходе к новым задачам — все это привело к тому, что на самом высоком
чиновничьем уровне руководства информатизацией сферы образования уже в самом
начале 1990-х гг. стали поддерживаться и даже развиваться идеи отказа от курса
информатики в школе [30]. Опрометчивость подобных заявлений, тем более в форме
рекомендации на уровне Государственного комитета по образованию (а решающую
роль в принятии соломонова решения сыфала позиция секции школьной информатики
общесоюзного НМС по информатизации образования), была очевидна с самого начала.
Ведь многим директорам школ, руководителям районных департаментов образования,
уставшим от вала многочисленных проблем, привнесенных компьютеризацией школы,
достаточно только разрешительного намека и курс информатики будет или
безжалостно урезан, или напрочь выведен из школьного расписания. А стоило
подумать о том, что этот шаг приведет к «откату» на рубежи, с которых придется
выбираться с еще большими трудностями. Надо отдать должное, что в то время
здравый смысл все-таки восторжествовал — через короткое время Главное
учебно-методическое управление общего среднего образования в ответ на
«...многочисленные запросы от администрации и учителей школ по поводу существования
курса информатики как самостоятельного школьного предмета» опубликовало
разъяснение, в котором сообщалось, что «...курс «Информатика» является важным
компонентом содержания общего среднего образования, в связи с чем нельзя
считать допустимым наметившуюся тенденцию к уменьшению отводимых на курс
учебных часов или к исключению его из учебного плана школ» [8]. Как
говорится, обошлось, хотя публикация полемических статей с названиями типа
«Информатику необходимо сохранить» стала как бы непреходящим жанром для
российских специальных изданий. И все же именно в тот неустойчивый период и был
принят ряд не вполне обоснованных решений, отрицательная роль которых сказывается
еще и поныне: курс ОИВТ не попал в союзный компонент учебного плана, в
некоторых вариантах официальных учебных планов для школ появился весьма
неопределенный «тандем» под названием «математика и информатика», были задержаны
тенденции «снижения» образовательного курса информатики в среднюю и начальную
ступени обучения, кое-где стало вызревать опасение исключения специальности
«Информатика» из учебных планов педагогических вузов. Таким был фон, на котором
в соответствии с только что принятым законом «Об образовании» начался процесс
разработки школьных стандартов и внедрения базисного учебного плана.

5.2. Базисный учебный план 1993 года
(БУП-93)

Действовавшие с 1989/90
учебного года в общеобразовательных учебных заведениях Российской Федерации 15
вариантов учебных планов [17, 19] явились первым шагом на пути дифференциации
содержания образования, предполагавшей ориентацию в обучении: гуманитарную,
естественно-математическую, художественно-эстетическую и пр., а также учитывающей
специфику обучения в городе и на селе. Учебное заведение при этом получи|ло
право самостоятельно выбирать любой учебный план. Но сво-бода учебных заведений
при составлении конкретного учебного плана все еще ограничивалась — и тем, что
в федеральных учебных планах [19] была нормативно закреплена попредметная
организация образовательного процесса (т.е. перечень учебных дисциплин уже был
прописан в федеральном варианте плана), и тем, что эти учебные планы допускали
очень незначительную долю почасовых «подвижек» содержания образования.
Принятый в 1992 г. Закон
Российской Федерации «Об образовании» делегировал образовательным учреждениям
полное право самостоятельности в выборе содержания образования и в разработке
учебного плана [6, статья 14]:
«5. Содержание образования в
конкретном образовательном учреждении определяется образовательной программой
(образовательными программами), разрабатываемой, принимаемой и реализуемой
образовательным учреждением самостоятельно.
Государственные органы
управления образованием обеспечивают разработку (на основе государственных
образовательных стандартов) примерных образовательных программ».
Выполняя требования Закона
«Об образовании», Министерство образования РФ в июле 1993 г. приказом от 7 июня
1993 г. № 237 утвердило и ввело в действие первую версию российского Базисного
учебного плана общеобразовательных учреждений (БУП), в котором в максимальной
степени должны были учитываться и интересы государства, и интересы региона, и
интересы образовательного учреждения, т.е. школы [1].
Прежде чем перейти к анализу
возможностей, которые предоставлял базисный учебный план школам для обучения
информатике, коснемся общих вопросов структуры и особенностей этого документа.
Сразу же заметим, что БУП сам по себе не является рабочим учебным планом для
школы, он лишь представляет собой основу для разработки регионального базисного
учебного плана (в частности, он может совпадать с федеральным БУП), на основе
которого, в свою очередь, школа составляет свой собственный учебный план. С
этой целью в структуру БУП входит инвариантная часть, в которой
обозначены образовательные области, обеспечивающие формирование личностных
качеств обучающихся в соответствии с общечеловеческими идеалами и культурными
традициями, создающие единство образовательного пространства на территории
страны, и вариативная часть, позволяющая учитывать национальные, региональные
и местные социокультурные особенности и традиции, обеспечивающая индивидуальный
характер развития школьников в соответствии с их склонностями и интересами
(табл. 5.1).
Инвариантная часть БУП не
содержит отдельных дисциплин школьной программы (за исключением русского языка
как государственного и физической культуры), а состоит из перечня так
называемых образовательных областей, которые в учебных планах конкретных школ
представляются набором соответствующих учебных предметов и интегрированных
курсов. Набор образовательных областей остается инвариантным, в то время как их
наполнение конкретными предметами может отличаться в разных регионах, в разных
школах.

Таблица 5.1
Базисный
учебный план общеобразовательных учреждений
Российской
Федерации (1993 г.)

Образовательные области

Количество часов в неделю в классах

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

Русский язык как государственный

3

3

3

3

3

3

3

3

3

Языки и литература

4

4

4

4

8

8

6

5

5

4

4

Искусство

2

2

2

2

2

2

2

2

—

—

—

Общественные дисциплины Естественные
  дисциплины

2

2

2

2

2 2

2 3

2 6

3 8

4
8

4
4

4
4

Математика

4

4

4

4

5

5

5

4

5

3

3

Физкультура

2

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3

Технология

2

2

2

2

2

2

2

3

3

2

2

ВСЕГО:

19

19

19

19

26

27

28

30

30

20

20

Обязательные занятия, занятия по
выбору

1

3

5

5

3

3

4

2

3

12

12

Обязательная нагрузка учащегося

20

22

24

24

29

30

32

32

33

32

32

Факультативные, индивидуальные и
  групповые занятия

2

3

3

3

3

3

3

3

3

6

6

ИТОГО

22

25

27

27

32

33

35

35

36

38

38

Примечание. В приведенной таблице опущены классы I—III переходного
варианта.

Вариативная часть
складывается из «Обязательных занятий, занятий по выбору» и «Факультативных,
индивидуальных и групповых занятий». Обязательная учебная нагрузка учащихся
складывается из часов инвариантной части и часов обязательной вариативной
части, которые используются на предметы инвариантной части БУП (в том числе и
для углубленного изучения), на введение дополнительных курсов, курсов по выбору
для учащихся X—XI кл., индивидуальных
учебных планов для одаренных учащихся. Вариативная факультативная часть
используется для индивидуальных и групповых занятий (в сельской малокомплектной
школе эти часы позволяют организовать дифференцированное обучение, изучение
предметов в малых группах).
Так какие же возможности
предоставлял БУП-93 для обучения учащихся информатике? Прежде всего отметим,
что для учебной дисциплины «Информатика» не нашлось места среди образовательных
областей инвариантной части. Говоря другими словами, информатика в БУП-93 не
отнесена к обязательным дисциплинам федерального уровня. В пояснительной
записке к БУП на этот счет имеется весьма уклончивая и скупая рекомендация: «В
современной школе нужно вводить курс «Информатика». В учебных заведениях,
имеющих соответствующие условия, курс «Информатика» может изучаться за счет
часов вариативной части Базисного учебного плана с VII класса или в X—XI классах». Напомним, что вариативная часть состоит из обязательных
и факультативных занятий. Выделим часы этих разделов БУП по четырем группам
классов (I —III, IV—VI, VII —IX, X —XI кл.) в отдельную таблицу (табл. 5.2).
Таблица 5.2
Вариативная
часть БУП

Образовательные области

Количество часов в неделю в классах

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

,х

XI

Обязательные занятия, занятия по выбору

1

3

5

5

3

3

4

2

3

12

12

Факультативные, индивидуальные и групповые
  занятия

2

3

3

3

3

3

3

3

3

6

6

Из таблицы видно, что
наибольшие возможности для размещения курса информатики за счет часов вариативной
части БУП имелись в X—XI кл. Надо
сказать, что именно такой подход чаще всего и применялся при разработке
школьных учебных планов, причем в подавляющем большинстве российских школ дело
тем и ограничивалось. А это, как мы видим, по существу, не вносило никаких
изменений в практику, сложившуюся ранее, с самого момента введения курса ОИВТ в
школу в 1985 г. К такому способу решения проблемы места курса информатики в
школе откровенно подталкивали и рекомендуемые образцы школьных учебных планов,
помещенные в приложении к БУП (см., например, [25]). Вместе с тем нельзя не
обратить внимания, что БУП если и не стимулировал, то и не ставил препятствий
для тех школ, которые стремились к реализации более обширной программы
информатического образования учащихся. Действительно, из приведенной выше
таблицы следует, что даже если использовать только фонд обязательных занятий
вариативной части БУП, то (по крайней мере, теоретически) на информатику вполне
можно «выкроить», например, по 1 часу в неделю с I по IX кл., и по 2 часа в X и XI кл., т.е. именно тот минимум, который вполне покрывает потребность
в часах для постановки непрерывного курса информатики в школе. Надо сказать,
что многие инициативные школы (а иногда и целые регионы — см., например, [9,
31]) шли по этому пути, поддерживая практически развитие концепции непрерывного
образования школьников в области информатики. Все это создавало предпосылки к
развитию соответствующего программно-методического обеспечения и осуществлению
официальных шагов к продвижению непрерывного курса информатики в школу [23,
25].

5.3. Базисный учебный план 1998 года
(БУП-98)

По истечении пяти лет с
момента принятия первого базисного учебного плана общеобразовательных
учреждений России приказом Министерства общего и профессионального образования
РФ от 9 февраля 1998 г. № 322 был утвержден новый базисный учебный план,
который уже с 1 сентября 1998 г. предписывалось «...использовать как основу при
разработке примерных учебных планов для образовательных учреждений, реализующих
программы начального общего, основного общего и среднего (полного) общего
образования» [21]. Новая версия БУП унаследовала все основные структурные
принципы БУП-93 (табл. 5.3), хотя и содержала некоторые особенности внутреннего
строения. Инвариантная часть БУП-98 расписана не только на уровне образовательных
областей, но и на уровне так называемых образовательных компонентов, т.е.
фактически учебных предметов. Федеральный компонент БУП-98 полностью
реализуется в инвариантной части БУП, но в то же время в каждой образовательной
области, кроме образовательной области «Математика» и предметов физики и химии,
может быть выделено 10—15 % времени на региональный компонент содержания
образования. Вариативная часть БУП-98 обеспечивает реализацию регионального и
школьного компонентов, но в отличие от БУП-93 часы разделов «Обязательные
занятия по выбору» и «Факультативные, индивидуальные и групповые занятия»,
составляющие вариативную часть БУП, даны единой строкой (см. табл. 5.3).
Таблица 5.3
Базисный
учебный план общеобразовательных учреждений
Российской
Федерации (1998 г.)

Образовательные
области

Образовательные

Количество часов в неделю

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

Филология

Русский язык как
государственный
Языки и литература

3

6

3

6

3

5

3

5

3

8

3

7

3

7

3

5

3

5

4

4

Математика

Математика Информатика

4

4

4

4

5

5

5

5

5

4

4

Обществознание

История
Обществознание
География

2

4

4

5

6

5

5

Естествознание

Окружающий мир
Биология
Физика
Химия

1

1

2

2

2

2

4

6

6

6

6

Искусство

Музыкальное и изобразительное искусство

2

2

2

2

2

2

2

2

Физическая культура

Физическая культура ОБЖ

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3

3

Технология

Технология
Трудовое обучение
Черчение

2

2

2

2

2

2

2

2

3

2

3

Обязательные занятия по выбору.
Факультативные индивидуальные и
  групповые занятия (6 -дневная учебная неделя)

2

5

5

5

5

5

5

5

5

12

12

Максимальный объем учебной  нагрузки учащегося при 6
  -дневной учебной неделе

22

25

25

25

31

32

34

35

35

36

36

Обязательные занятия по выбору.
Факультативные индивидуальные и
  групповые занятия (5 -дневная Учебная неделя)

2

2

2

2

2

2

2

2

9

9

Примечание. В приведенной таблице опущены классы I —III переходного
варианта.

Обратимся к положению курса
информатики в новом базисном учебном плане. Сразу отметим, что обстоятельства,
связанные с постановкой информатического образования учащихся в рамках нового
БУП, изменились довольно существенно, хотя противоречивость положения курса
информатики в школе сохранилась и даже усилилась, что в итоге явно не
способствовало ослаблению кризиса самого существования информатики как
самостоятельного учебного предмета.
Начнем с того, что в отличие
от БУП-93 в БУП-98 информатика оказалась явно прописанной в инвариантной части
плана — и этому, казалось бы, надо только радоваться, поскольку все, что
отнесено к инвариантной части БУП, обязательно для изучения во всех школах. Вот
только сделано это таким удивительным способом, что вместо радости возникает
чувство тревоги. Дело в том, что информатика и математика вошли в инвариантную
часть как образовательные компоненты, включенные в общую (!) образовательную
область «Математика» с единой (не расписанной) строкой часов (см. табл. 5.3).
Пояснительная записка при этом дает следующие разъяснения и рекомендации: «В
образовательную область «Математика» входят: математика, алгебра, геометрия,
алгебра и начала анализа, информатика. За счет инвариантной части учебного
плана информатика может изучаться как самостоятельный курс в X—XI кл. Изучение данного курса начинать в
более раннем возрасте (VII—IX кл.) возможно за счет часов вариативной части».
Что ж, как мы видим, БУП-98
(как и БУП-93) не смог взять ответственность на утверждение в российских школах
более протяженного обязательного курса информатики, чем тот, который был введен
в среднюю школу СССР в 1985 г. (два старших класса школы). Более того, объем
часов обязательных занятий в примерных учебных планах, приложенных к БУП-98, в X—XI кл. снизился до 1 часа в неделю (и только
в классах физико-математического профиля сохранено по 2 часа). В то же время
сопровождавшее процесс введения БУП-98 в школу Методическое письмо Министерства
образования РФ в характерной для этого жанра мажорной тональности оповещало,
что «...органам управления образованием и общеобразовательным учреждениям
России предоставлены широкие возможности в определении структуры
образовательной области «Математика» и выделении в соответствии с возможностями
и потребностями региона необходимого времени для изучения информатики как
учебного предмета, имеющего значительную самостоятельную общеобразовательную
ценность» [15].
Можно согласиться с тем, что
решение о месте информатики в структуре школьного образования, принятое при
разработке БУП-98, отражало реальное положение с преподаванием этого курса,
сложившееся к моменту введения нового учебного плана в большей части школ
страны. В принципе сохранено важнейшее свойство БУП — не чинить препятствий тем
регионам, тем школам, которые последовательно реализовывали и продолжают
реализовывать на практике идею непрерывного курса информатики, т. е. не
противоречить перспективам развития обучения информатике в общеобразовательных
учреждениях, намеченным Коллегией Министерства образования еще в 1985 г. [7,
23]. Используя дополнительные часы учебного времени, отводимые в вариативной
части БУП-98 на проведение факультативных, индивидуальных и групповых занятий,
школы, имеющие соответствующее ресурсное обеспечение (кадры, техника,
учебно-методическая база), могут вводить в свой учебный план и пропедевтический
курс (I — VI кл.), и базовый курс (VII —IX кл.), и профильные курсы информатики (X—XI кл.). Для реализации пропедевтического курса информатики
Методическое письмо предлагало школам разработанные к тому времени
учебно-методические комплексы, рекомендованные Министерством образования РФ:
[5, 24, 29]. По базовому курсу рекомендовалось использовать и подготовленные
новые пособия: [3, 11, 12] и ранее изданные учебники [4, 13].
Наряду со сказанным выше в
связи с введением БУП-98 нельзя не коснуться вопросов, связанных с сохранением
и накоплением отдельных принципиальных разногласий в решении проблемы места (да
и самой сути) информатического образования в школе.
Дело в том, что включением
информатики в образовательную область «Математика» БУП-98 создал (точнее —
продолжил) неоднозначную обстановку вокруг самого существования информатики как
отдельного предмета. На самом деле «приписку» к математике не следует
рассматривать как случайный факт, с точки зрения носителей определенных
взглядов на структуру и организацию информатического образования школьников
(см., например, [26, 27, 28] и др.), интеграция информатики с математикой (хотя
бы на каких-то этапах школьного образования) может рассматриваться как вполне
оправданное и закономерное явление, порождающее новые взгляды и подходы к
развитию структуры школьной информатики. Вместе с тем, когда очередная версия базисного
учебного плана школы хотя и «проявляет» образовательную область «Информатика» в
инвариантной части, но фиксирует ее в одной строке (через точку) с
образовательной областью «Математика», для многих сторонников целостности и
единства учебного предмета информатики это начинает выглядеть как начало
процесса его ползучего расчленения — на информационные технологии, которые в
таком случае целесообразно приписать к появившейся в базисном учебном плане
новой для школы образовательной области «Технология», и на остаток весьма
неясных очертаний в виде теоретических основ информатики, которые генетически
тяготеют к математике, и которые, следовательно, надо по этой причине интегрировать
со школьным курсом математики. Таким образом, в итоге получается, что
самостоятельный курс информатики расчленяется и исчезает. Не упрощая суть
ситуации, можно в этой связи заметить, что размещение вне базового курса
информатики информационных технологий, ориентированных на практическое
применение компьютера в сферах материальных (производственных) технологий, т.е.
перенос их в другую предметную область — «Технология», является вполне
естественным процессом, и не в этом, по нашему мнению, суть кризиса.
Подтверждением тому — опыт западной школы (см., например, [10]). При этом ИТ
должны наполнять не только образовательную область «Технология». Хорошо, если
ИТ станут привычным инструментом, методом решения задач в разных предметных
областях — математике, естествознании, филологии и пр., и это само по себе не
может рассматриваться как угроза целостности образовательной области
информатика. Что же касается образовательной области «Математика», то ей
следовало бы настраиваться не на интегрирование с информатикой, как на это
(вольно или невольно) ориентируют БУП-93 и БУП-98, а «по-родственному»
поделиться с ней, во имя ее завершенности, целостности, сохранения ее
самостоятельности в системе школьных дисциплин.

5.4. Структура обучения информатике
в 12-летнем учебном плане школы

Проблема места (и структуры)
школьного образования в области информатики получила дальнейшее развитие в
связи с переходом российской школы на 12-летнее обучение.
Рассмотрим отдельные
тенденции и решения, проявившиеся уже в процессе разработки соответствующего
базисного учебного плана [2].
Сразу отметим, что
информатика вошла как отдельная образовательная область в инвариантную часть
БУП; в проекте БУП эта новая образовательная область представлена двумя
предметами — информатикой и информационными технологиями (табл. 5.4).
Таблица 5.4
Базисный
учебный план общеобразовательных учреждений
Российской
Федерации (2000 г., проект)

Образовательные
области

Образовательные
компоненты

Количество часов в неделю

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

Федеральный компонент

Филология

Русский язык как государственный

3

3

3

3

3

3

3

2

2

2

Математика

Математика

4

4

4

4

4

4

4

4

4

4

Информатика

Информатика
Информационная технология

1

1

2

2

Естествознание

Природоведение
Физика
Химия

Биология

2

2

2

2

2

2
2
2

2
3

Образовательные области с федеральным и
  национально-региональным компонентом

Филология

Литература

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Иностранный язык

2

2

2

3

3

3

3

3

3

Обществознание

История

2

2

2

2

2

2

Обществознание

3

География

2

2

2

Национально-региональный компонент

Филология

Родной язык

3 3

2

2

2

2

2

2 :

2 2

                                                                                Окончание табл. 5.4

Образовательные
области

Образовательные
компоненты

Количество часов в неделю

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

Естествознание,
 обществознание

Окружающий мир

1

 1

2

2

Искусство

Изобразительное
искусство, музыка, танец

2

 2

2

2

2

2

2

2

Физическая культура
Технология

Физическая культура

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

Технология

2

2

2

2

2

2

2

2

ИТОГО

19

21

22

22

24

24

26

27

27

27

Школьный компонент

Обязательные занятия по выбору

1

2

2

2

2

2

3

3

3

3

Аудиторная нагрузка учащегося

20

23

24

24

26

26

29

30

30

30

Ученический компонент

Индивидуальные и групповые консультации,
  занятия активно-двигательного и поискового характера

5

5

5

5

5

5

5

5

5

5

Общий объем учебного плана

25

28

29

29

31

31

34

35

35

35

Объем домашнего задания (часов в день)

1,0

1,5

1,5

2

2

2,5

2,5

3

3

Весьма заметным недостатком
проекта базисного учебного плана относительно структуры информатического
образования оказалось явное несохранение принципа преемственности и
непрерывности в реализации системообразующего курса «Информатика», который
оказался представленным двумя разнесенными блоками — начало изучения в III—IV кл., а
продолжение в пределах основной школы только в IX—X кл. Особенно противоречивым местом проекта БУП-2000
оказалось также исключение образовательной области «информатика» из старшего
звена 12-летней школы (XI —XII кл.) (табл. 5.5).
Возможный способ преодоления
указанных несоответствий — это, во-первых, включение информатики в федеральный
компонент БУП на уровне XI—XII кл. (например, путем перемещения часов образовательной области
«Технология», помещенных в национально-региональный компонент плана), а
во-вторых, образование соединительного этапа непрерывного курса информатики в
звене V—VIII кл. (за счет
часов школьного компонента).

Таблица 5.5
Базисный
учебный план общеобразовательных учреждений Российской Федерации (XI—XII классы, проект)

Образовательные области

Образовательные компоненты

Количество часов в неделю по классам

XI

XII

Федеральный компонент

Филология

Русский язык как государственный

2

2

Математика

Математика

3

3

Естествознание

Физика, химия, биология, астрономия

3

3

Образовательные области с федеральным и
  национально-региональным компонентом

Филология

Родной язык, литература

2

2

Иностранный язык

2

2

Обществознание

История, обществоведение

3

3

Национально-региональный компонент

Физическая культура

Физическая культура, ОБЖ

3

3

Технология

Технология

2

2

ИТОГО

20

20

Школьный компонент

Обязательные занятия по выбору

10

10

Аудиторная нагрузка учащегося

30

30

Ученический компонент

Индивидуальные и групповые консультации,
  занятия активно-двигательного и поискового характера

5

5

Общий объем учебного плана

35

35

Объем домашнего задания (часов в день)

3,5

3,5

5.5. Рекомендации к проведению
семинарского занятия

Тема «Место курса информатики в
учебном плане школы»

Основные вопросы:
1. Проблема места курса
информатики в школе — от введения предмета в школу до начала разработки
базисного учебного плана.
2. Базисный учебный план 1993
года.
3. Базисный учебный план 1998
года.
4. Структура обучения
информатике в школе в 12-летнем учебном плане (перспективы).

Литература к главе 5

1. Базисный учебный план
общеобразовательных учреждений Российской Федерации // Учительская газета. — 1993.
2. Базисный учебный план
общеобразовательных учреждений Российской Федерации для 12-летней школы
(проект) // Учительская газета. — 2000 г. - № 38.
3. ГейнА.Г. и др. Информатика:
8—9 кл. — М.: Дрофа, 1999.
4. Гейн А. Г. и др. Основы
информатики и вычислительной техники для 10—11 классов средней школы. — М.:
Просвещение, 1991.
5. Горячев и др. Информатика в играх и задачах:
Учебник-тетрадь: 1—4 кл. М.: Баллас Лтд., 1997.
6. Закон РФ «Об образовании».
7. Инструктивное письмо
Министерства образования РФ «Об изменении структуры обучения информатике в
общеобразовательной школе» от 29 мая 1995 г.// ИНФО. - 1995. - № 4. - С. 5-6.
8. Информатику необходимо
сохранить // ИНФО. — 1990. — № 5.
9. Коган Е.Я., Первин Ю.А.
Курс «Информационная культура» — региональный компонент школьного
образования // ИНФО. — 1995. — № 1.
10. Кравцова А. Ю. Опыт
использования информационных технологий в школах Великобритании. — М.:
Информатика и образование, 1997.
11. Кузнецов А.А., Апатова
Н.В. Информатика: VII —IX классы. — М.: Дрофа, 1999.
12. Кушниренко А. Г. и др.
Информатика: VII — IX классы. — М.: Дрофа, 1999.
13. Кушниренко А. Г. и др.
Основы информатики и вычислительной техники: Учеб. для сред. учеб,
заведений. — М.: Просвещение, 1990, 1991, 1993, 1996.
14. Лапник М.П. Информатика
и технология: компоненты педагогического образования // ИНФО. — 1991. — № 6;
1992. — № 1.
15. Методическое письмо «О
преподавании курса информатики в 1998/99 учебном году» // ИНФО. - 1998. — № 5.
16. О направлении
дополнительных вариантов учебных планов средних общеобразовательных школ на
1989/90 учебный год // Информ. сб. М-ва народного образования РСФСР. — 1989. —
№ 32.
17. О направлении учебных
планов на 1989/90 учебный год // Информ. сб. М-ва народного образования РСФСР.
— 1989. — № 14.
18. О направлении учебных
планов на 1990/91 учебный год // Информ. сб. М-ва народного образования РСФСР.
— 1990. — № 11.
19. О направлении учебных
планов на 1991/92 учебный год. Письмо Минобразования РСФСР от 25.01.91 №
1369/15 // Вестник образования. Справочно-информационное издание М-ва
образования РСФСР. — 1991. -№3.- С. 62-78.
20. О направлении
экспериментальных учебных планов на 1990/91 учебный год, разработанных на
основе государственного базисного учебного плана средней общеобразовательной школы.
Письмо М-ва народного образования РСФСР от 2 апреля № 22-у // Информ. сб. М-ва
народного образования РСФСР. — 1990. — № 18.
21. Об утверждении базисного
учебного плана общеобразовательных учреждений Российской Федерации. Приказ М-ва
общего и профессионального образования РФ от 9 февраля 1998 г. № 322 // Первое
сентября. — 1998. — № 33.
22. Об утверждении
государственного базисного учебного плана средней общеобразовательной школы.
Приказ Госкомитета СССР по народному образованию от 22 сентября 1989 г. № 751
// Бюллетень Государственного комитета СССР по народному образованию. — 1990. —
№ 1. — С. 17-22.
23. Основные компоненты
содержания информатики в общеобразовательных учреждениях. Приложение 2 к
решению Коллегии Минобразования РФ от 22 февралям 1995 № 4/1 // ИНФО. - 1995. -
№ 4. - С. 17-36.
24. Первин Ю.А. и др. Информационная
культура: 1—4 классы. — М.: Дрофа, 1997.
25. Самовольнова Л. Е. Курс
информатики и базисный учебный план // ИНФО. — 1993. — № 3.
26. Семенов А.Л. Математическая
информатика в школе // ИНФО. — 1995.-№5.-С. 54-58.
27. Семенов А. Л. Образование,
информатика, компьютеры // ИНФО. — 1995.-№5.-С. 6-11.
28. Семенов А. Л. Программа
информатизации российского общего образования // Материалы к обсуждению на
Коллегии М-ва образования РФ от 26 декабря 2000 г.
29. Семенов А.Л. и др. Алгоритмика:
5 — 6 классы. М.: Дрофа, 1996 — 1997.
30. Уваров А. Ю. Информатика
в школе: вчера, сегодня, завтра// ИНФО. — 1990. - № 4.
31. Хеннер Е.К. Проект
стандарта образования по основам информатики и вычислительной техники // ИНФО.
— 1994. — № 2.

Глава 6
ОРГАНИЗАЦИЯ ОБУЧЕНИЯ
ИНФОРМАТИКЕ В ШКОЛЕ

6.1. Формы и методы обучения информатике

Основной формой организации
учебно-воспитательной работы с учащимися по всем предметам в средней школе
является урок. Школьный урок образует основу классно-урочной системы
обучения, характерными признаками которой являются [6]:
• постоянный состав учебных
групп учащихся;
• строгое определение
содержания обучения в каждом классе;
• определенное расписание
учебных занятий;
• сочетание индивидуальной и
коллективной форм работы учащихся;
• ведущая роль учителя;
• систематическая проверка и
оценка знаний учащихся.
Классно-урочная система
организации учебного процесса, восходящая от выдающегося чешского педагога Я.
А. Коменского (1592—1670), является основой структурной организации
отечественной школы на протяжении почти всей истории ее существования. Как
показывает весь (пока незначительный) опыт, который накопила наша школа после
введения курса ОИВТ, преподавание основ информатики, без сомнения, наследует
все дидактическое богатство отечественной школы — урочную систему, домашние
задания, лабораторную форму занятий, контрольные работы и т. п. Все это
приемлемо и на уроках по информатике.
Вместе с тем следует
заметить, что со времен Я. А. Коменского и до наших дней взгляды на формы
организации учебного процесса в мировой практике не оставались неизменными.
Зарубежный педагогический опыт от начала XIX в. до современного периода накопил целый ряд подходов, получивших
широкую известность. Среди них белль-ланкастерская форма организации занятий,
мангеймская система, дальтон-гшан, план Трампа [6, 11]. В условиях внедрения в
учебный процесс школы кабинетов вычислительной техники (КВТ) и поисков новых
эффективных форм организации обучения на основе информационных и
коммуникационных технологий (ИКТ) весь известный опыт должен быть подвергнут
критическому анализу, с тем чтобы все прогрессивное стало достоянием нашей
практики. Применение ИКТ может существенно изменять характер школьного урока,
что делает еще более актуальным поиск новых организационных форм обучения,
которые должны наилучшим образом обеспечивать образовательный и воспитательный
процесс.
Классификацию типов уроков
(или фрагментов уроков) можно проводить, используя различные критерии. Главный
признак урока — это его дидактическая цель, показывающая, к чему должен
стремиться учитель. Исходя из этого признака, в дидактике выделяются следующие
виды уроков:
1) уроки сообщения новой
информации (урок-объяснение);
2) уроки развития и
закрепления умений и навыков (тренировочные уроки);
3) уроки проверки знаний
умений и навыков.
В большинстве случаев учитель
имеет дело не с одной из названных дидактических целей, а с несколькими (и даже
со всеми сразу), поэтому на практике широко распространены так называемые
комбинированные уроки. Комбинированный урок может иметь разнообразную структуру
и обладать в связи с этим рядом достоинств: обеспечивая многократную смену
видов деятельности, они создают условия для быстрого применения новых знаний,
обеспечивают обратную связь и управление педагогическим процессом, накопление
отметок, возможность реализации индивидуального подхода в обучении.
Важнейшая особенность
постановки курса информатики на базе КВТ — это систематическая работа
школьников с ЭВМ. Поэтому учебные фрагменты на уроках информатики можно
классифицировать также по объему и характеру использования ЭВМ. Так, например,
уже самая первая программа машинного варианта курса ОИВТ [20] предусматривала
три основных вида организационного использования кабинета вычислительной
техники на уроках — демонстрация, фронтальная лабораторная работа и практикум.
Демонстрация. Используя демонстрационный экран, учитель
показывает различные учебные элементы содержания курса (новые объекты языка,
фрагменты программ, схемы, тексты и т.п.).
При этом учитель сам работает
за пультом ПЭВМ, а учащиеся наблюдают за его действиями или воспроизводят эти
действия на экране своего компьютера. В некоторых случаях учитель пересылает
специальные демонстрационные программы на ученические компьютеры, а учащиеся
работают с ними самостоятельно. Возрастание роли и дидактических возможностей
демонстраций с помощью компьютера объясняется возрастанием общих графических возможностей
современных компьютеров. Очевидно, что основная дидактическая функция
демонстрации — сообщение школьникам новой учебной информации.
Лабораторная работа (фронтальная). Все учащиеся одновременно
работают на своих рабочих местах с программными средствами, переданными им
учителем. Дидактическое назначение этих средств может быть различным: либо
освоение нового материала (например, с помощью обучающей программы), либо
закрепление нового материала, объясненного учителем (например, с помощью
программы-тренажера), либо проверка усвоения полученных знаний или операционных
навыков (например, с помощью контролирующей программы). В одних случаях
действия школьников могут быть синхронными (например, при работе с одинаковыми
педагогическими программными средствами), но не исключаются и ситуации, когда
различные школьники занимаются в различном темпе или даже с различными
программными средствами. Роль учителя во время фронтальной лабораторной работы
— наблюдение за работой учащихся (в том числе и через локальную сеть КВТ), а
также оказание им оперативной помощи.
Практикум (или учебно-исследовательская практика).
Учащиеся получают индивидуальные задания учителя для протяженной
самостоятельной работы (в течение одного-двух или более уроков, включая
выполнение части задания вне уроков, в частности дома). Как правило, такое
задание выдается для отработки знаний и умений по целому разделу (теме) курса.
Учащиеся сами решают, когда им воспользоваться компьютером (в том числе и для
поиска в сети), а когда поработать с книгой или сделать необходимые записи в
тетради. Учитывая гигиенические требования к организации работы учащихся в КВТ,
учитель должен следить за тем, чтобы время непрерывной работы учащихся за
компьютером не превышало рекомендуемых норм (см. об этом дальше). В ходе
практикума учитель наблюдает за успехами учащихся, оказывает им помощь. При
необходимости приглашает всех учащихся к обсуждению общих вопросов, обращая
внимание на характерные ошибки.
С распространением технологий
компьютерного обучения, использующих интерактивные педагогические средства,
которые берут на себя все больше и больше педагогических функций, становится
актуальным вопрос о возможных изменениях роли и обязанностей учителя. Не
вдаваясь здесь в детали дискуссии, которую ведут специалисты, отметим, что
равнодействующая всех мнений вполне устойчиво сводится к главному тезису:
ведущая роль учителя сохраняется и в условиях компьютерного обучения, а роль
компьютера во всех случаях остается в том, чтобы быть надежным и дружественным
помощником учителя и ученика. Компьютер, вооруженный хорошими педагогическими
программными средствами, помогает учителю совершенствовать стиль работы, перенимая
на себя многие рутинные функции и оставляя учителю наиболее творческие, истинно
человеческие задачи обучения, воспитания и развития. К тому же, например, такие
важные компоненты учебно-воспитательного процесса, как ведение дискуссий,
поощрение рассуждений, поддержание дисциплины, выбор необходимого уровня
детализации при объяснении материала для различных учащихся, учитель еще долго
(если не всегда) будет делать значительно лучше компьютера. Не говоря уже о
том, что компьютер никогда не заменит личностного общения учителя с учеником и
родителями.
Остановимся сейчас на
некоторых дидактических особенностях уроков по информатике, вытекающих из
специфического характера учебного материала предмета информатики. Эти
особенности были подмечены Ю.А. Первиным уже в ходе экспериментальной работы по
преподаванию программирования школьникам в период, предшествующий введению
курса информатики в шко-лу [17].
Обучение школьников в
условиях постоянного доступа к ЭВМ обычно проходит при повышенном эмоциональном
состоянии учащихся. Объясняется это, в частности, тем, что при правильном
формулировании заданий для ПЭВМ школьник очень скоро обнаруживает состояние
власти над «умной машиной». Это придает ему уверенности, у школьника возникает
естественное стремление поделиться своими знаниями с теми, кто ими не обладает.
Возникает благодатная почва для воссоздания на уроках по информатике такой
организации обучения и контроля знаний, при которой определяемые учителем
наиболее успешно работающие учащиеся начинают выполнять роль помощников учителя
(в белль-ланкастерской системе взаимного обучения этих учеников — помощников
учителя — называют мониторами). Элементы такой организации обучения, при
которой руководить занятием малой группы может не только учитель, но и
некоторые из наиболее сильных в знаниях по данной теме учеников, являются
составной частью имеющей распространение в школе США педагогической системы,
именуемой планом Трампа [6, 11]. Творческое применение этого подхода
демонстрирует и передовой опыт учителей-практиков по разным школьным предметам
(см., например, [24]).
Причины явно проявляющегося
феномена передачи знаний, обусловленные, очевидно, спецификой самого предмета
информатики, требуют более глубокого и детального осмысления. При этом
отмечается важное обстоятельство: наиболее благоприятной сферой для проявления
этого феномена являются различные формы внеклассных занятий по информатике со
школьниками (летние школы юных программистов, олимпиады, компьютерные клубы и
т.п.), для которых характерна большая, чем на обычных уроках, свобода общения и
перемещения школьников. В этих условиях широко наблюдается развитие межвозрастных
контактов учащихся, при этом нередко возникают ситуации, когда младший школьник
консультирует старшего, ученик консультирует студента, а студент консультирует
преподавателя. Возникающая при этом демократическая система отношений
сплачивает коллектив в достижении общей учебной цели, а фактор обмена знаниями,
передачи знаний от более компетентных к менее компетентным начинает выступать
как мощное средство повышения эффективности учебно-воспитательного процесса и
интеллектуального развития учащихся.
Важный обучающий прием,
который может быть особенно успешно реализован в преподавании раздела
программирования, — копирование учащимися действий педагога. Принцип «Делай как
я!», известный со времен средневековых ремесленников, при увеличении масштабов
подготовки потерял свое значение, ибо, вмещая в себя установки индивидуального
обучения, стал требовать значительных затрат временных, материальных и кадровых
ресурсов. Возможности локальной сети КВТ, наличие демонстрационного экрана
позволяет во многих случаях эффективно использовать идею копирования в
обучении, причем учитель получает возможность одновременно работать со всеми учащимися
при кажущемся сохранении принципа индивидуальности.
Специфические особенности
учебного продукта в разделе алгоритмизации и программирования курса информатики
— программы для ЭВМ — позволяют эффективно использовать готовый программный
модуль, изготовленный квалифицированным программистом, для всевозможных
обучающих экспериментов. Например:
а) модуль запускается
учащимися с различными исходными данными, а получаемые при этом результаты анализируются;
б) учитель вводит в модуль
ряд искусственных ошибок, предлагая ученику отыскать их и исправить;
в) в модуле «урезаются»
некоторые из возможностей, которые ученик должен восстановить и сравнить затем
результат своей работы с образцом.
Можно привести немало других
конкретных примеров учебного применения образцов готовых программ. Главное
здесь в том, что ученик имеет возможность скопировать лучшие стороны готового
программного продукта, который предъявляет ему учитель. Учителю же не
составляет никакого труда преобразовать одно «учебное пособие» в другое, для
этого лишь требуется необходимым образом отредактировать предъявляемую учащимся
программу-образец. Подобный материал, концентрирующий в себе методические
находки учителя, может постепенно накапливаться в ходе работы. При этом не
следует забывать, что конечный замысел образовательного процесса заключается в
том, чтобы от принципа «Делай как я!» осуществлялся переход к установке «Делай
сам!».
Традиционные формы
организации учебного процесса плохо способствуют развитию коллективной
учебной деятельности учащихся, при которой:
• цель осознается как единая,
требующая объединения усилий всего коллектива;
• в процессе деятельности
между членами коллектива образуются отношения взаимной ответственности;
• контроль за деятельностью
частично (или полностью) осуществляется самими членами коллектива. Как отмечал
М. Н. Скат-кин, «классно-урочную систему критикуют также и за то, что она в
основном организует индивидуальную познавательную деятельность учеников и в ней
почти совсем не находится места для подлинно коллективной работы» [22].
Между тем некоторые
особенности содержания курса информатики, так же как и новые возможности
организации учебного процесса, предоставляемые локальной сетью КВТ, позволяют
придать коллективной познавательной деятельности учащихся новый импульс
развития. Как отмечалось выше (см. гл. 3 — 4), вместе с введением курса
информатики в школе стало возможным формирование у учащихся представлений об
этапах решения задачи по примеру того, как это делается в реальной практике: от
точной постановки задачи до анализа полученных результатов. Возможность
рассмотрения таких задач обусловлена появлением на уроке ЭВМ, выступающей в качестве
инструмента их решения. Однако введение в учебный процесс по курсу информатики
«больших» задач обусловлено не только указанными выше целями курса информатики
(в конце концов, рассмотрение полной совокупности этапов решения большой задачи
является предметом лишь одной содержательной линии базового курса). Дело в том,
что понятие «большой» учебной задачи может возникать даже на отдельном этапе ее
решения, например на этапе разработки программы, если программа достаточно
объемна и требует при разработке использования знаний и навыков, формируемых
при изучении целого раздела (или темы) курса. Так или иначе, учитель может при
организации соответствующих учебных ситуаций с успехом воспользоваться
подходами, отработанными и испытанными в условиях производственного
программирования: задачи разрабатываются на ряд подзадач, решение которых
поручается отдельным учащимся (или группам учащихся). Такие задачи должны,
следовательно, составлять целенаправленный компонент учебного обеспечения
курса. Участие в коллективном решении задачи вовлекает школьника в отношения
взаимной ответственности, заставляет их ставить перед собой и решать не только
учебные, но и организационные проблемы. Все это чрезвычайно актуально с
педагогической точки зрения, ибо современный школьный учебный процесс должен
нацеливать на формирование не только образованной, но и социально активной
личности, умеющей действовать, планировать и оптимально организовывать свои
действия.
Выше рассмотрены лишь
некоторые дидактические возможности, которые могут быть реализованы в ходе
конструирования конкретной методической схемы преподавания учебного материала в
условиях школьного урока. Но урок не является единственно целесообразной формой
организации учебной работы по школьному курсу информатики. По большому счету
поиск новых подходов и форм организации учебной работы с учащимися диктуется
стремлением современной школы к развитию личности и интеллекта школьника в
такой степени, чтобы выпускник школы был способен не только самостоятельно
находить и усваивать ранее сгенерированную и обработанную информацию, но и сам
генерировать новые идеи. Одним из направлений поиска решения этой проблемы
является деятелъностный подход к обучению и, в частности, так называемый
метод проектов, который применительно к обучению информатике (говоря
точнее — обучению компьютерной технологии) может с успехом использоваться как
на пропедевтическом этапе обучения, так и в старших звеньях средней школы (см.,
например, [2, 5, 15, 25] и др.).
Учебный проект (УП) как
педагогический феномен впервые появился в России в 20-х гг. прошлого века в
сфере учебно-ремесленной подготовки. Основанный на концепции «учения через
деятельность» метод проектов успешно использовался для быстрого освоения (в
основной своей массе неграмотными выходцами из деревень) рабочих профессий.
Позднее метод УП был подвергнут резкой критике за то, что он не обеспечивал
системности образования. В настоящее время интерес к проектному методу
организации учебного процесса вновь проявляется как на Западе, так и в России.
Во многом этот феномен объясняется тем, что в условиях внедрения информационных
и коммуникационных технологий в учебный процесс, когда часть функций обучения
передается средствам ИКТ или не может быть реализована без поддержки средств
ИКТ, деятельность учителя, организующего учебный процесс, т.е. целенаправленную
и сложную по структуре работу ученика при получении, закреплении или контроле
знаний, содержательно соответствует деятельности разработчика автоматизированных
информационных систем, проектирующего новое рабочее место. Другими словами,
учитель должен не только понимать, какие знания и в каком виде передаются
ученику, как можно проверить полноту знаний, какую роль должны и могут сыграть
средства ИКТ, но и продумать и организовать сам процесс общения учеников со
средствами ИКТ, сопоставить функции средств ИКТ и действия ученика, виды
представления и способы подачи учебного материала с помощью средств ИКТ. В этом
случае и идет речь о разработке учебного проекта, понимаемого как определенным
образом организованная целенаправленная деятельность. Проектом может быть и
компьютерный курс изучения определенной темы, и логическая игра, и макет
лабораторного оборудования, смоделированный на компьютере, и тематическое
общение по электронной почте и многое другое [2]. В простейшем случае (как,
например, при использовании этого метода в начальной школе) в качестве
«сюжетов» для изучения компьютерной графики привлекаются задачи проектирования
рисунков животных, строений, симметричных узоров и т.п. [25]. В завершение
укажем полученный на основе конкретного опыта ряд условий, которые необходимо учитывать
при использовании метода проектов [15]:
1. Учащимся следует
предоставить достаточно широкий набор проектов для реализации возможности
реального выбора. Следует отметить, что проекты могут быть как индивидуальными,
так и коллективными. Последние, помимо прочего, способствуют освоению учеником
коллективных способов работы.
2. Поскольку школьник не
владеет проектным способом работы, он должен быть снабжен инструкцией по работе
над проектом. При этом важно учитывать индивидуальные способности разных школьников
(одни лучше усваивают материал, читая текст, другие — слушая объяснения, третьи
— непосредственно пробуя, ошибаясь и находя решения в процессе практической
работы).
3. Для ребенка важна
практическая значимость полученного им результата и оценка со стороны
окружающих. Поэтому УП должен предполагать для исполнителя законченность и
целостность проделанной им работы, желательно в игровой или имитационной форме.
Очень важно, чтобы завершенный проект был презентован и получил внимание
взрослых и сверстников.
4. Как показывает практика,
необходимо создать условия, при которых школьники имеют возможность обсуждать
друг с другом свои успехи и неудачи. При этом происходит взаимообучение, что
полезно как для обучаемого, так и для обучающего.
5. Метод проектов
ориентируется главным образом на освоение приемов работы с компьютером (ИКТ).
Обязательным компонентом
процесса обучения является контроль, или проверка результатов
обучения. Суть проверки результатов обучения состоит в выявлении уровня
освоения знаний учащимися, который должен соответствовать образовательному
стандарту по учебной дисциплине. Надо сказать, что введение образовательного
стандарта по информатике (см. проект [21]) вносит значительные изменения в
методику проверки и оценки знаний и умений учащихся, которые направлены на
повышение качества обучения. Исходя из того, что образовательным стандартом в
соответствии с Законом РФ «Об образовании» «...нормируется лишь минимально
необходимый уровень образованности, а именно тот, без которого невозможно развитие
личности, продолжение образования», в нем реализуются как бы четыре ступени,
постепенно приближающие к тем результатам обучения, которыми должен овладеть
учащийся [10]:
• общая характеристика
образовательной области или учебной дисциплины;
• описание содержания курса
на уровне предъявления его учебного материала школьнику;
• описание самих требований к
минимально необходимому уровню учебной подготовки школьников;
• «измерители» уровня
обязательной подготовки учащихся, т.е. проверочные работы и отдельные задания,
включенные в них, по выполнению которых можно судить о достижении учащимися
необходимого уровня требований.
Принципиальным новшеством
предусматриваемой проектом стандарта по информатике процедуры оценивания уровня
обязательной подготовки учащихся является то, что в основу процедуры оценки
кладется критериально-ориентированная система, основанная на
использовании дихотомической шкалы («зачет» — «незачет»). В то же время для
оценки достижений школьника на Уровне, превышающем минимальные требования
стандарта, целесообразно использовать аналог традиционной (нормированной) системы.
В соответствии с этим проверка и оценка знаний и умений школьников должна
вестись на двух уровнях подготовки: обязательном и повышенном. При этом
возможны различные технологии такого контроля: включение в текущую проверку
заданий обоих уровней, разделения этих видов контроля в процессе обучения и на
экзамене (см., например, [14]).

6.2. Средства обучения информатике:
кабинет вычислительной техники
и программное обеспечение

В систему средств обучения
наряду с учебниками, учебными и методическими материалами и программным
обеспечением для компьютеров входят и сами компьютеры, образующие единую
комплексную среду, которая и позволяет учителю достигать поставленных целей
обучения. Вот перечень основных компонентов рекомендуемой системы средств
обучения информатике в школе [12, 13]:
• программно-методическое
обеспечение курса информатики, включающее как программные средства для
поддержки преподавания, так и инструментальные программные средства (ИПС),
обеспечивающие учителю возможность управления учебным процессом, автоматизацию
контроля учебной деятельности, разработки программных средств (или их
фрагментов) учебного назначения для конкретных педагогических целей;
• объектно-ориентированные
программные системы, обеспечивающие формирование культуры учебной деятельности,
в основе которых лежит определенная модель объектного мира пользователя
(например, текстовый редактор, база данных, электронные таблицы, различные
графические системы);
• учебное, демонстрационное
оборудование, сопрягаемое с ПЭВМ (имеются в виду средства обучения,
функционирующие на базе информационных технологий, компенсирующие или
амортизирующие отсутствие предметной среды и обеспечивающие предметность
деятельности, ее практическую направленность, например, учебные роботы,
управляемые ЭВМ; электронные конструкторы; модели для демонстрации принципов
работы ЭВМ, ее частей, устройств);
• средства телекоммуникаций,
обеспечивающие доступность информации для обучаемых, вовлеченность их в учебное
взаимодействие, богатое интеллектуальными возможностями и разнообразием видов
использования ресурсов Всемирной информационной сети.
Любопытно заметить, что, по
мнению великого философа, «средство выше, чем конечные цели внешней целесообразности;
плуг нечто более достойное нежели непосредственно те выгоды, которые
доставляются им и служат целями. Орудие сохраняется, между тем как непосредственные
выгоды преходящи и забываются. Посредством своих орудий человек властвует над
внешней природой, хотя по своим целям он скорее подчинен ей» (Гегель Г. Наука
логики: В 3 т. — М., 1972. — Т. 3. — С. 200). Остается лишь пожалеть, что в
отличие от бренного плуга, сохранившего свои черты с достопамятных времен,
компьютеры (как и сопровождающее их программное обеспечение) изменяют свои характеристики
и функционал столь стремительно, что не оставляют никаких надежд организаторам
образования на хоть сколько-нибудь протяженное во времени их использование.
Введение в учебный план
средней школы нового предмета «Основы информатики и вычислительной техники»
потребовало разрешения проблемы обеспечения взаимодействия учащихся с ЭВМ.
Очевидно, что эта проблема, вытекая из общей задачи компьютеризации
образования, имеет более широкое значение, чем обеспечение преподавания нового
учебного курса, так как предусматривает в конечном итоге также и интересы
преподавания всех школьных дисциплин, постановки всего школьного дела.
Следует напомнить, что при
сохранении основного требования — обеспечения взаимодействия учащихся с
компьютерами и необходимыми информационными банками данных — на начальном этапе
компьютеризации школы рассматривалось несколько возможных путей решения этой
организационно-технической задачи [7]. Один из них — оснащение школ
терминалами, подключенными к вычислительным центрам коллективного пользования
(ВЦКП) и, далее, к единой государственной сети вычислительных центров (ГСВЦ)
[4]. Этот подход рассматривался как наиболее перспективный, хотя и отдаленный
по времени практической реализации. По этой причине исходили из того, что пока
ВЦКП и терминальные сети будут развиваться, необходимо использовать и другие
возможные пути. В частности, рассматривался вариант, при котором потребности
одной школы (или группы школ) могут быть вполне обеспечены с помощью одной
мини-ЭВМ, обслуживающей группу терминальных устройств, расположенных в одной
школе или нескольких соседних школах. ЭВМ в этом случае должна была иметь
развитую систему разделения времени, позволяющую обеспечить одновременную
работу большого числа пользователей.
Другой способ технического
решения этой же задачи — оборудование в школах кабинетов, оснащенных
комплексами учебной вычислительной техники (КУВТ) на базе персональных ЭВМ,
включенных в глобальные сети. Как видим, именно этот путь в условиях все более широкого распространения компьютерной
коммуникации сохраняется как генеральный путь компьютеризации сферы
образования. Рассмотрим функциональное назначение кабинета вычислительной
техники (КВТ) указанного типа в соответствии с методическими рекомендациями по
оборудованию кабинетов вычислительной техники всех типов средних учебных
заведений.
Первые методические
рекомендации по перечням технических средств, учебно-наглядных пособий и мебели
для кабинетов вычислительной техники появились практически одновременно с
введением предмета информатики в4цколу [9, 18]. В последующие годы появился
целый ряд нормативно-методических актов, регламентирующих вопросы оборудования
КВТ в школе, а также условия их безопасного и эффективного использования [3,
12, 13, 16, 19, 23]. Согласно первому официально утвержденному Положению о КВТ
[19], которое и сегодня в организующей части сохраняет свое значение, кабинет вычислительной
техники — это учебно-воспитательное подразделение средней школы, оснащенное
комплексом учебной вычислительной техники (КУВТ), учебно-наглядными пособиями,
учебным оборудованием, мебелью, оргтехникой и приспособлениями для проведения
теоретических и практических, классных, внеклассных и факультативных занятий по
курсу информатики. КВТ предназначен также для использования в преподавании
различных учебных предметов, трудового обучения, в организации общественно
полезного и производительного труда учащихся, для эффективного управления
учебно-воспитательным процессом. КВТ может использоваться также и для организации
компьютерных клубов учащихся, других форм внеклассной работы в школе. КВТ
должен быть выполнен как психологически, гигиенически и эргономически
комфортная среда, организованная так, чтобы в максимальной степени
содействовать успешному преподаванию, умственному развитию и воспитанию
учащихся, приобретению ими прочных знаний, умений и навыков по информатике и
основам наук при полном обеспечении требований к охране здоровья и безопасности
труда учителя и учащихся.
Со временем функциональное
назначение средств вычислительной техники и программного обеспечения (ПО) в
сфере образования (в том числе и в школе) начинает рассматриваться в более
широком диапазоне применений [16]:
• как средство обучения при
изучении общеобразовательных и специальных предметов и при профессиональной
подготовке;
• для формирования у учащихся
основ информационной культуры, выработки умений и навыков практической работы
на ЭВМ и с современными прикладными программами;
• для обеспечения
функционирования информационных сетей (как локальных, так и распределенных) и
телекоммуникации;
• для автоматизации
делопроизводства и ведения документации внутри учебных заведений и в системе
управления образованием;
• для организации и
проведения учебно-исследовательских работ на основе информационных и
коммуникационных технологий и мультимедиа-средств;
• для обеспечения
автоматизации процессов контроля, коррекции результатов учебной деятельности,
тестирования и психодиагностики;
• для автоматизации процессов
обработки результатов учебного эксперимента, управления учебным,
демонстрационным оборудованием;
• для разработки
педагогического программного обеспечения и обеспечения связанных с этим
научно-исследовательских работ.
По вопросу об оборудовании
школьного кабинета вычислительной техники (в смысле — что покупать) также
имеются специально разрабатываемые рекомендации [16, 23]. Обычно это весьма
пространные документы, изобилующие множеством технических характеристик и
параметров аппаратных и программных средств, определяемых
психолого-педагогическими, эргономическими и другими требованиями к
вычислительной технике, используемой в сфере образования. Подобные документы
должны, в частности, оказывать помощь органам управления образованием как
руководство для экспертных советов, осуществляющих отбор вычислительной техники
(ВТ) для нужд образования.
К сожалению, из-за быстрых
темпов совершенствования технических и функциональных характеристик систем ВТ
эти рекомендации имеют весьма короткий жизненный цикл, поэтому их обновление,
скажем, один раз в пять лет является неприемлемым.
Помимо компьютерного
оборудования, кабинет информатики рекомендуется оснащать [13]:
• набором учебных программ
для изучения курса информатики и отдельных разделов иных учебных предметов;
• заданиями для осуществления
индивидуального подхода при обучении, организации самостоятельных работ и
упражнений за ПЭВМ;
• комплектом
учебно-методической, научно-популярной, справочной литературы;
• журналом вводного и
периодического инструктажей учащихся по технике безопасности;
• журналом использования КУВТ
на каждом рабочем месте;
• журналом сведений об
отказах ПЭВМ и их ремонте;
• стендами для размещения
демонстрационных таблиц и работ учащихся;
• аптечкой первой помощи;
• средствами пожаротушения;
• инвентарной книгой учета
имеющегося в кабинете учебного оборудования, планами дооборудования кабинета
информатики, утвержденными директором школы.
Программное обеспечение
является неотъемлемой компонентой системы средств обучения информатике, а их
минимально необходимый набор должен быть составной частью оборудования КВТ.
Согласно педагогико-эргономическим условиям [16] используемое в кабинете
информатики программное обеспечение должно включать:
• системное ПО (операционная
система, операционные оболочки, сетевое ПО, антивирусные средства, средства
резервного копирования и восстановления информации и т.п.);
• ПО базовых информационных
технологий (текстовые редакторы, электронные таблицы, СУБД, системы
компьютерной графики и системы подготовки компьютерных презентаций,
телекоммуникационное ПО и др.);
• инструментальное ПО общего
назначения;
• ПО учебного назначения
(рекомендуются к применению при наличии сертификата Министерства образования
РФ)[4];
• ПО поддержки издательской
деятельности для нужд учебного заведения.
При оборудовании и
использовании компьютерных кабинетов чрезвычайно важное значение имеет строгое
соблюдение санитарных правил и норм, предназначенных для предотвращения
неблагоприятного воздействия на человека вредных факторов, сопровождающих
работы с видеодисплейными терминалами (ВДТ) и ПЭВМ [3, 13]. Вопрос о вредности
работы с ВДТ и ПЭВМ актуален, разумеется, прежде всего потому, что речь идет о
здоровье детей. Однако этот же вопрос не менее важен и для сохранения здоровья
самого учителя, а также всех тех, кто является участником образовательного
процесса с привлечением компьютерных средств. Именно поэтому требуется не
только хорошее знание требований государственного нормативного акта [3], но и
всемерное соблюдение всех предписанных им положений — как в части, касающейся
обустройства помещений и оборудования самих КВТ, так и в части строжайшего соблюдения
рекомендаций по организации учебной деятельности учащихся.
Обратим внимание только на
некоторые положения этого документа. Согласно СанПиН [3] для учителей
общеобразовательных школ длительность работы в дисплейных классах и кабинетах
информатики устанавливается не более 4 часов в день, а для инженеров,
обслуживающих учебный процесс в кабинетах с ВДТ и ПЭВМ, продолжительность
работы не должна превышать 6 часов в день. Дополнительно для снижения нагрузки
в течение рабочего дня устраиваются регламентированные перерывы в работе.
Разрешаемое время непрерывной
работы учащихся за ВДТ зависит от их возраста, но не должно превышать:
• для учащихся I кл. (6 лет) — 10 мин;
• для учащихся II—V кл. — 15 мин;
• для учащихся VI—VII кл. — 20 мин;
• для учащихся VIII —IX кл. — 25 мин;
• для учащихся X—XI кл. на первом часе занятий — 30 мин, на втором
— 20 мин.
После установленной выше
длительности работы на ВДТ и ПЭВМ должен проводиться комплекс упражнений для
глаз [3, Приложение 16], а после каждого урока на переменах — физические
упражнения для профилактики общего утомления [3, Приложение 18].
Число уроков для учащихся X—XI кл. с использованием ВДТ и ПЭВМ должно
быть не более двух в неделю, а для остальных классов — не более одного урока.
Занятия в кружках с
использованием ПЭВМ и ВДТ должны проводиться не чаще двух раз в неделю общей
продолжительностью:
• для учащихся II —V кл.
(7—10 лет) — не более 60 мин;
• для учащихся VI кл. и старше — не более 90 мин. Очевидно, что фактор
санитарно-гигиенических требований к
организации учебного процесса
в КВТ накладывает весьма жесткие ограничения на структуру каждого урока по
информатике, что должно учитываться при их планировании. В частности, это
непосредственно касается учета продолжительности времени (хронометража)
использования программных средств, применение которых предусматривается на
уроке.

6.3. Организация работы в кабинете
вычислительной техники

Для обеспечения организации
работы кабинета информатики приказом директора школы назначается заведующий КВТ
из числа учителей информатики. Заведующий кабинетом является организатором
оборудования кабинета, работы учителей и учащихся по применению средств
вычислительной техники, информационных технологий в преподавании информатики и
других учебных предметов. Заведующий КВТ обеспечивает использование кабинета в
соответствии с учебным планом школы, разрабатывает перспективный план оборудования
кабинета, принимает меры по его дооборудованию и пополнению учебно-наглядными пособиями
и техническими средствами обучения в соответствии с «Перечнем» [13,
Приложение], несет ответственность за сохранность имеющегося в кабинете
оборудования и средств вычислительной техники. Заведующий кабинетом несет
ответственность за ведение журнала инвентаризационной записи, содержание
оборудования в постоянной готовности к применению, своевременность и
тщательность профилактического технического обслуживания ВТ, регистрацию
отказов ПЭВМ и организацию их отладки или ремонта, за поддержание в КВТ санитарно-гигиенических
требований и требований техники безопасности.
Заведующий кабинетом
принимает участие в планировании загрузки КВТ учебными, кружковыми,
факультативными и другими занятиями с учащимися; все виды занятий в КВТ
проводятся при обязательном присутствии преподавателя. Заведующий кабинетом
несет ответственность за своевременное проведение вводного и периодического
инструктажа по технике безопасности, которые проводятся, как правило,
учителями, ведущими занятия в КВТ. На вводном инструктаже учитель знакомит
учащихся с правилами распорядка в кабинете, правилами техники безопасности и
гигиены труда, с опасными моментами, которые могут возникнуть в процессе
работы, и с соответствующими мерами предосторожности. Вводный инструктаж
проводится в виде лекции, беседы. Инструктаж перед работой на ЭВМ дополняет
вводный инструктаж и имеет целью ознакомить учащихся с требованиями правильной
организации и содержания рабочего места, назначением приспособлений и
ограждений, с безопасными методами работы и правилами пользования защитными
средствами, с возможными опасными моментами при выполнении конкретной работы, с
обязанностями работающего на своем рабочем месте, а также опасными ситуациями и
правилами поведения при их возникновении. Периодический инструктаж на рабочем
месте должен быть кратким, содержать четкие и конкретные указания и в
необходимых случаях сопровождаться показом правильных и безопасных приемов
выполнения работы. Все сведения по проведению инструктажа учащихся заносятся в
специальный журнал (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Журнал регистрации
инструктажа по технике безопасности

№ п/п

Фамилия инструктируемого

Дата

Содержание инструктажа с указанием
  названия инструкции

Ф.И.О.
проводившего инструктаж, его должность

Подпись проводившего инструктаж, его
  должность

Подпись инструктируемого

Как показывает опыт, важной
организационной формой деятельности кабинета информатики в школе может стать
учебно-методический семинар, к работе которого привлекаются не только учителя
информатики, но и преподаватели других дисциплин. Семинар может эффективно
использоваться для распространения опыта применения информационных и
коммутационных технологий (ИКТ) в обучении, ознакомления с новыми программными
средствами, обучения преподавателей основам работы на ПЭВМ, обсуждения основных
направлений внеклассной работы с учащимися и т. п. Направленность работы семинара
может быть весьма различной и, вероятно, будет меняться по мере совершенствования
информационной культуры преподавателей. Следует иметь в виду, что в тех
случаях, когда преподаватели других учебных дисциплин в школе еще не овладели в
полной мере средствами ИКТ, предполагается финансирование совместной работы
двух преподавателей (информатики и предметника) при проведении занятий по
учебным предметам в классах с использованием информационных технологий [1,
Приложение 3].
Помощь в работе заведующему
КВТ оказывает лаборант (или техник)[5].
Лаборант (техник) находится в
непосредственном подчинении заведующего кабинетом и отчитывается перед ним за
сохранность, правильное хранение и использование учебного оборудования.
Лаборант обязан знать всю систему КУВТ, правила ухода за ним, условия хранения
техники и наглядных пособий. В соответствии с перспективными планами развития
КВТ лаборант под руководством заведующего кабинетом участвует в приобретении
необходимого учебного оборудования, ведет учет-ность, инвентаризационные
записи. По плану преподавателя и под его руководством лаборант готовит
оборудование к уроку. Лаборант обеспечивает соблюдение учащимися правил техники
безопасности, постоянную готовность противопожарных средств и средств первой
помощи, регистрирует отказы техники во время занятий, а также проводит мелкий
ремонт вышедшего из строя оборудования.
Следует иметь в виду, что
согласно СанПиН [3] при кабинете информатики должна быть лаборантская комната
площадью не менее 18 кв. м с двумя входами: в учебное помещение и на лестничную
площадку (или в рекреацию).

6.4. Рекомендации к проведению
семинарских занятий

Тема «Организация обучения информатике в школе»

Основные вопросы:
1. Формы и методы учебных
занятий по информатике.
2. Средства обучения
информатике: кабинет вычислительной техники и программное обеспечение.
3. СанПиН. Гигиенические
требования к оборудованию и организации работы в КВТ.
4. Организация работы в
кабинете вычислительной техники.

Литература к главе 6

1. Базисный учебный план
общеобразовательных учреждений Российской Федерации для 12-летней школы
(проект) // Учительская газета. — 2000. - № 38.
2. Вихрев В. В., Федосеев
А. А., Христочевский С. А. Практическое внедрение информационных технологий
на основе метода проектов // Педагогическая информатика. — 1993. — № 1.
3. Гигиенические требования к
видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вьиислительным машинам и
организации работы. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.2.542—96: Утв. и
введ. в действие Постановлением Госкомсанэпиднадзора России от 14 июля 1996 г.
№ 14 // ИНФО. - 1997. - № 4, 6.
4. Глушков В.М. Основы
безбумажной информатики. — М.: Наука, 1987.
5. Даншиц Л.Д. «Большие
проекты» — в средней школе // ИНФО. — 1995. - № 3.
6. Дидактика средней школы:
Некоторые проблемы современной дидактики / Под ред. М.Н.Скаткина. — 2-е изд. —
М.: Просвещение, 1982.
7. Ершов А. П.,
Звенигородский Г. А., Первин Ю.А. Школьная информатика (концепции,
состояние, перспективы). — Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1979.
8. Жаркова В. Б. Некоторые
вопросы оплаты труда учителей информатики // ИНФО. - 1997. - № 5, 6, 7.
9. Кабинет вычислительной
техники всех типов средних учебных заведений (на базе персональных микроЭВМ):
Метод, рекомендации // ИНФО. — 1986. - № 3.
10. Кузнецов А.А. Контроль
и оценка результатов обучения в условиях внедрения стандартов образования //
Педагогическая информатика. — 1997. — № 1.
11. Малькова З.А. Современная
школа США. — М., 1971.
12. Методические рекомендации
по оборудованию и использованию кабинета информатики в общеобразовательных
учреждениях. Приложение 4 к решению Коллегии Минобразования РФ // ИНФО. — 1995.
— № 4. — С. 66-75.
13. Методические рекомендации
по оборудованию и использованию кабинетов информатики, классов с персональными
электронно-вычислительными машинами или видеодисплейными терминалами в учебных
заведениях системы общего среднего образования / Ин-т информатизации
образования РАО // ИНФО. — 2000. — № 10.
14. Оценка качества
подготовки выпускников основной школы по информатике / А.А.Кузнецов,
Л.Е.Самовольнова, Н.Д.Угринович. — М.: Дрофа, 2000.
15. Пак Н.И., Семенов С.
В. Из опыта использования метода проектов в курсе информатики средней школы
// Педагогическая информатика. — 1997.-№ 1.
16. Педагогико-эргономические
условия безопасного и эффективного использования средств вычислительной
техники, информатизации и коммуникации в сфере общего среднего образования /
Институт информатизации образования РАО // ИНФО. — 2000. — № 4, 5, 7.
17. Первин Ю.А. Некоторые
дидактические механизмы школьного курса программирования // Математика в школе.
— 1982. — № 3.
18. Перечни технических
средств, учебно-наглядных пособий и мебели для кабинетов вычислительной техники
// ИНФО. — 1986. — № 1.
19. Положение о кабинете
вычислительной техники всех типов средних учебных заведений: Утв. М-вом
просвещения СССР 9 декабря 1988 г. // ИНФО. - 1990. - № 3.
20. Программа курса «Основы
информатики и вычислительной техники» // Микропроцессорные средства и системы.
— 1986. — № 2 (см. также: Математика в школе. — 1986. — № 3).
21. Проект федерального
компонента Государственного образовательного стандарта начального общего,
основного общего и среднего (полного) образования. Образовательная область
«Информатика» Под ред. А. А. Кузнецова// ИНФО. — 1997. — № 1.
22. Скаткин М.Н. Проблемы
современной дидактики. — М.: Педагогика, 1980.
23. Требования к средствам ВТ
и оборудованию кабинетов информатики. Приложение 3 к решению Коллегии М-ва
образования РФ // ИНФО. — 1995.-№4.-С. 36-66.
24. Шаталов В. Ф. Куда
и как исчезли тройки. — М.: Педагогика, 1979.
25. Яковлева Е.И.,
Сопрунов С. Ф. Проекты по информатике в начальной школе // ИНФО. - 1998. —
№ 7.

Часть 2
КОНКРЕТНАЯ МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ В ШКОЛЕ

БАЗОВЫЙ КУРС

Современной российской
общеобразовательной школе рекомендована непрерывная структура школьного курса
информатики (часть 1, гл. 4—5), включающая пропедевтический, базовый и
профильный этапы. В то же время на практике школы по-разному осваивают эту
рекомендацию — некоторые (сравнительно небольшая часть школ) полностью, другие
лишь частично. Но ядром школьного образования в области информатики в любом
варианте реализации остается базовый курс информатики, поскольку
согласно проекту образовательного стандарта по информатике, базовый курс «обеспечивает
обязательный общеобразовательный минимум подготовки школьников по информатике».
Как уже отмечалось в
Предисловии, вопросы конкретной методики обучения информатике в младшей школе в
настоящем пособии напрямую не затрагиваются. В таком случае содержание и
методика преподавания базового курса могут исходить из предположения нулевого
начального уровня знаний, умений и навыков учащихся в области информатики.
Формальное право такого построения курса МПИ сохраняется до тех пор, пока
введение пропедевтического этапа преподавания информатики в российской школе не
станет обязательным.
Рассматривая в настоящем
пособии вопросы методики преподавания базового курса, мы будем строго следовать
структуре образовательного стандарта. В связи с этим тематические разделы
(содержательные линии) будут расположены в следующем порядке:
1. Линия информации и
информационных процессов.
2. Линия представления
информации.
3. Линия компьютера.
4. Линия формализации и моделирования.
5. Линия алгоритмизации и
программирования.
6. Линия информационных
технологий.
Являясь элементом
обязательного образования, базовый курс должен быть общедоступным.
Общедоступность понимается в двух аспектах: во-первых, теоретический материал
курса должен соответствовать уровню развития и знаний учащихся, изучающих
предмет; во-вторых, для общеобразовательных школ должны быть доступны все
необходимые компоненты обеспечения преподавания курса. Уровень преподавания
информатики, как никакого другого школьного предмета, зависит от уровня его
обеспечения. Наибольшей проблемой, связанной с существенными материальными
затратами, является техническое и программное обеспечение. Пока нет возможности
в целом по стране стандартизировать для школ эти виды обеспечения. Бесспорно
то, что современный курс информатики в школе не может быть бескомпьютерным.
Требования стандарта включают необходимость овладения навыками работы с
аппаратными и программными средствами ЭВМ. Однако эти требования сформулированы
в стандарте так, что они могут быть реализованы на самых скромных ресурсах,
доступных школе.
Понятие базового курса
информатики появилось во второй половине 1990-х гг. в связи с развитием
концепции образовательных стандартов, с провозглашением трех этапов преподавания
информатики в средней школе. Базовый (основной) этап должен обеспечивать
реализацию государственного образовательного стандарта по информатике. Раньше
ту же самую общеобразовательную функцию школьных предметов регламентировали
государственные программы. В связи с этим обстоятельством в настоящем пособии к
учебно-методическому обеспечению базового курса причисляется учебная литература
и программы, отражающие общеобразовательное содержание школьной информатики,
начиная с 1985 г. и до настоящего времени.
Анализируя вопросы методики
преподавания базового курса информатики, мы будем опираться на учебники и
учебные пособия, рекомендованные Министерством образования РФ, вышедшие из
печати и включенные в федеральный комплект учебной литературы для
общеобразовательных средних школ на момент написания данной книги.

Глава 7
ЛИНИЯ ИНФОРМАЦИИ И
ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Система знаний содержательной
линии «Информация и информационные процессы» представлена в виде графа на схеме
1 (см. Приложение 1). Данная схема объединяет в себе структуру двух
содержательных линий: «Информация и информационные процессы» и «Представление
информации». Вместе их можно рассматривать в качестве интегрированной линии с
названием «Информация». Надо сказать, что линия информации охватывает
содержание всего базового курса, поскольку понятие информации является в нем
центральным. В любой теме курса речь идет о различных вариантах представления
информации и информационных процессов. Поэтому схема представляет собой структуру
наиболее общих понятий предмета.
Каждое из понятий данной
системы рассматривается в базовом курсе в двух аспектах: назовем их условно
«компьютерным» и «бескомпьютерным». Под бескомпьютерным аспектом понимается
рассмотрение информации без привязки к компьютеру, с общих позиций, по
отношению к человеку, обществу, природе. В этом аспекте изучаются такие
вопросы, как: определение и измерение информации, информационные модели,
информационные процессы и процессы управления в природе и обществе. Под
компьютерным аспектом понимается изучение информационной стороны
функционирования самого компьютера в рамках архитектуры ЭВМ, а также изучение
компьютерных технологий работы с информацией, программирования.
Ключевыми вопросами данной
содержательной линии являются:
• определение информации;
• измерение информации;
• хранение информации;
• передача информации;
• обработка информации.
Проанализируем подходы к этим
вопросам в различных школьных учебниках информатики, а также раскроем авторскую
концепцию их содержания и методики преподавания.

7.1. Методические проблемы
определения информации

Подходы к раскрытию
темы в учебной литературе
То, что понятие «информация»
является центральным в курсе информатики, кажется очевидным уже хотя бы потому,
что с этим термином связано название предмета. Однако если проанализировать
существующие учебники и учебные пособия, то возникает вывод, что далеко не в
каждом из них это обстоятельство находит отражение. Тому есть две причины.
Первая заключается в том, что
в авторских концепциях ряда учебников на первое место ставится отнюдь не
информация. В большей степени это относится к учебникам первого [20] и второго
[16, 21, 22] поколения. В них главными понятиями и объектами изучения выступают
«алгоритм» и «компьютер». Информация упоминается лишь вскользь и в основном
определяется на интуитивном уровне.
Вторая причина — в
объективной сложности самого понятия «информация». Это понятие относится к
числу фундаментальных в науке, носит философский характер и является предметом
постоянных научных дискуссий.
Развивающаяся в последнее
время тенденция к фундаментали-зации содержания школьной информатики требует не
декларативно, а фактически поставить в центре предмета понятие «информация». Но
в таком случае не обойти разговор о том, что такое информация. Становится
необходимым обсуждение на уроках сложной проблемы определения информации,
однако в школе это можно делать только языком, доступным для детей.
Проанализируем варианты
определения информации, данные в различных учебниках и пособиях по школьной информатике.
В учебнике А. П. Ершова и др.
[20] такого определения нет вообще. Видимо, авторы полагали, что смысл понятия
«информация» очевиден для школьников, и обсуждать его не требуется. В первых
строчках учебника информация упоминается в следующих утверждениях: «Информатика
исследует законы и методы переработки и накопления информации... Ее развитие
связано с появлением электронно-вычислительных машин, мощных универсальных
устройств для хранения и переработки информации». Все содержание учебника, за исключением
вводного раздела, посвящено разбору вопросов: что такое ЭВМ и что такое
алгоритм.
В учебнике второго поколения
А. Г. Кушниренко и др. [16] в разделе 1.6 «Информация — первичное,
неопределяемое понятие информатики» написано следующее: «Так что же такое
«информация?» Увы! — этот термин в информатике является первичным,
неопределяемым. Отсутствие самого определения, однако, не мешает нам измерять
объем информации и обрабатывать ее, подобно тому, как отсутствие строгого
определения прямой и точки в планиметрии не мешает нам рисовать треугольники,
доказывать теоремы и решать задачи».
По поводу аналогии с понятием
«точка» заметим следующее: безусловно, общность между понятиями «точка» и
«информация» состоит в их первичном характере для соответствующих предметных
областей. Однако считать, что понятие «информация» для человека столь же ясно,
как и понятие «точка», вряд ли можно. Спросите ученика: «Что такое точка?»
Объяснить словами он ничего не сможет, но возьмет карандаш, поставит точку на
бумаге и скажет: «Вот это — точка». И он будет прав! Тому же ученику задайте
вопрос: «Что такое информация?» Вряд ли, даже с помощью примеров, он сможет так
точно и полно отразить свое представление об информации, как при ответе на
вопрос о точке.
В учебнике А. Г. Гейна и др.
[21] понятие «информация» встречается первый раз в первой главе в таком
контексте: «Информация — постоянный спутник человека. Это те сведения, которые
помогают ориентироваться нам в окружающем мире». Далее понятие «информация»
лишь используется, и к определению этого понятия авторы возвращаются в
предпоследней главе. «В интуитивном, житейском смысле под информацией понимают
сведения, знания и т.п., которые кого-либо интересуют. И чем интереснее
сообщаемые сведения, тем больше информации (с житейской точки зрения) в них
содержится». Немного дальше дается другое определение информации с технической
позиции: «когда речь идет об автоматической передаче информации, ее хранении и
переработке, информация — это произвольная последовательность символов, т. е.
любое слово; каждый новый символ увеличивает количество информации». Замечательным
здесь является то, что авторы отражают два подхода к определению информации: с
«житейской точки зрения» и с позиции информационной техники.
В третьем учебнике этого же
поколения В. А. Каймина и др. [22] в первой главе написано: «Информация в
наиболее общем определении — это отражение предметного мира с помощью знаков и
сигналов». Очевидно, это определение претендует на универсальность с любых
точек зрения.
Для истории литературы по
школьной информатике значительным событием стал выход в 1994 г. книги
«Информатика. Энциклопедический словарь для начинающих» [12]. В ней впервые в
истинно-современном духе отражено все разнообразие предметной области
информатики, ее научное содержание. В статье «Информация» дано следующее
определение: «Информация — это содержание сообщения, сигнала, памяти, а также
сведения, содержащиеся в сообщении, сигнале или памяти». В этом определении
также делается попытка объединить «человеческую» и «техническую» позиции по
отношению к информации. Однако в нем просматривается тавтология: в чем разница
между содержанием, а также содержащимися сведениями? Вряд ли это можно
объяснить ученику (да и понять учителю).
Наконец заглянем в учебники
третьего поколения. В учебнике А. Г. Гейна и др. [5] на протяжении четырех глав
(из шести) вообще обходятся без какого-либо определения информации. В 5-й главе
практически повторяется определение из книги [21]: «В интуитивном житейском
смысле под информацией понимают сведения, знания и т. п., которые кого-либо
интересуют. И чем интереснее сообщаемые сведения, тем больше информации (с
точки зрения человека, воспринимающего эту информацию) в них содержится».
Сомнительным здесь является тезис об «интересности» сообщения, чем субъективизм
определения еще более усиливается. «Интересность» может зависеть не только от
понятности или новизны переданных сведений для принимающего субъекта, но и от
его настроения, состояния здоровья в данный момент и пр.
Все эти нестрогости и
неточности в определении информации объясняются как мнением авторов (может быть
даже неосознанным) о несущественности такого определения для своего курса, так
и объективной сложностью поиска корректного определения с научной точки зрения.
Если в центр содержания курса
информатики ставить информацию (а не алгоритм, ЭВМ и пр.), если рассматривать
это понятие как системообразующее для всего предмета, то обойти на уроках
вопрос об определении информации нельзя. Бесспорно то, что нельзя дать единого,
универсального определения информации. Но в науке и в практике известны
различные подходы к информации, и в рамках каждого из них дается определение
этого понятия (см., например, посвященные этому вопросу статьи в журнале
«Информатика и образование» С. А. Бешенкова и др. [2]). Ученики должны знать,
что в зависимости от контекста, в котором используется термин «информация», он
может нести разный смысл.
В учебнике И. Г. Семакина и
др. [26] раскрываются два подхода к понятию информации. Первый можно назвать субъективным
подходом, при котором информация рассматривается с точки зрения ее роли в
жизни и деятельности человека. С этой позиции информация — это знания, сведения,
которыми обладает человек, которые он получает из окружающего мира.
Второй подход можно назвать кибернетическим,
поскольку развитие он получил в кибернетике. Именно этот подход позволяет
создавать машины, работающие с информацией. С этой точки зрения информация —
это содержание последовательностей символов (сигналов) из некоторого
алфавита. В таком случае все виды информационных процессов (хранение,
передача, обработка) сводятся к действиям над символами, что и происходит в
технических информационных системах.

Методические
рекомендации по изучению темы
Изучаемые вопросы:
ª Чем является информация для человека.
ª Декларативные и процедурные знания
(информация).
ª Кибернетический подход к информации.
ª Роль органов чувств человека в процессе
восприятия им информации.
Субъективный подход. При
раскрытии понятия «информация», с точки зрения субъективного (бытового,
человеческого) подхода, следует отталкиваться от интуитивных представлений об
информации, имеющихся у детей. Целесообразно вести беседу в форме Диалога,
задавая ученикам вопросы, на которые они в состоянии ответить. Не следует сразу
требовать от них определения информации, но подвести их к этому определению с
помощью понятных вопросов вполне возможно. Вопросы, например, можно задавать в
следующем порядке.
— Расскажите, откуда вы
получаете информацию?
Наверняка услышите в ответ:
— Из книг, из радио и
телепередач.
Дальше попросите учеников
привести примеры какой-нибудь информации, которую они получили сегодня.
Например, кто-нибудь ответит:
— Утром по радио я слышал
прогноз погоды.
Ухватившись за такой ответ,
учитель подводит учеников к окончательному выводу:
— Значит, вначале ты не знал,
какая будет погода, а после прослушивания радио стал знать! Следовательно,
получив информацию, ты получил новые знания!
Таким образом, учитель вместе
с учениками приходит к определению: информация для человека — это
знания, которые он получает из различных источников. Далее на
многочисленных известных детям примерах следует закрепить это определение.
Приняв определение информации
как знания людей, неизбежно приходишь к выводу, что информация — это содержимое
нашей памяти, ибо человеческая память и есть средство хранения знаний. Разумно
назвать такую информацию внутренней, оперативной информацией, которой обладает
человек. Однако люди хранят информацию не только в собственной памяти, но и в
записях на бумаге, на магнитных носителях и пр. Такую информацию можно назвать
внешней (по отношению к человеку). Чтобы человек мог ей воспользоваться
(например, приготовить блюдо по кулинарному рецепту), он должен сначала ее
прочитать, т.е. обратить во внутреннюю форму, а затем уже производить какие-то действия.
Вопрос о классификации знаний (а стало быть, информации) очень сложный. В науке
существуют различные подходы к нему. Особенно много занимаются этим вопросом
специалисты в области искусственного интеллекта. В рамках базового курса
достаточно ограничиться делением знаний на декларативные и процедурные.
Описание декларативных знаний можно начинать со слов: «Я знаю, что...».
Описание процедурных знаний — со слов: «Я знаю, как...». Нетрудно дать примеры
на оба типа знаний и предложить детям придумать свои примеры.
Учитель должен хорошо
понимать пропедевтическое значение обсуждения данных вопросов для будущего
знакомства учеников с устройством и работой компьютера. У компьютера, подобно
человеку, есть внутренняя — оперативная память и внешняя — долговременная
память. Деление знаний на декларативные и процедурные в дальнейшем следует
увязать с делением компьютерной информации на данные — декларативная
информация, и программы — процедурная информация. Использование дидактического
приема аналогии между информационной функцией человека и компьютером позволит
ученикам лучше понять суть устройства и работы ЭВМ.
Исходя из позиции «информация
для человека — это знания», учитель сообщает ученикам, что и запахи, и вкусы, и
тактильные (осязательные) ощущения тоже несут информацию человеку. Обоснование
этому очень простое: раз мы помним знакомые запахи и вкусы, узнаем на ощупь
знакомые предметы, значит эти ощущения хранятся в нашей памяти, а стало быть,
являются информацией. Отсюда вывод: с помощью всех своих органов чувств человек
получает информацию из внешнего мира.
Кибернетический подход. Между
информатикой и кибернетикой существует тесная связь. Основал кибернетику в
конце 1940-х гг. американский ученый Норберт Винер. Можно сказать, что
кибернетика породила современную информатику, выполнила роль одного из ее
источников. Сейчас кибернетика входит в информатику как составная часть.
Кибернетика имеет дело со
сложными системами: машинами, живыми организмами, общественными системами. Но
она не стремится разобраться в их внутреннем механизме. Кибернетику интересуют
процессы взаимодействия между такими системами или их компонентами.
Рассматривая такие взаимодействия как процессы управления, кибернетику
определяют как науку об общих свойствах процессов управления в живых и неживых
системах.
Для описания сложных систем в
кибернетике используется модель «черного ящика». Термины «черный ящик» и
«кибернетическая система» можно использовать как синонимы. Главные
характеристики «черного ящика» — это входная и выходная информация. И если
два таких черных ящика взаимодействуют между собой, то делают они это только
путем обмена информацией.
Информация между
кибернетическими системами передается в виде некоторых последовательностей
сигналов. Выходные
сигналы одних участников обмена являются входными для других.
Информационные обмены
происходят везде и всюду: между людьми, между животными, между работающими
совместно техническими устройствами, между людьми и техническими устройствами,
между различными частями сложных устройств, между различными органами человека
или животного и т. п. Во всех этих случаях информация передается в виде
последовательностей сигналов разной природы: акустических, световых,
графических, электрических и др.
С точки зрения кибернетики,
информацией является содержание передаваемых сигнальных последовательностей. В
частности, любой текст на каком-то языке есть последовательность букв (в
письменной форме) или звуков (в устной форме), которые можно рассматривать как
графические или акустические сигналы.
Передача сигналов требует
определенных материальных и энергетических затрат. Например, при использовании
электрической связи нужны провода и источники электроэнергии. Однако содержание
сигналов не зависит от затрат вещества или энергии. В последовательностях
сигналов закодированы определенные смысловые символы, в которых и заключается
их содержание. Эти символы могут быть буквами текста на каком-то языке
(например, в азбуке Морзе: «. -» обозначает букву «А») или целыми
понятиями (например, красный сигнал светофора обозначает «стоять!»).

7.2. Подходы к измерению информации

Подходы к раскрытию
темы в учебной литературе
Проблема измерения информации
напрямую связана с проблемой определения информации, поскольку сначала надо
уяснить, ЧТО собираемся измерять, а потом уже — КАК это делать, какие единицы
использовать. Если опираться на расплывчатое, интуитивное представление ученика
об информации, то невозможно дать сколько-нибудь логичное определение
количества информации, ввести единицы ее измерения.
Характерным приемом для ряда
учебников является следующий: обсуждая вопрос об измерении информации, тут же
переходят к описанию компьютерного представления информации в форме двоичного
кода. Затем дается утверждение о том, что количество информации равно
количеству двоичных цифр (битов) в таком коде. Вот цитата из учебника [16]: «В
современной вычислительной технике информация чаще всего кодируется с помощью
последовательностей сигналов всего двух видов: намагничено или не намагничено,
включено или выключено, высокое или низкое напряжение и т.д. Принято обозначать
одно состояние цифрой 0, а другое — цифрой 1. Такое кодирование называется
двоичным кодированием, а цифры 0 и 1 называются битами (от англ. Bit — binary digit — двоичная цифра)». В следующем параграфе сказано: «А как узнать количество информации
в сообщении, в каких единицах эту информацию измерять? Для двоичных сообщений в
качестве такой числовой меры используется количество бит в сообщении. Это
количество называется информационным объемом сообщения».
В учебнике [5] написано:
«Чтобы стандартизировать измерение количества информации, договорились за
единицу количества информации принять сообщение, состоящее из одного символа
двухсимвольного алфавита. Использование для измерения количества информации
алфавитов с другим числом символов можно уподобить переходу к более крупным
единицам измерения». В этом же учебнике содержатся рассуждения и о другом
подходе к представлению о количестве информации — содержательном,
семантическом: «Количество информации, получаемой из сообщения, зависит от
имеющихся предварительных знаний».
Вопрос об измерении
информации необходимо раскрывать в контексте рассматриваемого подхода к
определению информации. Здесь обязательно должна присутствовать логическая
последовательность, пусть даже она приводит в тупик.
В учебнике [26]
последовательно прослеживаются два подхода к измерению информации: с точки
зрения содержательной и кибернетической концепций.

Методические
рекомендации по изучению темы
Содержательный подход к
измерению информации
Изучаемые вопросы:
ª От чего зависит информативность
сообщения, принимаемого человеком.
ª Единица измерения информации.
ª Количество информации в сообщении об
одном из 7V равновероятных событий.
С позиции содержательного
подхода просматривается следующая цепочка понятий: информация — сообщение —
информативность сообщения — единица измерения информации — информационный объем
сообщения.
Исходная посылка: информация
— это знания людей. Следующий вопрос: что такое сообщение? Сообщение — это
информационный поток, который в процессе передачи информации поступает к
принимающему его субъекту. Сообщение — это и речь, которую мы слушаем
(радиосообщение, объяснение учителя), и воспринимаемые нами зрительные образы
(фильм по телевизору, сигнал светофора), и текст книги, которую мы читаем и
т.д.
Вопрос об информативности
сообщения следует обсуждать на примерах, предлагаемых учителем и учениками.
Правило: информативным назовем сообщение, которое пополняет знания человека,
т. е. несет для него информацию. Для разных людей одно и то же сообщение, с
точки зрения его информативности, может быть разным. Если сведения «старые», т.
е. человек это уже знает, или содержание сообщения непонятно человеку, то для
него это сообщение неинформативно. Информативно то сообщение, которое содержит новые
и понятные сведения.
Нельзя отождествлять понятия
«информация» и «информативность сообщения». Следующий пример иллюстрирует
различие понятий. Вопрос: «Содержит ли информацию вузовский учебник по
высшей математике с точки зрения первоклассника?». Ответ: «Да, содержит с
любой точки зрения! Потому что в учебнике заключены знания людей: авторов
учебника, создателей математического аппарата (Ньютона, Лейбница и др.),
современных математиков». Эта истина — абсолютна. Другой вопрос: «Будет ли
информативным текст этого учебника для первоклассника, если он попытается
его прочитать? Иначе говоря, может ли первоклассник с помощью этого учебника
пополнить собственные знания?» Очевидно, что ответ отрицательный. Читая
учебник, т.е. получая сообщения, первоклассник ничего не поймет, а стало быть,
не обратит его в собственные знания.
При объяснении этой темы
можно предложить ученикам поиграть в своеобразную викторину. Например, учитель
предлагает детям перечень вопросов, на которые они молча записывают ответы на
бумагу. Если ученик не знает ответа, он ставит знак вопроса. После этого
учитель дает правильные ответу на свои вопросы, а ученики, записав ответы
учителя, отмечают, какие из них оказались для них информативными (+), какие —
нет (—). При этом для сообщений, отмеченных минусом, нужно указать причину
отсутствия информации: не новое (это я знаю), непонятное. Например,
список вопросов и ответы одного из учеников могут быть следующими.

Вопрос
учителя

Ответ
ученика

Информативность сообщения

Причина неинформативности

1. Какой город является столицей Франции

Столица Франции — Париж

Столица Франции — Париж

—

Не новое

2.4-го
изучает коллоидная химия

9

Коллоидная химия изучает дисперсионные
  состояния систем, обладающих высокой степенью раздробленности

—

Непонятное

3. Какую высоту и вес имеет Эйфелева
  башня?

9

Эйфелева башня имеет высоту 300 метров и
  вес 9000 тонн.

+

Введение понятия
«информативность сообщения» является первым подходом к изучению вопроса об
измерении информации в рамках содержательной концепции. Если сообщение
неинформативно для человека, то количество информации в нем, с точки зрения
этого человека, равно нулю. Количество информации в информативном сообщении
больше нуля.
Для определения количества
информации нужно ввести единицу измерения информации. В рамках содержательного
подхода такая единица должна быть мерой пополнения знаний субъекта; иначе можно
еще сказать так: мерой уменьшения степени его незнания. В учебнике [26] дано
следующее определение единицы информации: «Сообщение, уменьшающее неопределенность
знаний в 2 раза, несет 1 бит информации». Немного дальше приводится определение
для частного случая: «Сообщение о том, что произошло одно событие из двух
равновероятных, несет 1 бит информации».
Определение бита — единицы
измерения информации может оказаться сложным для понимания учениками. В этом
определении содержится незнакомое детям понятие «неопределенность знаний».
Прежде всего нужно раскрыть его. Учитель должен хорошо понимать, что речь идет
об очень частном случае: о сообщении, которое содержит сведения о том, что произошло
одно из конечного множества (N)
возможных событий. Например,
о результате бросания монеты, игрового кубика, вытаскивания экзаменационного
билета и т. п. Неопределенность знания о результате некоторого события — это
число возможных вариантов результата: для монеты — 2, для кубика — 6, для
билетов — 30 (если на столе лежало 30 билетов).
Еще одной сложностью является
понятие равновероятности. Здесь следует воспользоваться интуитивным
представлением детей, подкрепив его примерами. События равновероятны, если
ни одно из них не имеет преимущества перед другими. С этой точки зрения
выпадения орла и решки — равновероятны; выпадения каждой из шести граней кубика
— равновероятны. Полезно привести примеры и неравновероятных событий.
Например, в сообщении о погоде в зависимости от сезона сведения о том, что
будет дождь или снег могут иметь разную вероятность. Летом наиболее вероятно
сообщение о дожде, зимой — о снеге, а в переходный период (в марте или ноябре)
они могут оказаться равновероятными. Понятие «более вероятное событие» можно
пояснить через родственные понятия: более ожидаемое, происходящее чаще в данных
условиях. В рамках базового курса не ставится задача понимания учениками
строгого определения вероятности, умения вычислять вероятность. Но
представление о равновероятных и неравновероятных событиях должно быть ими
получено. Ученики должны научиться приводить примеры равновероятных и
неравновероятных событий.
При наличии учебного времени
полезно обсудить с учениками понятия «достоверное событие» — событие, которое
обязательно происходит, и «невозможное событие». От этих понятий можно
оттолкнуться, чтобы ввести интуитивное представление о мере вероятности.
Достаточно сообщить, что вероятность достоверного события равна 1, а
невозможного — 0. Это крайние значения. Значит, во всех других «промежуточных»
случаях значение вероятности лежит между нулем и единицей. В частности,
вероятность каждого из двух равновероятных событий равна . При углубленном варианте изучения
базового курса можно использовать материал, приведенный в подразделе 1.1 «Вероятность
и информация» второй части учебника [26].
Возвращаясь к вопросу об
измерении количества информации, заключенной в сообщении об одном из N равновероятных
событий, предлагаем следующую логическую цепочку раскрытия темы.
Объяснение удобно начать с
частного определения бита как меры информации в сообщении об одном из двух
равновероятных событий. Обсуждая традиционный пример с монетой (орел — решка),
следует отметить, что получение сообщения о результате бросания монеты
уменьшило неопределенность знаний в два раза: перед подбрасыванием монеты было
два равновероятных варианта, после получения сообщения о результате остался
один единственный. Далее следует сказать, что и для всех других случаев
сообщений о равновероятных событиях при уменьшении неопределенности знаний в
два раза передается 1 бит информации.
Примеры, приведенные в
учебнике, учитель может дополнить другими, а также предложить ученикам
придумать свои примеры. Индуктивно, от частных примеров учитель вместе с
классом приходит к обобщенной формуле: 2i = N. Здесь N — число вариантов равновероятных
событий (неопределенность знаний), а i —
количество информации в сообщении о том, что произошло одно из N событий.
Если N— известно, а i является неизвестной величиной, то данная формула
превращается в показательное уравнение. Как известно, показательное уравнение
решается с помощью функции логарифма: i= log2N. Здесь учителю предоставляются два возможных пути: либо с
опережением уроков математики объяснить, что такое логарифм, либо «не
связываться» с логарифмами. Во втором варианте следует рассмотреть с учениками
решение уравнения для частных случаев, когда N есть
целая степень двойки: 2, 4, 8, 16, 32 и т.д. Объяснение происходит по схеме:
Если N = 2 = 21,
то уравнение принимает вид: 2i =
21, отсюда i = 1.
Если N = 4 = 22,
то уравнение принимает вид: 21 = 22, отсюда i = 2.
Если N = 8 = 23,
то уравнение принимает вид: 2i =
23, отсюда i = 3 и т. д.
В общем случае, если N =
2k, где k — целое число, то уравнение принимает вид 2i = 2k и, следовательно, i = k. Ученикам полезно запомнить ряд целых степеней двойки хотя бы до 210
= 1024. С этими величинами им предстоит еще встретиться в других разделах.
Для тех значений N, которые не являются целыми степенями двойки, решение уравнения 2i = N можно получать из приведенной
в учебнике [26] таблицы в §2. Совсем не обязательно говорить ученикам, что это
таблица логарифмов по основанию 2. Например, желая определить, сколько же бит
информации несет сообщение о результате бросания шестигранного кубика, нужно
решать уравнение: 2i = 6.
Поскольку 22 < 6 < 23, то следует пояснить
ученикам, что 2 < i < 3. Заглянув в таблицу, узнаем (с
точностью до пяти знаков после запятой), что i =
2,58496 бит.
Рассмотренные примеры
исчерпывают возможности содержательного подхода в решении проблемы измерения
информации. Очевидно, что предложенный метод применим только в очень частных
случаях. Попробуйте с содержательной точки зрения подсчитать количество
информации, полученной в результате прочтения нового для вас параграфа в
учебнике! Сделать это невозможно, хотя фактом является то, что информация
получена. В этом и проявляется тот «тупик» данного подхода, о котором
говорилось выше.

Кибернетический
(алфавитный) подход к измерению информации

Изучаемые вопросы:
ª Что такое алфавит, мощность алфавита.
ª Что такое информационный вес символа в
алфавите.
ª Как измерить информационный объем текста
с алфавитной точки зрения.
ª Что такое байт, килобайт, мегабайт,
гигабайт.
ª Скорость информационного потока и
пропускная способность канала.
Рассматриваемый в этой теме
подход к измерению информации является альтернативным к содержательному
подходу, обсуждавшемуся ранее. Здесь речь идет об измерении количества
информации в тексте (символьном сообщении), составленном из символов некоторого
алфавита. К содержанию текста такая мера информации отношения не имеет. Поэтому
такой подход можно назвать объективным, т.е. не зависящим от воспринимающего
его субъекта.
Алфавитный подход — это
единственный способ измерения информации, который может применяться по
отношению к информации, циркулирующей в информационной технике, в компьютерах.
Опорным в этой теме является
понятие алфавита. Алфавит — это конечное множество символов, используемых
для представления информации. Число символов в алфавите называется мощностью
алфавита (термин взят из математической теории множеств). В основном
содержании базового курса алфавитный подход рассматривается лишь с позиции равновероятного
приближения. Это значит, что допускается предположение о том, что
вероятности появления всех символов алфавита в любой позиции в тексте
одинаковы. Разумеется, это не соответствует реальности и является упрощающим
предположением.
В рассматриваемом приближении
количество информации, которое несет в тексте каждый символ (i), вычисляется из уравнения Хартли: 2i = N, где
N — мощность алфавита. Величину i можно назвать информационным весом символа. Отсюда следует, что
количество информации во всем тексте (i),
состоящем из К символов, равно произведению информационного веса символа
на К: I = i´К. Эту
величину можно назвать информационным объемом текста. Такой подход к измерению
информации еще называют объемным подходом.
Полезно обсудить с учениками
следующий вопрос: какова минимальная мощность алфавита, с пoмощыо которого можно записывать (кодировать) информацию?
Этот вопрос напрямую связан с заданием № 3 к § 3 учебника [11], которое звучит
так: «Докажите, что исходя из алфавитного подхода, сообщение любой длины,
использующее односимвольный алфавит, содержит нулевую информацию».
Предположим, что используемый
алфавит состоит всего из одного символа, например «1». Интуитивно понятно, что
сообщить что-либо с помощью единственного символа невозможно. Но это же
доказывается строго с точки зрения алфавитного подхода. Информационный вес
символа в таком алфавите находится из уравнения: 2i= 1. Но поскольку 1 = 2°, то отсюда следует, что i = 0 бит. Полученный вывод можно проиллюстрировать
следующим образным примером. Представьте себе толстую книгу в 1000 страниц, на
всех страницах которой написаны одни единицы (единственный символ используемого
алфавита). Сколько информации в ней содержится? Ответ: нисколько, ноль. Причем
такой ответ получается с любой позиции, как с содержательной, так и с алфавитной.
Минимальная мощность
алфавита, пригодного для передачи информации, равна 2. Такой алфавит называется двоичным
алфавитом. Информационный вес символа в двоичном алфавите легко определить.
Поскольку 2i = 2, то i = 1 бит. Итак, один символ двоичного алфавита несет 1 бит
информации. С этим обстоятельством ученики снова встретятся, когда будут
знакомиться с алфавитом внутреннего языка компьютера — языка двоичного
кодирования.
Бит — основная единица
измерения информации. Кроме нее используются и другие единицы. Следует обратить
внимание учеников на то, что в любой метрической системе существуют единицы
основные (эталонные) и производные от них. Например, основная физическая
единица длины — метр. Но существуют миллиметр, сантиметр, километр. Расстояния
разного размера удобно выражать через разные единицы. Так же обстоит дело и с
измерением информации. 1 бит — это исходная единица. Следующая по величине
единица — байт. Байт вводится как информационный вес символа из алфавита
мощностью 256. Поскольку 256 = 28, то 1 байт = 8 бит. Мы снова
встречаемся с темой, которая является своеобразной пропедевтикой к будущему
изучению компьютера.
Уже в рамках данной темы
можно сообщить ученикам, что компьютер для внешнего представления текстов и
другой символьной информации использует алфавит мощностью 256 (во
внутреннем представлении любая информация в компьютере кодируется в двоичном
алфавите). Фактически, для выражения объема компьютерной информации в качестве
основной единицы используется байт.
Представляя ученикам более
крупные единицы: килобайт, мегабайт, гигабайт — нужно обратить их внимание на
то, что мы привыкли приставку «кило» воспринимать, как увеличение в 1000 раз. В
информатике это не так. Килобайт больше байта в 1024 раза, а число 1024 = 210.
Так же относится и «мега» по отношению к «кило» и т.д. Тем не менее часто при
приближенных вычислениях используют коэффициент 1000.
В рамках углубленного курса
учитель может изложить алфавитный подход в более адекватном варианте, без
допущения равновероятности символов. Теоретический и практический материал на
эту тему можно найти в пособии [8] в подразделе 1.4.

Примеры
решения задач

Задачи по теме «Измерение
информации. Содержательный подход» связаны с использованием уравнения 2i = N. Возможны два варианта условия
задачи: 1) дано N, найти i; 2) дано i, найти N.
В случаях, когда N равно
целой степени двойки, желательно, чтобы ученики выполняли вычисления «в уме».
Как уже говорилось выше, полезно запомнить ряд целых степеней числа 2 хотя бы
до 210. В противном случае следует использовать таблицу решения
уравнения 2i =
N, приведенную в [25] и
[8], в которой рассматриваются значения N от 1 до 64.
Для основного уровня изучения
базового курса предлагаются задачи, связанные с сообщениями о равновероятных
событиях. Ученики должны это понимать и обязательно качественно обосновывать,
используя термин «равновероятные события».

Пример 1. Сколько бит информации несет сообщение о
том, что из колоды в 32 карты достали даму пик?
Решение. При случайном
вытаскивании карт из перемешанной колоды ни одна из карт не имеет преимущества
быть выбранной по сравнению с другими. Следовательно, случайный выбор любой
карты, в том числе и дамы пик — события равновероятные. Отсюда следует, что
неопределенность знаний о результате вытаскивания карты равна 32 — числу карт в
колоде. Если i — количество информации в сообщении о
результате вытаскивания одной карты (дамы пик), то имеем уравнение:
2i = 32.
Поскольку 32 = 25,
то, следовательно, i = 5 бит.
На тему данной задачи учитель
может предложить еще несколько заданий. Например: сколько информации несет
сообщение о том, что из колоды карт достали карту красной масти? (1 бит, так
как красных и черных карт одинаковое количество).
Сколько информации несет
сообщение о том, что из колоды карт достали карту бубновой масти? (2 бита, так
как всего в колоде 4 масти и количество карт в них равные).

Пример 2. Проводится две лотереи: «4 из 32» и «5
из 64». Сообщение о результатах какой из лотерей несет больше информации?
Решение. У этой задачи есть
«подводный камень», на который может натолкнуться учитель. Первый путь решения
тривиальный: вытаскивание любого номера из лотерейного барабана — события
равновероятные. Поэтому в первой лотерее количество информации в сообщении об
одном номере равно 5 бит (25 = 32), а во второй — 6 бит (2б
= 64). Сообщение о четырех номерах в первой лотерее несет 5´4 = 20 бит. Сообщение о пяти номерах
второй лотереи несет 6´5 = 30
бит. Следовательно, сообщение о результатах второй лотереи несет больше
информации, чем о результатах первой.
Но возможен и другой путь
рассуждения. Представьте себе, что вы наблюдаете за розыгрышем лотереи. Выбор
первого шара производится из 32 шаров в барабане. Результат несет 5 бит
информации. Но 2-й шар будет выбираться уже из 31 номера, 3-й — из 30 номеров,
4-й — из 29. Значит, количество информации, которое несет 2-й номер, находится
из уравнения: 2i = 31. Используя таблицу решения этого
уравнения, находим: i = 4,95420 бит. Для 3-го номера: 2i = 30; i = 4,90689 бит. Для 4-го номера: 2i' = 29; i = 4,85798 бит.
В сумме получаем: 5 + 4,95420 + 4,90689 + 4,85798 = = 19,71907 бит. Аналогично
и для второй лотереи. Конечно, на окончательном выводе такие подсчеты не
отразятся. Можно было вообще, ничего не вычисляя, сразу ответить, что второе
сообщение несет больше информации, чем первое. Но здесь интересен сам путь вычислений
с учетом «выбывания участников».
Последовательность событий
в этом случае не является независимой друг от друга (кроме первого). Это, как мы увидели,
отражается в различии информативности сообщений о каждом из них. Первый
(тривиальный) вариант решения задачи получен в предположении независимости
событий и является в таком случае неточным.
В условиях задач по теме
«Измерение информации. Алфавитный подход» связываются между собой следующие
величины: мощность символьного алфавита — N; информационный
вес символа — /; число символов в тексте (объем текста) — К; количество
информации, заключенной в тексте (информационный объем текста) — I. Кроме того, при решении задач требуется знать связь между
различными единицами информации: бит, байт, килобайт, мегабайт, гигабайт.
Задачи, соответствующие
уровню минимального содержания базового курса, рассматривают лишь приближение
равновероятного алфавита, т. е. допущение того, что появление любого символа в
любой позиции текста — равновероятно. В задачах для углубленного уровня
обучения используется более реальное предположение о неравновероятности
символов. В таком случае, появляется еще один параметр — вероятность символа (р).

Пример 3. Два текста содержат одинаковое
количество символов. Первый текст составлен в алфавите мощностью 32 символа,
второй — мощностью 64 символа. Во сколько раз отличается количество информации
в этих текстах?
Решение. В равновероятном приближении
информационный объем текста равен произведению числа символов на информационный
вес одного символа:

Поскольку оба текста имеют
одинаковое число символов (К), то различие информационных объемов
определяется только разницей в информативности символов алфавита (i). Найдем i1 для первого алфавита и i2 для второго алфавита:
2i1 =
32, отсюда i1 = 5 бит;
2i2 =
64, отсюда i2 = 6 бит.
Следовательно, информационные
объемы первого и второго текстов будут равны:
I1 = К×5
бит, 12=К×6 бит.
Отсюда следует, что
количество информации во втором тексте больше, чем в первом в 6/5, или в 1,2
раза.

Пример 4. Объем сообщения, содержащего 2048
символов, составил 1/512 часть Мбайта. Каков размер алфавита, с помощью
которого записано сообщение?
Решение. Переведем
информационный объем сообщения из мегабайтов в биты. Для этого данную величину
умножим дважды на 1024 (получим байты) и один раз — на 8:
I = 1/512•1024•1024•8 = 16384 бит.
Поскольку такой объем
информации несут 1024 символа (К), то на один символ приходится:
i = I/K = 16384/1024 = 16 бит.
Отсюда следует, что размер
(мощность) использованного алфавита равен 216 = 65 536 символов.
Заметим, что именно такой
алфавит через некоторое время станет международным стандартом для представления
символьной информации в компьютере (кодировка Unicode).

7.3. Процесс хранения информации

Изучаемые вопросы:
ª Носители информации.
ª Виды памяти.
ª Хранилища информации.
ªОсновные свойства хранилищ информации.
Понятие «информационные
процессы», так же как и понятие «информация», является базовым в курсе
информатики. Под информационными процессами понимаются любые действия,
выполняемые с информацией. Примеры информационных процессов, с которыми нам
приходится постоянно иметь дело: получение информации из средств СМИ, обучение,
принятие управляющих решений, разработка технического проекта, документооборот
на предприятии, сдача экзаменов и многие другие. Согласно схеме 1 существуют
три основных типа информационных процессов, которые как составляющие
присутствуют в любых других более сложных процессах. Это хранение информации,
передача информации и обработка информации. Первоначально следует рассмотреть
эти процессы без привязки к компьютеру, т. е. применительно к человеку. Затем,
при изучении архитектуры ЭВМ, компьютерных информационных технологий речь
пойдет о реализации тех же самых информационных процессов с помощью ЭВМ.
С хранением информации
связаны следующие понятия: носитель информации (память), внутренняя память,
внешняя память, хранилище информации.
Носитель информации — это
физическая среда, непосредственно хранящая информацию. Основным носителем информации для человека
является его собственная биологическая память (мозг человека). Собственную
память человека можно назвать оперативной памятью. Здесь слово
«оперативный» является синонимом слова «быстрый». Заученные знания
воспроизводятся человеком мгновенно. Собственную память мы еще можем назвать внутренней
памятью, поскольку ее носитель — мозг — находится внутри нас.
Все прочие виды носителей
информации можно назвать внешними (по отношению к человеку). Виды этих
носителей менялись со временем: в древности были камень, дерево, папирус, кожа
и пр. Во II в. нашей эры в Китае была изобретена бумага. Однако до
Европы она дошла лишь в XI в. С тех пор бумага является основным
внешним носителем информации. Развитие информационной техники привело к
созданию магнитных, оптических и других современных видов носителей информации
Хранилище информации — это определенным образом
организованная информация на внешних носителях, предназначенная для длительного
хранения и постоянного использования. Примерами хранилищ являются архивы
документов, библиотеки, справочники, картотеки. Основной информационной единицей
хранилища является определенный физический документ: анкета, книга, дело,
досье, отчет и пр. Под организацией хранилища понимается наличие определенной
структуры, т.е. упорядоченность, классификация хранимых документов. Такая
организация необходима для удобства ведения хранилища: пополнения новыми
документами, удаления ненужных, поиска информации и пр.
Знания, сохраненные в памяти
человека, можно рассматривать как внутреннее хранилище информации, однако его
организацию нам понять трудно. Основное свойство человеческой памяти —
быстрота, оперативность воспроизведения хранящейся в ней информации. Но, по
сравнению с внешними хранилищами, человеческая память менее надежна. Человеку
свойственно забывать информацию. Хотя психологи утверждают, что из памяти
человека ничего не исчезает, тем не менее способность к воспроизведению
некоторых знаний довольно часто теряется человеком. Именно для более надежного
хранения человек использует внешние носители, организует хранилища. Впрочем,
известен исторический феномен в этом отношении: у народа древних инков не было
письменности. Все свои знания они хранили в собственной памяти. С нашей точки
зрения в этом случае трудно объяснить возможность достижения высокого уровня
цивилизации инков.
Основные свойства хранилища
информации: объем хранимой информации, надежность хранения, время доступа (т.
е. время поиска нужных сведений), наличие защиты информации.
Информацию, хранимую на
устройствах компьютерной памяти, принято называть данными. Для описания
хранения данных в компьютере используются те же понятия: носитель, хранилище
данных, организация данных, время доступа, защита данных. Организованные
хранилища данных на устройствах внешней памяти компьютера принято называть базами
и банками данных. Подробнее эти вопросы будут обсуждаться в теме
«Базы данных и информационные системы».

7.4. Процесс обработки информации

Изучаемые вопросы:
ªОбщая схема процесса обработки информации.
ªПостановка задачи обработки.
ªИсполнитель обработки.
ªАлгоритм обработки.
ªТиповые задачи обработки информации.
Любой вариант процесса
обработки информации происходит по следующей схеме (рис. 7.1):

Рис. 7.1.
Общая схема процесса обработки информации

В любом случае можно говорить
о том, что в процессе обработки информации решается некоторая информационная
задача, которая предварительно может быть поставлена в традиционной форме: дан
некоторый набор исходных данных — исходной информации; требуется
получить некоторые результаты — итоговую информацию. Сам процесс
перехода от исходных данных к результату и есть процесс обработки. Тот объект
или субъект, который осуществляет обработку, может быть назван исполнителем обработки.
Исполнитель может быть человеком, а» может быть специальным техническим
устройством, в том числе компьютером.
Обычно обработка информации —
это целенаправленный процесс. Для успешного выполнения обработки информации
исполнителю должен быть известен способ обработки, т.е. последовательность
действий, которую нужно выполнить, чтобы достичь нужною результата. Описание
такой последовательности действий в информатике принято называть алгоритмом
обработки.
Разговор об обработке
информации приводит к теме алгоритмизации, которая подробно рассматривается в
соответствующем разделе базового курса. Здесь мы хотели обратить внимание
читателей на то обстоятельство, что тема алгоритмов исходит от базового
фундаментального понятия информатики — понятия информационных процессов.
Ученики должны уметь
приводить примеры ситуаций, связанных с обработкой информации. Такие ситуации
можно разделить на два типа.
Первый тип обработки: обработка, связанная с получением новой информации,
нового содержания знаний.
К этому типу обработки
относится решение математических задач. Например, даны две стороны треугольника
и угол между ними, требуется определить все остальные параметры треугольника:
третью сторону, углы, площадь, периметр. Способ обработки, т.е. алгоритм
решения задачи, определяется математическими формулами, которые должен знать
исполнитель.
К первому же типу обработки
информации относится решение различных задач путем применения логических
рассуждений. Например, следователь по некоторому набору улик находит
преступника; человек, анализируя сложившиеся обстоятельства, принимает решение
о своих дальнейших действиях; ученый разгадывает тайну древних рукописей и т.п.
Второй тип обработки: обработка, связанная с изменением формы,
но не изменяющая содержания.
К этому типу обработки
информации относится, например, перевод текста с одного языка на другой.
Изменяется форма, но должно сохраниться содержание. Важным видом обработки для
информатики является кодирование. Кодирование — это преобразование
информации в символьную форму, удобную для ее хранения, передачи, обработки.
Кодирование активно используется в технических средствах работы с информацией
(телеграф, радио, компьютеры).
Другой вид обработки
информации — структурирование дан-дых. Структурирование связано с
внесением определенного порядка, определенной организации в хранилище информации.
Рас-лоложение данных в алфавитном порядке, группировка по некоторым признакам
классификации, использование табличного или (графового представления — все это
примеры структурирования. Еще один важный вид обработки информации — поиск. Задача
поиска обычно формулируется так: имеется некоторое хранилище информации — информационный
массив (телефонный справочник, словарь, расписание поездов и пр.),
требуется найти в нем нужную информацию, удовлетворяющую определенным условиям
поиска (телефон данной организации, перевод данного слова на английский
язык, время отправления данного поезда). Алгоритм поиска зависит от способа
организации информации. Если информация структурирована, то поиск
осуществляется быстрее, I можно построить оптимальный алгоритм.

7.5. Процесс передачи информации

Изучаемые вопросы:
ªИсточник и приемник информации.
ªИнформационные каналы.
ªРоль органов чувств в процессе восприятия
информации человеком.
ªСтруктура технических систем связи.
ªЧто такое кодирование и декодирование.
ªПонятие шума; приемы защиты от шума.
ªСкорость передачи информации и пропускная
способность канала.
Ключевыми понятиями в
описании процесса передачи информации являются источник информации, приемник
информации, информационный канал. Схематично этот процесс можно изобразить
так (рис. 7.2):

Рис. 7.2.
Схема процесса передачи информации

В таком процессе информация
представляется и передается в форме некоторой последовательности сигналов,
символов, знаков. Например, при непосредственном разговоре между людьми происходит
передача звуковых сигналов — речи, при чтении текста человек воспринимает буквы
— графические символы. Передаваемая последовательность называется сообщением.
От источника к приемнику сообщение передается через некоторую материальную
среду (звук — акустические волны в атмосфере, изображение — световые электромагнитные
волны). Если в процессе передачи используются технические средства связи, то их
называют каналами передачи информации (информационными каналами). К ним
относятся телефон, радио, телевидение.
Можно говорить о том, что
органы чувств человека выполняют роль биологических информационных каналов. С
их помощью информационное воздействие на человека доносится до памяти.
В рамках данной темы ученики
должны уметь приводить конкретные примеры процесса передачи информации,
определять для этих примеров источник, приемник информации, используемые каналы
передачи информации.
При углубленном изучении
базового курса информатики следует познакомить учеников с основными понятиями
технической теории связи. Американским ученым Клодом Шенноном, одним из
основателей теории информации, была предложена схема процесса передачи
информации по техническим каналам связи, представленная на рис. 7.3.

Рис. 7.3.
Схема технической системы передачи информации

Работу такой схемы можно
пояснить на знакомом всем процессе разговора по телефону. Источником информации
является говорящий человек. Кодирующим устройством — микрофон телефонной
трубки, с помощью которого звуковые волны (речь) преобразуются в электрические
сигналы. Каналом связи является телефонная сеть (провода, коммутаторы
телефонных узлов через которые проходит сигнал). Декодирующим устройством
является телефонная трубка (наушник) слушающего человека — приемника
информации. Здесь пришедший электрический сигнал превращается в звук.
Связь, при которой передача
производится в форме непрерывного электрического сигнала, называется аналоговой
связью.
Под кодированием
понимается любое преобразование информации, идущей от источника, в форму,
пригодную для ее передачи по каналу связи. На заре эры радиосвязи применялся код азбуки Морзе. Текст
преобразовывался в последовательность точек и тире (коротких и длинных
сигналов) и передавался в эфир. Принимавший на слух такую передачу человек
должен был суметь декодировать код обратно в текст. Еще раньше азбука Морзе
использовалась в телеграфной связи. Передача информации с помощью азбуки Морзе
— это пример дискретной связи.
В настоящее время широко
используется цифровая связь, когда передаваемая информация кодируется в
двоичную форму ( 0 и 1 — двоичные цифры), а затем декодируется в текст,
изображение, звук. Цифровая связь, очевидно, тоже является дискретной.
Термином «шум» называют
разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие к потере
информации. Такие помехи, прежде всего, возникают по техническим причинам:
плохое качество линий связи, незащищенность друг от друга различных потоков
информации, передаваемой по одним и тем же каналам. Часто, беседуя по телефону,
мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на наш разговор
накладывается разговор совсем других людей. В таких случаях необходима защита
от шума.
В первую очередь применяются
технические способы зашиты каналов связи от воздействия шумов. Такие способы
бывают самые разные, иногда простые, иногда — очень сложные. Например,
использование экранированного кабеля вместо «голого» провода; применение
разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума и пр.
Клодом Шенноном была
разработана специальная теория кодирования, дающая методы борьбы с
шумом. Одна из важных идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии
связи код должен быть избыточным. За счет этого потеря какой-то части
информации при передаче может быть компенсирована. Например, если при разговоре
по телефону вас плохо слышно, то повторяя каждое слово дважды, вы имеете больше
шансов на то, что собеседник поймет вас правильно.
Однако нельзя делать
избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам и подорожанию связи.
Теория кодирования К. Шеннона как раз и позволяет получить такой код, который
будет оптимальным. При этом избыточность передаваемой информации будет
минимально-возможной, а достоверность принятой информации — максимальной.
В современных системах
цифровой связи часто применяется следующий прием борьбы с потерей информации
при передаче. Все сообщение разбивается на порции — блоки. Для каждого
блока вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая
передается вместе с данным блоком. В месте приема заново вычисляется
контрольная сумма принятого блока, и если она не совпадает с первоначальной, то
передача данного блока повторяется. Так будет происходить до тех пор, пока
исходная и конечная контрольные суммы не совпадут.
При обсуждении темы об
измерении скорости передачи информации можно привлечь прием аналогии.
Аналог — процесс перекачки воды по водопроводным трубам. Здесь каналом передачи
воды являются трубы. Интенсивность (скорость) этого процесса характеризуется
расходом воды, т.е. количеством литров или кубометров, перекачиваемых за
единицу времени (л/с или куб. м/с). В процессе передачи информации каналами
являются технические линии связи. А если информацию непосредственно принимает
человек, то его органы чувств — внутренние информационные каналы человека. По
аналогии с водопроводом можно говорить об. информационном потоке, передаваемом
по каналам. Скорость передачи информации — это информационный объем сообщения,
передаваемого в единицу времени. Поэтому единицы измерения скорости
информационного потока: бит/с, байт/с и др.
Еще одно понятие — пропускная
способность информационных каналов — может быть объяснено с помощью
«водопроводной» аналогии. Увеличить расход воды через трубы можно путем
увеличения давления. Но этот путь не бесконечен. При слишком большом давлении
трубу может разорвать. Поэтому техническими условиями использования водопровода
всегда определяется предельное давление и как результат — предельный расход
воды, который можно назвать пропускной способностью водопровода. Аналогичный
предел скорости передачи данных имеют и технические линии информационной связи
(телефонные лини, радиосвязь, оптико-волоконный кабель). Причины этому также
носят физический характер.

Пример практического задания

Задание. Определите собственную скорость восприятия
информации при чтении вслух и «про себя».
Данное задание носит
творческий характер. Ученик должен сам спланировать эксперимент. План может
быть следующим: взять книгу и выбрать в ней страницу, заполненную текстом.
Желательно, чтобы этот текст был новым для ученика, но понятным, т.е.
информативным. Подсчитать число символов в тексте. Для этого нужно определить
среднее число символов в строке, число строк на странице. Умножив эти два
числа, получим число символов во всем тексте. Разумно допустить, что для набора
текста книги использован компьютерный алфавит, мощность которого равна 256.
Следовательно, каждый символ несет 1 байт информации. Таким образом, общее
число символов равно информационному объему текста в байтах. Далее нужно читать
текст вслух, измеряя по секундомеру время чтения. Скорость чтения должна быть
такой, чтобы ученику было понятно содержание текста. Проверить это можно,
попытавшись пересказать прочитанное. Если ученик ничего не запомнил, значит он
не воспринял информацию, и скорость чтения следует уменьшить. Окончательный
ответ получается путем деления объема информации на время в секундах.
Предположим, что в выбранной
книге на странице расположено 40 строчек; в каждой строке в среднем по 50
символов (пробелы тоже нужно считать). Следовательно, на странице — 2000
символов и информационный объем текста равен 2000 байт. Время чтения в слух —
140 секунд. Значит, скорость восприятия информации при чтении вслух равна
2000/140 = 14,3 байт/с.
Повторение такого же
эксперимента с чтением «про себя» может дать более высокий результат.
Полезно обратить внимание
учеников на то, что для более точной оценки средней скорости чтения желательно
брать текст большего размера. Различные фрагменты текста могут оказаться
разными по степени сложности восприятия. Чем текст больше, тем результат ближе
к объективному среднестатистическому.

7.6. Требования к знаниям и умениям
учащихся по линии информации
и информационных процессов*

Учащиеся должны знать:
• определение информации в
соответствии с содержательным подходом и кибернетическим (алфавитным) подходом;
• что такое информационные
процессы;
• какие существуют носители
информации;
• как определяется единица
измерения информации — бит;
• что такое байт, килобайт,
мегабайт, гигабайт;
• в каких единицах измеряется
скорость передачи информации;
• *связь между количеством
информации в сообщении о некотором событии и вероятностью этого события (в
приближении равной вероятности и в общем случае);
• * схему К. Шеннона процесса
передачи информации по техническим каналам связи; смысл и назначение ее
отдельных элементов.
Учащиеся должны уметь:
• приводить примеры
информации и информационных процессов из области человеческой деятельности,
живой природы и техники;
• определять в конкретном
процессе передачи информации источник, приемник, канал;
• приводить примеры
информативных и неинформативных сообщений;
• приводить примеры
сообщений, несущих 1 бит информации;
• измерять информационный
объем текста в байтах (при использовании компьютерного алфавита);
• пересчитывать количество
информации в различных единицах (битах, байтах, Кбайтах, Мбайтах, Гбайтах);
• рассчитывать скорость
передачи информации по объему и времени передачи, а также решать обратные
задачи;
• *вычислять количество
информации в сообщении о событии с известной вероятностью (в приближении равной
вероятности и в общем случае).

Вопросы для самоконтроля и обсуждения к главе 7

1. В чем причина проблемы
определения понятия «информация»? Какие возможны подходы к определению
информации?
2. Как эволюционирует подход
к линии информации и информационных процессов со сменой поколений школьных
учебников?
3. Как объяснить ученикам
разницу между декларативными и процедурными знаниями? Подберите серию примеров,
иллюстрирующих эти понятия.
4. Объясните методический
смысл введения понятия «информативность сообщения».
5. В чем состоит ограниченность
содержательного подхода к определению и измерению информации? На каких примерах
можно объяснить этот факт ученикам?
6. Как объяснить ученикам тот
факт, что в информационной технике применяется алфавитный подход к измерению
информации?
7. Пофантазируйте на тему: к
каким последствиям привело бы принятие следующего определения единицы измерения
информации: «Сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в 10 раз несет
единицу информации, которая называется 1 дит».
8. В чем состоят методические
проблемы раскрытия учащимся вероятностного подхода к понятию информации? Как их
можно преодолеть?
9. Попробуйте на примере
школьного урока проиллюстрировать следующие понятия: информационные процессы,
носитель информации, хранилище информации, передача информации, шум и защита от
шума, обработка информации.
10. Является ли полным
перечисленный в подразделе 7.4 список вариантов обработки информации?
Попробуйте опровергнуть или подтвердить факт полноты.

7.7. Лабораторный практикум

Тема «Информация и информационные процессы»

Основные вопросы:
1. Цели и задачи изучения
данной темы в базовом курсе информатики.
2. Обязательный и вариативный
уровень организации, а также усвоение учащимися учебного материала в
образовательном процессе.
3. Роль рассматриваемой темы
в решении общеобразовательных задач базового курса информатики, связанных с
формированием системно-информационных представлений учащихся.
4. Роль рассматриваемой
содержательной линии в решении задач развития общеинтеллектуальных и
общеучебных умений и навыков.
5. Методические подходы к
рассмотрению в образовательном процессе ключевых вопросов данной темы.
6. Дидактическая
целесообразность использования программных средств обучения демонстрационного и
обучающего характера, упражнений и вопросов-проблем при организации фронтальной
работы с учащимися; учебных задач, тестового текущего и итогового контроля.
7. Поиск эффективных способов
сочетания словесных, наглядных и практических (деятельностных) методов и
средств обучения при организации учебных занятий.

Занятие 1
Тема «Формирование основных понятий раздела
«Информация и информационные процессы» в базовом курсе информатики»

Задачи занятия:
1. Определить роль и место
учебного раздела «Информация и информационные процессы» в базовом курсе
информатики.
2. Рассмотреть цели и задачи
изучения раздела в базовом курсе информатики.
3. Определить сущность и роль
базовых понятий, этапы и методы их формирования.
4. Установить связи между
основными понятиями внутри учебного раздела, а также межпредметные связи с
изученными ранее понятиями других учебных предметов.
5. Определить уровни
формирования базовых понятий, их общеобразовательный и мировоззренческий
аспекты изучения.

Способ организации
занятия: практикум.

Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[1, 4, 8, 13, 17, 18, 19, 22, 24].

Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Составить
терминологический словарь по базовым понятиям учебного раздела, разработать
логико-структурную модель учебного материала.
2. Провести содержательный
анализ раздела «Информация и информационные процессы» в учебниках и учебных
пособиях.

План занятия
1. Анализ полного содержания
фазовых понятий раздела.
2. Определение предельно
общих фундаментальных понятий-категорий.
3. Построение
логико-структурной модели учебного материала.
4. Построение тезауруса
учебного материала раздела (отражение внутрипредметных и межпредметных
иерархических связей в системе базовых понятий).
На основе анализа учебников и
учебных пособий заполнение таблицы «Базовые понятия» (табл. 7.1).
Таблица 7.1
Базовые
понятия

Понятие (указать
категорию),
его определение

Сущность понятия

Примеры на внутрипредметные связи
(раздел, понятие)

Примеры на
межпредметные связи (уч. предмет,
  раздел, понятие)

Этап формирования

Методы и средства обучения, приемы работы

Образовательный
аспект

Мировоззренческий
аспект

Ранее
изученные

Подлежащие усвое-
нию

Ранее
изученные

Подлежащие усвое-
нию

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Примечание. Табл. 7.1 и ряд таблиц (7.2 — 7.4),
описанных в лабораторном практикуме текущей главы, являются инвариантными к
лабораторным практикумам по всем разделам базового курса информатики.

Методические указания по
заполнению таблицы 7.1 Этап
формирования (столбец 8) может быть определен в соответствии с этапами,
выделенными Дж. Брунером на основе процессов восприятия объектов и явлений,
переработки информации: введение понятия; приведение примеров (положительных и
отрицательных), к которым приложимо данное понятие; выделение существенных и
несущественных признаков понятия; определение понятия, основанное на существенных
признаках.
В столбце 9 табл. 7.1
необходимо описать адекватные содержанию методы и средства обучения, приемы
работы. Для решения задачи формирования понятий могут быть рассмотрены
следующие методы обучения: устный опрос (индивидуальный, фронтальный), рассказ,
рассказ-описание, рассказ-беседа, беседа по вопросам, беседа с постановкой
проблемных вопросов, объяснение, демонстрация и т.д. Соответственно, приемы
работы: составление схемы, работа с таблицами, работа с текстом учебника, составление
описания, решение познавательных задач и т.д. Формы и способы организации
учебной деятельности студентов: обсуждение вопросов плана, работа в
группах; подведение итогов — беседа по вопросам, фронтальный и индивидуальный
опрос.

Занятие 2

Тема «Планирование учебного процесса»

Задачи занятия: сформировать навыки
поисково-исследовательской и аналитической деятельности студентов, связанные с
разработкой тематического и поурочного планирования.

Способ организации
занятия: практикум.

Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[1, 8, 14, 15, 23, 25].

Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Изучить учебные программы,
учебно-методическую литературу.
2. Проанализировать две-три
частнопредметные (авторские) методики обучения базовому курсу информатики в
рамках рассматриваемого раздела. Представить результаты анализа в табл. 7.2 и
подготовить на их основе краткое сообщение.
Таблица 7.2
Оценка
авторской методики

Автор (ы), источники

Актуальность методики

Новизна

Инструменталь-ность

Доступность

1

2

3

4

5

Методические указания по
заполнению таблицы 7.2
Для оценки авторской методики
может быть рекомендована к использованию четырехуровневая методика оценки
педагогических методик (А.Гин).
Актуальность методики определяет, какие конкретно проблемы обучения
она позволяет решать.
1-й уровень: методика
практичмески неактуальна, применение ее ничего не изменяет в работе
современного учителя.
2-й уровень: методика
затрагивает неосновные моменты работы; владение методикой улучшит некоторые
второстепенные параметры образовательного процесса (например, повысит точность
оценки знаний.
3-й уровень: методика
затрагивает основные моменты работы, но с ее внедрением можно и подождать.
Например, потому что и старые методы неплохо справляются.
4-й уровень: это то, что
необходимо современной школе.
Новизна выявляет, что реально нового дает
профессионалу методическая разработка.
1-й уровень: новизна на
уровне терминологии. Сюда же относится новизна на эмоциональном уровне. Автор
показывает новую точку зрения на уже известные факты, заставляет
переосмысливать учебный материал. Само по себе это неплохо, но имеет мало
общего с настоящей методикой.
2-й уровень: новизна на
информационном уровне. Даны новые факты, примеры, задачи, упражнения и решения.
3-й уровень: новизна на
системном уровне. Известные приемы в новой, более рациональной или оптимальной
компоновке.
4-й уровень: принципиальная
новизна. Предполагает новые способы работы, дающие результаты, отличающиеся от
прежних. Здесь уместно заметить два существенно различающихся подуровня.
Первый, методика-1, дает новый способ решения известных задач, не изменяя
содемржания обучения. Методика-2 изменяет сами цели, а значит, и парадигму
образования. Она дает способ постановки и решения новых педагогических задач.
Инструментальность позволяет судить о том, насколько
технологична, инструментальна для профессионала разработка.
1-й уровень: методика
сводится к призывам.
2-й уровень: методика
эффективна лишь в «авторском исполнении». В отсутствие автора ее результаты, к
сожалению, не воспроизводятся. Требуется много дополнительных подсказок,
обучение у автора, постоянные консультации, чтобы методика начала стабильно
работать в «чужих руках».
3-й уровень: методика
передаваема частично, отдельными рекомендациями; или работает нестабильно,
только в благоприятных условиях; или передаваема, но только отдельным, особенно
способным к ней людям.
4-й уровень: методика
передаваема, дает стабильные результаты, не требуя больших усилий или много
времени для освоения.
Понятность определяет доступность изложения
методической разработки.
1-й уровень: текст
труднодоступен для восприятия и создает общее впечатление подделки под «высокий
научный стиль».
2-й уровень: отдельные
фрагменты методики понятны, а вот связи между разделами и системы работы в
целом нет. Многие положения методики не аргументированы.
3-й уровень: методика в целом
понятна. Но читать (слушать) ее непросто. Есть достаточное количество примеров.
Но в процессе изучения возникают вопросы типа: «А как быть, если ...», на которые
нет авторских ответов.
4-й уровень: методика понятна
в частях и в целом. Можно сказать — «прозрачна». Автор открывает все нюансы
методики.

План занятия
1. Сообщения по данным табл.
7.2, обсуждение сообщений.
2. Составление тематического
и поурочного планирования, представление результатов в таблице (табл. 7.3).
3. Обсуждение результатов
тематического и поурочного планирования.
4. Подготовка конспекта урока
по одной-двум темам, учитывая направленность урока (урок по ознакомлению с
новым материалом; урок по закреплению изученного; урок проверки знаний, умений
и навыков; урок по систематизации и обобщению изученного материала), или
заполнение таблицы (табл. 7.4).
Таблица 7.3
Тематический
план

Номера уроков

1

2

3...

I. Название темы
1. Общая дидактическая цель системы
  уроков по теме
 2. Тип урока
3. Общие методы обучения
4. Оборудование и основные источники
  информации (для учителя и ученика)

П. Актуализация знаний и способы
  действий
1 . Опорные знания и способы действий
2. Источник повторения
3. Типы самостоятельных работ

III. Формирование новых понятий и способов
  действий
1 . Новые понятия и способы действий
2. Основные проблемы

IV. Применение (формирование умений и навыков)

Методические указания к
заполнению таблицы 7.3
I. Название темы берется из учебной программы или
конкретизируется на ее основе:
а) в тематическом плане
достаточно указать общую дидактическую цель системы уроков по данной теме;
б) указание типов уроков по
теме позволяет учителю планировать свою дальнейшую учебную работу с учетом
перспективы дальнейшего развития учебных занятий по курсу (возможность
проведения экскурсий, видеоуроков, работа в глобальной компьютерной сети
Интернет и т.д.);
в) в тематическом плане можно
сориентировать учителя на применение того или иного общего метода обучения с
учетом специфики информатики как учебного предмета;
г) исходя из содержания и
общих методов обучения, планируется использование электронных средств
образовательного назначения, дополнительной литературы, ресурсов Интернет и т.
д.
II. Актуализация предполагает
воспроизведение не только ранее изученного, но и применение прежних знаний в
новых ситуациях, их углубление. Поэтому важно установить не только опорные
знания для каждого урока, но и указать основные виды учебных задач по
информатике, в процессе решения которых будут актуализироваться необходимые
знания.
III. Формирование новых понятий и способов
действий — основной раздел плана. Здесь важно четко выделить новые понятия
и способы действий, которые вводятся и изучаются в данной теме. Желательно
указать основные шаги в процессе формирования новых понятий.
IV. В последнем разделе важно указать
систему заданий:
а) для формирования умений и
навыков при изучении данной темы;
б) для показа практического
применения информатики;
в) для реализации
межпредметных связей.
Таблица 7.4
Планирование
уроков

№ урока

Задачи урока

Содержание урока

Время

Методы и приемы работы

Способы организации деятельности учащихся

Средства обучения

1

2

3

4

5

6

7

Методические указания по
заполнению таблицы 7.4
Анализируя задачи
образовательных, воспитательных и развивающих функций урока, следует обратить
особое внимание:
• на тему, дидактическую цель
и задачи каждого учебного занятия;
• на каком учебном материале
может быть организовано прочное, сознательное овладение учащимися темы;
• на структуру урока и
примерное время, отводимое на реализацию его основных частей;
• на методы и приемы
учебно-воспитательной работы на каждом этапе урока, а также способы организации
учебно-познавательной деятельности школьников;
• какие возможности
предоставляет материал темы для формирования научного мировоззрения учащихся;
• какие уже имеющиеся у
школьников знания, умения и навыки следует использовать при постановке и
решении новых познавательных задач;
• как способствовать развитию
познавательной активности и самостоятельности учащихся, их восприятия,
внимания, памяти, мышления;
• какие наглядные пособия,
технические и программные средства обучения могут быть использованы на уроке.
Форма и способы организации
учебной деятельности студентов: выступление с сообщением, беседа по вопросам, работа с табл. 7.2;
работа с учебными программами, учебниками и учебными пособиями, работа с табл.
7.3; беседа по вопросам; индивидуальная работа по разработке конспектов урока,
работа с табл. 7.4.

Занятие 3

Тема «Решение задач»

Задачи занятия: сформировать представление о
поливариантности школьных задач по теме рассматриваемого раздела; умение их
систематизировать; навыки постановки разнотипных и разноуровневых учебных, познавательных
и учебно-познавательных задач; представление о трудностях учащихся, возникающих
при решении задач, и умение находить пути их преодоления.

Способ организации
занятия: лабораторная
работа.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература:
[1, 3, 7, 8, 23, 25].

Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Познакомиться с
дидактическими материалами и выделить типы задач, используемых в процессе
изучения раздела «Информация и информационные процессы».
2. Проанализировать задачи на
предмет характерных затруднений, возникающих у учащихся в процессе их решения.

Ход работы
1. Рассмотреть критерии
систематизации и типологию задач, используемых в процессе изучения
рассматриваемого раздела.
1.1. Задачи на определение
вида и свойств информации.
1.2. Задачи на измерение
информации.
2. Разработать комплекс
разнотипных и разноуровневых задач, в котором каждая задача содержит:
формулировку, тип, описание способов решения, средства решения, решение.

Форма и способы
организации учебной деятельности студентов: работа в группах; индивидуальная работа.
Для более эффективного
усвоения студентами вопросов конкретной методики преподавания базового курса
информатики целесообразно организовать выполнение учебно-методических проектов.
Ниже предложен возможный перечень такого рода проектов.

Варианты
учебно-методических проектов для студентов[6]
1. Предложить варианты
опорных листов по усвоению базовых понятий учебного раздела базового курса
информатики.
2. Описать требования к
программному средству учебного назначения — демонстрации закономерностей
информационных процессов в системах различной природы.
3. Разработать на основе
теоретического материала учебного раздела базового курса информатики варианты
тестовых заданий для организации текущего и итоговбго контроля, а также
самоконтроля.
4. Предложить формы
организации внеучебных занятий по ключевым вопросам учебного раздела базового
курса информатики.
5. Разработать виды и
содержание учебной деятельности учащихся на уроках информатики при организации
обучения в группах (на учебном материале конкретного раздела).
6. Разработать занимательные задачи по теме
учебного раздела базового курса информатики.
7. Разработать развивающие
задачи по теме учебного раздела базового курса информатики.
8. Разработать задачи творческой
направленности по теме учебного раздела базового курса информатики.
9. Разработать на основе
разнотипных задач, используемых в процессе изучения конкретного раздела
базового курса информатики, тестовые задания практико-ориентированного
характера.
10. Разработать компьютерные
варианты учебных заданий для организации программированного обучения
конкретному разделу базового курса информатики.
11. Анализ роли стиля
мышления в процессе изучения базового курса информатики (на примере конкретного
учебного раздела).

Литература к главе 7

1. Бауэр Ф.Л., Гооз Г. Информатика.
Вводный курс: В 2 ч.: Пер. с нем. — М.: Мир, 1990.
2. Бешенков С. А., Лыскова
Ю.В., Ракитина Е.А. Информация и информационные процессы // Информатика и
образование. — 1998. — № 6 — 8.
3. Бешенков С.А., Лыскова
В.Ю., Ракитина Е.А. Информация и информационные процессы. — Омск: Изд-во
Ом. гос. пед. ун-та, 1999.
4. Бочаров В. А., Маркин
В. И. Основы логики: Учеб. — М.: ИНФРА-М, 1997.
5. Теин А. Г., Сенокосов
А. И., Шолохович В. Ф. Информатика.
Классы 7-9. — М.: Дрофа, 1998.
6. ГейнА.Г., Шолохович
В.Ф. Преподавание курса «Основы информатики и вычислительной техники» в
средней школе: Руководство для учителя. — Екатеринбург, 1992.
7. Дейнеко С.В. Методика
обучения информатике учащихся вузов // ИНФО. - 2000. - № 4. - С. 94-96.
8. Задачник-практикум по
информатике: Учеб. пособие для сред. шк. / Под ред. И.Семакина, Е. Хеннера. —
М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
9. Изучение основ информатики
и вычислительной техники: Метод. пособие для учителей и преподавателей сред.
учеб, заведений: В 2 ч. / Под ред. А. П.Ершова и В. М. Монахова. — М.:
Просвещение, 1985 (ч. 1), 1986 (ч. 2).
10. Изучение основ
информатики и вычислительной техники: Пособие для учителя / А.В.Авербух,
В.Б.Гисин, Я.Н.Зайдельман, Г.В.Лебедев. — М.: Просвещение, 1992.
11. Информатика: Базовый курс
для 7 — 9 кл. / И. Г.Семакин, Л. АЗало-гова, С. В. Русаков, Л. В. Шестакова —
М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1998.
12. Информатика.
Энциклопедический словарь для начинающих. — М.:, Педагогика-Пресс, 1994.
13. Информационная культура:
Кодирование информации. Информационные модели: 9 — 10 класс: Учеб. для
общеобразоват. учеб. заведений. — 2-е изд. - М.: Дрофа, 1996.
14. Каналов Р. Р. Логико-структурная
модель школьного курса информатики // Информатика и образование. — 1998. — № 8.
— С. 3 — 11.
15. Казачков Л. С. Прикладная
логика информатики. — Киев: Наук. думка, 1990.
16. Кушниренко А.Г.,
Лебедев Г.В., Сворень Р.А. Основы информатики и вычислительной техники:
Учеб. для 10—11 кл. сред. шк. — М.: Просвещение, 1996.
17. Леднев В. С. Содержание
образования. — М.: Высш. шк., 1989.
18. Лыскова В.Ю., Ракитина
Е.А. Применение логических схем понятий в курсе информатики // Информатика
и образование, 2000. — № 1. -С. 32-38.
19. Новик И. Б., Абдуллаев
А. Ш. Введение в информационный мир. — М.: Наука, 1991.
20. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений: В 2 ч.
/ Под ред. А. П. Ершова и В. М. Монахова. — М.: Просвещение, 1985 (ч. 1), 1986
(ч. 2).
21. Основы информатики и
вычислительной техники: Учеб. для 10 — 11 кл. сред. шк. / А. Г. Гейн, В.
Г.Житомирский, Е. В. Липецкий и др. — М.: Просвещение, 1993.
22. Основы информатики и
вычислительной техники: Учеб. для 10 — 11 кл. сред, школы / В.А.Каймин, А. Г.
Щеголев, Е.АЕрохина, Д. П.Федю-шин. — М., Просвещение, 1989.
23. Программно-методические
материалы: Информатика: 1 — 11 кл. / Сост. Л. Е. Самовольнова. — М.: Дрофа,
1998.
24. Проект федерального
компонента Государственного образовательного стандарта начального общего,
основного общего и среднего (полного) образования. Образовательная область
«Информатика» // Информатика и образование. — 1997. — № 1. — С. 3 —11.
25. Радченко Н.П., Козлов
О. А. Школьная информатика: экзаменационные вопросы и ответы. — М.:
Финансьд и статистика, 1998.
26. Семакин И.Г., Вараксин
Г.С. Структурированный конспект базового курса информатики. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 2000.
27. Семакин И. Г., Шеина
Т.Ю. Преподавание базового курса информатики в средней школе. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 2000.
28. Шимина А.Н. Логико-гносеологические
основы процесса формирования понятий в обучении. — М., 1981.
29. Шрейдер Ю.А. Тезаурусы
в информатике и теоретической семантике // Информационные языки. НТИ. Сер. 2. —
1971. — № 3. — С. 21— 24.

Глава 8
ЛИНИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

8.1. Роль и место понятия языка
в информатике

Изучаемые вопросы:
ª Символьная и образная информация,
воспринимаемая человеком.
ª Язык как способ представления символьной
информации.
ª Естественные и формальные языки.
ª Формальный язык и предметная область.
Тема представления информации
является сквозной в курсе информатики. Ключевым понятием этой темы выступает
понятие языка. Здесь, как и в предыдущей теме, разговор о языках можно вести
применительно к человеку, а также рассматривать языки представления информации,
используемые в компьютерах.
Описание информационной
функции человека (впрочем, как и любой другой) — очень сложная задача. Сделать
это исчерпывающим образом невозможно, поскольку человек — это бесконечномерная
система. Поэтому наши представления в этой области могут носить только
модельный, т. е. приближенный характер.
Обсуждая проблему восприятия
человеком информации из внешнего мира, нужно обратить внимание учеников на то,
что человек обладает множеством каналов, по которым в его мозг  (память)
поступает информация. Эти каналы — наши органы чувств. Их пять: зрение,
слух, вкус, обоняние, осязание. Если роль первых двух для восприятия информации
очевидна, то понимание того, что вкусовые и осязательные ощущения, запахи также
являются источниками информации, требуют пояснения. Объяснение этому следующее:
мы помним запахи знакомых предметов, вкус знакомой пищи, на ощупь узнаем
некоторые вещи. Но то, что мы помним, — хранится в нашей памяти. Значит, это
тоже наши знания, а стало быть, информация.
Примем следующее модельное
предположение относительно информационной функции человека: информацию, с
которой имеет дело человек можно разделить на два вида: на символьную и образную.
К символьной относится информация, воспринимаемая человеком в речевой или
письменной (знаковой) форме. Все остальное, не относящееся к этому, будем
называть образной информацией. К последней относятся воспринимаемые человеком
вкусовые ощущения, запахи, тактильные ощущения. Образную информацию человек
воспринимает также через зрение и слух. Например, картины природы, пение птиц,
шум ветра. С образной информацией имеет дело искусство.
Образная информация — это сохраненные в памяти ощущения
человека от контакта с источником; она воспринимается всеми органами чувств человека.
Далее речь будет идти лишь о
символьной информации. Понятие языка применимо только к этому виду информации и
вводится следующим определением: язык — это определенная система
символьного представления информации. В энциклопедическим словаре по
школьной информатике, составленном А. П. Ершовым [24], дано такое определение: «Язык
— множество символов и совокупность правил, определяющих способы
составления из этих символов осмысленных сообщений». Поскольку под осмысленным
сообщением понимается информация, то данное определение по сути своей совпадает
с первым.
Классификация языков
представлена на схеме 1 (Приложение 1). Языки делятся на две группы:
естественные и формальные. Естественные языки — это исторически сложившиеся
языки национальной речи. Для большинства современных языков характерно наличие
устной и письменной речи. Анализ естественных языков в большей степени является
предметом филологических наук, в частности, лингвистики. В информатике анализом
естественных языков занимаются специалисты в области Искусственного интеллекта.
Одна из целей разработки проекта ЭВМ пятого поколения — научить компьютер
понимать естественные языки.
Формальные языки — это искусственно созданные языки для
профессионального применения. Они, как правило, носят международный характер и
имеют письменную форму. Примерами таких языков являются язык математики, язык
химических формул, нотная грамота — язык музыки и др.
С любым языком связаны
следующие понятия: алфавит — множество используемых символов; синтаксис
— правила записи языковых конструкций (текста на языке); семантика — смысловая
сторона языковых конструкций; прагматика — практические последствия
применения текста на данном языке.
Для формальных языков
характерна принадлежность к ограниченной предметной области (математика,
химия, музыка и пр.). Назначение формального языка — адекватное описание
системы понятий и отношений, свойственных для данной предметной области.
Поэтому все названные выше компоненты языка (алфавит, синтаксис и др.)
ориентированы на специфику предметной области. Язык может развиваться,
изменяться, дополняться вместе с развитием своей предметной области.
Естественные языки не
ограничены в своем применении, в этом смысле их можно назвать универсальными.
Однако не всегда бывает удобным использовать только естественный язык в
узкопрофессиональных областях. В таких случаях люди прибегают к помощи
формальных языков.
Известны примеры языков,
находящихся в промежуточном состоянии между естественными и формальными. Язык эсперанто
был создан искусственно для общения людей разных национальностей. А латынь,
на которой в древности говорили жители Римской империи, в наше время стала
формальным языком медицины и фармакологии, утратив функцию разговорного языка.
Приведенный выше разговор о
языках имеет важное значение для общеобразовательного содержания базового курса
информатики. Знакомый ученикам термин «язык» приобретает новый смысл в их
сознании. Вокруг этого термина строится целая система научных понятий. Понятие
языка является одним из важнейших системообразующих понятий курса информатики.

8.2. Формальные языки в курсе информатики

Изучаемые вопросы:
ª Внутренние и внешние языки.
ª Языки представления данных.
ª Языки представления действий над данными.
В данном разделе речь пойдет
о языках, используемых при работе ЭВМ, в компьютерных информационных
технологиях.
Информацию, циркулирующую в
компьютере, можно разделить на два вида: обрабатываемая информация (данные) и
информация, управляющая работой компьютера (команды, программы, операторы).
Информацию, представленную в
форме, пригодной для хранения, передачи и обработки компьютером принято
называть данными. Примеры данных: числа при решении математической
задачи; символьные последовательности при обработке текстов; изображение, введенное
в компьютер путем сканирования, предназначенное для обработки. Способ
представления данных в компьютере называется языком представления данных.
Для каждого типа данных
различается внешнее и внутреннее представление данных. Внешнее представление
ориентировано на человека, определяет вид данных на устройствах вывода: на
экране, на распечатке. Внутреннее представление — это представление на
носителях информации в компьютере, т.е. в памяти, в линиях передачи информации.
Компьютер непосредственно оперирует с информацией во внутреннем представлении,
а внешнее представление используется для связи с человеком.
В самом общем смысле можно
сказать, что языком представления данных ЭВМ является язык двоичных кодов. Однако
с точки зрения приведенных выше свойств, которыми должен обладать всякий язык:
алфавита, синтаксиса, семантики, прагматики, нельзя говорить об одном общем
языке двоичных кодов. Общим в нем является лишь двоичный алфавит: 0 и 1. Но для
различных типов данных различаются правила синтаксиса и семантики языка
внутреннего представления. Одна и та же последовательность двоичных цифр для
разных типов данных имеет совсем разный смысл. Например, двоичный код
«0100000100101011» на языке представления целых чисел обозначает десятичное
число 16683, а на языке представления символьных данных обозначает два символа
«А+». Таким образом, для разных типов данных используются разные
языки внутреннего представления. Все они имеют двоичный алфавит, но различаются
интерпретацией символьных последовательностей.
Языки внешнего представления
данных обычно приближены к привычной для человека форме: числа представляются в
десятичной системе, при записи текстов используются алфавиты естественных
языков, традиционная математическая символика и пр. В представлении структур
данных используется удобная табличная форма (реляционные базы данных). Но и в
этом случае всегда существуют определенные правила синтаксиса и семантики
языка, применяется ограниченное множество допустимых символов.
Внутренним языком
представления действий над данными (языком управления работой компьютера)
является командный язык процессора ЭВМ. К внешним языкам представления
действий над данными относятся языки программирования высокого уровня,
входные языки пакетов прикладных программ, командные языки операционных систем,
языки манипулирования данными в СУБД и пр.
Следует иметь в виду, что
любой язык программирования высокого уровня включает в себя как средства
представления данных (раздел данных), так и средства представления действий над
данными (раздел операторов). То же самое относится и к другим перечисленным
выше типам компьютерных языков.

8.3. Языки представления чисел:
системы счисления

Подходы к раскрытию
темы в учебной литературе
Тема «Системы счисления»
имеет прямое отношение к математической теории чисел. Однако в школьном курсе
математики она, как правило, не изучается. Необходимость изучения этой темы в
курсе информатики связана с тем фактом, что числа в памяти компьютера
представлены в двоичной системе счисления, а для внешнего представления содержимого
памяти, адресов памяти используют шестнадцатеричную или восьмеричную системы.
Это одна из традиционных тем курса информатики или программирования. Являясь
смежной с математикой, данная тема вносит вклад также и в фундаментальное
математическое образование школьников.
В первом учебнике информатики
[18] понятие системы счисления не упоминается совсем. Говорится лишь о том, что
вся информация в компьютере представляется в двоичном виде. То же самое можно
сказать и про учебник [17]. Среди учебников второго поколения наибольшее
внимание системам счисления уделено в книге [6]. Этой теме посвящен отдельный
параграф, где дано следующее определение «Система счисления — способ записи
чисел с помощью заданного набора специальных знаков (цифр)». В более позднем учебнике
этих же авторов [7] приводится такое определение: «Способ записи чисел
называется нумерацией или, по-другому, системой счисления».
Если рассматривать систему
счисления как язык представления числовой информации, то можно сказать, что
данные выше определения затрагивает только алфавит, синтаксис и семантику языка
чисел. Более полное определение дано в [24]: «Система счисления — способ
изображения чисел и соответствующие ему правила действия над числами». Под
правилами действия понимаются способы выполнения арифметических вычислений в
рамках данной системы счисления. Эти правила можно назвать прагматикой языка
чисел.
Среди школьных учебников
самое подробное изложение темы «Системы счисления» дается в [9]. В качестве
дополнительной литературы, раскрывающей данную тему наиболее полно, можно
рекомендовать учебное пособие [1].

Методические
рекомендации по изучению темы
Изучаемые вопросы:
ª Позиционные и непозиционные системы
счисления.
ª Основные понятия позиционных систем:
основание, алфавит.
ª Развернутая форма представления чисел в
позиционных системах.
ª Перевод чисел из одной системы в другую.
ª Особенности двоичной арифметики.
ª Связь между двоичной и шестнадцатеричной
системами.
Ученики, безусловно, знакомы
с записью чисел как римскими, так и арабскими цифрами. Они привыкли видеть
римские цифры в обозначении глав в книге, в указании столетий (XX в.) и в некоторых других нумерациях. Математические расчеты они
всегда производили в арабской системе чисел. В данной теме учителю предстоит
раскрыть перед учениками эти, казалось бы, знакомые вещи с новой стороны.
С методической точки зрения
бывает очень эффективным прием, когда учитель подводит учеников к
самостоятельному, пусть маленькому, открытию. В данном случае желательно, чтобы
ученики сами подошли к формулировке различия между позиционным и непозиционным
принципом записи чисел. Сделать это можно, отталкиваясь от конкретного примера.
Напишите на доске два числа:
XXX      333
Первое — римское тридцать,
второе — арабское триста тридцать три. И задайте вопрос: «Чем отличается
принцип записи многозначных чисел римскими и арабскими цифрами?» Скорее всего,
вы сразу не услышите тот ответ, который бы хотели получить. Тогда, указывая на
отдельные цифры римского числа, спрашивайте: «Что (какое количество) обозначает
эта цифра?» Получите ответ: «Десять!» — «А эта цифра?» — «Десять!» — «А эта?» —
«Десять» — «Как получается значение данного трехзначного числа?» — «Десять
прибавить десять, прибавить десять, получается тридцать!» А теперь переходим к
числу 333. Снова задаем вопросы: «Какое количество в записи числа обозначает
первая цифра справа?» — «Три единицы!» — «А вторая цифра?» — «Три десятка!» —
«А третья цифра?» — «Три сотни!» — «А как получается общее значение числа?» —
«К трем единицам прибавить три десятка и прибавить три сотни получится триста
тридцать три!»
Из этого диалога следуют все
правила, которые учитель должен сообщить ученикам. В римском способе записи
чисел значение, которое несет каждая цифра в числе, не зависит от позиции этой
цифры. В арабском же способе значение, которое несет каждая цифра в записи
числа, зависит не только от того, какая это цифра, но и от позиции, которую
она занимает в числе. Сделав ударение на слове «позиция», учитель сообщает, что
римский способ записи чисел называется непозиционным, а арабский — позиционным.
После этого можно ввести термин «система счисления».
Система счисления — это
определенный способ представления чисел и соответствующие ему правила действия
над числами.
Римский способ записи чисел
является примером непозиционной системы счисления, а арабский — это позиционная
система счисления.
Следует подчеркнуть связь
между способом записи чисел и приемами арифметических вычислениц в
соответствующей системе счисления. Предложите ученикам выполнить умножение,
например, числа сто тридцать четыре на семьдесят шесть, используя римскую и
арабскую системы счислений! С арабскими числами они легко справятся, а также
смогут убедиться, что римские цифры — не помощники в вычислениях. В римской
системе нет простых и понятных правил выполнения вычислений с многозначными
числами. Для арабской системы такие правила известны еще с IX в. В этой теме полезно рассказать ученикам, что правила выполнения
вычислений с многозначными числами были разработаны выдающимся математиком
средневекового Востока Мухамедом аль-Хорезми и в Европе были названы
алгоритмами (от латинского написания имени аль-Хорезми — Algorithm!). Этот факт следует напомнить позже, при
изучении алгоритмизации. Итак, именно позиционные системы счисления стали
основой современной математики. Далее, как и в математике, в информатике мы
будем иметь дело только с числами в позиционных системах счисления.
Теперь нужно дать понять
ученикам, что позиционных систем счисления существует множество, и отличаются
они друг от друга алфавитом — множеством используемых цифр. Размер
алфавита (число цифр) называется основанием системы счисления. Задайте
вопрос: «Почему арабская система называется десятичной системой счисления?» Наверняка
услышите в ответ про десять цифр в алфавите. Делаем вывод: основание
арабской системы счисления равно десяти, поэтому она называется десятичной.
Следует показать алфавиты
различных позиционных систем счисления. Системы с основанием не больше 10
используют только арабские цифры. Если же основание больше 10, то в роли цифр
выступают латинские буквы в алфавитном порядке. Из таких систем в дальнейшем
будет рассматриваться лишь шестнадцатерич-ная система.
Далее нужно научить учеников
записывать натуральный ряд чисел в различных позиционных системах. Объяснение
следует проводить на примере десятичной системы, для которой вид натурального
ряда чисел им хорошо известен:
1, 2, 3, 4,
5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, ..., 19, 20, ..., 99, 100, 101, ...
Принцип построения ряда
такой: сначала в порядке возрастания значений записываются все однозначные
числа; первое двузначное число — всегда 10 (у многозначных целых чисел 0
впереди не является значащей цифрой и обычно не пишется). Далее следуют все
двузначные сочетания единицы с другими цифрами; затем — двузначные числа,
начинающиеся с 2, затем — с 3 и т. д. Самое большое двузначное число — 99.
Затем идут трехзначные числа, начиная от 100 до 999 и т.д.
По такому же принципу
строится натуральный ряд и в других системах счисления. Например, в четверичной
системе (с основанием 4):
1, 2, 3, 10, 11, 12, 13, 20,
21, 22, 23, 30, 31, 32, 33, 100,
101, 102, 103, ПО, 111, ...,
333, 1000, ...
Аналогично и для других
систем. Наибольший интерес представляет натуральный ряд двоичных чисел. Вот как
он выглядит:
1, 10, 11, 100, 101, ПО, 111,
1000, 1001, 1010, 1011, 1100,
1101, 1110, 1111, 10000, ...
Следует обратить внимание
учеников на быстрый рост числа цифр.
Для указания на основание
системы, к которой относится число, вводим индексное обозначение. Например, 368
указывает на то, что это число в восьмеричной системе счисления, 1А6,6
— шестнадцатеричное число, 10112 — число в двоичной системе. Индекс
всегда записывается десятичным числом. Следует подчеркнуть то, что в любой
системе счисления ее основание записывается как 10.
Еще одно важное замечание: ни
в коем случае нельзя называть недесятичные числа так же, как десятичные.
Например, нельзя называть восьмеричное число 368 как тридцать шесть!
Надо говорить: «Три — шесть». Или, нельзя читать 1012 как «сто
один». Надо говорить «один — ноль — один». Следует также понимать, что,
например, 0,12 — это не одна десятая, а одна вторая, или 0,18
— это одна восьмая и т. п.
Сущность позиционного
представления чисел отражается в развернутой форме записи чисел. Снова
для объяснения привлекаем десятичную систему. Например:
5319,12 =
5000 + 300 + 10 + 9 + 0,1 + 0,02 =
= 5´103 + 3´102 + 1´101 + 9 + 1´10-1 + 2´10-2.
Последнее выражение и
называется развернутой формой записи числа. Слагаемые в этом выражении
являются произведениями значащих цифр числа на степени десятки (основания
системы счисления), зависящие от позиции цифры в числе — разряда. Цифры в целой
части умножаются на положительные степени 10, а цифры в дробной части — на
отрицательные степени. Показатель степени является номером соответствующего
разряда. Аналогично можно получить развернутую форму чисел в других системах
счисления. Например, для восьмеричного числа:
17538
= 1´103 + 7´102 + 5´101 + 3.
Здесь 108 = 810.
Следующий вопрос, изучаемый в
этом разделе, — способы перевода чисел из одной системы в другую. Основная идея
заключается в следующем: перевод чисел неизбежно связан с выполнением
вычислений. Поскольку нам хорошо знакома лишь десятичная арифметика, то любой
перевод следует свести к выполнению вычислений над десятичными числами.
Объяснение способов перевода
следует начать с перевода десятичных чисел в другие системы счисления. Делается
это просто: нужно перейти к записи развернутой формы числа в десятичной
системе. Вот пример такого перехода для приведенного выше восьмеричного числа:
17538 = (1´103 + 7´102 + 5´101 + 3)8 = (1´83 +7´82 + 5´81+ 3)10.
Теперь нужно вычислить
полученное выражение по правилам десятичной арифметики и получить окончательный
результат:
17538
= (192 + 448 + 40 + 3)10 = 68310.
Чаще всего развернутую форму
числа сразу записывают в десятичной системе. Вот еще пример с двоичным числом:
101101,12 =(1х25
+ 0´24 + 1´23 + 1´22 + 0´21 + 1 + 1´2-1)10 = 32 + 8 + 4
+ 1 + 0,5 = 45,510
Для вычисления значения числа
по его развернутой форме записи существует удобный прием, который называется вычислительной
схемой Горнера. Суть его состоит в том, что развернутая запись числа
преобразуется в эквивалентную форму с вложенными скобками. Например, для
рассмотренного выше восьмеричного числа это выглядит так:
17538
= (1´83 + 7´82 + 5´81 + 3)10 = ((1´8 + 7) ´8 + 5) ´8 + 3.
Нетрудно понять, что если
раскрыть скобки, то получится то же самое выражение. В чем же удобство
скобочной структуры? А в том, что ее вычисление производится путем выполнения
последовательной цепочки операций умножения и сложения в порядке их записи
слева направо. Для этого можно использовать самый простой калькулятор (без
памяти), поскольку не требуется сохранять промежуточные результаты. Схема
Горнера сводит вычисление таких выражений к минимальному числу операций.
Перевод десятичных чисел в
другие системы счисления — задача более сложная. В принципе, все происходит
через ту же самую развернутую форму записи числа. Только теперь нужно суметь
десятичное число разложить в сумму по степеням нового основания п Ф 10.
Например, число 85,0 по степеням двойки раскладывается так:
8510
= 1´26 + 0´25 + 1´24 + 0´23 + 1´22 + 0´2 + 1 = - 10101012.
Однако проделать это в уме
довольно сложно. Здесь следует показать формальную процедуру (алгоритм) такого
перевода. Описание алгоритма можно прочитать в учебнике [9] или пособии [1].
Там же дается математическое обоснование алгоритма. Разбор этого обоснования
требует от учеников определенного уровня математической грамотности и возможен
в варианте углубленного изучения базового курса.
В рамках минимального объема
базового курса не обязательно изучать приемы перевода дробных десятичных чисел
в другие системы счисления. При знакомстве с этим вопросом в углубленном курсе
нужно обратить внимание на следующее обстоятельство: десятичные дроби с
конечным числом цифр при переводе в другие системы могут превратиться в
бесконечные дроби. Если удается найти период, тогда его следует выделить. Если
же период не обнаруживается, то нужно договориться о точности (т.е. о
количестве цифр), с которой производится перевод.
Если ставится цель получения
при переводе дробного числа наиболее близкого значения, то, ограничивая число
знаков, нужно производить округления. Для этого в процессе перевода следует
вычислять на одну цифру больше, а затем, применяя правила округления, сокращать
эту цифру. Выполняя округление, нужно соблюдать следующее правило: если первая
отбрасываемая цифра больше или равна n/2 (п
— основание системы), то к сохраняемому младшему разряду числа прибавляется
единица. Например, округление восьмеричного числа 32,324718 до
одного знака после запятой даст в результате 32,3; а округление до двух знаков
после запятой — 32,33.
Математическая суть
отмеченной выше проблемы связана со следующим фактом: многие дробные
рациональные десятичные числа в других системах счисления оказываются
иррациональными.
Применение двоичной системы
счисления в ЭВМ может рассматриваться в двух аспектах: 1) двоичная нумерация;
2) двоичная арифметика, т. е. выполнение арифметических вычислений над
двоичными числами. С двоичной нумерацией ученики встретятся в теме
«Представление текста в компьютерной памяти». Рассказывая о таблице кодировки ASCII, учитель должен сообщить ученикам, что
внутренний двоичный код символа — это его порядковый номер в двоичной системе
счисления.
Практическая потребность
знакомства с двоичной арифметиrой возникает
при изучении работы процессора (см., например, [9, гл. 11]). В этой теме рассказывается,
как процессор ЭВМ выполняет арифметические вычисления. Согласно принципу Дж.
фон Неймана, компьютер производит вычисления в двоичной системе счисления. В
рамках базового курса достаточно ограничиться рассмотрением вычислений с целыми
двоичными числами.
Для выполнения вычислений с
многозначными числами необходимо знать правила сложения и правила умножения
однозначных чисел. Вот эти правила:
0+0=0         0´0=0
1+0=1         1´0=0
1 + 1 = 10    1´1=1
Принцип перестановочности
сложения и умножения работает во всех системах счисления. Далее следует
сообщить, что приемы выполнения вычислений с многозначными числами в двоичной
системе аналогичны десятичной. Иначе говоря, процедуры сложения, вычитания и
умножения «столбиком» и деления «уголком» в двоичной системе производятся так
же, как и в десятичной.
Рассмотрим правила вычитания
и деления двоичных чисел. Операция вычитания является обратной по отношению к сложению.
Из приведенной выше таблицы сложения следуют правила вычитания:
0-0=0;         1-0
= 1;       10 - 1 = 1.
А вот пример вычитания
многозначных чисел:
_
1001101101
   100110111
  100110110
Полученный результат можно
проверить сложением разности с вычитаемым. Должно получиться уменьшаемое число.
Деление — операция обратная
умножению. В любой системе счисления делить на 0 нельзя. Результат деления на 1
равен делимому. Деление двоичного числа на 102 ведет к перемещению
запятой на один разряд влево, подобно десятичному делению на десять. Например:
10010:10 = 1001;  1011:10 =
101,1;   101100:10 = 10110.
Деление на 100 смещает
запятую на 2 разряда влево и т.д. В базовом курсе можно не рассматривать
сложные примеры деления многозначных двоичных чисел. Хотя способные ученики
могут справиться и с ними, поняв общие принципы.
Представление информации,
хранящейся в компьютерной памяти в ее истинном двоичном виде весьма громоздко
из-за большого количества цифр. Имеется в виду запись такой информации на
бумаге или вывод ее на экран. Для этих целей принято использовать восьмеричную
или шестнадцатеричную системы счисления. В современных ПК чаще всего
используется шестнадцатеричная система.
Существует простая связь
между двоичным и шестнадцатерич-ным представлением числа. При переводе числа из
одной системы в другую, одной шестнадцатеричной цифре соответствует 4-разрядный
двоичный код. Это соответствие отражено в двоично-шестнадцатеричной таблице:
Таблица 8.1
Двоично-шестнадцатеричная
таблица

16

2

16

2

0

0000

8

1000

1

0001

9

1001

2

0010

А

1010

3

0011

В

1011

4

0100

С

1100

5

0101

D

1101

6

0110

Е

1110

7

0111

F

1111

Такая связь основана на том,
что 16 = 24, и число различных 4-разрядных комбинаций из цифр 0 и 1
равно 16: от 0000 до 1111. Поэтому перевод чисел из «16» в «2» и
обратно производится путем формальной перекодировки. Принято считать, что
если дано шестнад-цатеричное представление внутренней информации, то это
равносильно наличию двоичного представления. Преимущество шестнадцатеричного
представления состоит в том, что оно в 4 раза короче двоичного. Желательно,
чтобы ученики запомнили двоично-шестнад-цатеричную таблицу. Тогда действительно
для них шестнадцатерич-ное представление станет эквивалентным двоичному.
В шестнадцатеричном виде
записываются адреса оперативной памяти компьютера. Например, для учебного
компьютера «Нейман» [9] диапазон адресации байтов памяти от 00 до FF. Значит, в десятичной системе — от 0 до
255. Рассматривая структуру памяти компьютера, принципы адресации байтов памяти,
можно обсудить с учениками следующий вопрос: как связан диапазон адресов с
разрядностью адреса. В учебном компьютере «Нейман» адреса памяти представляются
8-разрядными двоичными числами (2-разрядными шестнадцатеричными). Поэтому число
различных адресов равно 28, а диапазон значений — от 0 до 28
— 1 = 255 (FF16). Если адрес 16-разрядный, что часто имеет место для
реальных ЭВМ, то размер адресуемой памяти равен 216 байт = 26
Кбайт = 64 Кбайт. Диапазон шестнадцатеричных адресов в таком случае: от 0000 до
FFFF.
В современных компьютерах
существуют приемы, позволяющие адресовать гораздо большие размеры памяти без
увеличения разрядности адреса. Для этого используется многоуровневая структура
организации памяти. Данный вопрос выходит за рамки содержания базового курса.
Однако тема «Адресация памяти в современных ЭВМ» может быть предметом
реферативной работы учащихся. Материал можно найти в специальной литературе,
посвященной архитектуре современных ЭВМ.

Примеры
решения задач

Ниже рассмотрены решения
некоторых задач, взятых из пособия [10, раздел 1.5].

Пример 1. Перевести в десятичную систему числа: 2213;
Е41А,1216.
Решение:
2213 =(2´3 + 2) ´З + 1 = 25|0;
Е41А,1216 = ((14´16 + 4) ´16 + 1) ´16
+ 10 + (2/16 + 1)/16 =
= 58394 + 0,0703125 =
58394,070312510.
Обратите внимание на то, что
дробная часть числа переводится отдельно, и на то, как применение схемы Горнера
модифицируется для дробной части: умножение заменяется на деление, а значащие
цифры подставляются в обратном порядке — справа налево.

Пример 2. Перевести шестнадцатеричные числа в восьмеричную
систему.
Решение. Конечно, такой перевод можно производить
и через десятичную систему по схеме 16 Þ 10 Þ 8. Но
это долго и неудобно. Лучше выполнять такой перевод по схеме 16 Þ 2 Þ 8. В этом случае ничего не требуется вычислять, все сводится к формальной
перекодировке. На втором шаге следует сгруппировать двоичные цифры тройками.
77416 = 0111 0111
01002  Þ 011 101 НО 100 = 35648;
F12,0457I6 =
1111 0001 0010,0000 0100 0101 01112 Þ
Þ111 100 010 010, 000 001 000 101 011 100 =
7422,0105348.

Пример 3. Найти основание р системы
счисления и цифру п, если верно равенство: 33т 5п + In 443 = 55424. Пример выполнен в системе
счисления с основанием р, т — максимальная цифра в этой системе.
Решение. Запишем столбиком данное сложение:

Очевидно, основание системы р
> 6 , так как присутствует цифра 5. Сложение в младшем разряде дает: п
+ 3 = 4. Отсюда и = 1. Сложение во втором разряде слева дает:
5 + 4 = 12р =(1×р + 2)10= 910.
Отсюда следует, что р = 9 -
2 = 7. Наибольшая цифра в семеричной системе — 6. Значит т =6. Если
теперь подставить в данное выражение вместо букв соответствующие им цифры: п
= 1, т = 6 и выполнить сложение в семеричной системе счисления, то
получится сумма, данная в условии задачи.

Пример 4. В какой системе счисления выполнено
следующее сложение?
    756
+ 307
 2456
    24
3767
Решение. Решение этой задачи рекомендуется искать
методом гипотез. Очевидно, что основание системы р > 8. Можно
предположить, что оно меньше 10, поскольку нет буквенных цифр, а правилам
десятичной арифметики данный пример не удовлетворяет. Примем гипотезу о том,
что р равно 8 или 9. Выполним сложение младших разрядов в десятичной
системе:
6 + 7 + 6 +
4= 2310 = X7р
В системе с основанием р это
двузначное число с младшей цифрой 7 и неизвестной первой цифрой Х слева. Переведем
число 2310 в восьмеричную и девятеричную системы. Получим:
2310
= 278 = 259.
Очевидно, подходит варианту =
8. Проверяя выполнение сложения других разрядов в восьмеричной системе,
убеждаемся, что предположение сделано правильное. Ответ: р = 8.

8.4. Язык логики и его место в базовом курсе

Подходы к
раскрытию темы в учебной литературе

Логика — наука, изучающая
методы установления истинности или ложности одних высказываний на основе
истинности или ложности других высказываний. Основы логики как науки были заложены в IV в. до н.э. древнегреческим ученым Аристотелем. Правила вывода
истинности высказываний, описанные Аристотелем (силлогизмы) оставались основным
инструментом логики вплоть до второй половины XIX в., когда в трудах Дж. Буля, О. де Моргана и др. возникла
математическая логика. Средствами этой новой науки все прежние достижения
логики были переведены на точный язык математики. Развивается аппарат алгебры
логики (булевой алгебры), исчисления высказываний, исчисления предикатов.
Развитие математической логики имело большое значение для всей математической
науки, повысив уровень ее строгости и доказательности.
Логика относится к числу
дисциплин, образующих математический фундамент информатики. Знакомство учащихся
с элементами математической логики в рамках fcypca информатики может происходить в следующих аспектах:
• процедурно-алгоритмическом;
• в логическом
программировании;
• схемотехническом.
К первому аспекту относится
использование логических величин и логических выражений в языках программирования
процедурного типа, а также в работе с электронными таблицами, с базами данных.
В условных операторах, условных функциях, реализующих алгоритмическую структуру
ветвления, используются логические выражения. В запросах на поиск информации в
базах данных также присутствуют логические выражения. Использование в программах
величин логического типа позволяет эффективно решать сложные логические задачи,
«головоломки».
Впервые в школьной
информатике элементы логического программирования языка Пролог были включены в
учебник [19]. Согласно авторской концепции одной из главных задач школьной
информатики должно быть развитие логического мышления учащихся, умения
рассуждать, доказывать, подбирать факты, аргументы и обосновывать предлагаемые
решения. Как известно, парадигма логического программирования является
альтернативной к процедурной парадигме. В механизме вывода Пролога используется
аппарат исчисления предикатов.
В контексте моделирования
знаний элементы логического программирования присутствуют в учебнике [9]. В
первой части учебника рассказывается лишь об идее построения логической модели
знаний. Реализация этой идеи на Прологе раскрывается во второй части,
ориентированной на углубленное изучение базового курса.
Под схемотехническим аспектом
понимается знакомство с логическими схемами элементов компьютера: вентилей,
сумматоров, триггера, предназначенных для обработки и хранения двоичной
информации. При изучении данной темы следует обратить внимание учеников на то
обстоятельство, что основой внутреннего языка компьютера является язык
логики, булева алгебра. Это связано с двумя обстоятельствами: во-первых,
внутренний язык компьютера и язык логики используют двоичный алфавит (0 и 1);
во-вторых, все команды языка процессора реализуются через три логические
операции: И, ИЛИ, НЕ.
Тема логических схем
элементов ЭВМ присутствует в учебниках [17, 19]. Обширный материал по
использованию математической логики в курсе информатики содержится в пособии
для учителя [14]. Практический материал по теме «Логическая информация и основы
логики» имеется в учебном пособии [10].
Методические рекомендации
по изучению темы
Изучаемые вопросы:
ª Логические величины, операции, выражения.
ª Математическая логика в базах данных.
ª Математическая логика в электронных
таблицах.
ª Математическая логика в программировании.
В данном подразделе будет
отражена методическая схема введения основных понятий математической логики,
необходимых при изучении базового курса информатики, а также их использования
при работе с прикладным программным обеспечением и в языках программирования.
Основными понятиями здесь являются: высказывание, логическая величина
(константа, переменная), логические операции, логическое выражение.
Основные понятия
математической логики
Высказывание (суждение) — это повествовательное предложение, в котором
что-либо утверждается или отрицается. По поводу любого высказывания можно
сказать, истинно оно или ложно. Например:
«Лед — твердое состояние
воды» — истинное высказывание.
«Треугольник, это
геометрическая фигура» — истинное высказывание.
«Париж — столица Китая» —
ложное высказывание.
6 < 5 — ложное
высказывание.
Логические величины: понятия, выражаемые словами: ИСТИНА, ЛОЖЬ (true, false). Следовательно, истинность высказываний выражается через логические
величины.
Логическая константа: ИСТИНА или ЛОЖЬ.
Логическая переменная: символически обозначенная логическая величина.
Следовательно, если известно, что А, В, X, У и
пр. — переменные логические величины, то это значит, что они могут принимать
значения только ИСТИНА или ЛОЖЬ.
Логическое выражение — простое или сложное высказывание. Сложное
высказывание строится из простых с помощью логических операций (связок).
Логические операции. В математической логике определены пять
основных логических операций: конъюнкция, дизъюнкция, отрицание, импликация,
эквивалентность. Первые три из них составляют полную систему операций, вследствие
чего остальные операции могут быть выражены через них (нормализованы). В
информатике обычно используются эти три операции.
Конъюнкция (логическое умножение). В русском языке
она выражается союзом И. В математической логике используются знаки & или Ù. Конъюнкция — двухместная операция;
записывается в виде: А Ù
В. Значение такого выражения
будет ЛОЖЬ, если значение хотя бы одного из операндов ложно.
Дизъюнкция (логическое сложение). В русском языке
этой связке соответствуют союз ИЛИ. В математической логике она обозначается
знаком Ú. Дизъюнкция — двухместная операция;
записывается в виде: A Ú В.
Значение такого выражения
будет ИСТИНА, если значение хотя бы одного из операндов истинно.
Отрицание. В русском языке этой связке соответствует
частица НЕ (в некоторых высказываниях применяется оборот «неверно, что...»).
Отрицание — унарная (одноместная) операция; записывается в виде: ØА или А̅.
Логическая формула
(логическое выражение) —
формула, содержащая лишь логические величины и знаки логических операций.
Результатом вычисления логической формулы является ИСТИНА или ЛОЖЬ.

Пример 1. Рассмотрим сложное высказывание: «Число 6
делится на 2, и число 6 делится на 3». Представить данное высказывание в виде
логической формулы.
Обозначим через А простое
высказывание «число 6 делится на 2», а через В простое высказывание
«число 6 делится на 3». Тогда соответствующая логическая формула имеет вид: А
& В. Очевидно, ее значение — ИСТИНА.

Пример 2. Рассмотрим сложное высказывание: «Летом
я поеду в деревню или в туристическую поездку».
Обозначим через А простое
высказывание «летом я поеду в деревню», а через В — простое высказывание
«летом я поеду в туристическую поездку». Тогда логическая форма сложного
высказывания имеет вид A Ú В.

Пример 3. Рассмотрим высказывание: «Неверно, что
4 делится на 3».
Обозначим через А простое
высказывание «4 делится на 3». Тогда логическая форма отрицания этого
высказывания имеет вид ØА.
Правила выполнения логических
операций отражены в следующей таблице, которая называется таблицей истинности
(табл. 8.2).
Таблица 8.2

А

В

Ø

А&В

AÚ В

1

и

и

л

и

и

2

и

л

л

л

и

3

л

и

и

л

и

4

л

л

и

л

л

Последовательность выполнения
операций в логических формулах определяется старшинством операций. В порядке
убывания старшинства логические операции расположены так: отрицание,
конъюнкция, дизъюнкция. Кроме того, на порядок операции влияют скобки,
которые можно использовать в логических формулах. Например: (А и Б)
или (не А и В) или (не А и не Б)

Пример 4. Вычислить значение логической формулы:
не X и Y  или Х и Z,
если логические переменные имеют следующие
значения: X = = ЛОЖЬ, Y = ИСТИНА, Z =
ИСТИНА.
Отметим цифрами сверху
порядок выполнения операций в выражении:
1243 не X и Y или X и Z.
Используя таблицу истинности,
вычислим формулу по шагам:
1) не ЛОЖЬ = ИСТИНА;
2) ИСТИНА и ИСТИНА = ИСТИНА;
3) ЛОЖЬ и ИСТИНА = ЛОЖЬ;
4) ИСТИНА или ЛОЖЬ = ИСТИНА.
Ответ: ИСТИНА.

Приложения
математической логики в базовом курсе

Математическая логика в
базах данных. При
изучении базового курса информатики ученики впервые встречаются с элементами
математической логики в теме «Базы данных» (БД). В реляционных БД логическими
величинами являются поля логического типа. Логический тип используется наряду с
другими типами полей, и ученики должны научиться выделять его.
Первое понятие о логической
величине можно дать как ответ на альтернативный вопрос. Например: «Имеется ли
данная книга в библиотеке?» или «Поступил ли абитуриент в университет», или «На
улице идет дождь?» и т.п. Ответами на такие вопросы могут быть только «да» или
«нет». Синонимами являются «истина», «ложь»; «true», «false». Если поле таблицы будет принимать
только такие значения, то ему назначается логический тип.
Например, реляционная база
данных ФАКУЛЬТАТИВЫ содержит сведения о посещении учениками трех факультативов
по геологии, цветоводству и танцам. На реляционном языке ее структура
описывается так:
ФАКУЛЬТАТИВЫ (УЧЕНИК. ГЕОЛОГИЯ,
ЦВЕТОВОДСТВО, ТАНЦЫ)
Поля ГЕОЛОГИЯ, ЦВЕТОВОДСТВО и
ТАНЦЫ будут иметь логический тип. Значение ИСТИНА для каждого поля обозначает,
что ученик посещает данный факультатив, а ЛОЖЬ — не посещает.
Логические выражения
используются в запросах к базе данных в качестве условий поиска. Применительно
к базам данных, определение логического выражения можно перефразировать так: логическое
выражение — это некоторое высказывание по поводу значений полей базы данных;
это высказывание по отношению к разным записям может быть истинным или ложным.
Логические выражения
разделяются на простые и сложные. В простых выражениях всегда используется лишь
одно поле таблицы, и не применяются логические операции. В сложных логических
выражениях используются логические операции. Простое логическое выражение
представляет собой либо имя поля логического типа, либо отношение (в
математике говорят «неравенство»). Отношения для числовых величин сохраняют
смысл математических неравенств; при вычислении отношений для символьных
величин учитывается лексикографический порядок; даты сравниваются в порядке их
календарной последовательности.
Основная проблема — научить
учеников формальному представлению условий поиска в виде логических выражений.
Например, от фразы «найти все книги, лежащие выше пятой полки» нужно перейти к
логическому выражению: ПОЛКА > 5; или условие «выбрать всех неуспевающих по
физике» представить в виде: ФИЗИКА < 3; или «выбрать все дни, когда шел
дождь»: ОСАДКИ = «дождь».
Особое внимание надо обратить
на использование полей логического типа в условиях поиска. Обычно к ним не
применяются отношения. Логическое поле само несет логическое значение: «истина»
или «ложь». Например, условие «выбрать всех учеников, посещающих танцы»
представится одним именем логического поля: ТАНЦЫ.
Сложные логические выражения
содержат в себе логические операции. Рассматриваются три основные операции
математической логики: конъюнкция (И), дизъюнкция (ИЛИ), отрицание (НЕ).
Обычно при объяснении этого
вопроса учитель отталкивается от семантического смысла высказываний на русском
языке, содержащих союзы И, ИЛИ, частицу НЕ. Например, высказывание: «Сегодня
будет контрольная по алгебре И по физике» справедливо, если состоятся обе
контрольные и ложно, если хотя бы одна не состоится. Другое высказывание:
«Сегодня будет контрольная по алгебре ИЛИ по физике» будет истинным, если
состоится хотя бы одна контрольная работа. И, наконец, высказывание: «Сегодня
НЕ будет контрольной» истинно, если контрольная не состоится, т. е. если
высказывание о том, что сегодня будет контрольная, оказывается ложным. Из
подобных примеров учитель делает выводы о правилах выполнения логических
операций: если А и В — логические величины, то выражение
• А и В истинно
только в том случае, если истинны оба операнда;
• А или В ложно
только в том случае, если ложны оба операнда;
• не А меняет значение
логической величины на противоположное: не истина — ложь; не ложь
— истина.
Эти правила отражены в
таблице истинности.
При переходе к составлению
условий поиска в базах данных ученики нередко попадают в «ловушки естественного
смысла». Например, рассматривается база данных БИБЛИОТЕКА со сведениями о
книгах в личной библиотеке, которая имеет следующую структуру:

БИБЛИОТЕКА (НОМЕР. АВТОР, НАЗВАНИЕ, ГОД, ПОЛКА)
Требуется получить сведения
обо всех книгах Толстого и Тургенева. Абсолютное большинство учеников записывают
это условие следующим образом:
АВТОР = «Толстой» и АВТОР =
«Тургенев»
Прозвучавший в задании союз
«и» машинально переносится в логическое выражение. После этого учителю
приходится объяснять, что автором книги не может быть одновременно Толстой и Тургенев.
Поэтому в библиотеке нет ни одной книги, удовлетворяющей такому условию. Здесь
следует применить логическую операцию ИЛИ:
АВТОР = «Толстой» или АВТОР
= «Тургенев»
Тогда будет получена искомая
выборка книг обоих авторов.
Операция ИЛИ объединяет в одну
выборку записи, удовлетворяющие каждому из условий. Операция И работает иначе:
сначала выбираются все записи, удовлетворяющие первому условию, затем из
отобранных записей выбираются те, которые удовлетворяют второму условию.
Полезно выполнить с учениками
несколько формальных заданий на обработку сложных условий поиска. Например,
нарисуйте на доске следующую таблицу (табл. 8.3):
Таблица 8.3

Записи

Поля

А

В

С

R1

1

1

3

R2

1

3

1

R3

2

2

2

R4

3

3

3

R5

3

2

3

Предложите серию заданий
такого содержания: задано условие поиска в форме логического выражения;
определить, какие записи ему удовлетворяют.
Условие:                                           Ответ
1) А = 1 и В = 2                                 :R1
2) А = 1 или А = 3
                            :R1, R2, R4, R5
3) А = 1 или В =
2                              :R1,
R2, R3, R5
4) Л = 1 или В = 2 или
С = 3             :R1, R2, R3, R4, R5
5)А = 1и В = 2 и С=3                        :R1
6) не А = 1                                         :R1, R4, R5
На примере этой же таблицы
отрабатывается вопрос о старшинстве операций и порядке их выполнения. Сообщив,
что логические операции по убыванию старшинства расположены так: НЕ, И, ИЛИ,
приведите примеры логических выражений, содержащих разные операции.
7) А = 1 и В = 1 или
С = 3                :R1, R4, R5
8) А = 1 или В = 2
и С = 3                 :R1, R2, R5
9) не А = 1 или В =
2 и С = 3            :R1, R3, R4, RS
10) (Л = 1 или В = 2)
и С = 3            :R1, R5
После решения таких
формальных задач следует снова вернуться к содержательным задачам. Теперь
ученики будут гораздо успешнее формализовывать сложные условия поиска в
логические выражения. Например, требуется выбрать все книги Беляева и Толстого,
расположенные от 2-й до 5-й полки. Логическое выражение запишется так:
(АВТОР = «Толстой Л.Н.» или
АВТОР = «Беляев А.Р.») и ПОЛКА >= 2 и ПОЛКА <= 5
Математическая логика в
электронных таблицах. Следующая встреча учеников с математической логикой в
базовом курсе происходит при изучении электронных таблиц (ЭТ). Язык
электронных таблиц можно интерпретировать как своеобразный табличный язык
программирования для решения вычислительных задач. Причем реализуемые на ЭТ
вычислительные алгоритмы могут иметь не только линейную структуру, но и ветвящуюся
и даже циклическую (итерационные циклы). Ветвления в ЭТ реализуются через условную
функцию. Форма записи условной функции в значительной мере зависит от типа
табличного процессора.
Если в клетку заносится
условная функция, то на экране отображается результат ее вычисления, т.е. то
или иное значение в зависимости от условия, заданного логическим выражением.
Обычно условная функция имеет такую структуру:
IF(условие, действие1, действие2).
Здесь «условие» — логическое
выражение. Если условие истинно, то выполняется действие1, иначе — действие2.
Простое логическое выражение представляет собой отношение (в том же
смысле, в котором это понятие используется в базах данных). Сложное логическое
выражение содержит логические операции.
Особенность логических
выражений для электронных таблиц заключается в том, что логические операции
используются как функции: сначала записывается имя логической операции: И, ИЛИ,
НЕ (AND, OR, NOT), а затем в круглых скобках перечисляются
логические операнды. Например, логическое выражение
AND (А1 > 0, А1 < 1)
соответствует математической
системе неравенств: 0 < А1 < 1.
Например, требуется вычислить
следующую разрывную функцию:

В ячейке таблицы
соответствующая условная функция запишется так:
IF
(AND (A1 > -1, А1 < 1), ABS (А1), 1).
Логические формулы могут
размещаться в ячейках ЭТ сами по себе, без использования условной функции. В
таком случае в данной ячейке будет отражаться логическое значение ИСТИНА или
ЛОЖЬ. Например, если в ячейке С6 хранится сумма баллов, набранная абитуриентом
на вступительных экзаменах, а проходной балл в институт равен 14, то, поместив
в ячейку D6 формулу: С6>= 14, получим в этой
ячейке значение ИСТИНА, в случае если абитуриент поступил в институт, и ЛОЖЬ —
если нет.
Математическая логика в
программировании. В большинстве современных процедурных языков программирования
высокого уровня (ЯПВУ) имеется логический тип данных, реализованы основные
логические операции. Использование этих средств позволяет решать на ЭВМ сложные
логические задачи, моделировать логику человеческого мышления в программных
системах искусственного интеллекта. В программах решения задач с математическим
содержанием логические выражения чаще всего применяются для описания систем
неравенств (отношений). Решая задачи такого типа, ученики прежде всего должны
проявить знания математики, а затем уже — умение переложить математические
отношения на язык логики и оформить решение задачи на языке программирования.

Пример. Составить программу на Паскале, по которой
выведется значение true, если точка с заданными координатами (х,
у) лежит внутри заштрихованной области (рис. 8.1), и false — в противном случае.
Решение. Рассматриваемая область состоит из двух
частей, каждая из которых описывается системой неравенств.
1-я часть: x £ 0; x2 + y2 £ 9;  y ³ - x - 3
2-я часть: х > 0; х2
+ у2 < 25.
Точка с координатами (х,
у) лежит в заштрихованной области, если она принадлежит 1-й или 2-й
части.

Программа вводит координаты
точки, вычисляет логическое выражение, определяющее принадлежность точки
области, и выводит полученную логическую величину на экран.
Program Point;
var X,Y: real; L: boolean;
begin
write('Введите X:'); readln(X);
write('Введите Y:'); readln(Y);
L: = (X <= 0) and (Sqr(X)+ Sqr(Y) <= 9) and(Y >= -X-3)
or (X >= 0) and (Sqr(X) + Sqr(Y)<= 25)
writeln('Точка лежит в заданной области?', L)
end.

В программах вычислительного
характера логические выражения, как правило, используются в условной части
операторов ветвления и цикла.

8.5. Требования к знаниям и умениям
учащихся по линии представления
 информации

Учащиеся должны знать:
• функции языка как способа
представления информации; что такое естественные и формальные языки;
• что такое «система
счисления»;
• в чем различие между
позиционными и непозиционными системами счисления;
• что такое логическая
величина, логическое выражение;
• что такое логические
операции, как они выполняются;
• правила записи и вычисления
логических выражений.

Учащиеся должны уметь:
• переводить целые числа из
десятичной системы счисления в другие системы и обратно;
• выполнять простейшие
арифметические операции с двоичными числами;
• определять истинность
высказываний (логических выражений);
• записывать логические
выражения с использованием основных логических операций: И, ИЛИ, НЕ.
• использовать логические
выражения при работе с базами данных, электронными таблицами, языками
программирования;
• *осуществлять перевод целых
и дробных десятичных чисел в другие позиционные системы счисления и обратный
перевод;
• *переходить от записи
двоичной информации к восьмеричной и шестнадцатеричной форме и осуществлять
обратный переход.
Вопросы для самоконтроля и
обсуждения к главе 8
1. Определите место понятия
«язык» в базовом курсе информатики. Обоснуйте проникновение этого понятия во
все содержательные линии курса.
2. Как объяснить учащимся
различие между естественными и формальными языками? Предложите серию примеров.
3. Предложите вариант
классификации языков, используемых в информатике.
4. В чем различие между
внутренними и внешними языками компьютера?
5. Почему нельзя говорить о
едином языке двоичных кодов для всех типов данных, представимых в памяти ЭВМ?
6. Опишите методическую
последовательность вопросов, ответами на которые раскрывается тема «Системы
счисления».
7. Обоснуйте связь между
информатикой и математической логикой. Укажите разделы информатики, где
используется аппарат математической логики.
8. Перечислите основные
понятия математической логики в методической последовательности их раскрытия.
9. Придумайте серию примеров
для объяснения ученикам смысла использования полей логического типа в базах
данных.

8.6. Лабораторный практикум

Тема «Представление информации»

Основные вопросы:
1. Цели и задачи изучения
данной темы в базовом курсе информатики.
2. Мировоззренческий аспект
изучения темы, связанный с анализом познавательных функций языка при его
использовании в информационной деятельности человека.
3. Лингвистическая и
логическая компоненты содержания учебного материала.
4. Представление информации,
ее семантическая обработка и образная интерпретация средствами
аппаратно-программного обеспечения.

Занятие 1
Тема «Изучение процесса аналитико-синтетической
переработки информации в базовом курсе информатики»
Задачи занятия:
1. Рассмотреть цели и задачи
изучения раздела «Представление информации» в базовом курсе информатики.
2. Определить суть
аналитико-синтетической переработки информации.
2.1. Преобразование
информации — придание информации знаковой формы.
2.2. Интегрирование и
обобщение знаний (семантический и прагматический аспекты информации).
2.3. Кодирование —
представление информации в форме, удобной для хранения, передачи и обработки
(синтаксический аспект).
2.4. Заключение о полезности
информации.
3. Установить
внутрипредметные связи между основными этапами аналитико-синтетической
переработки информации и темами различных учебных разделов базового курса
информатики, а также межпредметные связи с темами других учебных предметов.
Способ организации
занятия: практикум.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[2, 3, 5, 16, 21, 22, 23, 25].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Составить
терминологический словарь по основным понятиям учебного раздела.
2. Ознакомиться с
особенностями представления знаний в информатике.
3. Провести содержательный
анализ раздела «Представление информации» в учебниках и учебных пособиях.

План занятия
1. Анализ полного содержания
базовых понятий раздела.
2. Пополнение тезауруса
раздела «Информация и информационные процессы» тезаурусом учебного материала
раздела «Представление информации».
3. На основе анализа
учебников и учебных пособий заполнить таблицу «Базовые понятия» (см. табл.
7.1).
4. Анализ и характеристика
разновидностей пиктографических и идеографических знаковых систем, используемых
в информатике.
5. Характеристика программных
и технических средств реализации пиктографических и идеографических знаковых
систем.
Формы и способы
организации учебной деятельности студентов: обсуждение вопросов плана, работа в группах; подведение
итогов — беседа по вопросам, фронтальный и индивидуальный опрос.

Занятие 2

Тема «Планирование учебного процесса»
Задачи занятия: сформировать навыки
поисково-исследовательской и аналитической деятельности студентов, связанные с
разработкой тематического и поурочного планирования.
Способ организации
занятия: практикум
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[2, 8, 10, 11, 12, 13, 15, 17, 20, 22].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Изучить учебные программы,
учебно-методическую литературу.
2. Проанализировать две-три
частнопредметные (авторские) методики обучения базовому курсу информатики в
рамках рассматриваемого раздела. Представить результаты анализа в табл. 7.2 и
подготовить на их основе краткое сообщение.

План занятия
1. Сообщения по данным табл.
7.2, обсуждение сообщений.
2. Составление тематического
и поурочного планирования, представление результатов в таблице (см. табл. 7.3).
3. Обсуждение результатов
тематического и поурочного планирования.
4. Подготовка конспекта урока
по одной-двум темам, учитывая направленность урока (урок по ознакомлению с
новым материалом; урок по закреплению изученного; урок проверки знаний, умений
и навыков; урок по систематизации и обобщению изученного материала), или
заполнение таблицы (см. табл. 7.4).
5. Анализ методических
особенностей обучения школьников решению задач по теме «Системы счисления».
Форма и способы
организации учебной деятельности студентов: выступление с сообщением, беседа по вопросам, работа с
табл. 7.2; работа с учебными программами, учебниками и учебными пособиями,
работа с табл. 7.3; беседа по вопросам; индивидуальная работа по разработке
конспектов урока, работа с табл. 7.4, эвристическая беседа.
Литература к главе 8

1. Андреева Е., Фалина И. Системы
счисления и компьютерная арифметика. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
2. Антонов А. В. Информация:
восприятие и понимание. — Киев: Наук, думка, 1988.
3. Бауэр Ф.Л., Гооз Г. Информатика.
Вводный курс: В 2 ч.: Пер. с нем. — М.: Мир, 1990.
4. Бешенков С.А., Гейн
А.Г., Григорьев С. Г. Информатика и информационные технологии: Учеб.
пособие для гуманит. факультетов пед. вузов. — Екатеринбург: Урал. гос. пед.
ун-т, 1995.
5. Виноград Т. Работа
с естественными языками // Современный компьютер: Пер. с англ. — М.: Мир, 1986.
— С. 90 — 107.
6. Гейн А. Г., Житомирский
В. Г., Липецкий Е.В. и др. Основы информатики и вычислительной техники:
Учеб. для 10 — 11 кл. сред. шк. — М.: Просвещение, 1993.
7. Гейн А. Г., Сенокосов
А. И., Шолохович В.Ф. Информатика. Классы 7-9. - М.: Дрофа, 1998.
8. Изучение информатики и
вычислительной техники: Пособие для учителя / А.В.Авербух, В.Б.Гисин,
Я.Н.Зайдельман, Г.В.Лебедев. — М.: Просвещение, 1992.
9. Информатика: Базовый курс.
7—9 кл. / И.Г.Семакин, Л.А.Залогова, С.В.Русаков, Л.В.Шестакова. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
10. Информатика:
Задачник-практикум: В 2 т. / Под ред. И. Г. Семаки-на, Е.К.Хеннёра. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
11. Информатика. 7 — 8 кл. /
Под ред. Н.В.Макаровой. — М., 2000.
12. Информатика. 9 кл. / Под
ред. Н.В.Макаровой. — М., 2000.
13. Информационная культура:
Кодирование информации. Информационные модели: 9 — 10 кл.: Учеб. для
общеобразоват. учеб, заведений. — 2-е изд. — М.: Дрофа, 1996.
14. Касаткин В.Н. Информация,
алгоритмы, ЭВМ: Пособие для учителя. — М.: Просвещение, 1991.
15. Касаткин В.Н. Логическое
программирование в занимательных задачах. — Киев: Техника, 1980.
16. Казачков Л. С. Прикладная
логика информатики. — Киев: Наук, думка, 1990.
17. Кушниренко А. Г.,
Лебедев Г. В., Сворень Р.А. Основы информатики и вычислительной техники:
Учеб. пособие для учащихся. — М.: Просвещение, 1996.
18. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений: В 2 ч.
/ Под ред. А. П. Ершова и В. М. Монахова. — М.: Просвещение, 1985, 1986.
19. Основы информатики и
вычислительной техники: Учеб. для 10 — И кл. сред. шк. /В.А.Каймин,
А.Г.Щеголев, Е.А.Ерохина, Д.П.Федю-шин. — М.: Просвещение, 1989.
20. Семакин И.Г., Шеина
Т.Ю. Преподавание базового курса информатики в средней школе: Метод,
пособие. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000.
21. Семакин И.Г., Вараксин
Г.С. Структурированный конспект базового курса информатики. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 2000.
22. Семенюк Э.П. Информационный
подход к познанию действительности: Монография. — Киев: Наук, думка, 1988.
23. Сластенин В.А. и др. Педагогика:
Учеб. пособие для студентов пед. учеб, заведений. — М.: Школа-Пресс, 1997.
24. Словарь школьной
информатики / Сост. А. П.Ершов // Математический энциклопедический словарь. —
М.: Сов. энцикл., 1988.
25. Соломатин Н.М., Беляев
В.А. ЭВМ и поиск информации. — М.: Машиностроение, 1977.
26. Сухина В.Ф. Человек
в мире информатики. — М.: Радио и связь, 1992.
27. Шемакин Ю., Романов А.
Компьютерная семантика. — М.: НОЦ «Школа Китайгородской», 1995.

Глава 9
ЛИНИЯ КОМПЬЮТЕРА

Одна из содержательных линий
базового курса информатики — линия компьютера. Эта линия делится на четыре
ветви: устройство компьютера; программное обеспечение; представление данных в
ЭВМ; история и перспективы развития ЭВМ (см. схему 2, Приложение 1).
Линия компьютера проходит
через весь курс. В большинстве тем базового курса ученики имеют дело с
компьютером, углубляя свои представления о его устройстве, возможностях;
развивая собственные навыки работы на компьютере. Освоение содержательной линии
«Компьютер» происходит по двум целевым направлениям:
1) теоретическое изучение
устройства, принципов функционирования и организации данных в ЭВМ;
2) практическое освоение
компьютера; получение навыков применения компьютера для выполнения различных
видов работы с информацией.

9.1. Представление данных в компьютере

Изучаемые вопросы:
ª Представление числовой информации.
ª Представления символьной информации.
ª Представление графической информации.
ª Представление звука.
По своему назначению
компьютер — универсальное, программно-управляемое автоматическое устройство для
работы с информацией. Из свойства универсальности следует то, что компьютер осуществляет
все три основных типа информационных процессов: хранение, передачу и обработку
информации. Современные компьютеры работают со всеми видами информации: числовой,
символьной, графической, звуковой. Информация, хранимая в памяти компьютера и
предназначенная для обработки, называется данными.
Как уже говорилось в
предыдущем разделе, для представления всех видов данных в памяти компьютера
используется двоичный алфавит. Однако интерпретация последовательностей
двоичных цифр для каждого вида данных своя. Еще раз подчеркнем, что речь идет о
внутреннем представлении данных, в то время как внешнее представление на
устройствах ввода-вывода имеет привычную для человека форму.
Представление числовой
информации. Исторически
первым видом данных, с которым стали работать компьютеры, были числа. Первые
ЭВМ использовались исключительно для математических расчетов. В соответствии с
принципами Джона фон Неймана, ЭВМ выполняет расчеты в двоичной системе
счисления. Вопрос о внутреннем (машинном) представлении чисел рассмотрим
несколько подробнее, чем это делается в учебниках.
Структурные единицы памяти
компьютера — бит, байт и машинное слово. Причем понятия бита и байта
универсальны и не зависят от модели компьютера, а размер машинного слова
зависит от типа процессора ЭВМ. Если машинное слово для данного компьютера
равно одному байту, то такую машину называют 8-разрядной (8 бит); если машинное
слово состоит из 2 байтов, то это 16-разрядный компьютер; 4-байтовое слово у
32-разрядных ЭВМ. Обсуждение вопроса о том, как представляются числа в памяти
ЭВМ, будем вести на примере 16-разрядной машины.
Числа в памяти ЭВМ хранятся в
двух форматах: в формате с фиксированной точкой и в формате с
плавающей точкой. Под точкой здесь и в дальнейшем подразумевается знак
разделения целой и дробной части числа. Формат с фиксированной точкой
используется для хранения в памяти целых чисел. В этом случае число занимает
одно машинное слово памяти (16 бит). Чтобы получить внутреннее представление
целого положительного числа Л^в форме с фиксированной точкой нужно:
1) перевести число N в
двоичную систему счисления;
2) полученный результат
дополнить слева незначащими нулями до 16 разрядов.
Например, N = 160710
= 110010001112. Внутреннее представление этого числа в машинном
слове будет следующим:

0000

0110

0100

0111

В сжатой шестнадцатеричной
форме этот код запишется так: 0647.
Двоичные разряды в машинном
слове нумеруются от 0 до 15 справа налево. Старший 15-й разряд в машинном
представлении любого положительного числа равен нулю. Поэтому максимальное
целое число в такой форме равно:
0111 1111
1111 11112 = 7FFF16 = (215- 1) = 3276710.
Для записи внутреннего
представления целого отрицательного числа (-N) нужно:
1) получить внутреннее
представление положительного числа N;
2) получить обратный код
этого числа заменой 0 на 1 и 1 на 0;
3) к полученному числу
прибавить 1.
Определим по этим правилам
внутреннее представление числа 160710.
1) 0000 0110 0100 0111
2) 1111 1001 1011 1000
3)_______________ +1
    1111 1001 1011 1001 -
результат
Шестнадцатеричная форма
результата: F9B9.
Описанный способ
представления целого отрицательного числа называют дополнительным кодом. Старший
разряд в представлении любого отрицательного числа равен 1. Следовательно, он
указывает на знак числа и поэтому называется знаковым разрядом.
Применение дополнительного
кода для внутреннего представления отрицательных чисел дает возможность
заменить операцию вычитания операцией сложения с отрицательным числом: N – M =  N
+ (-М). Очевидно, должно выполняться следующее равенство: N + (-N) = 0.
Выполним такое сложение для полученных выше чисел 1607 и —1607:
0000 0110 0100
0111 1607
1111
1001 1011 1001 -1607
       1 0000  0000 0000 0000       0
Таким образом, единица в
старшем разряде, получаемая при сложении, выходит за границу разрядной сетки
машинного слова и исчезает, а в памяти остается ноль.
Выход двоичных знаков за границу
ячейки памяти, отведенной под число, называется переполнением. Для
вещественных чисел такая ситуация является аварийной. Процессор ее обнаруживает
и прекращает работу (прерывание по переполнению). Однако при вычислениях с
целыми числами переполнение не фиксируется как аварийная ситуации и прерывания
не происходит.
Двоичное 16-разрядное число
1000 0000 0000 0000 = 215 является «отрицательным самому себе»:
1000 0000 0000 0000   215

0111 1111 1111 1111
_________________+1
1000 0000 0000 0000 -215
Этот код используется для
представления значения —215 = —32768. Следовательно, диапазон
представления целых чисел в 16-разрядном машинном слове:

В общем случае для k-разрядного машинного слова этот диапазон следующий:

В разных типах ЭВМ
используются разные варианты организации формата с плавающей точкой. Вот пример
одного из вариантов представления вещественного числа в 4-байтовой ячейке
памяти:
Формат с плавающей точкой
используется как для представления целочисленных значений, так и значений с
дробной частью. В математике такие числа называют действительными, в
программировании — вещественными.
Формат с плавающей точкой
предполагает представление вещественного числа R в форме
произведения мантиссы (т) на основание системы счисления (л) в некоторой
целой степени, которую называют порядком (р):

Порядок указывает, на какое
количество позиций и в каком направлении должна сместиться («переплыть») точка
в мантиссе. Например, 25,32410 = 0,25324´102. Однако справедливы и
следующие равенства:

Следовательно, представление
числа в форме с плавающей точкой неоднозначно. Чтобы не было неоднозначности, в
ЭВМ используют нормализованную форму с плавающей точкой. Мантисса в
нормализованной форме должна удовлетворять условию:

Для рассмотренного числа
нормализованной формой будет: 0,25324 хЮ2.
В памяти ЭВМ мантисса
представляется как целое число, содержащее только ее значащие цифры (нуль целых
и запятая не хранятся). Следовательно, задача внутреннего представления
вещественного числа сводится к представлению пары целых чисел: мантиссы (т) и
порядка (р). В рассмотренном нами примере т = 25324, р =
2.
В разных типах ЭВМ используются разные
варианты организации формата с плавающей точкой. Вот пример одного из вариантов
представления вещественного числа в 4-байтовой яч6ейке памяти:

Машинный порядок

           М а

  н  т  и  с

 c    а

                  1-й байт
2-й байт      3-й байт             4-й байт

В старшем бите 1-го байта
хранится знак числа: 0 — плюс, 1 — минус; 7 оставшихся битов 1-го байта
содержат машинный порядок; в следующих 3-х байтах хранятся значащие цифры
мантиссы.
В рамках базового курса
информатики вопрос о представлении вещественных чисел может рассматриваться
лишь на углубленном уровне. Теоретический материал и практические задания на
эту тему имеются в пособии [6].
Представление символьной
информации. В настоящее
время одним из самых массовых приложений ЭВМ является работа с текстами.
Термины «текстовая информация» и «символьная информация» используются как
синонимы. В информатике под текстом понимается любая последовательность
символов из определенного алфавита. Совсем не обязательно, чтобы это был текст
на одном из естественных языков (русском, английском и др.). Это могут быть математические
или химические формулы, номера телефонов, числовые таблицы и пр. Будем называть
символьным алфавитом компьютера множество символов, используемых на ЭВМ
для внешнего представления текстов.
Первая задача — познакомить
учеников с символьным алфавитом компьютера. Они должны знать, что
— алфавит компьютера включает
в себя 256 символов;
— каждый символ занимает 1
байт памяти.
Эти свойства символьного
алфавита компьютера, в принципе, уже знакомы ученикам. Изучая алфавитный подход
к измерению информации, они узнали, что один символ из алфавита мощностью 256
несет 8 бит, или 1 байт, информации, потому что 256 = 28. Но
поскольку всякая информация представляется в памяти ЭВМ в двоичном виде,
следовательно, каждый символ представляется 8-разрядным двоичным кодом.
Существует 256 всевозможных 8-разрядных комбинаций, составленных из двух цифр «0»
и «1» (в комбинаторике это называется числом размещений из 2 по 8 и равно 28):
от 00000000 до 11111111. Удобство побайтового кодирования символов очевидно,
поскольку байт — наименьшая адресуемая часть памяти и, следовательно, процессор
может обратиться к каждому символу отдельно, выполняя обработку текста. С
другой стороны, 256 символов — это вполне достаточное количество для представления
самой разнообразной символьной информации.
Далее следует ввести понятие
о таблице кодировки. Таблица кодировки — это стандарт, ставящий в
соответствие каждому символу алфавита свой порядковый номер. Наименьший номер —
0, наибольший — 255. Двоичный код символа — это его порядковый номер в двоичной
системе счисления. Таким образом, таблица кодировки устанавливает связь между
внешним символьным алфавитом компьютера и внутренним двоичным представлением.
Международным стандартом для
персональных компьютеров стала таблица ASCII. На практике можно встретиться и с другой таблицей — КОИ-8 (Код
Обмена Информацией), которая используется в глобальных компьютерных сетях, на
ЭВМ, работающих под управлением операционной системы Unix, а также на компьютерах типа PDP. К ним, в частности, относится отечественный школьный компьютер
Электроника-УКНЦ.
От учеников не нужно
требовать запоминания кодов символов. Однако некоторые принципы организации
кодовых таблиц они должны знать. Следует рассмотреть вместе с учениками таблицу
кода ASCII, приведенную в ряде учебников и в
справочниках. Она делится на две части. Международным стандартом является лишь
первая половина таблицы, т.е. символы с номерами от 0 до 127. Сюда входят
строчные и прописные буквы латинского алфавита, десятичные цифры, знаки
препинания, всевозможные скобки, коммерческие и другие символы. Символы с
номерами от 0 до 31 принято называть управляющими. Их функция —
управление процессом вывода текста на экран или печать, подача звукового
сигнала, разметка текста и т.п. Символ номер 32 — пробел, т.е. пустая позиция в
тексте. Все остальные отражаются определенными знаками. Важно обратить внимание
учеников на соблюдение лексикографического порядка в расположении букв
латинского алфавита, а также цифр. На этом принципе основана возможность
сортировки символьной информации, с которой ученики впервые встретятся, работая
с базами данных.
Вторая половина кодовой
таблицы может иметь различные варианты. В первую очередь, она используется для
размещения национальных алфавитов, отличных от латинского. Поскольку для
кодировки русского алфавита — кириллицы, применяются разные варианты таблиц, то
часто возникают проблемы с переносом русского текста с одного компьютера на
другой, из одной программной системы в другую. Можно сообщить ученикам, что
таблица кодировки символов 128 — 255 называется кодовой страницей и
каждый ее вариант имеет свой номер. Так, например, в MS-DOS используется кодовая страница номер 866, а в Windows — номер 1251.
В качестве дополнительной
информации можно рассказать о том, что проблема стандартизации символьного
кодирования решается введением нового международного стандарта, который называется
Unicode. Это 16-разрядная кодировка, т.е. в ней
на каждый символ отводится 2 байта памяти. Конечно, при этом объем занимаемой
памяти увеличивается в два раза. Но зато такая кодовая таблица допускает
включение до 65 536 символов. Ясно, что в нее можно внести всевозможные
национальные алфавиты.
Представление графической
информации. Существуют
два подхода к решению проблемы представления изображения на компьютере:
растровый и векторный. Суть обоих подходов в декомпозиции, т.е. разбиении
изображения на части, которые легко описать.
Растровый подход предполагает разбиение изображения на
маленькие одноцветные элементы — видеопиксели, которые, сливаясь, дают общую картину.
В таком случае видеоинформация представляет собой перечисление в определенном
порядке цветов этих элементов. Векторный подход разбивает всякое
изображение на геометрические элементы: отрезки прямой, эллиптические дуги,
фрагменты прямоугольников, окружностей, области однородной закраски и пр. При
таком подходе видеоинформация — это математическое описание перечисленных
элементов в системе координат, связанной с экраном дисплея. Векторное
представление более всего подходит для чертежей, схем, штриховых рисунков.
Нетрудно понять, что
растровый подход универсальный, т.е. он применим всегда, независимо от
характера изображения. В силу дискретной (пиксельной) структуры экрана
монитора, в видеопамяти любое изображение представляется в растровом виде. На
современных ПК используются только растровые дисплеи, работающие по принципу
построчной развертки изображения.
Информация в видеопамяти
(видеоинформация) представляет собой совокупность кодов цвета каждого
пикселя экрана. Отсюда следует, что вопрос о представлении изображения
связан со способами кодирования цветов. Физический принцип получения
разнообразных цветов на экране дисплея заключается в смешивании трех основных
цветов: красного, зеленого и синего. Значит информация, заключенная в коде
пикселя должна содержать сведения о том, какую интенсивность (яркость) имеет
каждая составляющая в его цвете. Достаточно подробно этот вопрос раскрыт в
учебнике [6].
Необходимо раскрыть перед
учениками связь между кодом цвета и составом смеси базовых цветов. Следует
начать с рассмотрения варианта восьмицветной палитры. В этом случае используется
трехбитовый код и каждый бит такого кода обозначает наличие (1) или отсутствие
(0) соответствующего базового цвета. В следующей таблице приведены коды
восьмицветной палитры (табл. 9.1).
Таблица 9.1
Двоичный
код восьмицветной палитры

к

3

с

Цвет

0

0

0

Черный

0

0

1

Синий

0

1

0

Зеленый

0

1

1

Голубой

1

0

0

Красный

1

0

1

Розовый

1

1

0

Коричневый

1

1

1

Белый

Биты в таком коде
распределены по принципу «КЗС», т. е. первый бит отвечает за красную
составляющую, второй — за зеленую, третий — за синюю. По этой теме ученики
должны уметь отвечать на вопросы такого типа:
— Смешиванием каких цветов
получается розовый цвет?
— Известно, что коричневый
цвет получается смешиванием красного и зеленого цветов. Какой код у коричневого
цвета?
При программировании цветных
изображений принято каждому цвету ставить в соответствие десятичный номер.
Получить номер цвета очень просто. Для этого его двоичный код, рассматривая как
целое двоичное число, следует перевести в десятичную систему счисления. Тогда,
согласно табл. 9.1, номер черного цвета — 0, синего — 1, зеленого — 2 и т.д.
Белый цвет имеет номер 7. Полезными, с точки зрения закрепления знаний двоичной
системы счисления, являются вопросы такого рода:
— Не глядя в таблицу, назвать
десятичный номер красного цвета.
Только после того, как
ученики разобрались с 8-цветной палитрой, можно переходить к рассмотрению
кодирования большего числа цветов. Таблица кодов 16-цветной палитры приведена в
учебнике [14]. Это те же восемь цветов, но имеющие два уровня яркости. Управляет
яркостью дополнительный четвертый бит — бит интенсивности. В структуре
16-цветного кода «ИКЗС» И — бит интенсивности. Например, если в 8-цветной
палитре код 100 обозначает красный цвет, то в 16-цветной палитре: 0100 —
красный, 1100 — ярко-красный цвет; ОНО — коричневый, 1110 — ярко-коричневый
(желтый).
Палитры большего размера
получаются путем раздельного управления интенсивностью каждого из трех базовых
цветов. Для этого в коде цвета под каждый базовый цвет выделяется более одного
бита. Например, структура восьмибитового кода для палитры из 256 цветов такая:
«КККЗЗЗСС», т.е. по 3 бита кодируют красную и зеленую составляющие и 2 бита —
синюю. В результате полученная величина — это объем видеопамяти, необходимый
для хранения одного кадра, одной страницы изображения. Практически всегда в
современных компьютерах в видеопамяти помещается одновременно несколько страниц
изображения.
При векторном подходе изображение
рассматривается как совокупность простых элементов: прямых линий, дуг,
окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и пр., которые называются графическими
примитивами. Графическая информация — это данные, однозначно определяющие
все графические примитивы, составляющие рисунок.
Положение и форма графических
примитивов задаются в системе графических координат, связанных с
экраном. Обычно начало координат расположено в верхнем левом углу экрана. Сетка
пикселей совпадает с координатной сеткой. Горизонтальная ось X направлена слева направо; вертикальная ось
Y— сверху вниз.
Отрезок прямой линии однозначно
определяется указанием координат его концов; окружность — координатами центра и
радиусом; многоугольник — координатами его углов, закрашенная область —
граничной линией и цветом закраски и пр. Подробнее о векторной графике см.
учебник [6, ч. 2], а также [5].
Векторный формат изображения
создается в результате использования графических редакторов векторного типа,
например CorelDraw. Получаемая таким образом информация
сохраняется в графических файлах векторного типа. Графические файлы растровых
типов получаются при работе с растровыми графическими редакторами (Paint, Adobe Photoshop),
а также в результате сканирования изображений. Следует понимать, что различие в
представлении графической информации в растровом и векторном форматах
существует лишь для графических файлов. При выводе красная и синяя составляющие
имеют по 8 (23) уровней интенсивности, а синяя — 4 (22).
Всего: 8x8x4 = 256 цветов.
Связь между разрядностью кода
цвета — b и количеством цветов — ^(размером палитры)
выражается формулой: К= 2Ь. В литературе по компьютерной
графике величину b принято называть битовой глубиной цвета.
Так называемая естественная палитра цветов получается при b = 24. Для такой битовой глубины палитра
включает более 16 миллионов цветов.
При изучении данной темы
следует раскрыть связь между величинами битовой глубины, разрешающей
способностью графической сетки (размером растра) и объемом видеопамяти. Если
обозначить минимальный объем видеопамяти в битах через Vm, разрешающую способность дисплея — M´N (М точек
по горизонтали и N точек по вертикали), то связь между ними выразится формулой:

Полученная величина – это
объм видеопамяти, необъодимый для хранения одного кадра, одной страницы
изображения. Практически всегда в современных компьютерах в видеопамяти
помещается одновременно несколько страниц изображения.
При векторном подходе
изображение рассматривается как совокупность простых элементов: прямых линий,
дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и т.д., которые
называются графическими примитивами. Графическая информация – это
данные, однозначно определяющие все графические примитивы, составляющие
рисунок.
Положение и форма графических
примитивов задаются в системе графических координат, связанных с
экраном. Обычно начало координат расположено в верхнем левом углу экрана. Сетка
пикселей совпадает с координатной сеткой. Горизонтальная ось Х  направлена
слева направо; вертикальная ось Y – сверху вниз.
Отрезок прямой линии,
однозначно определяется указанием координат его концов; окружность –
координатами центра и радиусом; многоугольник – координатами его углов;
закрашенная область – граничной линией и цветом закраси и пр. Подробнее о
векторной графике см. учебник [6, ч. 2], а также  [5].
Векторный формат изображения
создается в рнезультате использования графических редакторов векторного типа,
например, CorelDraw. Получаемая таким образом информация
сохраняется в графических файлах векторного типа. Графические файлы растровых
типов получаются при работе с растровыми графическими редакторами (Paint, Adobe Photoshop),
а также в результате сканирования изображений. Следует понимать, что различие в
представлении графической информации в растровом и векторном форматах
существует лишь для графических файлов. При выводе на экран любого изображения,
в видеопамяти формируется информация растрового типа, содержащая сведения о
цвете каждого пикселя.
Представление звука. Современные компьютеры «умеют» сохранять и
воспроизводить звук (речь, музыку и пр.). Звук, как и любая другая информация,
представляется в памяти ЭВМ в форме двоичного кода.
В существующих учебниках по
базовому курсу информатики тема представления звука в компьютере практически не
освещена (этот материал имеется в некоторых пособиях для профильных курсов). В
то же время в требования обязательного минимума стали включаться вопросы
технологии мультимедиа. Как известно, звук является обязательной компонентой
мультимедиа-продуктов. Поэтому дальнейшее развитие базового курса потребует
включения в него темы представления звука. Кратко обсудим этот вопрос.
Основной принцип
кодирования звука, как и кодирования изображения, выражается словом
«дискретизация».
При кодировании изображения
дискретизация — это разбиение рисунка на конечное число одноцветных элементов —
пикселей. И чем меньше эти элементы, тем меньше наше зрение замечает
дискретность рисунка.
Физическая природа звука —
это колебания в определенном диапазоне частот, передаваемые звуковой волной
через воздух (или другую упругую среду). Процесс преобразования звуковых волн в
двоичный код в памяти компьютера:

Аудиоадаптер (звуковая плата) — специальное устройство,
подключаемое к компьютеру, предназначенное для преобразования электрических колебаний
звуковой частоты в числовой двоичный код при вводе звука и для обратного
преобразования (из числового кода в электрические колебания) при воспроизведении
звука.
В процессе записи звука
аудиоадаптер с определенным периодом измеряет амплитуду электрического тока и
заносит в регистр двоичный код полученной величины. Затем полученный код из
регистра переписывается в оперативную память компьютера. Качество компьютерного
звука определяется характеристиками аудиоадаптера: частотой дискретизации и
разрядностью.
Частота дискретизации — это количество измерений входного сигнала
за 1 секунду. Частота измеряется в герцах (Гц). Одно измерение за 1 секунду
соответствует частоте 1 Гц. 1000 измерений за 1 секунду — 1 килогерц (кГц).
Характерные частоты дискретизации аудиоадаптеров: 11 кГц, 22 кГц, 44,1 кГц и
др.
Разрядность регистра — число бит в регистре аудиоадаптера. Разрядность
определяет точность измерения входного сигнала. Чем больше разрядность, тем
меньше погрешность каждого отдельного преобразования величины электрического
сигнала в число и обратно. Если разрядность равна 8 (16), то при измерении
входного сигнала может быть получено 2s = 256 (216 = 65536) различных значений. Очевидно,
16-разрядный аудиоадаптер точнее кодирует и воспроизводит звук, чем
8-разрядный.
Звуковой файл — файл, хранящий звуковую информацию в
числовой двоичной форме. Как правило, информация в звуковых файлах подвергается
сжатию.

Пример. Определить размер (в байтах) цифрового
аудиофайла, время звучания которого составляет 10 секунд при частоте
дискретизации 22,05 кГц и разрешении 8 бит. Файл сжатию не подвержен.
Решение. Формула для расчета
размера (в байтах) цифрового аудиофайла (монофоническое звучание): (частота
дискретизации в Гц) х ( время записи в сек) х (разрешение в битах)/8.
Таким образом, размер файла
вычисляется так: 22050´10´8/8 = 220500 байт.

9.2. Методические подходы к раскрытию
понятия архитектуры ЭВМ

Подходы
к раскрытию темы в учебной литературе

В курсе информатики
устройство компьютера изучается на уровне его архитектуры. Под
архитектурой понимают описание устройства и принципов работы ЭВМ без
подробностей технического характера (электронных схем, конструктивных деталей и
пр.). Описание архитектуры — это представление о компьютере, достаточное для
человека, работающего за компьютером, но не конструирующего или ремонтирующего
его, т.е. для пользователя (в том числе и программиста).
Различным пользователям, в
зависимости от уровня использования ими ЭВМ, требуется различный уровень знаний
об архитектуре. Наиболее глубокие знания архитектуры компьютера требуются
программистам, особенно системным программистам. Как же можно обрисовать
диапазон понятий, подходящих под определение архитектуры ЭВМ? Самый
поверхностный уровень — это понятия об основных устройствах, входящих в состав
ЭВМ, и их назначений. Самый глубокий уровень описания архитектуры ЭВМ — это
описание системы команд процессора (языка машинных команд), правил работы
процессора при выполнении программы.
В учебниках по базовому курсу
информатики [2, 4, 6, 12, 13, 15] принята следующая схема раскрытия архитектуры
ЭВМ: вначале ведется разговор о назначении ЭВМ, об основных устройствах,
входящих в состав компьютера (память, процессор, устройства ввода-вывода), и
выполняемых ими функциях. Рассказывается также об особенностях организации
персонального компьютера, о типах и свойствах устройств, входящих в состав ПК.
В материале, ориентированном на второй год обучения, на примере простой модели
ЭВМ раскрывается механизм программного управления работой компьютера. Здесь
описывается структура процессора, состав команд процессора, структура программы
и алгоритм ее выполнения процессором — цикл работы процессора.
Такая методическая схема
представляется достаточно обоснованной. Обсуди

Методические
рекомендации по изучению темы

Изучаемые вопросы:
ª Основные устройства ЭВМ.
ª Принцип программного управления.
ª Виды памяти ЭВМ.
ª Организация внутренней памяти.
ª Организация внешней памяти.
ª Архитектура персонального компьютера.
ª Видеосистема персонального компьютера.
ª Изучение архитектуры ЭВМ на учебных
моделях.
В ходе изучения базового
курса ученики должны постепенно углублять свои знания об архитектуре компьютера
вплоть до получения представлений о языке машинных команд, о работе процессора.
Необходимость таких знаний следует из основной концепции курса: направленности
на фундаментальное, базовое образование.
Как правило, в учебниках
разъясняются общие понятия архитектуры без привязки к конкретным маркам ЭВМ.
Практическая же работа на уроках происходит на определенных моделях
компьютеров. В связи с этим возникает проблема увязки общетеоретических знаний
с практикой. Эту проблему должен решать учитель. Вводя общие понятия, например
объем памяти, разрядность процессора, тактовая частота и др., следует сообщать
ученикам, какие конкретно значения этих параметров имеются у школьных
компьютеров. Рассказывая о назначении устройств ввода и вывода, о носителях
информации, учитель должен продемонстрировать эти устройства, познакомить
учеников с их характеристиками, с правилами обращения. Безусловно, нужно
рассказывать о возможностях и характеристиках более совершенной и современной
техники, чем та, что есть в школе, раскрывать перспективы ее развития. Однако
прежде всего ученики должны хорошо узнать свой компьютер.
Основные устройства ЭВМ и
принцип программного управления. Главные понятия данной темы: архитектура ЭВМ; память ЭВМ
(оперативная, внешняя); процессор; устройства ввода; устройства вывода;
программное управление.
О смысле понятия «архитектура
ЭВМ» говорилось выше. Для раскрытия этого понятия в учебнике [6] используется
дидактический прием аналогии. Суть его сводится к следующему. По своему
назначению компьютер — это универсальная машина для работы с информацией. Но в
природе уже есть такая «биологическая машина» — это человек! Информационная
функция человека рассматривалась в предыдущих разделах курса. Она сводится к
умению осуществлять три типа информационных процессов: хранение информации,
обработку информации, прием-передачу информации, т. е. поддерживать информационную
связь с внешним миром. Значит, в состав устройств компьютера должны входить
технические средства для реализации этих процессов. Они называются: память,
процессор, устройства ввода и вывода (табл. 9.2).
Таблица 9.2

Функция

Человек

Компьютер

Хранение информации

Память

Устройства памяти

Обработка информации

Мышление

Процессор

Прием информации

Органы чувств

Устройства ввода

Передача информации

Речь, двигательная система

Устройства вывода

Деление памяти компьютера на
внутреннюю и внешнюю также поясняется через аналогию с человеком. Внутренняя
память — это собственная (биологическая) память человека; внешняя память — это
разнообразные средства записи информации: бумажные, магнитные и пр.
Различные устройства
компьютера связаны между собой каналами передачи информации. Из внешнего мира
информация поступает в компьютер через устройства ввода; поступившая информация
попадает во внутреннюю память. Если требуется длительное ее хранение, то из
внутренней памяти она переписывается во внешнюю. Обработка информации
осуществляется процессором при непрерывной двусторонней связи с внутренней
памятью: оттуда извлекаются исходные данные, туда же помещаются результаты
обработки. Информация из внутренней памяти может быть передана во внешний мир
(человеку или другим компьютерам) через устройства вывода. Сказанное
схематически отображено на рис. 9.1.

Рис. 9.1.
Состав и структура ЭВМ

Небольшой комментарий к рис.
9.1. Иногда структурную схему ЭВМ изображают иначе: информационные потоки,
идущие от устройств ввода к устройствам вывода, связывают не с внутренней
памятью, а с процессором. С точки зрения маршрута движения информации в
компьютере, это справедливо. Действительно все операции в компьютере, в том
числе и ввод-вывод, производятся с участием регистров процессора. Схема на рис.
9.1 отражает скорее не маршруты, а цели (результаты) процессов
информационного обмена в компьютере. Результатом ввода является запись
данных в оперативную память. На устройства вывода выносится информация из
оперативной памяти. Из рис. 9.1 ясно видно, что, например, нельзя ввести данные
непосредственно во внешнюю память, минуя внутреннюю. Именно эти положения
должны быть поняты учениками при изучении работы компьютера.
Архитектуру ЭВМ нельзя
описывать статично. В сознании учеников с самого начала необходимо создавать
представление о функционировании компьютера. Для решения любой задачи
компьютеру нужно сообщить исходные данные и программу работы. И данные и
программа представляются в определенной форме, «понятной» машине, заносятся во внутреннюю
память и затем компьютер переходит к выполнению программы, т.е. решению
задачи. Компьютер является формальным исполнителем программы.
Необходимо подчеркнуть, что
любая работа выполняется компьютером по программе, будь то решение
математической задачи, перевод текста с иностранного языка, получение рисунков
на экране, игра с пользователем и пр. Подводя итог теме, следует сказать, что суть
принципа программного управления компьютером сводится к следующим трем
положениям:
1) любая работа выполняется
компьютером по программе;
2) исполняемая программа
находится в оперативной памяти;
3) программа выполняется
автоматически.
Виды памяти ЭВМ. О делении
памяти на внутреннюю и внешнюю уже было сказано. Какие свойства каждого из этих
видов памяти должны усвоить ученики? Следует говорить о двух типах свойств: о
физических свойствах и о принципах организации информации.
Внутренняя память. К физическим свойствам внутренней памяти
относятся следующие свойства:
• это память, построенная на
электронных элементах (микросхемах), которая хранит информацию только при
наличии электропитания; по этой причине внутреннюю память можно назвать энергозависимой;
• это быстрая память; время занесения
(записи) в нее информации и извлечения (чтения) очень маленькое — микросекунды;
• это память небольшая по
объему (по сравнению с внешней памятью).
Быструю энергозависимую
внутреннюю память называют оперативной памятью, или ОЗУ — оперативное
запоминающее устройство.
В качестве дополнительной
информации ученикам можно сообщить, что в компьютере имеется еще один вид
внутренней памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Основное его
отличие от ОЗУ — энергонезависимость, т.е. при отключении компьютера от
электросети информация в ПЗУ не исчезает. Кроме того, однажды записанная
информация в ПЗУ не меняется. ПЗУ — это память, предназначенная только для
чтения, в то время как ОЗУ — и для чтения, и для записи. Обычно ПЗУ по объему
существенно меньше ОЗУ.
Внешняя память. Есть две разновидности носителей
информации, используемых в устройствах внешней памяти: магнитные и оптические.
Существуют магнитные ленты и магнитные диски. Оптические диски называются CD-ROM (Compact Disk — Read Only Memory — компактный диск — только для чтения). На магнитные
носители информацию можно записывать многократно, на оптические — только один
раз. По аналогии с отмеченными выше физическими свойствами внутренней памяти,
свойства внешней памяти описываются так:
• внешняя память энергонезависима,
т.е. информация в ней сохраняется независимо от того, включен или выключен
компьютер, вставлен носитель в компьютер или лежит на столе;
• внешняя память — медленная
по сравнению с оперативной; в порядке возрастания скорости чтения/записи
информации, устройства внешней памяти располагаются так: магнитные ленты —
магнитные диски — оптические диски;
• объем информации,
помещающейся во внешней памяти, больше, чем во внутренней; а с учетом
возможности смены носителей — неограничен.
Необходимо обращать внимание
учеников на точность в используемой терминологии. Ленты, диски — это носители
информации. Устройство компьютера, которое работает с магнитной лентой,
записывает и считывает с нее информацию, называется накопителем на магнитной
ленте (НМЛ). Употребляется также английское название этого устройства — стример.
Устройство чтения/записи на магнитный диск называется накопителем на
магнитном диске (НМД), или дисководом. С оптическими дисками
работает оптический дисковод. Он умеет только читать информацию с CD-ROM. Кроме
того, существуют специальные приставки к компьютеру, позволяющие записывать
информацию на «чистый» оптический диск.
Теперь — о принципах
организации информации. Изучив базовый курс, ученики должны будут узнать, что
1) компьютер работает со
следующими видами данных (обрабатываемой информации): символьными, числовыми,
графическими, звуковыми;
2) любая информация в памяти
компьютера (в том числе и программы) представляется в двоичном виде.
Сформулированные положения
следует сообщить ученикам в данной теме и в последующих темах к ним
возвращаться.
Двоичный вид обозначает то,
что любая информация в памяти компьютера представляется с помощью всего двух
символов: нуля и единицы. Как известно, один символ из двухсимвольного алфавита
несет 1 бит информации. Поэтому двоичную форму представления информации еще
называют битовой формой. В электронных элементах компьютера происходит передача
и преобразование электрических сигналов. Двоичные символы распознаются так:
есть сигнал — единица, нет сигнала — нуль. На магнитных носителях единице соответствует
намагниченный участок поверхности, нулю — не намагниченный.
Организация внутренней
памяти. Информационную
структуру внутренней памяти следует представлять как последовательность двоичных
ячеек — битов. Схематически такое представление изображено на рис. 9.2.

Номера байтов

Биты

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

1

0

0

1

1

0

1

2

1

0

0

0

1

1

1

0

3

0

1

1

1

0

0

1

1

….

Рис. 9.2.
Структура внутренней памяти

Битовая структура внутренней
памяти определяет ее первое свойство: дискретность. Каждый бит памяти в
данный момент хранит одно из двух значений: 0 или 1, т.е. один бит информации.
В процессе работы компьютера эти нули и единички «мигают» в ячейках. Можно
предложить ученикам такой зрительный образ: представьте себе память компьютера
в виде фасада многоэтажного дома вечером. В одних окнах горит свет, в других —
нет. Окно — это бит памяти. Окно светится — единица, не светится — нуль. И если
все жильцы начнут щелкать выключателями, то фасад будет подобен памяти
работающего компьютера, в которой перемигиваются единички и нули.
Второе свойство внутренней
памяти называется адресуемостью. Но адресуются не биты, а байты — 8
расположенных подряд битов памяти. Адрес байта — это его порядковый номер в
памяти. Здесь снова можно предложить аналогию с домом: квартиры в доме
пронумерованы; порядковый номер квартиры — ее адрес. Только в отличие от
квартир, нумерация которых начинается с единицы, номера байтов памяти
начинаются с нуля. Доступ к информации в оперативной памяти происходит по
адресам', чтобы записать данные в память, нужно указать, в какие байты ее
следует занести. Точно так же и чтение из памяти производится по адресам. Таким
способом процессор общается с оперативной памятью. Можно продолжить аналогию с
домом: чтобы попасть в нужную квартиру или переслать туда письмо, нужно знать
адрес.
Итак, информационная
структура внутренней памяти — бито-во-байтовая. Ее размер (объем) обычно
выражают в килобайтах, мегабайтах.
Организация внешней памяти.
Информационная структура
внешней памяти — файловая. Наименьшей именуемой единицей во внешней памяти является
файл. Для объяснения этого понятия в учебной литературе часто предлагается
книжная аналогия: файл — это аналог наименьшего поименованного раздела книги
(параграфа, рассказа). Конечно, информация, хранящаяся в файле, тоже состоит из
битов и байтов. Но в отличие от внутренней памяти байты на дисках не
адресуются. При поиске нужной информации на внешнем носителе должно быть
указано имя файла, в котором она содержится; сохранение информации производится
в файле с конкретным именем.
Надо сказать, что понятие
файла усваивается детьми постепенно, с накоплением опыта практической работы на
компьютере. В первой прикладной теме — работа с текстом, им предстоит самим
сохранять файлы, открывать файлы. И только после этого представление о файлах
из абстрактного превратится в конкретное.
На магнитные носители
информация записывается (и считывается) с помощью магнитной головки накопителя,
подобно бытовому магнитофону. Линия, по которой магнитная головка контактирует
с магнитной поверхностью носителя, называется дорожкой. На ленте дорожки
продольные (прямые), на диске — круговые. Магнитная головка дисковода
подвижная. Она может перемещаться вдоль радиуса диска. При таком перемещении
происходит переход с одной дорожки на другую.
Книжная аналогия помогает
понять ученикам назначение корневого каталога диска — его своеобразного
оглавления. Это список, в котором содержатся сведения о файлах на диске; иногда
его называют директорией диска. В каталоге содержатся сведения о файле
(имя, размер в байтах, дата и время создания или последнего изменения). Эта
информация всегда хранится на определенных дорожках. Если список файлов вывести
на экран, то, подобно просмотру оглавления книги, из него можно получить
представление о содержимом диска.
Архитектура персонального
компьютера (ПК). Существуют
различные классы электронно-вычислительных машин: суперЭВМ, большие ЭВМ,
мини-ЭВМ, микроЭВМ. Персональные компьютеры (ПК) относятся к классу микроЭВМ. В
абсолютном большинстве учебных заведений используются ПК. По этой причине
ученики прежде всего должны получить представление об устройстве персонального
компьютера.
Структуру ПК, изображенную на
рис. 9.3, принято называть архитектурой с общей шиной (другое название —
магистральная архитектура). Впервые она была применена на мини-ЭВМ
третьего поколения, затем перенесена на микроЭВМ и ПК. Ее главное достоинство —
простота, возможность легко изменять конфигурацию компьютера путем добавления
новых или замены старых устройств. Отмеченные возможности принято называть принципом
открытой архитектуры ПК.

Рис, 9.3.
Архитектура персонального компьютера

Рис. 9.3, так же как и рис.
9.1, отражает информационное взаимодействие между устройствами, но применительно
к персональному компьютеру. Этот рисунок содержит в себе некоторые
конструктивные детали, характерные для ПК. В нем присутствует следующая
информация: роль центрального процессора в ПК выполняет микропроцессор; в
качестве устройства ввода используется клавиатура; устройства вывода — монитор
и принтер; устройство внешней памяти — дисковод. Информационная связь между
устройствами осуществляется через общую многопроводную магистраль (шину);
внешние устройства подсоединены к магистрали через контроллеры (обозначены
треугольниками). Необходимо обратить внимание учеников на то, что принципы
информационного взаимодействия, отраженные на рис. 9.1, справедливы и для ПК.
Таким образом, эти две схемы дополняют друг друга.
Можно сказать, что основным
устройством ПК является микропроцессор (МП). Это мозг машины. В первую очередь,
возможности МП определяют возможности компьютера в целом. Для пользователя
наиболее важным свойством ЭВМ является ее быстродействие, т. е. скорость
обработки информации. Для ЭВМ первых поколений было принято выражать
быстродействие компьютера в количестве операций, выполняемых за одну секунду
(опер./с). В те времена компьютеры использовались главным образом для
математических расчетов, поэтому имелись в виду арифметические и логические операции.
Такая характеристика быстродействия позволяла спрогнозировать время решения
математической задачи. На современных компьютерах гораздо более разнообразны
типы решаемых задач, виды обрабатываемой информации. Единица «опер./с» сейчас
не употребляется. Скорость работы компьютера зависит от целого ряда его
характеристик. Важнейшими из них являются две характеристики процессора: тактовая
частота и разрядность. Можно использовать аналогию понятию тактовой
частоты с частотой ударов метронома, задающего темп исполнения музыкального
произведения. Кстати, эту музыкальную аналогию можно усилить, если сказать о
том, что различные устройства компьютера подобны музыкантам ансамбля,
исполняющим одно произведение. Своеобразной партитурой здесь является
программа, а генератор тактовой частоты задает темп исполнению. И чем быстрее
он «стучит», тем быстрее работает компьютер, решается задача.
Разрядность процессора — это
размер той порции информации, которую процессор может обработать за одну
операцию (одну команду). Такими порциями процессор обменивается данными с оперативной
памятью. На современных компьютерах чаще всего используются 32- и 64-разрядные
процессоры. Фактически разрядность тоже влияет на быстродействие, поскольку,
чем больше разрядность, тем больший объем информации может обработать процессор
за единицу времени.
В архитектуре различных типов
ПК имеются свои особенности. Например, в IBM PC между
микропроцессором и внутренней памятью имеется линия прямой связи, помимо общей
шины. Клавиатура с микропроцессором также связана отдельным каналом. Схема на
рис. 9.3 носит упрощенный, обобщенный характер. В качестве дополнительной
информации учитель может рассказать об особенностях архитектуры модели
школьного ПК, используя дополнительную литературу, например, для IBM PC пособие [11].
Однако нужно соблюдать меру и не «сваливать сразу на головы детей» множество
технических подробностей. Такую информацию следует давать постепенно,
небольшими порциями в течение всего курса.
Видеосистема персонального
компьютера. В учебнике
[6] дается описание состава и принципов работы технических средств компьютерной
графики. Следует напомнить учащимся, что при первом знакомстве с устройством
компьютера говорилось о том, что работой каждого внешнего устройства ПК
управляет специальный контроллер. Основным устройством вывода графических
изображений является дисплей. Работой дисплея управляет видеоконтроллер.
Употребляется также другой термин для обозначения этого устройства —
видеоадаптер; в комплекте устройств ПК его еще называют видеокартой.
Основные представления об
устройстве дисплея, которые должны извлечь ученики из этого материала:
дискретная (пиксельная) структура экрана; сетка пикселей (растр); сканирование
растра электронным лучом; частота сканирования; трехцветная структура пикселя
цветного монитора. Данный материал изобилует физическими понятиями: электронный
луч, люминесценция, смешение трех базовых цветов. Эти понятия относятся к
областям электроники и физической оптики, еще не знакомым ученикам из курса
физики. Не следует долго и подробно задерживаться на этих вопросах. Вполне
достаточно того описательного уровня объяснения, который приведен в учебнике.
Впоследствии в старших классах на уроке физики ученики подробно узнают о сути
данных физических явлений. Первое же знакомство с ними на уроке информатики
станет своеобразной пропедевтикой и, кроме того, хорошей иллюстрацией системности
научных знаний.
Материал данного раздела
позволяет «заглянуть внутрь» видеоконтроллера. Как и раньше, это знакомство
происходит на уровне архитектуры, т.е. не изучаются вопросы технической
реализации, а дается лишь функциональное описание. С этой точки зрения
видеоконтроллер состоит из двух частей: видеопамяти и дисплейного процессора.
Ученикам следует дать представление о роли этих устройств в процессе получения
изображения на экране.
Основной универсальный для
ЭВМ принцип заключается в том, что компьютер работает с информацией, хранящейся
в его памяти в двоичном виде. Следовательно, всякое изображение на экране — это
отражение информации в памяти ЭВМ — видеоинформации. Первоначально
видеоинформация формируется в оперативной памяти (при открытии графического
файла, при рисовании в графическом редакторе). Вывод на экран происходит в
результате передачи видеоинформации контроллеру монитора: информация записывается
в видеопамять и сразу же воспроизводится на экране, вследствие непрерывной работы
дисплейного процессора, управляющего работой монитора. Таким образом,
видеопамять является своеобразным буфером между ОЗУ и дисплеем. Смена
«картинки» на экране является следствием смены содержимого видеопамяти. Ученики
должны понять, что система вывода на экран работает совершенно одинаково, не
зависимо от того, какого рода информация выводится: текст ли это, неподвижный
рисунок или анимация.
В качестве устройства ввода
изображения с листа в компьютерную память используется сканер. Следует
подчеркнуть взаимообратную функцию системы вывода изображения на экран и
системы ввода изображения с помощью сканера (рис. 9.4).

Рис. 9.4. Преобразование
видеоинформации при выводе
               на экран и при
сканировании

Изучение архитектуры ЭВМ
на учебных моделях. Основные
идеи архитектуры ЭВМ были сформулированы в конце 40-х гг. XX в. Джоном фон Нейманом. Эти идеи принято называть принципами
Неймана. К их числу относятся:
1) состав устройств и
структура однопроцессорной ЭВМ;
2) использование двоичной
системы счисления в машинной арифметике;
3) адресуемость памяти ЭВМ;
4) хранение данных и программ
в общей памяти ЭВМ;
5) структура машинной команды
и состав системы команд процессора;
6) цикл работы процессора
(алгоритм выполнения программы процессором).
Изучение архитектуры ЭВМ в
базовом курсе информатики фактически сводится к раскрытию перечисленных
принципов. Первые четыре принципа уже присутствовали в рассмотренном ранее
материале.
Как уже было сказано,
представление пользователей об архитектуре ЭВМ может иметь разный уровень
глубины. Наиболее глубокие знания архитектуры требуются программистам. Как
любой школьный предмет курс информатики наряду с другими педагогическими
задачами должен выполнять и профориентационную задачу. Профессия программиста в
наше время является достаточно популярной и престижной. Именно программистами
созданы все существующие средства системного и прикладного программного
обеспечения ЭВМ.
Знание принципов 5 и 6 из
перечисленного списка необходимы профессиональному программисту. В любом
случае, знакомство с ними углубляет фундаментальную компоненту содержания
базового курса.
Было бы слишком сложно в
рамках базового курса изучать эти вопросы в полном объеме на примере реальной
ЭВМ. Поэтому в ряде учебников информатики используется следующий методический
прием: рассматривается некоторая упрощенная модель реального компьютера. Будем
называть такую модель учебным компьютером (УК). К числу таких моделей
относятся: «Кроха» из учебника А. Г. Гейна и др. [12], «Малютка» из учебника
[2]; ToyCom из пакета учебного ПО фирмы БИТ. В учебниках А. П. Ершова
[15] и А. Г. Кушниренко [14] также рассматривается упрощенная модель работы
процессора с архитектурой типа PDP-11. Учебный компьютер с архитектурой
процессора типа Intel описан и реализован Е. А. Ереминым [3]. В учебнике
И.Г.Семакинаидр. [6] введена модель учебного компьютера, которая носит название
«Нейман». Этим названием авторы хотели подчеркнуть тот факт, что архитектура
данной модели полностью соответствует принципам Неймана. Для любого варианта
учебных компьютеров можно предложить общую методическую схему их использования
в базовом курсе информатики.
1. Определить назначение
учебного компьютера.
Большинство известных моделей
учебных компьютеров предназначены для выполнения арифметических вычислений с
целыми числами.
2. Определить структуру
оперативной памяти. Например:
— В УК «Малютка» память
содержит 256 12-разрядных ячеек; адреса ячеек изменяются от 0 до FF (в шестнадцатеричной системе).
— В УК «Нейман» объем памяти
— 256 байт; память делится на 64 ячейки по 4 байта (32-разрядные); адреса ячеек
изменяются с шагом 4: 0, 4, 8, С, ..., FC.
3. Описать способ
внутреннего представления данных. Обычно это представление целых чисел в
формате с фиксированной точкой.
4. Описать структуру
команды процессора.
Всякая машинная команда
состоит из двух частей: кода операции (КОП) и адресной части.

коп

Адресная часть

В машинной команде может
содержаться следующая информация:
1) какая выполняется
операция;
2) какие используются
операнды;
3) куда поместить результат
операции;
4) какую команду выполнять
следующей.
Ответ на вопрос 1 задается
кодом операции — КОП. Ответы на вопросы 2—4 чаще всего определяются указанием
адресов памяти, где хранятся операнды, куда помещается результат, где хранится
следующая исполняемая команда.
В зависимости от структуры
адресной части команды процессоры ЭВМ делятся на трехадресные, двухадресные,
одноадресные и безадресные (стековые). Например, команда УК «Малютка» имеет
одноадресную структуру.

КОП

Адрес

Для арифметических операций в
адресной части указывается адрес ячейки памяти, содержащей один из операндов;
второй операнд — содержимое регистра-сумматора, результат операции также
получается в сумматоре. В командах передачи управления указывается адрес
команды, на которую производится переход.
Команды УК «Нейман» имеют
трехадресную структуру.

 коп

 А1

 А2

A3

Каждая часть команды занимает
1 байт. Во всех командах используется прямая адресация памяти: Al, A2, A3 — адреса ячеек ОЗУ. В арифметических командах Al, A2 — адреса операндов, A3 — адрес результата. В команде пересылки
А1 — адрес исходного слова, A3 — адрес пересылки. Затем выполняется команда из
следующей ячейки. В командах управления A3 — адрес следующей исполняемой
команды.
5. Описать систему команд.
Согласно принципам Неймана в
систему команд процессора должны входить следующие типы команд:
— арифметические и
логические команды: выполняют четыре действия арифметики и некоторые логические
операции;
— команды внутренней
пересылки данных: позволяют перемещать полностью машинные слова или байты
из одного места памяти в другое;
— команды передачи
управления: служат для определения порядка выполнения команд программы
(условные и безусловные переходы);
— команды ввода-вывода: служат
для организации обмена данными между оперативной памятью и внешними
устройствами.
Таблица 9.3
Система команд СМ
«Малютка» (шестнадцатеричное представление)

КОП

Вид команды

Операция

Пояснение

0

0а

Пересылка из ОП в сумматор

(а) => $

1

1а

Пересылка из сумматора в ОП

($) => а

А

Аа

Сложение сумматора с содержимым ячейки
  ОП

($)+(а) => $

В

Ва

Умножение сумматора на содержимое ячейки
  ОП

($)*(а) => $

4

4а

Безусловная передача управления на
  ячейку ОП

а=>СчК

D

Da

Передача управления на ячейку ОП, если
  содержимое сумматора меньше или равно 0

С

С0

Вывод содержимого сумматора на табло в
  формате целых чисел

3

30

Смена знака сумматора

- ($) => $

F

F0

Останов машины

В табл. 9.3 запись «а» и «$»
обозначает адрес ячейки и «адрес» сумматора. Запись «(а)» и «($)» обозначает
содержимое ячейки с адресом «а» и содержимое сумматора соответственно; ОП —
оперативная память.
Таблица 9.4
 Система команд УК
«Нейман» (шестнадцатеричное представление)

КОП

Вид
команды

Операция

Пояснение

00

00 al - аЗ

Пересылка

(al) => аЗ

01

01 al a2 аЗ

Сложение

(al) + (а2) => аЗ

02

02 al a2 аЗ

Вычитание

(al) - (a2) =>аЗ

03

0За1а2аЗ

Умножение

(al)*(a2) =>аЗ

0В

0В-- аЗ

Безусловный переход

0А

0А ----- аЗ

Условный переход на ячейку аЗ, если
  результат предыдущей команды больше 0

77

77 -------

Останов машины

FF

FF -------

Пустая команда

При выполнении пропускается

В табл. 9.4 знак « — »
означает, что соответствующие операнды в выполнении команды не участвуют.
6. Привести пример
простейшей линейной программы на языке машинных команд учебного компьютера.

Пример. Даны значения целых чисел b, с, d, e. Составить программу вычисления по формуле:
a = bxc — dxe.
Решение. Сначала запишем алгоритм на алгоритмическом
языке с учетом особенностей систем команд учебных компьютеров (табл. 9.4, 9.5).

Алгоритм, ориентированный на СМ «Малютка» ($ -
  ячейка-сумматор)
алг Пример_1
цел a, b, c, d, e, r
нач ввод b
ввод с
ввод d
ввод е
$: = b
$: = $*c
a: = $
$: = d
$: = $*e
$: = -$
$: = $ + a
a: = $
вывод а
кон

Алгоритм, ориентированный на УК «Нейман»
алг Пример_1
   цел a, b, c, d, e,r
        нач
  ввод b
                ввод
  с
                ввод d
                ввод е

  a: = b*c

  r: = d*e

  a: = a – r
                вывод
  а
        кон

          Программа на ЯМК СМ «Малютка»
(все адреса и коды операций даются в шестнадцатеричной системе счисления;
память под переменные отводится перед программой) (табл. 9.5).
Таблица 9.5

Адрес

КОП

А1

Комментарий

00

0

06

Программа начинается с ячейки 06

01

Здесь будет значение переменной а

02

Сюда вводится значение переменной b

03

Сюда вводится, значение переменной с

04

Сюда вводится значение переменной d

05

Сюда вводится значение переменной е

0б

0

02

$:=b

07

в

03

$:=$хс

08

1

01

a:=$

09

0

04

$:=d

0А

в

05

$: =$хе

0В

3

00

$:=-$

ОС

А

01

$:=$ + а

OD

1

01

a:=$

ОЕ

С

00

Вывод а (содержимого сумматора)

OF

F

00

Останов машины

Программа на ЯМК УК «Нейман»
(все адреса и коды операций даются в шестнадцатеричной системе счисления;
память под переменные отводится после программы: ячейка с адресом 30 —
переменная b, 34 — с, 38 — d, ЗС — е, 40 — а, 44 — г) (табл. 9.6).
Таблица 9.6

Адрес

КОП

А1

А2

A3

Комментарий

00

00

FC

00

30

Ввод b

04

00

FC

00

34

Вводе

08

00

FC

00

38

Ввод d

ОС

00

FC

00

ЗС

Ввод е

10

03

30

34

40

а:=Ьхс

14

03

38

зс

44

r:=dxe

18

02

40

44

40

а:=а— г

1C

00

40

00

FC

Вывод а

20

77

00

00

00

Останов машины

7. Описать структуру
процессора учебного компьютера.
В состав любого процессора
входят три основных составляющих:
— АЛУ — арифметико-логическое
устройство: блок, выполняющий арифметические и логические команды программы;
— УУ — устройство управления:
управляет работой компьютера по заданной программе;
— регистры процессорной
памяти: служат для размещения всей необходимой информации для выполнения
очередной команды.
Набор регистров и их функции
различаются у процессоров разных типов. Однако есть регистры, которые
обязательны для любого процессора. Это регистр-счетчик команд (СчК) — хранит
адрес очередной выполняемой команды; регистр команд (РК) — хранит код очередной
выполняемой команды; регистр-признак результата — позволяет организовывать
передачи управления в зависимости от результата вычисления. Используются и
другие регистры: сумматоры, регистры общего назначения и пр.
8. Описать алгоритм работы
процессора.
В самом общем виде его можно
описать так:

Начало В СчК поместить адрес первой команды программы
В РК занести команду по адресу СчК
Пока не команда ОСТАНОВ, повторять
Начало цикла
занести в СчК адрес следующей команды
Выполнить команду из РК
В РК занести команду по адресу СчК
Конец цикла
Конец

Алгоритм имеет циклическую
структуру, поэтому называется циклом работы процессора.
Дальнейшее использование
учебного компьютера зависит от поставленных педагогических целей. Если ставится
задача: дать представление о языке машинных команд, о структуре и работе
процессора, то задач более сложных, чем рассмотрена выше, предлагать ученикам
не нужно.
Программирование на языке
машинных команд циклов и ветвлений выходит за рамки этой задачи. Такой подход
используется в учебнике [6]. Однако если учебный компьютер используется в
углубленном варианте изучения информатики или в профильном курсе программирования,
то круг решаемых задач может быть значительно расширен. Практический материал
по этой теме приведен в пособии [5].

9.3. Развитие представлений учащихся
о программном обеспечении ЭВМ

Подходы к раскрытию темы в учебной литературе

Во всех учебниках по базовому
курсу информатики тема программного обеспечения (ПО) находит отражение. С
течением времени она становится все более актуальной. В первом школьном
учебнике [15] обзор ПО дается в самом конце курса. Поскольку курс
ориентировался на безмашинное изучение, то описание ПО носит чисто
ознакомительный характер. В учебниках второго поколения [12, 13] в небольшом
объеме появляется тема прикладного ПО; присутствуют практические задания на
работу с текстовыми и графическими редакторами, базами данных, электронными
таблицами. Однако связующее звено ПО ЭВМ — операционная система — практически
не рассматривается. Не затрагиваются вопросы работы с файлами. Главной причиной
этого являлось то обстоятельство, что в период конца 1980-х — начала 1990-х гг.
в школьных компьютерных классах большей частью использовались отечественные комплекты
учебной вычислительной техники — КУВТ. Работа за ученическими-машинами в таких
классах не требовала от учеников умения взаимодействовать с операционной
системой. На уроках они работали с прикладными программами, загруженными
заранее учителем с центрального компьютера, или с интерпретатором Бейсика,
прошитом в ПЗУ.
В 1990-х гг. в школах
появляется все большее число профессиональных ПК, главным образом — IBM PC. Становится
необходимым умение учеников работать с дисками, ориентироваться в файловой
структуре дисков, а следовательно — взаимодействовать с операционной системой
(ОС). Возникает необходимость в изучении программного обеспечения ЭВМ как
единой системы, главной частью которой является ОС. В учебнике [10] довольно
подробно описывается состав операционной системы MS-DOS и работа с ней. Там же приводится краткая информация о
работе с Windows (версия 3.1), рассматриваются прикладные программы,
работающие в среде Windows.
В учебнике [6] с самого
начала даются системные представления о программном обеспечении компьютера.
Однако делается это в инвариантной форме, т.е. без привязки к конкретным видам
и версиям программ; описываются лишь общие принципы. Привязку этих принципов к
конкретным видам ПО должен выполнять учитель на уроках. Безусловно, для этого
ему нужна дополнительная литература. Получив в самом начале базовые
представления о назначении, структуре и составе ПО, ученики будут расширять и
конкретизировать эти представления в ходе освоения конкретных видов ПО в разных
темах курса.

Методические рекомендации по изложению
теоретического материала

Изучаемые вопросы:
ª Назначение программного обеспечения ЭВМ.
ª Классификация программного обеспечения
ЭВМ.
ª Что такое прикладное ПО.
ª  Назначение систем программирования.
ª Основные функции операционной системы.
ª Начальные сведения об организации файлов.
Основная педагогическая
задача этой линии базового курса — привести учеников к пониманию того факта,
что современный компьютер представляет собой двуединую систему, состоящую из
аппаратной части (технических устройств) и информационной части (программного
обеспечения). Полезно познакомить учащихся с терминами hardware & software — твердая
компонента и мягкая компонента компьютера, поскольку в последнее время они
употребляются довольно часто.

КОМПЬЮТЕР  =  АППАРАТУРА  +
 ПРОРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

(hardware)                                   (software)

Логика раскрытия этой темы
учителем может быть отражена в следующих рассуждениях. Если компьютер выполняет
любую работу только под управлением программы, то значит ли это, что человек,
желающий воспользоваться компьютером, должен уметь программировать? Если бы
компьютер представлял собой только «голую» аппаратуру, то это было бы так.
Причем программировать пришлось бы на языке процессора. Так было на самых первых
ЭВМ, на которых могли работать только профессиональные программисты.
Современный компьютер
доступен практически каждому. Эта доступность обеспечена тем, что компьютер
оснащен богатым программным обеспечением. Программное обеспечение — это
совокупность программ, хранящихся на устройствах долговременной памяти
компьютера и предназначенных для массового использования. И если пользователю
требуется выполнить какую-то работу на компьютере, то он должен выбрать
подходящую для этих целей программу из ПО и инициализировать ее выполнение.
Таким образом, использование компьютера человеком происходит по такой схеме:

Задача ® Выбор и инициализация программы ® Работа

Здесь термин «задача»
понимается в самом широком смысле и обозначает любую информационную потребность
пользователя, которую можно удовлетворить с помощью компьютера: создать
текстовый документ, нарисовать иллюстрацию, выполнить вычисления, получить
справку, принять и отправить электронную почту и т.д.
В дальнейшем учителю
необходимо будет обращать внимание на то, чтобы ученики отчетливо понимали, с
помощью каких программных средств какие информационные задачи можно решать. При
этом они должны научиться отделять задачи системного характера от задач
прикладного характера. Например, понимать, что копирование или удаление файлов
осуществляется с помощью операционной системы, а редактирование текстового
документа — с помощью текстового редактора, т.е. прикладной программы.
Сделаем еще два замечания,
суть которых должна быть понятна учителю и при необходимости может быть
объяснена ученикам.
Во-первых, программное
обеспечение — это не только собственно программы, но и данные, с которыми
работают эти программы. Данные и программы хранятся на дисках в отдельных
файлах. Часто объем данных во много раз превышает размеры программ. Например,
нередко размер баз данных, графической информации, мультимедийных продуктов
много больше, чем размер программ, позволяющих работать с ними. В учебнике [6]
использована аналогия с человеком: «твердая компонента» — это анатомия и
физиология человека, «мягкая компонента» — это интеллект, знания человека,
которые бывают декларативными и процедурными. Знания компьютера — это данные
(декларативная информация) и программы (процедурная информация) в его памяти.
Учитывая все вышесказанное, можно сделать вывод, что более адекватным аналогом
термина software является термин «информационное обеспечение компьютера».
Работа в среде современных
объектно-ориентированных операционных систем (Windows) может происходить по схеме, отличной от приведенной выше.
Пользователь может выбрать хранимые данные, с которыми он собирается работать,
а операционная система автоматически инициирует выполнение нужной программы
обработки данных. Но и в этой ситуации грамотный пользователь (а именно такими
мы хотим воспитать своих учеников) должен понимать, какая программа будет
выполняться на компьютере.
Во-вторых, для компьютеров,
работающих в составе компьютерных сетей, представление о программном
(информационном) обеспечении выходит за границы дискового пространства ПК. Для
таких ПК оказываются доступными информационные ресурсы компьютеров-серверов. С
подключением компьютера к сети Интернет эти ресурсы становятся практически
неограниченными.
Классификация программного
обеспечения. В учебнике
[6] рассматривается классификация ПО, согласно которой все программы делятся на
системные, прикладные и системы программирования (рис. 9.5). Надо
сказать, что это не единственный вариант классификации ПО, который встречается
в литературе. Подобные классификации носят, в некотором смысле, субъективный
характер. Однако рассмотренное в учебнике деление является одним из наиболее
распространенных, и в него хорошо вписываются все те программные продукты, с
которыми будут знакомиться ученики в процессе изучения информатики. Между
программами, относящимися к этим трем группам, есть достаточно четкое различие
по их назначению.

Рис. 9.5.
Структура программного обеспечения ЭВМ

Что такое прикладное
программное обеспечение. Проще
всего ученикам понять назначение прикладных программ. Это те программы,
которые непосредственно удовлетворяют информационные потребности пользователя:
поиграть в компьютерную игру, напечатать рассказ, нарисовать рисунок на экране
и распечатать его на бумаге, найти в компьютерном словаре перевод английского
слова; выполнить вычисления с помощью калькулятора, изображенного на экране;
изучить с помощью компьютера правила уличного движения и многое другое. Задача
учителя — рассказать ученикам, а еще лучше — продемонстрировать разнообразные
прикладные возможности современных компьютеров. То, что принято называть
современными информационными технологиями, прежде всего, состоит из множества
прикладных программ. На первом же уроке по данной теме приведите примеры
некоторых прикладных программ, имеющихся на школьных компьютерах. Например,
если в вашем классе используются IBM PC с операционной системой Windows, представьте
программы из группы «Стандартные»: «Калькулятор», «Блокнот», «Paint», объяснив их назначение.
Подробное изучение средств
прикладного программного обеспечения происходит при изучении тем, относящихся к
содержательной линии «Информационные технологии». В рамках базового курса
ученики знакомятся лишь с прикладными программами общего назначения: текстовыми
и графическими редакторами, системами управления базами данных, табличными
процессорами, сетевыми программами: броузерами, поисковыми серверами. Назначение
систем программирования. Первоначальное представление о системах программирования
должно быть дано в самом общем виде. Ученикам необходимо получить
представление о том, что
• программы для компьютера
составляют программисты;
• программисты пишут программы на языках
программирования;
• существует множество различных языков
программирования (Паскаль, Бейсик, Фортран и др.);
• системы программирования
позволяют программисту вводить программы в компьютер, редактировать,
отлаживать, тестировать, исполнять программы.
Полезно сообщить ученикам, с
каким из языков программирования им предстоит познакомиться в школе.
В разделе базового курса
«Введение в программирование» ученики получают начальные представления и навыки
работы с одной из систем программирования на языке высокого уровня. Чаще всего
в школе изучаются языки Бейсик или Паскаль.
Основные функции
операционной системы. Более
сложной задачей является объяснение назначения системного ПО. Нужно дать понять
ученикам, что системное ПО предназначено, прежде всего, для обслуживания самого
компьютера, для управления работой его устройств. Главной частью системного ПО
является операционная система (ОС). ОС — это очень сложная программная
система. В рамках базового курса невозможно и не нужно детально объяснять ее
состав и функции. Но общее назначение, роль ОС в работе компьютера ученики
должны представлять.
В начале нужно сообщить
ученикам название ОС, используемой в школьных компьютерах. Например: «Наши
компьютеры работают под управлением операционной системы MS-DOS (или СР/М, или Windows 98)». Фразу нужно построить именно так, чтобы подчеркнуть, что ОС управляет
работой компьютера. Сообщите, что при включении компьютера происходит загрузка
операционной системы в оперативную память ЭВМ. Точнее говоря, в ОЗУ загружается
с магнитного диска ядро ОС, т.е. та часть системы, которая должна
постоянно находиться в оперативной памяти, пока работает компьютер. Диск, на
котором хранится ОС и с которого происходит ее загрузка, называется системным
диском.
Любые операционные системы,
независимо от типа, выполняют три основные функции:
1) управление устройствами
компьютера;
2) взаимодействие с
пользователем;
3) работа с файлами.
Не вдаваясь в излишние
подробности, учитель должен дать представление ученикам о функциях операционной
системы на примере конкретной ОС, используемой в классе. Эти представления
должны оставаться в рамках сведений, необходимых для работы пользователя с ПК.
Итак, вы сообщили ученикам,
как называется ваша ОС. Далее нужно сказать о том, какой режим работы
поддерживает данная система: однозадачный или многозадачный. Например, MS-DOS поддерживает однозадачный
режим работы компьютера. Это значит, что в данный момент на компьютере
может выполняться только одна программа, запущенная пользователем на исполнение
(инициализированная пользователем). И только после того, как выполнение этой
программы будет завершено, пользователь может инициализировать другую
программу. А вот операционная система Windows поддерживает многозадачный
режим работы компьютера[7].
Пользователь может запустить
сразу несколько прикладных программ и работать с ними одновременно. Запущенные
программы называются активными задачами, и все они отражаются значками
на панели задач Windows. Например,
можно одновременно запустить программы «Калькулятор», «Блокнот», «Paint»; на экране появятся окна этих программ.
Пользователь, переходя из одного окна в другое, может поочередно работать с
этими приложениями. При таких переходах предыдущая программа не закрывается, т.
е. не выгружается из оперативной памяти, и в любой момент готова продолжить
свою работу, как только пользователь вернется в ее окно.
Нередко встречается такая
ситуация, когда одна из запущенных программ требует длительного времени для
своей работы. Например, большие математические вычисления или проверка дисков
на наличие вирусов. В таком случае эта программа выполняется в фоновом
режиме, т. е. ее исполнение не прекращается до полного завершения, а в это
же время (на ее фоне) пользователь может выполнять какую-то оперативную работу
с другими программами, например, может набирать текст в текстовом редакторе.
В поддержке многозадачного
режима работы проявляется одна из сторон управляющей функции операционной
системы: управление процессором и оперативной памятью. Для одновременного
выполнения нескольких программ операционная система должна разделять между
ними время работы процессора, следить за размещением этих программ и
данных в памяти так, чтобы они не мешали друг другу (разделять память).
Управление внешними
устройствами компьютера — еще одна из сторон первой функции ОС. В состав
операционной системы входят специальные программы управления внешними
устройствами, которые называются драйверами внешних устройств. Для каждого
типа и каждой конкретной модели внешнего устройства существует свой драйвер.
Иногда ОС автоматически подбирает подходящий драйвер, иногда об этом приходится
заботиться пользователю.
Научиться работать на
компьютере — это значит, прежде всего, научиться взаимодействовать с
операционной системой. Обычно пользователь, привыкший работать в яреде какой-то
определенной ОС, сталкиваясь с незнакомой ему системой, с непривычной
обстановкой на экране, испытывает растерянность. В компьютерной терминологии
для обозначения способа, взаимодействия программы с пользователем принят термин
пользовательский интерфейс. Очень удобно, когда пользовательский
интерфейс унифицирован. Примером такого унифицированного интерфейса является
среда диалоговой оболочки Norton
Commander (NC). Ее аналоги реализованы в различных операционных системах. Не
очень грамотный пользователь может и не знать, с какой ОС он работает, но
ориентироваться в интерфейсе NC. Однако, как
уже отмечалось, одна из целей базового курса — подготовка грамотного
пользователя. Поэтому ученики должны видеть за оболочкой операционную систему.
Примером другого унифицированного системного интерфейса является «Рабочий стол»
Windows. Это объектно-ориентированная графическая
среда. С появлением новых версий ОС Windows она может в
чем-то совершенствоваться, но основные принципы будут сохраняться для
соблюдения преемственности, для удобства пользователя.
Основные пользовательские
навыки работы с операционной системой сводятся к следующему:
• уметь находить нужную
программу и инициализировать ее выполнение;
• уметь выполнять основные
операции с файлами: копировать, переносить, удалять, переименовывать, просматривать
содержимое файлов;
• получать справочную
информацию о состоянии компьютера, о заполнении дисков, о размерах и типах
файлов.
Общение операционной системы
с пользователем происходит в диалоговом (интерактивном) режиме в форме:
<приглашение
ОС> — <команда, отдаваемая пользователем>
Такая схема универсальна.
Однако в зависимости от используемого интерфейса, как форма приглашения, так и
способ передачи команды могут быть разными. Если работа происходит без
использования какой-либо удобной диалоговой оболочки, то общение пользователя с
ОС производится через командную строку. Такое возможно, например, при
работе с СР/М или MS-DOS. На
экране в командной строке появляется символьный курсор, указыва-
ющий на то, что система
готова к приему команды. Обычно в командной строке еще указывается текущий диск
и текущий каталог, с которым готова работать ОС. Такое состояние командной
строки пользователь должен воспринимать как приглашение системы к вводу
команды. Далее пользователь через клавиатуру вводит нужную команду. При этом он
должен точно соблюдать синтаксис команды, иначе она не будет воспринята.
Например:
С:\> сору
filel.txt A:\file2.txt
Перед значком «>» стоит
информация, выводимая с приглашением ОС, которая указывает на текущий диск (С)
и текущий каталог (корневой). После значка «>» записана команда, которую
ввел пользователь. Ее смысл: скопировать файл с именем filel.txt с текущего диска и каталога в корневой каталог диска А под
новым именем file2.txt.
Совокупность команд, которые
понимает операционная система, составляет язык команд ОС. В таком режиме
общения — режиме командной строки, пользователь должен знать язык команд со
всеми подробностями его синтаксиса. Сейчас весьма редко работают на ПК в режиме
командной строки. Основным средством общения являются диалоговые оболочки. Но,
независимо от того, используется диалоговая оболочка или нет, у любой ОС
существует свой язык команд.
Работая с диалоговой
оболочкой, пользователь также формирует команды ОС, только при этом он
использует вспомогательные средства, упрощающие его работу. При работе с
оболочками признаком приглашения ОС является появление на экране среды
(интерфейса) оболочки: панелей NC или Рабочего стола
Windows. Пользователь отдает команды путем
выбора из представленных на экране меню нажатием функциональных клавиш или
каких-либо групп клавиш. Использование оболочек освобождает пользователя от
необходимости знать подробности синтаксиса языка команд ОС. Однако пользователь
должен понимать, какие именно команды он может отдать и как это сделать. Интерфейс
современных оболочек ОС достаточно дружественен к пользователю. В нем
применяются многочисленные формы подсказок и пояснений.
Начальные сведения об
организации файлов. Третья
функция операционной системы — работа с файлами. Эта работа осуществляется с
помощью раздела ОС, который называется файловой системой. Первоначальные
понятия, которые должны быть даны ^ученикам по данной теме, — это имя файла,
тип файла, файловая ^структура, логический диск, каталог, путь к файлу, дерево
катало-foe. Все эти понятия, в частности раскрываются в учебнике [6]. Шдесь
учителю также следует ориентировать учеников на конкретную операционную
систему. Допустим, если вы работаете с MS-DOS, то говорите ученикам, что имя файла
может содержать не более 8 символов — латинских букв и цифр; для Windows сообщаете, что имя файла может быть длинным (до 255 символов) и
допускает использование русских букв.
Рассказывая о типах файлов и
связи типа с расширением имени файла, в первую очередь разделите файлы на
программные (их еще называют исполняемыми файлами) и файлы данных. Снова
напомните ученикам, что вся информация в компьютере делится на программы и
данные. Программные файлы имеют расширение имени .ехе или .сот. Есть
еще один вид исполняемых файлов — это так называемые командные файлы с
расширением .bat. Они представляют собой программы,
написанные на командном языке ОС, и выполняют некоторые системные функции. Все
прочие типы файлов — это файлы данных. В дальнейшем при изучении каждого нового
приложения обращайте внимание учеников на типы файлов, с которыми это
приложение работает. Так постепенно они узнают, что текстовый редактор Word сохраняет создаваемые документы в файлах типа .doc; графический редактор Paint создает файлы
типа .Ьтр; табличный процессор Excel — файлы типа .xls и пр. Полезно в самом начале обратить
внимание учеников на расширения .arj, .rar, .zip. В таких файлах может храниться любая информация (программы и
данные) в сжатом виде. Их называют архивными файлами. Сжатие (архивацию)
информации производят для сокращения занимаемого места в памяти при длительном
хранении информации.
Вводить понятие логического
диска имеет смысл лишь при наличии на вашем компьютере жесткого диска
(винчестера). Только память жесткого диска делится на части, каждой из которых
присваивается свое имя (С:, D: и т.д.) и в
этом случае различают понятия физического и логического дисков. Если же
компьютер обладает только накопителями для дискет, то можно просто говорить о
дисках А: или В:, не употребляя эпитеты «логический» или «физический».
Понятие «дерева» каталогов
характерно для операционных систем, работающих с иерархическими файловыми
структурами. На IBM это MS-DOS и Windows. На простых учебных ЭВМ типа Корвет,
Электроника-УКНЦ используются операционные системы СР/М, RT-11. В них создаются простые одноуровневые
файловые структуры, для которых понятие «дерево» отсутствует. Под каталогом
(директорией) диска понимается общий список файлов на диске. Компьютеры и ОС
таких типов уходят в прошлое. В подавляющем большинстве случаев пользователю
современных ПК приходится иметь дело с иерархическими файловыми структурами.
Знакомство с иерархической
файловой структурой дисков имеет не только практическое значение, но и
теоретическое, общеобразовательное. Знакомясь с этим вопросом, ученики впервые
встречаются с информационной структурой, т.е. с системой данных, имеющих
определенную взаимосвязь. Эти вопросы будут затронуты впоследствии в теме «Базы
данных». Иерархические структуры — это один из распространенных способов
организации данных (наряду с сетевым и табличным). Наглядное представление о
файловой структуре дает дерево — графическое отображение иерархии
каталогов (папок) на диске. Учителю рекомендуется активно использовать
представление дерева на экране в оболочках NC или «Проводник» для Windows. Ученики
должны понять принципы навигации по файловому дереву, научиться перемещаться по
нему вверх и вниз. Вводя представление о пути к файлу, подчеркните факт
единственности пути к каждому файлу от корневого каталога. Полезно выполнить на
компьютере упражнения такого рода: учитель записывает на доске полное имя файла
(диск — путь — имя), ученики находят этот файл в директории на экране, работая
в одной из оболочек ОС. Например, на доске записано:
C:\WINDOWS\SYSTEM32\DRIVERS\update.sys
Задание: начиная от корневого
каталога диска С:, пройти указанный путь и найти файл. В следующем упражнении
попросите учеников перейти от файла, найденного в предыдущем задании, к файлу
со следующим полным именем:
C:\WINDOWS\JAVA\PACKAGES\DATA\bndrtz5v.dat
Обратите внимание учеников,
что единственный путь перехода, это возврат (движение вверх по «дереву») до
каталога WINDOWS, а затем движение вниз по новому
направлению.
В литературе для пояснения
представлений об иерархической файловой структуре часто используется аналогия с
системой шкаф — ящики — папки — документы: шкаф — физический диск; ящики —
логические диски, на которые поделен физический диск; папки — каталоги, которые
могут быть вложены друг в друга; документ — файл с информацией. Можно
предложить и другую аналогию, ассоциируемую со словом «дерево». Файлы — это
листья, каталоги (папки) — ветки. Правда, если понятие «корень» перевести в
буквальный «растительный» смысл этого слова, то аналогией файловой структуре,
скорее, будет куст, чем дерево. От корня может идти множество веток-каталогов,
но это более свойственно кустарнику. Путь, который надо пройти, чтобы найти
файл, можно ассоциировать с маршрутом, по которому должна проползти гусеница,
чтобы добраться до определенного листа или перебраться с одной ветки на другую.
Еще один полезный прием,
позволяющий усвоить понятие «полное имя файла». Как известно, полное имя файла
включает в себя как его собственное имя, так и его полный адрес во внешней
памяти: имя диска и путь к файлу на диске. Попросите учеников по аналогии
назвать свое «полное имя». Правильном будет ответ такого типа: «Россия, Москва,
Проспект Мира, дом 10, кв. 23, Сыроежкин Сергей Петрович». Полное имя включает
в себя подробный адрес. Его записывают на конверте письма, чтобы оно нашло
адресата. Так же по полному имени отыскиваются файлы на дисках.
Освоив навигацию по файловой
структуре, нужно переходить к основным операциям с файлами и каталогами. Эти
операции следует давать в таком порядке: просмотр содержимого файла,
копирование и перемещение файла, создание каталога (папки), удаление файла и
каталога, переименование файла и каталога. Работая с ОС Windows, приучайте учеников к приемам, характерным
для этой объектной среды: методике Drag&Drop, к использованию контекстного меню.
Безусловно то, что за
одно-два вводных занятия на эту тему ученики не смогут хорошо закрепить
практические навыки работы с файловой системой ОС. Основным результатом этих
уроков будет получение представления об организации файлов и понимание
возможностей работы с файлами. В последующих прикладных темах при выполнении
практических работ на компьютере в задания необходимо включать пункты,
требующие от учеников умения работать с дисками и файлами (сохранять,
копировать, переименовывать и пр.). Только в таком случае представления
перейдут у них в прочные навыки.

9.4. Требования к знаниям и умениям
учащихся по линии компьютера

Учащиеся должны знать:
• правила техники
безопасности при работе на компьютере;
• состав основных устройств
компьютера, их назначение и информационное взаимодействие;
• основные характеристики
компьютера в целом и его узлов (различных накопителей, устройств ввода и вывода
информации);
• структуру внутренней памяти
компьютера (биты, байты); понятие адреса памяти;
• типы и свойства устройств
внешней памяти;
• типы и назначение устройств
ввода-вывода;
• сущность программного
управления работой компьютера.
• принципы организации
информации на дисках: что такое файл, каталог (папка), файловая структура;
• назначение программного
обеспечения и его состав;
• основные этапы развития
информационно-вычислительной техники, программного обеспечения ЭВМ и
информационных технологий;
• *принципы архитектуры ЭВМ
Джона фон Неймана;
• *структуру машинной
команды;
• *состав процессора и
назначение входящих в него элементов (арифметико-логического устройства,
устройства управления, регистров);
• *как процессор выполняет
программу (цикл работы процессора);
• *состав и функции
операционной системы.

Учащиеся должны уметь:
• включать и выключать
компьютер;
• пользоваться клавиатурой;
• вставлять дискеты в
накопители;
• ориентироваться в типовом
интерфейсе: пользоваться меню, обращаться за справкой, работать с окнами;
• инициализировать выполнение
программ из программных файлов;
• просматривать на экране
директорию диска;
• выполнять основные операции
с файлами и каталогами (папками): копирование, перемещение, удаление,
переименование, поиск;
• доставить простую линейную
программу на языке машинных команд одного из учебных компьютеров («Нейман»,
«Кроха», «Малютка» и др.);
• *работатъ с сервисными
программами: архиваторами, анти-вирусниками и др.;
• *с помощью системных
средств управлять диалоговой средой операционной системы (оболочкой NC для MS-DOS, «Рабочим
столом» для Windows).

Вопросы для самоконтроля и обсуждения к главе 9

1. Какие темы базового курса
информатики относятся к содержательной линии компьютера?
2. С какой информацией может
работать современный компьютер? Можно ли утверждать, что компьютер может
работать с любой информацией, с которой имеет дело человек?
3. Зачем в ЭВМ используются
два формата представления чисел: с фиксированной точкой и с плавающей точкой?
Почему бы не ограничиться лишь одним «плавающим» форматом?
4. Как объяснить ученикам
смысл терминов «фиксированная точка», «плавающая точка»?
5. Какие основные принципы
организации таблиц символьной кодировки необходимо объяснить ученикам?
6. В чем различие между
растровым и векторным представлением изображения? Какой способ является более
универсальным?
7. Какое практическое
значение может иметь для пользователя понимание принципов внутреннего
представления изображения, выводимого на экран?
8. Придумайте рисунок
(чертеж, схему и т.п.), поясняющий смысл процесса дискретизации для
представления звука в памяти ЭВМ.
9. Есть ли аналогия между
понятием архитектуры применительно к строительству и применительно к
компьютерам? В чем она состоит?
10. Какие представления об
устройстве и работе ЭВМ входят в понятие «архитектура», а какие — нет?
11. В чем суть методической
идеи использования аналогии между человеком и компьютером при объяснении
устройства ЭВМ?
12. Дан перечень различных
носителей информации, используемых в ЭВМ: ОЗУ, ПЗУ, регистры процессора,
магнитные ленты, магнитные диски, оптические диски. Расположите их в порядке
возрастания информационной емкости носителя (в среднем); расположите их в
порядке возрастания быстродействия (уменьшения времени чтения/записи).
13. Перечислите обязательный
(минимальный) набор сведений, которые должны знать ученики об устройстве ПК.
14. Какие устройства входят в
состав видеосистемы ПК? Какие количественные характеристики определяют качество
работы видеосистемы ПК?
15. Дайте методическое
обоснование применению моделей учебных компьютеров в базовом курсе информатики.
16. Какие общие сведения
должны получить ученики, независимо от используемого типа учебного компьютера?
17. Предложите методический
подход к раскрытию идеи единства аппаратного и программного обеспечения
современного компьютера.
18. Почему знания о структуре
и составе программного обеспечения ЭВМ являются необходимыми, базовыми?
19. Как объяснить ученикам,
что такое прикладная программа?
20. С какими основными
свойствами операционных систем в первую очередь должны быть ознакомлены
ученики?
21. Какие первоначальные
сведения о назначении систем программирования должны быть сообщены ученикам?

9.5. Лабораторный практикум

Тема «Компьютер»

Основные вопросы:
1. Цели и задачи изучения
данной темы в базовом курсе информатики.
2. Роль и место учебного
материала, посвященного устройству и принципам работы компьютера, в реализации
общеобразовательного и мировоззренческого потенциала базового курса
информатики.
3. Структура и содержание
учебного материала по данной теме. Варианты построения учебного материала в
различных школьных учебных пособиях по информатике.
4. Основные понятия, которые
должны быть сформированы у учащихся при изучении учебного материала.
5. Дидактическая
целесообразность использования программных средств при изучении вопросов,
связанных с устройством и принципами работы компьютера.
6. Методика формирования у
учащихся представлений о программном обеспечении компьютера, его структуре и
основных видах.

Занятие 1
Тема «Методика формирования представлений об
основных устройствах компьютера, их функциях, взаимосвязи и принципах работы»
Задачи занятия:
1. Рассмотреть цели и задачи,
определить роль и место учебного материала по вопросам, связанным с устройством
и принципами работы компьютера в базовом курсе информатики.
2. Выявить базовые понятия
учебного материала, определить этапы, формы и методы их формирования.
3. Определить методы, формы,
средства и этапы изучения понятий, связанных с устройством компьютера и
принципами его работы.
4. Определить логическую
последовательность изучения базовых понятий.
5. Установить связи и
отношения между выделенными понятиями. Способ организации занятия: практикум.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[1, 5, 8, 9, 12, 13, 15, 18], программные средства [1, 2].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Изучить нормативные
документы, определяющие структуру и содержание учебного материала.
2. Познакомиться с различными
вариантами представления учебного материала по устройству и принципам работы
компьютера в программах базового курса информатики и провести сравнительный
анализ их содержания и программно-методического обеспечения.
3. Составить
терминологический словарь по базовым понятиям, связанным с устройством и
принципами работы компьютера, разработать логико-структурную модель учебного
материала.
4. Провести содержательный
анализ учебного материала по устройству и принципам работы компьютера,
представленного в школьных учебных пособиях по информатике.
План работы
1. Проанализировать учебные
пособия с целью выявления методических особенностей введения основных понятий,
связанных с устройством и принципами работы компьютера.
2. Построить логико-структурную
модель учебного материала.
3. На основе анализа учебных
пособий заполнить таблицу «Базовые понятия темы» (см. табл. 7.1).
4. Разработать тезаурус
понятий учебного материала.
5. Выявить и предложить
средства реализации внутрипредмет-ных и межпредметных иерархических связей в
процессе обучения учащихся устройству и принципам работы компьютера.
6. На основе учебного
материала заполнить таблицы «Базовые понятия» (см. табл. 7.1).
7. Обсуждение сообщений по данным табл. 7.2.
Формы и способы организации
учебной деятельности студентов: обсуждение вопросов плана, выступление с сообщением, работа в
группах; подведение итогов — беседа по вопросам, фронтальный и индивидуальный
опрос.

Занятие 2
Тема «Методические особенности изучения
учащимися вопросов, связанных с представлением данных в компьютере»
Задачи занятия:
1. Рассмотреть цели и задачи
изучения вопросов, связанных с представлением данных в компьютере, определить
роль и место учебного материала в базовом курсе информатики.
2. Выявить базовые понятия
учебного материала, определить этапы, формы и методы их формирования.
3. Определить методы, формы,
средства и этапы изучения понятий, связанных с представлением данных в
компьютере.
4. Определить логическую
последовательность изучения базовых понятий учебного материала.
5. Установить связи и
отношения между выделенными понятиями. Способ организации занятия: практикум.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[1, 6, 8, 12, 13, 15, 19], программные средства [1, 2].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Изучить нормативные
документы, определяющие структуру и содержание учебного материала.
2. Познакомиться с различными
вариантами представления учебного материала, связанного с представлением данных
в компьютере, в программах базового курса информатики и провести сравнительный
анализ их содержания и программно-методического обеспечения.
3. Составить
терминологический словарь по базовым понятиям, связанным с представлением
данных в компьютере, разработать логико-структурную модель учебного материала.
4. Провести содержательный
анализ учебного материала, связанного с представлением данных в компьютере, в
школьных учебных пособиях по информатике.
Ход работы
1. Построить
логико-структурную модель учебного материала.
2. На основе анализа учебных
пособий заполнить таблицу «Базовые понятия темы» (см. табл. 7.1).
3. Изучить программные
средства учебного назначения, используемые в процессе обучения информатике для
изучения способов представления в компьютере различных видов данных.
4. Выделить основные виды
задач, используемых в процессе изучения учебного материала, связанного с
представлением данных в компьютере.
5. Составить тематическое и
поурочное планирование учебного материала и представить результаты в табл. 7.3.

Занятие 3
Тема «Методика формирования у учащихся
представлений о программном обеспечении компьютера»
Задачи занятия:
1. Рассмотреть цели и задачи
изучения различных видов программного обеспечения компьютера, определить роль и
место учебного материала в базовом курсе информатики.
2. Выявить основные виды
программного обеспечения компьютера для организации изучения в базовом курсе
информатики.
3. Определить методы, формы,
средства и этапы изучения основных видов прикладного программного обеспечения
компьютера.
4. Выявить методические
особенности формирования представлений учащихся о системах программирования и
основных функциях операционной системы.
5. Установить связи и
отношения между выделенными понятиями.
Способ организации
занятия: практикум.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[6, 8, 9, 12, 13, 15], программные средства [3].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Изучить нормативные
документы, определяющие структуру и содержание учебного материала.
2. Познакомиться с различными
вариантами представления учебного материала, связанного с программным
обеспечением компьютера, в программах базового курса информатики и провести
сравнительный анализ их содержания и программно-методического обеспечения.
3. Составить
терминологический словарь по базовым понятиям, связанным с прикладным
программным обеспечением компьютера, системами программирования и операционными
системами; разработать логико-структурную модель учебного материала.
4. Провести содержательный
анализ учебного материала в школьных учебных пособиях по информатике.
Ход работы
1. Построить
логико-структурную модель учебного материала.
2. На основе анализа учебных
пособий заполнить таблицу «Базовые понятия темы» (см. табл. 7.1).
3. Изучить основные функции
прикладного программного обеспечения, систем программирования *л операционной
системы, изучаемых в базовом курсе информатики.
4. Выделить основные виды
задач, используемых в процессе организации изучения учащимися прикладных
программ общего назначения, систем программирования, операционных систем.
5. Составить тематическое и
поурочное планирование учебного материала и представить результаты в табл. 7.3.

Программные средства к
лабораторному практикуму:
1. Программно-методический
комплекс по курсу информатики «Первые уроки информатики».
2. Программно-методическая
система для изучения алгоритмизации и функционирования компьютера «Учебные
роботы».
3. Операционные системы: Windows, MS-DOS и др. Программы-оболочки: Norton Commander, Windows 3.1/3.11
и др.

Литература к главе 9

1. БочкинА.И. Методика
преподавания информатики: Учеб. пособие. — Минск: Вышэйш. шк., 1998.
2. Гейн А. Г., Сенокосов
А. И., Шолохович В. Ф. Информатика: Классы 7-9.-М.: Дрофа, 1998.
3. Еремин Е.А. Как
работает современный компьютер. — Пермь: Изд-во ПРИПИТ, 1997.
4. Изучение основ информатики
и вычислительной техники: Пособие для учителей / Под ред. А.П.Ершова,
В.М.Монахова. — М.: Просвещение, 1985.— Ч. 1,2.
5. Информатика:
Задачник-практикум: В 2 т. / Под ред. И. Г. Семакина, Е. К.Хеннера.— М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
6. Информатика: Учеб. по
базовому курсу / И.Г. Семакин, Л. А. Залогова, С.В.Русаков, Л.В.Шестакова. —
М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1998.
7. Информационная культура:
Кодирование информации. Информационные модели: 9—10 кл.: Учеб. для
общеобразоват. учеб, заведений. — М.: Дрофа, 1996.
8. Информационная культура:
11 кл.— М.: Дрофа, 1999.
9. Касаткин В. Н. Информация,
алгоритмы, ЭВМ: Пособие для учителя. — М.: Просвещение, 1991.
10. Кузнецов А. А.,
Апатова Н.В. Основы информатики: 8 — 9 кл. — М.: Дрофа, 1999.
11. Леонтьев В. Новейшая
энциклопедия персонального компьютера. — М.: Олма-ПРЕСС, 1999.
12. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для 10—11 кл. сред. шк. /А. Г.
Гейн, В. Г. Житомирский, Е.В.Ли-нецкий и др. — 2-е изд. — М.: Просвещение,
1992.
13. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для 10—11 кл. сред. шк. /
В.А.Каймин, А. Г. Щеголев, Е.А.Ерохи-на, Д. П.Федюшин. — М.: Просвещение, 1989.
14. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений / А. Г.
Кушниренко, Г.В.Лебедев, Р.А.Сво-рень. — М.: Просвещение, 1993.
15. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений: В 2 ч.
/ Под ред. А П. Ершова и В. М. Монахова. — М.: Просвещение, 1985, 1986. — Ч. 1,
2.
16. Программно-методические
материалы: Информатика: 1—11 кл. / Сост. Л.Е.Самовольнова.— М.: Дрофа, 1998.
17. Проект федерального
компонента Государственного образовательного стандарта начального общего,
основного общего и среднего (полного) образования. Образовательная область
«Информатика» // ИНФО. — 1997.-№1.-С. 3-11.
18. Семакин И. Г.,
Вараксин Г. С. Структурированный конспект базового курса информатики. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 2000.
19. Сластенин В. А. и др. Педагогика:
Учеб. пособие для студентов пед. учеб, заведений. — М.: Школа-Пресс, 1997.
20. Шимина А. Н. Логико-гносеологические
основы процесса формирования понятий в обучении. — М., 1981.

Глава 10
ЛИНИЯ ФОРМАЛИЗАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ

В обязательном минимуме
содержания образования по информатике присутствует линия «Моделирование и
формализация». Содержание этой линии определено следующим перечнем понятий:
моделирование как метод познания, формализация, материальные и информационные
модели, информационное моделирование, основные типы информационных моделей.
Линия моделирования, наряду с линией информации и информационных процессов,
является теоретической основой базового курса информатики. Дальнейшее развитие
общеобразовательного курса информатики должно быть связано, прежде всего, с
углублением этих содержательных линий. Основными проблемами для разработчиков
базового курса является, во-первых, выделение из обширной научной области
информационного моделирования тех базовых знаний и понятий, которые должны
войти в общеобразовательный школьный предмет; во-вторых — разработка методики
преподавания этих вопросов.
Содержательная структура
линии формализации и моделирования представлена на схеме 3 (Приложение 1).
Предметом изучения информатики является информационное моделирование. Тема
натурных моделей затрагивается лишь в самом начале, в связи с определением
понятия модели и разделением моделей на материальные (натурные) и
информационные. В свою очередь, информационное моделирование делится на моделирование
объектов и процессов и моделирование знаний. Тема моделирования
знаний — это тема искусственного интеллекта, разработка которой в базовом курсе
информатики пока носит поисковый характер. Классификация моделей объектов и
процессов производится по форме представления. По этому признаку модели
делятся на графические, вербальные, табличные, математические и
объектно-информационные. Последний тип моделей возник и развивается в
компьютерных технологиях: в объектно-ориентированном программировании и современном
системном и прикладном ПО. Развитие темы объектного моделирования также можно
отнести к поисковому направлению в базовом курсе.

10.1. Подходы к раскрытию понятий
«информационная модель»,
«информационное моделирование»

Подходы к раскрытию темы в учебной литературе

Место, которое занимает тема
информационного моделирования, в различных учебниках существенно различается. В
целом, в процессе развития школьной информатики следует отметить увеличение
веса данной линии в общем содержании курса.
В первом школьном учебнике
информатики [21] затрагивается только тема математического моделирования. Во
введении отмечается: «Важнейшим средством современного научного исследования
является математическое моделирование физических явлений и исследование этих
моделей с помощью ЭВМ». Далее говорится о вычислительном эксперименте. Термины
«модель», «моделирование» употребляются как очевидные, без какого-либо
пояснения.
В конце первой части учебника
имеется материал на тему «Построение алгоритмов для решения задач из курса
физики». Здесь рассматриваются три задачи: 1) расчет сопротивления проводника
по результатам лабораторных измерений; 2) расчет движения пружинного маятника;
3) расчет распределения температуры в квадратной теплопроводной пластине.
Вводится понятие вычислительной модели, под которой подразумевается
программная реализация численного метода решения задачи.
Первая задача иллюстрирует
статистический метод решения. В этом случае численной обработке подвергаются
результаты большого числа измерений (силы тока в цепи при различных значениях
напряжений). Дается готовая расчетная формула, которая получена путем
применения метода наименьших квадратов. По этой формуле составляется программа
расчета. В этом примере подчеркивается мысль о том, что применение ЭВМ снимает
проблему обработки больших объемов данных, что дает возможность получать более
точные результаты, чем при неавтоматизированных расчетах.
Следующие две задачи
иллюстрируют другой прием, характерный для вычислительных моделей — прием
дискретизации. Дискретизация — это разбиение области решения задачи на
конечное число промежутков. В пределах каждого такого промежутка допускается
некоторое упрощенное поведение исследуемого объекта. При расчете движения
пружинного маятника время движения разбивается на конечные шаги Dt, в пределах каждого из которых движение считается
равноускоренным. Такое предположение позволяет применить знакомые школьникам
формулы равноускоренного движения для расчета изменения координаты и скорости
на каждом шаге.
В задаче теплопроводности
используется пространственная дискретизация. Поверхность пластины разбивается
на маленькие квадратные ячейки. Считается, что в пределах каждой такой ячейки
температура остается постоянной. Однако на границах ячеек температура
изменяется скачком. Распределение температуры на внешних границах
поддерживается неизменным.
В таком случае все
температурное поле представляется матрицей
Т[М, N], каждый элемент которой — температура в соответствующей ячейке.
Из уравнения теплового баланса выводится формула для расчета температуры во
внутренних ячейках:

Смысл ее очень простой:
температура во всякой внутренней ячейке равна среднему арифметическому значению
температур на ее границах. Подчеркнем, что ведется расчет установившегося
(стационарного) распределения температур. Решение задачи производится
итерационным методом: первоначально задается постоянное распределение
температуры во всей пластине. И далее, отталкиваясь от заданных температур
границы пластины, ведется итерационное уточнение температуры во внутренних ячейках.
Процесс продолжатся до установления распределения температуры с заданной
точностью.
Для двух последних задач,
использующих метод дискретизации, делается общий вывод: чем меньшими берутся
промежутки дискретизации (меньше Dt, большее число
ячеек разбиения пластины), тем результаты расчетов более точные. Высокое
быстродействие современных ЭВМ позволяет достигать высокой точности
результатов, полученных на подобных вычислительных моделях.
Данные примеры обсуждены
столь подробно в связи с их характерностью для иллюстрации методики
математического моделирования в школьной информатике. Цель этой методики: не
привлекая аппарата высшей математики, дать представление о возможностях
вычислительных моделей, реализованных на ЭВМ.
В учебниках информатики
второго поколения информационному моделированию уделяется большее внимание. В
учебнике А. Г. Кушниренко [15] тема моделирования раскрывается в двух аспектах.
В разделе «Моделирование и вычислительный эксперимент на ЭВМ» рассматривается
тот же подход к математическому моделированию физических процессов, что и в
учебнике А. П. Ершова: метод дискретизации. Обсуждается задача расчета
свободного падения парашютиста с учетом сопротивления воздуха. С математической
точки зрения она близка к задаче о пружинном маятнике. Более подробно, чем в
учебнике [21], рассматриваются вопросы точности и сходимости результатов вычислений.
В главе 3 того же учебника
имеется параграф «Кодирование информации величинами алгоритмического языка.
Информационные модели». Здесь вводится следующее определение модели: «Набор
величин, содержащий всю необходимую информацию об исследуемых объектах и
процессах, в информатике называется информационной моделью. Как и любая модель,
информационная модель содержит не всю информацию о моделируемых явлениях, а
только ту ее часть, которая нужна для рассматриваемых задач». Данное
определение требует уточнения: очевидно, что модель — это не только набор
величин, но и отношения, связи между ними.
В соответствии с данным выше
определением, информационные модели представляются как наборы величин в
алгоритмах: скалярных переменных различных типов, массивов (таблиц) различных
размеров и размерностей. В частности некоторые геометрические объекты
описываются наборами величин, определяющих их параметры в декартовых координатах.
В параграфе «Информационное
моделирование исполнителей на ЭВМ» рассматриваются способы программирования на
учебном алгоритмическом языке работы учебных исполнителей — Робот и Черепашка —
введенных ранее в разделе алгоритмизации. Иначе говоря, в качестве модели
исполнителя выступает не только набор характеризующих его параметров, но и
алгоритм его работы. Если в таком контексте использовать понятие модели, то
здесь следовало бы говорить об алгоритмической модели.
В учебнике А. Г. Гейна [22]
понятие модели является центральным. Это понятие как стержень связывает
содержание всего курса в единое целое. В соответствии с авторской концепцией
«основной целью курса является обучение школьников решению жизненных задач с
помощью ЭВМ» [26]. Под задачей авторы понимают некоторую проблему, требующую
решения. Везде в учебнике термин «модель» употребляется в контексте «модель
задачи» и в комплексе с понятием четко сформулированной задачи. «Четко
сформулировать задачу — это значит высказать те предположения, которые позволяют
в море информации об изучаемом явлении или объекте выудить исходные данные,
определить, что будет служить результатом и какова связь между исходными
данными и результатом. Все это: предположения, исходные данные, результаты и
связи между ними — называются моделью задачи» [22]. Если же связь между
исходными данными и результатами выражается через математические соотношения,
то имеем математическую модель. Далее описываются этапы разработки математической
модели. «Итак, создавая математическую модель задачи, нужно:
1) выделить предположения, на
которых будет основана математическая модель;
2) определить, что считать
исходными данными и результатами;
3) записать математические
соотношения (формулы, уравнения, неравенства и т.д.), связывающие результаты с
исходными данными».
Для решения поставленной
задачи путем использования построенной математической модели применяется
компьютер. А для того чтобы можно было использовать компьютер, требуется
построить алгоритм и написать программу. Выполнение программы на ЭВМ приведет к
искомому решению. Использование полученной программы и анализ результатов
называется вычислительным экспериментом. В учебнике подчеркивается тот
факт, что критерием правильности полученной модели является степень
соответствия между расчетными результатами и реальными, получаемыми на
практике. Если такого соответствия с допустимой точностью не получается, то
модель требует уточнения.
Описанная методическая схема
применяется на протяжении всего учебника к целому ряду задач. Причем задачи
весьма разнообразные по своей математической сути. Так, задача о выборе места
строительства железнодорожной станции на языке высшей математики называется
вариационной задачей. Она сводится к минимизации функционала, выбранного в
качестве критерия оптимальности места расположения станции. Безусловно, в
учебнике не употребляются непонятные для десятиклассников слова «вариационная
задача», «функционал». Постановка задачи осуществляется на смысловом уровне, а
методом ее решения является дискретизация с подключением алгоритма выбора минимального
значения в числовом массиве.
Другая задача — планирование
производства некоторого набора изделий на предприятии. Эта задача из области
линейного программирования. Она сводится к решению системы неравенств при
условии поиска экстремума целевой функции (максимального значения прибыли
предприятия). Известно, что для решения такой задачи в линейном
программировании применяется симплекс-метод. В учебнике, как и для предыдущей
задачи, используется модельный численно-алгоритмический подход для простейшего
случая — всего двух типов изделии: изделия А и изделия В. Поскольку количество
изделий — величины х и у — принимают только целочисленные
значения в ограниченных диапазонах, то задача, по сути своей, является
дискретной, т.е. искусственной дискретизации не требуется. Решение сводится к
вычислению матрицы значений прибыли — V(x,y) для всех вариантов величин х и у — и поиску в этой матрице
наибольшего значения. Такой метод можно еще назвать переборным: производится
полный перебор всех возможных комбинаций значений х и у.
Если число изделий больше
двух: 3, 4, 5 и т.д. — полный перебор становится нерациональным и может
оказаться слишком долгим даже для компьютера. В этом случае никуда не уйти от
симплекс-метода. В учебном программном обеспечении курса имеется прикладная
программа «Оптима», предназначенная для решения задачи планирования (линейного
программирования) симплекс-методом. Допустимое число параметров — до шести. В
учебнике не раскрывается суть метода, однако его название произносится. В
лабораторной работе ученикам предлагается воспользоваться данной прикладной
программой. Такая ситуация достаточно жизненна, поскольку довольно часто
пользователи успешно применяют для решения своих задач готовые прикладные
программы и при этом не всегда обязаны знать заложенные в них методы. Главное,
что требуется от пользователя — уметь грамотно поставить задачу, владеть
интерфейсом с прикладной программой.
Совсем иной характер имеет
задача о производстве вакцин. Здесь в качестве математической модели выступает
рекуррентное соотношение, описывающее ежедневное изменение запаса вакцины (xi) с учетом закона биологической эволюции
бактерий (закон Мальтуса) и выдачи вакцины потребителю (т):

Алгоритм решения задачи
достаточно прост, он сводится к вычислению числовой последовательности по
одношаговой рекуррентной формуле. При этом отслеживается возможность полного
исчезновения запасов вакцины как чрезвычайная ситуация с выводом
соответствующего сообщения пользователю.
Здесь перечислены не все
задачи, рассмотренные в учебнике [22], однако даже этот перечень дает
представление о широте подхода авторов к теме моделирования в школьной
информатике. По этому поводу позволим себе сделать несколько замечаний.
Во-первых, отметим, что учебник предназначен для старших классов (X—XI) и
ориентируется на уровень физико-математической подготовки учащихся этого
возраста. Судя даже по описанным выше задачам, требования к этому уровню
довольно высокие. Данный курс может быть хорошей основой для формирования
учебного комплекса физика-математика-информатика. Такое направление является
наиболее подходящим для школ физико-математического профиля.
Во-вторых, с содержательной и
методической точки зрения линия математического моделирования в учебнике
проработана достаточно основательно. Однако другие направления информационного
моделирования (см. схему 3, Приложение 1) остаются за рамками учебника.
В третьих, в качестве
основного средства реализации математических моделей на ЭВМ выступает
программирование. Лишь применительно к решению одной задачи (о кооперативном
кафе) используются электронные таблицы. Это обстоятельство объясняется тем, что
второй ведущей темой курса, после моделирования, является алгоритмизация. На
примерах решения «жизненных задач» авторы учат не только построению математических
моделей, но и составлению алгоритмов решения задач на основе этих моделей.
Такая целевая установка согласуется с общей тенденцией, характерной для первых
двух этапов эволюции школьной информатики.
Современной тенденцией в
развитии школьной информатики является увеличение веса содержательной линии
информационных технологий. С этой позиции в качестве инструментального средства
математического моделирования следует больше использовать электронные таблицы.
Безусловно, для многих задач подходящим средством могут оказаться
специализированные математические пакеты (Mathcad, Математика и др.), но они, как правило, менее доступны для
школы, чем табличные процессоры. Кроме того, в базовом курсе информатики
желательно обходиться прикладным ПО общего назначения. Электронные таблицы
являются достаточно мощным инструментом математического моделирования.
Практически все задачи, рассматриваемые в учебнике [22], можно решать с помощью
электронных таблиц. Методика использования электронных таблиц в школьной информатике
требует своего развития.
В учебнике того же авторского
коллектива [4] тема моделирования уже не является сквозной; она локализована в
книге (ей выделено 4 параграфа). В то же время разговор здесь не ограничивается
только математическим моделированием. Дается общее представление о
моделировании. Правда, определение понятия «модель» отсутствует, но приводится
следующее определение: «Замена реального объекта (процесса или явления) его
копией, отражающей существенные свойства этого объекта (процесса или явления),
называется моделированием». Отсюда, очевидно, надо сделать вывод, что модель —
это и есть та самая копия, что совершенно справедливо. Далее говорится о
разделении моделей на материальные (натурные) и информационные, о различных
формах информационных моделей (словесное описание, схемами др.), об
ограниченности и целенаправленности информационных моделей.
Тема математического
моделирования также находит свое отражение в учебнике. Здесь авторы повторяют
концепции, используемые в [22]. Понятие «модель задачи» связывается с понятием
«хорошо поставленная задача». Подчеркивается связь между моделью задачи и
исполнителем, который будет применен для ее реализации. «Модель задачи,
составленную в расчете на исполнителя, имитированного на ЭВМ, будем называть компьютерной
моделью. Это означает, что исходные данные, результаты и связи между исходными
данными и результатами представлены в виде, «понятном» компьютерному исполнителю».
Далее делается вывод о том, что если данные и результаты представляют собой
числовые величины, а исполнитель умеет только вычислять, то мы имеем дело с математической
моделью. Утверждается, что решение всякой задачи с помощью ЭВМ происходит в
четыре этапа:

Здесь смысл возвратной
стрелки — в возможности изменения или уточнения модели, в случае если
результаты расчетов окажутся неудовлетворительными.
В качестве примера
компьютерной математической модели приводится задача о выборе места для
железнодорожной станции, знакомой из учебника [22]. Для реализации модели здесь
снова применяется язык программирования.
Современная концепция
базового курса информатики ориентирует на широкий подход к теме моделирования.
Безусловно, математическое моделирование является важным разделом этой линии,
но отнюдь не единственным. Многие разделы базового курса имеют прямое отношение
к моделированию, в том числе и темы, относящиеся к технологической линии.
Текстовые и графические редакторы, программное обеспечение телекоммуникаций
можно отнести к средствам, предназначенным для рутинной работы с информацией: позволяющим
набрать текст, построить чертеж, передать или принять информацию по сети. В то
же время такие программные средства информационных технологий, как СУБД,
табличные процессоры, следует рассматривать как инструменты для работы с
информационными моделями. Алгоритмизация и программирование также имеют прямое
отношение к моделированию. Следовательно, линия моделирования является сквозной
для целого ряда разделов базового курса.

Методические рекомендации по изложению
 теоретического материала

Изучаемые вопросы:
ª Место моделирования в базовом курсе.
ª Понятие модели; типы информационных
моделей.
ª Что такое формализация.
ª Табличная форма информационных моделей.
Снова вернемся к схеме 3,
отражающей содержательную структуру и систему понятий линии «Формализация и
моделирование». Как видно из схемы, имеется достаточно обширная область
приложений темы моделирования в курсе информатики.
Прежде чем перейти к
прикладным вопросам моделирования, необходим вводный разговор, обсуждение
некоторых общих понятий, в частности тех, которые обозначены в обязательном
минимуме. Для этого в учебном плане должно быть выделено определенное время под
тему «Введение в информационное моделирование». Для учителя здесь возникают
проблемы как содержательного, так и методического характера, связанные с
глубоким научным уровнем понятий, относящихся к этой теме. Методика
информационного моделирования связана с вопросами системологии, системного
анализа. Степень глубины изучения этих вопросов существенно зависит от уровня
подготовленности школьников. В возрасте 14 — 15 лет дети еще с трудом
воспринимают абстрактные, обобщенные понятия. Поэтому раскрытие таких понятий
должно опираться на простые, доступные ученикам примеры.
В зависимости от количества
учебных часов, от уровня подготовленности учеников вопросы формализации и
моделирования могут изучаться с разной степенью подробности. Ниже будут
рассмотрены три уровня изучения: первый — минимальный, второй — дополненный,
третий — углубленный уровень.
В соответствии с тремя
отмеченными уровнями можно выделить три типа задач из области информационного
моделирования, которые по возрастанию степени сложности для восприятия
учащимися располагаются в таком порядке:
1) дана информационная модель
объекта; научиться ее понимать, делать выводы, использовать для решения задач;
2) дано множество
несистематизированных данных о реальном объекте (системе, процессе);
систематизировать и, таким образом, получить информационную модель;
3) дан реальный объект
(процесс, система); построить информационную модель, реализовать ее на
компьютере, использовать для практических целей.
Первый, минимальный
уровень содержания темы
«Введение в информационное моделирование» соответствует материалу, изложенному
в главе 6 учебника [31].
Понятие модели. Типы
информационных моделей. Разговор
с учениками по данной теме можно вести в, форме беседы. Сам термин «модель»
большинству из них знаком. Попросив учеников привести примеры каких-нибудь
известных им моделей, учитель наверняка услышит в ответ: «модель автомобиля»,
«модель самолета» и другие технические примеры. Хотя технические модели не
являются предметом изучения информатики, все же стоит остановиться на их
обсуждении. Информатика занимается информационными моделями. Однако между
понятиями материальной (натурной) и информационной модели есть аналогии.
Примеры материальных моделей для учеников более понятны и наглядны. Обсудив на
таких примерах некоторые общие свойства моделей, можно будет перейти к
разговору о свойствах информационных моделей.
Расширив список натурных
моделей (глобус, манекен, макет застройки города и др.), следует обсудить их
общие свойства. Все эти модели воспроизводят объект-оригинал в каком-то
упрощенном виде. Часто модель воспроизводит только форму реального объекта в
уменьшенном масштабе. Могут быть модели, воспроизводящие какие-то функции
объекта. Например, заводной автомобильчик может ездить, модель корабля может
плавать. Из обобщения всего сказанного следует определение:
Модель — упрощенное подобие реального объекта
или процесса.
В любом случае модель не повторяет
всех свойств реального объекта, а лишь только те, которые требуются для ее
будущего применения. Поэтому важнейшим понятием в моделировании является
понятие цели. Цель моделирования — это назначение будущей модели. Цель
определяет те свойства объекта-оригинала, которые должны быть воспроизведены в
модели.
Полезно отметить, что
моделировать можно не только материальные объекты, но и процессы. Например,
конструкторы авиационной техники используют аэродинамическую трубу для
воспроизведения на земле условий полета самолета. В такой трубе корпус самолета
обдувается воздушным потоком. Создается модель полета самолета, т. е. условия,
подобные тем, что происходят в реальном полете. На такой модели измеряются
нагрузки на корпусе, исследуется прочность самолета и пр. С моделями физических
процессов работают физики-экспериментаторы. Например, в лабораторных условиях
они моделируют процессы, происходящие в океане, в недрах Земли и т.д.
Условимся в дальнейшем термин
«объект моделирования» понимать в широком смысле: это может быть и некоторый
вещественный объект (предмет, система) и реальный процесс.
Закрепив в сознании учеников
понимание смысла цепочки «объект моделирования — цель моделирования — модель»,
можно перейти к разговору об информационных моделях. Самое общее определение:
Информационная модель — это описание объекта моделирования.
Иначе можно сказать, что это информация
об объекте моделирования. А как известно, информация может быть
представлена в разной форме, поэтому существуют различные формы информационных
моделей. В их числе, словесные, или вербальные, модели, графические,
математические, табличные. Следует иметь в виду, что нельзя считать этот
список полным и окончательным. В научной и учебной литературе встречаются
разные варианты классификаций информационных моделей. Например, еще
рассматривают алгоритмические модели, имитационные модели и др.
Естественно, что в рамках базового курса мы вынуждены ограничить эту тему. В
старших классах при изучении профильных курсов могут быть рассмотрены и другие
виды информационных моделей.
Построение информационной
модели, так же как и натурной, должно быть связано с целью моделирования.
Всякий реальный объект обладает бесконечным числом свойств, поэтому для
моделирования должны быть выделены только те свойства, которые соответствуют
цели. Процесс выделения существенных для моделирования свойств объекта, связей
между ними с целью их описания называется системным анализом.
Форма информационной модели
также зависит от цели ее создания. Если важным требованием к модели является ее
наглядность, то обычно выбирают графическую форму. Примеры графических моделей:
карта местности, чертеж, электрическая схема, график изменения температуры тела
со временем. Следует обратить внимание учеников на различные назначения этих
графических моделей. На примере графика температуры можно обсудить то
обстоятельство, что та же самая информация могла бы быть представлена и в
другой форме. Зависимость температуры от времени можно отразить в числовой
таблице — табличная модель, можно описать в виде математической функции —
математическая модель. Для разных целей могут оказаться удобными разные формы
модели. С точки зрения наглядности, наиболее подходящей является графическая
форма.
А что обозначает слово
«формализация»? Это все то, о чем говорилось выше.
Формализация — это замена
реального объекта или процесса его формальным описанием, т. е. его
информационной моделью.
Построив информационную
модель, человек использует ее вместо объекта-оригинала для изучения свойств
этого объекта, прогнозирования его поведения и пр. Прежде чем строить какое-то
сложное сооружение, например мост, конструкторы делают его чертежи, проводят расчеты
прочности, допустимых нагрузок. Таким образом, вместо реального моста они имеют
дело с его модельным описанием в виде чертежей, математических формул. Если же
конструкторы пожелают воспроизвести мост в уменьшенном размере, то это уже будет
натурная модель — макет моста.
Табличные информационные
модели.^Одной из самых распространенных форм представления информационных
моделей являются таблицы. Очень часто в табличной форме представляется
информация в различных документах, справочниках, учебниках. Табличная форма
придает лаконичность и наглядность данным, структурирует данные, позволяет
увидеть закономерности в характере данных.
Умение представлять данные в
табличной форме — очень полезный общеметодический навык. Практически все
школьные предметы используют таблицы, но ни один из них не учит школьников
методике построения таблиц. Эту задачу должна взять на себя информатика. Приведение
данных к табличной форме является одним из приемов систематизации информации —
типовой задачи информатики.
Среди разделов базового
курса, относящихся к линии информационных технологий, непосредственное
отношение к таблицам имеют базы данных и электронные таблицы. Предварительный
разговор о таблицах, их классификации, приемах оформления является полезной
пропедевтикой к изучению этих технологий.
В главе 6 учебника [31]
вводится классификация таблиц. Описывается два типа таблиц: таблицы типа
«объект — свойство» и «объект — объект». Это наиболее простые и наиболее часто
встречающиеся типы таблиц. Кроме того, даны примеры применения двоичных матриц.
Двоичные матрицы используются
в тех случаях, когда нужно отразить наличие или отсутствие связей между отдельными
элементами некоторой системы. С помощью двоичных матриц удобно представлять
сетевые структуры.

Пример. Дана двоичная матрица, отражающая связи
между различными серверами компьютерной сети (табл. 10.1).

Таблица 10.1

С1

С2

СЗ

С4

С5

С1

1

0

0

1

0

С2

0

1

0

1

0

СЗ

0

0

1

1

0

С4

1

1

1

1

1

С5

0

0

0

1

1

Из таблицы 10.1 ученики
должны определить, какой из пяти серверов является узловым?
P е щ е н и е. Поскольку по данному определению узловым
назы-ется тот сервер, с которым непосредственно связаны все другие [серверы, то
в матрице нужно искать строку, состоящую только из единиц. Это строка — С4.
Значит сервер С4 является узловым.
t Второе задание, связанное с этой же таблицей, может быть
ледующим: нарисовать схему этой компьютерной сети, изобра-ив серверы кружками,
а связи между ними линиями. Вот решение этой задачи:

10.2. Элементы системного анализа
в курсе информатики

Изучаемые вопросы:
ª Понятие системы.
ª В чем суть системного подхода.
ª Структура системы; использование графов
для отображения (структуры.
ª Развитие системного мышления учащихся.
Второй, дополнительный
уровень изучения темы
моделирования в базовом курсе связан с обсуждением таких понятий, как: система,
структура, граф, деревья, сети. Необходимо отметить, что эти понятия
постепенно начинают проникать в перечень обязательных для изучения в рамках
базового курса. Перечисленные понятия относятся к области, которая в науке
называется системологией (теорией систем). Знания элементов системологии
придают целостность и понятийную полноту содержательной линии «Формализация и моделирование».
В большинстве учебников по базовому курсу информатики изложение вопросов
системологии отсутствует. Небольшой материал на эту тему имеется во второй
части учебника [31].
Вопросы преподавания
элементов системного анализа достаточно основательно проработаны в учебных
пособиях для пропедевтического курса информатики «Информатика плюс» [11],
разработанных авторским коллективом под руководством А. В. Горячева. В этом
курсе системный анализ стыкуется с темой объектно-информационного
моделирования, место которой в содержательной линии «Формализация и
моделирование» обозначено в схеме 3.
Понятие «система» часто
употребляется как в научных дисциплинах, так и в повседневной жизни. Примеров
тому достаточно много: Солнечная система, периодическая система химических
элементов, системы растений и животных, система образования, система
транспорта, файловая система, операционная система и многое другое. Во многих
случаях понятие системы считается интуитивно ясным. Однако для информатики оно
является одним из фундаментальных и требует разъяснения.
Под системой понимается
любой объект, состоящий из множества взаимосвязанных частей, и существующий как
единое целое.
В информатике понятие
«система» употребляется достаточно часто. Совокупность взаимосвязанных данных,
предназначенных для обработки на компьютере — система данных. Совокупность
взаимосвязанных программ определенного назначения — программные системы (ОС,
системы программирования, пакеты прикладных программ и др.). Информационные
системы — одно из важнейших приложений компьютерных технологий.
Основным методическим
принципом информационного моделирования является системный подход, согласно
которому всякий объект моделирования рассматривается как система. Из всего
множества элементов, свойств и связей выделяются лишь те, которые являются
существенными для целей моделирования. В этом и заключается сущность системного
анализа. Задача системного анализа, который проводит исследователь — упорядочить
свои представления об изучаемом объекте, для того чтобы в дальнейшем отразить
их в информационной модели.
Сама информационная модель
представляет собой также некоторую систему параметров и отношений между ними.
Эти параметры и отношения могут быть представлены в разной форме: графической,
математической, табличной и др. Таким образом, просматривается следующий
порядок этапов перехода от реального объекта к информационной модели:

Важной характеристикой всякой
системы является ее структура. Структура — это определенный порядок
объединения элементов, составляющих систему. Другой вариант определения,
встречающийся в литературе: структура — это множество связей между элементами
системы. Наиболее удобным и наглядным способом представления структуры систем
являются графы. В подразделе 6.1 учебника [31] описываются основные
правила представления графов, вводятся понятия вершина, дуга, ребро,
ориентированный граф, дерево, сеть. Обычно у учащихся не вызывает проблем
понимание схем, представленных в форме графа: граф родственных связей, граф
системы связанных между собой населенных пунктов и др.
Важной разновидностью графов
являются деревья. Дерево — это графическое представление иерархической
структуры системы. Обычно это системы, между элементами которых установлены
отношения подчиненности или вхождения друг в друга: системы власти,
административные системы, системы классификации в природе и др. Ученики знакомы
с понятием «дерево» применительно к системе файлов на дисках компьютера. Многим
из них известен смысл понятия «родословное дерево».
Подводя итог, можно сказать,
что второй уровень изучения темы «Введение в информационное моделирование»
более подробно раскрывает суть системного анализа, знакомит учащихся с таким
важным инструментом формализации, как графы.
Третий, углубленный
уровень изучения общих
вопросов моделирования можно характеризовать как переход от ознакомительного
обучения к выработке навыков активного использования методов системного
анализа.
Наиболее полный и
последовательный материал по вопросам системологии содержится в разделе 2
пособия [6]. Этот материал может быть использован как для углубленного варианта
преподавания базового курса информатики, так и для профильных курсов,
ориентирующихся на информационное моделирование. Содержание данного раздела
позволяет реализовать на уроках следующий перечень дидактических целей.
• Научить учеников
рассматривать окружающие объекты как системы взаимосвязанных элементов;
осознавать, в чем проявляется системный эффект (принцип эмерджентности) в
результате объединения отдельных элементов в единое целое.
• Раскрыть смысл модели
«черного ящика». Этот подход характерен для кибернетики и применяется он в тех
случаях, когда внутреннее устройство системы не раскрывается, а система
рассматривается лишь с точки зрения ее взаимодействия с окружающей средой. В
таком случае основными понятиями, характеризующими систему, являются не ее состав
и структура, а ее «входы» и «выходы».
• Дать представление о
некоторых методах системного анализа, в частности, декомпозиции, классификации.
• Научить читать
информационные модели, представленные в виде графов и строить граф-модели.
• Научить учеников
разбираться в различных типах таблиц, подбирать наиболее подходящий тип таблицы
для организации данных, грамотно оформлять таблицы.
В пособии [6] содержится
значительное число заданий следующего плана: имеется множество
несистематизированных данных, приведенных в вербальной форме. Задача
заключается в том, чтобы систематизировать эту информацию, перейдя к другой
форме ее представления: к таблице или графу. Это очень важный для практики тип
информационных задач. Они наглядно показывают, что несистематизированная
информация оказывается во многом обесцененной. Систематизация данных имеет
особо важное значение для информационного моделирования тогда, когда строятся
модели сложных систем: экономических, социальных, производственных с большим
числом разнообразных параметров. От исследователя требуется умение
классифицировать данные по некоторым признакам, отразить иерархические связи и
пр.
Содержательная линия
формализации и моделирования выполняет в базовом курсе информатики важную
педагогическую задачу: развитие системного мышления учащихся. Эффективная
работа с большими объемами информации невозможна без навыков ее систематизации.
Компьютер предоставляет пользователю удобные инструменты для этой работы, но
систематизацию данных пользователь должен выполнять сам.
Информационное моделирование
— это прикладной раздел информатики, связанный с самыми разнообразными
предметными областями: техникой, экономикой, естественными и общественными
науками и пр. Поэтому практическим решением задач моделирования занимаются
специалисты в соответствующих областях. В рамках школьного курса информатики
информационное моделирование может быть предметом профильного курса, смежного с
другими школьными дисциплинами: физикой, биологией, экономикой и др. Базовый
курс информатики дает лишь начальные понятия о моделировании, систематизации
данных, знакомит с компьютерными технологиями, применяемыми для информационного
моделирования.

10.3. Линия моделирования и базы данных

Изучаемые вопросы:
ª Признаки компьютерной информационной
модели.
ª Является ли база данных информационной
моделью.
ª Задачи, решаемые на готовой базе данных.
ª Проектирование базы данных (БД) — задача
для углубленного курса.
Общая схема этапов решения
практической задачи на ЭВМ методами информационного моделирования выглядит
следующим образом (рис. 10.1):

Рис. 10.1.
Этапы решения задачи

Два первых этапа относятся к
предметной области решаемой I задачи. На третьем этапе происходит выбор
подходящего инструментального средства в составе программного обеспечения ЭВМ
для реализации модели. Такими средствами могут быть: электронные таблицы, СУБД,
системы программирования, математические пакеты, специализированные системы
моделирования общего назначения или ориентированные на данную предметную
область. В базовом курсе информатики изучаются первые три из ] перечисленных
программных средств.
Основные признаки
компьютерной информационной модели:
• наличие реального объекта
моделирования;
• отражение ограниченного
множества свойств объекта по принципу целесообразности;
• реализация модели с помощью
определенных компьютерных  средств;
• возможность манипулирования
моделью, активного ее использования.
Ответ на вопрос: «является ли
база данных информационной моделью?» будем искать, исходя их сформулированных
выше критериев.
Первый критерий: наличие предметной области, некоторого реального
объекта (системы), к которым относится БД, практически всегда выполняется.
Например, если в БД содержатся сведения о книгах в библиотеке, значит объектом
моделирования является книжный фонд библиотеки. Если БД содержит анкетные данные
сотрудников предприятия, значит она моделирует кадровый состав этого
предприятия. Если в БД хранятся сведения о результатах сдачи экзаменов абитуриентами
в институт, следовательно, она моделирует процесс вступительных экзаменов и
т.п.
Удовлетворение второму
критерию также несложно обосновать. Каждый из моделируемых объектов (как
перечисленные выше, так и любые другие) обладает гораздо большим числом
свойств, характеристик, атрибутов, чем те, что отражены в БД. Отбор атрибутов,
включаемых в БД, происходит в процессе проектирования базы, когда главным
критерием является критерий целесообразности, т.е. соответствия цели создания
БД, требованиям к ее последующим эксплуатационным свойствам. Например, в БД
книжного фонда библиотеки не имеет смысла вносить такие характеристики книги,
как ее вес, адрес типографии, где была напечатана книга, годы жизни автора и
пр.
Третий критерий, очевидно, выполняется, поскольку речь идет
о компьютерной базе данных, созданной в среде некоторой СУБД.
База данных — не «мертвое
хранилище» информации. Она создается для постоянного, активного использования
хранящейся в ней информации. Прикладные программы или СУБД, обслуживающие базу
данных, позволяют ее пополнять, изменять, осуществлять поиск информации,
сортировку, группировку данных, получение отчетных документов и пр. Таким
образом, четвертый критерий компьютерной информационной модели также
справедлив для БД.
В рамках обсуждаемой темы
перед учителем информатики стоят две педагогические задачи: научить
использовать готовые информационные модели; научить разрабатывать
информационные модели. В минимальном варианте изучения базового курса предпочтение
отдается первой задаче. В таком варианте ученикам могут быть предложены задачи
следующего типа: имеется готовая база данных; требуется осуществить поиск
нужной информации; выполнить сортировку данных по некоторому ключу;
сформировать отчет с нужной информацией. Решение этой задачи не требует
вмешательства в готовую модель.
Другой тип задач: расширить
информационное содержание базы данных. Например, имеется реляционная база
данных, содержащая сведения о книгах в библиотеке:

БИБЛИОТЕКА (НОМЕР. ШИФР, АВТОР, НАЗВАНИЕ)

Требуется изменить структуру
БД таким образом, чтобы из нее можно было узнать, находится ли книга в
настоящее время в библиотеке, и если книга выдана, то когда и кому.
Новые цели требуют внесения
изменений в модель, в структуру базы данных. Ученики должны спланировать
добавление новых полей, определить их типы. Решение может быть таким: после
добавления полей база данных будет иметь следующую структуру:

БИБЛИОТЕКА (НОМЕР. ШИФР, АВТОР, НАЗВАНИЕ, НАЛИЧИЕ,
ЧИТАТЕЛЬ, ДАТА)

Здесь добавлены поля:
— НАЛИЧИЕ — поле логического
типа; принимает значение TRUE, если книга
находится в библиотеке, и значение FALSE, если
выдана читателю;
— ЧИТАТЕЛЬ — поле числового
(или символьного) типа; содержит номер читательского билета человека, взявшего
книгу;
— ДАТА — поле типа «дата»;
указывает день выдачи книги. Несмотря на все сказанное выше, не следует
преувеличивать в интерпретации каждого задания на работу с базой данных, как
задачи моделирования. И на минимальном уровне изучения темы можно предлагать
ученикам простые задачи на разработку баз данных, решение которых очевидно. К
числу таких задач, например, относится задача разработки баз данных типа
записной книжки с адресами знакомых, телефонного справочника и пр.
Проектирование баз данных.
Проектирование базы
данных заключается в теоретическом построении информационной модели
определенной структуры. Известны три основные структуры, используемые при
организации данных в БД: иерархическая (деревья), сетевая и табличная
(реляционная). В последнее время чаще всего создаются БД реляционного типа.
Доказано, что табличная структура является универсальной и может быть применена
в любом случае. В базовом курсе информатики изучаются базы данных реляционной
структуры.
Если объект моделирования
представляет собой достаточно сложную систему, то проектирование БД становится
нетривиальной задачей. Для небольших учебных БД ошибки при проектировании не
столь существенны. Но если создается большая база, в которой будут сохраняться
многие тысячи записей, то ошибки при проектировании могут стоить очень дорого.
Основные последствия неправильного проектирования — избыточность информации, ее
противоречивость, потеря целостности, т.е. взаимосвязи между данными. В результате
БД может оказаться неработоспособной и потребовать дорогостоящей переделки.
Теория реляционных баз данных
была разработана в 1970-х гг. Е.Коддом. Он предложил технологию проектирования
баз данных, в результате применения которой в полученной БД не возникает
отмеченных выше недостатков (см., например, [5]). Сущность этой технологии
сводится к приведению таблиц, составляющих БД, к третьей нормальной форме. Этот
процесс называется нормализацией данных: сначала все данные, которые
планируется включить в БД, представляются в первой нормальной форме, затем
преобразуются ко второй и на последнем шаге — к третьей нормальной форме.
Проиллюстрируем процесс нормализации данных на примере.
Ставится задача: создать БД,
содержащую сведения о посещении пациентами поликлиники своего участкового
врача. Сначала строится одна таблица, в которую заносятся фамилия пациента, его
дата рождения, номер участка, к которому приписан пациент, фамилия участкового
врача, дата посещения врача и установленный диагноз болезни. Ниже приведен
пример такой таблицы.
Таблица 10.2
БД
«Поликлиника»

Фамилия пациента

Дата рождения

Номер участка

Фамилия врача

Дата посещения

Диагноз

Лосев О. И.

20.04.65

2

Петрова О. И.

11.04.98

грипп

Орлова ЕЮ.

25.01.47

1

Андреева И. В.

05.05.98

ОРЗ

Лосев О. И.

20.04.65

2

Петрова О. И.

26.07.98

бронхит

Дуров М.Т.

05.03.30

2

Петрова О. И.

14.03.98

стенокардия

Жукова Л. Г.

30.01.70

2

Петрова О. И.

11.04.98

ангина

Орлова Е.Ю.

25.01.47

1

Андреева И. В.

11.07.98

гастрит

Быкова А.А.

01.04.75

1

Андреева И. В.

15.06.98

ОРЗ

Дуров М.Т.

05.03.30

2

Петрова О. И.

26.07.98

ОРЗ

Нетрудно понять недостатки
такой организации данных. Во-первых, очевидна избыточность информации:
повторение даты рождения одного и того же человека, повторение фамилии врача
одного и того же участка. В такой БД велика вероятность иметь недостоверные,
противоречивые данные. Например, если на втором участке сменится врач, то
придется просматривать всю базу и вносить изменения во все записи, относящиеся
к этому участку. При этом велика вероятность что-то пропустить. После каждого
нового посещения пациентом больницы потребуется снова вводить его дату
рождения, номер участка, фамилию врача, т.е. информацию, уже существующую в БД.
Полученная таблица
соответствует первой нормальной форме. Для устранения отмеченных недостатков
требуется ее дальнейшая нормализация. Структура такой таблицы (отношения)
описывается следующим образом:

ПОЛИКЛИНИКА (ФАМИЛИЯ. ДАТА_РОЖДЕНИЯ, УЧАСТОК, ВРАЧ,
ДАТА ПОСЕЩЕНИЯ. ДИАГНОЗ)

Необходимо установить ключ
записей. Здесь ключ составной, который включает в себя два поля: ФАМИЛИЯ и
ДАТА_ПОСЕ-ЩЕНИЯ. Каждая запись — это информация о конкретном посещении
пациентом больницы. Если допустить, что в течение одного дня данный пациент
может сделать только один визит к участковому врачу, то в разных записях не
будет повторяться комбинация двух полей: фамилии пациента и даты посещения
врача.
Согласно определению второй
нормальной формы, все неключевые поля должны функционально зависеть от полного
ключа. В данной таблице лишь ДИАГНОЗ определяется одновременно фамилией
пациента и датой посещения. Остальные поля связаны лишь с фамилией, т. е. от
даты посещения они не зависят. Для преобразования ко второй нормальной форме
таблицу нужно разбить на две следующие:

ПОСЕЩЕНИЯ (ФАМИЛИЯ. ДАТА ПОСЕЩЕНИЯ. ДИАГНОЗ)

ПАЦИЕНТЫ (ФАМИЛИЯ. ДАТА_РОЖДЕНИЯ, УЧАСТОК, ВРАЧ)

В отношении ПОСЕЩЕНИЯ
по-прежнему действует составной ключ из двух полей, а в отношении ПАЦИЕНТЫ —
одно ключевое поле ФАМИЛИЯ.
Во втором отношении имеется
так называемая транзитивная зависимость. Она отображается следующим образом:

Значение поля ВРАЧ связано с
фамилией пациента транзитивно через поле УЧАСТОК. В самом деле, всякий
участковый врач приписан к своему участку и обслуживает больных, относящихся к
данному участку.
Согласно определению третьей
нормальной формы в отношении не должно быть транзитивных зависимостей. Значит
требуется еще одно разбиение отношения ПАЦИЕНТЫ на два отношения.
В итоге получаем базу данных,
состоящую из трех отношений:

ПОСЕЩЕНИЯ (ФАМИЛИЯ. ДАТА ПОСЕЩЕНИЯ. ДИАГНОЗ)

ПАЦИЕНТЫ (ФАМИЛИЯ. ДАТА_РОЖДЕНИЯ, УЧАСТОК)

ВРАЧИ (УЧАСТОК. ВРАЧ)

В третьем отношении ключом
является номер участка, поскольку он повторяться не может. В то же время
возможна ситуация, когда один врач обслуживает больше одного участка.
Полученная структура БД удовлетворяет требованиям третьей нормальной формы: в
таблицах все неключевые поля полностью функционально зависят от своих ключей и
отсутствуют транзитивные зависимости.
Еще одним важным свойством
полученной БД является то, что между тремя отношениями существует взаимосвязь
через общие поля. Отношения ПОСЕЩЕНИЯ и ПАЦИЕНТЫ связаны общим полем ФАМИЛИЯ.
Отношения ПАЦИЕНТЫ и ВРАЧИ связаны через поле УЧАСТОК. Для связанных таблиц
существует еще одно понятие: тип связи. Возможны три варианта типа связей:
«один — к —одному», «один —ко —многим», «многие —ко —многим». В нашем примере
между связанными таблицами существуют связи типа «один —ко —многим», и
схематически они отображаются так:

Смысл следующий: у каждого
врача (на каждом участке) много пациентов; каждый пациент посещает врача
множество раз.
В приведенном примере
показана процедура нормализации в строгом соответствии с теорией реляционных
баз данных. Понимание смысла этой процедуры очень полезно для учителя.
В школьном учебнике не
представляется целесообразным подробно описывать формальную процедуру
нормализации, приводить строгое определение трех нормальных форм. В учебнике
[31, ч. 2] разговор на эту тему ведется на понятийном уровне. Используется
нетрадиционный термин «хорошо нормализованная база данных». В этом понятии фактически
заложены свойства третьей нормальной формы. Эти свойства сформулированы так:
«Все поля таблицы должны отражать непосредственные характеристики (атрибуты)
объекта, к которому относится запись». Ученикам предлагается следующая, в
некотором смысле интуитивная, методика получения хорошо нормализованной БД. Все
множество данных нужно разделить между различными объектами, к которым они
относятся. На примере приведенной выше таблицы ПОЛИКЛИНИКА нужно увидеть
три различных типа объектов, к которым относится данная информация: это
пациенты поликлиники, врачи и посещения пациентами врачей. Соответственно
строятся три таблицы, содержащие атрибуты, относящиеся к этим трем типам
объектов и связанные между собой через общие поля.
10.4. Информационное моделирование
и электронные таблицы

Изучаемые вопросы:
ª Что такое математическая модель.
ª Понятия: компьютерная математическая
модель, численный эксперимент.
ª Пример реализации математической модели
на электронной таблице.
Электронные таблицы являются
удобной инструментальной средой для решения задач математического
моделирования.
Что же такое математическая
модель? Это описание состояния или поведения некоторой реальной системы
(объекта, процесса) на языке математики, т.е. с помощью формул, уравнений и
других математических соотношений. Характерная конфигурация всякой
математической модели представлена на рис. 10.2.

               Входные параметры                               Выходные
параметры

Рис. 10.2.
Обобщенная структура математической модели

Здесь Х и Y— некоторые количественные характеристики
моделируемой системы.
Реализация математической
модели — это применение
определенного метода расчетов значений выходных параметров по значениям входных
параметров. Технология электронных таблиц — один из возможных методов реализации
математической модели. Другими методами реализации математической модели может
быть составление программ на языках программирования, применение математических
пакетов (MathCad, Математика и др.), применение
специализированных программных систем для моделирования. Реализованные такими
средствами математические модели будем называть компьютерными
математическими моделями.
Цель создания компьютерной
математической модели — проведение численного эксперимента, позволяющего
исследовать моделируемую систему, спрогнозировать ее поведение, подобрать
оптимальные параметры и пр.
Итак, характерные признаки
компьютерной математической модели следующие:
• наличие реального объекта
моделирования;
• наличие количественных
характеристик объекта: входных и выходных параметров;
• наличие математической
связи между входными и выходными параметрами;
• реализация модели с помощью
определенных компьютерных средств.
В учебнике [31] приведен
пример реализации на электронной таблице математической модели эволюционного
типа: исследуется изменение со временем числа рыб в пруду, исходя из закона Мальтуса.
Использование электронных таблиц в математическом моделировании отражено в
разделе «Компьютерное математическое моделирование» задачника-практикума [6].
В качестве примера
использования электронных таблиц для математического моделирования рассмотрим
задачу о выборе места строительства железнодорожной станции из учебников
А.Г.Гейна [4, 22].
Условие задачи. Пять
населенных пунктов расположены вблизи прямолинейного участка железной дороги.
Требуется выбрать место строительства железнодорожной станции, исходя из
следующего критерия: расстояние от станции до самого удаленного пункта должно
быть минимально возможным.
Для решения задачи выбирается
система координат, в которой ось ^направлена по железнодорожной линии. В этой
системе задаются координаты населенных пунктов. Допустим, что расстояние между
самыми удаленными в направлении оси X пунктами равно 10 км. Начало координат выберем так, чтобы
Х-координата самого левого пункта была равна 0. Тогда ^-координата самого
правого пункта будет равна 10. Пусть координаты всех населенных пунктов в этой
системе будут следующими:
1 - (0, 6);
2 - (2, 4); 3 - (5, -3); 4 - (7, 3); 5 - (10, 2).
В данном списке указан
порядковый номер пункта и его координаты.
Ниже приводится проект
электронной таблицы (табл. 10.3), решающей эту задачу.
Таблица 10.3

А

В

С

D

E

F

G

H

I

1

Шаг =

2

KM

2

Координаты

Положение

станции

3

№

X

У

0

D3+SES1

E3+$E$1

F3+$E$1

G3+$E$1

H3+$E$1

4

1

0

6

R(l,l)

R(l,2)

R(l,3)

R(l,4)

R(l,5)

R(l,6)

5

2

2

4

R(2,l)

R(2,2)

R(2,3)

R(2,4)

R(2,5)

R(2,6)

6

3

5

-3

R(3, 1)

R(3,2)

R(3,3)

R(3,4)

R(3,5)

R(3,6)

7

4

7

3

R(4, 1)

R(4,2)

R(4,3)

R(4,4)

R(4,5)

R(4,6)

8

5

10

2

R(5, 1)

R(5,2)

R(5,3)

R(5,4)

R(5,5)

R(5,6)

9

Макс.:

Max (D4:D8)

Max (E4:E8)

Max (F4:F8)

Max (G4:G8)

Max (H4:H8)

Max (14:18)

10

Миним.

расст.:

Min (D9:I9)

Для решения задачи
применяется метод дискретизации: на участке железной дороги, ограниченном
^координатами от 0 до 10, рассматривается конечное число возможных положений
станции, отстоящих друг от друга на равных расстояниях (шаг дискретизации). Для
каждого положения станции вычисляются расстояния до каждого населенного пункта
и среди них выбирается наибольшее расстояние. Искомым результатом является положение
станции, соответствующее минимальному из этих выбранных величин.
Очевидно, что точность
найденного решения зависит от шага перемещения станции (шага дискретизации). В
приведенной таблице для уменьшения ее размера выбран довольно грубый шаг, равный
2 км. Тогда на всем участке помещается 5 таких шагов и, следовательно,
анализируется 6 возможных положений станции (включая положение, соответствующее
X = 0).
В табл. 10.3 формулы
вычисления расстояний условно обозначены R(i, j). Здесь первый индекс обозначает номер населенного пункта (от 1 до
5), а второй — номер положения станции (от 1 до 6). Вот примеры некоторых
формул на языке электронной таблицы MS Excel:

R(l, 1) = KOPEHb(($B4-D$3)Ù2+$C4Ù2)
R(l, 2) =
КОРЕНЬ(($В5-В$3)Ù2+$С5Ù2) и т.д.

Таблица 10.4

А

В

С

D

Е

F

G

Н

I

1

Шаг =

2

км

2

Координаты

Положение

станции

3

№

X

Y

0

2

4

6

8

10

4

1

0

6

6,00000

6,32456

7,21110

8,48528

10,00000

11,66190

5

2

2

4

4,47214

4,00000

4,47214

5,65685

7,21110

8,94427

6

3

5

-3

5,83095

4,24264

3,16228

3,16228

4,24264

5,83095

7

4

7

3

7,61577

5,83095

4,24264

3,16228

3,16228

4,24264

8

5

10

2

10,19800

8,24621

6,32456

4,47214

2,82843

2,00000

9

Макс.:

10,19800

8,24621

7,21110

8,48528

10,00000

11,66190

10

Миним.

расст.:

7,21110

В табл. 10.4 приведены числовые
результаты расчетов решения данной задачи. Окончательный ответ следующий:
железнодорожную станцию следует размещать в 4 км от начала координат. При этом
самым удаленным от нее окажется населенный пункт номер 1 — на расстоянии 7,21
км. Следует иметь в виду, что полученный результат довольно грубый, поскольку
его погрешность по порядку величины равна шагу (2 км).
Такой способ решения задачи
оказывается, в некотором смысле, полуавтоматическим. Ученик приходит к
окончательному ответу, анализируя полученную числовую таблицу. Визуально он
определяет, какому положению станции соответствует (в каком столбце таблицы
находится) найденное оптимальное расстояние 7,21 км. Если требуется уменьшить
шаг дискретизации, то, изменив величину шага в ячейке Е1, нужно будет
увеличивать число столбцов в расчетной таблице. Делается это легко, простым
копированием столбцов. Максимальный размер электронной таблицы, хотя и
ограничен, но все-таки достаточно большой (в Excel — 256 столбцов). Правда, в этом случае придется подправить формулу
в ячейке D10.
Все эти дополнительные
проблемы компенсируются прозрачностью модели. Ученик видит все промежуточные
результаты расчетов, видит весь механизм работы выбранной модели. Понятие
вычислительного эксперимента становится для учеников более содержательным,
более наглядным.
Электронная таблица —
средство более высокого уровня, чем язык программирования. В то же время задача
проектирования расчетной таблицы того же типа, что нами рассмотрена, совсем не
тривиальна. Можно говорить о том, что язык электронных таблиц — это
своеобразный язык программирования — язык табличных алгоритмов. Следовательно,
этап алгоритмизации в табличном способе математического моделирования тоже
присутствует. Большим достоинством электронных таблиц является возможность легко
осуществлять графическую обработку данных, что бывает очень важным в
математическом моделировании.

10.5. Моделирование знаний в курсе
информатики

Изучаемые вопросы:
ª Что такое база знаний.
ª Различные типы моделей знаний.
ª Логическая модель знаний и Пролог.
Впервые в школьной
информатике тема моделирования знаний нашла отражение в учебнике [23], где
рассматриваются базы знаний, основанные на применении логической модели,
реализуемые на языке Пролог. В учебнике [31] разговор о базах знаний ведется в
контексте знакомства с искусственным интеллектом — разделом современной
информатики. В будущем в школьной информатике, несомненно, предстоит развитие
линии искусственного интеллекта. Материал на эту тему, изложенный в доступной
форме, содержится в пособии [12] в разделе «Искусственный интеллект».
Среди разнообразных систем
искусственного интеллекта наиболее распространенными являются экспертные
системы. В основе экспертной системы лежит база знаний — модель знаний в
определенной предметной области, представленная в формализованном виде и сохраненная
в памяти компьютера.
Существуют различные типы
моделей знаний. Наиболее известные из них — продукционная модель, семантическая
сеть, фреймы, логическая модель.
Продукционная модель
знаний построена на
правилах (они нарываются продукциями), представляемыми в форме:

ЕСЛИ выполняется некоторое условие ТО выполняется некоторое действие

На основе поступающих данных
экспертная система, анализируя имеющиеся правила, принимает решение о
необходимых действиях. Например:

ЕСЛИ температура в помещении < 15° ТО включить отопление

Продукционные модели часто
используются в промышленных (экспертных системах.
Семантические сети. Семантической сетью называется система
[понятий и отношений между ними, представленная в форме ориен-|тированного
графа. Это одна из наиболее гибких и универсальных |форм моделей знаний. На
рис. 10.3 приведен пример, представляющий в форме графа сведения, заключенные в
предложении: «Петух Петя является птицей, и он умеет кукарекать».

Рис. 10.3.
Пример семантической сети

Фреймы. Фрейм — это некоторый абстрактный образ,
относящийся к определенному типу объектов, понятий. Фрейм объединяет в себе
атрибуты (характеристики), свойственные данному объекту. Фрейм имеет имя и
состоит из частей, которые называются слотами. Изображается фрейм в виде
цепочки:

Имя
фрейма = <слот 1><слот 2>...<слот N>

Вот пример фрейма под
названием «Битва»:

Битва
= <кто?><с кем?><когда?><где?><результат>

Такое представление
называется прототипом фрейма. Если же в слоты подставить конкретные значения,
то получится экземпляр фрейма. Например:

Битва
= <Царевич><Кощей Бессмёртный><утром><в чистом поле><победил>

Слоты сами могут быть
фреймами. Таким образом, возможны иерархии фреймов, сети фреймов. К фреймам
применимо понятие наследования свойств. Для реализации моделей знаний с
использованием фреймов хорошо подходит технология объектно-ориенированного
программирования.
Логическая модель знаний представляет собой совокупность утверждений.
О каждом утверждении можно сказать: истинно оно или ложно. Утверждения делятся
на факты и правила. Совокупность фактов представляет собой базу данных, лежащую
в основе базы знаний. Правила имеют форму «ЕСЛИ А, ТО Б» (здесь есть сходство с
продукционной моделью). Механизм вывода основан на аппарате математической
логики (он называется исчислением предикатов первого порядка). Прикладные
возможности этой модели весьма ограничены. Логическая модель знаний лежит в
основе языка ПРОЛОГ.
ПРОЛОГ является языком
логического программирования. Как известно, в программировании для ЭВМ
существует несколько различных направлений (парадигм): процедурное
программирование, функциональное программирование, логическое программирование,
объектно-ориентированное программирование. В языке Пролог реализована
логическая парадигма. Однако в рамках базового курса информатики использование
Пролога очень ограничено и о программировании, в полном смысле этого слова,
здесь речи не идет. Пролог рассматривается лишь как средство построения
несложных баз знаний логического типа. При таком подходе систему Пролог можно
рассматривать как своеобразную систему управления базами знаний (по
аналогии с СУБД). Она позволяет создавать базу знаний и обращаться к ней с
запросами.
Реализации Пролога существуют
для большинства компьютеров, доступных школам. Поэтому представляется возможным
предлагать Пролог в качестве средства для практической работы по теме
«Искусственный интеллект и моделирование знаний». Материал на эту тему
содержится во второй части учебника [30]. В качестве дополнительной литературы
по Прологу можно рекомендовать пособия [3, 5, 27].

10.6. Требования к знаниям и умениям
учащихся по линии формализации и
моделирования

Учащиеся должны знать:
• что такое модель; в чем
разница между натурной и информационной моделью;
• какие существуют формы
представления информационных (моделей (графические, табличные, вербальные,
математические);
• что такое реляционная
модель данных; основные элементы (реляционной модели: запись, поле, ключ
записи;
• что такое модель знаний,
база знаний;
• из чего строится логическая
модель знаний;
• какие проблемы решает
раздел информатики «Искусствен-|ный интеллект»;
• *что такое система,
системный анализ, системный подход;
• *что такое граф, элементы
графа;
• *что такое иерархическая
система и дерево;
• *состав базы знаний на
Прологе;
• *как в Прологе
представляются факты и правила;
• *как в Прологе
формулируются запросы (цели).

Учащиеся должны уметь:
• приводить примеры натурных
и информационных моделей;
• проводить в несложных
случаях системный анализ объекта (фор-|мализацию) с целью построения его
информационной модели;
• ставить вопросы к моделям и
формулировать задачи;
• проводить вычислительный
эксперимент над простейшей [математической моделью;
• ориентироваться в
таблично-организованной информации;
• описывать объект (процесс)
в табличной форме для простых случаев;
• различать декларативные и
процедурные знания, факты и [правила.
• *ориентироваться в
информационных моделях на языке графов;
• *описать несложную
иерархическую систему в виде дерева;
• *построить базу знаний на
Прологе для простой предметной эбласти (типа родственных связей);
• *сформулировать на Прологе
запросы к данной базе знаний;
• *работать на компьютере в
среде системы программирования |Пролог.

Вопросы для самоконтроля и обсуждения к главе 10

1. Обоснуйте необходимость
включения содержательной линии «Формализация и моделирование» в базовый курс
информатики.
2. Какие разделы
информационного моделирования отражены в первом школьном учебнике информатики?
На примерах каких задач это сделано?
3. В каком из учебников
информатики линия моделирования является ведущей? Как осуществлена ее связь с
другими содержательными линиями базового курса?
4. Какие средства
программного обеспечения ЭВМ могут рассматриваться при изучении информационного
моделирования?
5. В чем различие и в чем
связь между понятиями «моделирование» и «формализация»?
6. Как можно разделить
учебные задачи на тему информационного моделирования по уровням сложности?
7. Предложите несколько
примеров табличных моделей типа «объект-свойство», «объект-объект», двоичная
матрица.
8. Какое место занимает
системный анализ в информационном моделировании?
9. Сформулируйте логически
последовательную цепочку определений для следующих понятий (порядок указан
произвольно): дерево, элемент, структура, система, сеть, отношение, граф.
10. Где вы видите в линии
моделирования пересечение информатики и кибернетики?
11. Каким основным признакам
должна удовлетворять компьютерная информационная модель?
12. На каких примерах можно
объяснить ученикам модельный характер базы данных?
13. С какими методическими
проблемами связано решение задачи проектирования БД? Как их можно объяснить
ученикам?
14. Какие характерные
признаки имеет компьютерная математическая модель?
15. Какие свойства электронных
таблиц делают их удобным инструментом для математического моделирования?
16. Как пересекается
содержательная линия моделирования с линией искусственного интеллекта?
17. Какое место может
занимать Пролог в базовом курсе информатики; с какими содержательными линиями
он может пересекаться?

10.7. Лабораторный практикум

Тема «Формализация и моделирование»

Основные вопросы:

1. Цели и задачи изучения
данной темы в школьном курсе информатики.
2. Терминология и уровень
представления учебного раздела «Формализация и моделирование» в учебниках и
учебных пособиях.
3. Классификация
информационных моделей по различным признакам.
4. Обязательный и вариативный
уровень организации, а также усвоения учащимися учебного материала, основанного
на моделях знаний.
5. Роль учебного раздела в
решении общеобразовательных задач базового курса информатики, связанных с
формированием информационной культуры и системно-информационными
представлениями учащихся.
6. Решение задач формирования
у учащихся приемов умственной деятельности в процессе изучения основ
информационного моделирования.
7. Систематизация задач,
используемых в процессе изучения основ информационного моделирования.

Занятие 1
Тема «Формирование основных понятий раздела
«Формализация и моделирование» в базовом курсе информатики»
Задачи занятия:
1. Определить роль и место
учебного раздела «Формализация и моделирование» в базовом курсе информатики.
2. Рассмотреть цели и задачи
изучения раздела в базовом курсе информатики.
3. Определить сущность и роль
базовых понятий, этапы и методы их формирования.
4. Установить связи между
основными понятиями внутри учебного раздела, а также межпредметные связи с
ранее изученными понятиями других учебных предметов.
5. Определить уровни
формирования базовых понятий, их общеобразовательный и мировоззренческий
аспекты изучения.
6. Проанализировать уровень
представления учебного материала в учебниках и учебных пособиях.
7. Рассмотреть классификации
информационных моделей по различным признакам, определить уровень их усвоения
учащимися в базовом курсе информатики.
8. Рассмотреть классификацию
моделей знаний, определить обязательный и вариативный уровень усвоения моделей
знаний в базовом курсе информатики.
Способ организации
занятия: практикум.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[2, 16, 19, 29, 30, 33, 34, 35].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Составить
терминологический словарь по базовым поняти-|ям учебного раздела, разработать
логико-структурную модель учебного материала.
2. Изучить классификации
информационных моделей и моделей знаний, изучаемых в базовом курсе информатики.
3. Провести содержательный
анализ раздела «Формализация и моделирование» в учебниках и учебных пособиях.
План занятия
1. Анализ полного содержания
базовых понятий раздела.
2. Определение предельно
общих фундаментальных понятий — категорий.
3. Построение
логико-структурной модели учебного материала.
4. Пополнение тезауруса
учебного материала базового курса информатики тезаурусом раздела «Формализация
и моделирование».
5. На основе анализа
учебников и учебных пособий заполнение таблицы «Базовые понятия» (см. табл.
7.1).
6. Систематизация информации
по классификациям информационных моделей и моделей знаний, изучаемых в базовом
курсе информатики.
6.1. Область использования
информационной модели.
6.2. Фактор времени в
информационной модели.
6.3. Способ представления
информационной модели.
6.4. Форма представления
информационной модели.
6.5. Использование компьютера
для исследования информационной модели.
6.6. Модели знаний в системах
искусственного интеллекта.
7. Анализ обязательного
уровня представления учебного материала, основанного на классификациях
информационных моделей и моделей знаний, и его реализация в учебниках и учебных
пособиях.
Формы и способы
организации учебной деятельности студентов: обсуждение вопросов плана, работа в группах; подведение
итогов — беседа по вопросам, фронтальный и индивидуальный опрос; беседа по
вопросам-проблемам; индивидуальная работа с учебниками и учебными пособиями.

Занятие 2
Тема «Планирование учебного процесса»
Задачи занятия: сформировать навыки
поисково-исследовательской и аналитической деятельности студентов, связанные с
разработкой тематического и поурочного планирования.
Способ организации
занятия: практикум.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[1, 7, 8, 9, 10, 13, 14, 17, 19, 24, 31, 32], программные средства [1, 5].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Изучить учебные программы,
учебно-методическую литературу.
2. Провести анализ решения
задачи формирования системно-информационных представлений и информационной
культуры учащихся в процессе изучения раздела «Формализация и моделирование».
3. Провести анализ проблемы
формирования приемов умственной деятельности учащихся в процессе изучения основ
информационного моделирования.
4. Проанализировать две-три
частнопредметные (авторские) методики обучения базовому курсу информатики в
рамках рассматриваемого раздела. Представить результаты анализа в табл. 7.2 и
подготовить на их основе краткое сообщение.
План занятия
1. Анализ дидактических
возможностей учебного материала раздела «Формализация и моделирование» для
решения задач формирования системно-информационных представлений и
информационной культуры учащихся в процессе изучения базового курса
информатики.
2. Анализ дидактических
возможностей учебного раздела «Формализация и моделирование» в решении задач
развивающего обучения, связанного с развитием умственных способностей учащихся.
3. Сообщения по данным табл.
7.2, обсуждение сообщений.
4. Составление тематического
и поурочного планирования, представление результатов в таблице (см. табл. 7.3).
5. Обсуждение результатов
тематического и поурочного планирования.
6. Подготовка конспекта урока
по одной (двум) темам, учитывая направленность урока (урок по ознакомлению с
новым материалом; урок по закреплению изученного; урок проверки знаний, умений
и навыков; урок по систематизации и обобщению изученного материала), или
заполнение таблицы (см. табл. 7.4).
Форма и способы
организации учебной деятельности студентов: беседа по вопросам-проблемам, эвристическая беседа;
выступление с сообщением, беседа по вопросам, работа с табл. 7.2; работа с
учебными программами, учебниками и учебными пособиями, работа с табл. 7.3;
беседа по вопросам; индивидуальная работа по разработке конспектов урока,
работа с табл. 7.4.

Занятие 3
Тема «Изучение и анализ программных средств
обучения. Решение задач»
Задачи занятия: сформировать представление о
поливариантности школьных задач по теме рассматриваемого раздела, а также
программных средств и способов их решения; умение систематизировать задачи;
навыки постановки разнотипных и разноуровневых учебных, познавательных и
учебно-познавательных задач; представление о трудностях учащихся, возникающих
при решении задач, и умение находить пути их преодоления.
Способ организации
занятия: лабораторная
работа.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[6, 8, 9, 10, 13, 14, 17, 25, 31, 32], программные средства [2, 3, 4, 18, 22].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Изучить программные средства,
используемые в школе для изучения способов представления и исследования
различных информационных моделей.
2. Познакомиться с
дидактическими материалами и выделить типы задач, используемых в процессе
изучения раздела «Формализация и моделирование».
3. Проанализировать задачи на
предмет характерных затруднений, возникающих у учащихся в процессе их решения.
Ход работы
1. Анализ дидактических
возможностей и целей использования программных средств в процессе изучения
раздела «Формализация и моделирование».
2. На основе классификаций
информационных моделей рассмотреть типологию задач, используемых в процессе
изучения основ информационного моделирования.
3. Провести анализ
целесообразности использования в процессе изучения основ информационного
моделирования учебных, познавательных и учебно-познавательных задач.
4. Решение задач.
4.1. Алгоритмы в
информационных моделях.
4.2. Создание информационных
моделей с помощью графического редактора.
4.3. Создание информационных
моделей с помощью текстового процессора.
4.4. Информационные модели в
электронных таблицах.
4.5. Информационные модели в
базах данных.
5. Разработать комплекс
разнотипных и разноуровневых задач, в котором каждая задача содержит:
формулировку, тип, описание способов решения, средства решения, решение.
Форма и способы
организации учебной деятельности студентов: беседа по вопросам-проблемам, эвристическая беседа; работа
в группах; индивидуальная/парная работа за компьютером.
Программные средства к
лабораторному практикуму
1. Программно-методическая система
для изучения алгоритмизации и функционирования компьютера «Учебные роботы».
2. Система программирования: Turbo Pascal, Turbo Prolog, Turbo С и др.
3. Текстовые редакторы: Lexicon, MS Word и др.
Настольные издательские системы.
4. Графические редакторы и
программы анимации: CPEN, Paintbrush, CorelDraw, DRHALLO и др.
5. Электронные таблицы: CALC, табличный процессор SuperCalc, MS Excel, Quattro Pro 4.0 и др.
6. Системы управления базами
данных: MS Access, FoxPro и др.
7. Интегрированные системы:
Фрейммонтаж, FrameWork, Works, Works 4.0, Microsoft Office.

Литература к главе 10

1. Белошапка В. К. Информационное
моделирование в примерах и задачах. — Омск: Издательство ОГПИ, 1992.
2. БочкинА.И. Методика
преподавания информатики: Учеб. пособие. — Минск: Вышэйш. шк., 1998.
3. Братка И. Программирование
на языке Пролог для искусственного интеллекта. — М.: Мир. 1990.
4. Гейн А. Г., Сенокосов
А. И., Шолохович В.Ф. Информатика: Классы 7-9.-М.: Дрофа, 1998.
5. Ин Ц., Соломон Д. Использование
Турбо-Пролога. — М.: Мир. 1993.
6. Информатика:
Задачник-практикум: В 2 т. / Под ред. И.Г. Семакина, Е.К. Хеннера.— М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
7. Информатика: 6 —7 кл. /
Под ред. Н.В.Макаровой. — М., 2000.
8. Информатика: 7 — 8 кл. /
Под ред. Н. В. Макаровой. — М., 2000.
9. Информатика: 9 кл. / Под
ред. Н.В.Макаровой. — М., 2000.
10. Информатика: 10— И кл. /
Под ред. Н.В.Макаровой. — М., 2000.
11. Информатика плюс: 5 — 6
кл.: Комплекты учеб, тетрадей и самостоятельные работы / Под ред. А.В.Горячева.
— М.: СМИНТЕК, 1999.
12. Информатика:
Энциклопедический словарь для начинающих. — М.: Педагогика-Пресс. 1994.
13. Информационная культура:
Кодирование информации. Информационные модели: 9—10 кл.: Учеб. для
общеобразоват. учеб, заведений. — 2-е изд. - М.: Дрофа, 1996.
14. Кузнецов А. А.,
Апатова Н.В. Основы информатики: 8 — 9 кл. — М.: Дрофа, 1999.
15. Кушниренко А. Г.,
Лебедев Г. В., Сворень Р.А. Основы информатики и вычислительной техники:
Учеб. для 10—11 кл. сред. шк. — М.: Просвещение, 1996.
16. Лапчик М.П. Информатика
и информационные технологии в системе общего и профессионального образования:
Монография. — Омск: Изд-во Ом. гос. пед. ун-та, 1999.
17. Ляхович В. Ф. Информатика:
Пособие для учащихся 10—11 кл. общеобразоват. учреждений. — М.: Просвещение,
1999.
18. Мартин Дж. Организация
баз данных в вычислительных системах. — М.: Мир, 1980.
19. Могилев А. Б.,
Злотникова И.Я. Элементы математического моделирования. — Омск: Изд-во Ом.
гос. пед. ун-та, 1995.
20. Морозов В. П., Шураков
В. В. Основы алгоритмизации, алгоритмические языки и системное
программирование: Задачник: Учеб. пособие. — М.: Финансы и статистика, 1994.
21. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений: В 2 ч.
/ Под ред. А. П. Ершова и В. М. Монахова. — М.: Просвещение, 1985 — 1986.
22. Основы информатики и
вычислительной техники: Учеб. для 10 — 11 кл. сред. шк. / А. Г. Гейн, В.
Г.Житомирский, Е.В.Линецкий и др. — М.: Просвещение, 1993.
23. Основы информатики и
вычислительной техники: Учеб. для 10— 11 кл. сред. шк. / В.А.Каймин,
А.Г.Щеголев, Е.А.Ерохина, Д.П.Федю-шин. — М.: Просвещение, 1989.
24. Пак Н. И. Компьютерное
моделирование в примерах и задачах: Учеб. пособие. — Красноярск: Изд-во КПГУ,
1994.
25. Панюкова С. В. Информационные
и коммуникационные технологии в личностно-ориентированном обучении. — М.:
Изд-во ИОСО РАО, 1998.
26. Программы средней
общеобразовательной школы. Основы информатики и вычислительной техники. — М.:
Просвещение, 1991.
27. Пугач В. И., Добудько
Т. В. Элементы логики и программирования в системе Турбо-Пролог. — Самара.:
Сам. гос. пед. ин-т, 1993.
28. Решетников В. И. Формирование
у школьников приемов умственной деятельности как один из путей успешного
обучения: Метод, рекомендации в помощь учителю. — Владимир, 1974.
29. Роберт И. В. Современные
информационные технологии в образовании: дидактические проблемы; перспективы
использования. — М.: Школа-Пресс, 1994.
30. Семакин И. Г.,
Вараксин Г. С. Структурированный конспект базового курса информатики. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 2000.
31. Семакин И.Г. и др. Информатика:
Базовый курс: 7—9 кл.— М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
32. Семакин И. Г., Шеина
Т. Ю. Преподавание базового курса информатики в средней школе: Метод,
пособие. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000.
33. Семенюк Э. П. Информационный
подход к познанию действительности: Монография. — Киев: Наук, думка, 1988.
34. Сластенин В. А. и др. Педагогика:
Учеб. пособие для студентов пед. учеб, заведений. — М.: Школа-Пресс, 1997.
35. Сухина В. Ф. Человек
в мире информатики. — М.: Радио и связь, 1992.
36. Шимина А. Н. Логико-гносеологические
основы процесса формирования понятий в обучении. — М., 1981.

Глава 11
ЛИНИЯ АЛГОРИТМИЗАЦИИ
И ПРОГРАММИРОВАНИЯ

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 [15] 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.
На схеме 4 (Приложение 1)
представлена структура основных понятий содержательной линии «Алгоритмизация и
программирование», которая разделена на две ветви: ветвь алгоритмизации и ветвь
программирования. Эти ветви имеют общую часть, которая начинается с блока
«Алгоритмы работы с величинами». Из схемы, в частности, следует, что 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.

11.1. Подходы к изучению алгоритмизации
и программирования

Подходы к раскрытию темы в учебной литературе

Понятие «алгоритм» является
центральным в первом школьном учебнике информатики [15]. 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». 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
[15] понятия явились дидактической основой для раскрытия темы алгоритмизации во
всех последующих учебниках информатики.
Практически весь
алгоритмический раздел учебника [15] 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».
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 [15] 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 [15]. 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 [15] 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
[14] были развиты идеи преподавания алгоритмизации, заложенные А. П. Ершовым и
С. Пейпер-том. 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 следующую программу:

нц пока снизу стена
закрасить
вправо
кц

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 [14]
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 [14] 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 [15]. Однако введены некоторые
модификации в изобразительные средства языка. Введение в учебнике [14] 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 [14] 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 [14] алгоритмическая линия школьной информатики проработана наиболее
полно и последовательно как в содержательном, так и в методическом плане.
Алгоритмическая линия в
учебнике Л!Г. Гейна [12] реализована по двум направлениям. Первое направление
заключается в использовании учебных исполнителей алгоритмов, работающих «в
обстановке», подобно тому, как это делается в учебнике [14]. Второе направление
заключается в обучении построению вычислительных алгоритмов для решения задач
математического моделирования.
В учебнике [12] 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 [12] 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 [12] — 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 [12], авторы уделяют внимание стандартным
приемам программирования на неструктурном Бейсике циклов и ветвлений.
В учебнике третьего поколения
А. Г. Гейна и др. [2] существенно изменился подход к обучению алгоритмизации и
программированию по сравнению с учебником [12] 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 зеленых). Поле имеет прямоугольную форму; каждая клетка идентифицируется
двумя индексными номерами — 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 языка
Паркетчика применяется также и для описания вычислительных алгоритмов, подобно
тому, как используется алгоритмический язык в учебнике А.Г.Кушниренко [14]. 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 [2] блок-схем.
В учебнике [2] 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.Агапьевой [8] 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 [2]). На примере ГРИС вводятся основные понятия алгоритмизации.
Предлагаемая последовательность заданий способствует эффективному достижению
основной цели раздела — освоения структурной методики построения алгоритмов.

11.2. Методика введения понятия алгоритма

Изучаемые вопросы:
ª Определение алгоритма.
ª Свойства алгоритма.
ª Типы алгоритмических задач.
Определение и свойства
алгоритма. В учебника [6]
дано следующее определение алгоритма: «Алгоритм — понятное и точное предписание
исполнителю выполнить конечную последовательность команд, приводящих от исходных
данных к искомому результату».
В этом определении содержатся
основные понятия, связанные с алгоритмом и его главные свойства. Взаимосвязь
понятий отражена на рис 11.1.

Рис. 11.1. Схема
функционирования исполнителя алгоритмов

Центральным объектом в этой
системе является ИСПОЛНИТЕЛЬ алгоритмов. Исполнитель — это тот объект (или
субъект), для управления которым составляется алгоритм. Основной
характеристикой исполнителя, с точки зрения управления, является система
команд исполнителя (СКИ). Это конечное множество команд, которые понимает
исполнитель, т.е. умеет их выполнять.
Для выполнения всякой работы,
решения поставленной задачи исполнитель на входе получает алгоритм и исходные
данные, а на выходе получаются требуемые результаты. Алгоритм может включать в
себя только команды, входящие в СКИ. Это требование к алгоритму
называется свойством понятности.
Другое свойство алгоритма — точность.
Всякая команда должна быть сформулирована так, чтобы определить
однозначное действие исполнителя. Например, кулинарный рецепт можно
рассматривать как алгоритм для исполнителя-повара по приготовлению блюда. Но
если одним из пунктов в нем будет написано: «Положить несколько ложек сахара»,
то это пример неточной команды. Сколько ложек? каких ложек (чайных, столовых)?
Каждый повар может это понимать по-своему, и результаты будут разными. Пример
точной команды: «Положить 2 столовые ложки сахара».
Работа исполнителя состоит в
последовательном формальном выполнении команд алгоритма. Отсюда следует
вывод о возможности создания автоматических исполнителей. В частности, таким
автоматическим исполнителем алгоритмов по обработке информации является
компьютер.
Еще одно свойство, которое
отражено в определении алгоритма — конечность. Оно формулируется так:
исполнение алгоритма и, следовательно, получение искомого результата должно
завершиться за конечное число шагов. Здесь под шагом подразумевается выполнение
отдельной команды. Это свойство является предупреждением ситуации, которую
программисты называют зацикливанием. Бесконечно исполняемый алгоритм
безрезультатен. Поэтому свойство конечности называют еще результативностью
алгоритма.
В учебной литературе
встречается описание еще двух свойств алгоритмов: дискретности и массовости.
«Дискретность состоит в том, что команды алгоритма выполняются
последовательно, с точной фиксацией моментов окончания выполнения одной команды
и начала выполнения следующей» [20]. Однако (с нашей точки зрения) это свойство
можно не выделять, поскольку требование последовательного выполнения команд
заложено в определении алгоритма.
«Свойство массовости
выражается в том, что алгоритм единым образом применяется к любой конкретной
формулировке задачи, для решения которой он разработан» [20]. Другими словами,
это можно назвать универсальностью алгоритма по отношению к исходным данным
решаемой задачи. Заметим, что данное свойство не является необходимым свойством
алгоритма, а скорее определяет качество алгоритма: универсальный алгоритм лучше
неуниверсального (алгоритм решения частной задачи — тоже алгоритм!).
Основные типы учебных
алгоритмических задач. Для закрепления основных понятий, связанных с
определением алгоритма, полезно рассмотреть с учениками несколько заданий
следующего содержания:
1) выполнить роль
исполнителя: дан алгоритм, формально исполнить его;
2) определить исполнителя и
систему команд для данного вида работы;
3) в рамках данной системы
команд построить алгоритм;
4) определить необходимый
набор исходных данных для решения задачи.
В качестве примера задачи
первого типа можно использовать алгоритм игры Ваше, рассматриваемый в учебниках
[6, 8, 15]. В книгах [8, 15] правила игры определены так: в игре используются 7,
11, 15, 19 предметов. За один ход можно брать 1, 2 или 3 предмета. Проигрывает
тот игрок, который берет последний предмет. Предлагается алгоритм выигрыша для
первого игрока. В книге [6] правила несколько другие. В игре используются 11,
16, 21, 26,... предметов. За один ход можно брать от 1 до 4 предметов.
Рассматривается алгоритм, благодаря которому всегда выигрывает игрок, берущий
вторым.
После того как ученики
поиграли в эту игру по тем правилам, что описаны в учебнике, можно предложить
им несколько заданий аналитического характера на тему игры Ваше. Задания могут
быть предложены в качестве домашней работы.

Задача 1. «Разгадать загадку» алгоритма, т.е.
объяснить, почему второй игрок всегда выигрывает (для варианта [6])?
Решение. По данным правилам второй игрок будет
всегда выигрывать, если общее число камней определяется формулой: N = 5k + 1.
Здесь k — любое натуральное число.

Задача 2. Составить алгоритм, по которому игрок,
делающий первый ход, может выиграть в том случае, если соперник не знает выигрышной
тактики.
Решение. Необходимо перехватить инициативу, т. е.
оказаться в положении второго игрока, который дополняет предыдущий ход
соперника до 5 камней. Это возможно лишь в случае ошибки соперника. Начать игру
можно так:
1. Взять 1 камень.
2. Предоставить ход
сопернику; соперник взял п камней.
3. Если п + 1 < 5,
то взять 5 — (п + 1) камней.
4. Предоставить ход
сопернику.
И далее играть по выигрышному
алгоритму для второго игрока.

Следующая задача требует от
учеников незаурядных математических навыков.

Задача 3. Попробуйте провести математический анализ
игры Баше в общем случае для N камней. Определите правила игры (т. е.
сколько камней можно брать за один ход), при котором имеется выигрышный
алгоритм. Опишите этот алгоритм в виде последовательности команд.
Решение. Выигрышный алгоритм для второго игрока
можно построить только в тех случаях, когда исходное число камней (N) представимо в виде: N = Х´К+ 1, где X и К— натуральные числа. По правилам
игры за один ход можно брать от 1 до X— 1
камней. Второй игрок будет всегда выигрывать, если своим ходом он будет
дополнять число камней, взятых соперником, до X. Например,
пусть N = 25. Это значение можно представить: 25 = 4´6 + 1. Следовательно, правило игры должно
быть таким: за один ход можно брать 1— 2— 3 камня. А для того, чтобы второй
игрок всегда выигрывал, в свой ход он должен дополнять ход соперника до 4
камней.

Следующая задача относится ко
второму типу из приведенной выше классификации.

Задача 4. Назвать исполнителя следующего вида работы
— выдача заработной платы; определить СКИ исполнителя.
Решение. Очевидно, исполнителя можно назвать
«Кассир». Система команд, которые он должен уметь выполнять, следующая:
— найти в ведомости
получателя;
— посчитать деньги;
— выдать деньги.
В задачах такого типа нужно
учить учеников разбивать работу исполнителя на сравнительно простые действия,
которые требуют формального исполнения. Команда «выдать зарплату» не
удовлетворяет таким требованиям.
При построении СКИ решаются
две проблемы: проблема элементарности команд и проблема полноты системы команд.
Система команд исполнителя называется полной, если она содержит весь
минимально-необходимый набор команд, позволяющий построить любой алгоритм в том
классе задач, на который ориентирован исполнитель.

Рассмотрим еще один пример
задания второго типа.

Задача 5. Описать систему команд исполнителя
«Геометр», который мог бы выполнять геометрические построения с помощью циркуля
и линейки.
Решение. Ученикам знаком класс задач, которые в
геометрии называются задачами на построение с помощью линейки, циркуля и
карандаша. Полной системой команд для исполнителя «Геометр» является
следующий список:
1. Провести отрезок прямой
между двумя данными точками.
2. Установить раствор
циркуля, равный длине данного отрезка.
3. Установить ножку циркуля в
данную точку.
4. Провести окружность.
5. Выделить общие точки двух
линий (пересечения или касания). Обратите внимание на элементарность каждой
команды. Делить их на более простые не имеет смысла.

Следующая задача относится к
третьему типу.

Задача 6. Записать для Геометра алгоритм решения
следующей задачи: дан отрезок АВ; построить окружность, для которой отрезок АВ
является диаметром.
Решение.
Алгоритм ОКРУЖНОСТЬ ДАННОГО ДИАМЕТРА
начало
установить
ножку циркуля в т. А
установить
раствор циркуля, равный АВ
провести
окружность установить ножку циркуля в т. В
провести
окружность
выделить
точки пересечения окружностей: т. Сит. D
провести
отрезок CD
выделить
точку пересечения АВ и CD: т. О
установить
ножку циркуля в т. О
установить
раствор циркуля, равный ОВ
провести
окружность
конец

Анализируя этот пример,
следует подчеркнуть то, что данный алгоритм удовлетворяет всем основным
свойствам: понятности, точности, конечности; благодаря чему может исполняться
формально.
Задания четвертого типа
относятся к проблеме постановки задач на построение алгоритмов. Для выполнения
требуемой работы — решения данной задачи — необходим не только алгоритм, но и
полный набор исходных данных, что отражено на приведенном выше рис. 11.1. Это
могут быть какие-то материальные объекты (например, детали для сборки
устройства; продукты для приготовления блюда и пр.) или информация (числовые
данные для расчетов). Вот некоторые задачи на определение полного набора данных.

Задача 7. Определить полный набор данных для
вычисления стоимости покупок в магазине.
Ответ: количество каждого вида купленных
товаров и цена рдиницы товара (1 кг или 1 штуки).

Задача 8. Определить полный набор данных для
вычисления лесячной платы за расход электроэнергии.
Ответ: показания счетчика в конце предыдущего и
в конце настоящего месяца, стоимость 1 квт/часа.

Задача 9. Определить полный набор данных для
вычисления времени падения кирпича с крыши дома.
Ответ: высота дома, ускорение свободного
падения (без учета сопротивления воздуха).

11.3. Методика обучения алгоритмизации на
учебных исполнителях, работающих
«в обстановке»

Изучаемые вопросы:
ª Основные требования к учебным
исполнителям алгоритмов.
ª Описание архитектуры учебного
исполнителя.
ª Типовые учебные задачи.
ª Способы описания алгоритмов.
Обучение методам построения
алгоритмов — один из наиболее отработанных разделов школьной информатики.
Традиционно применяемым дидактическим средством в этом разделе являются учебные
исполнители алгоритмов. Некоторые из таких исполнителей перечислены выше; известны
и другие, например, КУКАРАЧА из Роботландии, МУРАВЕЙ Г. Н. Гутмана, КЕНГУРЕНОК,
реализованный фирмой КУДИЦ. Вообще говоря, подходит любой исполнитель, который
удовлетворяет следующим условиям:
• это должен быть
исполнитель, работающий «в обстановке»;
• этот исполнитель должен
имитировать процесс управления некоторым реальным объектом (черепахой, роботом
и др.);
• в системе команд
исполнителя должны быть все структурные команды управления (ветвления, циклы);
• исполнитель позволяет
использовать вспомогательные алгоритмы (процедуры).
Последние два пункта
означают, что на данном исполнителе можно обучать структурной методике
алгоритмизации. Всякое педагогическое средство должно соответствовать
поставленной учебной цели. Главной целью раздела алгоритмизации является
овладение учащимися структурной методикой построения алгоритмов.
Каким бы исполнителем ни
пользовался учитель, рекомендуется следовать единой методической схеме
обучения. При описании любого исполнителя алгоритмов необходимо выделять
следующие его характеристики: среда, режимы работы, система команд, данные.
Совокупность таких характеристик можно назвать архитектурой исполнителя.
Рассмотрим в качестве примера
описание архитектуры широко известного исполнителя КЕНГУРЕНОК (аналогом
является исполнитель Чертежник к учебнику [12]). Авторы программы КЕНГУРЕНОК
назвали своего героя Ру (Roo) — по имени
персонажа мультфильма. Мы также будем пользоваться этим именем.
Архитектура учебного
исполнителя. Среда
исполнителя. На экране присутствуют три основных элемента среды учебного
исполнителя: строка меню, поле программы и поле рисунка, на котором находится
Кенгуренок. На поле рисунка неявно (т.е. ее не видно) нанесена прямоугольная
сетка. Длину стороны одной квадратной ячейки этой сетки назовем шагом. Размер
всего поля — 15 шагов по горизонтали и 19 шагов по вертикали.
Режимы работы. Режим работы — это определенное
состояние учебного исполнителя, в котором могут выполняться определенные
действия. Необходимо в наглядной форме представить ученикам все возможные
режимы работ используемого исполнителя. Для исполнителя «Кенгуренок» вся
система режимов работы отражена в схеме на рис. 11.2.

Рис. 11.2. Система режимов
работы исполнителя «Кенгуренок»
Кенгуренок может работать в
режиме прямого управления: «команда — исполнение» (в схеме это названо ручным
управлением), и в режиме программного управления: «программирование —
автоматическое исполнение программы». Программный режим устанавливается тогда,
когда текстовый курсор находится на поле программы. Если его вывести за границу
поля программы, то установится режим прямого управления.
Реализация этих двух режимов
очень полезна с методической точки зрения, в контексте темы управления. Работа
Кенгуренка в режиме прямого управления имитирует ситуацию «ручного» управления
объектом со стороны человека. Человек отдает только простые команды (шаг,
поворот, прыжок), а управляющие решения принимает сам, анализируя обстановку на
поле исполнителя.
Режим программного
управления следует
трактовать как имитацию ситуации, когда объектом управляет компьютер. Роль
человека — составление алгоритма, ввод программы и инициализация ее исполнения
компьютером.
В свою очередь, в режиме
программного управления имеются следующие режимы (подрежимы) работы:
— установка исходного
состояния: стирается рисунок с поля Кенгуренка, устанавливается исходное
положение и направление Кенгуренка (этот режим работает и при «ручном»
управлении);
— программирование: набор
программы на программном поле;
— исполнение: работа
Ру по заданной программе.
И, наконец, исполнение может
проходить в трех режимах:
— в автоматическом режиме (на
экране сразу появляется результат выполнения программы);
— в автоматическом
пошаговом режиме (Кенгуренок демонстрирует выполнение каждой команды);
— в отладочном режиме (исполнение
каждой команды запускается отдельно и подробно комментируется
мультипликационными средствами).
Режим работы с файлами. В этом режиме можно сохранить программу в
файле, прочитать программу из файла в поле программы, сохранить рисунок в
файле, распечатать на принтере рисунок и программу.
Режим справки. Позволяет получить справку о работе
системы и о способах редактирования программы.
Система команд исполнителя
(СКИ). Команды делятся на команды установки (изменения) режимов и команды
управления Кенгуренком (команды программы). Все команды могут быть выбраны из
меню. Меню команд первого типа имеет желтый цвет; меню команд второго типа —
белый цвет. Будем называть их кратко: «желтое меню» и «белое меню». Переход от
одного меню к другому производится нажатием клавиши [Tab].
Каждую команду можно вызвать
нажатием определенной функциональной клавиши. «Желтое меню» является
многоуровневым. Команды первого уровня «желтого меню» и соответствующие им
функциональные клавиши, следующие:
[F1] — ПУСК — запуск на исполнение готовой программы в пошаговом
автоматическом режиме;
[F2] — ОТЛАДКА — выполнение программы в отладочном режиме с остановкой
после каждой команды;
[F3] — УСТАНОВКА — очистка поля и установка положения Ру с помощью
клавиш перемещения курсора;
[F4] — РАЗНОЕ — содержит подменю с дополнительными командами работы
с файлами;
[F5] — РЕЗУЛЬТАТ — мгновенное получение результата работы программы
(автоматический режим исполнения).
В свою очередь команда РАЗНОЕ
имеет два уровня подменю, состоящих из команд файлового типа. Это дерево меню
изображено на рис. 11.3.
В режим справки можно
попасть, нажав одновременно клавиши [QTRL]+[H].

    Рис. 11.3. Система
файловых команд исполнителя «Кенгуренок»

Систему команд управления
Кенгуренком следует сообщать ученикам не всю сразу, а постепенно, по мере их
необходимости для решения задач.
В режиме ручного управления
(курсор за программным полем) используются всего три простые команды «белого
меню»:
1) шаг — перемещение
Ру на один шаг вперед с рисованием линии;
2) поворот — поворот
Ру на 90° против часовой стрелки;
3) прыжок —
перемещение Ру на один шаг вперед без рисования линии.
При переходе в режим
программирования «белое меню» меняется. К нему, кроме перечисленных,
добавляются следующие команды:
4) пока <условие>
повторять <тело цикла> конец цикла — цикл с предусловием;
5) если <условие>
то <серия 1> иначе <серия 2> конец ветвления — полное
ветвление;
6) если <условие> то
<серия > конец ветвления — неполное ветвление
7) сделай <имя
процедуры> — обращение к процедуре.
Данными при работе с этим
исполнителем является обстановка на поле Кенгуренка. Она определяется имеющимся
рисунком и состоянием самого Кенгуренка: его позицией на поле и направлением
(куда смотрит). Обычно исходной обстановкой является отсутствие рисунка (чистое
поле) и определенное состояние Ру. Такая обстановка устанавливается в режиме
УСТАНОВКА. Результатом работы является рисунок.
Приведенное выше описание
можно назвать описанием архитектуры исполнителя КЕНГУРЕНОК. По такой же
схеме рекомендуется описывать архитектуру любого другого алгоритмического
исполнителя.
Обучение алгоритмизации. Первыми заданиями по управлению Кенгуренком
должны быть задачи на работу в режиме прямого управления с целью получить
определенный рисунок. Этими рисунками могут быть фигуры, узоры, буквы,
построенные из вертикальных и горизонтальных отрезков. Следует обратить
внимание учеников на необходимость первоначальной установки Ру на поле.
Продемонстрируйте ученикам
реакцию Ру в случае, если его пытаются переместить за границу поля. С
Кенгуренком происходит «авария». Следовательно, выход за край поля допускать
нельзя.
Наибольший интерес
представляет работа в программном режиме. Для перехода в этот режим достаточно
переместить курсор в поле программы. После этого сразу увеличится «белое меню».
Обучение программированию для
исполнителя нужно строить на последовательности решаемых задач. Очередность
задач должна определяться следующими принципами:
— от простого к сложному: постепенное
усложнение задач;
— новизна: каждая
задача вносит какой-то новый элемент знаний (новая команда, новый прием
программирования);
— наследование: следующая
задача требует использования знаний, полученных при решении предыдущих задач.
В учебнике [6]
рассматривается последовательность задач, которая позволяет ученикам осваивать
приемы алгоритмизации в таком порядке:
— составление линейных
алгоритмов;
— описание и использование
вспомогательных алгоритмов;
— составление циклических
алгоритмов;
— использование ветвлений в
алгоритмах;
— использование метода
последовательной детализации при составлении сложных алгоритмов.
Алгоритмы решения задач,
которые рассматриваются ниже, приведены в [6]. Здесь же будут обсуждаться
только дидактические и методические проблемы, связанные с решением каждой
задачи.

Задача 1: составить алгоритм рисования буквы «Т» в
центре поля рисунка. Длина горизонтального и вертикального отрезков — 4 шага.
Кенгуренок находится в крайней левой точке горизонтального отрезка и смотрит на
восток (направо).
При разборе этой задачи
необходимо обратить внимание учеников на два обстоятельства. Первое: управление
Кенгуренком для достижения поставленной цели будет происходить без обратной
связи. Считаем, что рисование производится вдали от края и выход на границу
поля произойти не может. В этом случае алгоритм управления будет иметь
линейную структуру.
Второе: алгоритм зависит не
только от сформулированной цели (искомого результата), но и от исходного
состояния исполнителя. Если бы исходное состояние было другим (например, Ру
находится в нижней точке вертикального отрезка и направлен на север), то был бы
другим и алгоритм, несмотря на то, что в результате получается один и тот же
рисунок. Для алгоритмов работы «в обстановке» начальное состояние исполнителя
является исходным данным задачи. Состояние Кенгуренка определяется местом его
расположения на поле и ориентацией. Результатом же выполнения алгоритма
становится не только рисунок (главная цель), но и конечное состояние
исполнителя.

Задача 2 естественным образом выводит на идею
вспомогательного алгоритма. Задание следующее: составить алгоритм рисования
числа «1919». Учитель может поступить следующим образом: предложить ученикам
написать алгоритм прежними средствами, т. е. используя только три основные
команды: шаг, поворот, прыжок. Такое задание, очевидно, не вызовет энтузиазма
учеников, поскольку принцип им уже понятен, а писать длинный линейный алгоритм
довольно скучно. В этой ситуации вполне возможно самостоятельное «открытие»
учениками идеи вспомогательного алгоритма. Обратив внимание на то, что в
рисунке дважды присутствуют цифры «1» и «9», ученики могут прийти к идее
отдельного описания алгоритмов рисования этих цифр, а затем использования их
для получения четырехзначного числа «1919». После обсуждения этой идеи учитель
вводит понятие вспомогательного алгоритма и объясняет, как производится его
описание и использование. На языке Кенгуренка вспомогательный алгоритм
называется процедурой.
Умение использовать
вспомогательные алгоритмы необходимо вырабатывать у учеников как можно раньше,
уже на примерах линейных алгоритмов. Важнейший прием алгоритмизации и
программирования — декомпозиция задачи, т.е. выделение в исходной задаче
некоторых более простых подзадач. Алгоритмы решения таких подзадач называются вспомогательными
алгоритмами, а реализующие их программы — подпрограммами (процедурами).
Таким образом, решение исходной задачи разбивается на несколько алгоритмов: основной
алгоритм и вспомогательные алгоритмы. Как правило, в основном алгоритме
происходит многократное обращение к вспомогательному алгоритму.
Существуют две методики
программирования с использованием подпрограмм: метод последовательной
детализации, или «сверху вниз», и сборочный метод, или «снизу вверх». При
построении сложных алгоритмов наиболее эффективным является метод
последовательной детализации. В этом случае программирование начинается с
составления основного алгоритма. В нем записываются обращения к вспомогательным
алгоритмам, которые пока еще не составлены. Но уже на этом этапе необходимо
решить вопрос о спецификациях подпрограмм, т.е. об их входах и выходах.
Для графического исполнителя спецификации заключаются в ответах на вопросы:
какой рисунок создает подпрограмма, каким должно быть исходное состояние
исполнителя, каким будет конечное состояние исполнителя.

Задача 3: составить алгоритм рисования горизонтальной
линии, проведенной от края до края поля. Эта задача вносит в данную тему
следующие новые элементы: управление с обратной связью; структурная команда
цикла. Обратная связь между объектом управления (Кенгуренком) и управляющей системой
заключается в том, что перед выполнением каждого шага проверяется условие
«впереди не край?». Если оно истинно, т.е. ответ положительный, то делается
шаг, в противном случае выполнение цикла прекращается.
Механизм обратной связи
наглядно иллюстрируется в отладочном режиме исполнения программы. В этом режиме
анимационными средствами на экране изображается мальчик Кристоффер, который
отдает команды управления Кенгуренку. В начале каждого цикла Кристоффер
спрашивает Ру: «Впереди не край?» и получает в ответ: «Да» или «Нет».
Дальнейшие действия зависят от ответа.
Команда цикла является структурной
командой в отличие от простых команд «шаг», «поворот», «прыжок».
Структурная команда включает в себя несколько действий: проверка условия,
выполнение тела цикла, которое, в свою очередь, может состоять из нескольких
команд.
В теории алгоритмов
существует два типа циклов: цикл с предусловием и цикл с постусловием. Цикл с
предусловием (другое его название — «цикл-пока») является основным видом
циклической структуры и достаточен для построения любого циклического
алгоритма. В языке исполнителя Кенгуренок имеется только команда «цикл-пока».

Задача 4: построить прямоугольную рамку по краю
поля. Решение этой задачи требует объединения умений, полученных учениками при
решении предыдущих задач. Циклическая программа рисования линии оформляется в
виде процедуры ЛИНИЯ. А в основной программе происходит четырехкратное обращение
к этой процедуре.

Задача 5: расчертить экран горизонтальными линиями.
Эта задача является прямым продолжением предыдущей задачи. Усложнение
заключается в том, что используются две процедуры: ЛИНИЯ и ВОЗВРАТ. Кроме того,
основной алгоритм сам становится циклическим. Здесь снова нужно отметить то
важное обстоятельство, что при использовании процедур в основной программе необходимо
учитывать начальное и конечное состояние исполнителя при их выполнении.

Задача 6: нарисовать орнамент, состоящий из
квадратов, расположенных по краю поля. Здесь вводится еще одна структурная
команда — ветвление. На примере этой задачи еще раз демонстрируется
методика последовательной детализации. Причем, в отличие от предыдущих
программ, здесь используется два шага детализации, поскольку в процедуре РЯД
содержится обращение к процедуре следующего уровня — КВАДРАТ.
Разобравшись в рассмотренных
задачах, выполнив самостоятельные задания аналогичного типа, ученики должны
усвоить два основных принципа структурной методики алгоритмизации (структурного
программирования):
— всякий алгоритм может быть
построен с использование трех типов управляющих структур: следование,
ветвление, цикл;
— при построении сложных
алгоритмов следует применять метод последовательной детализации.
О способах описания
алгоритмов. Традиционно в
школьной информатике используются два способа описания алгоритмов: блок-схемы и
учебный алгоритмический язык. В базовом курсе информатики необходимо использовать
обе эти формы. Основное достоинство блок-схем — наглядность алгоритмической
структуры. Однако это качество проявляется лишь в том случае, если изображение
блок-схемы происходит стандартным способом. Эта тема затрагивается в подразделе
10.1 «Что такое структурное программирование» во второй части учебника [6].
Основным следствием освоения учениками структурной методики должно стать умение
при построении алгоритмов «мыслить структурами». Например, исходя из условия
задачи, делать следующие выводы: «Алгоритм решения данной задачи будет
представлять собой два вложенных цикла: или — цикл с вложенным ветвлением, или
— два последовательных цикла» и т.п. Структурно изображенные блок-схемы (рис. 1.4)
помогают такому видению алгоритма.

Рис. 11.4.
Блок-схемы:

Вот, например, две
блок-схемы: а — пример структурного изображения алгоритма; б — пример
неструктурного изображения алгоритма
На первый взгляд трудно
понять, что на двух этих блок-схемах изображен один и тот же алгоритм. Из схемы
а четко видна его структура: цикл-пока с вложенным ветвлением. В схеме б
довольно сложно усмотреть эту же структуру. Блок-схема а нарисована
стандартно, блок-схема б — произвольно.
Алгоритмический язык — это
текстовая форма описания алгоритма. Она ближе к языкам программирования, чем
блок-схемы. Однако это еще не язык программирования. Поэтому строгого
синтаксиса в алгоритмическом языке нет. Для структурирования текста алгоритма
на АЯ используются строчные отступы. При этом соблюдается следующий принцип:
все конструкции одного уровня вложенности записываются на одном вертикальном
уровне; вложенные конструкции смещаются относительно внешней вправо. Соблюдение
этих правил улучшает наглядность структуры алгоритма, однако не дает такой
степени наглядности, как блок-схемы.

11.4. Методические проблемы изучения
алгоритмов работы с величинами

Изучаемые вопросы:
ª ЭВМ — исполнитель алгоритмов.
ª Понятие «величина», характеристики
величин.
ª Действия, выполняемые над величинами.
Есть две стороны в обучении
алгоритмизации:
— обучение структурной
методике .построения алгоритмов;
— обучение методам работы с
величинами.
Решение первой задачи
обсуждалось выше. Знакомясь с программным управлением исполнителями,
работающими «в обстановке», ученики осваивали методику структурного
программирования. При этом понятие «величина» могло быть не затронуто вовсе.
Однако с величинами ученики уже встречались в других темах базового курса: в
частности, при изучении баз данных, электронных таблиц. Теперь требуется
объединить навыки структурной алгоритмизации и навыки работы с величинами.
ЭВМ — исполнитель
алгоритмов. Обсуждение
методических вопросов изучения темы «Алгоритмы работы с величинами» будем
проводить в программистском аспекте. Составление любой программы для ЭВМ
начинается с построения алгоритма. Как известно, всякий алгоритм (программа)
составляется для конкретного исполнителя, в рамках его системы команд. О каком
же исполнителе идет речь в теме «программирование для ЭВМ»? Ответ очевиден:
исполнителем является компьютер. Точнее говоря, исполнителем является комплекс
«ЭВМ + система программирования (СП)». Программист составляет программу на том
языке, на который ориентирована СП. Иногда в литературе по программированию
такой комплекс называют «виртуальной ЭВМ». Например, компьютер с работающей
системой программирования на Бейсике называют «Бейсик-машина»; компьютер с
работающей системой программирования на Паскале называют «Паскаль-машина» и
т.п. Схематически это изображено на рис. 11.5.

  Рис. 11.5. Взаимодействие
программиста с компьютером
Входным языком такого исполнителя является язык
программирования Паскаль.
При изучении элементов
программирования в базовом курсе необходимо продолжать ту же структурную линию,
которая была заложена в алгоритмическом разделе. Поэтому при выборе языка программирования
следует отдавать предпочтение языкам структурного программирования. Наиболее
подходящим из них для обучения является Паскаль.
Процесс программирования
делится на три этапа:
1) составление алгоритма
решения задачи;
2) составление программы на
языке программирования;
3) отладка и тестирование
программы.
Для описания алгоритмов
работы с величинами следует, как и раньше, использовать блок-схемы и учебный
алгоритмический язык. Описание алгоритмов должно быть ориентировано на
исполнителя со структурным входным языком, независимо от того, какой язык
программирования будет использоваться на следующем этапе,
Характеристики величин. Теперь обсудим специфику понятия величины
и методические проблемы раскрытия этого понятия.
Компьютер работает с
информацией. Информация, обрабатываемая компьютерной программой, называется данными.
Величина — это отдельный информационный объект, отдельная единица
данных. Команды в компьютерной программе определяют действия, выполняемые
над величинами. По отношению к программе данные делятся на исходные, результаты
(окончательные данные) и промежуточные данные, которые получаются в процессе
вычислений (рис. 11.6).

Рис. 11.6.
Уровни данных относительно программы

Например, при решении
квадратного уравнения: ах2 + bх + с =
= 0, исходными данными являются коэффициенты а, b, с; результатами — корни уравнения: х1, х2;
промежуточным данным — дискриминант уравнения: D = b2 — 4ас.
Важнейшим понятием, которое
должны усвоить ученики, является следующее: всякая величина занимает свое
определенное место в памяти ЭВМ — ячейку памяти. В результате в сознании
учеников должен закрепиться образ ячейки памяти, сохраняющей величину. Термин
«ячейка памяти» рекомендуется употреблять и в дальнейшем для обозначения места
хранения величины.
У всякой величины имеются три
основных характеристики: имя, значение и тип. На уровне машинных
команд всякая величина идентифицируется адресом ячейки памяти, в которой она
хранится, а ее значение — двоичный код в этой ячейке. В алгоритмах и языках
программирования величины делятся на константы и переменные.
Константа — неизменная
величина и в алгоритме она представляется собственным значением, например: 15,
34.7, 'к', true и пр. Переменные величины могут изменять свои значения в
ходе выполнения программы и представляются символическими именами —
идентификаторами, например: X, S2, cod!5 и пр.
Однако ученики должны знать, что и константа, и переменная занимают ячейку
памяти, а значение этих величин определяется двоичным кодом в этой ячейке.
Теперь о типах величин — типа^данных.
С понятием типа данных ученики уже могли встречаться, изучая базы данных и
электронные таблицы. Это понятие является фундаментальным для программирования.
Поэтому в данном разделе базового курса происходит возврат к знакомому
разговору о типах, но на новом уровне.
В каждом языке
программирования существует своя концепция типов данных, своя система типов.
Однако в любой язык входит минимально-необходимый набор основных типов данных,
к которому относятся следующие: целый, вещественный, логический и символьный.
С типом величины связаны три ее свойства: множество допустимых значений,
множество допустимых операций, форма внутреннего представления (табл. 11.1).
Таблица 11.1
Свойства
основных типов данных

Тип

Значения

Операции

Внутреннее представление

Целый

Целые положительные и отрицательные
  числа в некотором диапазоне. Примеры: 23, -12, 387

Арифметические операции с целыми
  числами: +, — , х, целое деление и остаток от деления. Операции отношений
  (<, >, = и др.)

Формат c фиксированной точкой

Вещественный

Любые (целые и дробные) числа в
  некотором диапазоне. Примеры: 2,5, -0,01, 45,0,
3,6х109

Арифметические операции: +, -, х, /.
  Операции отношений

Формат с плавающей точкой

Логический

True (истина), False (ложь)

Логические операции: И (and), ИЛИ (or), HE (not). Операции отношений

1 бит: 1 — true; 0 - false

Символьный

Любые символы компьютерного алфавита. Примеры:
  V, '5', '+', '$'

Операции отношений

Коды таблицы символьной кодировки. 1
  символ — 1 байт

Типы констант определяются по
контексту (т.е. по форме записи в тексте), а типы переменных устанавливаются в
описании переменных.
Есть еще один вариант
классификации данных: классификация по структуре. Данные делятся на простые и
структурированные. Для простых величин (их еще называют скалярными) справедливо
утверждение: одна величина — одно значение. Для структурированных: одна
величина — множество значений. К структурированным величинам относятся массивы,
строки, множества и др. В разделе базового курса «Введение в программирование»
структурированные величины могут не рассматриваться.
Действия над величинами, определяемые алгоритмом (программой),
основываются на следующей иерархии понятий: операция — выражение — команда, или
оператор — система команд (рис. 11.7).

Рис. 11.7.
Средства выполнения действий над величинами

Операция — простейшее законченное действие над
данными. Операции для основных типов данных перечислены в приведенной выше
таблице.
Выражение — запись в алгоритме (программе), определяющая
последовательность операций для вычисления некоторой величины.
Команда — входящее в запись алгоритма типовое
предписание исполнителю выполнить некоторое законченное действие. Команды
присваивания, ввода, вывода называются простыми командами; команды цикла и
ветвления — составными, или структурными, командами.
В языках программирования
строго определены правила записи операций, выражений, команд. Эти правила
составляют синтаксис языка. При описании алгоритма в виде блок-схемы или на алгоритмическом
языке строгое соблюдение синтаксических правил не является обязательным.
Программист пишет алгоритм для себя как предварительный этап работы перед
последующим составлением программы. Поэтому достаточно, чтобы смысл алгоритма
был понятен его автору. В то же время в учебном процессе требуется некоторая
унификация способа описания алгоритма для взаимопонимания. Однако еще раз
подчеркнем, что эта унификация не так жестко формализована, как в языках
программирования.
Не следует требовать от
учеников строгости в описаниях алгоритмов с точностью до точки или запятой.
Например, если каждая команда в алгоритме на АЯ записывается в отдельной
строке, то совсем не обязательно в конце ставить точку с запятой. В качестве
знака умножения можно употреблять привычные из математики точку или крестик, но
можно и звездочку — характерную для языков программирования. Но следует иметь в
виду, что и в описаниях алгоритмов нужно ориентироваться только на тот набор
операций и команд, который имеется у исполнителя. Проще говоря, не нужно
употреблять операции или функции, которых нет в используемом языке
программирования. Например, если составляется алгоритм для дальнейшего
программирования на Бейсике, то в нем можно использовать операцию возведения в
степень в виде: х5 или хÙ5, потому что в языке программирования
есть эта операция (пишется ХÙ5). Если же программа будет записываться на Паскале, в
котором отсутствует операция возведения в степень, то и в алгоритме не следует
ее употреблять; нужно писать так: х*х*х*х*х. Возведение в большую целую
степень, например в 20, 30-ю, следует производить циклическим умножением.
Возведение в вещественную степень организуется через функции ехр и In: xy= eylnx Þ exp(y*ln(x)).
Узловыми понятиями в
программировании являются понятия переменной и присваивания. О переменной уже
говорилось выше. Процесс решения вычислительной задачи — это процесс
последовательного изменения значений переменных. В итоге в определенных
переменных получается искомый результат. Переменная получает определенное
значение в результате присваивания. Из числа команд, входящих в
представленную выше СКИ, присваивание выполняют команда ввода и команда
присваивания. Есть еще третий способ присваивания — передача значений через
параметры подпрограмм. Но о нем мы здесь говорить не будем.
Педагогический опыт
показывает, что в большинстве случаев непонимание некоторыми учениками
программирования происходит от непонимания смысла присваивания. Поэтому
учителям рекомендуется обратить особое внимание на этот вопрос.
Команда присваивания имеет следующий
вид:
<переменная>
:= <выражение>
Знак «:=» надо читать как
«присвоить». Это инструкция, которая обозначает следующий порядок действий:
1) вычислить выражение;
2) присвоить полученное
значение переменной.
Обратите внимание учеников на
то, что команда выполняется справа налево. Нельзя путать команду присваивания с
математическим равенством Особенно часто путаница возникает в тех случаях,
когда в качестве знака присваивания используется знак «=» и учитель читает его
как «равно». В некоторых языках программирования знак «=» используется как
присваивание, например, в Бейсике и Си. В любом случае надо говорить
«присвоить».
Ученикам, отождествляющим
присваивание с равенством, совершенно непонятна такая команда: Х:= Х+ 1.
Такого математического равенства не может быть! Смысл этой команды следует
объяснять так: к значению переменной X прибавляется единица и результат присваивается этой же переменной X. Иначе говоря, данная команда увеличивает значение переменной Х на
единицу.
Под вводом в программировании
понимается процесс передачи данных с любого внешнего устройства в оперативную
память. В рамках введения в программирование можно ограничиться узким
пониманием ввода как передачи данных с устройства ввода (клавиатуры) в ОЗУ. В
таком случае ввод выполняется компьютером совместно с человеком. По команде
ввода работа процессора прерывается и происходит ожидание действий
пользователя; пользователь набирает на клавиатуре вводимые данные и нажимает на
клавишу <ВВОД>; значения присваиваются вводимым переменным.
Вернемся к вопросу об
архитектуре ЭВМ — исполнителе вычислительных алгоритмов. Как известно, одним из
важнейших дидактических принципов в методике обучения является принцип
наглядности. За каждым изучаемым понятием в сознании ученика должен закрепиться
какой-то визуальный образ. Успешность обучения алгоритмизации при использовании
учебных исполнителей объясняется именно наличием таких образов (Черепашки,
Робота, Кенгуренка и др.). Можно еще сказать так: архитектура учебных
исполнителей является наглядной, понятной ученикам. Исполнителем
вычислительных алгоритмов (алгоритмов работы с величинами) является компьютер.
Успешность освоения программирования для ЭВМ во многом зависит от того, удастся
ли учителю создать в сознании учеников наглядный образ архитектуры компьютера-исполнителя.
Работа с реализованными в виде исполнителей учебными компьютерами («УК Нейман»,
«Кроха», «Малютка» и др.) помогает решению этой задачи. Составляя
вычислительные алгоритмы, программы на языках высокого уровня, ученики в своем
понимании архитектуры могут отойти от деталей адресации ячеек памяти, типов
регистров процессора и т.п. подробностей, но представление об общих принципах
работы ЭВМ по выполнению программы у них должно остаться.
Вот как должен представлять
себе ученик выполнение алгоритма сложения двух чисел (рис. 11.8):
Алг сложение
цел А, В, С
нач
ввод А
ввод В
С := А + В
вывод С
кон

Рис. 11.8. Исполнение
компьютером вычислительного алгоритма

Эффективным методическим
средством, позволяющим достичь понимания программирования, является ручная
трассировка алгоритмов, которая производится путем заполнения трассировочной
таблицы.

Примеры решения задач

Рассмотрим несколько задач,
назначение которых состоит в закреплении понятий «переменная», «присваивание».
Условия задач взяты из списка заданий к подразделу 12.1 учебника [6].

Пример 1. Вместо многоточия впишите в алгоритм
несколько команд присваивания, в результате чего получится алгоритм возведения
в 4-ю степень введенного числа (дополнительных переменных кроме А не
использовать):
ввод А ... вывод А
Решение.    Ввод А
А:= А*А (А2)
А:= А*А (A4)
Вывод
А

Пример 2. Написать на АЯ алгоритм вычисления У по
формуле:
Y= (1 — X2 + 5Х4)2,
где X— данное целое число. Учесть следующие ограничения: 1) в арифметических
выражениях можно использовать только операции сложения, вычитания и умножения;
2) выражение может содержать только одну арифметическую операцию. Выполнить
трассировку алгоритма при X = 2.
Решение. Ученики могут построить разные варианты
алгоритма решения этой задачи. Для сохранения промежуточных результатов можно
использовать дополнительные переменные. Обсуждая эту задачу, полезно
рассмотреть вариант алгоритма, при котором не понадобится дополнительных
переменных, т. е. можно обойтись всего двумя переменными Хи Y. Тем самым достигается экономия памяти компьютера. Вот как выглядит
этот алгоритм и его трассировка (табл. 11.2):
Таблица 11.2

Команда

X

Y

Ввод X

2

X = X * X

4

Y = 1 - X

-3

X = X * X

16

X = 5 * X

80

Y = Y + X

77

у = у * Y

5929

Вывод У

5929

Пример 3. Пользуясь ограничениями предыдущей
задачи, написать наиболее короткие алгоритмы вычисления:

Постараться использовать
минимальное количество дополнительных переменных. Выполнить трассировку
алгоритмов.
Решение. Выполним вариант г) задания. Построим
алгоритм, учитывая равенство: X19 = Х16-Х*. Значения Xk, где k = 2", быстро вычисляются л-кратным
умножением переменной самой на себя. Алгоритм:
Ввод
X

Вывод
Z

Пример 4. Записать алгоритм циклического обмена
значениями трех переменных А, В, С. Схема циклического обмена:

Например, если до обмена
было: А = 1, В = 2, С = 3, то после обмена должно стать: А
= 3, В= I, С = 2. Выполнить трассировку.
Решение. Эта задача является естественным
продолжением задачи об обмене значениями двух переменных, рассмотренной в [6].
Идея прежняя: для обмена значениями требуется дополнительная переменная,
обозначим ее — X. Вот как будет выглядеть алгоритм и его трассировка:
Таблица 11.3

Команда

А

B

С

X

Ввод А, В, С

1

2

3

Х:=С

3

С:=В

2

В:=А

1

А:=Х

3

ВыводА, В, С

3

1

2

11.5. Элементы программирования в
базовом курсе информатики

Изучаемые вопросы:
• Предметная область
программирования; парадигмы программирования.
• Методические вопросы
изучения языков программирования.
• Методические вопросы
изучения систем программирования.
Программирование ~ это
раздел информатики, задача которого —
разработка программного
обеспечения ЭВМ.
В узком смысле слово
«программирование» обозначает процесс разработки программы на определенном
языке программирования. Разработку средств системного ПО и систем
программирования принято называть системным программированием; разработку
прикладных программ называют прикладным программированием. По этому
принципу делят программистов на системных и прикладных, в зависимости от типа
создаваемых ими программ.
Существуют различные
парадигмы программирования, и преподавание каждой из них имеет свои
особенности. К основным парадигмам программирования относятся (см. схему 4):
• процедурное
программирование (Паскаль, Бейсик, Фортран, Си, Ассемблеры);
• логическое программирование
(Пролог);
• функциональное
программирование (Лисп);
• объектно-ориентированное
программирование (Смолток, Си++, Делфи).
В скобках приведены примеры
языков программирования, в которых реализована соответствующая парадигма.
Классической, универсальной и
наиболее распространенной является процедурная парадигма. Наибольшее количество
существующих языков программирования относятся к этой линии. Поэтому чаще всего
в учебных заведениях изучается процедурное программирование. А наиболее часто
изучаемыми в школе языками программирования являются Паскаль и Бейсик. В
дальнейшем под словом «программирование» мы будем подразумевать именно процедурную
парадигму.
Процесс изучения и
практического освоения программирования можно разделить на три части:
• изучение методов построения
вычислительных алгоритмов;
• изучение языка
программирования;
• изучение и практическое
освоение определенной системы программирования.
Эта структура отражена на
схеме 4. Здесь и в дальнейшем термин «вычислительные алгоритмы» будем понимать
в самом широком смысле — как алгоритмы работы с величинами любых типов,
ориентированные на исполнителя — ЭВМ.
Методические вопросы изучения
алгоритмизации обсуждались в предыдущих разделах. Теперь рассмотрим вопросы
методики изучения языков программирования и систем программирования.

Методические рекомендации по изучению
языков программирования

Достаточно хорошо известна
методика изучения языков программирования с целью практического их освоения.
Эта методика опирается на структуру самого объекта изучения — языка
программирования, которая отражена на схеме 4.
Языки программирования
делятся на две группы:
• машинно-ориентированные:
Автокоды, Ассемблеры;
• языки программирования
высокого уровня (ЯПВУ).
В настоящее время практически
все программисты пользуются языками высокого уровня. Даже такие системные
программные продукты, как трансляторы, операционные системы и др., составляются
на языках высокого уровня (обычно для этого используют язык Си).
На любом языке
программирования алгоритм решения задачи представляется через совокупность
команд. Что такое команда на машинном языке, демонстрируется на примерах
учебных компьютеров. В ЯПВУ одна команда определяет уже не одну операцию
процессора, а, в общем случае, множество. Поэтому к командам ЯПВУ более
подходит термин «оператор».
Важнейшим оператором является
оператор присваивания. В ЯПВУ оператор присваивания записывается
практически так же, как в алгоритмическом языке команда присваивания.
В ЯПВУ одним оператором
представляются целые алгоритмические структуры: ветвление, цикл. Правда, такое
есть не во всех языках (например, нет в стандартном Бейсике). Языки, в которых
имеются структурные операторы, принято называть структурными языками. К
их числу относятся Паскаль и Си.
Изучение языков
программирования высокого уровня в базовом курсе должно носить только
ознакомительный характер. Но использовать для этого какой-то учебный язык,
учебную систему программирования, совсем не обязательно. Реальные ЯПВУ можно
изучать с разной степенью подробности. Освоение же работы в современных
системах программирования на таких языках не вызывает больших затруднений.
Наиболее целесообразно для
начального знакомства с языками программирования использовать язык Паскаль.
Язык Паскаль был создан в 1971 г. Никлаусом Виртом как учебный язык. Основной
принцип, заложенный в нем, — это поддержка структурной методики
программирования. Этот же принцип лежит в основе учебного алгоритмического языка
(АЯ). По сути дела, расхождение между АЯ и Паскалем состоит в следующем: АЯ —
русскоязычный, Паскаль — англоязычный; синтаксис Паскаля определен строго и
однозначно в отличие от сравнительно свободного синтаксиса АЯ.
Конечно, учитель может
выбрать и язык Бейсик из-за привычки к нему или при отсутствии системы
программирования на Паскале. Но в этом случае возникают серьезные методические
проблемы: как аккуратно отразить концепцию типов данных и структурную методику
программирования на Бейсике? В принципе, известно, как это делать, но для
неопытного учителя это может оказаться проблемой.
Поскольку в базовом курсе
ставится только лишь цель первоначального знакомства с программированием, то
строгого описания языка программирования не требуется. Основной используемый
метод — демонстрация языка на примерах простых программ с краткими
комментариями. Некоторые понятия достаточно воспринять ученикам на
«интуитивном» уровне. Наглядность такого языка, как Паскаль, облегчает это
восприятие. Кроме того, пониманию помогает аналогия между Паскалем и
русскоязычным алгоритмическим языком. Для выполнения учениками несложных
самостоятельных заданий достаточно действовать методом «по образцу».
Учитель может задуматься над
проблемой: как лучше связать изучение методов построения алгоритмов работы с
величинами и языка программирования. Здесь возможны два варианта:
1) сначала рассматриваются
всевозможные алгоритмы, для описания которых используются блок-схемы и АЯ, а
затем — правила языка программирования, способы перевода уже построенных
алгоритмов в программу на этом языке;
2) алгоритмизация и язык
программирования осваиваются параллельно.
В учебнике [15] используется
первый подход, в учебниках [6, 12] использован второй подход. В курсе
А.Г.Кушниренко [14] учебный алгоритмический язык доведен до уровня языка
программирования, реализованного в системе КуМир. В этом случае алгоритмизация
и программирование осуществляются в единой языковой среде.
Опыт показывает, что
теоретическое изучение алгоритмизации и программирования, оторванное от
практики, малоэффективно. Желательно, чтобы ученики как можно раньше получили
возможность проверять правильность своих алгоритмов, работая на компьютере. А
для этого им нужно знакомиться с языком программирования, осваивать приемы
работы в системе программирования. Метод последовательного изучения
алгоритмизации и языка программирования приемлем лишь в «безмашинном» варианте.
Даже при использовании
компьютера, на первом этапе рекомендуется не отказываться от ручной трассировки
алгоритма. Этот прием помогает ученикам «почувствовать» процесс исполнения,
увидеть свои ошибки, допущенные в алгоритме. Когда же они станут более опытными
программистами, например осваивая профильный курс программирования в старших
классах, тогда можно будет отказаться от ручной трассировки.
Обучение программированию
должно проводиться на примерах типовых задач с постепенным усложнением
структуры алгоритмов. По признаку алгоритмической структуры их можно
классифицировать так:
• линейные алгоритмы:
вычисления по формулам, всевозможные пересылки значений переменных;
• ветвящиеся алгоритмы: поиск
наибольшего или наименьшего значений из нескольких данных; сортировка двух-трех
значений; диалог с ветвлениями;
• циклические алгоритмы:
вычисление сумм и произведений числовых последовательностей, циклический ввод
данных с последовательной обработкой.
Такая последовательность
задач рассматривается в учебнике [6] и предлагается в списке заданий для
самостоятельного выполнения.

Примеры решения задач
Изучение языка
программирования происходит в контексте решаемых задач, т.е. новые средства
языка вводятся по мере необходимости для решения очередного типа задач.
Рассмотрим решение некоторых задач с использованием языка Паскаль, предлагаемых
в учебнике [6]. Эти примеры иллюстрируют использование метода аналогии между
учебным алгоритмическим языком и Паскалем.

Пример 1. Составить алгоритм, по которому на
компьютере будет происходить следующее: в переменную S вводится возраст Саши, в переменную М вводится
возраст Маши. В качестве результата на экран выводится фраза «Саша старше
Маши», или «Маша старше Саши», или «Саша и Маша ровесники». Написать программу
на Паскале по этому алгоритму.
Решение. Алгоритм имеет структуру двух вложенных
полных ветвлений. При переходе от алгоритмического языка к Паскалю следует
обратить особое внимание на необходимость точного соблюдения правил синтаксиса
языка: точки с запятой в конце операторов, параметров ввода и вывода в круглых
скобках и пр.

алг САША-MАША                                                 Program Sasha&Masha;
вещ
S, M                                                                var
S, M: real;
нач вывод
'Возраст Саши:' .                             begin write
('Возраст
ввод S                                                                                Саши:');
вывод
'Возраст                                                       readln(S);
Маши:'                                                           write('Возраст
ввод
М                                                                                Маши:');
если S > M
                                                              readln( М);
то вывод 'Саша                                                      if
S > М
старше Маши'                                             then
write('Саша
иначе если S = М                                                              старше
Маши')
то вывод 'Саша                                          else
if S = М
и Маша                                                          then
write('Саша
ровесники'                                        и Маша
ровесники')
иначе вывод                                                           else
write('Маша
'Маша старше                                             старше
Саши')
Саши1                                    end.
кв
кв
кон

Пример 2. Составить алгоритм упорядочения значений
трех переменных по возрастанию, т.е. при любых исходных значениях А, Б, С отсортировать
их так, чтобы стало А < В < С. Написать программу на Паскале по
этому алгоритму.
Решение. В подразделе 12.4учебника [6] рассмотрен
алгоритм упорядочения значений двух переменных. Для решения данной задачи
требуется трижды применить этот алгоритм: упорядочить А и В, упорядочить
В и С (после этого максимальное значение попадет в С), еще раз
упорядочить Aw. В. Таким образом, алгоритм будет иметь структуру трех последовательных
неполных ветвлений.

Алг СОРТИРОВКА-3
                                          Program
SORT_3;
вещ А, В, С, X
                                                      var
A,B,C,X: real;
нач                                                                           begin
ввод
А, В, С                                                             readln (А, В, С);
если А > В                                                                if
A > В
то                                                                                then
begin
X := А;                                                                       X := А;
А := В;                                                                        А
:= В;
В := X                                                                         В
:= X
kb                                                                                end;
если В > С                                                               if В > С
то then                                                                      begin
X := В;                                                                        X := В;
В := С;                                                                        В
:= С;
С
:= X                                                                         С
:= X
kb                                                                                end;
если А > В                                                               if
A > В
то                                                                                then
begin
X := А;                                                                        X := А;
А := В;                                                                        А
:= В;
В := X                                                                         В
:= X
kb                                                                                end;
вывод
А,В,С                                                             write(А,В,С)
кон                                                                           end.

По поводу рассмотренной
задачи сделаем следующее замечание. Эта задача, которая выводит на идею
использования вспомогательных алгоритмов. Упорядочение трех переменных
производится трехкратным применением алгоритма упорядочения двух переменных,
поэтому разумно этот алгоритм оформить как вспомогательный. Программы,
реализующие вспомогательные алгоритмы, называются подпрограммами. В Паскале
есть два вида подпрограмм: подпрограммы-процедуры и подпрограммы-функции. В
данной задаче можно использовать процедуру.
В учебнике [6] подпрограммы
не рассматриваются. Это объясняется ограниченностью учебного времени, которое
можно выделить в базовом курсе на тему «Введение в программирование». При наличии
дополнительного времени рекомендуется дать ученикам представление о
подпрограммах. Рассмотренная здесь задача может быть использована как опорная
для раскрытия этой темы. Приведем пример программы сортировки значений трех
переменных с использованием процедуры (правила работы с процедурами смотрите в
учебниках по Паскалю).
Program Sort_3;
var А, В, С: real;
Procedure SOR2(var X,Y: real);
var Z: real; begin
Z:=X; X:=Y; Y:=Z
end;
begin readln(А,В,С);
SOR2(A,B);
SOR2(B,C) ;
SOR2(A,B) ;
writeln(A,B,C)
end.

Пример З. Дано вещественное число Хк натуральное
N. Составить алгоритм вычисления XN. Написать программу на Паскале.
Решение.В Паскале нет
операции возведения в степень. Если показатель степени — целое положительное
число, то возводить в степень нужно путем ЛГ-кратного умножения основания
самого на себя. Реализуется это циклическим алгоритмом:

алг Степень                                                 Program
Power;
цел N,i; вещ X;                                            var
N,i: integer;
нач ввод N                                                               X:
real;
ввод X                                               begin
readln(N);
i:=l;                                                                  readln(X);
Y:=l;                                                                i:=i;
пока i<=N, повторять                                Y:=l;
нц                                                                   while
i<=N do
Y:=Y*X                                               begin
i:=i+l                                                                Y:=Y*X;
кц                                                                                i:=i+l
вывод Y                                                         end;
кон                                                                             write(Y)
end.

При выполнении трассировки этого
алгоритма обязательно следует проверить правильность его работы при N = 0.
Как известно из математики, Х° = 1. Трассировка доказывает, что и в этом
случае алгоритм будет давать правильный результат.

Пример 4. Последовательно вводятся N целых
чисел. Найти максимальное из них.
Решение. В программировании часто приходится
решать задачу поиска максимального (минимального) значения в числовом массиве.
В базовом курсе могут не рассматриваться структурированные данные, в том числе
массивы. Однако-эту задачу можно решить и без использования массива,
ограничившись простыми переменными. Для этого ввод данных и обработку надо
совместить в одном цикле. Вот как это делается:

Алг максимум                                                         Program
maximum;
цел N, i, X, MAX
                                                     var
N, i, X, MAX: integer;
нач                                                                             begin
вывод
'введите N';                                                  write('введите N');
ввод
N                                                                       readln(N);
вывод
'введите X';                                                  write С введите X');
ввод
X                                                                       readln(X);
МАХ:=Х;
i:=l                                                              MAX:= X;
i:=l;
пока
i < N, повторять                                          while
i < N do
нц                                                                               begin
вывод
'Введите X';                                                             write('Введите X');
ввод
X                                                                       readln(X);
если X > MAX                                                          if
X > MAX
то MAX:=X                                                                then
MAX: = X;
kb                                                                                i
: = i + 1
i: = i + l                                                                end;
кц                                                                                writeln(MAX)
вывод MAX                                                                end.
кон

Методические рекомендации
по изучению систем программирования

В данной теме, как и в темах,
связанных с информационными технологиями, следует придерживаться основного
методического принципа изучения — принципа исполнителя. Выше уже говорилось о
том, что теперь в качестве исполнителя рассматривается компьютер, оснащенный
определенной системой программирования (СП). Всякий исполнитель предназначен
для выполнения определенного вида работы. Что это за работа? Она состоит из
трех составляющих: создание программы, отладка программы, исполнение программы.
Согласно общей методической
схеме описания исполнителей в каждой конкретной системе программирования можно
выделить следующие компоненты: среда, режимы работы, система команд, данные.
Под средой системы
программирования, будем понимать обстановку на экране (системную оболочку), в
которой работает пользователь СП. Здесь учитель должен описать и показать
ученикам оболочку именно той СП, с которой намерен работать в данной теме.
Определенная стандартизация
оболочек систем программирования произошла с появлением турбо-систем фирмы Borland. Для таких сред характерно наличие на
экране двух компонент: окна редактора, на котором формируется текст программы,
и меню команд переключения режимов работы системы.
Характерными режимами
работы СП являются:
— режим редактирования текста
программы;
— режим компиляции;
— режим исполнения;
— режим работы с файлами;
— режим помощи;
— режим отладки программы.
Резким редактирования обычно устанавливается автоматически при
инициализации работы системы. При этом работает встроенный в систему текстовый
редактор. В принципе, текст программы можно подготовить и с помощью другого
редактора, формирующего текстовые файлы. Но обычно программисты предпочитают
пользоваться собственным редактором системы.
Режим компиляции существует у систем, обслуживающих
компилируемые языки (Паскаль, СИ, Фортран и др.). Результатом компиляции
является исполняемая программа, т.е. программа на языке машинных команд. В
некоторых случаях получение исполняемой программы происходит в два этапа:
собственно компиляции и редактирования связей. Хотя учитель должен понимать
смысл этих процедур, но в базовом курсе, при объяснении ученикам, эти вопросы
можно подробно не комментировать.
Режим исполнения. В компилирующих системах в этом режиме
исполняется полученная после трансляции программа в машинных командах. Интерпретатор
непосредственно сам исполняет программу на ЯПВУ. Так, например, работает
Бейсик-система. Обычно в том и в другом случае исполнение программы начинается
по команде RUN.
Режим работы с файлами. В файлах на внешних носителях система хранит
тексты программ на исходном языке; программы, полученные в результате
трансляции; исходные данные и конечные результаты. В файловом режиме выполняются
традиционные операции: сохранить информацию в файле, прочитать информацию из
файла в оперативную память, именовать файл и др. К этому же режиму относится
команда вывода содержимого окна редактора на печать, поскольку печать
трактуется как вывод информации в файл, связанный с принтером.
Режим помощи позволяет программисту получить подсказку
на экране, помогающую ему как в работе с системой, так и с языком
программирования.
Режим отладки. Этот режим чаще всего реализован в
развитых СП на профессиональных компьютерах. В режиме отладки можно производить
трассировку, пошаговое исполнение программы; можно следить за изменением определенных
величин; назначать остановку исполнения программы в определенном месте или при
определенном условии. Режим отладки предоставляет программисту удобные средства
для поиска алгоритмических ошибок в программе.
Следуя уже знакомой
методической схеме, рассказывая про режимы работы СП, учитель должен рассказать
о системе команд, используемой в каждом из режимов.
Для СП данными являются
файлы с текстами программ, с исходной и конечной информацией, связанной с
решаемой задачей.

11.6. Требования к знаниям и умениям
учащихся по линии алгоритмизации и
программирования

Учащиеся должны знать:
• что такое алгоритм; какова
роль алгоритма в системах управления;
• в чем состоят основные
свойства алгоритма;
• способы записи алгоритмов:
блок-схемы, учебный алгоритмический язык;
• основные алгоритмические
конструкции: следование, ветвление, цикл; структуры алгоритмов;
• назначение вспомогательных
алгоритмов; технологии построения сложных алгоритмов: метод последовательной
детализации и сборочный (библиотечный) метод;
• основные свойства величин в
алгоритмах обработки информации: что такое имя, тип, значение величины; смысл
присваивания;
• назначение языков
программирования;
• *в чем различие между
языками программирования высокого уровня и машинно-ориентированными языками;
• правила представления
данных на одном из языков программирования высокого уровня (например, на
Паскале);
• правила записи основных
операторов: ввода, вывода, присваивания, цикла, ветвления;
• правила записи программы;
• *что такое трансляция;
• назначение систем программирования;
• содержание этапов
разработки программы: алгоритмизация — кодирование — отладка — тестирование.

Учащиеся должны уметь:
• пользоваться языком
блок-схем, понимать описания алгоритмов на учебном алгоритмическом языке;
• выполнять трассировку
алгоритма для известного исполнителя;
• составлять несложные
линейные, ветвящиеся и циклические алгоритмы управления одним из учебных
исполнителей;
• выделять подзадачи;
определять и использовать вспомогательные алгоритмы;
• составлять несложные
программы решения вычислительных задач с целыми числами;
• программировать простой
диалог;
• работать в среде одной из
систем программирования (например, Турбо Паскаль);
• осуществлять отладку и
тестирование программы.

Вопросы для самоконтроля и обсуждения к главе 11

1. Как менялось со временем
место и значение темы алгоритмизации в курсе информатики?
2. Какие основные понятия,
дидактические средства и методические подходы, введенные в учебнике А.П.Ершова
и др., сохранились в последующих учебниках?
3. Можно ли говорить, что
структурный подход был и остается методической основой при изучении
алгоритмизации и программирования? Обоснуйте ответ.
4. В чем методический смысл
деления исполнителей алгоритмов на исполнителей, работающих «в обстановке», и
исполнителей, работающих «с величинами»?
5. Дайте характеристику
использования учебных исполнителей алгоритмов в различных учебниках
информатики.
6. Не во всех учебниках
информатики дается строгое определение алгоритма и обсуждаются его свойства.
Как вы думаете, почему? Являются ли эти вопросы необходимыми в базовом курсе?
7. Нужно ли играть с детьми
на уроке в «в алгоритмические игры» (типа игры Ваше)? Какие еще алгоритмические
игры вы можете предложить?
8. Какие типы задач нужно
рассматривать с учениками для наиболее полного осознания ими понятия алгоритма?
9. Что включается в понятие
«архитектура учебного исполнителя»?
10. Какие основные положения
составляют методику структурного подхода к алгоритмизации и программированию?
Каким требованиям должен удовлетворять учебный исполнитель для пригодности его
использования в обучении этой методике?
11. По каким методическим
принципам должна строиться последовательность рассматриваемых на уроках задач
при изучении алгоритмизации?
12. Почему не следует
отказываться от использования на уроках информатики блок-схем и как их надо
изображать? ;
13. На какого исполнителя
ориентированы алгоритмы работы с величинами?
14. В какой методической
последовательности следует раскрывать по-: нятие величины и ее свойств?
15. Какие методические
проблемы возникают при изучении понятий «переменная», «присваивание»? Как их
решать?
16. Почему для успешного
освоения программирования ученику необходимо иметь представление об архитектуре
ЭВМ?
17. В каком объеме, по вашему
мнению, должно изучаться программирование в базовом курсе информатики?
18. Какие языки
программирования наиболее подходят для вводного курса и почему?
19. Как наиболее эффективно
связать освоение методов построения алгоритмов с освоением языка
программирования?
20. Как объяснить ученикам, в
чем заключается разница между языками программирования и системами
программирования?
21. Какой методический подход
следует применять при ознакомлении учеников с системой программирования?

11.7. Лабораторный практикум

Тема «Алгоритмизация и программирование»

Основные вопросы:
1. Цели и задачи изучения
основ алгоритмизации и программирования в школьном курсе информатики.
2. Роль рассматриваемой темы
в решении общеобразовательных задач базового курса информатики, связанных с
формированием алгоритмической культуры учащихся.
3. Методические особенности
изучения базовых понятий алгоритмизации и программирования.
4. Системы учебных
исполнителей и их использование в обучении алгоритмизации.
5. Дидактические функции
учебного алгоритмического языка.
6. Методика ознакомления
учащихся с основными парадигмами программирования.

Занятие 1
Тема «Формирование базовых понятий
алгоритмизации в школьном курсе информатики с использованием учебных
исполнителей»
Задачи занятия:
1. Определить роль и место
учебного материала по алгоритмизации в базовом курсе информатики.
2. Рассмотреть цели и задачи
изучения основ алгоритмизации в школьном курсе информатики.
3. Выявить базовые понятия
алгоритмизации, определить этапы, формы и методы их формирования.
4. Определить логическую
последовательность изучения базовых понятий.
5. Установить связи и
отношения между выделенными понятиями.
6. Определить уровни
формирования базовых понятий. Способ организации занятия: практикум.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[1, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15], программные средства [1, 2, 4, 5, 6].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Изучить нормативные
документы, определяющие структуру и содержание учебного материала по
алгоритмизации.
2. Познакомиться с различными
вариантами представления учебного материала по алгоритмизации в программах
базового курса информатики и провести сравнительный анализ их содержания и
программно-методического обеспечения.
3. Составить
терминологический словарь по базовым понятиям алгоритмизации, логико-структурную
модель учебного материала.
4. Провести содержательный
анализ учебного материала по алгоритмизации, представленного в школьных учебных
пособиях по информатике.
План занятия
1. Проанализировать учебные пособия с целью
выявления методических особенностей введения основных понятий алгоритмизации.
2. Построить
логико-структурную модель учебного материала.
3. На основе анализа учебных
пособий заполнить таблицу «Базовые понятия темы» (см. табл. 7.1).
Формы и способы
организации учебной деятельности студентов: обсуждение вопросов плана, групповая работа; фронтальный и
индивидуальный опрос.

Занятие 2
Тема «Программные средства учебного назначения
в поддержку изучения основ алгоритмизации. Решение задач» Задачи занятия:
1. Определить дидактические
цели использования программных средств в учебном процессе.
2. Проанализировать
программное обеспечение в поддержку изучения учащимися основ алгоритмизации.
3. Познакомиться с основными
типами учебных алгоритмических задач.
4. Освоить методы и способы
составления и исполнения алгоритмов с использованием программных средств
учебного назначения.
Способ организации
занятия: практикум,
лабораторная работа. Средства обучения: научно-методическая и учебная
литература [3, 4, 5, б, 10, 11, 19], программные средства [1, 2, 4, 5, 6]. Предварительная
подготовка студента к занятию
1. Проанализировать две-три
частнопредметные (авторские) методики обучения основам алгоритмизации в базовом
курсе информатики. Представить результаты анализа в табл. 7.2.
2. Составить тематическое планирование
учебного материала и отразить его в табл. 7.3.
3. Изучить состав и
особенности работы с программными средствами учебного назначения, используемыми
в процессе преподавания основ алгоритмизации.
Ход работы
1. Выявить дидактические цели
использования программных средств в обучении алгоритмизации.
2. Рассмотреть основные типы
учебных алгоритмических задач.
3. Практическая работа:
— познакомиться с
особенностями функционирования программных средств учебного назначения;
— разработать перечень задач
на составление алгоритмов, в котором каждая задача содержит: формулировку, тип,
способы решения, средства решения, само решение;
— подготовить конспект урока
по одной-двум темам, учитывая направленность урока (урок по ознакомлению с
новым материалом; урок по закреплению изученного; урок проверки знаний, умений
и навыков; урок по систематизации и обобщению изученного материала), или
заполнить табл. 7.4.
4. Разработать собственного
исполнителя и его систему команд, с помощью которого можно формировать у учащихся
базовые основные понятия алгоритмизации.
5. Разработать задачи по
алгоритмизации, направленные на развитие творческого мышления учащихся и
развитие интереса к школьному курсу информатики.
Формы и способы
организации учебной деятельности студентов: беседа по вопросам, работа с табл. 7.2; работа с учебными
программами и учебными пособиями, работа с табл. 7.3; индивидуальная работа.

Занятие 3
Тема «Учебный алгоритмический язык и язык
программирования высокого уровня. Решение задач» Задачи занятия:
1. Определить дидактические
цели использования учебного алгоритмического языка и его роли как пропедевтики
изучения языка программирования высокого уровня.
2. Рассмотреть типовые
алгоритмы школьного курса информатики. Способ организации занятия: лабораторная
работа. Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[3, 4, 6, 8, 9, 10, 12, 17,
18], программные средства [3, 4]. Предварительная подготовка студента к
занятию
1. Познакомиться с учебным
алгоритмическим языком, его описанием в школьных учебных пособиях по
информатике.
2. Проанализировать связь
учебного алгоритмического языка и языка программирования (на примере языка
Паскаль).
Ход работы
1. Определить языки
программирования, изучение которых предусмотрено типовыми школьными учебными
пособиями по информатике. Выявить объем и содержание учебного материала.
2. Определить дидактические
особенности изучения языков программирования на основе учебного
алгоритмического языка.
3. Определить на основе
анализа содержания учебных пособий типовые алгоритмы школьного курса
информатики.
4. Для конкретной задачи на
составление алгоритма описать этапы ее решения:
— постановка задачи;
— составление алгоритма на
учебном АЯ;
— составление программы на
языке программирования;
— анализ результатов.
5. Подготовить конспект урока
по одной-двум темам, учитывая направленность урока (урок по ознакомлению с
новым материалом; урок по закреплению изученного; урок проверки знаний, умений
и навыков; урок по систематизации и обобщению изученного материала), или
заполнить табл. 7.4.
6. Разработать тестовые
задания для контроля усвоения учащимися учебного материала по алгоритмизации и
программированию.
Формы и способы
организации учебной деятельности студентов: работа в группах, индивидуальная работа по разработке
конспекта урока и тестовых заданий; подготовка отчета по изучению данного
раздела.

Программные средства к
лабораторному практикуму:
1. Алгоритмика (ИНТ).
Рекомендован Министерством общего и профессионального образования РФ в качестве
учебного пособия для V — VII классов.
2. Система учебных
исполнителей: программно-методический комплекс по курсу информатики «Основы
алгоритмизации» («Кенгуренок», «Пылесосик»); программно-методическая система
для изучения алгоритмизации и функционирования компьютера «Учебные роботы».
3. Система программирования: Turbo Pascal, Delphi, Visal Basic, Turbo Prolog, Turbo C, Borland C++, JavaScript и др.
4. Пакет КуМир. Исполнители
«Робот», «Чертежник».
5. Пакет учебных программ
«Учебник» для курса А.Г.Гейна. Исполнители «Чертежник», «Манипулятор».
6. Пакет ПС по курсу
«Роботландия».

Литература к главе 11

1. Алгоритмика: 5 — 7 классы:
Учеб. и задачник для общеобразоват. учеб, заведений / А.К.Звонкий, А.Г.Кулаков,
С.К.Ландо и др. — М.: Дрофа, 1996.
2. Теин А.Т., Сенокосов
А.И., Шолохович В.Ф. Информатика: Классы 1 — 9. — М.: Дрофа, 1998.
3. Изучение информатики и
вычислительной техники: Пособие для учителя/А.В.Авербух, В.Б.Гисин,
Я.Н.Зайдельман, Г.В.Лебедев. — М.: Просвещение, 1992.
4. Изучение основ информатики
и вычислительной техники: Пособие для учителей / Под ред. А.П.Ершова,
В.М.Монахова. — М.: Просвещение, 1985.-Ч. 1,2.
5. Информатика: Учеб. для 8
—9 кл. сред. шк. / А.Г. Гейн, Е.В. Липецкий, М.В. Сапир, В.Ф. Шолохович. — М.:
Просвещение, 1994.
6. Информатика: Учеб. по
базовому курсу / И.Г.Семакин, Л.АЗалогова, С.В.Русаков, Л.В.Шестакова. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 1998.
7. Информатика: Учеб. пособие
для 10— 11 кл. общеобразоват. учреждений / Л.З. Шауцукова. — М.: Просвещение,
2000.
8. Кузнецов А. А., Апатова
Н.В. Основы информатики. 8 — 9 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб,
заведений. — М.: Дрофа, 1999.
9. Кулаков А. Г., Ландо С.
К. Алгоритмика. 5—7 кл.: Метод, рекомендации для учителя: Решение задач. —
М.: Дрофа, 1997.
10. Лапчик М.П. Вычисления.
Алгоритмизация. Программирование: Пособие для учителя. — М.: Просвещение, 1988.
11. Лапчик М.П. Информатика
и информационные технологии в системе общего и профессионального образования:
Монография. — Омск: Изд-во Ом. гос. пед. ун-та, 1999.
12. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробный учеб, для 10—11 кл. сред. шк. / А.Г.Гейн,
В.Г.Житомирский, Е.В.Липецкий и др. — 2-е изд. — М.: Просвещение, 1992.
13. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробный учеб. пособие для 10—11 кл. сред. шк. /
В.А.Каймин, А.Г.Щеголев, Е.А.Еросина, Д.П.Федюшин. — М.: Просвещение, 1989.
14. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробный учеб, зля сред. учеб, заведений /
А.Г.Кушниренко, Г.В.Лебедев, Р.АСворень. — М.: Просвещение, 1993.
15. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробное учеб, пособие для сред. учеб, заведений: В 2 ч.
/ Под ред. А. П. Ершова и В. М. Монахова. — М.: Просвещение, 1985 — 1986.
16. Пейперт С. Дети,
компьютер и плодотворные идеи: Пер. с англ. — М.: Мир, 1990.
17. Программы для средних
общеобразовательных учебных заведений.  Основы информатики и вычислительной
техники. — М.: Просвещение, 1992.
18. Программы
общеобразовательных учреждений. Информатика / Сост. JA.А. Кузнецов, Л.Е.Самовольнова. — М.: Просвещение, 1998.
19. Проект федерального
компонента Государственного образователь-(ного стандарта начального общего,
основного общего и среднего (полного) образования. Образовательная область
«Информатика» // ИНФО. — 1997.-№1.-С. 3-11.
20. Словарь школьной
информатики. Математический энциклопедический словарь. — М.: Сов. энцикл., 1988.

Глава 12
ЛИНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Одной из наиболее заметных
тенденций в развитии школьной информатики является увеличение места
информационных технологий в ее содержании. В первых школьных учебниках
информатики сведения о прикладных средствах современных информационных
технологий в основном носили краткий описательный характер. В значительной
степени это было связано с тем, что на большинстве доступных школам компьютеров
отсутствовало соответствующее программное обеспечение. В учебной литературе
третьего поколения компьютерные информационные технологии находят гораздо
большее отражение.
В обязательном минимуме
содержания школьной информатики в числе изучаемых прикладных средств
компьютерных информационных технологий перечислены: текстовые и графические
редакторы, базы данных, электронные таблицы, средства компьютерных
телекоммуникаций, технологии мультимедиа. Перечисленные средства относятся к
прикладному программному обеспечению общего назначения, являются наиболее распространенными
и широко используемыми на практике.
В учебниках по информатике
применяются разные подходы к изложению этих вопросов. Первый подход — описание
и практическое использование специально созданных учебных прикладных программ
(редакторов, СУБД и пр.), включенных в состав учебного ПО для данного курса.
Такой подход использован в учебнике [2]. Второй подход — описание и
использование наиболее популярных программных продуктов для конкретных типов
ЭВМ и операционных систем. Такой подход применен в учебнике [6], где
рассматривается текстовый редактор Write, графический
редактор PaintBrush, табличный процессор Excel. Третий подход — инвариантное описание
прикладных программных средств без привязки к конкретной реализации.
Предполагается, что такая привязка будет осуществлена учителем на уроках, с
ориентацией на имеющееся программное обеспечение, с использованием
дополнительной справочной литературы. Этот подход реализован в учебнике [15].
В последнее время в
содержание образовательной области «Технологии» включается раздел
«Информационные технологии». Чем же отличается преподавание информационных
технологий в курсе информатики от курса технологий? В курсе информатики в любой
технологической теме должны найти место элементы фундаментального образования:
вопросы представления информации и информационных процессов, вопросы постановки
и решения информационных задач данными технологическими средствами. В курсе
информатики изучение средств обеспечения информационных технологий не является
самоцелью; к ним надо относиться как к инструментальным средствам для определенных
видов информационной деятельности человека.
В каждом тематическом разделе
содержательной линии «Информационные технологии» учитель должен четко различать
теоретическое и технологическое содержание. Теоретическое содержание включает в
себя вопросы представления различных видов информации в памяти ЭВМ,
структурирования данных, постановки и методов решения информационных задач с
помощью технологических средств данного типа. К технологическому содержанию относится:
• изучение используемых
аппаратных средств: более подробное знакомство с принципами работы отдельных
устройств компьютера, используемых в данной технологии, расширяющее
представления учащихся об архитектуре ЭВМ;
• изучение и освоение
прикладного программного обеспечения: редакторов, СУБД, табличных процессоров и
пр.
Знакомство учеников с каждым
новым для них видом информационных технологий должно начинаться с рассказа об
их областях применения. Желательно, чтобы изучение каждого прикладного
программного средства затрагивало следующие его стороны: данные, среда
(интерфейс), режимы работы, команды управления. Предлагаемая методическая схема
отображена на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Методическая схема
изучения информационных технологий

Структура основных понятий
содержательной линии «Информационные технологии» представлена на схеме 5
(Приложение 1). Схема включает в себя пять ветвей, соответствующих пяти
основным видам компьютерных информационных технологий.

12.1. Технология работы с текстовой
информацией

Методические рекомендации по изучению темы

Изучаемые вопросы:
• Характеристики аппаратных
средств.
• Среда текстового редактора
(ТР).
• Режимы работы.
• Команды работы с ТР.
• Данные, обрабатываемые ТР.
Данная тема является, как
правило, первой, изучаемой в базовом курсе, относящейся к содержательной линии
«Информационные технологии». Текстовые информационные технологии относятся к
числу наиболее часто используемых на практике. Области применения: подготовка
письменных документов, издательская деятельность. Специализированные
компьютерные средства второго направления называются издательскими системами.
Во всех учебниках, отражающих эту тему, раскрывается вопрос об областях
применения данного вида технологий, о преимуществах компьютерного способа подготовки
и хранения текстов по сравнению с «бумажным».
К теоретическим основам
компьютерных технологий работы с текстом относятся вопросы кодирования
текстовой информации. Эти вопросы в контексте линии представления информации
рассмотрены в подразделе 8.1.
Аппаратные средства. Процесс
создания текстового документа с помощью ТР носит комплексный характер: в нем
задействованы все основные устройства компьютера. В рамках данной темы ученики
должны не только развить практические навыки работы с различными аппаратными
компонентами ЭВМ, но и углубить свои знания об их устройстве, о принципах их
работы. В этом проявляется пересечение содержательной линии «Компьютер» с
линией информационных технологий.
Клавиатура — основное устройство для ввода текста, для
управления ТР. Знакомство с клавиатурой с помощью клавиатурных тренажеров
позволяет ученикам освоить только ее центральную часть — символьные клавиши.
При работе с ТР активно задействованы все остальные группы клавиш:
• функциональные;
• управляющие;
• переключения режимов;
• перемещения курсора;
• прочие клавиши.
Дисплей. Во-первых, ученики должны узнать, что
любое изображение на экране получается из совокупности светящихся точек —
пикселей. Символы текста формируются не из непрерывных линий, а из отдельных
точек. Эту дискретную структуру символа можно разглядеть при внимательном
рассмотрении экрана.
Операционная система MS-DOS и все ее
приложения различают два режима работы дисплея: символьный и графический. Все
текстовые редакторы, работающие под DOS, используют
символьный режим экрана. В этом режиме на экране строго определены
позиции и размеры выводимых символов. Можно говорить о том, что экран разделен
на клеточки, выстроенные в строки и столбцы, подобно листу из тетради в клетку.
Каждая такая клетка экрана — знакоместо для одного символа. В каждой клетке
содержится одинаковое число пикселей, совокупность которых называют матрицей
пикселей. Изображение символа создается свечением определенного сочетания
пикселей в пределах знакоместа. Например, если размер знакоместа 8´10 пикселей (первое число — горизонтальный
размер, второе — вертикальный), а размер всей сетки пикселей экрана 640´200, то на экране помещается 20 символьных
строк, а в каждой строке по 80 символов.
Текстовые редакторы,
ориентированные на символьный режим экрана, не позволяют изменять размеры
символов, использовать различные типы шрифтов. Существует один стандартный
шрифт. В наиболее развитых ТР можно лишь менять начертания символов: прямой,
курсив, полужирный. Некоторые принтеры предоставляют возможность менять шрифт в
печатном документе. Для этого они обладают небольшим набором встроенных
шрифтов.
Операционная система Windows и все ее приложения работают с дисплеем только в графическом
режиме. Следствием этого является то, что при выводе на экран текста
отсутствуют понятия: фиксированное знакоместо, стандартный размер символов,
стандартный тип шрифта. Символы могут выводиться на экран в разных позициях,
разных размеров и форм. Однако дискретная пиксельная структура экрана остается
и, как следствие — мозаичный принцип изображения символов.
Память ЭВМ. При работе над текстовым документом
задействована как внутренняя (оперативная), так и внешняя память компьютера.
Ученики должны получить представление, для каких целей используется тот и
другой вид памяти.
Сам текстовый редактор (как и
все программное обеспечение ПК) хранится на магнитном диске (МД). Следует
указать, в каком каталоге (папке) находится ТР, объяснить, что запуск ТР
происходит путем переписывания содержимого файла с программой редактора в оперативную
память и инициализации его выполнения. В течение всей работы программа ТР
занимает определенную часть памяти. Память освобождается только после выхода,
закрытия ТР.
Вводимый пользователем текст
заносится в специально отведенную для этого область оперативной памяти — рабочую
область ТР. Еще один раздел оперативной памяти занимает буфер для
копирования фрагментов текста. В него попадают фрагменты, с которыми
выполняются команды ВЫРЕЗАТЬ, КОПИРОВАТЬ (забрать в буфер). Буфер хранит лишь
фщн занесенный в него фрагмент. При выполнении вставки фрагмента в текст
содержимое буфера сохраняется. При копировании следующего фрагмента предыдущий
из буфера удаляется.
Сохранение текста,
сформированного в рабочей области оперативной памяти, ведет к созданию файла
документа на МД. Пользователю предоставляется возможность указать место
сохранения файла на диске (имя диска, каталог) и задать имя файла. Некоторые ТР
присваивают таким файлам стандартные расширения. Это характерно для всех
приложений Windows. Например, MS Word создает файлы с
расширением .DOC. Текст сохраненного на диске документа
может быть снова вызван в рабочую область текстового редактора при выполнении
команды ОТКРЫТЬ.
Для поиска в тексте
грамматических ошибок на МД хранится файл с орфографическим словарем. Причем
таких словарей может быть несколько для контроля текстов на разных языках;
например, русский словарь и английский словарь. Справочник по работе с ТР также
постоянно хранится на МД.
При работе с принтером
следует сообщить ученикам, что у принтера есть своя небольшая буферная память.
Вывод документа на печать происходит путем заполнения буфера принтера, а
затем из буфера текст переносится на бумагу.
Прикладные программные
средства. К прикладному
программному обеспечению, предназначенному для работы с текстовой информацией,
относятся текстовые редакторы.
Текстовый редактор — первый тип прикладной программы, который
должны освоить ученики. Выбор ТР, используемого в учебных целях, зависит от
технического и программного обеспечения школьного компьютерного класса. При
использовании IBM PC и операционной системы MS-DOS целесообразно познакомить учащихся с одним из простых текстовых
редакторов (например, Norton
Editor) и каким-нибудь более совершенным
редактором (текстовым процессором): Лексикон, Work и др. Если в классе работает операционная система Windows, то начать можно с ТР «Блокнот».
Использование на следующем этапе текстового процессора MS Word совсем не
обязательно. Безусловно, MS Word — это один из наиболее развитых ТР, в
котором реализована самая современная технология обработки текста. Тем не менее
есть два аргумента, ставящих под сомнение необходимость использования Word. Во-первых, MS Word входит в состав
дорогостоящего офисного программного пакета Microsoft Office, который
может оказаться «не по карману» для законопослушных учебных заведений,
допускающих использование только лицензионного программного обеспечения (к
сожалению, такой аргумент вызовет лишь улыбку у большинства наших читателей).
Второй аргумент — методического свойства. MS Word — очень сложный
программный продукт. За время, отведенное под данную тему учебной программой,
нельзя освоить даже половину его возможностей. Многие элементы интерфейса Word (пункты меню, инструменты, кнопки) оказываются невостребованными и
создают определенный «информационный шум», отвлекающий учеников. Работа с MS Word на компьютерах
с относительно медленным процессором и небольшим объемом оперативной памяти,
как правило, происходит с заметными задержками. Это слишком «громоздкий»
текстовый процессор для использования в учебных целях.
Отмеченные выше проблемы
снимает использование текстового редактора WordPad, который всегда имеется в стандартной поставке Windows. Практически все приемы работы с
текстовыми редакторами, которые можно освоить в рамках базового курса,
реализованы в WordPad. Интерфейс этого редактора близок к
интерфейсу Word, но «без излишеств».
Освоив WordPad, ученики легко смогут перейти к работе с MS Word. При
наличии учебного времени такой переход можно произвести в конце данной темы,
при необходимости познакомить учащихся с некоторыми возможностями текстовых
процессоров, не поддерживаемых WordPad
(например, многооконный режим
работы, проверка орфографии, работа с таблицами).
Можно говорить о том, что
компьютер, на котором запущен на исполнение текстовый редактор, становится
специализированным исполнителем для работы с текстовой информацией:

Этот исполнитель работает под
управлением человека (пользователя). Все действия, которые выполняет человек,
работая с такой системой, можно рассматривать как команды управления
исполнителем: ввести символ, удалить символ, занести фрагмент в буфер,
сохранить текст в файле и пр. Отсюда следует, что изучение текстового редактора
(как и любого другого прикладного средства информационных технологий) можно проводить
по традиционной методической схеме, свойственной для изучения всякого
исполнителя:
• данные: структурные единицы
текста;
• среда ТР;
• режимы работы ТР;
• система команд.
Среда текстового
редактора. Независимо от
того, какой конкретный ТР изучается на уроках, следует прежде всего обратить
внимание учеников на те общие элементы среды, которые характерны для любых ТР.
Это позволит ученикам при переходе к работе с другими редакторами быстро
сориентироваться в их интерфейсе. К таким общим элементам среды относятся:
• рабочее поле — пространство
на экране, на котором отображается текст;
• курсор — место активного
воздействия на рабочее поле (отмечается черточкой или прямоугольником);
• строка состояния — содержит
информацию о текущем состоянии ТР;
• строка меню — содержит
команды переключения режимов работы ТР и других действий.
Для конкретных ТР должны быть
отмечены и другие специфические элементы среды: линейки прокрутки, панель
инструментов и пр.
Режимы работы. Под режимом работы понимается определенное
состояние исполнителя (в данном случае ТР), в котором возможно выполнение
определенного вида работы.
Ввод и редактирование
текста. Состояние
исполнителя, находящегося в этом режиме, отражается в строке состояний. Отметим
основные компоненты состояния:
— координаты курсора;
— вставка/удаление;
— строчные/заглавные
(нижний/верхний регистр);
— шрифт (рус/лат);
— разметка строки (абзац,
длина строки);
— выравнивание по краям,
перенос.
Последние два пункта есть не
во всех школьных ТР. При наличии многооконности каждое из окон представляет из
себя самостоятельное рабочее поле.
Форматирование. Работа в этом режиме позволяет
скомпоновать текст (фрагмент текста) в требуемом виде, установив размеры полей,
красную строку, число позиций в строке и т.д.
Обращение за подсказкой. При переходе в этот режим на экране открывается
дополнительное окно, содержащее краткую справочную информацию о работе в ТР.
Подсказка может содержать несколько листов текста, в этом случае указывается
способ перелистывания, кроме того, могут использоваться гиперсвязи.
Орфографическая проверка. Этот режим работы возможен лишь при наличии
словаря. При проверке текста фиксируются слова, отсутствующие в словаре, что
является косвенным свидетельством орфографической ошибки. Режим орфографической
проверки может быть совмещен с режимом редактирования.
Обмен с ВЗУ возможен в двух направлениях: сохранение
(запись, SAVE) и загрузка (считывание, LOAD) текста, который при хранении на ВЗУ
называется файлом (текстовым файлом). Каждый файл характеризуется своим персональным
именем. Магнитный носитель может быть структурирован на каталоги (директории) и
подкаталоги. В этом случае возникает понятие пути к необходимому каталогу. Если
компьютер имеет несколько ВЗУ, то они получают название устройств А:, В:, С: и
т.д. Тогда при работе с файлами возникает дополнительная проблема выбора
устройства.
Печать. В этом режиме осуществляется вывод текста
на бумагу. С помощью ТР можно управлять принтером, определив шрифт, вид
печатаемой страницы (левое и правое поля, число строк на странице), способ
нумерации страниц (местонахождения номера страницы, порядок нумерации).
Система команд ТР. Систему команд ТР можно условно разделить
на следующие группы команд:
• команды интерфейса — вход в
меню и выход из него, перемещение маркера по меню, выбор нужного пункта меню;
• команды изменения состояния
ТР, позволяющие в режиме редактирования выбрать шрифт, нижний/верхний регистр,
режим
вставки/замены и т.д.;
• команды перемещения по
тексту, которые разделяются на две группы: пошаговое перемещение (стрелки
вправо, влево, вверх, вниз); быстрое перемещение по тексту (переход в
начало/конец строки, начало/конец текста, листание страниц, прыжок на метку и
т.д.);
• команды посимвольного
редактирования, позволяющие внести исправления в текст (вставить/удалить/заменить
символ, заменить строчную букву на заглавную и т.д.);
• команды работы со строками,
позволяющие манипулировать со строками (удалить, вставить пустую, рассечь на
две части, «склеить» две последовательные строки);
• поиск по образцу служит для
отыскания в тексте мест, содержащих указанный набор символов (букву, слово,
фразу и т.д.);
• копирование включает в себя
выделение копируемого фрагмента текста и помещение его в буфер (в некоторых ТР
эти процессы идут параллельно), воспроизведение содержимого буфера в требуемом
месте текста;
• форматирование позволяет
придать тексту требуемый вид: установить число символов в строке, выровнять
правый край, выделить поля и красную строку и т. д.
В большинстве ТР команды
исполнителя реализуются двумя способами: с помощью функциональных, управляющих
и прочих клавиш специального назначения; выбором соответствующего пункта в
меню.
Данные. Текстовый редактор работает с символьной
информацией, в которой можно выделить следующие виды структур:
— символы;
— слова;
— строки символов;
— фрагменты текста (блоки);
— файлы.
В системе команд имеются
команды работы с каждой из этих структур как с единым целым.
Символ — минимальный объект,
подлежащий обработке ТР. С символами оперируют в основном при вводе текстов и
при их посимвольном редактировании.
Слово — набор символов,
ограниченный слева и справа пробелами или знаками препинания; используется в
командах быст-<-рого перемещения по тексту, удаления фрагментов текста.
Строка символов — данные,
занимающие в тексте одну стро-* ку, размеры которой могут быть четко очерчены
форматированием. Исполнитель ТР имеет ряд команд, оперирующих строками
(вставить/удалить, соединить/разорвать, перейти в начало/конец и т.д.).
Фрагмент текста — набор
последовательных строк, с которым можно работать как с единым целым (удалять,
перемещать, копировать и т.д.).
Понятие файла связано с
хранением, считыванием и записью информации на МД. В отличие от ранее
рассмотренных структур данных, файлы являются поименованными данными, т. е.
каждый из них имеет свое персональное имя.
В ряде ТР для быстрого
перемещения по тексту («прыжков») используются метки.

Рекомендации по организации
практической работы на компьютере

Навыки ввода и редактирования
текста нужны пользователю не только для работы с текстовым редактором. Эти
навыки являются базовыми при работе с любыми видами программного обеспечения,
где используется интерактивный режим. Набирать тексты приходится при вводе
команд операционной системы, при ответах на запросы в диалоговых окнах
системных и прикладных программ, при вводе информации в базы данных и
электронные таблицы и пр. При любом варианте символьного ввода пользователю
предоставляется возможность исправления ошибок, т.е. редактирования текста.
Существует понятие основного стандарта редактирования. Это набор
операций редактирования, которые выполняются одинаково для всех вариантов
символьного ввода.
Прежде всего ученики должны
освоить приемы основного стандарта редактирования. К ним относятся:
1. Перемещение по тексту:
клавиши [¬], [], [®], [¯], [Ноmе], [End], [PageUp], [PageDown].
2. Удаление символа: клавиши [Backspace], [Del].
3. Вставка/замена символа:
переключение режима с помощью клавиши [Insert].
4. Разрыв и слияние строк:
клавиша [Enter]; клавиша [Del] в конце первой соединяемой строки или [Backspace] в начале второй строки.
Практическое знакомство с
перечисленными приемами ре-дактирования может начаться раньше темы «Текстовые
редакто-ры», параллельно с изучением таких теоретических вопросов, как
архитектура ЭВМ и программное обеспечение компьютера. Для отработки навыков
следует использовать простейшие ТР типа MS-DOS Editor или Блокнот.
Учитель должен ясно
представлять последовательность педаго-гических целей, которые ставятся перед
учащимися в процессе формирования умений и навыков для работы с программными
средствами информационных технологий. В рамках темы «инфор-мационные технологии
работы с текстом» указанные цели могут быть представлены следующим списком,
расположенным ниже (список составлен «по максимуму»). Порядок пунктов в этом
списке отражает рекомендуемую последовательность обучения.
• Поиск и запуск программы
ТР; обращение за справкой.
• Набор русского текста;
переход на верхний/нижний регистр (строчные, прописные буквы); знаки препинания
(в Windows не всегда совпадают с обозначениями на клавишах); перевод
строки.
• Переход «РУС/ЛАТ».
• Простейшие приемы
редактирования: клавиши DEL, Backspace; режимы вставки и замены.
• Открытие файла с текстом;
просмотр текста, приемы перемещения по тексту.
• Редактирование данного
текста: поиск и исправление ошибок; разрыв строки, слияние строк.
• Сохранение документа на
диске.
• Установка параметров формата: размеры
полей, длина стро-ки, межстрочный интервал, абзацный отступ, выравнивание
строк.
• Работа с фрагментами:
выделение фрагмента, перемещение, копирование через буфер обмена.
• Работа со шрифтами:
установка типа шрифта, размера, начертания; изменение шрифта выделенного
фрагмента.
• Поиск и замена.
• Работа в многооконном
режиме; перемещение фрагментов между различными документами.
• Создание и редактирование
таблиц.
• Формирование гиперссылок.
Для организации практической
работы по данной теме можно использовать большую подборку заданий, приведенных
в соответствующем разделе пособия [3].

12.2. Технология работы с графической
информацией

Методические рекомендации по изучению темы

Изучаемые вопросы:
• Области применения
компьютерной графики. » Среда графического редактора (ГР).
• Режимы работы.
• Команды работы с ГР.
• Данные, обрабатываемые ГР.
Данная тема базового курса
относится еще к одной области компьютерных информационных технологий —
технологии работы с графической информацией. Необходимо отметить, что
компьютерная графика — это сравнительно новая область применения ЭВМ. Машины
первых двух поколений работали только с числовой и символьной информацией. В
период третьего поколения ЭВМ появляются средства машинной графики, но в
основном они носили специализированный характер, требовали использования
специальных технических и программных средств. Компьютерная графика стала
массовой, серийной только во времена четвертого поколения ЭВМ, в период
распространения персональных компьютеров.
В учебнике [15] достаточно
подробно описываются разнообразные приложения компьютерной графики. К их числу
относятся: научная графика, деловая графика, конструкторская графика,
иллюстративная графика, художественная и рекламная графика, компьютерная
анимация.
Компьютерная графика — это та
область информационных технологий, которую ученикам хочется реально увидеть, а
не слушать разговоры о ней. Поэтому большое значение имеют демонстрации на
компьютере разнообразных продуктов компьютерной графики: красочных рисунков,
схем, чертежей, диаграмм, образцов анимационной и трехмерной графики. Следует
обратить внимание учеников на то, что любимые многими из них компьютерные игры
в большинстве имеют графический интерфейс, причем достаточно сложный.
Программы, с помощью которых на компьютере получается трехмерное реалистическое
изображение, изобилуют математическими расчетами. Программирование графики —
одна из самых сложных областей в современном программировании. Благодаря
существованию прикладных графических пакетов компьютерная графика стала
доступна широкому кругу пользователей.
К теоретическому
содержанию данного раздела базового курса относятся вопросы представления
изображения в памяти компьютера. Наиболее подробно эта тема раскрыта в учебнике
[15]. Проблемы методики преподавания обсуждаются в подразделе 9.1 настоящего
пособия.
Вопросы изучения аппаратных
средств компьютерной графики рассмотрены в подразделе 9.2 в рамках
содержательной линии «Компьютер».
Прикладные программные
средства. Существует
множество прикладных программ, предназначенных для работы с графикой. Для
каждого раздела компьютерной графики имеются свои программы. Например, для
графической обработки научных данных используется программа Grapher; инженеры-конструкторы для подготовки
чертежей пользуются пакетом AutoCad; существуют
специализированные пакеты деловой графики, предназначенные для построения
диаграмм, отражающих всевозможные статистические данные.
Название «графический
редактор» применяется по отношению к прикладным программам, не имеющим
какой-либо специализированной ориентации и используемым для «произвольного
рисования» или редактирования сканированных изображений. В соответствии с двумя
принципами представления графической информации — растровым и векторным —
графические редакторы делятся на растровые и векторные редакторы.
К числу простейших
растровых редакторов относятся PaintBrush и Paint (второй стал результатом развития первого). Растровый редактор Adobe Photoshop используется
профессиональными дизайнерами. Чаще всего его применяют для редактирования
сканированных изображений (фотографий, репродукций картин), создают
художественные композиции, коллажи и пр.
Для профессионального рисования
на компьютере используются редакторы векторного типа. Наиболее известным
из них является CorelDraw. Это профессиональный редактор с богатыми
возможностями и в то же время вполне подходящий для детского художественного
творчества.
В стандартной поставке Windows в группе «Стандартные» имеется графический редактор Paint. Paint является прямым «родственником» редактора PaintBrush, который работает в среде MS-DOS. В базовом курсе информатики для
практической работы с компьютерной графикой обычно используют один из этих
редакторов. В профильном курсе компьютерной графики для получения рисованных
изображений больше подходит CorelDraw. Заметим,
что профессиональные графические редакторы, такие как CorelDraw, Adobe
Photoshop — довольно дорогие программные продукты, и потому не всем
доступны.
Использование на уроках
информатики редакторов типа Paint
вполне достаточно, с точки
зрения учебных целей, стоящих перед базовым курсом. Растровый редактор
позволяет наглядно продемонстрировать ученикам дискретную (пиксельную)
структуру рисунка, дает возможность воздействовать на каждый отдельный элемент
при увеличении масштаба в режиме прорисовки.
Еще одним полезным учебным
элементом является возможность демонстрации механизма cмешения цветов. Для этого в главном меню Paint нужно выбрать пункт [Палитра] — [Изменить палитру] — [Определить
цвет]. Появившееся окно является прекрасным инструментом для экспериментов с цветом.
Пользователь может изменять оттенки, контрастность, яркость цвета и при этом
наблюдать КЗС — состав полученной краски. Создав свою краску, пользователь
может включить ее в палитру на соответствующей панели редактора.
Принцип растрового рисования
— закрашивание каждого отдельно пикселя рисунка. Для растровых редакторов
характерно наличие таких инструментов как кисточка, карандаш, резинка. Этих
инструментов нет в векторных редакторах. Там рисунок создается только путем
манипулирования с графическими примитивами: линиями, дугами, эллипсами и пр.
Эти элементы рисунка могут быть в любой момент изменены: сжаты, растянуты,
перевернуты, перемещены, удалены. В растровых редакторах тоже используются
графические примитивы. Но их применение скорее похоже на использование линеек,
лекал, циркуля и других чертежных инструментов при рисовании на бумаге. Один
раз нарисованный такой элемент уже нельзя изменить. Его можно лишь стереть или
отредактировать прорисовкой.
Как и в предыдущем разделе,
знакомство с графическим редактором следует проводить по методической схеме
виртуального исполнителя.
Среда графического
редактора. Пользовательский
интерфейс большинства ГР организуется единообразно. С левой стороны экрана
располагается панель инструментов: набор пиктограмм с изображением инструментов,
которыми можно пользоваться в процессе редактирования изображений.
В нижней части экрана
размещается панель палитры, из которой художник выбирает краски
требуемого цвета. Оставшаяся часть экрана представляет собой пустой «холст» (рабочее
поле). Над рабочим полем находится меню, позволяющее изменять режимы
работы ГР. Слева от палитры располагается квадрат, окрашенный в фоновый
цвет. В нем помещаются еще два квадрата, верхний из которых окрашен в первый
рабочий цвет, а нижний — во второй рабочий цвет. Ниже панели
инструментов располагается калибровочная шкала, которая позволяет
устанавливать ширину рабочего инструмента (кисти, резинки и т.д.).
Режимы работы. Режимы ГР определяют возможные действия I пользователя, а также команды, которые пользователь может от-j давать редактору в данном режиме.
Режим работы с рисунком (рисование). В этом режиме на рабо-I чем поле находится изображение инструмента. Пользователь на-|
носит рисунок, редактирует его, манипулирует его фрагментами. Резким выбора
и настройки инструмента. Курсор-указатель на-| ходится в области панели
инструментов (меню инструментов). Кроме того, с помощью меню можно настроить
инструмент на определенный тип и ширину линии, орнамент закраски.
Режим выбора рабочих
цветов. Курсор находится
в области панели палитры. Здесь можно установить цвет фона, цвет рисунка.
Некоторые ГР дают возможность пользователю изменять палитру. Режим работы с
внешними устройствами. В этом режиме можно выполнять команды записи рисунка
на диск, считывания рисунка с диска, вывода рисунка на печать. Графические
редакторы на профессиональных ПК могут работать со сканером, используя его для
ввода изображения с листа.
Система команд
графического редактора. В
каждом из перечисленных выше режимов пользователь может работать с определенным
набором команд ГР, совокупность которых и составляет систему команд
графического редактора. В различных ГР на разных компьютерах системы команд
могут существенно различаться. Во всех вариантах характерно использование
принципа меню для выбора и инициализации команд. В систему команд входят:
• команды выбора инструмента;
• команды настройки инструмента
(ширина линий, шрифт букв);
• команды выбора цветов;
• команды масштабирования
рисунка;
• команды работы с буфером
обмена (вырезать, копировать, вставить);
• команды манипулирования с
выделенным фрагментом (повернуть, растянуть, отразить);
• команды ввода/вывода
рисунка на внешние устройства. Меню команд представляется в форме пиктограмм, а
также в текстовой форме.
Из приведенного выше списка
следует, что всякое действие пользователя: выбор инструмента, выбор цвета,
проведение линии, стирание и прочие можно рассматривать как команду,
выполняемую в соответствующем режиме. Из этих команд складываются алгоритмы
работы в среде редактора. Правила выполнения определенных действий учитель
может сообщать ученикам в форме алгоритмов. Вот несколько примеров таких
алгоритмов, ориентированных на использования редактора Paint.

Пример 1. Алгоритм рисования прямой линии с помощью
инструмента «Линия».
1. Выбрать цвет линии.
2. На панели инструментов
выбрать линию.
3. Выбрать ширину линии.
4. Нарисовать линию (команда
состоит из 4 шагов).
4.1. Установить курсор на
место начальной точки.
4.2. Нажать левую клавишу
мыши.
4.3. Протянуть курсор до
конечной точки.
4.4. Отпустить клавишу мыши.

Пример 2. Алгоритм переноса фрагмента рисунка на
новое место.
1. Выбрать инструмент
«Произвольное выделение».
2. Выделить фрагмент.
2.1. Установить курсор около
фрагмента.
2.2. Нажать левую клавишу
мыши.
2.3. Обвести линией
выделяемый фрагмент.
2.4. Отпустить клавишу мыши
(вокруг фрагмента образуется пунктирный прямоугольный контур).
3. Перенести фрагмент на
новое место.
3.1. Установить курсор внутри
контура и нажать левую клавишу мыши.
3.2. Протянуть фрагмент на
новое место.
3.3. Отпустить клавишу мыши.

Учитель сам может продолжить
описание таких алгоритмов. Эффективным обучающим приемом является задание
ученикам самим описать в форме алгоритма выполнение некоторых действий в
графическом редакторе.
Данные. Вспомним, что данными называется
обрабатываемая компьютером информация. Итоговой информацией является созданный
рисунок. Но, с позиции растровой графики, рисунок — это совокупность
разноцветных пикселей. Значит данными для ГР являются цвета, которые выбираются
из палитры и разносятся по элементам графической сетки с помощью различных
инструментов. В памяти ЭВМ они представляются соответствующими двоичными кодами.

Рекомендации по организации практической работы
на компьютере

Абсолютное большинство
учеников с удовольствием рисуют в графическом редакторе. При выполнении
практических заданий очень заметно проявляются различные способности детей к
рисованию. Безусловно, информатика — не уроки рисования и не всякий учитель
информатики обладает художественными способностями. Учитель должен считать
своей целью раскрытие всех возможностей графического редактора как инструмента
для рисования. У редакторов типа Paint
этих возможностей не так уж
много, и за 5 — 6 уроков, выделяемых для данной темы, все их вполне можно
раскрыть.
Следует объяснить ученикам,
что рисование от руки с помощью инструментов «Карандаш» или «Клеточка» обычно
получается некачественным. Необходимо максимально использовать графические
примитивы: прямые, дуги, овалы и пр. В рисунках, где есть симметрия, следует
научить детей использовать повороты, отражения. В рисунках с повторяющимися
фрагментами они должны научиться применять копирование. Очень эффективным
приемом обработки рисунков в растровом редакторе является прорисовка деталей
через увеличение масштаба рисунка (использование инструмента «Лупа»).
В разделе пособия [3],
посвященном компьютерной графике, имеется подборка рисунков для изображения их
в растровом редакторе. К сожалению, в книге рисунки черно-белые. Ученикам нужно
предложить раскрасить их самостоятельно.
В этом же пособии дается
практический материал для работы с векторным графическим редактором. Два
приведенных примера демонстрируют технологию создания рисунка, в том числе и
объемного. Картинки для рисования более интересные, чем в заданиях для
растрового редактора. Опыт показывает, что даже дети без особых художественных
наклонностей довольно удачно срисовывают непростые картинки, используя редактор
CorelDraw.

12.3. Сетевые информационные технологии

Компьютерные телекоммуникации
— одна из наиболее динамично развивающихся областей информационных технологий.
По сравнению с другими разделами информационных технологий ее технологическая
составляющая значительно превосходит теоретическую. Поэтому эффективность
изучения данной темы сильно зависит от возможности организовать практическую
работу учащихся с компьютерными сетями.
В рамках данного раздела
базового курса реализуется следующий перечень педагогических целей: дать
представление о назначении и структуре локальных и глобальных сетей;
познакомить учащихся с основными информационными услугами сетей, с
возможностями Internet; обучить способам обмена файлами в локальной
сети компьютерного класса; познакомить со способами поиска информации в Internet (при наличии технических возможностей).
Содержание данного подраздела
базового курса делится на две части по принципу деления компьютерных сетей на
два типа:
• локальные сети;
• глобальные сети.
Тема компьютерных сетей
обширна по числу понятий и может излагаться с разной степенью подробности.
Раскрытие этой темы в школьных учебниках, как правило, носит краткий характер.
Поэтому, наряду с обсуждением вопросов методики, в данный подраздел пособия
включены дополнительные сведения по теме, которые будут полезны учителю.

Методические рекомендации по изучению темы

Изучаемые вопросы:
• Локальная сеть (ЛС),
организация и назначение.
• Локальные сети школьных
КУВТ.
• Организация глобальных
сетей (ГС).
• Информационные услуги ГС.
• Аппаратные средства сетей.
• Что такое Internet.
• Информационные услуги Internet и World
Wide Web.
Локальные сети.
Организация и
использование локальных сетей. Если компьютеры в школьном кабинете информатики объединены в
локальную сеть, то это обстоятельство существенно облегчает изучение данной
темы. Именно школьный компьютерный класс должен стать отправной точкой в
разговоре о передаче информации в компьютерных сетях. Определив компьютерную
сеть как систему компьютеров, связанных каналами передани информации, учитель
демонстрирует такую систему на оборудовании компьютерного класса и сообщает,
что такая сеть называется локальной.
Локальные компьютерные
сети небольшие по
масштабам и работают в пределах одного помещения, здания, предприятия.
Возможно, что в школе действует локальная сеть, объединяющая компьютеры,
установленные в разных помещениях: в учебных кабинетах, кабинете директора,
бухгалтерии и др. Точно так же в локальную сеть часто объединяются различные
отделы предприятий, фирм, учреждений.
Локальные сети, в зависимости
от назначения и технических решений, могут иметь различные структуры
объединения компьютеров. Их еще называют конфигурациями, архитектурой,
топологией сети. На рис. 12.2 показаны четыре типа конфигураций ЛС: кольцевая,
радиальная (звезда), шинная и древовидная.
Бывают ситуации в ЛС, когда
топология не имеет какой-то регулярной структуры. Например, компьютеры могут
соединяться по принципу «каждый с каждым».
Использование локальных сетей
отвечает двум основным целям:
1) обмену файлами между
пользователями сети;
2) использованию
общедоступных ресурсов: большого пространства дисковой памяти, принтеров,
централизованной базы данных, программного обеспечения и др.

Рис.
12.2

Пользователей общей локальной
сети принято называть рабочей группой, а компьютеры, за которыми они
работают, — рабочими станциями. Если все компьютеры в сети равноправны,
т.е. сеть состоит только из рабочих станций пользователей, то ее называют одноранговой
сетью. Одноранговые сети используются для осуществления первой из
отмеченных целей: для обмена файлами. У каждого компьютера в такой сети есть
свое имя. Члены рабочей группы могут обращаться по этим именам к дисковой
памяти ПК своих коллег и копировать файлы на свой компьютер или копировать свои
файлы на другие компьютеры. Возможность такого обмена обеспечивается
специальной сетевой операционной системой. Средствами сетевой ОС можно защитить
информацию от постороннего доступа. Таким образом, локальная сеть избавляет от
необходимости использовать дискеты для переноса информации с одного компьютера
на другой.
Другой способ организации
локальной сети — сеть с выделенным (главным) компьютером. Его называют файл-сервером.
Чаще всего в школьных компьютерных классах используется именно такая
организация. К файл-серверу имеет доступ учитель, а ученики работают за
рабочими станциями. Все рабочие станции соединены с главной машиной (схема
соединения «звезда»). Поэтому непосредственный обмен информацией происходит
между сервером и каждой рабочей станцией. Конечно, в такой системе ученики тоже
могут обмениваться файлами, но «транзитом» через сервер. Обычно сервер — это
более мощная машина, чем рабочие станции, с большим жестким диском, с дополнительными
внешними устройствами (например, CD-ROM — дисководом, принтером, модемом). При такой организации локальной
сети реализуется вторая из отмеченных выще целей: доступ пользователей к общим
аппаратным и информационным ресурсам сервера. В частности, программы, хранящиеся
на диске сервера, могут загружаться в оперативную память рабочей станции и запускаться
на исполнение подобно тому, как это делается с собственного диска ПК. Со своего
рабочего места пользователь может создавать и сохранять файлы на жестком диске
сервера.
Работой сети управляет сетевая
операционная система. Операционная система поддерживает стандарты
(протоколы) обмена информацией в сети, устанавливает очередность при обращении
различных пользователей к одним и тем же ресурсам и пр. Основное назначение сетевой
ОС — дать возможность пользователям работать в локальной сети, не мешая друг
другу. Работу одноранговых сетей поддерживает операционная система Windows 95/98. Наиболее распространенные ОС для сетей с выделенным
сервером: Novell NetWare, Windows NT.
Локальные сети школьных
КУВТ, Нередко в
отечественных школах используются специализированные классы учебной
вычислительной техники — КУВТ, объединенные в локальную сеть. По сравнению с
профессиональными IBM или Macintosh это более
дешевая техника, предоставляющая минимально необходимые средства для
преподавания информатики в школе. В конце 1980-х гг. было организовано
производство и поставки в школы КУВТ на базе отечественных микроЭВМ
Электроника-БКООЮ, УКНЦ, «Корвет». В тот же период в ряд школ были поставлены
КУВТ «Ямаха» японского производства. Позднее появились школьные КУВТ на базе IBM PS/2 так называемые «пилотные классы». Для большинства локальных
сетей КУВТ характерно использование архитектуры «звезда», где центральная
машина называется рабочим местом преподавателя — РМП, а периферийные машины
называются рабочими местами учеников — РМУ. На РМП имеется дисковый накопитель
(на БК, УКНЦ, «Корвет», «Ямаха» — флоппи-дисковод) и принтер. На РМУ дисковой
памяти нет.
На РМП установлена сетевая
ОС, которая предоставляет следующий минимальный набор пользовательских
возможностей:
• пересылку программ и данных
с РМП на каждое из РМУ и обратно;
• исполнение программы как на
РМУ, так и на РМП;
• вывод программ и данных с
РМУ на внешние накопители и принтер РМП;
• групповую рассылку программ
с РМП на все РМУ. Операционные системы локальных сетей КУВТ предоставляют учителю
ряд дополнительных возможностей, удобных для ведения урока: возможность
вмешиваться в работу учащихся, просматривать их экраны, вызывать и редактировать
их программы, организовывать коллективные демонстрации и пр.
Узким местом отечественных
КУВТ была низкая скорость передачи информации. Поэтому рассылка больших
программ на все РМУ занимала значительное время. Ситуация улучшилась с
внедрением в классах на базе УКНЦ и Корвет сетевой системы, разработанной
фирмой «Линтех». Эта система основывается на использовании на РМП компьютера IBM PC. Помимо
увеличения скорости передачи данных и повышения надежности работы сети, данная
система позволяет на РМУ пользоваться некоторыми средствами программного
обеспечения, предназначенного для IBM.
Учебный план не позволяет
долго задерживаться на теме локальных сетей. Учитель прежде всего должен дать
представление ученикам об организации сети, работающей в компьютерном классе, а
также общешкольной сети (если такая имеется). В качестве практической работы на
данную тему следует организовать обмен посланиями между учениками в виде
текстовых файлов, передаваемых через сеть с одного РМУ на другое (своеобразная
электронная почта).
Глобальные сети. Организация
глобальных сетей. Глобальные компьютерные сети объединяют
между собой ЭВМ, расположенные на больших расстояниях (в масштабах региона,
страны, мира). Если локальную сеть ученики могут увидеть своими глазами, то
знакомство с глобальными сетями будет носить более описательный характер.
Здесь, как и во многих других темах, приходит на помощь метод аналогий.
Устройство глобальной сети можно сравнить с устройством системы телефонной
связи — телефонной сети. Телефоны абонентов связаны с узлами-коммутаторами. В
свою очередь, все городские коммутаторы связаны между собой так, что между
любыми двумя телефонами абонентов может быть установлена связь. Вся эта система
образует телефонную сеть города. Городские (региональные) сети связаны между
собой по междугородним линиям. Выход на телефонные сети других стран происходит
по международным линиям связи. Таким образом, весь мир «опутан» телефонными сетями.
Два абонента в любой части света, подключенные к этой сети, могут связаться
друг с другом.
Рассказав об этом, предложите
ученикам представить, что у абонентов вместо телефонных аппаратов установлены
персональные компьютеры; вместо коммутаторов — мощные компьютерные узлы, и по
такой сети циркулирует самая разнообразная информация: от текстовой до видео и
звука. Это и есть современная мировая система глобальных компьютерных сетей.
Первая глобальная
компьютерная сеть начала действовать в 1969 г. в США, она называлась ARPANET и объединяла в себе всего 4 удаленных компьютера. Примером
современной сети научно-образовательного назначения является BITNET. Она охватывает 35 стран Европы, Азии,и
Америки, объединяет более 800 университетов, колледжей, научных центров.
Крупнейшей российской сетью является RELCOM, созданная
в 1990 г. RELCOM входит в европейское объединение сетей EUNET, которая, в свою очередь, является
участником гигантского мирового сообщества INTERNET. Такая иерархичность характерна для организации глобальных
сетей.
На рис. 12.3 представлена
характерная архитектура глобальной сети. Сеть состоит из узловых хост-компьютеров
(У1, У2,...), ПК абонентов сети (All, А12, ...),
линии связи. Обычно узел сети содержит не один, а множество компьютеров.
Функции серверов различных сетевых услуг могут выполнять разные компьютеры.

Рис. 12.3.
Характерная архитектура глобальной сети

Хост-компьютеры постоянно
находятся во включенном состоянии, постоянно готовы к приему-передаче
информации. В таком случае говорят, что они работают в режиме on-line. Компьютеры
абонентов выходят на связь с сетью (в режим on-line) лишь на определенное время — сеанс связи.
Переслав и получив необходимую информацию, абонент может отключиться от сети и
далее работать с полученной информацией автономно — в режиме off-line. Маршрут
передачи информации пользователю обычно неизвестен. Он может быть уверен лишь в
том, что информация проходит через узел подключения и доходит до пункта
назначения. Маршрутизацией передаваемых данных занимаются системные средства
сети. В разных сеансах связь с одним и тем же корреспондентом может проходить
по разным маршрутам.
Шлюзом называют компьютер,
организующий связь данной сети с другими глобальными сетями.
Информационные услуги
глобальных сетей. Электронная почта. В истории глобальных сетей электронная почта (e-mail) появилась
как самая первая информационная услуга. Эта услуга остается основной и
важнейшей в компьютерных телекоммуникациях. Можно сказать, что происходит
процесс вытеснения традиционной бумажной почты электронной почтой. Преимущества
последней очевидны: прежде всего, это высокая скорость доставки корреспонденции
(минуты, редко — часы), сравнительная дешевизна. Уже сейчас огромные объемы
деловой и личной переписки идут через e-mail. Электронная почта в сочетании с
факсимильной связью обеспечивают абсолютное большинство потребностей в передаче
писем и документов.
Для того чтобы абонент мог
воспользоваться услугами электронной почты, он должен:
• иметь аппаратное
подключение своего персонального компьютера к почтовому серверу узла
компьютерной сети;
• иметь на этом сервере свой
почтовый ящик и пароль для обращения к нему;
• иметь личный электронный
адрес;
• иметь на своем компьютере
клиент-программу электронной почты (мэйлер).
Аппаратное подключение чаще
всего происходит по телефонным линиям, поэтому пользователю необходим выход в
телефонную сеть, т. е. свой телефонный номер. Организация — владелец узла
глобальной сети, предоставляющая сетевые услуги, называется провайдером. В
последнее время их становится все больше, и пользователь имеет возможность
выбрать того провайдера, условия которого его в большей степени устраивают. Провайдер
назначает для пользователя пароль, электронный адрес, создает для
него на почтовом сервере почтовый ящик — папку для размещения
корреспонденции. Как правило, провайдер помогает пользователю установить и
настроить почтовую клиент-программу.
Подготовка электронного
письма производится пользователем в режиме off-line — отключения от сети. С помощью почтовой
клиент-программы он формирует текст письма, указывает адрес получателя,
вкладывает в письмо различные приложения. Затем пользователь переходит в режим on-line, т.е.
соединяется с почтовым сервером и отдает команду «доставить почту». Подготовленная
корреспонденция передается на сервер, а поступившая на адрес пользователя
переносится с сервера на его ПК. При этом полученные письма удаляются из
почтового ящика, а переданные заносятся в него. Почтовый сервер периодически
просматривает ящики абонентов и, обнаружив там исходящую корреспонденцию, организует
ее отравление.
На примере электронной почты
хорошо иллюстрируется суть технологии клиент-сервер, принятой в
современных сетях. Эта технология основана на разделении функций программного
обеспечения, обслуживающего каждую информационную услугу, между компьютером
клиента и сервером. Соответствующее ПО называется клиент-программой и
сервер-программой (часто говорят короче: клиент и сервер). Популярными
клиент-программами электронной почты являются: MAIL для MS-DOS и Outlook Express для Windows.
В начальный период развития
электронной почты передаваемая корреспонденция могла иметь только текстовый
формат. Данные другого формата (двоичные файлы) перекодировались в текстовый
формат с помощью специальной программы-перекодировщика UUDECOD. Сейчас в Internet используется
стандарт MIME, позволяющий без такого перекодирования
передавать в теле электронного письма самую разнообразную информацию. Согласно
этому стандарту передающая машина помещает в заголовке электронного письма
описания типов информационных единиц, составляющих письмо. Машина-получатель по
этим описаниям правильно интерпретирует полученную информацию. Теперь в
электронном письме, помимо текста, можно помещать графические образы (тип image), аудио-информацию (audio), видеофильмы (video), любые приложения (application).
Наряду с электронной почтой в
глобальных сетях существуют и другие виды информационных услуг для
пользователей.
Telnet. Эта услуга позволяет пользователю работать в режиме терминала
удаленного компьютера, т. е. использовать установленные на нем программы так
же, как программы на собственном компьютере.
FTP. Так называется сетевой протокол и программы, которые обслуживают
работу с каталогами и файлами удаленной машины. Клиент FTP имеет возможность просматривать каталоги РТР-серверов, копировать
интересующие его файлы.
Archie. Так называются специальные серверы, выполняющие роль поисковых
программ в системе FTP-серверов. Они помогают быстро найти
нужные вам файлы.
Gopher. Система поиска и извлечения информации из сети с развитыми
средствами многоуровневых меню, справочных книг, индексных ссылок и пр.
WAIS. Сетевая информационно-поисковая система, основанная на распределенных
базах данных и библиотеках.
Usenet. Система телеконференций. Другое название — группы новостей.
Обслуживает подписчиков определенных тематических конференций, рассылая им
материалы по электронной почте.
Аппаратные средства сетей.
Хост-компьютеры (серверы).
Хост-I компьютер имеет собственный уникальный адрес в сети и
выполняет роль узловой машины, обслуживающей абонентов. В качестве
хост-компьютеров используются разные типы машин: от мощных ПК до мини-ЭВМ и
даже мэйнфреймов (больших ЭВМ). Основ-I ные требования
— высокоскоростной процессор и большой объем дисковой памяти (десятки и сотни
Гбайт). На хост-компьютерах в сети Internet используется
операционная система Unix. Все
сервер-программы, обслуживающие приложения, работают под управлением Unix.
Из того о чем уже говорилось
выше, следует, что понятие «сервер» носит программно-аппаратный смысл.
Например, хост-компьютер, на котором в данный момент работает сервер-программа
электронной почты, выполняет роль почтового сервера. Если на этой же машине
начинает работать сервер-программа WWW, то
она становится Web-сервером. Часто функции серверов
различных услуг разделены на узле сети между разными компьютерами. Линии
связи. Основные типы линий связи между компьютерами сети: телефонные линии,
электрические кабели, оптоволоконный кабель и радиосвязь. Главными параметрами
линий связи являются пропускная способность (максимальная скорость передачи
информации), помехоустойчивость, стоимость. По параметру стоимости самыми
дорогими являются оптоволоконные линии, самыми дешевыми — телефонные. Однако с
уменьшением цены уменьшается и качество работы линии. В табл. 12.1 даны
сравнительные характеристики линий по параметрам скорости и помехоустойчивости.
Таблица 12.1
Характеристики
линий связи

Тип связи

Скорость,
Мбит/с

Помехоустойчивость

Витая пара проводов

10 -100

Низкая

Коаксиальный кабель

До 10

Высокая

Телефонная линия

1 -2

Низкая

Оптоволоконный кабель

10 -200

Абсолютная

Чаще всего для связи между хост-компьютерами
используются выделенные телефонные линии или радиосвязь. Если узлы сети
расположены сравнительно недалеко друг от друга (в пределах города), то связь
между ними может быть организована по кабельным линиям — электрическим или
оптоволоконным. В последнее время в сети Internet активно используется спутниковая радиосвязь.
Обычно абоненты (клиенты)
подключаются к узлу своего провайдера через телефонную линию. Все чаще для этих
целей начинает применяться радиосвязь.
Для передачи информации по
каналам связи необходимо преобразовывать ее из той формы, в которой она
существует в компьютере, в сигналы, передаваемые по линиям связи. Такие
преобразования осуществляют специальные устройства, которые называются сетевыми
адаптерами. Существуют адаптеры для кабельной, для оптоволоконной связи.
Адаптер вставляется в свободное гнездо материнской платы и соединяется кабелем
с адаптером другого компьютера. Так обычно делается в локальных сетях.
В глобальных сетях, связанных
по телефонным линиям, в качестве устройства сопряжения используются модемы. Назначение
модема состоит в преобразовании информации из двоичного компьютерного кода в
телефонный сигнал и обратно. Помимо этого, модем выполняет еще ряд функций.
Например, модем клиента сети должен дозваниваться до узла, к которому он
подключается. Основной характеристикой модема является предельная скорость
передачи данных. В настоящее время она колеблется от 1200 бит/с до 112 000
бит/с. Однако реальная скорость зависит не только от модема, но и от качества
телефонных линий. В российских городских сетях приемлемая скорость передачи невелика
и составляет 2400—14400 бит/с. В будущем, когда произойдет полный переход
телефонных линий на цифровую связь, потребность в использовании модемов
исчезнет.
Интернет. На вопрос, что такое Интернет, в
литературе можно прочитать разные варианты ответов. Чаще всего на этот вопрос
отвечают так: Интернет — это суперсеть, охватывающая весь мир, представляющая
из себя совокупность многих (более 2000) сетей, поддерживающих единый протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol).
Протокол — это стандарт на представление,
преобразование и пересылку информации в компьютерной сети. Образно можно
сказать так: протокол — это определенный сетевой язык. Пока различные
глобальные сети работали автономно, они «разговаривали на разных языках». Для
их объединения понадобилось придумать общий язык (своеобразный сетевой
эсперанто), которым стал протокол TCP/IP. Этот протокол поддерживается как
программными, так и аппаратными средствами сети. Сводится он к стандартизации
следующих процедур:
• разбиение передаваемых
данных на пакеты (части);
• адресация пакетов и
передача их по определенным маршрутам в пункт назначения;
• сборка пакетов в форму
исходных данных.
При этом происходит контроль
правильности приема-передачи пакета, правильности сборки всех переданных
пакетов в нужном месте.
На базе протокола TCP/IP
реализованы другие прикладные протоколы Интернет, составляющие основу
сервиса в сети.
Основой Интернет является
система так называемых IP-адресов.
Каждый хост-компьютер, включенный в Интернет, получает уникальный в рамках всей
сети адрес. IP-адрес — это последовательность из четырех
целых десятичных чисел, разделенных точками. Например: 195.205.31.47. Поскольку
Интернет — это сеть сетей, то первое число определяет сеть, к которой
принадлежит компьютер, следующие числа уточняют координаты компьютера в этой
сети.
Цифровая адресация является
«внутренним делом» системы. Для пользователей она неудобна. Поэтому для
пользователей используется буквенная форма записи адресов — доменные адреса.
Домены — это символьные имена, разделяемые точками. Пример доменного адреса: www.psu.ru. Адрес читается справа налево. Первый
справа домен называется суффиксом. Чаще всего он определяет страну, в которой
находится компьютер (таким образом, компьютер является элементом национальной
сети). Например, ru — Россия, uk — Великобритания, fr — Франция. Адреса хост-компьютеров США обычно имеют суффикс,
обозначающий их принадлежность к корпоративным сетям: edu — научные и учебные организации, gov — правительственные организации, mil — военные и пр.
Следующие домены (их может
быть больше одного) определяют хост-компьютер в данной сети (PSU — Internet-центр Пермского госуниверситета).
Последний домен — имя сервера (Web — сервер). С помощью специальной серверной
программы устанавливается связь между числовыми и доменными адресами.
Все перечисленные выше
характеристики Интернет чаще всего пользователю неизвестны. С точки зрения
пользователя, Интернет — это определенное множество информационных услуг,
которые он может получать от сети. В число услуг входят: электронная почта,
телеконференции (списки рассылки), архивы файлов, справочники и базы данных,
Всемирная паутина — WWW и пр. Интернет — это неограниченные информационные ресурсы.
Влияние, которое окажет Интернет на развитие человеческого общества, еще до
конца не осознано.
Информационные услуги
Интернет. Наряду с
перечисленными выше информационными услугами (электронной почтой,
телеконференциями и др.), предоставляемыми пользователям глобальных сетей,
существуют услуги, появление и развитие которых связано исключительно с
развитием мировой сети Интернет. Наиболее заметной среди них является WWW.
WWW— World Wide Web — Всемирная паутина. Это гипертекстовая информационная
система в Интернет. В последнее время WWW и ее
программное обеспечение становится универсальным средством информационных услуг
в Интернет. Они обеспечивают пользователям доступ практически ко всем перечисленным
выше ресурсам (FTP, e-mail, WAIS, Gopher и др.).
Основные понятия, связанные с
WWW:
Web-страница — основная информационная
единица в WWW, имеющая свой адрес;
Web-сервер — компьютер, хранящий Web-страницы и соответствующее программное
обеспечение для работы с ними;
Web-броузер — клиент-программа, позволяющая извлекать
и просматривать Web-страницы;
Web-сайт — раздел данных на Web-сервере, принадлежащий какой-то
организации или лицу. В этом разделе его владелец размещает свою информацию в
виде множества взаимосвязанных Web-страниц.
Обычно сайт имеет титул — головную страницу, от которой по гиперссылкам или
указателям «вперед-назад» можно двигаться по страницам сайта.
Наиболее популярными Web-броузерами являются Internet Explorer и Netscape Navigator. Основная задача броузера — обращение к Web-серверу за искомой страницей и вывод
страницы на экран. Простейший способ получения нужной информации из Интернет —
указание адреса искомого ресурса.
Для хранения и поиска
информации в Интернет используется универсальная адресация, которая носит
название URL — Uniform Resource Locator. URL-адрес содержит информацию не только о том, где находится ресурс,
но и по какому протоколу к нему следует обращаться. URL-адрес состоит из двух частей: первая (левая) указывает
используемый протокол, а вторая (справа) — где именно в сети расположен данный
ресурс, (имя соответствующего сервера). Разделяются эти части двоеточием,
например:
пйр://имя севера/путь/файл
ftp:// — используется протокол ftp при обращении к ftp-серверам;
gopher:// — подключение к серверам Gopher;
http:// — использование протокола работы с
гипертекстом (Hyper Text Transfer Protocol), который лежит в основе WWW. Этот тип связи надо указывать при
обращении к любому WWW-серверу.
Вот пример адреса файла,
содержащего дистанционный курс немецкого языка:
http ://www.
scholar .urc. ас. ru/Teaher/German/main. html
Кроме прямой адресации поиск
информации в Internet может осуществляться по гиперссылкам.
В помощь пользователю в
Интернет действует ряд специальных поисковых программ. Еще их называют поисковыми
серверами, поисковыми машинами, поисковыми системами. Такая система
постоянно находится в работе. С помощью специальных программ-роботов она
производит периодический обход всех Web-серверов
в сети и собирает сводную информацию об их содержании. По результатам таких
просмотров организуются справочники, индексные списки с указанием документов,
где встречаются определенные ключевые слова. Затем по этим спискам
обслуживаются запросы пользователей на поиск информации. Поисковая система
выдает пользователю список адресов документов, в которых встречаются указанные
пользователем ключевые слова.
Ниже приведены адреса
наиболее популярных российских поисковых серверов:
http://russia.agama.com/Aport/
http://www.rambler.ru/
http://yandex.ru/
http ://www.
altavista.telia. com/
http://www.list.ru/
Поиск информации по ключевым
словам требует от пользователя определенных навыков. Алгоритмы поиска в сети,
подобно поиску информации в базах данных, основаны на логике. Рассмотрим этот
вопрос на примере организации поиска по нескольким ключевым словам, принятого в
поисковой системе Alta Vista.
1. Несколько ключевых слов,
разделенных пробелом, соответствуют операции логического сложения: ИЛИ (OR). Например, указав ключ: <Школьная
информатика>, мы получим список всех документов, в которых встречается слово
«Школьная» или слово «информатика». Очевидно, таких документов окажется слишком
много и большинство из них не нужны пользователю.
2. Несколько слов,
заключенных в кавычки, воспринимаются как единое целое. Указав в запросе
«Школьная информатика» мы получим документы, содержащие такую строку.
3. Знак «+» между словами
равносилен операции логического умножения: И (AND). Указав в запросе ключ <Школьная+информатика>, получим все
документы, в которых имеются эти два слова одновременно, но они могут быть
расположены в любом порядке и вразброс.
Очевидно, второй вариант
запроса в большей степени соответ-^твует цели. Однако ключевых слов в таком
сочетании в списках тоисковой программы может не оказаться.
Кроме WWW, среди относительно новых услуг в
Интернет сущecтвyют следующие: IRC.
Internet Relay Chat — «болтовня» в реальном времени. Позволяет вести письменный диалог
удаленным собеседникам в режиме on-line; Internet-телефония. Услуга, поддерживающая голосовое общение
клиентов сети в режиме on-line.

Рекомендации по организации практической работы

При наличии возможности
выхода в Интернет, практическая работа учащихся может быть организована по
таким направлениям:
• подготовка, отправление и
прием электронной почты;
• работа с Web-броузером, просмотр Web-страниц;
• обращение в FTP — серверам, извлечение файлов;
• поиск информации в системе WWW с помощью поисковых программ.
Знакомство с каждым новым
видим прикладного программного обеспечения, обслуживающим соответствующую
информационную услугу (почтовая программа, Web-броузер, поисковая программа) следует проводить по стандартной
методической схеме: данные, среда, режимы работы, система команд.
Задания для выполнения
учащимися практических работ в сети Internet содержатся в
пособии [3].

12.4. Базы данных и информационные
системы

Методические рекомендации по изучению темы

Изучаемые вопросы:
ª Области применения информационных систем
и баз данных (БД).
ªКлассификация БД.
ªСтруктура реляционной базы данных (РБД).
ªЭлементы РБД: главный ключ; имя, значение
и тип поля.
ªНазначение системы управления базами
данных (СУБД); режимы работы СУБД.
ªЗапросы на поиск данных.
ªЗапросы на удаление данных.
ªЗапросы на сортировку.
Области применения. Изучение темы следует начать с описания
области применения компьютерных информационных систем, с обоснования актуальности
данного приложения компьютерной техники. Задачу можно сформулировать следующим
образом: имеется большой объем данных о какой-то реальной системе объектов или
событий. Например, о книгах в библиотеке, работниках предприятия, товарах на
складе, дорожно-транспортных происшествиях за длительный период времени и т.п.
Необходимо организовать хранение этой информации таким образом, чтобы ее было
удобно просматривать, пополнять, изменять, искать нужные сведения, делать любые
выборки, осуществлять сортировку в любом порядке. Такой работой людям
приходилось заниматься и задолго до появления компьютеров. Основным средством
хранения данных была бумага. Данные хранились в виде списков в толстых
журналах, папках, на картонных карточках. Последний способ используется,
например, в библиотечных каталогах. Большинству учеников он хорошо знаком: на
каждой карточке записаны сведения об отдельной книге. В алфавитном каталоге
карточки систематизированы по фамилиям авторов в алфавитном порядке, в предметном
каталоге — по тематике книг. Подобные систематизированные картотеки
используются в отделах кадров предприятий. Они удобны тем, что легко можно
извлечь нужную карточку, заменить, добавить новые карточки, сохраняя
установленный порядок. Тем не менее если такая картотека содержит тысячи
карточек, то, как бы совершенна ни была ее организация, обработка данных в ней
— дело длительное и трудоемкое.
Другой пример — архивы
различных документов. Например, существуют исторические архивы, архивы судебных
дел, архивы патентов на изобретения и многие другие. Порой такие архивы
занимают целые здания. Поиск в них нужных документов требует значительных
усилий. Кроме того, существуют киноархивы, фотоархивы, архивы звуковых записей.
В наше время решению
описанных проблем помогают компьютеры.
Компьютерные
информационные системы позволяют
хранить большие объемы данных, осуществлять в них быстрый поиск, вносить
изменения, выполнять всевозможные манипуляции с данными (группировать,
сортировать и пр.). Следует привести примеры таких информационных систем.
Например, система продажи железнодорожных и авиационных билетов. Другой
знакомый ученикам пример: во время телерепортажей с крупных международных соревнований,
олимпийских игр на экран мгновенно выводится досье любого спортсмена, о котором
говорит комментатор — это работает компьютерная информационная система.
Основой всякой информационной
системы является база данных — организованная совокупность данных на
магнитных дисках. Ученики уже хорошо знают, что информация на дисках хранится в
виде файлов. Поэтому первый вывод, который можно сделать относительно
организации больших баз данных — это то, что они требуют больших объемов
дисковой памяти.
Теоретические основы. Тема «Базы данных и информационные системы»
насыщена теоретическими понятиями. Эти понятия пересекаются с другими
содержательными линиями базового курса: информационное моделирование,
представление информации (в частности, логической информации). Активное
развитие теории баз данных началось в 1970-х гг. Особое место в ней занимает
теория реляционных баз данных (РБД), разработанная Е. Коддом. Элементы этой
теории рассмотрены в подразделе 10.3 настоящего пособия.
К теоретическим вопросам,
рассматриваемым в рамках базового курса, относятся вопросы классификации БД,
структуры однотабличной РБД.
Классификация баз данных. Базы данных классифицируются по разным
признакам. По характеру хранимой информации БД делятся на фактографические
и документальные. Если проводить аналогию с описанными выше примерами
информационных хранилищ, то фактографические БД — это картотеки, а
документальные — это архивы. В фактографических БД хранится краткая информация
в строго определенном формате. В документальных БД — всевозможные документы.
Причем это могут быть не только текстовые документы, но и графика, видео и звук
(мультимедиа).
Классификация по способу
хранения данных делит БД на централизованные и распределенные. Вся
информация в централизованной БД хранится на одном компьютере. Это может быть
автономный ПК или сервер сети, к которому имеют доступ пользователи-клиенты.
Распределенные БД используются в локальных и глобальных компьютерных сетях. В
таком случае разные части базы хранятся на разных компьютерах.
Третий признак классификации
БД — по структуре организации данных. В разделе «Формализация и
моделирование» говорилось о трех способах организации данных: табличном,
иерархическом и сетевом. Базы данных, использующие соответствующий способ
организации информации, называются реляционными (табличные БД), иерархическими
и сетевыми БД.
В базовом курсе информатики
рассматриваются лишь фактографические реляционные базы данных. Это
связано не только с ограниченностью школьного курса, но и с тем фактом, что
реляционный тип БД используется сегодня наиболее часто и является
универсальным. Теоретически доказано, что любая система данных может быть
отражена с помощью таблиц. Простейшая реля-. ционная БД содержит одну таблицу,
более сложная может состоять из множества взаимосвязанных таблиц.
Структура однотабличной
реляционной БД. О
табличной форме информационной модели речь шла в подразделе 10.1. Таблица
содержит информацию о некоторой системе объектов или событий. В разных строчках
содержится информация о разных объектах описываемой системы, а столбцы
соответствуют различным атрибутам этих объектов. В терминологии реляционных баз
данных строки таблицы называются записями, столбцы — полями. Само
название «реляционная БД» происходит от английского слова «relation», что переводится как «отношение». Здесь
термин «отношение» понимается как взаимосвязь между полями таблицы. В
реляционном подходе таблица называется отношением.
Объяснение данного материала
следует проводить на конкретных примерах. Например, в учебнике [15] в качестве
примеров используются разнообразные таблицы: «Домашняя библиотека», «Погода», «Успеваемость»,
«Факультативы». Следует подчеркнуть, что в базах данных каждая таблица должна
иметь свое имя. Учителю будет удобно работать, если эти таблицы вынести на плакаты.
Основные представления,
которые должны быть закреплены учениками:
• всякая таблица содержит в
себе информацию о некоторой реальной системе (процессе) и, следовательно,
является ее информационной моделью;
• всякая запись в таблице —
информация о конкретном объекте (событии) данной системы;
• значение поля в каждой
записи — это определенная характеристика (свойство, атрибут) объекта.
Вопросы, задаваемые ученикам
для закрепления этих понятий, должны быть следующего характера:
Вопрос: Информация о какой
системе содержится в таблице «Успеваемость»?
Ответ: Об определенном классе
школы.
Вопрос: Информация о каком
объекте содержится в каждой записи этой таблицы?
Ответ: О конкретном ученике.
Вопрос: Что обозначают
значения полей в записи?
Ответ: Оценки, полученные
данным учеником по школьным предметам.
Основные понятия, связанные с
записями и полями: главный ключ записи, имя поля, значение поля, тип поля.
Главный ключ — это поле или совокупность полей, которое
однозначно определяет запись в таблице. Можно еще сказать так: главный ключ —
это идентификатор записи. В базах данных слово «ключ» имеет несколько употреблений:
ключ поиска — поле, по значению которого ищется запись в БД, ключ сортировки —
поле, по значению которого происходит упорядочение записей. Поэтому
идентификатор записей приходится называть главным ключом.
Учителю важно понимать, что
тема «Базы данных» содержит в себе ряд узловых вопросов, имеющих
фундаментальное значение для курса информатики в целом. В этой теме ученики
впервые встречаются с понятием величины. В дальнейшем это понятие будет широко
использоваться в электронных таблицах, в алгоритмах и программах. Величина —
это отдельный информационный объект, имеющий собственное имя и занимающий
место в памяти компьютера. С этой точки зрения поля являются величинами.
Каждое поле в таблице имеет имя, для каждого поля определен тип. Понятие типа
величины связано с тремя ее свойствами:
• множеством значений,
которые может принимать величина;
• множеством операций,
которые можно выполнять с этой величиной;
• формой внутреннего
представления в памяти ЭВМ.
В большинстве случаев в базах
данных используются четыре основных типа: символьный, числовой, дата и логический.
Поле символьного типа может хранить значение любой последовательности
символов; числовые поля могут содержать целые или дробные десятичные числа;
дата — день/месяц/год; логические поля — значения логических величин (да — нет,
лстина — ложь, true — false).
В данном разделе впервые в
курсе информатики ученики встречаются с логическим типом данных, с логическими
величинами. Первое понятие о логической величине можно дать как ответ на
альтернативный вопрос. Например: «Имеется ли данная книга в библиотеке?», или
«Поступил ли абитуриент в университет», или «На улице идет дождь?» и т.п.
Ответами на такие вопросы могут быть только «да» или «нет». Синонимами являются
«истина», «ложь»; «true», «false». Если поле таблицы будет принимать только такие значения, то ему
назначается логический тип.
Необходимо закрепить понятия
«главный ключ», «имя поля», «тип поля» на серии заданий.
Задания первого типа: дано
имя таблицы и перечень полей, требуется указать главный ключ и определить типы
всех полей' Примеры из учебника:
БИБЛИОТЕКА (НОМЕР, АВТОР, НАЗВАНИЕ, ГОД, ПОЛКА)

Здесь использована
традиционная форма для представления таблиц (отношений) в теории реляционных
баз данных. Перед скобками записано имя таблицы, в скобках через запятую
перечислены имена полей. Ключевые поля подчеркиваются. В данном отношении все
поля символьного типа.

ПОГОДА (ДЕНЬ, ОСАДКИ, ТЕМПЕРАТУРА, ДАВЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТЬ)

Здесь поле ДЕНЬ имеет тип
«дата», ОСАДКИ — символьный тип; ТЕМПЕРАТУРА, ДАВЛЕНИЕ и ВЛАЖНОСТЬ - числовые
поля.

УСПЕВАЕМОСТЬ (УЧЕНИК, РУССКИЙ, АЛГЕБРА ХИМИЯ,
ФИЗИКА,
ИСТОРИЯ,
МУЗЫКА)

Здесь поле УЧЕНИК символьного
типа, все остальные — числового. Оценки имеет смысл определить числовым типом,
так как в запросах могут использоваться вычисления, например, поиск по среднему
баллу.

ФАКУЛЬТАТИВЫ (УЧЕНИК. ГЕОЛОГИЯ, ЦВЕТОВОДСТВО, ТАНЦЫ)

Здесь поле УЧЕНИК имеет
символьный тип, остальные поля логического типа. Значения этих полей — ответы
на вопросы, посещает ли ученик данный факультатив.
Задания второго типа:
определена предметная область базы данных; требуется озаглавить таблицу,
определить имена полей и их типы, назначить главный ключ. Конечно, эта задача
имеет отношение к области проектирования БД и уже по этой причине сложная.
Поэтому требовать от учеников какой-то полноты ее решения не следует.
Достаточно, чтобы они указали несколько полей, имеющих отношение к данной теме,
и правильно определили типы полей. Например, требуется определить поля, типы
полей и ключи для баз данных «Страны мира», «Одноклассники», «Кинофильмы».
Возможны следующие решения (табл. 12.2):
Таблица 12.2

СТРАНЫ_МИРА

ОДНОКЛАССНИКИ

КИНОФИЛЬМЫ

СТРАНА — символьный
СТОЛИЦА — символьный
ГШОШАДЬ — числовой
НАСЕЛЕНИЕ — числовой
ПОСЕЩАЛ — логический

ФАМИЛИЯ — символьный
ИМЯ — символьный
АДРЕС — символьный
ТЕЛЕФОН — символьный
РОДИЛСЯ — дата

НАЗВАНИЕ — символьный
СТРАНА — символьный
ЖАНР — символьный
РЕЖИССЕР — символьный
ДУБЛИРОВАН -логический

Программное обеспечение.
После знакомства с основными понятиями, относящимися к организации информации в
реляционных БД, следует перейти к изучению программного обеспечения,
предназначенного для работы с базами данных. Такое программное обеспечение
называется СУБД — система управления базами данных.
Для персональных компьютеров
существует целый ряд СУБД реляционного типа. Исторически одной из первых таких
систем была dBASE. Используемые в этой системе форматы
представления данных, язык обработки данных стали стандартом для ряда
последующих СУБД. К ним относятся FoxPro, Paradox; СУБД с русифицированными оболочками
Карат и Ребус, работающие в операционной системе MS-DOS. В состав пакета Microsoft Office входит реляционная
СУБД Access, все чаще изучаемая в школе.
Существует два способа работы
пользователя с базой данных: работа с помощью прикладных программ, заранее
составленных программистом в среде СУБД, и работа путем непосредственного
взаимодействия с СУБД. В начальный период появления и распространения баз
данных использовался только первый способ. Позже стали появляться СУБД,
ориентированные на работу с пользователем. Для них были созданы удобные
диалоговые оболочки, позволяющие пользователю легко реализовывать свои
потребности в работе с базой данных: пополнять и изменять базу, осуществлять
поиск данных по любым условиям, создавать отчетные документы. Наиболее
совершенной СУБД такого типа является MS Access.
В разных школах используется
разная техника и программное обеспечение. Варианты доступных СУБД могут быть
самыми разнообразными: от учебной РБД для УКНЦ до профессиональной MS Access для IBM PC. В
различных системах различается способ взаимодействия пользователя с СУБД —
пользовательский интерфейс. Есть два принципиально различных режима такого
взаимодействия: посимвольный ввод команд и работа с диалоговой оболочкой. Эта
ситуация подобна взаимодействию пользователя с операционной системой MS-DOS: работа
в режиме командной строки или работа через оболочку Norton Commander.
У всякой СУБД существует свой язык описания данных и язык манипулирования
данными. Если пользователю приходится работать в режиме посимвольного ввода
команд, то он должен знать все подробности синтаксиса командного языка.
Диалоговая оболочка — средство интерфейса более высокого уровня. Однако следует
понимать, что, работая с оболочкой, пользователь формирует те же самые команды,
привлекая вспомогательные средства: меню, панели инструментов, подсказки и пр.
Любая команда — это
информация, управляющая выполнением определенного вида работы. Она должна
содержать все необходимые данные для этого. Обычно это имя команды и набор
параметров. С методической точки зрения важно, чтобы ученики, выполняя
любые действия с БД, понимали: какая отдается команда, какие параметры для ее
выполнения должны быть сообщены системе.
Изучение конкретной СУБД следует
проводить по стандартной методической схеме: «среда — режимы работы —
система команд — данные». В отличие от интерфейса текстовых или графических
редакторов, интерфейсы различных СУБД менее унифицированы. Поэтому здесь трудно
давать обобщенное описание. Адаптацию к конкретной системе должен выполнить
учитель. Как всегда в таких случаях, нужно привлекать дополнительную
литературу: пособия, справочники, методички.
Например, для СУБД Access различаются следующие основные режимы работы:
• режим работы с таблицей:
«Таблица»;
• режим работы с запросами:
«Запрос»;
• режим работы с отчетами:
«Отчет»;
• режим работы с формами:
«Форма»;
(режимы работы с макросами и
модулями в базовом курсе не рассматриваются). В свою очередь, в каждом из
отмеченных режимов есть подрежимы: «Просмотр», «Конструктор» и «Создать».
Например работая в режиме «Таблица — Просмотр», пользователь может просмотреть
содержание таблицы, а также отредактировать некоторые ее поля. В режиме
«Таблица — Конструктор» можно просмотреть описание структуры таблицы и внести в
нее изменения. В режиме «Таблица — Создать» описывается и создается структура
новой таблицы.
В учебнике [15] нет описания
какой-либо конкретной СУБД. Применен следующий методический прием:
рассматривается некоторая гипотетическая реляционная СУБД. Для нее определяется
язык команд, в котором используются русские служебные слова. Система
взаимодействует с пользователем в диалоговом режиме: на экран выводится
приглашение в виде точки (так принято в dBASE и ей подобных СУБД). В ответ на приглашение пользователь вводит с
клавиатуры очередную команду. После выполнения команды повторяется приглашение.
Основные типы решаемых
задач. Подобно
большинству тем базового курса, изучение темы «Базы данных» может происходить
на разных уровнях. Обозначим два уровня изучения: минимальный и углубленный.
Задача первого уровня: дать общие представления о базах данных, научить работе
с готовой БД: осуществлять поиск информации; сортировку, удаление и добавление
записей. Дополнительные задачи второго уровня: познакомить с основами проектирования
БД; научить создавать структуру и заполнять БД.
Работа с СУБД начинается с
запуска соответствующей программы, поэтому ученикам необходимо показать, где
хранится программа и как ее запустить на исполнение.
Первое понятие, которое
должны усвоить ученики: БД хранится в файле; чтобы начать с ней работать,
необходимо открыть файл с БД. Затем учитель должен показать, как можно
просмотреть на экране записи таблицы. Для этого должна быть заранее
подготовлена демонстрационная БД. (В приложении к подразделу 5.4
задачника-практикума [3] содержатся разнообразные таблицы, которые можно
использовать в этих целях.)
Представляя ученикам
демонстрационную БД, необходимо обратить внимание на то, что наряду с самой
таблицей в памяти компьютера хранится описание ее структуры, откуда
пользователь может узнать параметры полей: имя, тип, формат и др. В СУБД Access это делается в режиме «Таблица — Конструктор».
Запросы на поиск данных. Основная задача любой информационной системы
— поиск информации в БД. Поиск происходит по запросу пользователя. На языке
гипотетической СУБД, используемом в учебнике [15], команда запроса имеет
следующую структуру:

.справка <список выводимых полей> для <условие поиска>

В результате выполнения
запроса получается таблица, состоящая из полей, указанных в команде. В эту
таблицу включается информация из тех записей, которые удовлетворяют условию
поиска. Условие поиска представляет собой логическое выражение. Здесь мы
встречаемся еще с одной фундаментальной составляющей данной темы курса — с
основами математической логики. Помимо прикладного применения в информатике эта
тема имеет большое общеобразовательное значение.
Методические вопросы изучения
элементов математической логики, применительно к БД, рассмотрены в подразделе
8.4. Там же обсуждены способы представления простых и сложных условий поиска в
БД.
Переходя к работе с
конкретной СУБД, учитель знакомит учеников с правилами формирования в ней
команды запроса. Если отсутствует диалоговая оболочка и команды задаются посимвольным
вводом, то нужно описывать синтаксис команд, обращая внимание на все детали.
Например, на языке dBASE команда вывода на экран записей из БД «БИБЛИОТЕКА»,
относящихся к книгам Л.Н.Толстого, стоящим на 3-й полке, выглядит так:

.DISPLAY FOR AVTOR="Толстой Л.Н."
.AND. POLKA=3

При использовании диалоговой
оболочки (например, работа в режиме ассистента в СУБД «Ребус») команда
формируется в диалоге. Система подсказывает пользователю каждый шаг и
предоставляет меню для выбора очередного элемента команды. При этом
пользователь видит на экране формируемую команду.
В СУБД Access для создания запросов используется конструктор запросов. Формируемая
команда оказывается скрытой от пользователя. Работа с конструктором требует
определенных навыков, которые следует отрабатывать на упражнениях.
Целесообразно поступать следующим образом: выполнение любого задания на поиск
данных в БД начинать с записи в тетради команды на языке гипотетической СУБД, а
затем, перейдя в режим создания запроса на выборку, соответствующим образом
заполнить поля конструктора.
В СУБД Access используется своеобразный табличный способ представления условий
поиска. В ячейках таблицы конструктора запросов записываются условия,
накладываемые на значения соответствующих полей. Условия, стоящие в одной
строке, должны выполняться одновременно, т.е. соединены между собой операцией
И; условия в разных строках соединены операцией ИЛИ. Таблица играет роль
фильтра при отборе записей из БД: сначала отбираются записи, удовлетворяющие
условиям первой строки, затем к ним добавляются записи, удовлетворяющие
условиям второй строки и т.д.
Вернемся к примеру из
подраздела 8.4. Рассматривается формальная БД, представленная следующей
таблицей (табл. 12.3):
Таблица 12.3

Записи

Поля

А

Б

С

R1

1

2

3

R2

1

3

1

R3

2

2

2

R4

3

3

3

R5

3

2

3

На языке конструктора
запросов Access нужно сформулировать 10 условий поиска к этой базе,
представленных в виде следующих логических выражений:
1)А=1 и В = 2;                                   2)А=1
или А=3;
3)А=1 или В-2;                                  4)
А= 1 или В = 2 или С- 3;
5) А=1 и В = 2 и С = 3;                      6)
не А= 1;
7) А = 1 и В = 2 или С = 3;                8)
А = 1 или В = 2 и С - 3;
9) не А- 1 или В = 2 и С = 3;
            10) (А= 1 или В = 2) и С = 3.
Решения содержатся в
следующей таблице (табл. 12.4):
Таблица 12.4

Условие

А

В

С

Условие

А

В

С

1)
А=1 иВ=2

= 1

= 2

6)
 не А=1

<>1

2) А— 1 или А— 3

= 1

7) А=1 и В=2 или С=3

=1

=2

=3

= 3

3)
А=1 илиВ=2

=1

8)
А=1 или В=2 и С=3

=1

= 2

=2

=3

4)
А-1 илиВ-2или С Ъ

=1

9)не
А=1 или В=2 и С=3

<>1

= 2

=2

=3

= 3

5) А-1 и В~2 и С=3

=1

= 2

= 3

10) (А=1 или В=2) и С=3

= 1

=3

=2

=3

Обратите внимание на
последнее условие. При записи в таблицу фактически произошло раскрытие скобок,
и данное логическое выражение заменилось эквивалентным выражением:
А=1 и С = З или В = 2 и С =
3.
В ячейках конструктора
условий отбора можно непосредственно записывать логические операции. Например,
условие поиска в БД «Библиотека», представленное логическим выражением:
(АВТОР = «Толстой Л.Н.» или
АВТОР = «Беляев А.Р.») и ПОЛКА>=2 и ПОЛКА<=5, в
конструкторе запроса на выборку может быть реализовано следующими двумя
способами (табл. 12.5):
Таблица 12.5

АВТОР

ПОЛКА

= «Толстой Л.Н.»

> = 2 and < = 5

= «Беляев А. Р.»

>=2and<=5

АВТОР

ПОЛКА

= «Толстой Л.Н.» ог = «Беляев А.Р.»

> = 2 and < = 5

Запросы на удаление
данных. Условия поиска в
форме логических выражений используются и в командах удаления записей из
таблицы. Команда имеет следующую структуру:

.удалить для <логическое выражение>

В Access с помощью конструктора формируется запрос на удаление и условие
для отбора удаляемых записей задается в табличной форме, так же как и в запросе
на выборку.
Запросы на сортировку. Еще один важный вид манипулирования информацией
в базе данных — сортировка записей. Здесь основными понятиями, которые
должны усвоить ученики, являются «ключ сортировки» и «порядок сортировки». Ключ
сортировки — это поле, по значению которого происходит упорядочение записей в
таблице. Порядок сортировки имеет два варианта: по возрастанию значений ключа и
по убыванию значений.
Например, на языке
гипотетической СУБД команда сортировки базы данных «Библиотека» в алфавитном
порядке по ключевому полю АВТОР выглядит так:

.сортировать Библиотека по АВТОР/возрастание

Если ключей несколько, то
среди них устанавливается иерархия: первичный ключ, вторичный ключ и т.д. В
первую очередь записи сортируются по значению первичного ключа; внутри группы
записей с одинаковыми значениями первичного ключа происходит сортировка по вторичному
ключу и т.д. Например, если предыдущую задачу сортировки уточнить следующим
образом: записи с одинаковым значением поля АВТОР упорядочивать по убыванию
года издания книги, то соответствующая команда будет выглядеть так:

.сортировать
Библиотека по АВТОР/возрастание по ГОД/ убывание

СУБД Access позволяет сортировать записи как во всей исходной таблице, так и в
таблицах, получаемых в результате выполнения запроса на выборку.
Проблемы проектирования
реляционных баз данных, которые могут быть рассмотрены в варианте углубленного
изучения, обсуждаются в подразделе 10.3.
Рекомендации по организации практической работы

Практические задания делятся
на три типа:
1) задачи: теоретические
задания для закрепления основныхпонятий;
2) упражнения: практические
задания для работы в среде СУБД с целью отработки отдельных навыков;
3) индивидуальные работы:
зачетные задания, требующие от учеников комплексного владения теоретическими
знаниями и практическими навыками.
Задания трех таких типов
приведены в подразделе 5.4 задачника-практикума [3]. Задачи могут быть
предметом коллективного разбора на уроке, использоваться в контрольных и
домашних заданиях.
Упражнения выполняются на
компьютере. Учитель может использовать материал упражнений в ходе объяснений
для демонстрации приемов работы с базой данных средствами изучаемой СУБД. После
такого объяснения следует предложить ученикам коллективно выполнить другие
упражнения того же типа. Рабочий материал для упражнений (файлы с таблицами)
учитель должен подготовить заранее.
Варианты индивидуальных работ
учитель распределяет среди учеников по своему усмотрению. Возможен вариант,
когда все делают одно и то же задание. В таком случае учителю легче
осуществлять контроль, оказывать помощь ученикам. По результатам выполнения
работы каждый ученик получает оценку.
Подбор практического
материала в подразделе 5.4 [3] позволяет организовать изучение темы «Базы
данных» на разных уровнях, использовать различные СУБД. Весь комплект заданий
ориентирован на углубленное изучение темы, на использование развитых версий
реляционных СУБД, в том числе MS Access. Задача учителя — сделать выборку заданий
для организации практической работы в соответствии с поставленными целями
обучения, резервом учебного времени, имеющимися техническими и программными
средствами.

12.5. Электронные таблицы

Методические рекомендации по изучению темы

Изучаемые вопросы:
ª Области применения электронных таблиц
(ЭТ).
ª Среда табличного процессора (ТП).
ª Режимы работы ТП.
ª Система команд.
ª Данные в ячейках ЭТ.
ª Методы адресации в ЭТ.
Области применения
электронных таблиц. Появление ЭТ исторически совпадает с началом
распространения персональных компьютеров. Первая программа для работы с ЭТ — табличный
процессор, была создана в 1979 г., предназначалась для компьютеров типа Apple II и называлась VisiCalc. В 1982 г. появляется знаменитый
табличный процессор Lotus 1-2-3, предназначенный для IBM PC. Lotus объединял в себе вычислительные возможности ЭТ, деловую графику и
функции реляционной СУБД. Популярность табличных процессоров росла очень
быстро. Появлялись новые программные продукты этого класса: Multiplan, Quattro Pro, SuperCalc и др. Одним из самых популярных табличных процессоров
сегодня является MS Excel, входящий в состав пакета Microsoft Office.
Что же такое электронная таблица?
Это средство информационных технологий, позволяющее решать целый комплекс
задач.
1. Прежде всего, выполнение
вычислений. Издавна многие расчеты выполняются в табличной форме, особенно в
области делопроизводства: многочисленные расчетные ведомости, табуляграммы,
сметы расходов и т.п. Кроме того, решение численными методами целого ряда
математических задач удобно выполнять в табличной форме. Электронные таблицы
представляют собой удобный инструмент для автоматизации таких вычислений.
Решения многих вычислительных задач на ЭВМ, которые раньше можно было
осуществить только путем программирования, стало возможно реализовать на
электронных таблицах.
2. Математическое
моделирование. Использование математических формул в ЭТ позволяет представить
взаимосвязь между различными параметрами некоторой реальной системы. Основное
свойство ЭТ — мгновенный пересчет формул при изменении значений входящих в них
операндов. Благодаря этому свойству, таблица представляет собой удобный
инструмент для организации численного эксперимента: подбор параметров, прогноз
поведения моделируемой системы, анализ зависимостей, планирование.
Дополнительные удобства для моделирования дает возможность графического
представления данных.
3. Использование электронной
таблицы в качестве базы данных. Конечно, по сравнению с СУБД электронные
таблицы имеют меньшие возможности в этой области. Однако некоторые операции
манипулирования данными, свойственные реляционным СУБД, в них реализованы. Это
поиск информации по заданным условиям и сортировка информации.
На уроках ученикам предстоит
освоить конкретный табличный процессор. Как и в предыдущих темах курса,
рассматривающих информационные технологии, рекомендуется придерживаться
методической схемы виртуального исполнителя, элементами которой является изучение
среды, режимов работы, системы команд, данных.
Среда табличного
процессора. При работе с
табличным процессором на экран выводится рабочее поле таблицы и панель диалога.
Электронная таблица представляется в виде матрицы, состоящей из строк и столбцов.
Строки нумеруются сверху вниз, начиная от 1. Столбцы именуются латинскими
буквами (одно- и двухбуквенными именами) в алфавитном порядке в направлении
слева направо. Число строк и столбцов зависит от конкретного типа ТП.
На пересечении строк и
столбцов образуются ячейки (клетки), каждая из которых имеет свое обозначение
(имя, адрес), состоящее из имени столбца и номера строки: А1, С5, АВ356 и т.п.
На экране дисплея видна не вся электронная таблица (документ), а только ее
часть (рис. 12.4).

Рис. 12.4.
Структура электронной таблицы

Документ в полном объеме
хранится в оперативной памяти, а экран можно считать «окном», через которое
пользователь имеет возможность просматривать его. Кроме основного раздела
памяти, где хранится электронная таблица, используются еще дополнительные
разделы:
• буфер для хранения
копируемых фрагментов таблицы;
• раздел памяти для
размещения справочной информации. Важным элементом электронной таблицы является
табличный курсор — прямоугольник, выделенный цветом или рамкой. Ячейка
таблицы, которую в данный момент занимает курсор, называется текущей ячейкой.
При перемещении курсора по таблице происходит перемещение «окна» по
документу, в результате чего становятся видны различные его части. Часть таблицы,
заполненная информацией, называется активной таблицей.
У разных табличных
процессоров может различаться расположение на экране рабочего поля и панели
диалога. На рис. 12.5 отображена среда табличного процессора SuperCalc, работающего в операционной системе MS-DOS.

Рис. 12.5.
Среда табличного процессора SuperCalc
На панели диалога меню команд
постоянно не отражается и вызывается нажатием клавиши «\» — слеш. Для табличных
процессоров, работающих в ОС Windows
(в том числе Excel), свойственно наличие панели
инструментов, линеек прокрутки. На рис. 12.6 показана характерная структура
среды для таких ТП.

Рис. 12.6.
Среда табличного процессора Excel

Строка ввода предназначена для отражения вводимых в
текущую ячейку данных. В этой строке можно просмотреть и отредактировать
хранимую в ячейке формулу; в самой ячейке пользователь видит результат
вычисления по формуле.
Главное меню содержит основные команды управления
электронной таблицей; представляет собой иерархическую систему команд. Команды,
вызывающие открытие подменю, можно назвать режимами. Исполняемые команды
инициируют определенные действия над электронной таблицей.
Строка подсказки используется для вывода сообщений,
подсказывающих пользователю возможные действия при данном состоянии таблицы.
Вспомогательная область
управления включает в
себя панель инструментов, линейки прокрутки, строку состояния.
Основные режимы работы. Режим готовности. В этом режиме происходит выбор текущей
ячейки или выделение блока ячеек.
Режим ввода данных. Происходит посимвольный ввод данных с
клавиатуры в текущую ячейку.
Режим редактирования. Используется при необходимости отредактировать
содержимое ячейки без полной его замены.
Командный режим. Режим выбора и исполнения команд из
иерархической системы меню. После выполнения команды происходит возврат к
режиму готовности.
Кроме перечисленных основных
режимов работы ТП, можно говорить о режимах отображения таблицы и режимах
управления вычислениями.
Режимы отображения
таблицы. В ячейках,
хранящих формулы, могут отображаться результаты вычисления по формулам или сами
формулы. Первый режим называется режимом отображения значений, второй — режимом
отображения формул. Рабочим состоянием таблицы является режим отображения
значений. Режим отображения формул может использоваться при формировании и
отладке таблицы.
Режим управления
вычислениями. Табличный
процессор производит вычисления по формулам, сканируя таблицу в определенном
порядке. Такое сканирование всегда начинается с клетки А1. Порядок вычислений
может быть установлен по строкам или по столбцам. Некоторые ТП
позволяют устанавливать этот порядок по желанию пользователя.
При каждом вводе новых данных
в ячейку вся таблица автоматически пересчитывается заново (режим автоматического
пересчета). В некоторых ТП существует возможность установки режима
ручного пересчета, т.е. таблица заново пересчитывается только после подачи
специальной команды.
Система команд. Команды ТП организованы в иерархическую
систему, верхним уровнем которой является главное меню. Кроме того, выполнение
команд может инициироваться через панель инструментов, контекстное меню,
«горячие клавиши».
Команды редактирования
таблицы позволяют
манипулировать с фрагментами таблицы: удалять, копировать, перемещать,
вставлять. Вставки и удаления столбцов или строк приводят к сдвигу других строк
или столбцов таблицы. При этом действующая в таблице относительная адресация
автоматически модифицирует формулы в соответствии с их изменившимися адресами.
Прием копирования позволяет быстро строить большие таблицы, содержащие однотипные
элементы.
Команды форматирования позволяют изменять внешний вид таблицы, ее
оформление. К элементам формата относятся:
• направления выравнивания
данных относительно границ ячейки;
• высота строки и ширина
столбца;
• тип, начертание и размер
шрифта;
• формат представления чисел
(обычный, экспоненциальный, разрядность);
• вид разлиновки таблицы;
• цвет фона и пр.
В электронной таблице
действует некоторый набор стандартных параметров формата «по умолчанию».
Командами форматирования его можно изменять как по отношению ко всей таблице,
так и в отдельных ее фрагментах.
Команды работы с файлами включают в себя стандартный набор команд,
позволяющих открывать и сохранять файлы, организовывать вывод на печать
полученного документа.
Команды работы с таблицей
как с базой данных. Способность
ТП искать и выбирать данные из таблицы позволяет использовать электронную
таблицу в качестве несложной базы данных. При работе с базами данных имеют дело
с записями и полями. В электронных таблицах базой данных является сама
таблица, записями — строки таблицы, полями — клетки таблицы. В ТП реализованы
команды поиска и сортировки.
Чтобы организовать поиск и
извлечение данных, необходимо задать:
• входной блок, т.е.
диапазон ячеек, в котором хранятся данные (записи и поля); важное требование:
все строки в этом блоке должны быть однородны;
• блок критериев, т.е.
диапазон клеток, содержащий условие, в соответствии с которым осуществляется
поиск и выборка данных из входного блока;
• выходной блок, т.е.
диапазон клеток, в который будут извлечены данные из входного блока в
соответствии с условием, содержащимся в блоке критериев. Задание этих блоков
осуществляется специальными командами.
Сортировка строк таблицы производится по значениям
определенного столбца. В команде указывается порядок сортировки: по возрастанию
или убыванию значений (в том же смысле, что и в БД).
Команды графической
обработки данных дают
возможность отображать числовую информацию в графическом виде, чаще всего — в
виде диаграмм. Команды графического режима можно разбить на две группы:
• команды описания диаграмм
(задают данные, которые будут выведены в графическом виде, задают тип диаграмм
и т.д.);
• команды вывода диаграмм.
Данные в ячейках таблицы. Данные для табличных процессоров — это информация, содержащаяся в
ячейках таблицы, представленная в определенной символьной форме.
Здесь мы снова встречаемся с
такими свойствами данных, как ,jHn и структура, знакомыми из темы о базах
данных. Кроме того, тоявляются новые темы в разговоре о данных. Это понятия
константы и переменной, понятие арифметического и логического выражения,
понятие адресации.
Содержимым ячейки электронной
таблицы может быть фор-лула или текст. Частным случаем формулы является
числовая константа или переменная, более общим — арифметическое или тогическое
выражение.
Типы данных. Текстовый процессор должен «знать», какого
типа данное хранится в конкретной ячейке таблицы, для того чтобы правильно
интерпретировать ее содержимое. Так, например, признаком текстовых данных
является символ « (двойные кавычки). Тип данных определяется множеством
значений, принимаемых величиной и совокупностью операций, применимых к величинам
этого типа. Отсюда, например, следует, что нельзя применять арифметические
операции к ячейкам таблицы, в которых хранится текстовая информация. Основной
набор типов данных в электронных таблицах практически тот же, что и в базах
данных: числовой, символьный, логический. В некоторых ТП (Excel) существует тип «дата». Структуры
данных. Минимальным структурным элементом данных, представленных в
электронной таблице, является ячейка.
Основная работа производится
с ячейками: их заполняют, редактируют, очищают.
Ячейки объединяются в
структуры данных — столбцы и строки. Табличные процессоры позволяют оперировать
со строками или столбцами как единым целым. Например, можно удалять или
вставлять строки (столбцы), менять их местами.
Базовым структурным понятием
в электронных таблицах является понятие диапазона ячеек (блока). Оно
используется во многих командах табличных процессоров и в некоторых функциях.
Диапазон — это множество ячеек, образующих в таблице область прямоугольной
формы (матрицу). Минимальный диапазон — это ячейка, строка и столбец, которые
также являются блоком, максимальный диапазон — вся таблица. Некоторые табличные
процессоры позволяют задавать имя для диапазона клеток, что дает возможность
работать с блоком как единым целым.
Числовые константы разделяются на целые и вещественные. Вещественные
константы можно записывать двумя способами: в форме с фиксированной точкой и в
экспоненциальной форме (в форме с плавающей точкой).
Запись числовой константы с
фиксированной точкой предполагает, что число содержит целую и дробную часть,
разделенные десятичной точкой. Например, числовая константа —3,1415
записывается как —3.1415 (в ТП Excel
может употребляться запятая).
При записи числовой константы в экспоненциальной форме сначала записывается
мантисса, затем — латинская буква Е (прописная или строчная), после нее —
порядок. Мантисса может быть записана как целая константа или константа с
фиксированной точкой, а порядок — только как целая двузначная константа.
Числовая константа в экспоненциальной форме трактуется, как мантисса,
умноженная на 10 в степени, равной порядку. Например, числа 0,0001 и 1 000 000
могут быть записаны следующим образом: IE —4 или 0.le —3 и 1е6 или
1Е+6.
Переменные. Каждую ячейку таблицы будем
интерпретировать как ячейку памяти текстового процессора. Каждая ячейка имеет
свое имя, состоящее из имени столбца и номера строки. В каждой ячейке может
храниться информация того или иного вида. Здесь прослеживается прямая аналогия
с понятием переменной в языках программирования. Переменная — это поименованное
место в памяти (ячейка), куда можно записать значение. Переменная принимает различные
значения определенного типа. Каждая переменная обозначается символическим
именем (идентификатором). Ячейку таблицы можно рассматривать как переменную.
Следовательно, Al, C5, G10 и пр. — имена переменных.
Выражения (формулы). В электронных таблицах
используются два вида выражений: арифметические и логические. Выражение,
определяющее способ вычисления некоторого числового значения по математической
формуле, называется арифметическим выражением. Существуют определенные
правила записи арифметических выражений. Эти правила аналогичны тем, что
используются в языках программирования.
Выражения составляются из
констант, переменных, знаков операций, функций, круглых скобок. Примеры
выражений: 2.5*(G5+G2) SQRT(B4Ù2-4*B3*B5) SUM(C10:C20) Здесь символ «*» — знак умножения; «Ù» — возведение в степень. В ТП SuperCalc SQRT — функция вычисления квадратного корня; SUM — функция суммирования. В русифицированных версиях Excel функция квадратного корня — КОРЕНЬ, функция суммирования — СУММ.
Порядок вычисления выражений происходит в соответствии с приоритетами выполнения
арифметических операций, с расстановкой скобок. Приобретение учениками навыков
записи формул требует практических упражнений. Задачи такого рода имеются в
пособии [3].
Логические выражения (логические формулы) строятся с помощью операций
отношения (<, >, =, <=, >=, <>) и логических операций
(логическое «И», логическое «ИЛИ», логическое отрицание «НЕ»). Результатом
вычисления логического выражения являются логические величины «истина» или
«ложь». Об особенностях использования логических выражений в электронных
таблицах рассказано в подразделе 8.4 настоящего пособия.
Адресация. Следует обратить
внимание учеников на определенную родственность структуры электронной таблицы и
оперативной памяти ЭВМ. В обоих случаях используется принцип адресации для
хранения и поиска информации. Разница состоит в том, что в ОЗУ наименьшей
адресуемой единицей является байт, а в таблице — клетка (ячейка).
Символические имена
переменных являются в то же время их адресами в таблице. В таблице может быть
установлен режим относительной адресации или режим абсолютной адресации. В
режиме относительной адресации всякие изменения в местоположении формулы путем
копирования блока, переноса блока, вставки или удаления строк или столбцов
приводят к автоматическому изменению адресов переменных в формулах, находящихся
в смещенных ячейках. Иначе говоря, формулы модифицируются в соответствии со
своим новым положением.
При отмене режима
относительной адресации устанавливается режим абсолютной адресации. В этом
случае при смещении клеток модификации формул не происходит.
Обычно режим относительной
адресации работает в таблице по умолчанию. Абсолютная адресация применяется к
отдельным ссылкам на ячейки в формулах. Для этого используется символ
«замораживания» адреса — «$». С помощью этого символа можно  «заморозить» как
весь адрес, например $В$2, так и отдельные его части, например $В2, В$2.

Рекомендации по организации практической работы

Главная задача для учащихся
на минимальном уровне изучения данной темы: научиться основным методам
организации расчетов с помощью электронных таблиц. Для этого они должны освоить
следующие практические приемы работы в среде электронной таблицы:
• осуществлять перемещение
табличного курсора; устанавливать курсор в нужную ячейку;
• вводить данные: числа,
тексты, формулы;
• редактировать данные в
ячейках;
• копировать информацию в
ячейках;
• вставлять и удалять строки
и столбцы.
Теоретические вопросы,
которые на первом этапе вызывают наибольшие затруднения — это правила записи
формул и понимание принципа относительной адресации. Их отработку следует
проводить на задачах и упражнениях. Основные правила записи формул сводятся
к следующему:
• все символы в формуле
записываются в одну строчку;
• проставляются все знаки
операций (в отличие от алгебры, где знак умножения часто пропускается);
• используются круглые скобки
для влияния на последовательность выполнения операций;
• учитываются приоритеты
операций, расположенные в таком порядке: Л — возведение в степень;
*, / — умножение и деление; +, — — сложение и вычитание;
• приоритет стандартных
функций выше арифметических операций; аргумент записывается в круглых скобках
после имени функции;
• последовательно записанные
операции одинакового старшинства выполняются в порядке записи, т. е. слева
направо (возведение в степень — справа налево).
Все эти правила совпадают с
правилами записи выражений в языках программирования. Поэтому при более позднем
изучении программирования этот вопрос ученикам будет уже знаком.
Для упражнений на данную тему
следует давать задачи как прямые (дано математическое выражение, записать
формулу для электронной таблицы), так и обратные (дана формула, записать
математическое выражение).
Например, дано математическое
выражение:

Нужно записать формулу для
электронной таблицы. Во-первых, переменным величинам в этой формуле нужно
поставить в соответствие адреса ячеек. Например так: х — А1, у —
В1. Теперь записать формулу:

Для обоснования правильности
формулы следует пронумеровать операции в порядке их выполнения так, как это
сделано в примере.
Пример обратной задачи. Дана
формула для электронной таблицы:

Нужно записать
соответствующее математическое выражение. От адресов ячеек перейдем к
математическим переменным: С5 — х, В5 — у, А5 — z, B2 — k. Следующим шагом нужно, как это делали раньше, указать последовательность
вычислений:

Теперь становится ясно, что
эта формула соответствует следующему математическому выражению:

Теперь о принципе
относительной адресации. Как уже отмечалось, это один из базовых принципов
функционирования электронной таблицы. Адреса ячеек, используемых в формулах,
определяются относительно места расположения формулы. Смысл этого принципа
следует пояснить на примерах. В данной ниже таблице формулу в ячейке С1
табличный процессор воспринимает так: сложить значение из ячейки, расположенной
на две клетки левее, со значением из ячейки, расположенной на одну клетку левее
данной формулы.

А

В

С

1

5

3

А1 + В1

При переносе этой формулы в
любую другую ячейку любым способом (копированием, вследствие вставки или
удаления фрагментов) сохранится сформулированный выше смысл формулы. Вследствие
этого изменятся ссылки на ячейки. Например, при копировании формулы из ячейки
С1 в ячейку С2 формула примет вид: А2 + В2. При копировании в ячейку F6 примет вид: F4 + F5.
Для закрепления понимания
принципа относительной адресации следует выполнить несколько заданий. Условия
предлагаемых
задач должны быть следующего
типа: дан фрагмент электронной таблицы (например такой, как приведен выше).
Какие формулы занесутся в ячейки блока D1:F1, если в них скопировать формулу из ячейки
С2? Результат выполнения этого задания в режиме отображения формул и в режиме
отображения значений будет следующим (табл. 12.5):
 Таблица 12.5

Здесь заливкой отмечены
ячейки, в которые произведено копирование.
Наиболее эффективной будет
такая постановка задания: сначала решить задачу теоретически, а затем проверить
полученное решение на компьютере. В этом случае происходит как закрепление
понимания теоретического вопроса, так и отработка навыков копирования данных в
электронной таблице.
При знакомстве с приемом
«замораживания» адресов ячеек в формулах полезно выполнить аналогичные
упражнения. Например, в той же таблице в ячейке С1 записана формула: А$1+$В$1.
Какой вид примет формула, если ее скопировать в блок Dl :F1 и в блок С2: F2? Результаты решения этой задачи будут следующими (табл. 12.6):

Таблица 12.6

Основные типы расчетных
задач, которые учащиеся
должны научиться решать на электронных таблицах:
1) получение несложных
расчетных ведомостей;
2) статистическая обработка
числовых таблиц;
3) построение диаграмм по
табличным данным;
4) сортировка таблицы по
значениям параметра (столбца);
5) табулирование функций.
Рассмотрим основные
методические проблемы, возникающие при решении задач первого типа на примере
следующего задания: построить таблицу расчета ежемесячной оплаты за расход
электроэнергии по данным показаниям счетчика и стоимости 1 кВт-ч.
Начать решение задачи следует
с проектирования таблицы. Это наиболее сложный этап для учеников. Во-первых,
необходимо пояснить алгоритм подсчета оплаты за электричество (не всем ученикам
это очевидно). Показания счетчика снимаются в конце каждого месяца. Расход
электроэнергии за месяц определяется как разность между показаниями счетчика в
данном месяце и в предыдущем. Затем оплата подсчитывается как произведение
расхода на цену 1 кВт-ч. Для расчета платы за январь необходимо знать показания
счетчика в декабре прошлого года. Из всего сказанного нужно сделать вывод:
какие величины являются исходными данными, какие — вычисляемыми по формулам. Исходные
данные — показания счетчика каждый месяц и стоимость 1 кВт-ч, а вычисляемые —
ежемесячный расход электроэнергии и сумма оплаты.
Теперь можно переходить к
построению таблицы. Следует сразу же сформулировать ученикам некоторые правила
оформления таблицы. Во-первых, у таблицы обязательно должен быть заголовок.
Строки и столбцы таблицы должны быть поименованы. Постепенно учитель должен
познакомить учеников с основными средствами форматирования таблицы для
получения оформленного документа. Начальная часть таблицы будет выглядеть так
(предполагается, что цена 1кВт-ч равна 20 коп., а плата подсчитывается в руб.,
табл. 12.7):

Таблица 12.7

Во время работы с табличным
процессором обязательно нужно использовать прием копирования формул. Формулы
в ячейках С4, D4 являются исходными. Все формулы,
расположенные ниже, получены путем копирования. Из этого примера ученикам
станет ясен практический смысл принципа относительной адресации: он позволяет быстро
создавать большие таблицы без переписывания формул.
Разбор этой задачи приводит к
идее использования абсолютного (замороженного) адреса. Удобно цену 1 кВт-ч
хранить в отдельной ячейке (например, в В16), а в ячейке D4 записать формулу С4*$В$16. При копировании формулы
абсолютный адрес меняться не будет. Теперь, если произойдет изменение цены 1
кВт-ч, то будет достаточно внести изменения лишь в одну ячейку В16.
Очень часто в числовых
таблицах подсчитываются различные итоговые данные: суммы, средние значения,
наибольшие и наименьшие значения. Получение таких данных называется статистической
обработкой таблицы. Во всех табличных процессорах имеются для этого
соответствующие функции. В задачах того же типа, что рассмотрена выше, следует
добавить задание на подобную статистическую обработку данных. Например, к
таблице оплаты электроэнергии добавить вычисление общей суммы денег,
выплаченных за год, среднемесячного расхода электроэнергии, наибольшей и
наименьшей месячной платы.
Представление табличных
данных в графической форме часто используется на практике. Графическая
обработка придает наглядность, обозримость результатам расчетов. Табличные
процессоры предоставляют пользователю на выбор множество типов диаграмм
(гистограмм, графиков). Такие графические средства принято называть деловой
графикой.
Для построения диаграммы
пользователь должен указать ее тип и сообщить табличному процессору, из каких
блоков таблицы нужно выбирать всю необходимую информацию. Достаточно подробно
основные типы диаграмм описаны в [3], даны рекомендации по их применению.
Большие возможности придает
использование в электронной таблице условной и логических функций. Таблица
без использования условной функции реализует в себе линейный вычислительный
алгоритм. Использование условной функции вносит в таблицу структуру ветвления.
Потребность в ветвлении появляется при усложнении условия задачи. Например,
если бы правило оплаты за электроэнергию звучало так: за первые 100 кВт-ч нужно
платить по 20 коп.; за каждый 1 кВт-ч, израсходованный выше этого, нужно
платить по 30 коп. Тогда расчетная формула в ячейке D4 выглядела бы так:

IF(C4<=100,
С4*0.2, 20+(С4 - 100)*0.3)

Возможность сортировки
данных в таблице существует у табличных процессоров благодаря наличию
режима базы данных. Обычно сортировка организуется в выделенном блоке таблицы.
Как и в базах данных, указывается столбец, по которому производится сортировка
и порядок сортировки: по возрастанию или по убыванию значений в столбце.
Например, в рассмотренной таблице можно отсортировать строки, начиная с
четвертой, по убыванию размера оплаты. Тогда вначале расположится самый
«дорогой» месяц, далее — по убыванию.
Табулирование функции — одна из часто решаемых прикладных задач
математики. Табулирование означает построение таблицы значений функции для
значений аргумента, изменяющихся в определенном интервале с данным шагом.
Табулирование позволяет исследовать функцию: проследить характер изменения,
выделить области корней, определить экстремальные значения. Применяя прием
копирования, в электронной таблице можно быстро построить таблицу значений
функции большого размера. Для этого достаточно ввести две начальные строки
таблицы и затем скопировать их вниз на нужное число строк. Например, таблица
функции

вычисленной с шагом 0,2 начиная от
значения х = 0, строится следующим образом (табл. 12.8):
Таблица 12.8

Если нужно изменить начальное
значение X в таблице, то достаточно исправить ячейку A3, а для
изменения шага нужно изменить содержимое ячейки В1. Формулы записываются по правилам,
принятым в используемом табличном процессоре.
Применение электронных таблиц
для решения задач математического моделирования описывается в подразделе 1.0.4.

12.6. Требования к знаниям и умениям
учащихся по линии информационных
технологий

Учащиеся должны знать:
• способы представления
символьной информации в памяти ЭВМ (таблицы кодировки, текстовые файлы);
• назначение текстовых
редакторов (текстовых процессоров);
• основные режимы работы
текстовых редакторов (ввод, редактирование, печать, орфографический контроль,
поиск и замена, работа с файлами);
• способы представления
изображений в памяти ЭВМ; понятия о пикселе, растре, кодировке цвета,
видеопамяти;
• какие существуют области
применения компьютерной графики;
• назначение графических
редакторов;
• назначение основных
компонентов среды графического редактора: рабочего поля, меню инструментов,
графических примитивов, палитры, ножниц, ластика и пр.;
• что такое компьютерная
сеть; в чем различие между локальными и глобальными сетями;
• назначение основных
технических и программных средств функционирования сетей: каналов связи,
модемов, серверов, клиентов, протоколов;
• назначение основных видов
услуг глобальных сетей: электронной почты, телеконференций, распределенных баз
данных и др.;
• что такое Internet; какие возможности предоставляет
пользователю «Всемирная паутина» — WWW;
• что такое база данных,
СУБД, информационная система;
• что такое реляционная база
данных, ее элементы (записи, поля, ключи); типы и форматы полей;
• структуру команд поиска и
сортировки информации в базах данных;
• что такое электронная
таблица и табличный процессор;
• основные информационные
единицы электронной таблицы: ячейки, строки, столбцы, блоки и способы их
идентификации;
• какие типы данных заносятся
в электронную таблицу; как табличный процессор работает с формулами;
• основные функции
(математические, статистические), используемые при записи формул в ЭТ;
• графические возможности
табличного процессора;
• *в чем различие между
растровым и векторным способами представления изображения в компьютере;
• *что такое мультимедиа;
• *что такое численный
эксперимент и как его организовать на электронных таблицах;
366
• *в чем состоит задача
проектирования базы данных; что такое нормализация данных;
• Назначение основных средств
Internet: веб-сервер, веб-страница, гиперссылки,
программа-броузер, поисковая программа.

Учащиеся должны уметь:
• набирать и редактировать
текст в одном из текстовых редакторов;
• выполнять основные операции
над текстом, допускаемые этим редактором;
• сохранять текст на диске,
загружать его с диска, выводить на печать;
• строить несложные
изображения с помощью одного из графических редакторов;
• сохранять рисунки на диске
и загружать с диска; выводить на печать;
• осуществлять обмен
информацией с файл-сервером локальной сети;
• открывать готовую БД в
одной из СУБД реляционного типа;
• организовывать поиск
информации в БД;
• редактировать содержимое
полей БД;
• сортировать записи в БД по
ключу;
• добавлять и удалять записи
в БД;
• открывать готовую электронную
таблицу в одном из табличных процессоров;
• редактировать содержимое
ячеек; осуществлять расчеты по готовой электронной таблице;
• выполнять основные операции
манипулирования с фрагментами ЭТ: копирование, удаление, вставка, сортировка;
• получать диаграммы с
помощью графических средств табличного процессора;
• создавать электронную
таблицу для несложных расчетов.
• *создавать на компьютере
документы, совмещающие объекты разного типа: тексты, таблицы, рисунки и др. (на
примерах школьного учебного материала);
• *работать с мультимедийными
обучающими программами;
• производить на электронных
таблицах несложные расчеты учебно-исследовательского характера (на примерах
школьного учебного материала);
• *проектировать реляционную
базу данных для простых информационных систем (на примерах школьного учебного
материала или организационной информации из деятельности школы);
• *осуществлять просмотр и
поиск информации в Internet с помощью броузеров и поисковых программ (на примерах
материала учебного и развивающего характера).

Вопросы для самоконтроля и обсуждения к главе 12

1. Как со временем менялось
место содержательной линии «Информационные технологии» в школьной информатике?
2. Какие возможны
методические подходы к преподаванию информационных технологий в базовом курсе?
3. Чем в принципе должно
отличаться преподавание информационных технологий в базовом курсе и их изучение
в рамках образовательной области «Технологии»?
4. Опишите общую методическую
схему, предлагаемую в данном пособии, для изучения информационных технологий.
Что входит в понятие «теоретические основы»?
5. Какие средства относятся к
области информационных технологий работы с текстом?
6. Какой смысл имеет
применение методики виртуального исполнителя к изучению средств информационных
технологий?
7. В чем разница между
понятиями «текстовый редактор» и «текстовый процессор»? Какие программные
продукты можно отнести к этим категориям?
8. Что подразумевается под
основным стандартом редактирования? Когда с его элементами следует начинать
знакомить учеников?
9. Какие базовые
технологические навыки получают ученики при освоении текстового редактора?
10. Как можно мотивировать
интерес учеников к изучению компьютерной графики?
11. Какие вопросы, изучаемые
в базовом курсе информатики относятся к теоретическим основам компьютерной
графики?
12. Как можно
классифицировать графические редакторы?
13. Что нового об архитектуре
ЭВМ узнают ученики, знакомясь с компьютерной графикой в базовом курсе?
14. Какие практические навыки
должны получить ученики в графическом разделе базового курса?
15. Обоснуйте необходимость
изучения сетевых информационных технологий в базовом курсе информатики.
16. Обоснуйте преимущество
использования локальной сети в учебном процессе по сравнению с разрозненным
набором машин.
17. Какие знания об
устройстве и работе локальной сети должны получить ученики?
18. Какие аналогии можно
использовать при объяснении устройства и работы глобальной сети?
19. Перечислите основные
понятия в порядке их раскрытия, сообщаемые ученикам в теме о глобальных сетях.
20. В чем преимущество
электронной почты перед бумажной?
21. Как объяснить ученикам
суть технологии «сервер-клиент»?
22. Как объяснить ученикам
понятие «сетевые протоколы»?
23. Что должны узнать ученики
из базового курса про Интернет?
24. Какие практические задачи
можно предлагать ученикам для работы в Интернете?
25. Как вы думаете, к каким
последствиям в воспитании и развитии детей приведет их внедрение в мир
компьютерных телекоммуникаций?
26. На каких примерах можно
объяснить ученикам области применения баз данных?
27. В чем разница между
понятиями «база данных» и «информационная система»?
28. С какими элементами
теории баз данных знакомятся ученики в азовом курсе информатики?
29. Какие обучающие цели
можно ставить при изучении баз данных в эазовом курсе информатики?
30. Как подойти к объяснению
понятия «тип поля»?
31. Какими общими
возможностями обладают все СУБД реляционно-i типа?
32. Какие практические навыки
работы с базами данных должны получить ученики?
33. Назовите основные идеи,
положенные в основу электронных таблиц.
34. Какие возможности
предоставляют пользователю современные (табличные процессоры?
35. Какие общие элементы
существуют между электронными табли-|цами и языками программирования?
36. Как объяснить ученикам
смысл принципа относительной адреса-[ции? Предложите примеры.
37. Какие типы задач для
электронных таблиц можно предлагать уче-| никам в базовом курсе?
38. Где еще, кроме уроков
информатики, ученики могут использовать | в школе электронные таблицы?

12.7. Лабораторный практикум

Тема «Информационные технологии»

Основные вопросы:
1. Цели и задачи изучения
данной темы в базовом курсе информатики.
2. Обязательный и вариативный
уровень организации, а также усвоения учащимися учебного материала в
образовательном процессе.
3. Роль рассматриваемой темы
в решении общеобразовательных задач базового курса информатики, связанных с
формированием информационной культуры учащихся.
4. Роль рассматриваемой
содержательной линии в решении задач развития общеинтеллектуальных и
общеучебных умений и навыков.
5. Дидактическая
целесообразность использования программных средств базовых информационных
технологий в образовательном процессе.
6. Дидактические возможности
информационных технологий в решении задач личностно-ориентированного обучения.
8. Система задач для учащихся
по освоению информационных технологий.

Занятие 1
Тема «Технология обработки текстовой
информации» ;
Задачи занятия:
1. Провести анализ
дидактических целей и задач изучения технологии обработки текстовой информации
в базовом курсе информатики.
2. Определить дидактические
возможности и условия формирования у учащихся общеинтеллектуальных и
общеучебных умений и навыков в процессе изучения технологии обработки текстовой
информации.
3. Изучить роль
рассматриваемой темы в решении общеобразовательных задач, связанных с
формированием информационной культуры учащихся.
4. Проанализировать
дидактические возможности учебного материала по технологии обработки текстовой
информации для организации интегрированных уроков информатики и других учебных
предметов.
5. Определить базовых знания
и умения, связанные с технологией обработки текстовой информации, этапы и
методы их формирования.
6. Составить тематическое и
поурочное планирование учебного материала.
7. Систематизировать задачи,
используемые в процессе изучения технологии обработки текстовой информации, и
рассмотреть способы их решения.
Способ организации
занятия: практикум,
лабораторная работа.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[3, 4, 5, 7, 10, 11, 12, 14, 16, 20, 21, 22], программные средства [1, 6].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Составить
терминологический словарь по базовым понятиям темы, разработать
логико-структурную модель учебного материала.
2. Провести содержательный
анализ темы «Технология обработки текстовой информации» в учебных пособиях по
базовому курсу информатики.
3. Проанализировать две-три
частнопредметные (авторские) методики обучения базовому курсу информатики в
рамках рассматриваемой темы. Представить результаты анализа в табл. 7.2 и
подготовить на их основе краткое сообщение.
4. Изучить программные
средства технологии обработки текстовой информации, используемые в процессе
обучения базовому курсу информатики.
5. Рассмотреть типовые
задачи, связанные с обработкой текстовой информации, и способы их решения.
План занятия
1. Анализ дидактических
возможностей учебного материала по теме «Технология обработки текстовой
информации» для решения общеобразовательных задач базового курса информатики.
2. На основе анализа учебных
пособий по базовому курсу информатики заполнение таблицы «Базовые понятия» (см.
табл. 7.1).
3. Сообщения поданным табл.
7.2, обсуждение сообщений.
4. Составление тематического
и поурочного планирования, представление результатов в таблице (см. табл. 7.3).
5. Обсуждение результатов тематического
и поурочного планирования.
6. Подготовка конспекта урока
по одной-двум темам, учитывая направленность урока (урок по ознакомлению с
новым материалом; урок по закреплению изученного; урок проверки знаний, умений
и навыков; урок по систематизации и обобщению изученного материала), или
заполнение таблицы (см. табл. 7.4).
7. Анализ типов задач,
используемых в процессе обучения учащихся способам обработки текстовой
информации, и способов их решения.
8. Решение задач.
8.1. Редактирование символов,
слов, строк, фрагментов текста.
8.2. Удаление, копирование,
вставка фрагментов текста.
8.3. Форматирование текста.
8.4. Внедрение в текст
объектов из других приложений.
8.5. Гипертекст.
9. Разработать комплекс
разнотипных и разноуровневых задач по обработке текстовой информации, в котором
каждая задача содержит: формулировку, тип, описание способов решения, средства
решения, решение.
Формы и способы
организации учебной деятельности студентов: обсуждение вопросов плана, работа в группах; подведение
итогов — беседа по вопросам, фронтальный и индивидуальный опрос; индивидуальная
работа с текстами.

Занятие 2
Тема «Технология обработки графической
информации»
Задачи занятия'.
1. Провести анализ
дидактических целей и задач изучения технологии обработки графической
информации в базовом курсе информатики.
2. Определить дидактические
возможности и условия формирования у учащихся общеинтеллекту&льных и
общеучебных умений и навыков в процессе изучения технологии обработки
графической информации.
3. Изучить роль рассматриваемой
темы в решении общеобразовательных задач, связанных с формированием
информационной культуры учащихся.
4. Проанализировать
дидактические возможности учебного материала по технологии обработки
графической информации для организации интегрированных уроков информатики и
других учебных предметов (рисование, черчение).
5. Определить базовые знания
и умения, связанные с технологией обработки графической информации, этапы и
методы их формирования.
6. Составить тематическое и
поурочное планирование учебного
материала.
7. Систематизировать задачи,
используемые в процессе изучения технологии обработки графической информации, и
рассмотреть способы их решения.
Способ организации
занятия: практикум,
лабораторная работа.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[3, 4, 5, 10, 11, 12, 16, 20, 21, 22, 23], программные средства [2, 3, 5].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Составить
терминологический словарь по базовым понятиям темы, разработать
логико-структурную модель учебного материала.
2. Провести содержательный
анализ темы «Технология обработки графической информации» в учебных пособиях по
базовому курсу информатики.
3. Проанализировать две-три
частнопредметные (авторские) методики обучения базовому курсу информатики в
рамках рассматриваемой темы. Представить результаты анализа в табл. 7.2 и
подготовить на их основе краткое сообщение.
4. Изучить программные
средства технологии обработки графической информации, используемые в процессе
обучения базовому курсу информатики.
5. Рассмотреть типовые
задачи, связанные с обработкой графической информации, и способы их решения.

План занятия
1. Анализ дидактических
возможностей учебного материала по теме «Технология обработки графической
информации» для решения общеобразовательных задач базового курса информатики.
2. На основе анализа учебных
пособий по базовому курсу информатики заполнение таблицы «Базовые понятия» (см.
табл. 7.1).
3. Сообщения по данным табл.
7.2, обсуждение сообщений.
4. Составление тематического
и поурочного планирования, представление результатов в таблице (см. табл. 7.3).
5. Обсуждение результатов
тематического и поурочного планирования.
6. Подготовка конспекта урока
по одной-двум темам, учитывая направленность урока (урок по ознакомлению с
новым материалом; урок по закреплению изученного; урок проверки знаний, умений
и навыков; урок по систематизации и обобщению изученного материала), или
заполнение таблицы (см. табл. 7.4).
7. Анализ типов задач,
используемых в процессе обучения учащихся способам обработки графической информации,
и способов их решения.
8. Решение задач.
8.1. Создание изображений с
использованием графических примитивов.
8.2. Способы хранения
графической информации в файлах различных форматов.
8.3. Интерфейс и основные
возможности графического редактора.
8.4. Операции над
графическими объектами.
9. Разработать комплекс
разнотипных и разноуровневых задач по обработке графической информации, в
котором каждая задача содержит: формулировку, тип, описание способов решения,
средства решения, решение.
Формы и способы
организации учебной деятельности студентов: обсуждение вопросов плана, работа в группах; подведение
итогов — беседа по вопросам, фронтальный и индивидуальный опрос; индивидуальная
работа с графическим редактором.

Занятие 3
Тема «Технология обработки числовой информации»

Задачи занятия:
1. Провести анализ
дидактических целей и задач изучения технологии обработки числовой информации с
помощью ЭТ в базовом курсе информатики.
2. Определить дидактические
возможности и условия формирования у учащихся общеинтеллектуальных и
общеучебных умений и навыков в процессе изучения технологии обработки числовой
информации с помощью ЭТ.
3. Изучить роль
рассматриваемой темы в решении общеобразовательных задач, связанных с
формированием информационной культуры учащихся.
4. Проанализировать
дидактические возможности учебного материала для организации интегрированных
уроков информатики с другими учебными предметами.
5. Определить сущность и роль
базовых понятий темы, этапы и методы их формирования.
6. Составить тематическое и поурочное
планирование.
7. Систематизировать задачи,
используемые в процессе изучения технологии обработки числовой информации с
помощью ЭТ, и рассмотреть способы их решения.
Способ организации
занятия: практикум,
лабораторная работа.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[3, 4, 5, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 16, 19, 20, 21, 22, 23], программные средства
[4, 6].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Составить
терминологический словарь по базовым понятиям темы, разработать логико-структурную
модель учебного материала.
2. Провести содержательный
анализ темы «Технология обработки числовой информации с помощью ЭТ» в учебниках
и учебных пособиях.
3. Проанализировать две-три
частнопредметные (авторские) методики обучения базовому курсу информатики в
рамках рассматриваемого раздела. Представить результаты анализа в табл. 7.2 и
подготовить на их основе краткое сообщение.
4. Изучить программные
средства технологии обработки числовой информации с помощью ЭТ, используемые в
образовательном процессе.
5. Рассмотреть задачи и
способы их решения.
План занятия
1. Анализ дидактических
возможностей учебного материала по теме «Технология обработки числовой
информации с помощью ЭТ» для решения общеобразовательных задач базового курса
информатики.
2. На основе анализа
учебников и учебных пособий заполнение таблицы «Базовые понятия» (см. табл.
7.1).
3. Сообщения по данным табл.
7.2, обсуждение сообщений.
4. Составление тематического
и поурочного планирования, представление результатов в таблице (см. табл. 7.3).
5. Обсуждение результатов
тематического и поурочного планирования.
6. Подготовка конспекта урока
по одной-двум темам, учитывая направленность урока (урок по ознакомлению с
новым материалом; урок по закреплению изученного; урок проверки знаний, умений и
навыков; урок по систематизации и обобщению изученного материала), или
заполнение таблицы (см. табл. 7.4).
7. Анализ типов задач,
используемых в образовательном процессе, и способов их решения.
8. Решение задач.
8.1. Вычислительные задачи.
8.2. Задачи на представление
и наглядное оформление данных в табличном виде.
8.3. Задачи на представление
и наглядное оформление данных в графическом виде.
8.4. Задачи на автоматизацию
расчетов на основе принципа адресации.
8.5. Разработать комплекс
разнотипных и разноуровневых задач, в котором каждая задача содержит:
формулировку, тип, описание способов решения, средства решения, решение.
Формы и способы
организации учебной деятельности студентов: обсуждение вопросов плана, работа в группах; подведение
итогов — беседа по вопросам, фронтальный и индивидуальный опрос; индивидуальная
работа с таблицами; индивидуальная/парная работа за компьютером.

Занятие 4
Тема «Технология хранения, поиска и сортировки
информации»
Задачи занятия:
1. Провести анализ
дидактических целей и задач изучения тех-рологии хранения, поиска и сортировки
информации в базовом курсе информатики.
I 2. Определить дидактические возможности и условия формирования
у учащихся общеинтеллектуальных и общеучебных умений и навыков в процессе
изучения технологии хранения, поиска и сортировки информации.
3. Изучить роль
рассматриваемой темы в решении общеобразовательных задач, связанных с
формированием информационной ультуры учащихся.
4. Проанализировать
дидактические возможности учебного материала по технологии хранения, поиска и
сортировки информации для организации интегрированных уроков информатики и других
учебных предметов на основе создания и использования информационных баз данных
(история, география, физика и др.).
5. Определить базовые знания
и умения, связанные с технологией хранения, поиска и сортировки информации,
этапы и методы их формирования.
6. Составить тематическое и
поурочное планирование учебного материала.
7. Систематизировать задачи,
используемые в процессе изучения технологии хранения, поиска и сортировки
информации, и рассмотреть способы их решения.
Способ организации
занятия: практикум,
лабораторная работа.
Средства обучения: научно-методическая и учебная литература
[3, 4, 5, 8, 9, 10, 14, 16, 19, 20, 21, 22], программные средства [6, 8].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Составить
терминологический словарь по базовым понятиям темы, разработать
логико-структурную модель учебного материала.
2. Провести содержательный
анализ темы «Технология хранения, поиска и сортировки информации» в учебных
пособиях по базовому курсу информатики.
3. Проанализировать две-три
частнопредметные (авторские) методики обучения базовому курсу информатики в
рамках рассматриваемой темы. Представить результаты анализа в табл. 7.2 и
подготовить на их основе краткое сообщение.
4. Изучить программные
средства технологии хранения, поиска и сортировки информации, используемые в
процессе обучения базовому курсу информатики.
5. Рассмотреть типовые
задачи, связанные с обработкой информации в базах данных, и способы их решения.
План занятия
1. Анализ дидактических
возможностей учебного материала по теме «Технология хранения, поиска и
сортировки информации» для решения общеобразовательных задач базового курса
информатики.
2. На основе анализа учебных
пособий по базовому курсу информатики заполнение таблицы «Базовые понятия» (см.
табл. 7.1).
3. Сообщения по данным табл.
7.2, обсуждение сообщений.
4. Составление тематического
и поурочного планирования, представление результатов в таблице (см. табл. 7.3).
5. Обсуждение результатов
тематического и поурочного планирования.
6. Подготовка конспекта урока
по одной-двум темам, учитывая направленность урока (урок по ознакомлению с
новым материалом; урок по закреплению изученного; урок проверки знаний, умений
и навыков; урок по систематизации и обобщению изученного материала), или
заполнение таблицы (см. табл. 7.4).
7. Анализ типов задач,
используемых в процессе обучения учащихся способам обработки текстовой
информации, и способов их решения.
8. Решение задач.
8.1. Ввод и редактирование
записей.
8.2. Сортировка и поиск
записей в базе данных.
8.3. Операции над записями и
полями в базах данных.
8.4. Изменение структуры базы
данных.
8.5. Организация запросов к
базе данных.
9. Разработать комплекс
разнотипных и разноуровневых задач по обработке информации в базах данных, в
котором каждая задача содержит: формулировку, тип, описание способов решения,
средства решения, решение.
Формы и способы
организации учебной деятельности студентов: обсуждение вопросов плана, работа в группах; подведение
итогов — беседа по вопросам, фронтальный и индивидуальный опрос; индивидуальная
работа с базами данных.

Занятие 5
Тема «Сетевые информационные технологии»
Задачи занятия:
1. Провести анализ
дидактических целей и задач изучения сетевой информационной технологии в
базовом курсе информатики.
2. Определить дидактические
возможности и условия формирования у учащихся общеинтеллектуальных и
общеучебных умений и навыков в процессе изучения сетевых информационных
технологий.
3. Изучить роль
рассматриваемой темы в решении общеобразовательных задач, связанных с
формированием информационной культуры учащихся.
4. Проанализировать
дидактические возможности учебного материала для организации интегрированных
уроков информатики с другими учебными предметами.
5. Определить сущность и роль
базовых понятий темы, этапы и методы их формирования.
6. Составить тематическое и
поурочное планирование.
7. Изучить способы
организации и проведения телекоммуникационных проектов.
8. Изучить перспективы
развития компьютерных телекоммуникаций.
Способ организации
занятия: практикум,
лабораторная работа. Средства обучения: научно-методическая и учебная
литература [5, 8, 9, 13, 18, 19, 20, 22], программные средства [7].
Предварительная подготовка
студента к занятию
1. Составить терминологический
словарь по базовым понятиям темы, разработать логике-структурную модель
учебного материала.
2. Провести содержательный
анализ темы «Сетевые информационные технологии» в учебниках и учебных пособиях.
3. Проанализировать две-три
частнопредметные (авторские) методики обучения базовому курсу информатики в
рамках рассматриваемого раздела. Представить результаты анализа в табл. 7.2 и
подготовить на их основе краткое сообщение.
4. Познакомиться с
техническими и программными средствами сетевой информационной технологии,
используемыми в образовательном процессе.
5. Рассмотреть дидактические
свойства и функции сети Интернет.
План занятия
1. Анализ дидактических
возможностей учебного материала по теме «Сетевые информационные технологии» для
решения общеобразовательных задач базового курса информатики.
2. На основе анализа
учебников и учебных пособий заполнение таблицы «Базовые понятия» (см. табл.
7.1).
3. Анализ дидактических
свойств и функций сети Интернет.
4. Сообщения по данным табл.
7.2, обсуждение сообщений.
5. Составление тематического
и поурочного планирования, представление результатов в таблице (см. табл. 7.3).
6. Обсуждение результатов
тематического и поурочного планирования.
7. Подготовка конспекта урока
по одной-двум темам, учитывая направленность урока (урок по ознакомлению с
новым материалом; урок по закреплению изученного; урок проверки знаний, умений
и навыков; урок по систематизации и обобщению изученного материала), или
заполнение таблицы (см. табл. 7.4).
8. Разработать тематику и
подходы к организации проектной деятельности учащихся в сетях.
Формы и способы
организации учебной деятельности студентов: обсуждение вопросов плана, работа в группах; подведение
итогов — беседа по вопросам, фронтальный и индивидуальный опрос; индивидуальная
работа с таблицами; индивидуальная/парная работа за компьютером.

Программные средства к
лабораторному практикуму:
1. Текстовые редакторы: Lexicon, WordPad, MS Word и др. Настольные издательские системы.
2. Графические редакторы и
программы анимации: CPEN, Paintbrush, Paint, CorelDraw, Dr. Hallo и др.
378
3. Чертежные редакторы:
интерактивная система «Эскиз», система автоматизированного проектирования AutoCad.
4. Средства подготовки
презентаций: PowerArt, PowerPoint, ClipArt
и др.
5. Электронные таблицы и
табличные процессоры: CALC, SuperCalc, MS Excel, Quattro Pro 4.0 и др.
6. Интегрированные системы:
Фреймонтаж, FrameWork, Works, Works 4.0, Microsoft Office.
7. Средства компьютерных телекоммуникаций: Internet, World Wide Web, Internet Explorer, Outlook Express,
Netscape Communicator и др.
8. Системы управления базами
данных: MS Access, FoxPro и др.

Литература к главе 12

1. БочкинА.И. Методика
преподавания информатики: Учеб. пособие. — 1инск: Вышэйш. шк., 1998.
2. Теш А.Г., Сенокосов
А.И., Шолохович В.Ф. Информатика. Классы 7_9. — М.: Дрофа, 1998.
3. Информатика:
Задачник-практикум: В 2 т. / Под ред. И. Г. Семаки-яа, Е.К.Хеннера. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
4. Информатика: 9 кл. / Под
ред. Макаровой Н.В.— СПб.: Изд-во «Пи-jrep»,
1999.
5. Компьютерные технологии обработки
информации: Учеб. пособие / 1од ред. С.В.Назарова. — М.: Финансы и статистика,
1995.
6. Кузнецов А. А., Апатова
Н.В. Основы информатики: 8 — 9 кл. — М.: эофа, 1999.
7. Лапчик М.П. Информатика
и информационные технологии в системе общего и профессионального образования:
Монография. — Омск: Изд-во Ом. гос. пед. ун-та, 1999.
8. Мой персональный компьютер
IBM PC / Авт.-сост. В.Копол. — 1инск: Литература, 1997. — (Библиотека
школьника).
9. Новые педагогические и
информационные технологии в системе эбразования: Учеб. пособие / Под ред. Е. С.
Полат и др. — М.: Издательский центр «Академия», 2000.
10. Практикум по компьютерной
технологии. Упражнения, примеры задачи: Метод, пособие / О.Ефимова, М.Моисеев,
Ю.Шафрин. — 2-е изд. - М.: АБФ, 1997.
11. Программы общеобразовательных
учреждений. Информатика / Сост. А. А. Кузнецов, Л.Е.Самовольнова. — М.:
Просвещение, 1998.
12. Проект федерального
компонента Государственного образовательного стандарта начального общего,
основного общего и среднего (полно-
э) образования.
Образовательная область «Информатика» // ИНФО. — |1997.-№1.-С. 3-11.
13. Роберт И. В. Современные
информационные технологии в образовании: дидактические проблемы; перспективы
использования. — М.: Школа-Пресс, 1994.
14. Семакин И. Г.,
Вараксин Г. С. Структурированный конспект базового курса информатики. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 2000.
15. Семакин И. Г. и др. Информатика:
Базовый курс для 7 — 9 кл. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1998.
16. Семакин И. Г., Шеина
Т.Ю. Преподавание базового курса информатики в средней школе: Метод,
пособие. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000.
17. Симонович С.В. Интернет
для школьников. — М.: Изд-во «ДЕСС КОМ», 2000.
18. Симонович С., Евсеев
Г., Алексеев А. Специальная информатика: Учеб. пособие. — М., 1998.
19. Сластенин В. А. и др. Педагогика:
Учеб. пособие для студентов пед. учеб, заведений. — М.: Школа-Пресс, 1997.
20. Угринович Н.Д. Информатика
и информационные технологии: Учеб. пособие — М., 2000.
21. Хэлворсон М., Янг М. Эффективная
работа с Microsoft Office 97. — СПб.: Питер, 1997.
22. Шафрин Ю.А. Основы
компьютерной технологии: Учеб. пособие для 7—11 кл. по курсу «Информатика и
вычислительная техника». — М.: АБФ, 1997.
23. Шимина А.Н. Логико-гносеологические
основы процесса формирования понятий в обучении. — М., 1981.
24. Windows 95 для детей и их родителей: Учеб. пособие. — 2-е изд. — М.:
Издательский отдел «Русская редакция» ТОО «Channel Trading Ltd.», 1998.

ПРОФИЛЬНЫЕ КУРСЫ

Глава 13
ПРОФИЛЬНЫЕ КУРСЫ КАК СРЕДСТВО
ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ ОБУЧЕНИЯ
ИНФОРМАТИКЕ НА СТАРШЕЙ
СТУПЕНИ ШКОЛЫ

Дифференциация обучения —
важная задача современной школы. Она позволяет реализовать многообразие
образовательных траекторий, способствует индивидуализации обучения, развитию
познавательной активности учащихся, выбору профессионального пути, помогает
определиться с продолжением образования в вузе.
Информатика является одним из
тех предметов, в которых дифференциация обучения реализуется наиболее
естественным образом. Этому способствует сам характер информатики как науки и совокупности
множества информационных технологий, история ее появления в школе в те годы,
когда многообразию в школьном образовании способствовали внешние условия.
Заметим, что даже базовый курс информатики является в некотором смысле
дифференцированным, так как по-разному излагается в различных учебниках.
Однако истинная
дифференциация курса информатики связана не с методическими различиями в
изложении одного и того же материала, как в базовом курсе, а с реальными
различиями в содержании дифференцированных курсов. Подобное возможно лишь на
старшей ступени школы, после изучения базового курса информатики.
В нормативном плане
возможность реализации дифференциации в изучении информатики обеспечена рядом
документов Министерства образования РФ. Согласно решению коллегии Министерства
образования РФ от 22 февраля 1995 г. № 4/1 рекомендован переход к непрерывному
изучению информатики в средней общеобразовательной школе, предусматривающий три
отмеченных выше этапа: пропедевтический, базовый и дифференцированный.
При этом место для дифференцированного этапа — старшая школа, т.е. X — XI классы (а в перспективе при переходе к
12-летней школе — XI—XII кл.). Указанное
решение базируется, в частности, на проекте Государственного образовательного
стандарта по информатике, победившего на конкурсе Министерства образования в
1995 г.
Общие цели и задачи
профильно-дифференцированных курсов информатики таковы:
• способствовать учету
интересов каждого из учащихся;
• учитывать направленность
допрофессиональной подготовки;
• формировать основы научного
мировоззрения;
• способствовать развитию
мышления учащихся;
• готовить учащихся к
практическому труду, продолжению образования;
• развивать и
профессионализировать навыки работы с компьютером.
Вопрос о типологии
дифференцированных курсов информатики достаточно важен, поскольку стихийное
планирование таких курсов не способствует реализации целей образования и не
содействует закреплению за информатикой подобающего ей места в школе. Примем за
основу типологию, предложенную А. А.Кузнецовым, Л. Е. Самовольновой и Н. М.
Угриновичем при обсуждении концепции содержания обучения информатике в
12-летней школе, и опишем ее.
При определении содержания
профильных курсов выделяются два типа таких курсов — фундаментальные и
прикладные. Для фундаментальных курсов ведущей функцией провозглашается
формирование научного мировоззрения, а для прикладных — подготовка к
практической деятельности.
Направления дифференциации
содержания профильных курсов информатики первого типа определяются
применительно к предметным областям, являющимся ведущими для каждого
конкретного направления специализации обучения в школе (классе).
Если взять основные
направления специализации школы по таким образовательным (предметным) областям,
как:
• филология,
• обществознание,
• математика,
• естествознание,
• технология,
то для каждого из них
возможен свой набор профильных курсов информатики. В каждом из таких курсов
изучается тот раздел информатики, предмет которого пересекается с предметом
соответствующей науки.
Основная задача курсов подобного
типа — развитие научных представлений, формирование научного мировоззрения (с
позиций информатики — «системно-информационной картины мира»), обогащение
изучения основ других фундаментальных наук методами научного познания,
привнесенными или развитыми информатикой (моделирование, формализация и т.д.).
Профильные курсы информатики
второго типа — прикладные — дифференцируются не по предметным областям, а по
критерию вида информационной деятельности. Основное назначение таких курсов —
формирование (развитие) навыков использования методов и средств
научно-информационных технологий (НИТ) в различных областях.
Виды информационной
деятельности человека (сбор, обработка, хранение информации) инвариантны
конкретным предметным областям, поэтому основным критерием дифференциации
содержания обучения является здесь структура и компоненты информационной
деятельности.
Все сказанное отражено в
табл. 13.1. В ней в основу классификации положены предметные (образовательные)
области, определенные в приказе Министерства образования № 56 от 30 июня 1999
г. «Об утверждении обязательного минимума содержания среднего (полного) общего
образования». Отметим, что в этой классификация информатика фигурирует как
составляющая образовательной области «Математика» и поэтому явно не отражена.
Таблица 13.1
Профильная дифференциация
курсов информатики

Принцип дифференциации

Комментарий

А. По ведущей педагогической функции

Можно выделить:
• «Фундаментальные» профильные курсы
  (назначение — формирование научного мировоззрения);
• «Прикладные» (пользовательские)
  профильные курсы (назначение — подготовка к практической деятельности, труду)

Б. По предметным областям:

Курс может быть увязан с одной из предметных
  областей:
• Филология;
• Обществознание;
• Математика;
• Естествознание;
• Технология;
• Физическая культура

В. По видам информационной деятельности

Курс может быть ориентирован на один из
  видов информационной деятельности:
• Обработка информации;
• Получение, хранение, использование
  информации;
• Передача информации

Что же касается конкретных
курсов, то в принципе их может быть много. В табл. 13.2 и 13.3 даны типичные
названия возможных профильных курсов для каждой из образовательных областей и
видов информационной деятельности. В последующих главах некоторые из таких
курсов описаны детально.
Таблица 13.2
Профильные
курсы информатики, соотнесенные
с предметными областями

Предметная (образовательная) область и
  ее составляющие

Примеры возможных профильных курсов

ФИЛОЛОГИЯ (языки,
  литература)

Знаковые модели

ОБЩЕСТВОЗНАНИЕ (история, обществознание,
  география, экономика)

Компьютерное моделирование общественных
  процессов

МАТЕМАТИКА (математика, информатика)

Вычислительная математика и программирование

Математическое моделирование
Вычислительная техника
Программирование
Компьютерные телекоммуникации

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ (биология, физика, химия,
  экология)

Компьютерное моделирование процессов в
  природе

ФИЗИЧЕСКАЯ КУЛЬТУРА (физическая
  культура, основы безопасности жизнедеятельности)

Таблица 13.3
Профильные курсы
информатики, соотнесенные
с видами информационной
деятельности

Вид информационной деятельности

Примеры возможных профильных курсов

ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

Обработка текстовой информации
Обработка графической информации
Обработка числовой информации

ПОЛУЧЕНИЕ, ХРАНЕНИЕ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Использование баз данных

ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ

Компьютерные телекоммуникации

Разумеется, в содержании
курсов, указанных в табл. 13.2 и 13.3, есть значительные пересечения. Это
вполне естественно, так как в курсах, ориентированных на предметные области,
неизбежно присутствует использование основных информационных технологий и видов
информационной деятельности; аналогично курсы, ориентированные на виды
информационной деятельности, в своей содержательной части используют то или
иное моделирование, сведения из различных предметных областей.
Отсутствие в табл. 13.2
курсов, связанных с образовательной областью «Физическая культура», означает
лишь то, что в настоящее время такие курсы не разработаны (по крайней мере,
неизвестны авторам данного пособия).
Напротив, некоторые курсы,
указанные в таблице, существуют во многих существенно различных вариантах.
Например, курс «Программирование» реализован в вариантах с условными названиями
«Программирование на Паскале» (классическое процедурное программирование),
«Объектно-ориентированное программирование», «Логическое программирование» и
др.
К профильным курсам
информатики примыкают интегрированные курсы. Иногда различия между
профильными и интегрированными курсами сводятся лишь к названиям, а иногда
носят глубокий характер. Всякий профильный курс, ориентированный на конкретную
предметную область, можно считать интегрированным, если в процессе его изучения
учащиеся получают новые знания и навыки не только по информатике и информационным
технологиям, но и по этой предметной области. Уровень интеграции может быть
различным; если информатика в курсе отчетливо доминирует, то курс лучше
называть профильным, а при относительном равенстве нового материала из
информатики и предметной области — интегрированным. Из курсов, которые в
литературе называют интегрированными по формуле «информатика + X» в качестве «X» чаще
всего фигурирует математика. Это объясняется исторической близостью наук, а
также особенностью подготовки учителей информатики, многие из которых являются
и учителями математики.
При проектировании профильных
курсов информатики важен вопрос о нормативной трудоемкости курса. Исходя из
возможности 2-летней подготовки при 1 часе в неделю, наиболее вероятный объем
профильного курса может составить (и часто составляет на практике) 136 ч. В то
же время нельзя отбрасывать и возможности проведения профильного курса меньшего
объема (например, годичный курс в 68 ч или полугодовой в 34 ч). В некоторых
школах с углубленным изучением информатики объем специализированного курса
может быть гораздо большим, до 272 ч (т.е. по 2 ч в неделю на протяжении 2
лет).
Отметим и то, что профильная
дифференциация часто сочетается с уровневой дифференциацией. Вполне
возможной для каждого из отмеченных в табл. 13.2 и 13.3 курсов является
двухуровневая дифференциация. При этом уровень профильного курса (по объему
изучаемого материала и требованиям к его освоению) определяется по сравнению с
тем уровнем, который предписывается государственным образовательным стандартом
или временно заменяющим его документом. Подчеркнем два обстоятельства:
• стандарт определяет
минимальный уровень требований, так что профильный курс может выйти за»его
пределы;
• уровень профильного курса
следует тщательно соотносить с уровнем образованности школьников и временем,
отпущенным на реализацию курса (завышение требований по этим параметрам
достаточно распространено).

Глава 14
ПРОФИЛЬНЫЕ КУРСЫ ИНФОРМАТИКИ,
ОРИЕНТИРОВАННЫЕ НА МОДЕЛИРОВАНИЕ

Ряд профильных курсов
информатики включает в свое название слово «моделирование» или использует
элементы моделирования в содержании. Это совершенно естественно, поскольку
моделирование является неотъемлемым компонентом общечеловеческой культуры и
мощным методом познания окружающего мира — природы и общества.
При проектировании профильных
курсов, связанных с моделированием, возникает проблема терминологии. Часто
используются термины с нечетким содержанием, и прежде всего следует в них
сориентироваться.
Как известно, моделирование
бывает натурным и абстрактным (идеальным). Натурное моделирование находится за
пределами информатики, и поэтому далее не обсуждается. Понятие же «абстрактное
моделирование» в педагогической литературе рядом авторов по существу
отождествляется с понятием «информационное моделирование». Соответствующая
классификация в первом приближении отражена на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Вариант
классификации моделей (В. К. Белошапка и др.)

Ее авторы — В. К.Белошапка,
С. А. Бешенков и А.С.Лесневский.
При этом к моделям
классификационного типа относят:
• экспертные системы;
• системы статистического
анализа;
• базы данных и т.д.
К динамическим моделям
относят:
• кибернетические системы
(техника, биология);
• компьютер, исполнитель;
• глобальное моделирование;
• алгоритм как формальную
модель дискретного процесса;
• системы передачи
информации.
Иной подход к классификации
моделей, также встречающийся в научно-педагогической литературе,
проиллюстрирован на рис. 14.2. Соответствующая позиция выражена в работе А. В.
Могилева и Е.К.Хеннера.

Рис. 14.2. Вариант
классификации моделей (А.В.Могилев, Е.К.Хеннер)

При таком подходе
предлагается различать в прикладных областях:
• традиционное (прежде всего,
для теоретической физики, а также механики, химии, биологии, ряда других наук)
математическое моделирование без какой-либо привязки к техническим средствам
информатики;
• информационные модели и
моделирование, имеющие приложения в информационных системах;
• вербальные (т.е. словесные,
текстовые) языковые модели;
• информационные
(компьютерные) технологии, которые нужно делить:
— на инструментальное
использование базовых универсальных программных средств (текстовых редакторов,
СУБД, табличных процессоров, телекоммуникационных пакетов);
— на компьютерное
моделирование, представляющее собой:
а) вычислительное
(имитационное) моделирование;
б) «визуализацию явлений и
процессов» (графическое моделирование);
в) «высокие» технологии,
понимаемые как специализированные прикладные технологии, использующие компьютер
(как правило, в режиме реального времени) в сочетании с измерительной
аппаратурой, датчиками, сенсорами и т.д.
Практический вывод из этого
(в свете преподавания курсов обсуждаемого профиля) таков: встретив упоминание,
к примеру, об информационной модели, следует из контекста постараться понять,
что автор реально имеет в виду, особенно если обсуждение носит общий характер.
В приведенных выше вариантах
классификации содержится большое число различных видов ненатурного
(абстрактного, информационного) моделирования. При построении школьных
профильно-ориентированных курсов информатики они отнюдь не равноправны. Так,
часто для этой цели используют динамические модели физических и экологических
процессов, классификационное (информационное) моделирование, опирающееся на
базы данных и связанные с ними информационные технологии; однако гораздо
труднее представить себе школьный курс информатики, опирающийся на системы
статистического анализа или экспертные системы. Причины двояки: во-первых, это
объективные трудности, сложность ряда разделов, относимых к моделированию;
во-вторых, это традиции, отсутствие разработанных методических подходов,
учебно-программно-методического обеспечения, глубокая специализированность ряда
видов деятельности. Напомним, что в школе даже профильный курс преследует, прежде
всего, цели общего образования.
Несколько слов о
моделировании и компьютерах. Абстрактное (информационное) моделирование
появилось задолго до создания компьютеров и по вполне оправданной традиции все,
что можно сделать в моделировании без компьютеров, делается без них.
Привлечение компьютеров к моделированию вносит, как правило, дополнительное
абстрагирование. Однако возможности компьютеров в моделировании очень велики, с
их помощью можно в большинстве случаев продвинуться существенно дальше. В
курсах, обсуждаемых в этой главе, стоят две равноправные задачи: донести до
учащихся как принципы моделирования, так и технологию моделирования,
опирающуюся на компьютеры.
При преподавании профильных
курсов, в основу которых положено моделирование, перед учителем и учащимися
возникает сложная проблема учебников, других учебно-методических материалов. В
настоящее время курсы такого рода больше описаны в статьях, диссертациях,
монографиях, нежели в учебной литературе. Над соответствующими учебниками в
настоящее время работают и скоро они появятся, а пока учитель может сам
конструировать курс, опираясь, в частности, на приведенные ниже материалы и
рекомендации.

14.1. Основные дидактические задачи и
содержательные линии курсов,
ориентированных на моделирование

Перед курсами,
ориентированными на моделирование, стоят разнообразные задачи. Решение их в
полном объеме позволит оказать существенное влияние на общее развитие и
формирование мировоззрения учащихся, интегрировать знания по различным
дисциплинам, осуществлять работу с компьютерными программами на более
профессиональном уровне.
Выделим эти задачи[8].
Общее развитие и
становление мировоззрения учащихся. Курсы, ориентированные на моделирование, должны выполнять
развивающую функцию, поскольку при их изучении учащиеся продолжают знакомство
еще с одним методом познания окружающей действительности — методом
компьютерного моделирования.
В ходе работы с компьютерными
моделями приобретаются новые знания, умения, навыки. Некоторые ранее полученные
сведения конкретизируются и систематизируются, рассматриваются под другим углом
зрения.
Овладение моделированием
как методом познания. Основной
упор в каждом из таких курсов необходимо сделать на выработку общего методологического
подхода к построению компьютерных моделей и работе с ними. Необходимо
• продемонстрировать, что
моделирование в любой области знаний имеет схожие черты, зачастую для различных
процессов удается получить очень близкие модели;
• выделить преимущества и
недостатки компьютерного эксперимента по сравнению с экспериментом натурным;
• показать, что и абстрактная
модель, и компьютер представляют возможность познавать окружающий мир,
управлять им в интересах человека.
Выработка практических
навыков компьютерного моделирования. На примере ряда моделей из различных областей науки и практической
деятельности необходимо проследить все этапы компьютерного моделирования,
начиная с исследования моделируемой предметной области и постановки задачи до
интерпретации результатов, полученных в ходе компьютерного эксперимента, показать
важность и необходимость каждого звена. При решении конкретных задач следует выделять
и подчеркивать соответствующие этапы работы с моделью. Решение данной задачи
предполагает поэтапное формирование практических навыков моделирования, для
чего служат учебные задания с постепенно возрастающим уровнем сложности и компьютерные
лабораторные работы.
Содействие
профессиональной ориентации учащихся. Учащиеся старшей ступени школы стоят перед проблемой выбора
будущей профессии. Проведение курса компьютерного моделирования способно
выявить тех из них, кто имеет способности и склонность к исследовательской
деятельности. Способности учащихся к проведению исследований следует развивать
различными способами, на протяжении всего курса поддерживать интерес к выполнению
компьютерных экспериментов с различными моделями, предлагать для выполнения
задания повышенной сложности. Таким образом, развитие творческого потенциала
учащихся и профориентация — одна из задач курса.
Преодоление предметной
разобщенности, интеграция знаний. В рамках каждого курса целесообразно изучать модели из различных
областей науки, что делает курс частично интегрированным. Для того чтобы понять
суть изучаемого явления, правильно интерпретировать полученные результаты, необходимо
не только владеть соответствующей терминологией, но и ориентироваться в той
области знаний, где проводится модельное исследование.
Реализация межпредметных
связей в таком курсе не только декларируется, как это иногда бывает в других
дисциплинах, но является зачастую основой для освоения учебного материала.
Развитие и
профессионализация навыков работы с компьютером. Перед учащимися ставится задача не только
реализовать на компьютере предложенную модель, но и наиболее наглядно, в
доступной форме отобразить полученные результаты. Здесь может присутствовать
построение графиков, диаграмм, динамических объектов, элементы мультипликации.
Программа должна обладать адекватным интерфейсом, вести диалог с пользователем.
Все это предполагает дополнительные требования к знаниям и умениям в области
алгоритмизации и программирования, приобщает к более полному изучению возможностей
современных парадигм и систем программирования.
Сформулируем структуру
обсуждаемых курсов на таком уровне детализации, на котором она представляется
инвариантной по отношению к более детальному планированию. При этом основными
факторами являются:
• цели и задачи,
сформулированные выше;
• структура
общеобразовательной подготовки по информатике и по другим дисциплинам в
основной школе;
• содержание указанной
подготовки.
При таком подходе обсуждаемые
курсы будут включать следующие содержательные линии.
1. Технология компьютерного
моделирования. Как отмечалось выше, основной упор следует сделать на
выработку общего подхода к построению моделей и работе с ними, на овладение
единой методикой моделирования. В рамках курса этому должны способствовать как
изучение общих вопросов моделирования, так и реализация конкретных компьютерных
моделей.
Технологическая цепочка
моделирования неоднократно должна быть пройдена и, таким образом, прочно
усвоена. В то же время следует неустанно отмечать тот факт, что в
моделировании, как и в науке в целом, нет проторенных путей, и конкретное
наполнение технологической цепочки каждый раз будет иным. Это особенно важно,
поэтому круг рассматриваемых вопросов должен быть достаточно широким. В
противном случае не создастся полного представления о технологии компьютерного
моделирования.
2. Алгоритмизация и программирование. Как
правило, в обсуждаемых курсах используется разработка алгоритмов и программ.
Конечно, если поставить целью исследования лишь изучение поведения модели при
широком диапазоне входящих в нее параметров, то можно воспользоваться пакетами
прикладных программ для решения соответствующих классов задач, поскольку это
ускорит процесс исследования (не тратится время на составление алгоритма и
программы). Но если ставится цель отработки технологической цепочки моделирования
в полном объеме, то нельзя опускать некоторые ее звенья. Самостоятельно
разработанные программы позволят более осознанно работать с моделью. Степень
понимания сущности изучаемого явления в этом случае значительно глубже.
В то же время такой подход
помогает укрепить и расширить ранее приобретенные школьниками навыки в области
разработки алгоритмов и программ. Все это, вместе взятое, в конечном итоге
также оказывает влияние на общее развитие учащихся, их пред-профессиональную
подготовку.
3. «Пользовательская» линия. Поскольку
при выполнении практических работ возникает необходимость оформления
результатов моделирования, то целесообразно представить их в форме письменного
творческого отчета о проделанной работе. При этом можно воспользоваться
текстовым и графическим редакторами. Таким образом, дальнейшую поддержку
находят и ранее полученные навыки работы с современными офисными программами.
Кроме того, как уже
отмечалось, не все модели следует исследовать с помощью разработанных учащимися
программ. Вполне уместно чередовать программирование с применением различных пакетов
стандартных программ (например, при математическом моделировании это может быть
электронная таблица). Такие пакеты часто предоставляют возможности для
визуализации полученных результатов.
Также к пользовательской
линии следует отнести выполнение расчетов и обработку полученных результатов с
помощью существующих проблемно-ориентированных и объектно-ориентированных
программных моделирующих комплексов.
Кроме того, модельные
исследования могут проводиться на базе специально разработанного программного
обеспечения. Такие программы-оболочки существуют и будут описаны ниже.
4. Линия дополнительной
предметно-ориентированной подготовки. В профильном курсе компьютерного
моделирования чаще всего не удается обойтись лишь базовой предметной
подготовкой в той предметной области, на которую обращено моделирование.
Поэтому приходится в той или иной мере расширять соответствующие знания
учащихся. Объем дополнительного материала определяется уровнем подготовленности
учащихся и, как следствие, содержанием курса, т.е. отобранными для изучения
моделями.
В курсе компьютерного
моделирования имеется возможность продемонстрировать, как с помощью компьютеров
реализуется возможность исследования действительности. Здесь четко
прослеживается прикладная направленность информатики. Таким образом, можно
показать связь этой науки с другими. Занятия по моделированию дают
дополнительный толчок учащимся к дальнейшему изучению наук и видов практической
деятельности, к развитию своих способностей.
5. Моделирование процессов, протекающих в
природе (физических, биологических и др.). Природные процессы изучаются во
множестве школьных дисциплин: физике, химии, биологии и т.д. В одних из этих
дисциплин (физика) практически все, а в других (биология) только некоторые из
процессов могут быть описаны с помощью моделей.
Компьютерное моделирование в
этих областях — это новый подход как к уже изученным явлениям, так и к тем,
которые еще не рассматривались. Здесь необходимо найти некий баланс между теми
и другими, что выражается в содержательной части курса.
Компьютерное моделирование в
физике — это традиционный вид деятельности, его история началась с появлением
первых ЭВМ. В других науках, изучающих природные явления, компьютерное
математическое моделирование (КММ) стало применяться несколько позже. Это
накладывает дополнительный отпечаток на соотношение моделей, рассматриваемых в
различных курсах компьютерного моделирования.
6. Моделирование процессов, протекающих в
обществе (экономических, политических и др.). Человеческое общество — очень
сложная структура. При изучении законов его развития очень трудно сформулировать
адекватные модели. Тем не менее отдельные стороны его жизни, выявленные
закономерности поддаются математическому описанию, имитационному моделированию.
Изучение подобного рода
моделей процессов, протекающих в обществе, может способствовать пониманию как
истории, так и тенденций дальнейшего развития человечества и отдельных сторон
его жизнедеятельности.
В большинстве реально
существующих курсов моделирования реализуется не одна, а несколько
содержательных линий. Это следует признать разумным, так как только комплексная
поддержка всех линий создает тот содержательный стержень, который делает курс
целостным, в достаточной степени завершенным и непротиворечивым. В свою
очередь, это отвечает целям и задачам курса компьютерного моделирования.
Необходимость поддержки каждой из содержательных линий особенно актуальна в
школах физико-математического и естественнонаучного профиля. В то же время в
школах без дополнительной специализации некоторые из линий (например,
программистская, дополнительной математической подготовки) могут быть
ослаблены. Но это не означает, что они должны быть упущены совсем.
При углубленном изучении
курса компьютерного моделирования названные содержательные линии могут быть
развиты, дополнены другими.

14.2. Формы и методы обучения
компьютерному моделированию

Основными формами обучения
компьютерному моделированию являются лекционные, лабораторные и зачетные
занятия. Обычно работа по созданию и подготовке к изучению каждой новой модели
занимает 3 — 4 урока. В ходе изложения материала ставятся задачи, которые в
дальнейшем должны быть решены учащимися самостоятельно, в общих чертах
намечаются пути их решения. Формулируются вопросы, ответы на которые должны
быть получены при выполнении заданий. Указывается дополнительная литература,
где могут быть найдены вспомогательные сведения Для более успешного выполнения
заданий.
Формой организации занятий
при изучении нового материала рекомендуется лекция, охватывающая, как правило,
весь урок. Применение лекционного метода целесообразно в следующих случаях
[14]:
• при прохождении нового
материала, мало или совсем не связанного с предыдущим;
• при сообщении учащимся
сведений о практическом применении изученных закономерностей^
• при выводе сложных
закономерностей с применением большого математического аппарата и ряда
логических умозаключений;
• при проведении уроков
проблемного характера.
Как следует заметить,
перечисленные условия применения лекционного метода совпадают с условиями
изучения профильных курсов, ориентированных на компьютерное моделирование, при
исследовании очередной содержательной задачи и введении новой модели, что
доказывает целеоообразность его применения при изложении нового материала.
Экспериментальное преподавание различных вариантов курса также подтверждает
это.
После завершения обсуждения
очередной модели учащиеся имеют в своем распоряжении необходимые теоретические
сведения и набор заданий для дальнейшей работы над предложенным заданием. Если
моделей рассматривалось несколько, то работа ведется над одной из них по выбору
учащихся или учителя, если одна — все работают над ней, различаться могут лишь
конкретные задания (уровень сложности которых может зависеть от
подготовленности соответствующего учащегося). В ходе подготовки к выполнению
задания учащиеся выбирают подходящий метод решения, с помощью какого-либо известного
частного решения тестируют разработанную программу. В случае вполне возможных
затруднений при выполнении заданий дается консультация, делается предложение
более детально проработать указанные разделы в литературных источниках.
Как отмечают практически все
разработчики профильных курсов, ориентированных на моделирование, наиболее
адекватным практической части обучения компьютерному моделированию является
метод проектов. Задание формулируется для ученика в виде учебного проекта и
выполняется в течение нескольких уроков, причем основной организационной формой
являются компьютерные лабораторные работы. Экспериментальная апробация курсов
моделирования подтвердила целесообразность применения такой формы организации
занятий.
Обучение моделированию с
помощью метода учебных проектов может быть реализовано на разных уровнях [4].
Первый — проблемное изложение процесса выполнения проекта, которое ведет
учитель. Второй — выполнение проекта учащимися под руководством учителя. Третий
— самостоятельное выполнение учащимися учебного исследовательского проекта.
Результаты работы должны быть
представлены в численном виде, в виде графиков, диаграмм. Если имеется
возможность, процесс представляется на экране ЭВМ в динамике. По окончании
расчетов и получении результатов проводится их анализ, сравнение с известными
фактами из теории, подтверждается достоверность и проводится содержательная
интерпретация, что в дальнейшем отражается в письменном отчете.
Если результаты удовлетворяют
ученика и учителя, то работа считается завершенной, и ее конечным этапом
является составление отчета. Отчет включает в себя краткие теоретические
сведения по изучаемой теме, математическую постановку задачи, алгоритм решения
и его обоснование, программу для ЭВМ, результаты работы программы, анализ
результатов и выводы, список использованной дополнительной литературы.
Когда все отчеты составлены,
на зачетном занятии учащиеся выступают с краткими сообщениями о
проделанной работе, защищают свой проект. Это является эффективной формой
отчета группы, выполняющей проект, перед классом, включая постановку задачи,
построение формальной модели, выбор методов работы с моделью, реализацию модели
на компьютере, работу с готовой моделью, интерпретацию полученных результатов,
прогнозирование. Действенность этой установки подтверждена на опыте. В итоге
учащиеся получают две оценки: первую за проработанность проекта и успешность
его защиты, вторую — за программу, оптимальность ее алгоритма, интерфейс и т.д.
Также учащиеся получают отметки в ходе опросов по теории.

14.3. Методика преподавания отдельных тем,
входящих в различные курсы
компьютерного моделирования

Обсудим методические проблемы
изложения различных тем, из которых могут быть сконструированы курсы
компьютерного моделирования. Порядок чередования этих тем достаточно
произволен; варианты их объединения в целостный курс обсуждаются ниже в
подразделе 15.5.

Тема «Введение в компьютерное моделирование»

Данное введение целесообразно
построить в виде лекции, содержащей в доступной учащимся форме обзор основных
принципов абстрактного (по другой терминологии — информационного) моделирования
вообще и его реализации с помощью компьютеров. В этой беседе можно
использовать, в частности, материал, изложенный в начале данной главы.
В ходе лекции учащиеся должны
усвоить основополагающие знания о принципах моделирования, разновидностях
компьютерного моделирования, основных этапах компьютерного моделирования.
Каждый из этапов,
обозначенных на рис. 14.3, требует обсуждения.
Учащиеся должны понять, что,
приступая к построению модели, прежде всего надо знать ответ на вопрос: для
чего нужна модель? как ей пользоваться? В зависимости от ответа могут
получиться совершенно разные модели одного и того же объекта.
Добиться понимания можно, в
первую очередь, на примерах из общеизвестных областей реальности. Сопоставим,
например, три модели самолета: детскую игрушку, натурную модель для испытания в
аэродинамической трубе и абстрактную модель в виде чертежей. Все они имеют
право на жизнь, но назначение у них принципиально различное. Далее, могут быть
и различные цели, приводящие к построению нескольких различных абстрактных
моделей для последующего компьютерного моделирования: например, задачи,
решаемые авиаконструктором, мало похожи на задачи, решаемые экономистом,
которого заботит стоимость изделия, рентабельность производства и т.п.

Рис. 14.3.
Этапы компьютерного моделирования

Содержательное описание
объекта (процесса) служит основой для дальнейшей формализации. Оно включает
[18]:
• сведения о физической природе
исследуемого объекта (процесса);
• сведения о количественных
характеристиках элементарных составляющих объекта;
• сведения о месте и значении
каждого элементарного явления в общем процессе функционирования рассматриваемой
системы;
• постановку прикладной
задачи, определяющей цели моделирования.
формализованная схема объекта
(процесса) является промежуточным звеном между содержательным описанием и
моделью и разрабатывается тогда, когда из-за сложности исследуемого процесса
непосредственный переход от содержательного описания к модели затруднен. Вид
формализованной схемы зависит от типа моделирования. В следующих подразделах
приведено несколько примеров формализованных схем.

Тема «Классификационные информационные модели»

Одна из задач изучения этой
темы — дать учащимся введение в системологию, сформулировать отчетливое
понимание терминов «система» и «структура». Вслед за этим последует отработка
как содержательных, так и технических навыков структурирования информации на
уровне, принятом в современной информатике.
Вводная лекция может быть
посвящена следующим вопросам:
• что такое система и
структура;
• о системах искусственных и
естественных;
• что такое «системный
подход»;
• о системологии и
информатике.
Цель этой лекции состоит в
подведении учащихся к осознанию фундаментальных понятий структура и система,
а также к осознанию того, что организация любой системы, выделение в ней
элементов и представление структуры имеют определенную целесообразность,
подчинены назначению этой системы.
Наука уже давно пришла к
выводу: все в мире системно, задача всякой науки — найти систему в тех объектах
и процессах, которые она изучает. С помощью нескольких примеров, взятых из
совершенно различных областей науки и практической деятельности (устройство
Солнечной системы, периодическая таблица химических элементов, классификация
животных и растений и т.д.), проиллюстрируйте эти утверждения.
Далее приведите примеры естественных
и искусственных систем и характер связей в этих системах. Покажите, что в
естественных системах неживой природы связи носят только материальный характер,
а в системах живой природы существуют связи материальные и информационные.
Уточните понятие информационная связь, принципиально важное для данного
курса. Говоря об искусственных системах, выделите материальные системы, созданные
человеком (техника, строительные сооружения, энергосистемы, искусственные материалы
и др.), и отметьте, что связи в таких системах, как и в естественных, имеют
материальный характер. Другой вид искусственных систем — это общественные
системы, т.е. различные объединения людей. Конечно, между ними тоже есть
определенные материальные связи (например, общее помещение, экономическая
зависимость, родственно-генетические связи), но очень важны информационные
связи — ни один коллектив, от семьи до государства, не может существовать без
информационного обмена.
Следующий вопрос, изучаемый
после завершения вводной темы — методология структурирования информации и
построение классификационных моделей. На этом этапе не имеется в виду
компьютерная реализация. Речь идет о принципах структурирования и соотнесения
информации, а компьютерные программы (по существу, СУБД) изучаются на бо'лее
позднем этапе. В этом отношении данный подход не является технологическим:
основное внимание в нем уделяется принципиальным вопросам, а к технологиям
переходим позже, используя их как орудие реализации классификационных моделей.
На данном этапе уместно
подробнее остановиться на информационных моделях, отражающих процессы
возникновения, передачи, преобразования и использования информации в системах
различной природы. Начать целесообразно с определения основных понятий
информационного моделирования, поясняя их примерами и закрепляя путем решения
задач. Вначале целесообразно разобрать пример структурирования информации путем
выделения элементов (характеристик) некоторого сложного объекта. При этом
целесообразно построить несколько моделей одного и того же объекта.
Пример 1. Выделение характеристик.
Рассматриваемый объект —
компьютер. Создадим несколько экземпляров описания, которые могут составить
базу для построения информационной модели.

Экземпляр 1. Набор
характеристик:
• фирма-изготовитель;
• место в компьютерной
классификации (т.е. персональный, main-frame и т.д.);
• год изготовления;
• поколение.

Экземпляр 2. Набор
характеристик:
• фирма-изготовитель;
• тип процессора;
• материнская плата;
• тип монитора;
• тип принтера.

Экземпляр 3. Набор
характеристик:
• фирма-изготовитель;
• тактовая частота
процессора;
• максимальная разрешающая
способность монитора;
• объем ОЗУ;
• емкость винчестера.

Каждый из построенных
экземпляров описания — простейшая информационная модель компьютера;
совокупность экземпляров — также информационная модель. Модели эти
несовершенны, так как в них нет важнейшего элемента — указания взаимосвязей
между экземплярами и характеристиками.
Решение подобных задач на
основе самого различного материала полезно и позволяет отработать навыки
анализа, лежащего в основе построения информационных моделей.
Далее отрабатываем
элементарные навыки выделения отношений между объектами, которые отражаются в
информационных моделях как связи. Каждая связь задается в модели определенным
именем. Связь в графической форме представляется как линия между связанными
объектами и обозначается идентификатором связи.
Все связи в информационной
модели требуют описания, которое включает, как минимум:
• идентификатор связи;
• формулировку сущности
связи;
• вид связи (ее
множественность и условность), способ описания связи с помощью вспомогательных
атрибутов объектов.
Дальнейшее развитие
представлений информационного моделирования связано с развитием понятия связи,
структур, ими образуемых, и задач, которые могут быть решены на этих
структурах. Так, простая последовательная структура экземпляров — не что иное
как очередь (файл). Возможным обобщением являются циклическая структура,
таблица, стек.
Отработку навыков
моделирования с учетом связей, возникающих между характеристиками, можно
начать, опираясь на знание учащимися некоторых структурированных типов данных
языков программирования высокого уровня (как правило, опираясь на язык
Паскаль).

Пример 2. Простейшие виды структурирования
информации.
Задача ставится следующим
образом. Имеется некоторая система (множество, совокупность) простых элементов
(чисел, слов, знаков). Как расположить их относительно друг друга таким
образом, чтобы было удобно найти потребовавшийся (произвольный) объект?
Обратите внимание учащихся,
что речь идет о простом структурировании информации; задачи классификации
появятся позднее. Напомните учащимся, какими свойствами отличаются стандартные
структуры данных:
• упорядоченная —
неупорядоченная;
• прямого доступа —
последовательного доступа;
• однородная — неоднородная;
• статическая — динамическая.
Обсудите, как устроены
основные структуры данных — массив, файл, запись, стек, очередь. После этого
уместно провести рассуждение о том, как выбор структуры данных влияет на
решение задач поиска и сортировки информации, опираясь на знания, полученные в
базовом курсе.
В ходе разбора данного
примера закрепляются начальные навыки классификации. Расположение
однородных данных в виде массивов и т.д. — простейший пример классификации. С
точки зрения системологии классификация есть структурирование исходного
неупорядоченного множертва. В результате структурирования появляется новое
важнейшее свойство — обозримость.
Очень важную роль в
информационном моделировании играет древовидная информационная модель, являющаяся
одной из самых распространенных типов классификационных структур. Эта модель
строится на основе связи, отражающей отношение части к целому. Очевидно, что
такая связь является безусловной связью типа «один-ко-многим» и графически
может быть изображена в виде дерева. Иерархическая древовидная структура
естественным образом возникает, когда объекты или некоторые их свойства
находятся в отношении соподчинения (вложения, наследования).

Пример 3. В задачнике [5] есть изображение
родословного дерева первых русских князей. На рис. 14.4 изображена схема,
представляющая часть этого дерева.
Обратите внимание учащихся на
то, при каких обстоятельствах уместно такого рода моделирование, и на методику
построения древовидных моделей. Возможность моделирования связана с наличием
однозначно интерпретируемой связи «один-ко-многим». Соответствующие примеры
нетрудно найти; кроме того, целесообразно задать их поиск учащимся (первым
этапом может быть, например, построение генеалогического дерева собственной
семьи по мужской линии).

Строится дерево, начиная с
«главной» вершины — так называемого корня (или вершины первого уровня). Затем
располагаются вершины второго уровня — они «подчинены» корню, но не друг другу.
Их взаимосвязи друг с другом если и наличествуют, то не по тому виду связи,
который положен в основу построения модели (так, на рис. 14.4 в основу
построения положена связь «отец-сын», а связи типа «брат-брат» не учитываются).
Рассмотренное выше дерево —
это частный случай графовой структуры. В целом же графы являются мощной
основой для построения информационных моделей, решения огромного числа задач
информационного моделирования.
Методика построения графовых
моделей подразумевает первоначальное знакомство учащихся с элементами теории
графов (если это знакомство не состоялось в базовом курсе информатики).
Вначале формируется
представление о графе как специальной графической форме представления
информации о составе и структуре системы. Вводятся понятия о вершинах и дугах
графа, об ориентированном и неориентированном графе. Делается это с помощью
примеров. Так, можно увязать первый из рассматриваемых примеров с обыкновенной
картой дорог. На такой карте кружки — вершины графа, линии без стрелок — ребра.
Расстановка стрелок была бы на таком графе неразумной, так как по дороге можно
ездить в обе стороны.
Пример ориентированного графа
можно дать с помощью схемы, отражающей иерархические родственные отношения.
Достаточно видоизменить рис. 14.4, и он предстанет как ориентированный граф, на
котором в вершинах записаны имена князей, а ребра изображаются стрелками — от
отца к сыну.
Вообще, деревом называют
любой граф, в котором нет петель, т.е. связанных по замкнутой линии вершин.
Так, граф, связанный с картиной дорог, нельзя представить в виде дерева, а
соответствующая система не является иерархической.
Геометрические построения
различных графов следует отрабатывать в процессе выполнения заданий. Многие
такие задания можно найти в задачнике [5].
Блок-схемы алгоритмов как
графы. Учитывая характер
изучаемого предмета, на этом этапе уместно вспомнить правила построения
блок-схем алгоритмов (при структурной алгоритмизации) и интерпретировать их как
графы. На блок-схемах вершины — действия, дуги — последовательность их выполнения.
Например, на рис. 14.5 изображена схема алгоритма типа «развилка в цикле».

Рис. 14.5.
Блок-схема алгоритма как граф

При углубленном изучении
графовых структур после полуэмпирической отработки основных понятий возможно
подойти к вопросу более детально. При этом вводятся понятия матрицы
смежности, матрицы инцидентности и матрицы достижимости (см.
литературу по теории графов). Цель введения этих понятий — обсуждение вопроса о
вводе информации, представленной в виде графа, в компьютер. Построение
указанных матриц позволяет реализовать ввод произвольного графа в числовом виде
и его последующую обработку без привлечения графических средств.
Табличные информационные
модели. Информационная
модель, выраженная при помощи таблиц, является чрезвычайно распространенной.
Табличные (реляционные) модели используют, когда элементы структуры относительно
равноправны.
В базовый курс информатики
чаще всего включено введение в табличные модели представления данных. Более
детальное обсуждение методики построения табличных информационных моделей
удобно совместить с обсуждением методики углубленного изучения темы «Базы
данных», проводимой в главе 15 данного пособия.

Тема «Логико-лингвистические
информационные модели»

Под логико-лингвистической
моделью понимается среда для моделирования некоторого класса объектов. В этих
моделях выделяют такие компоненты, как синтаксис, семантику, логику и правила
вывода.
Данная тема открывает широкие
возможности для изучения вопросов, пограничных в информатике и лингвистике. Как
известно, лингвистика — наука о языке. Языки можно разделить на две
группы: естественные и искусственные. Естественные языки
(русский, английский и т.д.) мало формализованы; тем не менее свободное
описание предмета или процесса на таких языках является своеобразной моделью
этого предмета или процесса. Такую модель часто называют вербальной. В
определенном смысле можно считать, что любое литературное произведение есть
вербальная модель того явления, о котором оно написано.
Однако не всякое
моделирование (равно как и не всякий информационный процесс) следует считать
объектом приложения информатики. Непременным атрибутом языка, на котором
строится любая информационная модель, является наличие формализации. Эта
формализация может быть очень жесткой (например, язык программирования, в
котором почти всегда перестановка двух рядом стоящих символов означает или
изменение смысла фразы, или ее обессмысливание); формализация может быть
существенно менее жесткой (например, при использовании языка математических
формул). В информатике проблемы формализации языка играют важную роль.
Большинство ученых, работающих в этой сфере, считают, что любой естественный
язык формализован недостаточно для того, чтобы непосредственно строить
информационные модели, причастные к информатике.
Недостаточная формализация
живого языка препятствует эффективному решению таких задач, как машинный
перевод, распознавание смысла текстов, вводимых человеком в диалоге
«человек-компьютер» (и, как следствие, невозможность создать обучающие
компьютерные программы столь же эффективные, как учитель-человек).
Во вводной беседе на эту тему
уместно ввести учащихся в круг проблем искусственного интеллекта, связанных с
моделированием в сфере языка: представление знаний, моделирование рассуждений,
компьютерная лингвистика, машинный перевод. Цель — общее развитие учащихся,
привлечение их внимания к принципиальным проблемам, имеющим в то же время
большое прикладное значение.
Говоря о представлении
знаний, следует обсудить вопрос: что такое «знание»? Затем, опираясь на
имеющиеся у учащихся знания по программированию, уточните, что знания можно
подразделить на декларативные и процедурные (способ изложения зависит от того,
было ли у учащихся ранее знакомство с идеями, лежащими в основе декларативного
программирования). Затем перейдите к вопросу о формах представления
(моделирования) знаний и обсудите три типа формальных моделей: логическую,
сетевую и продукционную.
В отношении чисто логической
модели представления знаний уместно ограничиться сообщением о том, что этот
путь существует, но в настоящее время потеснен другими. Исчисление предикатов,
лежащее в основе логического моделирования знаний, является достаточно сложной
математической теорией и рассматривать его в школьном курсе нецелесообразно,
тем более что в современной практике компьютерного моделирования оно почти не
используется.
Обсудите методику введения в
сетевые модели представления знаний. Этот способ моделирования опирается на
наглядные схемы и вполне доступен. Его основная идея состоит в том, что любое
знание можно представить в виде совокупности объектов (понятий) и связей
(отношений) между ними. На простом примере реализуйте такое представление и
переведите его в графическую форму, а затем поручите учащимся выполнить такое
моделирование (на самостоятельно выбранных примерах или предложенных учителем).

Пример. Рассмотрим следующий текст: «Из гаража
выпущен на линию автобус. Он работает 8 часов и возвращается в гараж. В случае
неисправности он следуют в ремонтную зону».
Выделим объекты, фигурирующие
в этом примере: «автобус», «гараж», «ремонтная зона». Понятия: «работать 8
часов». Отношения: «выпустить на линию», «быть исправным», «быть неисправным»,
«вернуться в гараж». Теперь построим представление знаний, зафиксированных в
этом тексте,^ виде семантической сети, в которой понятия и объекты представлены
в виде вершин сети, а отношения — в виде линий, связывающих соответствующие
вершины (рис. 14.6).

Рис. 14.6.
Пример семантической сети

В процессе построения модели
обратите внимание учащихся на то, что любой текст, описывающий реальные
ситуации, всегда можно смоделировать таким образом. Для подтверждения этого
предложите им либо построить модели по представленным преподавателем текстам,
либо — по собственным (не слишком сложным).
Непосредственно в ходе
указанных построений у учащихся возникает представление о неоднозначности
выполнения задания. Оно вполне справедливо: представление (моделирование)
знаний с помощью семантических сетей действительно неоднозначно, что
ограничивает применимость этого вида моделирования для решения практически
важных задач.
При изучении данной темы
возникает проблема отсутствия компьютерной поддержки. Поскольку профильный курс
информатики без нее вряд ли возможен, то эта тема может рассматриваться лишь
как часть профильного курса.
Продукционная модель
представления знаний реализуется в виде ядра продукции, которое состоит из
системы фраз типа «Если А то В» и некоторых вспомогательных
элементов. На продукционном принципе моделирования знаний построен язык
программирования Пролог, который (вместе с изучением самих принципов) вполне
может быть темой профильно-ориентированного курса информатики. Соответствующие
вопросы рассматриваются в подразделе 15.7.
Разговор о логико-лингвистических
информационных моделях уместно использовать и для достижения иных, не указанных
выше, общеобразовательных целей — для знакомства с компьютерной
лингвистикой. Данная наука также связана с моделированием в сфере языка.
Вопросы анализа текстов на естественном языке, машинного перевода, синтеза
текстов на естественном языке могут стать темами для рефератов, докладов
учащихся.
Язык программирования
Паскаль как логико-лингвистическая модель. Любой язык программирования является логико-лингвистической
моделью языка. Назначением такого языка является запись алгоритма решения задачи
в виде, пригодном для ее реализации на ЭВМ.
Для изучения данной темы
предпочтительным является язык высокого уровня. Так как Паскаль наиболее
используем в обучении программированию, дальнейшие обсуждения ограничим им.
Поскольку исполнителем программы является ЭВМ, построенная по законам
математической логики, то текст любой программы должен быть однозначно
интерпретируем. Двусмысленности, свойственные «естественному» языку, здесь
неприемлемы. Язык программирования должен быть жёсток и по синтаксису, т. е.
правилам приемлемого сочетания символов языка, и по семантике, т.е. смыслу,
придаваемому каждой допустимой конструкции.
В силу этого встает проблема
формального описания правил синтаксиса и семантики языков программирования. В
«естественном» языке такая проблема тоже существует; по отношению к синтаксису
она регулируется известными правилами правописания, по отношению к семантике —
с помощью толковых словарей и т.д. Характерная черта «естественного» языка —
принципиальная невозможность сформулировать эти правила полностью, так, чтобы
однозначно исчерпать все возможные проблемы. Более того, письменный язык не
вполне совпадает с устным, а один диалект естественного языка — с другим.
Следует обратить внимание учащихся на то, что в этом проявляется не столько
недостаток «естественного» языка, сколько его достоинство, возможность описать
не только рационалистическую, но и эмоциональную сферу человека.
Проблемы формального описания
искусственных языков (языков программирования) возникли при создании первых из
них в конце 1940-х — начале 1950-х гг. Естественно, что для подобного описания
нужен язык, стоящий «над» тем, который описывается — так называемый метаязык.
Из двух чаще всего используемых профессионалами метаязыков в методическом
плане представляется более подходящим и простым для понимания язык
синтаксических диаграмм Вирта. Еще один методический довод в его пользу —
изображение в виде специфического ориентированного графа, что создает некоторое
единство при изучении информационных моделей.
Цель изучения синтаксических
диаграмм состоит в показе идеи построения информационной логико-структурной
модели известного учащимся языка. Не следует ставить задачи построения полного
набора диаграмм, описывающих язык Паскаль (его можно найти в справочных
изданиях).
Вначале проведите следующее
рассуждение. В любом языке есть изначальные базовые понятия, которые нуждаются
не в разъяснении, а в перечислении. В русском языке, например, это буквы кириллицы
— они просто есть и не несут особой смысловой нагрузки. В Паскале такую роль
играют символы, составляющие алфавит языка, и служебные слова. Признаком такого
не нуждающегося в разъяснениях объекта в синтаксической диаграмме является то,
что он заключен в овал (или кружок):

Все остальные объекты на
синтаксической диаграмме заключаются в прямоугольники. Каждый такой объект
нуждается в точном однозначном определении того, что он означает;
соответствующее определение дается отдельной для каждого объекта синтаксической
диаграммой.
Примеры построения
синтаксических диаграмм начните с простейших понятий языка. Например, таким
примером может быть понятие «программа»:

Важную роль на диаграмме
играют линии, соединяющие отдельные объекты. В предыдущем примере в этот смысле
все просто: линия со стрелкой — направление перемещения по диаграмме. Однако
эти линии могут раздваиваться; всякое раздвоение передается словом «или» и
означает возможность двигаться по любой ветви. Приводим диаграмму понятия
«заголовок», взятую из базовой версии языка Паскаль (обратите внимание
учащихся, что пока нет диаграмм для каждого из объектов языка, кроме базовых,
описание его не закончено, рис. 14.6):

Рис. 14.6. Диаграмма понятия
«заголовок»

С помощью этой диаграммы
отрабатываем правильное понимание раздвоений линий. То, что после
прямоугольника со словом «идентификатор» линия раздвоилась, означает, что далее
следует или символ «точка с запятой», или скобка — в зависимости от смысла
выстраиваемой конструкции. Поскольку учащиеся знают основы Паскаля, то на этом
этапе методически целесообразно привести примеры содержательных конструкций
заголовка — как верные, так и неверные синтаксически:
a) program rt; б) program n2 (а,b8);
в) program xu (. Вариант в) очевидным образом неверен, но
надо доказать это, «проведя пальцем» по синтаксической диаграмме. В этом
примере мы использовали то, что учащиеся фактически знают: как можно и нельзя
строить идентификаторы. Однако следует подчеркнуть, что пока мы не изобразим
синтаксическую диаграмму понятия «идентификатор», наши действия по анализу
примера не являются формально полными. Соответствующая диаграмма очень проста:

Методически полезно
сопоставить диаграмму с попыткой точного словесного определения, эквивалентного
диаграмме. Так, в случае понятия «программа» такое определение очень легко
привести: «Программа состоит из последовательно идущих заголовка, блока и
точки». Однако словесные эквиваленты быстро усложняются, а иногда становятся
неоднозначными. Для доказательства поручите учащимся сформулировать словесно,
например, понятие «заголовок».
С еще большей очевидностью
полезность и однозначность лингвистического моделирование понятий Паскаля
проявляется на более сложных конструкциях. Разберите, например, знакомую
учащимся конструкцию «оператор множественного ветвления» (рис. 14.7):

Рис. 14.7. Оператор
множественного ветвления

Ее полный словесный пересказ
весьма длинен, затруднителен и к нему, как правило, можно придраться в связи с
неоднозначностью — начинает сказываться неформализованное^ «естественного» (в
данном случае русского) языка. Сделайте попытку сопоставления; в качестве
домашнего задания можно поручить учащимся проделать то же в отношении различных
понятий Паскаля, снабдив их при этом соответствующими синтаксическими
диаграммами.
В конце изучения данной темы
уместно связать однозначность языка программирования, наличие строгого описания
смысла конструкций, с процессом трансляции программ. Вопрос этот достаточно
сложен, но нетрудно добиться осознания того, что в трансляторе все эти правила
заложены и что лексический, синтаксический и семантический анализ текста
программы является частью процесса трансляции, так как каждый из учащихся имеет
опыт отладки простых программ и видел, что происходит при наличии ошибок.
Язык управления учебными
исполнителями как логико-лингвистическая модель. Другие логико-лингвистические модели,
вполне доступные для изучения, связаны с многочисленными учебными исполнителями.
Их использование при изучении информатики является методически полностью
оправданным, особенно на ранних этапах.
Обсудим план построения
соответствующей беседы (урока), базируясь на Черепашке ЛОГО — одном из самых
популярных учебных исполнителей. Цель урока — не изучение языка ЛОГО
(предполагается, что учащиеся с ним знакомы), а выявление его как
логико-лингвистической модели. Однако этот урок вполне уместно сопроводить
работой за компьютером.
Итак, выбрав некоторую версию
«Черепашки» (они довольно сильно различаются друг от друга), начнем разговор о
том, что Черепашка ЛОГО есть простейшая модель объекта, который может:
• перемещаться по некоторому
полю в заданном направлении на заданное расстояние;
• менять направление
перемещения;
• реагировать на достижение
границы поля;
• оставлять или не оставлять
за собой след.
Кроме того, «Черепашка» может
выполнять достаточно сложные логические предписания (движения в зависимости от
условий, циклические движения).
Методически урок может быть
построен следующим образом.
1. Напомните учащимся о ЛОГО.
2. Сопоставляя движение
реальной черепахи с Черепашкой ЛОГО, обсудите, в каком смысле второе является
моделью первого (цели моделирования, какие сделаны огрубления и т.д.).
3. Постройте метаязык,
описывающий язык управления ЛОГО-черепашкой. Аппаратом для этого может быть
язык синтаксических диаграмм Вирта. Возможная последовательность действий:
• выявите базовые понятия
языка ЛОГО;
• выявите основные
конструкции;
• постройте набор
синтаксических диаграмм (частично или полностью, в зависимости от ситуации).

Тема «Технология компьютерного
математического моделирования»

Целесообразно вводные занятия
по этой теме проводить в виде беседы, привлекая знания учеников по различным
общеобразовательным дисциплинам, их жизненный опыт. Изложение необходимо
иллюстрировать большим количеством примеров.
Особая роль первого раздела
заключается в том, что здесь повторяются и обобщаются основные понятия
компьютерного математического моделирования (КММ), известные из базового курса
информатики, вводятся новые — «моделирование», «информационное моделирование»,
«математическое моделирование», «формализация», «идентификация модели» и др.
Другой важный аспект темы —
формирование представления об этапах компьютерного математического
моделирования. Здесь, с одной стороны, фигурируют приведенные выше понятия, с
другой — присутствует полная технологическая цепочка КММ. Конечно, все эти
этапы будут неоднократно повторяться при исследовании конкретных процессов
(объектов), но основы закладываются именно на вводных занятиях. Действительно,
одним из условий успешного усвоения учащимися систематического курса КММ
является наличие у них хорошо развитых представлений об этапах КММ, о значении
каждого из этапов.
При обсуждении этапов КММ
можно использовать общую схему абстрактного моделирования, изображенную выше на
рис. 13.4. Обсуждение следует конкретизировать, учитывая особенности именно
математического моделирования.
Формализованная схема
является промежуточным звеном между содержательным описанием и математической
моделью и разрабатывается в тех случаях, когда из-за сложности исследуемого
процесса переход от содержательного описания к математической модели
оказывается невозможным. На этапе построения формализованной схемы должна быть
дана точная математическая задача исследования с указанием окончательного
перечня искомых величин и оцениваемых зависимостей.
Прежде всего составляется
список величин, от которых зависит поведение объекта или ход процесса, а также
список тех величин, которые желательно получить в результате моделирования.

где Fj -  символически обозначает некоторые математические операции
над входными величинами.
Важнейшим этапом
моделирования является разделение входных параметров по степени важности
влияния их изменений на выходные. Такой процесс называется ранжированием. Чаще
всего невозможно, да и не нужно, учитывать все факторы, которые могут повлиять
на значения интересующих нас величин yj. От того, насколько умело выделены важнейшие факторы, зависит успех
моделирования, быстрота и эффективность достижения цели. Отбрасывание менее
значимых факторов огрубляет модель и способствует пониманию главных свойств и
закономерностей объекта моделирования.
На этапе перехода от
формализованной схемы к математической модели необходимо перейти от абстрактной
формулировки к формулировке, имеющей конкретное математическое наполнение. В этот
момент модель предстанет перед нами в виде уравнения, системы уравнений,
неравенств, матриц, дифференциальных уравнений и т. д.
В беседе следует подчеркнуть
тот факт, что математическое моделирование отнюдь не всегда требует
компьютерной поддержки. Каждый специалист, профессионально занимающийся
математическим моделированием, делает все возможное для аналитического
исследования модели. Аналитические решения (т.е. представленные формулами,
выражающими результаты исследования через исходные данные) обычно удобнее и
информативнее численных. Возможности аналитических методов решения сложных
математических задач, однако, очень ограничены и, как правило, гораздо сложнее
численных. Поэтому при проведении занятий по КММ в школе следует пользоваться
численными методами, реализуемыми на компьютерах. Это создает определенное
методическое единство курса и заметно снижает барьер необходимой математической
подготовки учащихся. Разумеется, и в численные методы при профессиональном занятии
математическим моделированием приходится углубляться настолько, что при этом
требуется значительное математическое образование, но можно попытаться в
школьной практике ограничиться лишь простейшими из них.
И, наконец, после изучения
этого раздела учащиеся должны уяснить подходы к классификации компьютерных
математических моделей. Как известно, бывают классификации моделей по
используемому математическому аппарату, по отраслям наук и т.д. Наиболее
органичной представляется классификация по целям моделирования. Действительно,
выделение целей моделирования — это первое, что необходимо сделать перед
содержательным описанием и формализацией объекта (процесса), и в конечном итоге
именно цели моделирования определяют, какая модель будет построена. При этом
важно подчеркнуть, что в зависимости от целей моделирования и выбранных
факторов для одного и того же процесса можно получить существенно различающиеся
математические модели. Учителю следует привести примеры постановки задач,
приводящих к моделям, относящимся к основным классам: дескриптивным, оптимизационным,
многокритериальным, игровым, имитационным.

Тема «Моделирование физических процессов»

Эта тема фигурирует в
нескольких вариантах курса компьютерного моделирования. Причина — традиции и
относительная простота решаемых задач, их близость школьному курсу физики.
Как правило, эта тема
является началом к изложению компьютерного моделирования в физике. Поэтому ей
может предшествовать вводная лекция (беседа) о компьютерном моделировании
физических процессов в целом.
В начале на ряде примеров
проиллюстрируйте утверждение, что физика — наука, в которой математическое
моделирование является чрезвычайно важным методом исследования. Причину этого в
целом можно сформулировать так: при максимальном проникновении в физику
математических методов, порой доходящем до фактического сращивания этих наук,
реальные возможности решения возникающих математических задач традиционными
методами очень ограничены.
Во многих вариантах курса
компьютерного моделирования математические модели в физике по праву занимают
больший объем по сравнению с другими, и на их изучение отводится большее
количество времени. Действительно, создание той или иной модели физического
процесса является естественным и не требует некоторых искусственных приемов, к
которым часто приходит прибегать в других предметных областях. Поэтому
восприятие этих математических описаний процессов или явлений не вызывает у
учащихся, по крайней мере, психологических трудностей. В профильном курсе,
ориентированном на учащихся, специализирующихся по физико-математическому и
естественнонаучному профилю, целесообразно наибольшее внимание уделить именно
моделям физики.
Перечень рассматриваемых
вопросов может быть таков:
• движение тел с учетом
сопротивления среды;
• движение маятника с учетом
сопротивления среды, вынужденные колебания, резонанс и т.д.;
Обозначив первые (входные)
величины через х1, х2, ..., хn, а вторые (выходные) через y1, у2, ..., yk , можно поведение объекта или процесса символически представить в
виде

• движение небесных тел (задача
двух тел);
• движение электрических
зарядов;
• тепломассоперенос (на
примере процесса теплопроводности в линейном стержне).
Номенклатура компьютерных
математических моделей в физике может ориентироваться на подготовленность и
интересы учащихся, их специализацию в том или ином разделе физики.
Цели обучения: t
• ввести в КММ на примере моделей из области
физики;
• отработать схемы
вычислительного эксперимента на сравнительно простых, знакомых по курсу физики
задачах.
Поставленные задачи обучения
считаются успешно выполненными, если у учащихся вырабатывается комплекс
указанных ниже знаний, умений и навыков.
Изучение каждой новой
содержательной задачи и, как следствие, получение новой математической модели
требует мотивировки целесообразности ее введения. Мотивировка может, во-первых,
опираться на жизненный опыт учащихся, во-вторых, достигаться путем разрешения
проблемной ситуации.
Моделирование процессов
движения тел в среде. При
моделировании процесса движения тела, прежде всего, целесообразно рассмотреть
традиционные для школьного курса физики динамические модели, но с учетом
сопротивления среды. Это свободное падение тела, полет тела, брошенного под
углом к горизонту, движение тела с переменной массой. При этом составляющие
силы сопротивления можно рассмотреть предварительно, перед изучением конкретных
моделей либо в ходе построения одной из моделей.
Более детально обсудим
методику построения компьютерных математических моделей физических процессов и
их последующего исследования на примере нескольких задач.
Первая из них — моделирование
свободного падения тела с учетом сопротивления среды. Основная дидактическая
роль этой наиболее простой задачи — практическое знакомство с этапами
компьютерного математического моделирования, освоение этих этапов, приобретение
навыков формулирования и разрешения учебных проблем, проблемных ситуаций.
Несмотря на то, что на первый взгляд она является простой, при ее исследовании
придется решить ряд серьезных проблем, о чем будет сказано ниже.
В ходе обучения обязательно
придется пользоваться понятиями «предел» и «производная». Понятие «предел» не
вызывает существенных затруднений; в контексте данного обсуждения вполне
достаточно интуитивного понимания предела, сформированного у учащихся к X классу.
Не совсем так обстоит дело с
понятием «производная». Возможны две ситуации:
1) учащиеся вполне владеют
понятием и дифференциальная форма записи второго закона Ньютона (и последующих
при решении конкретных задач дифференциальных уравнений) будет им понятна (при
этом никакой техники дифференцирования, тем более решения дифференциальных
уравнений, не требуется);
2) учащиеся не знакомы с этим
понятием; в этом случае необходимо сделать математическое отступление и
пояснить понятие «производная», на что, как показывает опыт, вполне достаточно
одного урока.
Другая методическая проблема,
которую необходимо решить, — ,t строить модели динамических процессов в виде дифференциальных или
конечно-разностных уравнений. Как показывает практика, учащиеся
физико-математических классов вполне способны воспринять дифференциальные
уравнения и численные методы их решения. Для этого достаточно ввести дифференциальные
уравнения и объяснить простейшие численные методы их решения, базируясь на
физическом и геометрическом смысле производной.
При использовании численных
методов интегрирования дифференциальных уравнений разумно рассмотреть явные
схемы невысокого порядка (не выше второго); если кто-либо из учащихся проявит
интерес именно к методам решения систем дифференциальных уравнений и их
устойчивости, то следует предложить им самостоятельно изучить литературу, где
излагаются явные ме-тоды более высокого порядка либо неявные схемы. Такой
подход (подтвердил свою жизнеспособность.
При изучении динамических
процессов в менее подготовленной аудитории рекомендуется ограничиться
конечно-разностными уравнениями. Любую модель из рассмотренных ниже можно
сформулировать в конечно-разностном виде, вообще не упоминая о дифференциальных
уравнениях (примеры далее приводятся).
Свободное падение тела с
учетом сопротивления среды. В этой и многих других физических задачах, на основе которых
строятся модели, фундаментальную роль играет второй закон Ньютона — основа
динамики. Формулируем его вначале в «школьной» форме  , а затем, чтобы исследовать
реалистические ситуации, необходимо подвести учащихся к более общей математической
форме. Проводим следующее рассуждение: если движение происходит с переменной
скоростью, то, как известно учащимся, для его характеристики привлекаются два
понятия: средняя скорость за некоторый промежуток времени Dt, равная отношению —   ,
где DS — пройденный путь и мгновенная скорость в данный момент
времени t, которая на математическом языке записывается как  . Точно так же при движении с постоянным
ускорением можно ввести два понятия — среднее ускорение за время Dt, равное , и мгновенное
ускорение в момент t:  .
В стандартных математических
обозначениях  , т. е. мгновенная
скорость есть производная от перемещения по времени, а мгновенное ускорение —
производная от скорости по времени. Второй закон Ньютона в уточненной редакции
утверждает: ускорение, с которым движется тело в данный момент времени,
пропорционально действующей на него в этот момент силе и обратно пропорционально
имеющейся в данный момент у тела массы:
                                           (1)
разные записи этого утверждения.
Приведенное рассуждение
является типичным для этой темы обоснованием перехода от дискретного к
непрерывному.
Далее отмечаем, что при
реальных физических движениях тел в газовой или жидкостной среде трение
накладывает огромный отпечаток на характер движения. Очевидно, что предмет,
сброшенный с большой высоты (например, парашютист, прыгнувший с самолета),
вовсе не движется равноускоренно, так как по мере набора скорости возрастает
сила сопротивления среды.
Поясните учащимся, что
закономерности, связывающие силу сопротивления со скоростью движения тела,
носят эмпирический характер и отнюдь не имеют столь строгой и четкой формулировки,
как второй закон Ньютона. Приведите эти закономерности (при этом вполне
достаточно ограничиться линейной и квадратичной по скорости составляющими силы
сопротивления:
.
Рассмотрим свободное падение
с учетом сопротивления среды. Математическая модель движения — это уравнение
второго закона Ньютона с учетом двух сил, действующих на тело — силы тяжести и
силы сопротивления среды. Движение является одномерным; проецируя векторное
уравнение на ось, направленную вертикально вниз, получаем:
                                  (2)
При выводе уравнения
целесообразно изобразить на рисунке силы, действующие на тело; это будет
способствовать наилучшему восприятию полученного уравнения и не вызовет
дополнительных вопросов.
Вопрос, который следует
обсуждать на первом этапе, таков: каков характер зависимости скорости от
времени, если все параметры, входящие в последнее уравнение, заданы? При такой
постановке модель носит сугубо дескриптивный характер.
На этом этапе возникает
вопрос о способах решения дифференциальных уравнений. Очевидный ответ:
универсальные методы их решения — численные. Для начала вполне достаточно
ограничиться методом Эйлера. Проводим следующее рассуждение: если на основании
определения производной заменить ее в уравнении (2) конечно-разностным
отношением , то, зная скорость v0 в начальный момент времени t = 0 и обозначив ее как v1 в
момент Dt, перепишем уравнение в виде
                           (3)
Если далее понимать под v} приближенное значение скорости в момент Dt, то получим формулу для вычисления v1:
                           (4)
Это и есть формула метода
Эйлера.
Далее рассуждение ведется по
индукции. Располагая значением v1 можно, отталкиваясь от него, найти v2 и т.д. Общая формула метода Эйлера применительно к данной задаче
такова:
                         (5)
Возникает следующая проблема:
до каких пор проводить расчеты? В данной задаче естественным представляется
ответ: до падения тела на землю. Для обнаружения этого события необходимо
рассчитывать не только скорость, но и пройденный путь. Поскольку перемещение
связано со скоростью соотношением , то, проводя
схожие с приведенными выше рассуждения, приходим ко второму разностному
уравнению sn+l = sn + vn×Dt, решаемому одновременно с первым. Иначе
говоря, мы применили метод Эйлера к системе дифференциальных уравнений.
Решая эту систему при заданных начальных условиях v(0) = v0, s(0) = s0, получим таблицу значений функций v(t), s(t).
Важные, тесно связанные между
собой методическая и содержательная проблемы — это контроль точности и выбор
шага по времени Dt. Казалось бы, чем меньше шаг, тем точнее решение, но, во-первых,
это утверждение не является вполне верным (причины обсудим ниже), а во-вторых,
при очень мелком шаге расчетов «результатов» слишком много и они становятся
необозримыми. Отсюда возникает еще одна методическая проблема: как выбрать шаг
по времени для вывода значений перемещения и скорости на экран. Этот шаг выбирается
из соображений разумной достаточности информации и обозримости представления
результатов на экране; из практических соображений удобно, если он кратен Dt (реально шаг вывода результатов может
составлять десятки и сотни  Dt).
Кроме того, ставится задача:
представить полученные результаты в наиболее удобном для восприятия виде. Это
могут быть графики зависимостей v(t), s(t); изображение процесса падения в динамике
(здесь возможны вариации).
Как отмечалось выше, если
математическая подготовка учащихся недостаточна, проводить моделирование на
основе дифференциальных уравнений затруднительно и нецелесообразно. Возможный
выход — использование конечно-разностных уравнений. К построению модели и учету
факторов, влияющих на изучаемое явление или процесс, подходим на должном уровне
строгости, но предельный переход не выполняем, останавливаемся и записываем
вместо дифференциальных соответствующие конечно-разностные уравнения. Проведем
соответствующее несложное рассуждение, в котором упоминание о дифференциальных
уравнениях отсутствует полностью.
Вспомним, что ускорение есть
приращение скорости, а скорость — приращение перемещения: . Знаки приближенного равенства
свидетельствуют о том, что эти соотношения тем точнее, чем меньше промежуток Dt; в пределе Dt ® 0 они становятся точными.
Если в некоторый момент
времени t0 величина s имеет значение
s0, а величина v — значение v0,
то в некоторый
последующий момент времени t1 = t0 + Dt будем иметь:

 Здесь введены обозначения F0 = F(t0, v0, s0), m0 =  m(t0, v0, s0).
При вычислениях значений v и s в последующие моменты времени можно поступать аналогично (6). Так,
если известны значения vi и si в момент ti, то

                 (7)
На самом деле мы,
естественно, пришли к формулам метода Эйлера, но методически иначе, даже не
упоминая о дифференциальных уравнениях.
При построении этой и
подобной ей моделей следует обратить внимание учащихся на то, что в разбиении
непрерывного времени на отрезки длиной Dt
проявляется одна из фундаментальных идей информатики об универсальности
дискретной формы представления информации, отраженная как в конструкции
компьютера, так и во множестве приложений информатики.
Вопрос о выборе конкретного
значения Dt весьма непрост и определяется следующими
соображениями. При компьютерном моделировании мы можем получить решение задачи
о движении тела на некотором конечном отрезке времени [t0, Т]. Чем
меньше величина Dt:
а) тем больше вычислений
требуется, для того чтобы пройти весь заданный временной интервал;
б) тем выше точность в
передаче значений непрерывных функций s(t), v(t) их
дискретными представлениями — наборами чисел si = s(ti), vi = v(ti).
Вопрос о точности результатов
является в описываемом моделировании одним из центральных. Он распадается на
два: как оценить эту точность и можно ли, уменьшая Dt, достигать все большей точности?
Остановимся вначале на
первом. Теоретические оценки точности слишком сложны и на практике часто
неприменимы. Самый популярный эмпирический прием оценки точности заключается в
следующем: отрезок [t0, Т] проходится с некоторым шагом Dt, а затем с существенно меньшим (например,
в два раза) шагом. Сравнение результатов в точках t1, t2, ..., T позволяет составить представление о
реальной точности результатов. Если она недостаточна, то следует повторить
процесс с еще меньшим шагом.
Однако уменьшение Dt, как ни странно, не всегда ведет к улучшению результатов моделирования.
Одна из причин в том, что чем меньше шаг, тем больше арифметических действий и
тем больше шансов увеличить чисто вычислительную погрешность округления, всегда
сопутствующую компьютерным вычислениям. Другая причина глубже и связана со
способом дискретизации — перехода от описания реально непрерывного процесса
движения тел к описанию по простейшим формулам (4) — (7). Обе вместе могут
привести к неустойчивости решения, т. е. получению результатов, не имеющих
реально ничего общего с истинными. Обычно неустойчивость становится заметной
при повторениях процесса с уменьшением шага Dt.
Способы дискретизации,
ведущие к более устойчивым методам решения таких задач, описаны в литературе
(см., в частности, [5, 9]).
Отметим, что существует
немало компьютерных программ, моделирующих простые физические процессы. У них
реализован, в той или иной мере профессионально, диалоговый интерфейс, позволяющий
вводить параметры, получать на экране таблицы, графики, движущиеся изображения.
Однако при их использовании остаются скрытыми физические законы, определяющие
процесс, ограничения модели, возможности ее усовершенствования. Такие программы
полезны скорее как иллюстративные. Поэтому более целесообразно нацеливать
учащихся на самостоятельную разработку программ.
В некоторых случаях для
ускорения процесса работы над какой-либо задачей целесообразно вместо
составления программы воспользоваться прикладной программой (например,
табличным процессором или математическим пакетом типа MathLab, что, впрочем, уже потребует дополнительных усилий).
Для того чтобы
продемонстрировать учащимся практическую значимость решаемых задач, построенных
математических моделей, целесообразно предложить содержательную проблему, для
решения которой необходимо применить построенную модель, предварительно
формализовав задачу и выполнив ранжирование факторов. В качестве такой
содержательной задачи может, например, выступать задача о полете парашютиста.
Проведем детальное моделирование. Перед тем как его начинать, необходимо решить
вопрос об удобных способах представления результатов. Разумеется, колонка
чисел, выдачи которой проще всего добиться от компьютера при численном
моделировании, желательна. Однако слишком много чисел в колонке быть не должно,
их трудно будет воспринимать, поэтому шаг, с которым заполняется таблица,
вообще говоря, гораздо больше шага, с которым интегрируется дифференциальное
уравнение, т.е. далеко не все значения vh найденные компьютером, следует записывать
в результирующую таблицу.
Кроме таблицы необходим
график зависимости v(t); по нему хорошо видно, как меняется скорость со временем, т.е.
происходит качественное понимание процесса.
Еще один элемент наглядности
может внести изображение падающего тела через равные промежутки времени. Ясно,
что при стабилизации скорости расстояния между изображениями станут равными.
Изображениям в разные моменты можно придать разный цвет — от «холодного»
зеленого при относительно малых скоростях до «горячего» красного при высоких
скоростях — прием условных цветов, широко используемый в современной научной
графике.
Наконец, можно
запрограммировать звуковые сигналы, которые подаются через каждый фиксированный
отрезок пути, пройденный телом — скажем, через каждый метр или 100 метров,
смотря по конкретным обстоятельствам. Надо выбрать интервал так, чтобы вначале
сигналы были редкими, а потом, с ростом скорости, сигнал слышался все чаще,
пока промежутки не сравняются.
Решение будем выполнять до
тех пор, пока парашютист не опустится на землю. Шаг интегрирования
дифференциального уравнения можно подобрать методом проб и ошибок, решая
уравнение несколько раз, начав, например, с заведомо большого значения Dt = 0,1 с и постепенно уменьшая его до тех
пор, пока качество решения не станет приемлемым.
Полное моделирование включает
изучение временной зависимости не только скорости, но и пройденного телом пути.
Не сделав последнего, можно в конкретных ситуациях получить бессмысленный
физически результат. Например, парашютист прыгает с самолета и через некоторое
время достигает вполне безопасной для приземления скорости 10 м/с. Но сколько
он перед этим пролетел? Если это расстояние много больше высоты, с которой
состоялся прыжок, то фактическая скорость приземления много выше, и это ничего
хорошего не сулит.
Компьютерная реализация этой
модели может быть выполнена программированием как на традиционном языке
программирования (Паскаль, Бейсик и др.), так и, например, в электронных
таблицах. Частичное тестирование программ можно проводить при k2 = 0, т.е. для движения без трения. Решение в этом случае очевидно
(свободное падение).
Как отмечалось выше,
методически целесообразным бывает использование табличных процессоров для
моделирования. Результаты решения подобных задач обязательно следует
иллюстрировать графиками зависимости скорости и перемещения от времени (если же
движение неодномерно, тот и изображениями траекторий). Разумеется,
предпочтительным является построение графиков программным путем. Если учащиеся
реализуют программы на языке программирования, то проще всего заложить в
программу еще и построение графиков; если решение реализуется в электронной
таблице, то можно воспользоваться заложенными в эти программы графическими
возможностями.
Следует заметить, что для
хранения результатов расчетов в данном случае требуется очень много ячеек
таблицы, и хотя современные табличные процессоры позволяют хранить большой
объем информации, в случае нехватки памяти рекомендуется увеличить шаг, с
которым проводятся вычисления (снизив при этом точность вычислений). Табличный
процессор позволяет представлять результаты расчетов и в графической форме.
Можно при работе над задачей получить результаты двумя способами: с помощью
табличного процессора и составлением собственной программы — для того, чтобы
затем сравнить эти результаты и временные затраты каждого из способов.
Модели свободно падающего
тела можно придать черты оптимизационной, поставив задачу, например, так:
парашютист прыгает с некоторой высоты и летит, не открывая парашюта; на какой
высоте (или через какое время) ему следует открыть парашют, чтобы иметь к
моменту приземления безопасную скорость? Или по-другому: как связана высота
прыжка с площадью поперечного сечения парашюта (входящей в k2), чтобы скорость приземления была безопасной? Выполнение таких
исследований многократно более трудоемко, нежели просто изучение одного прыжка
при заказанных условиях.
Таким образом, в методическдм
плане рассмотренная модель выигрышна, поскольку, несмотря на свою простоту,
позволяет обсуждать множество связанных с ней проблем.
При выполнении компьютерной
лабораторной работы по исследованию модели можно предложить разноуровневые
учебные задания (рассчитанные, соответственно, на «среднего» и «сильного»
ученика):
1) получить результаты и их
графическое отображение для заданного набора параметров модели;
2) исследовать свободное
падение тела в средах различной вязкости и провести содержательное сравнение
результатов исследования;
3) придать модели черты
оптимизационной (самостоятельно или с помощью учителя), выполнить указанные
исследования, провести содержательное сравнение результатов исследования.
По использованной здесь схеме
могут вводиться и исследоваться другие модели, где учитывается сопротивление
среды. При этом уже нет нужды отвлекаться на изучение численных методов решения
систем дифференциальных уравнений, поскольку это достаточно проделать аккуратно
только один раз, скажем, на примере рассмотренной выше модели.
Перечислим модели движения
тела в среде, которые допускают достаточно простое исследование:
• движение тела, брошенного
под углом к горизонту, с учетом сопротивления среды;
• взлет ракеты (особенность —
масса тела меняется в ходе движения);
• различные задачи на
прицельную стрельбу при движении «снаряда» в среде (в воздухе, под водой и
т.д.).
Многие такие задачи
сформулированы в пособии [6].
При моделировании движения
тел эффективным методическим приемом является обезразмеривание величин,
входящих в математическую модель. Обезразмеривание заключается в том, что
вместо абсолютных единиц системы СИ (или какой-либо другой) переходят к относительным
единицам, естественным именно для данного движения. При этом существенно их
правильно выбрать. Например, при изучении движения тела, брошенного под углом к
горизонту, при отсутствии сопротивления среды легко получить выражения для
дальности полета по горизонтали L, максимальной
высоты полета H, полного времени полета Т (отсылаем
к школьным учебникам физики). Введем новые переменные для скорости, перемещения
и времени. Будем измерять х- и у-компоненты скорости относительно
ее начального значения, перемещение в горизонтальном направлении — относительно
L, в вертикальном — относительно H, время — относительно Т. Это означает введение новых
переменных, которые обозначим так:

Переходя в дифференциальных
уравнениях модели к новым переменным, получаем в них безразмерные комбинации
параметров, определяющих закономерности движения.
Смысл этой деятельности
заключается в следующем. Во-первых, следует подчеркивать большую естественность
в использовании относительных (безразмерных) единиц измерения физических
величин, нежели абсолютных. Диапазон значений безразмерных величин неширок, в
данной задаче, очевидно, что в любой момент времени в ходе движения тела Vx, Vy, X, Y, t < 1. Это удобно, особенно при решении
задач, в которых значения (размерных) переменных изображаются очень малыми или
очень большими числами. Получив, например, в какой-то момент значение Х = 0,3,
мы понимаем, что это составляет 0,3 от максимального движения по горизонтали в
отсутствие трения, т.е. всякий раз чувствуем смысл, чего не скажешь, получив,
например, значение х = 26 м/с.
Важнейшая роль
обезразмеривания — установление законов подобия. У изучаемого движения есть
множество вариантов, определяемых наборами значений параметров, входящих в
исходные уравнения или являющихся для них начальными условиями. После обезразмеривания
переменных появляются безразмерные комбинации параметров, фактически
определяющие характер движения. Если изучаются два разных движения с разными
размерными параметрами, но такие, что значения безразмерных параметров
одинаковы, то движения будут качественно одинаковы (подобны). Число таких
комбинаций обычно меньше числа размерных параметров, что тоже создает удобство
при полном численном исследовании всевозможных ситуаций, связанных с этим процессом.
Сделаем оговорку:
обезразмеривание — полезный методический прием. Однако если учащиеся испытывают
трудности с его пониманием и использованием, настаивать на этом необязательно;
те же по существу результаты можно получить и при использовании уравнений в
размерных переменных.
Моделирование
колебательных движений. В
этой и в последующих обсуждаемых моделях практически откажемся от записи
формул; математические формулировки можно найти в указанной ниже литературе
(например, пособиях [5, 8]).
Колебательные изменения
значений величин встречаются в естественных (природных и общественных) и
искусственных (технических) системах столь часто, что, несомненно, заслуживают
внимания при изучении компьютерного математического моделирования.
По традиции изучение
колебательного движения чаще всего начинается с так называемого математического
маятника — идеализированной системы, состоящей из тела массы т, прикрепленного
к концу жесткого «невесомого» стержня длиной l, верхний конец которого вращается без трения в точке подвеса.
Поскольку его движение при малых амплитудах описано в школьных учебниках физики
и полностью поддается исследованию аналитически, без привлечения компьютера и
численных методов, то методически целесообразно, отметив указанное выше
обстоятельство и напомнив учащимся основные результаты, связанные с малыми
(гармоническими) колебаниями (для удобства эти формулы приведены ниже), перейти
к рассмотрению модели движения математического маятника при произвольном (не
малом) начальном угле отклонения.
Процедура вывода уравнения
движения маятника описана во многих руководствах. Процесс описывается либо в
дифференциальной, либо в конечно-разностной формах. Переменной, относительно
которой записаны уравнения, является q — угол отклонения нити от положения равновесия. В случае колебаний
с малой амплитудой в одном из уравнений можно приближенно заменить sin(q) наq. Задача о
малых колебаниях имеет простое аналитическое решение, приводимое в школьных
учебниках физики. Приводим это решение (гармонические колебания) и обсуждаем
его свойства.
Далее ставим задачу
исследовать процесс колебаний математического маятника с немалой амплитудой.
Она может включать ряд частных заданий; первым из них может быть установление
зависимости периода колебаний от начальной амплитуды и его отклонение от
периода малых колебаний.
Весьма интересным и полезным,
с точки зрения развития учащихся и получения дополнительных знаний, может стать
введение представлений о гармоническом анализе. Поскольку никакое регулярное
введение в теорию рядов Фурье на этом этапе обучения не нужно и невозможно, то
достаточно ограничиться примерно следующим подходом. Уточним еще раз, что такое
периодическая функция, и развеем часто существующее заблуждение, что периодическая
и гармоническая суть одно и то же. Приводим примеры периодических,
но не гармонических зависимостей. Для того чтобы продемонстрировать учащимся,
что такого рода зависимости могут быть аппроксимированы суммой простых
тригонометрических функций, можно привести (без доказательства) соответствующие
ряды и предложить просуммировать (с помощью ЭВМ) возрастающее число гармоник,
наблюдая на экране, как сумма становится все ближе к исходной зависимости.
При немалых колебаниях
движение маятника не является гармоническим, хотя и остается периодическим.
Изучаемое периодическое движение при условии, что в начальный момент маятник
имеет максимальное отклонение и нулевую скорость, можно представить суммой
гармонических, что позволяет увидеть различия между малыми и произвольными
колебаниями маятника, понять методику исследования колебательных движений.
Одним из первых заданий на
пути такого исследования может быть следующее: ограничиваясь немногими членами
ряда, исследовать зависимость амплитуд нескольких первых гармоник от начальной
амплитуды колебаний. Поскольку формулы для коэффициентов Фурье учащимся
незнакомы, то есть два пути: либо, при достаточно глубокой математической
подготовке, «вывести» эти формулы (что представляется исключительным случаем),
либо просто взять на кривой q(t) несколько произвольных (примерно равноотстоящих) точек и
привязать в них наблюдаемую зависимость, т.е., по существу, воспользоваться интерполяцией.
Этот прием, не будучи строгим, тем не менее позволяет найти с достаточной для
наших целей точностью амплитуды нескольких гармоник.
Дальнейшее моделирование
колебаний математического маятника может включать в себя:
• колебания маятника при
наличии трения;
• вынужденные колебания под
действием периодической силы, изучение явлений биений и резонанса при
приближении частоты вынуждающей силы к собственной частоте колебаний маятника;
• колебания маятника с
периодически меняющейся длиной нити подвеса и параметрический резонанс.
Моделирование движения
небесных тел. Указанное
моделирование опирается на знания учащихся, почерпнутые при изучении закона
всемирного тяготения. Оно позволяет углубить знания, связанные с движением тел
Солнечной системы, элементами астрономии.
Тема начинается с
рассмотрения модели движения космического тела (планеты, кометы, спутника) в
гравитационном поле, создаваемом телом с многократно большей массой. Напомните
учащимся физический закон, регулирующий данное движение, — закон всемирного
тяготения; для моделирования существенна запись этого закона в векторной форме.
Важный методический (и
содержательный) момент — выбор системы координат, в которой рассматривается
движение. Если ее центр расположить произвольно, то возникает задача о движении
двух взаимно тяготеющих тел с весьма сложными траекториями. Напомните учащимся,
что исторически астрономы, начиная с Птолемея и включая Коперника,
рассматривали движение относительно одного из тел (т.е., говоря более
формально, в системе координат, связанной с этим телом). В системе Коперника
такой системой координат при изучении Солнечной системы стало Солнце. Это резко
упрощает задачу, позволяет заниматься изучением движения лишь одного из тел.
Процедура получения системы
дифференциальных уравнений движения в указанной системе координат описана в
ряде пособий (см., например, [5, 9]).
Следует обратить внимание
учащихся на то, что в этой задаче особенно неудобно работать с размерными
величинами, измеряемыми миллиардами метров, секунд и т.д. Для выбора типичных
величин, с помощью которых естественно произвести обезразме-ривание, можно
рассуждать так. При некоторых условиях, как известно, орбита движения «малого»
небесного тела может быть круговой. Соотношения параметров, характеризующих эту
круговую орбиту, нетрудно установить, так как при круговом движении сила
тяготения играет роль центростремительной силы. Таким образом, достаточно
произвольно выбрать один параметр — типичное расстояние, а для скорости и
времени параметры для обезразмеривания тем самым найдены.
В качестве первой
содержательной задачи можно рассмотреть движение небесных тел вокруг Солнца.
Тогда в качестве типичного расстояния естественно принять характерное
расстояние от Земли до Солнца (так называемая астрономическая единица). После
обезразмеривания оказывается, что уравнения в безразмерных переменных вообще не
содержат параметров! Единственное, что отличает режимы движения друг от друга —
это начальные условия.
Вернемся к исследованию
движения небесных тел в Солнечной системе. Учащиеся задают некоторые (возможно,
произвольные) начальные условия и интегрируют уравнения. Первая цель —
построить траекторию движения и поэкспериментировать, как она будет меняться
при изменении начальных условий (например, скорости).
Далее исследование можно
усложнить. Так, при движении по замкнутым орбитам можно поставить задание:
проверить справедливость законов Кеплера о соотношении параметров орбиты; при
движении по незамкнутым орбитам — доказать, что ее формой будет гипербола, и
т.д. Многие задания для самостоятельной работы можно найти в задачнике [5].
Если придерживаться методики,
избегающей упоминания о дифференциальных уравнениях вообще, то уравнения модели
можно сразу записать в конечно-разностной форме. Они получаются из второго
закона Ньютона, представленного в конечно-разностной форме, и закона всемирного
тяготения. Разумеется, с точки зрения дифференциального подхода, это есть
применение
метода Эйлера к
дифференциальным уравнениям модели уравнениям.
Моделирование движения
заряженных частиц. Из
курса физики учащимся знаком закон Кулона, описывающий взаимодействие точечных
зарядов. Он похож на закон всемирного тяготения, но роль масс играют заряды.
Наиболее простые модели в
данном разделе получаются при моделировании движения одного заряженного тела в
поле, создаваемом другим заряженным телом («неподвижным», находящемся в начале
выбранной системы координат). В этой ситуации уравнения модели практически
совпадают с уравнениями движения небесного тела — с точностью до обозначений.
Рассматривать более сложную ситуацию, когда несколько зарядов движутся
относительно друг друга, методически нецелесообразно.
Если рассматривать систему из
двух зарядов противоположных знаков, то ситуация полностью аналогична задаче
двух тяготеющих тел, обсуждавшейся выше. Если же рассмотреть движение заряда,
одноименного по знаку с тем, который находится в начале координат, то в
соответствующих уравнениях просто сменятся знаки; однако траектории движения
будут совсем непохожи на траектории движения в случае разноименных зарядов.
Соответствующее моделирование вполне посильно учащимся, особенно если эта тема
следует за моделированием движения небесных тел.
После проведения простых
численных экспериментов по моделированию движения заряженного тела можно
перейти к более сложным проектам исследовательского характера. Задания для
таких проектов можно найти, в частности, в задачнике [5].
Моделирование физических
процессов в приближении сплошной среды. Целью этих занятий является как углубление навыков моделирования
физических процессов, так и выработка реального понимания понятия «сплошная
среда», столь важного в физическом мире. Кроме того, возникает возможность еще
раз продемонстрировать в работе прием дискретизации, фундаментальный для
информатики.
План занятий по этой теме
может быть следующим. Вначале проведите лекцию на тему, что отражает
абстрактное понятие «сплошная среда». Физические примеры — жидкости, газы;
близкие примеры из самой информатики — графическая информация, звуковая
информация и т.д. Напомните учащимся, что при описании явлений, проистекающих в
сплошной среде, свойства объекта описываются с помощью непрерывных величин
(функций). Примеры, которые здесь уместны, связаны с диффузией,
теплопроводностью, потоками жидкости и газа, распространением электромагнитных
волн и др.
На той же лекции уместно
рассмотреть вопрос о роли научной графики в компьютерном моделировании. Так,
при моделировании процесса теплопроводности стоит задача наиболее наглядно показать
динамику изменения температуры. При этом уместно прибегнуть к условной
раскраске или условному контрастированию — мощному приему научной графики. Он
находит широчайшее применение и представляет собой набор приемов по максимально
удобной, хотя и условной, визуализации результатов компьютерного моделирования.
Например, в различных
исследованиях температурных полей возникает проблема наглядного представления
результатов. Самый простой (и весьма неэффективный) — привести карту (чертеж,
план), в некоторых точках которой обозначены значения температуры. Другой
способ — набор изотерм — гораздо эффективнее. Можно добиться еще большей
наглядности, учитывая, что большинству людей свойственно, сравнивая разные
цвета, воспринимать красный как «горячий», голубой как «холодный», а все
остальные — между ними. Наглядность достигается окрашиванием самого «горячего»
участка в ярко-красный цвет, самого «холодного» — в ярко-голубой, а остальных —
в промежуточные цвета. Получится наглядная картина температурного поля.
А что делать, если дисплей
монохромный? Или если изображение нужно перенести с цветного дисплея на бумагу
при отсутствии возможности цветной печати? Тогда роль цвета может сыграть
контраст. Сделаем самый «горячий» участок самым темным, самый «холодный» —
прозрачным, а остальные — между ними. Эффектность, конечно, меньше, чем при
цветовой раскраске, но определенная наглядность достигается.
То же самое можно делать и
при иллюстрации температурного поля на поверхности обрабатываемой на станке
детали, и поля температур, полученного путем радиолокации поверхности далекой
планеты, и во множестве других задач.
Для конкретного моделирования
явлений в приближении сплошной среды следует отобрать максимально простые
задачи, поскольку соответствующие модели достаточно сложны. Такие задачи могут
быть статическими и динамическими. Из статических задач наиболее простыми
представляются моделирование распределения поля температур или
электростатического поля. Из динамических задач, модели которых рассматривались
в школьном курсе информатики, известна задача теплопроводности в стержне —
вероятно, самая простая задача такого рода.
Основные цели, преследуемые в
данном разделе, таковы:
• углубление математического
и физического образования учащихся;
• выработка навыков
визуализации абстракций — важной задачи для прикладной информатики в целом.
Остановимся на методике
решения задачи моделирования распределения статических полей. Универсальным
способом визуализации физического поля, распределенного в некоторой плоской
области или в некотором объеме, является построение его изолиний
(изоповерхностей).
Как показывает опыт, на
данном этапе в подавляющем большинстве случаев следует ограничиться
моделированием распределений полей в плоскости. Объемные построения требуют
большого времени и непосильны многим учащимся.
Приступая к рассказу о
построении изолиний, вначале приводим доводы в пользу того, что этот прием
является удобным для визуализации поля. В курсе физики учащиеся, скорее всего,
видели картины силовых линий электрического поля. Построение силовых линий,
однако, задача более сложная, чем построение линий равного потенциала
(изолиний), а информации дает не больше. Продемонстрируйте учащимся картины
изолиний поля, создаваемого изолированным зарядом, парой равных зарядов и
покажите, как по ним отчетливо видна общая картина поля. Другими примерами
могут быть изотермы, которыми иногда сопровождают прогноз погоды, линии тока
жидкости, изолинии концентрации вредных примесей в окружающей среде и т.д.
Далее переходим к технике
построения изолиний. За основу можно взять процедуру, описанную в пособиях [5,
9].
Задачи, уместные для отладки
первых навыков такого моделирования, очень просты. Пробной (тестовой) задачей
является моделирование поля одиночного заряда, для которого ответ очевиден:
любая изолиния — окружность. Затем следуют простые симметричные комбинации
зарядов.
Обсудите теперь методику
проведения занятий по моделированию процесса переноса тепла в стержне. Эта тема
уместна лишь при достаточно высокой математической подготовке учащихся, потому
что в данном разговоре трудно избежать появления дифференциальных уравнений
(хотя и возможно), причем уравнений в частных производных. Однако опыт
показывает, что если не обсуждать сложных вопросов о таких уравнениях, не
вдаваться в общие математические рассуждения, то на эмпирическом уровне тема
вполне посильна для хорошо подготовленных учащихся и воспринимается ими с
интересом.
Последовательность построения
учебного процесса может быть следующей. О том, что такое теплопроводность,
интуитивно все знают. Если рассматривать простейшую ситуацию — распространение
тепла в однородном стержне с теплоизолированной боковой поверхностью — то
понятно, что температура (основная характеристика процесса) является функцией
единственной координаты и времени. В простейшей модели боковая поверхность
стержня считается теплоизолированной, т. е. через нее нет обмена теплом с
окружающей средой.
Вывод уравнения
теплопроводности можно найти в ряде пособий, причем надо идти не от общего к
частному (такой путь школьникам непосилен), а обращаться именно к простейшей
ситуации однородного стержня с теплоизолированной боковой поверхностью. При
этом, как обычно в таких случаях, вначале появляются приближенные
конечно-разностные уравнения, затем от них (с помощью двух предельных переходов
— по координате и по времени) переходят к дифференциальным уравнениям.
Поскольку при компьютерном моделировании мы всецело опираемся на численные
мето,а?ы, то для решения дифференциальных уравнений мы вновь строим
конечно-разностную модель. Такая «двухъярусная» дискретизация весьма
поучительна с точки зрения информатики. Естественно, нескольких пунктов этой
программы можно избежать и вообще исключить появление дифференциальных
уравнений, хотя кое-что при этом остается недоговоренным; у математика такой
подход порождает чувство неудовлетворенности.
Уравнение теплопроводности
сопровождается начальными и краевыми условиями, делающими постановку задачи
физически однозначной. (Последнее утверждение доказать на данном уровне
изложения невозможно, но интуитивно приемлемые доводы привести легко.)
Начальное условие задает распределение температуры в стержне в начальный момент
времени; краевые условия (их должно быть в данном случае два) указывают в
простейшем варианте (которым вполне достаточно в данном случае ограничиться),
какая температура поддерживается на концах стержня.
Подчеркнем, что моделирование
процесса теплопроводности связано с дискретизацией как временного изменения
температуры, так и пространственного. Если для пространственных производных
использовать простейшие центрально-разностные аппроксимации, а по времени —
схему Эйлера, то величины {uik} — значения температуры в i-ом узле пространственной сетки в k-й момент
времени — приближенно находятся из системы весьма простых формул.
Если задаться целью получения
уравнений модели сразу в конечно-разностной форме (минуя дифференциальную), то
возникает нетривиальная задача вывода соответствующих формул, решение которой
можно позаимствовать в задачнике [6].
При описанном моделировании
не следует забывать о возможной неустойчивости простейшей разностной схемы.
Прежде всего следует объяснить учащимся само понятие «неустойчивость».
Рассуждаем примерно следующим образом. Расчетные формулы появились как
дискретная аппроксимация непрерывного процесса. Чем мы расплачиваемся за
дискретизацию? Первая «расплата» очевидна: мы получаем приближенное описание
процесса. Числа uik отнюдь не являются точными значениями
температуры. Для увеличения точности результатов кажется естественным уменьшать
шаги по координате и по времени, но здесь мы сталкиваемся со второй проблемой.
Ее природа достаточно сложна, она уходит как в аппроксимацию производных
конечными разностями, так и в накопление погрешностей округлений. При неудачном
выборе шагов по координате и по времени решение начинает «раскачиваться» и перестает
походить на истинное. В данном случае достаточно ограничиться приведением
критерия устойчивости метода, приводящего к используемым расчетным формулам.

Тема «Имитационные стохастические модели»

Имитационное моделирование
может стать существенной частью профильного курса информатики, ориентированного
на моделирование. Включение метода имитационного компьютерного моделирования в
профильный курс, ориентированный на моделирование, работа учащихся с
имитационными моделями средней сложности представляют несомненный интерес и
пользу, поскольку расширяют и обобщают представление о методе моделирования и
его возможностях.
Идея имитационного
моделирования интуитивно ясна и привлекательна. В основе этого метода — теория
вычислительных систем, статистика, теория вероятностей.
Начало изучения темы — лекция
об имитационном моделировании случайных процессов. К сожалению, в российской
школе понятия теории вероятностей и математической статистики лишь начинают
внедряться в курс математики, и учителю следует быть готовым к тому, чтобы
самому сделать введение в этот важнейший для формирования мировоззрения и
математической культуры материал. Приведем план соответствующей вводной лекции.
1. «Случайность» как
фундаментальное математическое понятие. Случайные события и их вероятности.
2. Дискретные и непрерывные
случайные величины. Дифференциальная функция распределения непрерывной
случайной величины (плотность вероятности).
3. Примеры типичных функций
распределения. Равновероятное распределение. Нормальное распределение и
представление об его особой значимости в связи с центральной предельной
теоремой теории вероятностей.
4. Метод статистических
испытаний в моделировании случайных процессов. Представление о статистической
обработке результатов, получаемых при использовании метода статистических
испытаний. Понятия «доверительный интервал», «доверительная вероятность».
Вычисление средних значений испытуемых величин и оценка их достоверности.
5. Описание принципов
имитационного моделирования. Отметим ключевые моменты, которые следует донести
до учащихся. Имитацию целесообразно использовать:
• если она позволяет
экспериментально исследовать сложные внутренние взаимодействия в
рассматриваемой системе;
• при изучении воздействия на
функционирование системы некоторых информационных и организационных изменений,
а также изменений во внешней обстановке; для этого в модель системы вносят
изменения и наблюдают влияние этих изменений на изменение системы;
• при детальном наблюдение
имитируемой системы, что позволяет лучше понять систему и разработать такие
предложения по ее имитации, которые были бы невозможны без имитации;
• если имитация сложных
систем может дать представление о том, какие из переменных системы наиболее
существенны и как эти переменные взаимодействуют.
Подчеркнем, что речь идет об
элементарном введении в круг обсуждаемых понятий. В принципе сделать это можно
не более, чем за два-три урока.
После этого обсуждаем
технические вопросы, связанные с генерацией на ЭВМ последовательностей
случайных чисел с заданным законом распределения. Опираться при этом можно на
простой факт: в каждом языке программирования есть датчик равномерно
распределенных случайных чисел на отрезке от 0 до 1. На данном этапе
нецелесообразно вдаваться в сложный вопрос о принципах его реализации. Опираясь
на эти датчики, показываем, как можно устроить:
а) генератор равномерно
распределенных случайных чисел на любом отрезке [а, b];
б) генератор случайных чисел
под практически любой закон распределения (например, используя интуитивно ясный
метод «отбора — отказа»).
Одним из вариантов отработки
навыков имитационного стохастического моделирования является рассмотрение
задачи моделирования очереди в системе массового обслуживания. Указанные
системы элементарны для понимания постановки задач, имеют широкое прикладное
значение.
Начать рассмотрение этой
задачи целесообразно с обсуждения истории решения проблем массового
обслуживания (задача Эр-ланга об обслуживании запросов на телефонной станции).
Затем следует обзор типичных задач этой науки. Следует сказать о постановке
задач в аналитической форме и о трудностях их решения, о том, что имитационное
компьютерное моделирование при решении задач массового обслуживания,
реализуемое в виде метода статистических испытаний (метода Монте-Карло), хоть и
не является в теории массового обслуживания основным, но играет в ней важную
роль. Основная линия в ней — получение аналитических результатов, т. е.
представленных формулами. Однако возможности аналитических методов весьма
ограничены, в то время как метод статистических испытаний универсален и весьма
прост для понимания (по крайней мере, кажется таковым).
Затем следует рассмотреть
простейшую задачу, которую можно сформулировать на примере формирования и
обслуживания очереди в магазине с одним продавцом. В этот магазин случайным образом
входят покупатели. Если продавец свободен, то он начинает обслуживать
покупателя сразу, иначе покупатель становится в очередь. Детали постановки и
решения этой задачи методом статистического моделирования можно найти в книгах
[9, 33]. Отметим, что на первом этапе моделирования распределения случайных
величин на входе можно принять равновероятными, что хоть и не реалистично, но
снимает ряд трудностей (для генерации случайных чисел можно просто использовать
встроенный в язык программирования датчик).
Обратите внимание учащихся на
то, какие вопросы ставятся в первую очередь при моделировании систем такого
вида? Во-первых, это вычисление средних значений (математических ожиданий)
некоторых случайных величин. Например, какое среднее время приходится стоять в
очереди к прилавку? Или найти среднее время, проведенное продавцом в ожидании
покупателя.
Задача учителя, в частности,
состоит в том, чтобы разъяснить, что выборочные средние величины сами по себе —
случайные величины; в другой выборке того же объема они будут иметь другие
значения (при больших объемах выборки — не слишком отличающиеся друг от друга).
Далее возможны варианты, например, в более подготовленной аудитории можно
показать способ оценивания доверительных интервалов, в которых находятся
математические ожидания соответствующих случайных величин при заданных
доверительных вероятностях (известных из математической статистики методами без
попытки обоснования). В менее подготовленной аудитории можно ограничиться чисто
эмпирическим утверждением, к примеру, если в нескольких выборках равного объема
средние значения совпали в некотором десятичном знаке, то этот знак, скорее
всего, верен. Если при моделировании не удается достичь желаемой точности,
следует увеличить объем выборки.
В наиболее подготовленной в
математическом отношении аудитории можно ставить вопрос: каково распределение
случайных величин, являющихся результатами статистического моделирования, при
заданных распределениях случайных величин, являющихся его входными параметрами?
Поскольку изложение соответствующей математической теории в данном случае
невозможно, следует ограничиться эмпирическими приемами: построением гистограмм
итоговых распределений и сравнением их с несколькими типичными функциями
распределения.
После отработки первичных
навыков указанного моделирования переходим к более реалистической модели, в
которой входные потоки случайных событий распределены по Пуассону. Это потребует
от учащихся дополнительно освоить метод генерирования последовательностей
случайных чисел с указанным законом распределения.
В рассмотренной задаче, как и
в любой более сложной задаче об очередях, может возникнуть критическая
ситуация, когда очередь неограниченно растет со временем. В самом деле, если
люди заходят в магазин очень часто (или продавец работает слишком медленно), то
очередь начинает нарастать, и в любой системе с конечным временем обслуживания
наступит кризис. Моделирование приближения к критической ситуации по мере
возрастания одного из параметров — интересная исследовательская задача.
На примере задачи об очереди
отрабатываются сразу несколько новых понятий и навыков, таких как:
• понятие о случайных
процессах;
• понятие и простейшие навыки
имитационного моделирования;
• построение оптимизационных
имитационных моделей;
• построение многокритериальных
моделей (путем решения задач о наиболее рациональном обслуживании покупателей в
сочетании с интересами владельца магазина).

Тема «Моделирование динамики развития популяций»

В данной теме ограничимся
обсуждением методики проведения занятий по моделированию некоторых процессов,
составляющих основу классической экологии (т.е. процессов развития отдельных
популяций и их взаимодействия). В такой постановке этот материал может быть
полезен для проведения нескольких уроков в пределах предмета, в котором моделирование
экологических процессов является не основой, а частью. Такой выбор обусловлен
следующими причинами. Во-первых, соответствующие модели достаточно просты и изучены,
постановка их вполне очевидна и в познавательном плане интересна и полезна. Во-вторых,
модели распространения загрязнений окружающей среды, которые успешно применяют
в современной социальной экологии, требуют использования весьма сложного
математического аппарата, да и сами еще не вполне устоялись.
С другой стороны, возможны
профильно-ориентированные на экологию курсы информатики. Для таких курсов
рассматриваемого в данном параграфе материала недостаточно. Дополнительный
материал на эту тему можно найти, к примеру, в пособиях [25, 30].
Вводная беседа в этой теме
может быть посвящена введению в проблематику классической экологии и
использование в ней математических моделей. Следует дать определения таким
понятиям, как «популяция», «сообщество», «внутривидовая конкуренция»,
«межвидовая конкуренция».
Математические модели в
экологии используются практически с момента возникновения этой науки. И хотя
поведение организмов в живой природе гораздо труднее адекватно описать
средствами математики, чем самые сложные физические процессы, модели помогают
установить некоторые закономерности и общие тенденции развития отдельных
популяций, а также сообществ. Кажется удивительным, что люди, занимающиеся
живой природой, воссоздают ее в искусственной математической форме, но есть
веские причины, которые стимулируют эти занятия. Вот основные цели создания математических
моделей в классической экологии:
1. Модели помогают выделить
суть или объединить и выразить с помощью нескольких параметров важные
разрозненные свойства большого числа уникальных наблюдений, что облегчает
экологу анализ рассматриваемого процесса или проблемы.
2. Модели выступают в
качестве «общего языка», с помощью которого может быть описано каждое
уникальное явление, и относительные свойства таких явлений становятся более
понятными.
3. Модель может служить
образцом «идеального объекта» или идеализированного поведения, при сравнении с
которым можно оценивать и измерять реальные объекты и процессы.
Модель считается адекватной
рассматриваемому явлению только в том случае, если она выполняет одну из
указанных выше функций.
При проведении беседы следует
обратить внимание учащихся на то, что привлечение компьютеров существенно
раздвинуло границы моделирования экологических процессов. С одной стороны,
появилась возможность всесторонней реализации сложных математических моделей,
не допускающих аналитического исследования, с другой — возникли принципиально
новые направления, и прежде всего — имитационное моделирование.
После вводной лекции
приступаем к построению и исследованию конкретных моделей. Методически уместно
начать это с рассмотрения развития популяций с дискретным размножением, после
чего следует плавный переход на популяции с непрерывным размножением.
Естественная последовательность рассмотрения такова:
• динамическое моделирование
численности изолированной популяции с дискретным размножением:
а) при отсутствии
внутривидовой конкуренции;
б) при наличии внутривидовой
конкуренции;
• динамическое моделирование
численности изолированной популяции с непрерывным размножением:
а) при отсутствии
внутривидовой конкуренции;
б) при наличии внутривидовой конкуренции;
• динамическое моделирование
взаимодействия популяций:
а) состоящих в отношениях
межвидовой конкуренции;
б) состоящих в отношениях
«хищник— жертва»;
• имитационное моделирование
развития популяции и взаимодействия популяций.
Примеры ряда моделей,
обозначенных выше, можно найти в пособиях [5, 9, 22, 27, 30, 35]. Обсудим
методику их построения и исследования на нескольких примерах.

Пример. Моделирование развития изолированной
популяции с дискретным размножением с учетом внутривидовой конкуренции.
Рассматриваются биологические
виды, для которых потомки и предки не сосуществуют во времени (многочисленные
растения, насекомые и др.). Тогда последовательные значения численности
популяции можно представить последовательностью N0, N1, ....
Если нет никаких причин
ограничения численности популяции, тогда возникает простейшая очевидная модель:
Nt+1 = R×Nt, где R — коэффициент воспроизводства. Решение этой модели очевидно: Nt = N0×R1, и при R >1 численность
популяции нарастает по геометрической прогрессии.
Даже эта простейшая модель
заслуживает обсуждения. Она выражает то, что в литературе иногда называют
«законом Мальтуса».
Очевидно, что долго
неограниченно возрастать популяция не может. Простейший способ учета
внутривидовой конкуренции связан с гипотезой о том, что коэффициент
воспроизводства не есть константа, а зависит от численности популяции, спадая
по мере ее роста. На этом этапе следуют разъяснить учащимся методику построения
моделей в сфере знаний, где основным способом исследования являются наблюдения,
в которой точные математические законы отсутствуют в силу сложности системы (в
отличие от, например, физики). В такой ситуации делаются достаточно
произвольные допущения, в значительной мере оправдываемые простотой, а
полезность модели определяется путем сопоставления ее решений с
закономерностями поведения реальных систем.
Проиллюстрируем это простым
соображением. Итак, надо учесть, что величина R монотонно спадает с ростом величины N. Реального вида этого
спада мы не знаем; его можно представить множеством способов с использованием
общеизвестных элементарных функций, а если надо, то и выходом из этого класса.
Модель, в основу которой
положена простейшая из таких функций, выглядит следующим образом:  . Методика исследования этой модели
и ряда других описана в указанных выше пособиях. Полезность модели следует их
того, что описываемое ею поведение численности популяций многократно
наблюдалось экологами в природе.
После этого ставим вопрос:
достаточно ли этой модели для качественного описания развития любой популяции с
дискретным размножением? Ответ может последовать лишь из того, наблюдались ли
качественно иные динамики развития таких популяций, и является положительным. В
природе наблюдались существенно более сложные процессы, нежели монотонное
возрастание численности популяций с выходом на стационар, предсказываемое
описанной выше моделью. Поэтому продолжился поиск более адекватных моделей.
В частности, целесообразно
рассмотреть модель, предсказывающую четыре качественно разных типа динамики
численности популяций (в зависимости от соотношения значений параметров):
монотонное возрастание с выходом на стационар, колебательное установление
стационарной численности, регулярное колебательное изменение (так называемые
предельные циклы) и хаотическое поведение без каких-либо видимых
закономерностей. Все эти типы динамик наблюдаются в природе.
Методика изучения сложных
движений зависит от математической подготовки учащихся. Чаще всего предельные
циклы и хаотическое поведение приводим описательно, иллюстративно, не стремясь
дать определение этим сложным процессам. В классах же с высоким уровнем
математической подготовки и выраженным интересом учащихся обсуждение этих
вопросов может быть существенным элементом развития математических интересов.
При изучении более сложных
моделей, выраженных дифференциальными уравнениями, методика исследования в
основном остается та же. Она включает следующие этапы:
• постановку проблемы,
введение терминологии, описание поведения соответствующих природных систем;
• построение математической
модели;
• попытку качественного
исследования модели, включая построение диаграмм на фазовой плоскости
параметров модели;
• численное решение
дифференциальных уравнений (как правило, простейшими из методов либо путем
использования готовых программ).
Совсем иной является методика
построения имитационных моделей экологических процессов. Ограничимся
формулировкой одной из задач [5], на которой можно отработать построение такой
модели.

Пример. Разработать имитационную модель системы «хищник
— Жертва» по следующей схеме.
«Остров» размером 20x20
заселен дикими кроликами, волками и волчицами. Имеется по несколько
представителей каждого вида. Кролики в каждый момент времени с одинаковой
вероятностью 1/9 передвигаются в один из восьми соседних квадратов (за
исключением участков, ограниченных береговой линией) или просто сидят
неподвижно. Каждый кролик с вероятностью 0,2 превращается в двух кроликов.
Каждая волчица передвигается случайным образом, пока в одном из соседних восьми
квадратов не окажется кролик, за которым она охотится. Если волчица и кролик
оказываются в одном квадрате, волчица съедает кролика и получает одно очко. В
противнем случае она теряет 0,1 очка.
Волки и волчицы с нулевым
количеством очков умирают.
В начальный момент времени
все волки и волчицы имеют 1 очко.
Волк ведет себя подобно
волчице до тех пор, пока в соседних квадратах не исчезнут все кролики; тогда
если волчица находится в одном из восьми близлежащих квадратов, волк гонится за
ней.
Если волк и волчица окажутся
в одном квадрате и там нет кролика, которого нужно съесть, они производят
потомство случайного пола.
Пронаблюдайте за изменением
популяции в течение некоторого периода времени. Проследите, как сказываются на
эволюции популяций изменения параметров модели.

14.4. Требования к знаниям и умениям
учащихся

Тема «Введение в компьютерное моделирование»

Учащиеся должны знать:
• принципы моделирования;
• разновидности компьютерного
моделирования;
• основные этапы
компьютерного моделирования.

Тема «Классификационные информационные модели»

Учащиеся должны знать:
• что такое система,
подсистема, структура системы;
• различие между системами
естественными и искусственными;
• о материальных и
информационных связях между объектами, составляющими систему;
• основные понятия теории
графов;
• о способах реализации
информационных моделей — реляционном, иерархическом, сетевом.
Учащиеся должны уметь:
• приводить примеры систем и
подсистем;
• выделять информационные
связи в естественных и искусственных системах;
• выделять элементы
(характеристики) сложных объектов;
• строить древовидные и
простые графовые информационные
модели;
• интерпретировать блок-схему
алгоритма как ориентированный граф;
• строить реляционные,
иерархические и сетевые информационные модели;
• работать с таблицами в Word.

Тема «Логико-лингвистические
информационные модели»

Учащиеся должны знать:
• в чем разница между
формальными и естественными языками;
• что такое
«логико-лингвистическая модель»;
• в чем заключается
проблематика искусственного интеллекта;
• какие формы представления
знаний используются в информатике;
• причины, по которым язык
программирования можно рассматривать как логико-лингвистическую модель;
• что такое «метаязык»;
• примеры языков управления
учебными исполнителями.
Учащиеся должны уметь:
• строить простейшие модели
представления знаний;
• разбирать метаописания
конструкций языков программирования.

Тема «Технология компьютерного
 математического моделирования»

Учащиеся должны знать:
• определения понятий
«модель», «информационная модель», «формализация», «компьютерная математическая
модель»;
• этапы компьютерного
математического моделирования, их содержание;
• цели математического
моделирования;
• требования, предъявляемые к
компьютерным математическим моделям;
• возможные подходы к классификации
моделей.
Учащиеся должны уметь:
• приводить примеры,
иллюстрирующие понятия «модель», «информационная модель», «компьютерная
математическая модель»;
• приводить примеры
формальной записи содержательных задач;
• приводить примеры
содержательных задач, при решении которых применяются компьютерные
математические модели и преследуются разные цели моделирования;
• применять схему
компьютерного эксперимента при решении содержательных задач, где возникает
потребность в компьютерном математическом моделировании;
• приводить примеры различных
задач при подходе к классификации по целям моделирования.

Тема «Моделирование физических процессов»

Учащиеся должны знать:
• отличие натурного
(лабораторного) эксперимента в физике от компьютерного (численного);
• второй закон Ньютона в
дифференциальной формулировке, его применение при построении моделей
динамических процессов;
• какое воздействие оказывает
сила сопротивления среды на характер движения тел;
• какие факторы принимаются
во внимание при учете сопротивления среды;
• дифференциальные или
конечно-разностные формулировки ряда моделей физических процессов. Среди них
могут быть:
• свободное падение тела с
учетом сопротивления среды;
• движение тела, брошенного
под углом к горизонту, с учетом сопротивления среды;
• взлет ракеты;
• движение небесных тел;
• движение заряженных частиц;
• колебательные движения
различных маятников;
• теплопроводность в
однородном стержне и др.
Учащиеся должны уметь:
• отбирать факторы, влияющие
на поведение изучаемой системы, выполнять ранжирование этих факторов;
• выводить уравнения
указанных выше процессов;
• выбирать наиболее
подходящие программные средства для исследования построенных моделей;
• использовать простейшие
численные методы при решении систем дифференциальных уравнений (решать
конечно-разностные уравнения);
• подбирать подходящие наборы
тестовых данных для всестороннего анализа правильности разработанных программ;
• анализировать полученные
результаты и исследовать математическую модель при различных наборах параметров,
в том числе граничных или критических.

Тема «Имитационные стохастические модели»

Учащиеся должны знать:
• основные понятия теории
вероятности: среднее значение, случайное событие, равновероятные и
неравновероятные события, случайная величина, выборка, математическое ожидание,
дисперсия, законы распределения случайных величин, доверительный интервал и
др.;
• алгоритмы, используемые при
моделировании псевдослучайных чисел на ЭВМ; способы получения
последовательностей случайных чисел с заданным законом распределения;
• подходы к построению
математических моделей в теории массового обслуживания;
• основные результаты,
которые могут быть получены при имитационном моделировании в теории массового
обслуживания.
Учащиеся должны уметь:
• моделировать последовательности
случайных чисел с заданным законом распределения;
• согласно выбранным моделям
моделировать случайные события и интерпретировать полученные результаты.

Тема «Моделирование динамики развития популяций»

Учащиеся должны знать:
• отличительные особенности и
специфику компьютерного математического моделирования в классической экологии;
• основные понятия
классической экологии: особи, популяции, сообщества, конкуренция, хищничество и
др.;
• модели динамики численности
популяций с дискретным размножением;
• модели динамики численности
популяций с непрерывным
размножением;
• модели популяций хищника и
жертвы.
Учащиеся должны уметь:
• исследовать динамику
численности популяций с дискретным размножением; строить фазовые диаграммы;
• исследовать динамику численности
популяций с непрерывным размножением, анализировать влияние на ее поведение
внутривидовой и межвидовой конкуренции;
• исследовать систему
«хищник—жертва», анализировать взаимное влияние численностей популяций;
• строить, исследовать и
анализировать имитационные модели экологических систем.

14.5. Варианты тематического планирования
 курсов, ориентированных на моделирование

Ниже приведены программы
нескольких профильных курсов данной категории и комментарии к ним.

Курс «Основы информационного моделирования»

для учащихся X—XI классов естественнонаучного направления.
Разработчик Т. Б.
Захарова [4]
1. Введение.
1.1. Информатика — наука XX века.
1.2. История становления
информатики.
1.3. Информатизация как новый
этап развития общества.
1.4. Информатика как научная
основа информатизации.
1.5. Язык и информация.
2. Информационное
моделирование.
2.1. Модель. Простейшие
модели. Моделирование как метод познания.
2.2. Основные идеи
формализации.
2.3. Формализация и
интерпретация.
2.4. Компьютер — универсальное
устройство для автоматической обработки информационных моделей.
2.5. Основная технологическая
цепочка решения задачи с использованием компьютера.
2.6. Понятия «система»,
«элемент», «свойство», «отношение».
2.7. Структурирование.
Структурный граф.
2.8. Виды информационных
моделей (классификационные, динамические, логико-лингвистические).
3. Классификационные модели.
3.1. Классификация и
описательные дисциплины.
3.2. Дискретные модели:
древовидные структуры, иерархия,
подобие.
3.3. Обзор автоматизированных
систем, основанных на классификационных моделях.
3.4. Задача распознания
образов — непрерывная модель.
3.5. Разработка конкретной
модели классификационного типа.
3.5.1. Разработка структуры.
3.5.2. Реализация
классификационной модели на осно-
ве готовых программных
средств.
3.5.3. Наполнение и изучение
предметно-ориентирован-
ных справочных систем
(биология, химия, география и др.).
3.5.4. Разработка
автоматизированных процедур распознавания и классификации (животные, растения и
др.).
4. Динамические модели.
4.1. Особенности динамических
моделей. Дискретность и не-
прерывность в моделировании.
4.2. Обзор возможных
программных средств для обработки динамических моделей.
4.3. Значение разработки и
исследования динамических моделей. Примеры.
4.4. Проектирование
конкретной динамической модели:
4.4.1. Постановка задачи
разработки динамической модели конкретной реальной ситуации.
4.4.2. Переход от описания
изучаемого объекта в содержательных терминах к формализованному описанию.
Построение структурного графа.
4.4.3. Описание элементов
модели, их отношений и закона движения.
4.4.4. Компьютерная
реализация полученной информационной модели.
4.4.5. Организация
исследования разработанной информационной модели.
5. Самостоятельное выполнение
учебных исследовательских проектов.
5.1. Выбор учащимися темы
учебного проекта. Краткая характеристика тем.
5.2. Самостоятельное
выполнение учебных проектов.
5.3. Оформление отчетов.
6. Заключение.
6.1. Обсуждение отчетов групп
учащихся о проделанной работе.
6.2. Обобщающее повторение.
6.2.1. Обсуждение основных
идей информационного моделирования.
6.2.2. Значение метода
информационного моделирования.
6.2.3. Перспективы
информатизации общества.

Примечания.
1. В вопросах моделирования
автор курса придерживается классификации, изображенной на рис. 14.2.
2. В отношении классификации
профильных курсов, приведенной в табл. 13.2 и 13.3, данный курс относится к
«соотнесенным с предметными областями». Точнее говоря, он соотнесен с
информатикой и естествознанием. Поскольку многие вопросы, отнесенные к данному
курсу, берут свое начало в базовом курсе информатики, то задача данного курса —
углубление соответствующих знаний и навыков.

Курс «Компьютерное математическое моделирование»

для учащихся X—XI классов математического
и
естественнонаучного направления.
Разработчики
А.П.Шестаков и Е.К.Хеннер
При отборе материала,
составляющего содержание курса «Компьютерное математическое моделирование»,
авторы руководствовались общедидактическими принципами научности, доступности,
связи его с другими дисциплинами, соответствия возрастным особенностям
учащихся. При этом были выбраны для изучения как традиционные модели, знакомые
по другим учебным дисциплинам, но с учетом большего количества факторов,
влияющих на состояние изучаемого объекта (явления), так и введены модели, не
связанные напрямую с теми или иными темами школьных предметов. Важной
составляющей при отборе материала являлся учет уровня общей подготовки учащихся
(в частности, математической), поскольку данный фактор оказывает значительное
влияние на восприятие изучаемых тем курса.
Такое содержание наиболее
адекватно отражает выделенные выше содержательные линии и отвечает задачам
курса КММ. Данное содержание представляется инвариантным по отношению к
указанному курсу и должно составить его основу. Поясним этот тезис.
Действительно, в курсе КММ
целесообразно изучать те процессы и объекты, которые допускают строгое
математическое описание или, по крайней мере, «полустрогое», эмпирическое (это
позволяет проводить имитационное моделирование подобных процессов с должной
степенью адекватности их реальным процессам). Это, прежде всего, связано с тем,
что, как отмечалось ранее, курс предназначен для учащихся, склонных к изучению
физики, математики, информатики и др. Указанные разделы представляют именно те
предметные области, где формулируемые модели отвечают приведенному здесь требованию.
Перечень содержательных
задач, предлагаемых в различных разделах курса, является примерным и может
варьироваться в широком диапазоне. Выделим несколько факторов, которые оказывают
влияние на выбор конкретных содержательных задач:
• частные цели и задачи
обучения КММ;
• профиль образовательного
учреждения, где проводится курс;
• подготовка учащихся по
общеобразовательным дисциплинам;
• интересы учащихся;
• интересы и подготовка
учителя и др.
Таким образом, представленный
ниже перечень заданий может служить лишь ориентиром при собственном
планировании учителем курса КММ.
Что же касается вариативной
части курса, то она связана с профильной специализацией образовательного
учреждения или класса, где ведется преподавание курса. В этом случае основной
упор делается на соответствующую предметную область и изучается более широкий
круг задач из этой области.

Тематическое планирование

1. Введение в технологию
компьютерного математического моделирования.
1.1. Понятия «модель»,
«натурная и идеальная модель», «математическая модель». Компьютер и
моделирование. Примеры.
1.2. Этапы компьютерного
математического моделирования. Примеры.
1.3. Подходы к классификации
моделей. Сферы применения компьютерного математического моделирования; его роль
в развитии современной науки.
2. Компьютерные модели в
физике.
2.1. Свободное падение тела с
учетом сопротивления среды.
2.1.1. Дифференциальная
формулировка второго закона Ньютона. Составляющие силы сопротивления среды, их
учет при моделировании.
2.1.2. Математическая модель
свободного падения тела с учетом сопротивления среды. Численные методы решения
систем дифференциальных уравнений (метод Эйлера, Эйлера-Коши). Сравнительная
характеристика методов. Понятие об устойчивости, корректности метода.
Эмпирический контроль точности.
2.1.3. Сравнение движения
тела с учетом и без учета сопротивления среды.
2.1.4. Самостоятельная работа
над проектом «Исследование свободного падения тела в газе или жидкости с учетом
сопротивления среды». (Разработка программы, ее тестирование, проведение
исследований, составление отчета.)
2.2. Движение тела,
брошенного под углом к горизонту. Понятие об обезразмеривании и законах
подобия.
2.3. Исследование законов
движения космических тел. Проверка законов Кеплера.
2.4. Исследование движения
математического маятника.
2.5. Движение тела с
переменной массой: взлет ракеты.
2.6. Самостоятельная работа
над одним из проектов по выбору: «Исследование движения тела, брошенного под
углом к горизонту», «Исследование законов движения космических тел»,
«Исследование движения математического маятника», «Исследование движения тела с
переменной массой».
2.7. Задачи
тегоюмассопереноса. Исследование процесса теплопроводности в одномерном
стержне. Явная и неявная схемы решения дифференциальных уравнений в частных
производных. Метод прогонки для систем линейных уравнений с трехдиагональной
матрицей. Самостоятельная работа над проектом.
3. Компьютерное
математическое моделирование в классической экологии.
3.1. Основные понятия
экологии: «особь», «популяция», «конкуренция» и др. Специфика построения
математических моделей в экологии.
3.2. Исследование динамики
численности популяций с дискретным размножением.
3.3. Динамика численности
популяций с непрерывным размножением.
3.4. Внутривидовая и
межвидовая конкуренция. Модель Лот-ки-Вольтерры.
3.5. Система «хищник—жертва».
3.6. Самостоятельная работа
по выбору над одним из проектов: «Исследование динамики численности популяций с
дискретным размножением», «Исследование динамики численности популяции с
непрерывным размножением и внутривидовой конкуренцией», «Исследование динамики
численности двух конкурирующих популяций с непрерывным размножением»,
«Исследование системы хищник—жертва».
4. Модели в экономике (задача
линейного программирования).
4.1. Примеры задач,
приводящих к постановке общей задачи линейного программирования.
4.2. Геометрический способ
решения задачи линейного программирования. Существование и единственность
решения.
4.3. Симплекс-метод.
4.4. Самостоятельная работа
над проектом «Решение задач линейного программирования» (графический метод;
составление программы, реализующей симплекс-метод, с предварительным
нахождением начального базиса).
5. Компьютерные модели с
элементами стохастики.
5.1.Способы получения
последовательностей псевдослучайных чисел. Основные понятия теории
вероятностей. Понятие о законах распределения случайных величин.
5.2. Моделирование очереди.
5.3. Самостоятельная работа
над проектами «Моделирование случайных чисел с заданным законом распределения»,
«Моделирование очереди с одним продавцом».
6. Имитационное
моделирование.
6.1. Принципы имитационного
моделирования.
6.2. Самостоятельная работа
над проектами по имитационному моделированию различных процессов.

Таблица 14.1
Примерное поурочное
планирование

№темы

Часы

Виды учебной деятельности

Вариант 1
(на 136 ч)

Вариант 2
(на 68 ч)

1

3

Лекция

2
2.1
2.2
2.3
2.4
2 5
2.6
2.7
Резерв

52
12
2
2
2
2
10
12
6
4

Лекция, самостоятельная работа
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Самостоятельная работа
Лекция, самостоятельная работа

Зачет по теме

3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Резерв

22
1
1
1
1
1
12
3
2

Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Лекция
Самостоятельная работа

Зачет по теме

4
4.1
4.2
4.3
4.4
Резерв

28
1
1
2
18
4
2

Лекция
Лекция
Лекция
Самостоятельная работа

Зачет по теме

5
5.1
5.2
5.3
Резерв

20
3
1
12
2
2

Лекция
Лекция

Самостоятельная работа
Зачет по теме

6
6.1
6.2
Резерв

14
2
8
2
2

Лекция
Самостоятельная работа

Зачет по теме

Вопросы для самоконтроля и обсуждения к главе 14

1. Как ввести учащихся в круг
понятий информационного моделирования?
2. Какие педагогические
задачи решаются в профильных курсах информатики, ориентированных на
моделирование?
3. Какие содержательные линии
отражены в курсах, ориентированных на моделирование?
4. Какая Вам известна
педагощческая литература, посвященная проблемам изучения в школе различных
видов моделирования с использованием компьютеров?
5. Какие виды и формы
обучения могут быть использованы в школьных курсах информатики, ориентированных
на моделирование, и какие из них являются основными?
6. Как строится отчет по
проектам, выполненным учащимися в процессе изучения моделирования?
7. На каких примерах можно
объяснить учащимся ранжирование факторов при построении модели?
8. На каких примерах можно
объяснить учащимся то, что один процесс может породить несколько достаточно
различных моделей?
9. Какие образовательные
задачи решаются в процессе изучения темы «Классификационные информационные
модели»?
10. Какие источники
педагогической и специальной литературы по данной теме Вам известны?
11. На каких примерах можно
пояснить различия между материальными и информационными связями?
12. Какие Вам известны
примеры структурирования информации путем выделения элементов (характеристик)
некоторого сложного объекта?
13. Какие элементы теории
графов целесообразно изучать в обсуждаемых курсах?
14. В чем состоят различия в
подходах к изучению табличных информационных моделей в различных базовых курсах
информатики?
15. На каких примерах можно
объяснить учащимся принципиальные различия между естественными и искусственными
языками?
16. На каких примерах можно
строить рассказ о различных моделях представления знаний?
17. Какова методика введения
метаязыка синтаксических диаграмм? На последовательности каких примеров (кроме
приведенных в тексте) можно реализовать данную тему?
18. Какие иные, кроме ЛОГО,
языки управления учебными исполнителями можно использовать при проведении урока
по теме «Язык управления учебными исполнителями как логико-лингвистическая
модель»?
19. Какие содержательные
примеры могут подкрепить проведение вводного занятия по теме «Технология
компьютерного математического моделирования»?
20. Почему тема
«Моделирование физических процессов» часто занимает значительное место в
обсуждаемых курсах?
21. Каковы цели и задачи
изучения компьютерного моделирования физических процессов?
22. Какие проблемы, связанные
с недостаточной математической подготовкой учащихся, могут встать при изучении
компьютерного моделирования физических процессов? Какие существуют пути решения
этих проблем?
23. Как наиболее просто (в
методическом плане) ввести дифференциальную форму законов движения тел?
24. Как связать переход от
дифференциального уравнения к конечно-разностному с общей идеей дискретизации
информации, присущей информатике как науке?
25. Какие формы отображения
информации на экране компьютера целесообразно использовать при изучении
моделирования движения тел?
26. Какова методика изучения
движения тел при решении учителя обойтись вообще без дифференциальных
уравнений?
27. Каковы методические
достоинства и недостатки привлечения для изучения данной темы специальных
программ моделирования? Какие такие программы Вы знаете?
28. В чем методические
достоинства и недостатки перехода от размерных к безразмерным величинам при
моделировании физических процессов?
29. В чем заключаются
содержательные и методические проблемы, связанные с недостаточностью знаний
учащихся, при моделировании колебательных движений?
30. В чем заключаются
содержательные и методические проблемы, связанные с недостаточностью знаний
учащихся, при моделировании движения небесных тел?
31. В чем заключаются
содержательные и методические проблемы, связанные с недостаточностью знаний
учащихся, при моделировании статических физических полей?
32. В чем заключаются
содержательные и методические проблемы, связанные с недостаточностью знаний
учащихся, при моделировании процессов тешюмассопереноса?
33. На каких примерах можно
ввести учащихся в круг задач имитационного моделирования?
34. Как связать различные
функции распределения случайных величин с конкретными процессами, понимание
которых доступно учащимся?
35. Какова методика
проведения занятий по теме «Моделирование очередей»? На каких примерах из
окружающей действительности можно строить соответствующее занятие?
36. В чем причина
популярности учебного компьютерного моделирования на материале экологии?
37. Как объяснить учащимся
различие задач классической экологии и проблематики, связанной с защитой
окружающей среды?
38. Какие модели развития и
взаимодействия популяций, приводимые в специальной и педагогической литературе
(кроме перечисленных выше в тексте), приемлемы для реализации в школьном курсе
информатики, нацеленном на компьютерное моделирование?
39. Как пояснить учащимся
соотношение между детерминированными и случайными (имитационными) моделями
экологических процессов?

14.6. Лабораторный практикум

Тема «Профильные курсы информатики, ориентированные
на компьютерное моделирование»

Для усвоения старшеклассниками
основ моделирования и формирования системно-информационных представлений, в
качестве логической цепочки построения содержания обучения предлагается
следующая: введение в системологию — методологические подходы исследования
окружающего мира — метод моделирования — технологии построения информационных и
компьютерных моделей.

Занятие 1
Тема «Методические особенности обучения
элементам систе-мологии и теоретическим основам моделирования»
Дидактические цели: исследовательские.
Способы организации: практикум.
Технологии и методы
обучения: работа с книгой
(составление тематического тезауруса, матрицы идей), учебная дискуссия,
поисковые упражнения, рецензирование.
Средства обучения: учебно-методическая и специальная
литература [1 — 13, 15—24, 28, 31 — 34], программные средства [1—4, 7-9].
Предварительная подготовка
студентов: выполнить
логико-содержательный анализ учебной литературы базового курса информатики,
обобщив его в матрице идей (табл. 14.1); изучить методологические принципы
системного подхода и заполнить демонстрационную табл. 14.2.

Теоретические
сведения

Основные понятия: система, надсистема, подсистема,
структура, системный анализ, формализация, модель, моделирование,
информационная модель.
Содержательно-методический
анализ
Введение в системологию
базируется прежде всего на изучении иерархичности систем. В процессе поиска с
учащимися ответа на вопрос, что является простейшей частью системы (элементом),
следует сделать вывод о зависимости предела членения системы от целей
рассмотрения объекта как системы, от точки зрения на объект или от аспекта его
изучения. Далее следует ввести понятия надсистема и подсистема, при
этом сформировать представление о том, что возможность деления системы на
подсистемы связана с вычленением совокупностей взаимосвязанных элементов,
способных выполнять относительно независимые функции и подцели, направленные на
достижение общей цели. После этого возникает возможность познакомить учащихся с
компонентами системы и основными свойствами систем.
Изучение методологических подходов
направлено на формирование представлений о возможностях применения системного,
информационного и функционального подходов к исследованию явлений, процессов,
объектов действительности. Следует подчеркнуть, что методологические подходы
являются теоретической основой исследовательской деятельности, поэтому
реализуются не сами по себе, а через такие методы, как: системный анализ,
формализация, моделирование, метод «черного ящика». Метод моделирования
позволяет упрощать модель по сравнению с объектом на основе конкретного
сходства и различия. В познавательном процессе исследуемый объект заменяется
моделью, имитирующей его структуру или функционирование. Изучение модели позволяет
получать новую информацию об исходном объекте.
Старшеклассники должны
усвоить, что виды моделирования разнообразны, так как зависят от используемых
моделей и сферы их применения. Целесообразно познакомить учащихся с
классификациями моделирования по разным признакам, в этой связи можно
рассмотреть классификацию, которая излагается в теории систем.
Информатика исследует
методологические принципы построения информационных моделей и манипулирования
ими, хотя само построение и обоснование этих моделей — задача частных наук.
Изучая понятие информационной модели, рекомендуем познакомить учащихся с
понятием концептуальной модели, поскольку в зависимости от решения задачи одна
и та же информационная модель порождает различные концептуальные модели, на
основе которых могут быть построены новые информационные модели (хотя различие
между информационными и концептуальными моделями условно, так как назначение
любой модели — получение информации об объекте).

Дидактические
материалы

I. Варианты заданий
Задание 1. Разработать
конспект урока-лекции по заданной теме. Содержание конспекта должно включать в
себя следующее:
1.1. Наименование учебной
темы и часы.
1.2. Цели (образовательные,
развивающие, воспитательные).
1.3. Основные понятия
содержания обучения (рекомендуется составить понятийный словарь).
1.4. Предварительная
подготовка учащихся (характеризуются знания, умения и навыки, на которых
непосредственно базируется усвоение содержания учебного материала лекции).
1.5. Предварительная
подготовка учителя (определяются практические задачи, которые решает учитель,
готовясь к лекции).
1.6. Средства обучения
(литература, представленная по разделам: учебники и учебные пособия для
учащихся, пособия и методические рекомендации для учителя, дополнительная
литература; технические и программные средства; дидактические материалы, в том
числе набор демонстраций, выполненных с помощью современных технических
средств, позволяющих проецировать изображение с экрана компьютера на
демонстрационный экран).
1.7. Поэтапный план занятия с
учетом временных затрат.
1.8. Содержание обучения
(нужно обязательно выделить в тексте сведения, которые записывают учащиеся в
рабочие тетради, а также расставить ссылки на использованную литературу).
1.9. Итоговые выводы занятия.

Примечание. Если предусмотрено использование обычной классной доски, то
требуется представить набор изображений, которые будут последовательно
создаваться на доске.

Тематика лекций

1. Введение в системологию.
2. Теоретические основы
моделирования.
3. Информационное
моделирование.
4. Модели представления
знаний в системах искусственного интеллекта.
5. Введение в компьютерное
моделирование.
6. Имитационное
моделирование.

Задание 2. Разработать конспект комбинированного
урока по заданной теме в соответствии с п.п. 1.1 — 1.8 задания 1. Следует
учитывать специфику комбинированного урока, поэтому в конспекте нужно составить
описание следующих основных элементов, составляющих методическую подструктуру
урока:
2.1. Организация учащихся к
занятиям.
2.3. Повторение и проверка
знаний учащихся, выявление глубины понимания и степени прочности изученного
материала и актуализация необходимых знаний и способов деятельности для
последующей работы по осмыслению вновь изучаемого материала на текущем уроке.
2.4. Введение учителем нового
материала и организация работы учащихся по его осмыслению и усвоению.
2.5. Первичное закрепление
нового материала и организация работы по выработке у учащихся умений и навыков
применения знаний на практике.
2.7. Подведение итогов урока
и инструктаж по выполнению домашнего задания.

Тематика уроков

1. Системная классификация.
2. Язык программирования (управления
учебным исполнителем) как логико-лингвистическая информационная модель.
3. Представление знаний в
форме семантических сетей.
4. Компьютерное моделирование
физических процессов и явлений.
5. Моделирование систем
массового обслуживания.
6. Моделирование динамики
численности популяций.
II. Структуризация учебной информации
Задание 1. Составить толковый
словарь терминов (тезаурус), характеризующих элементы системы основных понятий
или ядра содержания обучения заданной темы урока.
Задание 2. Установить взаимосвязи
внутри сконструированной системы понятий заданной темы урока и внешние связи
этой системы с понятиями базового курса информатики (табл. 14.2,14.3).
Таблица 14.2

Выходные данные учебника

Наименование раздела

Содержание обучения

Основные понятия

Определения

Классификация моделей

Примеры

Таблица 14.3

Система

Главная цель системы

Наденете мы

Подсистемы

Элементы
системы

_

Методические
рекомендации

Целесообразно по результатам
выполненного студентами логико-содержательного анализа учебной литературы
базового курса информатики провести учебную беседу с целью уточнения
определений основных понятий темы и вариантов классификаций моделей, а также
обоснования наиболее предпочтительного выбора учебной литературы. Возможна
организация учебной деятельности по подгруппам, например, обучаемые первой
подгруппы выполняют по вариантам задание 1, а второй — задание 2. Возможный
прием — рецензирование работ студентов внутри подгруппы. В рамках дискуссии рекомендуется
обсудить результаты учебной деятельности студентов по структуризации учебной
информации, направленной на работу с системой понятий.

Занятие 2
Тема «Методика обучения технологическим приемам
построения информационных и компьютерных моделей»
Дидактические цели: иллюстративно-исследовательские.
Способы организации: лабораторно-практическая работа.
Технологии и методы
обучения: работа с книгой
(тезирование, аннотирование), поисковые упражнения, рецензирование.
Средства обучения: учебно-методическая и специальная
литература [1, 2, 5, 7, 8, 22—27, 29, 30, 31, 35, 36], программные средства
[4—9].
Предварительная подготовка
студентов: требуется
ознакомиться с планом лабораторно-практической работы и выполнить п.п. 1—2
этого плана.

Теоретические
сведения
Основные понятия: прототип, моделирование, принятие решения,
компьютерный эксперимент.
Содержательно-методический
анализ
В рамках профильного обучения
информатике следует повторить и закрепить знания о технологической цепочке
построения моделей, ранее усвоенные учащимися в базовом курсе информатики.
Систематизация и обобщение знаний старшеклассников предполагает рассмотрение
моделирования как вида человеческой деятельности, направленной на исследование
объектов, явлений и процессов, и уточнение места моделирования в этой
деятельности.
Формирование технологических
приемов осуществляется в процессе освоения старшеклассниками следующих основных
этапов моделирования. На первом этапе надо научить описывать задачу, под
которой в самом общем смысле понимается проблема, требующая решения, а также
формировать навыки определения цели моделирования, проведения анализа объекта
моделирования. Второй этап предполагает формирование навыков создания
информационных моделей, преобразования их в знаковые с учетом среды реализации,
трансформирования их в компьютерные модели. В рамках третьего этапа следует
научить четко составлять план моделирования, осуществлять моделирование сначала
на тесте, а далее с реальными данными. Организация такой учебной деятельности
направлена на формирование представлений о компьютерном эксперименте. Освоение
учащимися последнего этапа заключается в том, что они анализируют результаты
моделирования и учатся принимать обоснованные решения.

План работы
1. Выбрать, по согласованию с
преподавателем, одну из предложенных тем уроков лабораторно-практических работ.
2. Изучить учебную,
методическую и специальную литературу по информатике в соответствии с выбранной
тематикой, составить аннотированный список литературы.
3. Освоить функциональное
наполнение программных средств, которые предполагается использовать с целью
выполнения практических заданий старшеклассниками или для оформления ими
отчетов.
4. Выполнить задания 1 — 3,
приведенные ниже, и представить письменные отчеты.

Дидактические
материалы
I. Варианты заданий
Задание 1. Разработать конспект
урока лабораторно-практических работ по заданной теме в соответствии с п.п. 1.1
—1.8 (занятие 1). Следует учитывать специфику урока лабораторно-практических
работ, поэтому в конспекте нужно описать следующие основные этапы:
• вводная часть урока, на которой
преподаватель формулирует цели занятия, дает задание, определяет вопросы,
выполняет вместе с учащимися схему предстоящих действий;
• самостоятельная работа
учащихся, организованная таким образом, чтобы они могли определить пути решения
поставленных задач, наметить последовательность выполнения необходимых
действий, решить поставленные задачи и составить отчеты;
• заключительная часть урока
должна содержать прогнозируемый анализ хода выполнения и результатов работ
учащихся, наиболее вероятные ошибки и причины их возникновения.
Задание 2. В целях
эффективной организации деятельности обучаемых разработать инструктажные карты
к выполнению заданий лабораторно-практической работы.
Задание 3. Разработать
вариативные наборы заданий для лабораторно-практической работы, содержащие
четкие формулировки заданий и ответы.

Тематика уроков
лабораторно-практических работ

1. Выделение характеристик
объекта и информационных связей между ними.
2. Построение древовидных и
графовых моделей.
3. Построение табличных
информационных моделей.
4. Построение продукционных
моделей представления знаний.
5. Моделирование движения.
6. Моделирование колебаний.
7. Прогнозирование состояния
экологических систем с помо-Щью компьютерных моделей.

II. Структуризация учебной информации
Дополнить вариативные наборы
(задание 3) формально-логическими моделями решения прикладных задач с
применением программных средств (табл. 14.4).
Таблица 14.4

Формулировка задачи

Этапы моделирования

Программные средства

 Технологические приемы

Алгоритмы

Результаты

Методические
рекомендации
Для студентов, успешно
справившихся с заданиями 1—3, рекомендуем дополнительное задание, выполнение
которого направлено на структуризацию учебной информации. Целесообразно
организовать внутри студенческой группы рецензирование вариативных наборов
прикладных заданий, предложить студентам продемонстрировать использование
инструктажных карт в учебном процессе.
Программные
средства
1. Средства подготовки
презентаций: PowerArt, PowerPoint, ClipArt
и др.
2. Системы компьютерного
моделирования: GPSS, CSSE и др.
3. Математические пакеты: Derive, MathCad, Mathematica и др.
4. Табличные процессоры: SuperCalc 5.0, Microsoft Excel и др.
5. Системы управления базами
данных: MS Access, FoxPro и др.
6. Интегрированные системы: FrameWorks, Works 4.0 и др.
7. Система учебных
исполнителей: Программно-методический комплекс по курсу информатики «Основы
алгоритмизации» и др.
8. Системы программирования: Turbo Pascal, Delphi, Visual
Basic, Turbo Prolog, Turbo C, Borland C++, Fort, JavaScript и др.
9. Текстовые редакторы: Lexicon, MS Word и др.

Литература к главе 14

Основная
литература
1. Белошапка В. К. Информационное
моделирование в примерах и задачах. — Омск: Изд-во Ом. гос. пед. ин-та, 1992.
2. Гейн А. Г., Юнерман
Н.А. Информатика 10—-11 кл. // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое
сентября». — 1999. — № 40,43,46; 2000. — № 3.
3. Глинский Б.А. и др. Моделирование
как метод научного исследования. — М.: Знание, 1965.
4. Захарова Т. Б. Профильная
дифференциация обучения информатике на старшей ступени школы. — М.: МЦНТИ,
1997.
5. Информатика:
Задачник-практикум: В 2 т. / Под ред. И. П. Семакина и Е.К.Хеннера. — М.:
Лаборатория базовых знаний, 1999.
6. Информатика:
Энциклопедический словарь для начинающих. — М.: Педагогика-Пресс, 1994.
7. Информационная культура:
Кодирование информации. Информационные модели: 9—10 кл. — М.: Дрофа, 1996.
8. Компьютерные модели,
вычислительный эксперимент: введение в информатику с позиций математического
моделирования. — М.: Наука, 1988.
9. Могилев А. В., Пак И.
И., Хеннер Е.К. Информатика: Учеб. пособие для студентов пед. вузов / Под
ред. Е.К.Хеннера — М.: Академия, 1999.
10. Могилев А.В., Хеннер
Е.К. О понятии «Информационное моделирование» // Информатика и образование.
— 1997. — № 8.
11. Мороз А. Я. Кибернетика
в системе современного научного знания. — Киев, 1988.
12. Острейковский В.А. Теория
систем. — М.: Высш. шк., 1997.
13. Семакин И.Г. и др. Информатика:
Базовый курс 7 — 9 кл. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999.

Дополнительная
литература
14. Бабанский Ю. К. Методы
обучения в современной общеобразовательной школе. — М.: Просвещение, 1985.
15. Белошапка В. К.,
ЛесневскийА. С. Основы информационного моделирования // Информатика и
образование. — 1993. — № 6.
16. Бешенков С.А.,
ГейнА.Г., Григорьев С.Г. Информатика и информационные технологии. —
Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. пед. ун-та, 1995.
17. Бигон М., ХарперДж.,
Таунсенд К. Экология: В 2 т. — М.: Мир, 1989.
18. Брусиленко Н.П. Метод
статистического моделирования. — М.: Мир, 1970.
19. Брусиленко Н. П. Моделирование
сложных систем. — М.: Наука, 1978.
20. Гейн А. Г., Данилина
И. И., Шолохович В. Ф. Информатика (естественнонаучный профиль) //
Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». — 1998. - № 42. — С. 3—14.
21. Гейн А. Г., Сенокосов
А. И. Информатика и основы вычислительной техники: Учеб. пособие для 8—11
кл. школ с углубленным изучением информатики // Информатика: Еженед. прил. к
газ. «Первое сентября».— 1998.-№43.-С. 7-29.
22. ГорсткоА.Б. Познакомьтесь
с математическим моделированием. — М.: Знание, 1991.
23. Гулд X., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике: В 2
т. — М.: Мир, 1990.
24. Информатика: 9 кл. / Под
ред. Н.В. Макаровой. — СПб.: Питер, 1999.
25. Основы экологии и
природопользования. Компьютерный курс / б-Ф. Шолохович, А. Г. Гейн, С.В.Комов и
др. — М.: Просвещение, 1995.
26. Островская Е. М. Моделирование
на компьютере// Информатика и образование. — 1998. — № 7, 8; 1999. — № 1.
27. Пак Н.И. Компьютерное
моделирование в примерах и задачах. — Красноярск: Изд-во Краснояр. гос. пед.
ун-та, 1994.
28. Пекелис В.Д. Кибернетика
от А до Я: Энциклопедия. — М., 1990.
29. Петрова Н. П. Маленькие
модели большого мира (задачи на моделирование) // Информатика: Еженед. прил. к
газ. «Первое сентября». — 1995.-№31.
30. Преподавание компьютерного
курса «Основы экологии и природопользования» в общеобразовательной школе /
В.Ф.Шолохович, С.В.Комов, АТ.Гейн, И.И.Данилина. — Екатеринбург: Изд-во Урал.
гос. пед. ун-та, 1994.
31. Самарский А.А.,
Михайлов А.П. Математическое моделирование. Идеи. Методы. Примеры. — М.:
Наука, 1997.
32. Чубарова Т.П. Моделирование
и элементы системологии: Учеб. пособие для учащихся 11 кл. // Информатика:
Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». — 2000. — № 10, 13.
33. Шеннон Р. Имитационное
моделирование систем — искусство и наука. — М.: Мир, 1978.
34. Шнейдеров В. С. Занимательная
информатика. — СПб.: Политехника, 1994.
35. Шуиукова Л. 3. Технология
решения и подготовки задач на компьютере // Информатика и образование. — 1999.
— № 7.
36. Яковлева Т. А. Технология
компьютерного моделирования // Информатика и образование. — 1997. — № 5.

Глава 15
ПРОФИЛЬНЫЕ КУРСЫ
ИНФОРМАТИКИ,  ОРИЕНТИРОВАННЫЕ
НА ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Программирование — наиболее
традиционная сфера деятельности при организации профильно-ориентированных
курсов информатики. Существует множество вариантов таких курсов. Однако само
содержание термина «программирование» нуждается в уточнении.
Отсылая за подробностями к
специальным руководствам, приведем возможную схему классификации видов
программирования, с каждым из которых можно связать специальный профильный курс
(рис. 15.1).

Рис. 15.1.
Классификация языков программирования

На начальном этапе
программирование было операциональным и (одновременно) процедурным (например,
язык Фортран, исходные версии Бейсика), а уже в усовершенствованном виде —
структурным (классический пример — Паскаль). Отличаясь рядом деталей, эти
подходы сходятся в следующем: программа представляет собой детальное описание
того, как решать задачу, т.е. алгоритм в некоторой специальной записи. Основные
понятия языков этих групп — оператор и данные.
Принципиально иное
направление в программировании связано с методологиями (иногда говорят
«парадигмами») непроцедурного программирования. В их число входят
объектно-ориентированное и декларативное программирование.
Объектно-ориентированная
программа — совокупность множества независимых объектов. Каждый объект можно
использовать для решения задачи, не вникая во внутренние механизмы его
функционирования. Наиболее популярные языки объектного программирования — C++, Delphi, Visual Basic.
При использовании
декларативного языка программист указывает исходные информационные структуры,
взаимосвязи между ними и то, какими свойствами должен обладать результат. При
этом процедуру его получения («алгоритм») программист не строит (по крайней
мере, в идеале). В этих языках отсутствует понятие «оператор» («команда»).
Декларативные языки можно подразделить на два семейства — логическое (Пролог) и
функциональное (Лисп).
Наибольший опыт преподавания
программирования в школе накоплен в отношении, прежде всего, языков типа Бейсик
и Паскаль. В конце 1980-х гг. появились курсы, ориентированные на изучение
основ математической логики и логического программирования, с середины 1990-х
гг. — объектно-ориентированного программирования.
Сделаем ряд следующих
замечаний в связи с изучением программирования в школе.
1. При углубленном изучении
программирования часто не ограничиваются одним подходом. Достаточно типична
ситуация, когда последовательно реализуются два курса (скажем, один в Х кл., а
второй в XI кл.).
2. Часто авторы курсов
программирования, ориентированных на разные его методологии, утверждают (из
методических соображений), что то или иное направление при изучении
программирования должно непременно предшествовать другому направлению. Скажем,
вначале надо изучать логическое программирование на Прологе, а лишь затем —
структурное (обычно на Паскале). Или другой вариант: всему должен
предшествовать чисто объектный подход, а на его базе изучают все остальное. Аргументация
обычно такова: методология X легче осваивается после методологии Y, а не наоборот. По нашему мнению, в таких утверждениях в
основном отражаются профессиональные пристрастия разработчиков курсов.
3. При выборе темы спецкурса
по информатике следует учитывать, что программирование (в любом его виде)
годится для этой роли далеко не для всех учащихся. Утверждение типа
«программирование — вторая грамотность», сыгравшее в свое время важную роль в
становлении школьной информатики, следует сегодня воспринимать достаточно
критически. Для большинства учащихся, с точки зрения интересов и будущей
профессиональной карьеры, вполне достаточно изучить программирование на уровне,
определяемом минимальными требованиями госстандарта (или заменяющего его
документа); эти требования обычно реализуются в базовом курсе.

15.1. Методика обучения структурному
программированию

Практически повсеместно
языком структурного программирования, используемым для изучения на уровне
школьных курсов, является Паскаль. Это абсолютно оправдано по всем
соображениям, и в данном подразделе ограничимся именно этим языком.
Способ изучения Паскаля в
форме профильного курса информатики в определенной мере зависит от того, были
ли прежде учащиеся знакомы с элементами Паскаля (в ходе изучения базового
курса). Если ответ положителен, то учащиеся, скорее всего, знакомы в общих
чертах со схемой Паскаль-программы, реализацией простых линейных, ветвящихся и
циклических алгоритмов. В любом случае профильный курс должен содержать все
темы, составляющие язык Паскаль, но методика их изучения должна учитывать
вышесказанное обстоятельство. Будет правильным регулировать уровень изложения
степенью подробности и «строгости», а также уровнем задач, приводимых в качестве
примеров и самостоятельных заданий (как известно, разбор и решение задач играет
важнейшую роль при обучении любому виду программирования).
При планировании курса
учитель должен решить, будет ли язык изучен «полностью». Опыт показывает, что
для этого, во-первых, мало даже годичного курса при наличии в нем двух-трех
часов в неделю, а во-вторых, что ряд «верхних этажей» Паскаля труднодоступен
многим учащимся (речь идет, прежде всего, о динамических структурах данных и
объектном расширении Турбо Паскаля). Более того, возникает принципиальный
вопрос о том, надо ли это в принципе включать в школьный курс, так как погоня
за количеством обсуждаемых вопросов может стать препятствием для понимания
основ программирования, формирования навыков структурного решения
алгоритмических задач.
Программирование в узком смысле,
понимаемое как кодирование на изучаемом языке готовых алгоритмов без
проникновения в их сущность и без приобретения навыков по их разработке, не
может быть целью общеобразовательного курса (даже профильного). Основная цель
изучения того же Паскаля — не столько он сам, сколько приобретение знаний и
навыков алгоритмизации в ее структурном варианте, освоение методов решения
некоторого класса задач, традиционно реализуемых на Паскале и родственных ему
языках программирования.
Ниже даны рекомендации по изучению
отдельных тем (в той последовательности, в которой это чаще всего делается,
хотя некоторые темы допускают перестановку). Для упрощения ситуации не будем
оговаривать, что некоторые вопросы могут быть известны из базового курса
информатики; учитель сам определит ту информацию, которую не следует
дублировать.

Тема «Алгоритмы. Структурная алгоритмизация»

Форма изложения материала —
сочетание лекции с практическими занятиями. На лекции вспоминают и уточняют
понятие «алгоритм», введенное в базовом курсе информатики, и обсуждают
особенности алгоритмов, исполнителем которых является компьютер. Далее
переходят к способам записи алгоритмов, акцентируя внимание на блок-схемах,
приводят примеры нескольких простейших линейных алгоритмов.
Отметим, что по вопросу о
целесообразности использования блок-схем при отработке навыков алгоритмизации в
методической литературе существуют разные точки зрения. Возможно (хотя и
вызывает сомнение), что при подготовке профессиональных программистов в вузах
этот способ записи алгоритмов является излишней промежуточной ступенью. Однако,
как показывает опыт, при выработке навыков алгоритмизации у школьников
использование графических схем является чрезвычайно полезным. При этом
необязательно следовать соответствующему стандарту, но некий отчетливый набор
Правил по изображению блок-схем должен присутствовать.
Далее переходят к изложению
правил структурной алгоритмизации. Приведите на уровне схемы три классические
структуры (следование, выбор и цикл). При изображении структуры «выбор» можно
использовать, например, схему, приведенную на рис. 15.2 (как показывает опыт,
на доске и в тетради удобнее вертикальная компоновка блок-схем); схемы развилки
(как частного случая выбора) и различных циклов общеизвестны.

Рис. 15.2.
Схема структуры «выбор»

Приведя несколько примеров
простых задач, реализуемых через единичный выбор (развилку), единичный цикл (с
предусловием и с постусловием), перейдите к иллюстрации важнейшего в
структурном программировании понятия «суперпозиции». Уместно вначале просто
показать графически, что такое суперпозиция (вложение) различных пар структур
друг в друга. Например, структура типа «развилка, вложенная в цикл» изображена
на рис. 15.3.

Рис. 15.3.
Пример вложенной структуры

Обратите внимание на то, что
при анализе изображений алгоритмов методически важной является возможность
указать те точки, в которых начинается и заканчивается каждый элементарный
фрагмент. При вертикальной компоновке блок-схем эти точки должны быть на одной
вертикали.
Теперь сформулируйте
несложную содержательную задачу, приводящую к такой структуре, и решите ее
графически. Например: в компьютер последовательно вводится 100 чисел, найти
отдельно суммы положительных и отрицательных чисел. Надо поступить также с
другими суперпозициями: развилка в развилке, цикл в развилке, цикл в цикле, и
отрабатывать решение типовых задач алгоритмизации, которые можно почерпнуть в
цитированных ниже задачниках. При этом не следует прибегать к структурированию
обрабатываемой информации (например, создавать переменные с индексом), чтобы не
усложнять основную задачу.
Следующей проблемой является
введение в идею модульности, одну из важнейших в структурном программировании.
На блок-схемах вспомогательные алгоритмы (из которых впоследствии вырастут
процедуры и функции) обозначают, например, так:

Далее формулируйте принципы
нисходящего проектирования и пошаговой детализации, также являющиеся частью
структурной алгоритмизации, и путем решения относительно несложных задач
вырабатывайте простейшие навыки этой деятельности. Задачи на этом этапе
достаточно традиционны, например: найти наибольшее число из нескольких
(последовательно вводимых в машину) — вспомогательный алгоритм есть нахождение
наибольшего из двух; найти наибольший общий делитель для нескольких целых чисел
и т.п.
Опыт показывает, что пока
элементарные навыки структурной алгоритмизации не отработаны, изучение языка
типа Паскаль нецелесообразно, так как на специфические трудности
программирования на новом языке накладываются трудности более высокого порядка.
Поэтому этой теме следует посвятить несколько уроков без выхода на ЭВМ.

Тема «Введение в Паскаль»

Форма изложения материала —
лекционная. Рассматриваются вопросы:
• что такое программирование;
• краткая история развития
языков программирования;
• классификация методических
подходов («парадигм») в программировании;
• язык Паскаль, история его
создания и развития, области применения;
• структура программы на
Паскале;
• понятие о метаязыках
описания языков программирования. Материал для этой лекции можно найти во
многих пособиях по языку Паскаль, включая указанные ниже в списке литературы.
Говоря об истории развития
языка и рассказав о Турбо Паскаля, в дальнейшем можно не подчеркивать всякий
раз, что тот или иной фрагмент связан именно с Турбо Паскалем, поскольку это
расширение языка стало в наше время общепринятым. Фактически курс целесообразно
базировать именно на Турбо Паскале.
По вопросу об изучении
структуры программы на Паскале можно придерживаться двух подходов. Первый —
вводить разделы по мере изучения языка (например, о существовании раздела
«Описание процедур» сказать тогда, когда приступите к теме «Процедуры и
функции»). Второй — сразу перечислить все возможные разделы программы, порядок
их следования, не вдаваясь, естественно, в вопрос о деталях устройства. В
целостном курсе второй подход представляется предпочтительным. Таким образом,
уже на вводном занятии рекомендуется дать полный перечень:

программа
= заголовок + блок + точка, блок = [описание меток] + [определение констант] +
[определение типов] + [описание переменных] + [описание процедур и функций] +
составной оператор

(разделы, названия которых
заключены в квадратные скобки, факультативны, т. е. могут в конкретной
программе отсутствовать). Приведите общее, без деталей, описание назначения
каждого из разделов, укажите ключевые слова, по которым их можно опознать.
То обстоятельство, что
Паскаль является языком со строго определенными понятиями, часто ускользает от
внимания «практиков». В спецкурсе, ориентированном на программирование, этот
вопрос заслуживает обсуждения, хотя и является материалом повышенной трудности.
Вначале ставим проблему ключевого различия между естественными (русским,
английским и т.д.) и формальными языками (все языки программирования и не
только они). Это интересный способ установить связи между информатикой и
лингвистикой, разобраться в таких понятиях, как «синтаксис», «семантика».
Далее, подведите учащихся к осознанию того, что для формального языка, в
отличие от естественного, должен существовать способ полного, однозначно
интерпретируемого описания допустимых в нем конструкций — метаязык. Опыт
показывает, что нецелесообразно привлекать на этом этапе обучения нормальные
формы Бэкуса, которые довольно трудно воспринимаются. Напротив, синтаксические
диаграммы Вирта, благодаря элементам графической поддержки, гораздо «понятнее»
и полностью решают поставленную задачу. Следует с осторожностью относиться к
привлечению формальных описаний вне той сферы, для которой они созданы (это
практикуется в ряде пособий, например, для описания бытовых понятий). Напротив,
диаграммы понятий «цифра», «четное число» и им подобные достаточно прозрачны и
создают представление о метаязыке еще до появления достаточно сложных
конструкций Паскаля. В дальнейщем злоупотреблять синтаксическими диаграммами не
следует, они на данном уровне обучения играют вспомогательную роль.

Тема «Данные. Типы данных. Выражения»

Мысль о том, что объект
обработки (данные) не менее важен, чем орудийные средства (алгоритмы,
операторы), следует внедрять на самой ранней стадии изучения программирования.
Вводная беседа на эту тему
включает отработку понятий величина, постоянная величина и переменная
величина, тип, имя и значение величины. Далее перейдите к важнейшему
понятию простая величина и структурированная величина. На
примерах известных учащимся сфер деятельности проведите мысль о том, что
ситуация, когда величина имеет одно имя и разом несколько значений (иначе
говоря, состоит из нескольких элементов), достаточно стандартна (любая таблица,
например значений температуры за каждый день месяца и т.п.).
Далее, готовясь к более
профессиональному разговору, введите важнейшие характеристики структурированной
величины: упорядоченность — неупорядоченность, однородность — неоднородность,
прямой доступ — последовательный доступ, статическая — динамическая.
На примере линейного массива — структуры, наверняка известной учащимся из
предшествующего обучения, — проведите его описание в терминах, сформулированных
выше (упорядоченная однородная статическая структура прямого доступа).
После этого, не привязывая
обсуждение к Паскалю, введите общие понятия о таких структурах данных, как множество,
запись, файл, стек, очередь, строка и т.д., всякий раз приводя примеры и
выделяя сформулированные выше характеристики.
Завершают эту часть темы
утверждением и примерами о том, что правильное, адекватное проблеме
выстраивание структур входных и выходных данных является не меньшим искусством,
чем правильно сформулированный алгоритм.
Разговор о типах данных
разумно привязать к изучаемому языку (т. е. Паскалю). Введите четыре
стандартных типа (целочисленный — integer, вещественный — real, логический
(булевский) — boolean и символьный — char), покажите, какие значения могут принимать величины этих типов.
Укажите на обязательность явного описания типов переменных в Паскале и покажите
на примерах, как это сделать. Рассказ о том, что в Турбо Паскале на базе целочисленного
и вещественного типов образованы одноименные группы типов, можно отложить на
тот момент, когда стандартных типов real и integer станет недостаточно для решения задач.
Теперь уместно перейти к
понятию арифметическое выражение. Поскольку с понятием выражение учащиеся
раньше встречались (обычно интуитивно выражение отождествляется с
математической формулой), начните с того, что такое тип выражения. Следует
реализовать две простые, но нетривиальные мысли:
а) тип выражения определяется
типом принимаемых им значений;
б) типов выражений
потенциально столько же, сколько типов данных в языке программирования.
Уточните понятия операнд,
функция, знак операции и на примерах отрабатывайте правила конструирования
арифметических выражений. Попутно введите арифметические действия (в том числе
и непривычные div и mod), стандартные
математические функции, четко указывая для каждой из них тип аргумента и тип
значения. Удобно сгруппировать эту информацию в таблицу, рассказать о
«необычных» (на уровне школьного математического образования) функциях и
объяснить смысл двойного вхождения некоторых из функций в таблицу (табл. 15.1).
Таблица 15.1

Значение

Аргумент

real

integer

integer

abs(X), sqr(x)

round (x), trunc (x)

real

sin(x), cos(x), arctan(x), ln(x), exp(x), sqrt(x)

abs(x), sqr(x), sin(x),
  cos(x), arctan(x), ln(x), exp(x), sqrt(x), int(x)

Большая часть этих функций не
вызывает затруднений, так как знакома по курсу математики. Однако такие
функции, как trunc и round
требуют комментариев. Это
функции преобразования типов, и нетривиальность равенства trunc(5.0) = 5 должна стать темой обсуждения.
Нетривиальным является для
учащихся и утверждение о том, что функции бывают не только математическими.
Нематематическая функция — такая, у которой либо аргумент, либо результат имеют
нечисловую природу. Более того, нематематические функции могут входить в
арифметические выражения. Примером такой функции на этом этапе может стать
функция ord(x), аргумент
которой может принимать значения (в частности) типов char и boolean (полный ее смысл будет раскрыт позже).
В связи с введением функции ord(x) уместен
разговор о различии понятий упорядоченный и порядковый тип (в
некоторых пособиях используется иная терминология, но существо дела от этого не
меняется). Все четыре базовых типа являются упорядоченными, так как внутри
каждого из них возможно сравнение элементов по ≤ ≠ ≥ <
> =. Однако тип real, в отличие
от остальных трех, не является порядковым, так как в нем нельзя пронумеровать
элементы. Это существенно сказывается на ряде моментов в программировании
(например, величину этого типа нельзя использовать как аргумент функции ord).
В этом месте надо обсудить и
особенности целочисленной и вещественной арифметики, показать принципиальную
разницу между хранением в памяти ЭВМ целых чисел как точных (и отсюда —
ограниченность диапазона представимости) и вещественных чисел как приближенных,
а также невозможность определения для них понятий «следующий» и
«предыдущий», неизбежность машинных округлений.
После усвоения этого
материала перейдите к построению нематематических выражений. На данном этапе,
до введения строковых величин, отрабатывайте лишь логические выражения. Введите
основные логические операции И, ИЛИ, НЕ и запишите для них таблицы истинности.
Далее, не прибегая к нотациям Паскаля, строят простые логические выражения и
показывают, как вычисляются их значения. При этом используют в этих выражениях
как переменные величины, так и логические константы. Например: (А Ù В) Ú С, А Ù (В ÙØ С) Ù true и т.п.
Затем вводят нотации Паскаля
и продолжают отработку навыков вычисления логических выражений, вводя в них
элементы — сравнения. Например: (А < В) or С. На примере такого выражения (и ему подобных) можно объяснить,
что сравнение по ≤ ≠  ≥ < > = возможно и для
величин нечисловой природы (любых упорядоченных, в частности, для символьных и
логических).

Тема «Операторы»

В начале темы уместно
привести список основных операторов языка Паскаль (по крайней мере, тех из них,
назначение которых интуитивно ясно учащимся после изучения базового курса
информатики): присваивания, ввода, вывода, условный, множественного ветвления,
цикла с предусловием, цикла с постусловием, цикла с параметром. То
обстоятельство, что ввод и вывод, строго говоря, не входят в список основных
операторов, малосущественно. Об операторе перехода GOTO рекомендуется умалчивать, ибо его использование не органично для
структурного программирования. Такую специальную конструкцию, как оператор
присоединения, лучше ввести при изучении записей, так как на данном этапе
объяснить его назначение невозможно.
Начинать надо с тщательной
отработки понятия присваивание, без которого в дальнейшем многое не
будет правильно воспринято. Вопрос представляется крайне простым: вычисляется
значение выражения, стоящего справа от знака := и его получает переменная
величина, стоящая слева от этого знака. Однако понимание этого приходит не
сразу. В частности, необходимо на примерах величин различных типов пояснить,
что до первого присваивания переменная вообще не имеет значения.
Здесь же следует ввести
понятие «совместимость типов». Паскаль является жестко типизированным языком,
что способствует большей корректности программ. В языке есть понятие
«совместимости типов по присваиванию», т.е. при присваивании тип переменной
слева от знака присваивания доожет не совпадать с типом выражения справа;
останавливаться на этом подробно в данном месте нецелесообразно, но один момент
надо пояснить — допустимо, чтобы переменная имела тип real, а выражение — integer.
Операции ввода с
клавиатуры и вывода на экран — следующие за присваиванием по порядку
изучения, так как без них практически не бывает программ. Различия между
операциями read и readln, write и writeln опишите путем указания на визуальное расположение информации на
экране. Впоследствии, при изучении текстовых файлов, этот вопрос можно
уточнить. При описании оператора вывода подчеркните возможность включения в
список вывода строк (текстовых констант), что позволяет комментировать
выводимые данные. Тут же уместно показать простые варианты форматного вывода,
так как простейшего оформления выводимых на экран результатов работы программы
целесообразно добиваться с самого начала.
После изучения указанных
операторов почти все дальнейшие примеры следует оформлять в виде завершенных
программ. Попутно знакомимся с комментариями и пользуемся ими в разумных
пределах.
Условный оператор соответствует знакомой учащимся
алгоритмической структуре «развилка». При его изучении обычно не возникает
существенных проблем. Необходимо обратить внимание на то, что после служебного
слова if следует условное выражение, а не только простые условия в
виде равенств и/или неравенств. Практические навыки разработки алгоритмов и
программ, реализующих разветвляющиеся процессы, поначалу отрабатывают на простейших
задачах типа «найти большее число из двух, последовательно вводимых с
клавиатуры», затем переходят к задачам, требующим либо вложения развилки в
развилку, либо организации составных условий (часто эти приемы равносильны).
Более общим (и более мощным)
средством, аналогичным условному оператору, является оператор множественного
ветвления. Объяснив его достаточно сложную структуру, покажите на примерах,
что применение этого оператора часто избавляет от громоздких конструкций —
многократно вложенных развилок, делает программу более читаемой. Обратите также
внимание, что селектор и метки могут быть не обязательно типа integer (допустим любой порядковый тип), что в свою очередь добавляет
выразительности программам.
Операторы цикла обычно
начинают изучать с цикла с предусловием (цикла while). При реализации циклических алгоритмов
часто возникает искушение организовывать данные в массивы, но поначалу делать
это нецелесообразно. Достаточно ограничиться приемами обработки данных,
последовательно вводимых с клавиатуры. Задачи типа «найти сумму чисел, вводимых
с клавиатуры» не требуют структурирования данных. Затем переходим к более
сложным задачам, требующим суперпозиции операторов цикла и развилки (типа
«среди последовательно вводимых с клавиатуры чисел найти суммы положительных»),
— подобных задач много в любом сборнике задач по программированию. Сочетание же
изучения цикла с использованием структурированных данных ведет к лишним
трудностям (хотя для сильных учащихся это вполне возможно).
Цикл с постусловием (цикл repeat) и в теоретическом, и в практическом
плане по существу равносилен циклу с предусловием. Обратите внимание учащихся
на то, что для цикла с постусловием тело цикла выполнится как минимум один раз,
независимо от условия, а для цикла с предусловием может не выполниться ни разу.
Вновь решайте те же задачи, что и при отработке первого из видов цикла, с
использованием второго, фиксируя внимание учащихся на трансформации условий.
Как правило, при организации
циклических процессов при заранее известном числе выполнения тела цикла
наиболее удобен цикл с параметром (цикл for). Познакомьте с ним учащихся; обратите
внимание, что по организации работы в Паскале этот цикл вначале проверяет
условие, а затем реализует тело цикла. Цикл for устроен достаточно сложно, и детальное, по пунктам,
«проговаривание» порядка его исполнения существенно помогает пониманию темы.
Обратите внимание учащихся на то, что параметр цикла может иметь не только тип integer, но и любой порядковый тип. Разберите,
например, задачу: вывести на экран последовательность латинских букв а, Ь, ...,
z- Достичь этого можно, например, так:

var i, j, k: integer;
…………………………………………………………………………
i:=ord(a); j:=ord(z); for k:=i to j do write (chr(k), '_')

но можно и более изящно:

var с:char;
………………………………………………………………………
for c:= 'a' to 'z' do write (c, '_')

Целесообразно провести
решение нескольких простых задач с помощью каждого из трех циклов и сопоставить
решения. Например, это может быть задача типа: найти сумму квадратов первых 100
натуральных чисел.
Необходимо показать учащимся
и задачи, в которых цикл с параметром неприменим (или применение его требует
особых ухищрений). Это, прежде всего, итерационные циклические процессы, в
которых выход из цикла определяется не заранее известным числом шагов, а
условием, связанным с чем-то, вычисляемым в теле цикла. Хорошим примером будут
математические задачи типа: найти приближенное значение  по
итерационной формуле   с выходом из
итераций при достижении условия |хя+1 - х„| < е.
Определенные затруднения при
первом знакомстве вызывает у учащихся освоение конструкций типа «цикл в цикле».
Вероятно, более целесообразно отложить ее рассмотрение до введения понятия
«массив» («двумерный массив»), поскольку при этом появляются более адекватные
конструкции задачи.

Тема «Перечислимый и интервальный типы данных»

Перечислимый тип данных,
будучи реализованным в Паскале не вполне последовательно (например, очень
мешает реализации многих алгоритмов запрет использовать величины перечислимых
типов в операторах ввода-вывода), является, тем не менее, полезным средством
решения ряда нечисловых задач.
Начните эту тему с примеров
описания типов. Некоторая свобода, допускаемая Паскалем при выборе средств
описания между разделами var и type, может быть при начальном изучении языка ликвидирована выбором в
пользу var. Однако, начиная с данной темы,
использование type становится неизбежным.
Приведя примеры определения
перечислимых типов, остановитесь на допустимых операциях над соответствующими
переменными и константами (операциями отношения) и функциях pred, succ, ord — лишь сейчас их можно определить в полной мере.
Программы с использованием
самостоятельно определенных программистом типов обычно довольно громоздки (в
частности, из-за ограничений на ввод-вывод). Приведем задачу, которую можно
рассмотреть на уроке: составьте программу, которая по дате (числу и номеру
месяца) определяет дату следующего дня (число и номер месяца) в невисокосном
году. Обратите внимание учащихся, что ввести не номер, а название месяца
невозможно (по крайней мере, простого решения здесь нет).
С интервальным типом проблем
гораздо меньше. Фактически отдельные задачи на отработку навыков использования
этого типа данных решать необязательно. В дальнейшем, особенно при описании
массивов, использование интервального типа станет обычным (и не всегда
осознаваемым) делом.

Тема «Процедуры и функции»

Предварительно отметим, что в
старших версиях Турбо Паскаля принято считать процедуры своего рода структурами
данных. Однако на данном этапе обучения этот взгляд обосновать нелегко, и лучше
интерпретировать процедуры и функции более традиционно, как средства реализации
вспомогательных алгоритмов.
После усвоения учащимися
предшествующих разделов Паскаля можно приниматься за решение задач, в которых
выделение вспомогательных алгоритмов является естественным.
Начиная изучение этой сложной
и принципиально важной темы, повторите принципы структурного программирования,
особенно принцип модульности. Учащиеся должны понять, что без введения процедур
ни одной профессиональной программы в принципе не бывает.
Неочевидна поначалу разница
между процедурой и программой. Основные различия необходимо понять сразу:
процедура хоть и является самостоятельной программной единицей, но исполняется
лишь тогда, когда к ней обращаются другие программные единицы (основная
программа или другие процедуры и функции). Можно представить себе, что в
разделе описания процедур присутствует некая процедура, но в процессе работы
программы ни разу не исполняется, ибо обращений к ней нет. Итак, кроме
процедуры должны быть команды обращения к процедуре.
Введите понятие «формальные
переменные» — те, через которые внешняя программа «общается» с процедурой. На
простейших примерах объясните механизм замещения формальных переменных на
фактические, происходящего при обращении к процедуре. На первых порах можно не
фиксировать внимания на том, что замещение возможно либо по значению, либо по
имени.
Достаточно сложно на первом
этапе изучения процедур достичь понимания различий между локальными и
глобальными переменными. В методических целях следует в первых примерах
отказаться от использования глобальных переменных (профессиональные
программисты часто отказываются от них вообще). До тех пор, пока учащиеся не
освоятся с данными понятиями, следует избегать использования одинаковых
идентификаторов для локальной и глобальной переменных.
Нелегко также учащимся понять
различия между формальными параметрами-значениями и параметрами-переменными.
Многословные объяснения в ряде руководств иногда лишь затрудняют понимание
этого важного вопроса. Для начала вполне достаточно, если в разбираемых
примерах процедур параметры будут четко подразделяться на входные и выходные и будет
соблюдаться простое правило: входные параметры есть параметры-значения,
выходные — параметры-переменные. Это правило страхует от ошибок, связанных с
непониманием механизмов замещения параметров при обращении к процедуре. Разумеется,
впоследствии этот вопрос должен быть отработан глубже.
Приведем примеры заданий для
начального этапа разработки программ с процедурами.

Задание 1. Вычислить периметр треугольника по
координатам его вершин.
Процедура — вычисление длины
отрезка (стороны треугольника) по координатам концевых точек. В ней совершенно
отчетливо видны четыре параметра-значения (указанные координаты) и один
параметр-переменная (результат, т.е. длина отрезка). Вызывающая программа три
раза обратится к этой процедуре. Пример вполне элементарен.

Задание 2. Найти наибольший общий делитель (НОД)
100 натуральных чисел по алгоритму Евклида.
Процедура — НОД двух чисел. В
заголовке — три переменные. Две из них — параметры-значения, третья —
переменная (результат).
После выполнения такого
уровня заданий перейдите к более сложным ситуациям. Разберите какой-нибудь
пример, специально сконструированный для иллюстрации различий между
параметрами-значениями и параметрами-переменными. Один из них выглядит так:

program parametr;
var k: integer;
procedure plusl (n: integer);
begin n:=n+10
end;
procudure plas2 (var n: integer);
begin n:=n+20
end;
begin
k:=10; plusl(k); writeln(k);
k:=10; plus2(k); writeln(k)
end.

Объясните, почему в первой
печати результат оказался равен 20, а во второй — 30.
В обучении использованию
процедур можно пойти и по другому пути. Поскольку существуют и процедуры без
параметров, то можно на одном примере показать все этапы: процедура без
параметров, процедура с параметрами-значениями, процедура с
параметрами-значениями и параметрами-переменными, отметить все плюсы и минусы
каждого подхода. Тут же, по мере появления, можно ввести понятие о локальных и
глобальных, формальных и фактических переменных.
После решения простейших
задач можно переходить к более сложным, с точки зрения организации процедур.
Разберите детальнее вопрос об области действия описаний. Сформулируйте простое
правило: в Паскале любая переменная должна быть описана перед своим
употреблением. Это правило относится и к процедурам. Полезно привести возможную
схему взаимного расположения описаний процедур в некоторой условной программе и
по ней разобрать вопрос об области действия описаний подпрограмм. Одна из таких
схем изображена на рис. 15.4.

Рис. 15.4.
Взаимное расположение описаний процедур

Объясните, почему из основной
программы можно обратиться к подпрограммам А и В, из А1 — к А2, но не
наоборот, из В1 можно обратиться к А, но нельзя к А1 и т.д.
После разбора подобной схемы
составляют программы с использованием глобальных переменных и отрабатывают
понимание того, что если одно и то же имя описано во внешнем блоке (т.е.
глобально) и во внутреннем блоке (локально), то локальное описание в пределах
блока доминирует.
Если понимание вопросов,
связанных с процедурами, достигнуто, то изучение функций как частного случая
процедур, несколько иначе оформленных, не вызывает затруднений. Ответ на вопрос
о том, когда целесообразно оформлять процедуру как функцию, очень прост: когда
вспомогательный алгоритм Должен возвращать лишь одно скалярное (т.е. не
структурированное) значение. Обращение к функции привычнее и удобнее, чем к
процедуре. В списке аргументов функции можно практически всегда ограничиваться
параметрами-значениями (хотя не запрещены и параметры-переменные). Естественно,
первые примеры на программирование с использованием функций приведите те же,
что использовались при отработке процедур (см. выше задания 1 и 2).
Рекурсивные процедуры —
материал повышенной трудности. В теоретическом отношении организация рекурсий —
принципиально важный прием программирования; на практике он по ряду причин не
слишком популярен. Обычным примером при отработке понятия «рекурсивный
алгоритм» является вычисление факториала натурального числа. Если учащиеся
проявили понимание и заинтересованность, то после этого можно разобрать классическую
задачу «Ханойская башня», приведенную во многих руководствах по Паскалю в
разделах, посвященных рекурсиям.

Тема «Структурированные типы данных»

В начале изучения темы
учащиеся должны осознать факт, что при обработке больших объемов данных без их
организации (структурирования) не обойтись. На примерах использования таблиц
покажите, сколь удобно иметь величину с одним именем и многими значениями
(основной признак структурирования). Далее, покажите, что таблицами с
однородными данными часто обойтись невозможно, поскольку приходится работать с
таблицами, в колонках которых разнородные данные (различные кадровые анкеты).
Наконец, не всегда число элементов в структуре можно заранее предвидеть; более
того, оно может меняться «на ходу». Примеры: численность студенческой группы в
процессе обучения, любая очередь (в магазине) и т.д. Соответственно, чем больше
вариантов организации данных предлагает язык, тем он совершеннее. В этом смысле
Паскаль устроен весьма удачно.
Целесообразно предварить
изучение отдельных структур данных их совокупным описанием. Дело в том, что о
массивах учащиеся скорее всего имеют представление из базового курса и простое
повторение может быть неинтересным.
Рассмотрим схему типов данных
Турбо Паскаля, позаимствованную из одного из приведенных в списке литературы
руководств (рис. 15.5). Эта схема может служить определяющей при формировании
порядка прохождения темы.
На схеме не отражено, что в
Турбо Паскале «вещественный» и «целый» — это группы типов; разговор о них
должен состояться отдельно. Также надо заметить, что такие распространенные в
приложениях динамические структуры данных, как очередь и стек, не
являются стандартными типами Паскаля, но могут быть реализованы с помощью
указателей.

Рис. 15.5.
Типы данных Турбо Паскаля

Массивы

Изучение структурированных
типов начните с наиболее традиционного — массива. Подчеркните его
групповые свойства: упорядоченная однородная статическая структура прямого
доступа; приведите обоснование этих свойств.
Способ, который принят для
выделения элементов массива, — индексация — заслуживает отдельного разговора.
Индексация не является единственно возможным способом выделения элементов
структурированной величины и неразрывно связана с указанными свойствами.
Неочевидно для учащихся, что границы изменения индексов назначаются
произвольно, что тип индексов — интервальный — не обязательно базируется на
типе integer (хотя чаще всего это так). Наконец, полезно соотнести
представление о линейном (одномерном) массиве с цепочкой ячеек памяти ЭВМ, в
которых хранятся элементы массива.
Трактовка многомерного
массива как одномерного массива, элементами которого являются массивы, верна и
полезна для понимания возможности своего рода суперпозиции структур данных.
Впоследствии этот взгляд обогатится рассмотрением массива записей и т.п. Однако
при описании двумерных массивов (а именно ими практически данный курс в этой
части ограничится) следует остановиться на более простом способе. Например:

Var A: array [1980..2000,1..
15] of real

вместо альтернативного, явно
отражающего фразу «массив массивов»:

Var A: array [1980 .. 2000] of array [1 .. 15] of real

Далее, на первом этапе
изучения языка вносит путаницу наличие еще одной альтернативы — описание
массива, сочетая type и var. На том же
примере это выглядит так:

Туре
В
= array [1980 .. 2000,1 .. 15] of real
Var А:В

Подобная многовариантность
украшает язык, но методически на первых порах неприемлема.
Особо следует остановиться на
том, что в Паскале массив не может быть динамической структурой. Учащиеся часто
встают в тупик при необходимости, скажем, удалить элемент из массива. То, что
между понятиями «удалить» и «вставить нуль» большая разница, понять легко.
Удаление элемента со сдвигом остальных влево — операция технически несложная,
но тогда получается «дырка» на правом конце массива. Убрать ее «на ходу»
невозможно по самой природе массива, и если это действительно необходимо, то
надо пользоваться иной структурой.
Навыки использования массивов
закрепляются с помощью решения типовых задач. К ним относятся: организация поэлементного
ввода и вывод линейного массива (простой цикл), подсчет числа положительных
элементов линейного числового массива, нахождение наибольшего элемента
линейного числового массива (цикл с вложенной развилкой) и т.д. Затем переходят
к задачам посложнее, требующим организации структур типа «цикл в цикле», и
более сложным: упорядочить линейный числовой массив по возрастанию или по
убыванию, найти наибольший элемент в двумерном массиве и т.д.
Не следует ограничиваться
задачами, в которых массивы имеют числовую природу. Примером задачи на
использование символьного массива может служить следующая: на схеме кинозала
звездочками помечены места, на которые билеты на сеанс показа проданы,
черточками — не проданы. Подсчитать число проданных билетов.
Примером более сложной
задачи, решать которую целесообразно в классе с помощью учителя, служит
известная задача о нахождении простых чисел при заданной верхней границе поиска
— алгоритм Эрастофена. Ее можно решить несколькими способами. Весьма изящное
решение связано с организацией булевского массива, который изначально заполнен
элементами true, а по ходу чисел, не являющихся простыми,
элементы с соответствующими номерами заменяются на false. Это решение можно найти в ряде пособий.

Строки

Очень полезный тип данных, которого
не было в базовой версии Паскаля.
Вначале напомните учащимся,
что в приложениях современной информатики обработка текстов является самым
распространенным видом деятельности. Если вся задача состоит из обработки
текста, то для этого существуют мощные специализированные программные средства
— текстовые процессоры. Однако встречаются ситуации, когда обработка текста —
часть задачи, решаемой алгоритмически, путем традиционного программирования. В
этом случае нужны специальные структуры данных и средства их обработки.
Покажите учащимся способ задания типа string. Нетривиально
то, что хотя при задании строки ее максимальная длина часто указывается,
величина является квазидинамической, т.е. ее реальный размер определяется
текущим значением (хотя память все же резервируется по максимуму). Покажите
автоматическую нумерацию элементов строки; подчеркните, что в нулевом элементе
всегда находится число — автоматически определяемая длина строки. Введите
немногие операции, возможные над строками, и особенно детально опишите
нетривиальные операции сравнения строк (больше, меньше и т.д.). Важное
преимущество строк над другими структурированными данными — возможность
ввода-вывода полностью с помощью процедур writeln, readln. В принципе обсуждение этой возможности
можно увязать с текстовыми файлами, но это загромождает основной материал.
Введите функции Турбо
Паскаля, ориентированные на работу со строками (length, concat, copy, delete, insert, pos), и полезные процедуры преобразования
типов (str, val) и можно переходить к решению задач для закрепления навыков
работы со строками. Типичные задачи, с которых целесообразно начать эту
деятельность, таковы.
1. Определить, сколько раз в
данном тексте встречается заданный символ.
2. Заменить в некотором
тексте один фрагмент на другой ('Саша' на Маша').
Эту задачу можно решить, как
минимум, двумя способами:
а) с использованием функции
сору и операции слияния строк;
б) с использованием функций copy, delete и insert.
3. Определить, есть ли в
некотором тексте одновременно два заданных слова.

Множества

Этот тип данных иллюстрирует
возможность существования неупорядоченных структур, достаточно редких для
практики программирования. В познавательном плане ознакомление с этим типом
данных весьма полезно.
Итак, перед нами
неупорядоченная однородная динамическая структура прямого доступа. При ее
изучении и решении задач эти свойства будем подчеркивать.
Начать изучение темы
целесообразно с введения в математическую теорию множеств (если учащиеся с ней
не знакомы). Понятия множество, подмножество, элемент, включение и др.
не столь очевидны, как кажется. Затем введите и начните отрабатывать операции
над множествами — объединение, пересечение, разность. Все эти понятия и
операции реализованы в Паскале (разумеется, лишь над конечными множествами).
После этого вводите способ
описания множественного типа. Базировать его в первых примерах удобно на
самостоятельно построенном перечислимом типе (фрукты, животные и т.п.). Тут же
подчеркните, что, построив множество, мы потеряли возможность указать порядок следования
элементов, так как его нет в принципе. Над элементами величин перечислимого
типа можно произвести операции pred, succ, ord, а над множеством, построенном на базе
этих величин — нет. Это не сразу осознается. Зато появляются принципиально новые
операции, для отработки которых надо привести ряд примеров и решить несколько
задач.
Задания, в которых
множествами пользоваться удобно, например, таковы.
1. Дана символьная строка.
Подсчитать в ней все знаки препинания (. — , ; : ! ?).
Образовав из указанного
набора знаков множество, можно элементарно решить эту задачу, определяя в
цикле, принадлежит ли текущий элемент строки этому множеству.
2. Выбрать все простые числа
в диапазоне от 2 до N (соответствующий алгоритм «Решето Эрастофена»
приводится в нескольких пособиях по Паскалю в разделе «Множества»).
Все же задачи с
использованием множеств лежат несколько в стороне от основных направлений
программирования. Широкому практическому использованию множеств в
программировании на Паскале препятствуют и ограничения языка (малый максимально
возможный объем множеств, невозможность прямого ввода-вывода элементов).

Записи

Вступлением в эту тему могут
послужить примеры на обработку упорядоченных неоднородных структурированных
величин. Еще раз напомните, что массив — структура однородная, что все элементы
массива — величины одного типа, и тем самым обычную строчку анкетных сведений,
в которой есть и числовые, и текстовые данные, записать в виде массива
невозможно.
Далее введите форму описания
записи в языке Паскаль и соответствующую терминологию. Полезно иллюстрировать
этот рассказ рисунками, не связанными нотациями Паскаля. Например, структура
анкеты школьника, изображенная в виде двухуровневого дерева (рис. 15.6).

Рис. 15.6.
Пример структуры типа «запись»

Обратите внимание учащихся на
то, что поля записи могут иметь любой тип, в том числе сами могут быть
записями. Последнее позволяет строить многоуровневое дерево-анкету. Например,
на рис. 15.6 поле «Ф.И.О.» можно сделать записью, состоящей из трех полей:
«фамилия», «имя», «отчество».
Необычной конструкцией,
связанной с записями, является составное имя поля. Приведите примеры
составных имен, объясните, что в пределах действия описания записи ими можно
пользоваться как обычными переменными.
Обычно в программах обработки
данных записи группируют в массивы или файлы. Если данная тема предшествует
освоению работы с файлами, то ограничьтесь решением задач на массивы записей.
Примеры таких задач:
1. Сформировать массив
записей об учащихся своего класса.
2. В сформированном предварительно
массиве записей отыскать всех юношей; вывести на экран записи о них.
Обратите внимание учащихся,
что любая обработка записей, в том числе ввод и вывод, производится
поэлементно.
По ходу разработки указанных
программ достаточно легко вводится оператор присоединения with. Его назначение предельно просто — в
пределах некоторого оператора (чаще всего цикла), один раз указав имя
переменной типа «запись», работать с именами полей, как с обычными переменными,
т.е. не писать громоздких составных имен.
Обработка массивов записей
может выглядеть не очень логично, в связи с чем возникает законный вопрос:
неужели всякий раз этот массив надо формировать вводом данных с клавиатуры? В
этом отношении гораздо логичнее использовать файлы записей, а к записям следует
вернуться после изучения темы «файлы» (или изучать файлы до записей).

Файлы

Перед нами — одна из
центральных структур данных для всех языков программирования высокого уровня.
Некоторые методические
трудности при изучении файлов в Паскале возникают из-за многозначности самого
термина «файл» в информатике. Между хорошо знакомым учащимся значением слова
«файл» в его пользовательском смысле (как поименованной порции информации на
внешнем носителе) и одноименной структурой данных Паскаля имеется существенное
различие.
Собственно говоря, переменные
файлового типа в Паскале вовсе не имеют отношения к вопросу о носителе
информации. Если не предпринять специальных (необязательных) усилий, то
файловая переменная будет храниться в ОЗУ и при выходе из программы ее значение
(как и всех остальных переменных) будет безвозвратно утеряно. Это не сразу
осознается учащимися.
Введите описание переменных
файлового типа. Подчеркните, что элементами файла могут быть величины любого, в
том числе и структурированного типа (кроме файлового). Возможен файл массивов,
файл записей и т.д. Подчеркните, что перед нами динамическая структура, текущий
размер которой может меняться.
Методически удобна схема
файла в виде последовательной цепочки элементов, пронумерованной от нуля и
заканчивающейся специальным кодом — маркером конца. Стрелочка на рисунке
отмечает позицию указателя (рис. 15.7).

Элемент 0

Элемент 1

. . . . .

Элемент N

маркер
  конца

Рис. 15.7.
Иллюстрация файла

Введите операции «запись в
файл» (write) и «чтение
из файла» (read). При этом
пользуйтесь средствами Турбо Паскаля, которые существенно удобнее операций put и get старых версий. Подчеркните, что запись происходит в текущее
окно файла, на которое нацелен указатель, изображенный на рисунке стрелочкой.
При записи указатель всегда нацелен на маркер конца (последний после записи
передвигается во вновь открываемое окно).
Подчеркните важную роль
процедуры rewrite
— открытие файла для записи,
— устанавливающей указатель на начало файла и стирающей его содержимое (если
таковое было).
Аналогично обсуждают роль
процедуры reset
— открытие файла для чтения.
В отличие от предыдущего, она не стирает файл, а указатель устанавливает на его
начало.
В Турбо Паскале нет барьера
между файлами последовательного и прямого доступа; любую из приведенных выше
процедур можно использовать для организации каждого из способов доступа.
Обсудив идею того и другого и подчеркнув методические преимущества прямого
доступа, вводят средства его организации. К ним относятся логическая функция eof и числовые функции filesize и filepos (но только отчасти, так как со всеми ими приходится
работать и при прямом доступе), процедуры seek и truncate.
Для демонстрации различий
между последовательным и прямым доступом удобны следующие простейшие задачи:
1. Найти значение 10-го
элемента некоторого уже существующего файла.
2. Вывести на экран последний
элемент файла.
3. Вывести на экран элементы
файла в обратном порядке. Каждую из подобных задач решают дважды: не используя
и используя средства прямого доступа.
Отработав операции с
внутренними файлами, займитесь их привязкой к внешним. Необходимость этой
операции очевидна — без нее созданный в программе файл исчезнет при выходе из
нее. Объясните процедуру назначения assign и проиллюстрируйте ее работу на простейших примерах типа: написать
две независимые программы, одна из которых создает некий файл (например, квадраты
последовательно расположенных целых чисел от 1 до 100), а вторая производит
простейшую обработку этого файла (например, находит сумму входящих в него
элементов). Главная идея: первая программа отработала и закрылась, а ее
результаты доступны другой программе.
Наконец, не забудьте о
процедуре close. Закрывать открытые в программе файлы
следует непременно, даже если в простейших задачах кажется, что можно обойтись
и без этого.
Как показывает опыт, файловые
переменные текстового типа (текстовые файлы) можно опустить без особого
ущерба при изучении Паскаля (на том уровне, который целесообразен в школьном
курсе).

Тема «Важнейшие нечисловые алгоритмы
(поиск и сортировка)»

Как уже отмечалось, при
изучении языка Паскаль в школьном курсе информатики основная цель — не столько
сам язык, сколько приобретение знаний и навыков алгоритмизации в ее структурном
варианте, освоение методов решения некоторого класса задач.
Среди этих задач традиционно
важнейшее место занимают алгоритмы поиска и сортировки. Обе задачи (тесно
связанные между собой) имеют, с одной стороны, очень простую, совершенно
прозрачную, постановку, а с другой — огромное прикладное значение для
построения баз данных и поиска в них информации.
Задача поиска в общей
постановке такова: имеется структурированная величина (массив, файл, массив
записей, файл записей и др.), требуется определить, есть ли в ней некоторый
объект и если да, то на каком месте он находится. На простейших
примерах из повседневной жизни легко привести примеры: поиск номера в телефонном
справочнике, поиск фамилии ученика в классном журнале, поиск адреса ученика в
школьной базе данных, представляющей собой скорее всего файл записей, и т.д.
Поясните учащимся, что поиск
путем простого просмотра значений структурированной величины уместен лишь при
небольших ее размерах (числе элементов). В современных базах данных, объем
которых может составлять несколько террабайтов, такой поиск предельно
неэффективен даже на современных ЭВМ, особенно если эта процедура выполняется
регулярно. Другое дело, если структура предварительно отсортирована, т.е.
элементы в ней расположены в некотором порядке.
Приведите пример: найти в телефонном
справочнике большого города номер телефона абонента по фамилии и инициалам
легко, а наоборот, по тому же справочнику найти фамилию и инициалы абонента по
телефонному номеру — очень большая работа. В чем разница? В первом случае
структура упорядочена (по алфавиту), а во втором — нет. Если бы мы имели
справочник, в котором номера телефонов расположены в порядке возрастания, то
вторая задача решалась бы элементарно, а первая — нет.
Итак, подведите учащихся к
мысли: поиск эффективен, а алгоритм его элементарен в упорядоченной
(отсортированной) структуре, и переходите к рассмотрению основной задачи —
сортировке.
Подчеркните, что термин
«нечисловые алгоритмы», использованный выше, вовсе не исключает обработки
информации числовой природы. Просто обработка такова, что никакие
математические действия не требуются. Все сводится к операциям сравнения и
перестановки элементов, а они возможны для любой порядковой структуры.
Простейшая задача, которую по традиции рассматривают первой, как раз связана с
объектом числовой природы: расположить числа в линейном массиве по возрастанию.
Как ни странно, опыт
показывает, что подготовка к решению этой простейшей задачи требует от учителя
заметных усилий. Наилучшее решение — подготовить материальную модель,
расположив на листе ватмана линейную цепочку карманчиков, в которые можно
вставлять карточки с числами — так, чтобы они были все время видны учащимся, и
иллюстрировать алгоритмы, переставляя карточки из карманчика в карманчик.
Далее изложите два
известнейших, фигурирующих во многих пособиях, метода решения указанной задачи:
прямых обменов и «пузырька». Целесообразно вначале показать процедуру
упорядочения на описанной выше модели, затем составить блок-схему алгоритма и
провести ее трассировку, параллельно с этим переставляя карточки на модели;
после этого запись на Паскале будет обычным кодированием.
Освоив простейшие схемы
сортировки, объясните учащимся их общность. Не так уж важно, что сортировались
числовые массивы. Точно так же могут сортироваться массивы символов, массивы
записей (по одному из полей — ключу сортировки) и т.д.
Далее можно развивать эту
тему в двух направлениях, оба из которых уже не столь просты и представляют
практический интерес.
Первое — привести примеры
более профессиональных, гораздо более эффективных методов сортировки массивов.
На выбор учителя, это может быть сортировка Шелла, сортировка выбором с помощью
дерева, шейкерная сортировка и др. Соответствующие алгоритмы описаны во многих
пособиях. Следует учесть, что для их восприятия и реализации требуется
существенно больше усилий, чем для простейших методов.
Второе направление развития
этой темы — внешняя сортировка. По своей практической важности она еще выше.
Объясните учащимся постановку задачи. Сколь бы ни была велика оперативная
память современных ЭВМ, она все же гораздо меньше, чем объем многих структур,
нуждающихся в сортировке. На практике чаще всего в виде таких структур
выступают файлы, которые нельзя целиком загрузить в оперативную память (если
это можно сделать, то сортировка файла прямого доступа ничем не будет
отличаться от сортировки массива). Сортировка файла, не помещающегося в ОЗУ, —
внешняя сортировка, и рассмотренные выше методы неприменимы в принципе.
Подведите учащихся к центральному приему внешней сортировки: загрузить файл в
ОЗУ по частям, отсортировать эти части, а затем надо что-то предпринять, чтобы
получить полностью отсортированный файл. Конкретные приемы внешней сортировки
описаны в литературе по программированию.

Тема «Модули»
Во вводной части лекции
следует объяснить учащимся, что только с появлением модулей Паскаль стал
средством разработки больших профессиональных программных комплексов. Модуль,
как и процедуры, служит реализации идеи модульности — выделения подзадач внутри
большой задачи. Отличие модуля от набора «внутренних» процедур — возможность
отдельной трансляции и отдельного от программы хранения; к модулю может
обращаться не °Дна программа, а много разных программ. Благодаря модулям в
Паскале возможно организовывать внешние библиотеки программ По различным проблемам.
Целью школьного спецкурса не
может быть самостоятельная Разработка учащимися модулей. Такое задание возможно
в качестве проекта для некоторых учащихся, а для большинства эта тема является
ознакомительной. Вполне достаточно привести примеры двух-трех несложных модулей
и разобрать как их внутреннее устройство, так и механизм взаимодействия с
обращающимися к ним программами.
Описав общую структуру модуля
и объяснив назначение основных его разделов (заголовок, интерфейсная часть,
раздел реализации, раздел инициализации), приведите пример модуля. Допустим, мы
хотим дополнить'Паскаль средствами работы с комплексными числами (хотя бы на
уровне четырех арифметических действий). В школе, в которой углубленно
изучается программирование, учащиеся скорее всего с комплексными числами
знакомы. Возможны два подхода к реализации этой задачи.
1. Комплексное число
представляется парой действительных (а, Ь). Конструируют четыре
процедуры — действия над комплексными числами; у каждой из них по 4
параметра-значения и по 2 параметра-переменных. Сводят их в модуль, в
интерфейсной части которого находятся заголовки этих процедур. Показывают, как
обращается к нему внешняя программа, объясняют смысл наличия в ней инструкции uses <список модулей.
2. Комплексное число
представляется одним идентификатором, т.е. мы хотим иметь возможность
записывать присваивания вида А := В + ЕС, где А, В и С — комплексные
числа. Эта задача потруднее. Путь к ее решению — создать тип (назвав его Complex), элементы которого — двухполевые записи;
первое поле — действительная часть числа, второе — коэффициент при мнимой
части.
Всякий раз, разбирая примеры
модулей, подчеркните, что разработчику внешней программы, использующему модули,
нет никакой необходимости знать устройство процедур, составляющих раздел реализации.
Вполне достаточно иметь детальное описание интерфейсной части и назначения
модуля.
Более детально учащиеся
знакомятся с модулями и приходят, в частности, к пониманию сформулированного
выше утверждения на примерах стандартных модулей, входящих обычно в комплект
программ Турбо Паскаля. Наиболее доступны из них два модуля — Crt (доступ к экрану дисплея в текстовом режиме, работа с
клавиатурой, звуком) и Graph (управление
графическим режимом работы дисплея).

Тема «Графические возможности Турбо Паскаля»
Изучение изобразительных
(графических) возможностей — традиционно популярная тема при изучении
языков программирования. Приходится удивляться, с каким старанием учащиеся
программируют построение изображений, хотя прекрасно знают, что большинство из
этих изображений можно гораздо проще реализовать с помощью специализированных
программ.
Во вводной беседе уместно
напомнить учащимся об основных способах формирования изображений — растровом и
векторном, напомнить, что такое пиксел, как пикселы отражаются в видеопамяти.
Рассказ о процедурах модуля Graph начните с процедуры перехода в графический режим InitGraph. Надо заметить, что поскольку в модуле Graph более 50 графических процедур и функций, то целесообразно
подготовить к занятиям короткий, на одной странице, справочник по основным из
них. Поскольку уроки по этой теме ограничатся скорее всего построением простых
геометрических примитивов, то именно с этой точки зрения и надо отобрать те
процедуры, с которыми следует в первую очередь познакомить учащихся. Все
остальные можно всему классу не приводить, а тем учащимся, которые получат
задания на разработку соответствующих проектов, предоставить возможность
самостоятельного изучения необходимых изобразительных средств.
Приведем список этих основных
процедур (их назначение, списки параметров и др. — в любом учебнике по Паскалю,
в котором разобран состав модуля Graph):

Arc Bar

CloseGraph Circle

Ellipse FillEllipse

FloodFill InitGraph

Rectangle OutTextXY

OutText PiesLice

PutPixel SetFillStyle

Sector SetLine

StileLine SetTextStyle

Для описания действия этих
процедур желателен лекционный режим. Он может при наличии соответствующего
оборудования сопровождаться экранными проекциями — демонстрациями действия
процедур.
Традиционно первые
практические занятия по этой теме проводят в «свободном полете»: рисование
несложных изображений, закрашивание их частей, эксперименты с цветами и т.д.
Нарисовать домик, снежную бабу и т.д. — вполне подходящие задания.
Освоив простейшие приемы
графики Паскаля, целесообразно научиться строить графики функций. Это реализует
связь с математикой, позволяет освоить масштабирование, формирует навыки
пользования «экранной» системой координат. Поскольку эта система направлена
нетрадиционно (начало координат — верхний левый угол экрана, ось ординат
направлена вниз, а не вверх), то встает задача научиться простым аффинным
преобразованиям Координат. Поставленная задача будет полностью выполнена, если
Написанная учащимися программа может выполнить следующую Работу: построить на
экране график произвольной функции (задаваемой внутри программы в строке function) на произвольном отрезке, координаты
которого вводятся в диалоге. График должен включать оси координат,
ориентированные традиционным образом, их разметку, кривую, изображающую функцию.
Такая программа достаточно сложна; промежуточным этапом может быть построение
графика одной хорошо знакомой учащимся функции на фиксированном отрезке
(например: построить график функции у = sin(x) на отрезке от 0 до 2p).
Разумеется, с наиболее
подготовленными учащимися можно идти дальше и осваивать такие приемы графики,
как управление видеостраницами и покадровая мультипликация, но в целом это
следует признать для данного этапа обучения чрезмерным.

Тема «Ссылочный тип и динамические структуры данных»

Данная тема содержит материал
повышенной трудности. Если учащиеся недостаточно подготовлены и не усвоили
предшествующие темы, то изучать данную тему нецелесообразно.
В начале обсуждения напомните
учащимся различия между статическими и динамическими структурами данных. Далеко
не всегда размер структуры очевиден заранее. Приведите примеры, связанные с
самой простой из структур данных — массивом.
1. При вычислениях по
итерационным формулам с прекращением вычислений, когда два последних значения
близки друг к другу в заданной степени, попытка организовать массив из
последовательных значений величины наталкивается на то обстоятельство, что мы
не знаем, сколько всего будет таких значений.
2. При моделировании очереди,
в которую приходят и из которой уходят покупатели, попытка использовать массив
для записи, например, номера находящегося в очереди покупателя (и с исключением
этого номера, когда соответствующий покупатель ушел) и попытка организовать
массив также наталкивается на трудности: неопределенная длина этого массива и
проблема исключения информации из него. Что значит «исключить»? — первое
предложение учащихся обычно таково: заменить нулем, но это не значит исключить.
Манера описывать в таких
случаях упорядоченную однородную линейную структуру данных как массив «с
запасом» не соответствует логике таких задач, и в ряде случаев при разработке
профессиональных программ вступает в противоречие с ограничениями, налагаемыми
Паскалем на максимальный объем памяти, отводимый компилятором под массивы (64
Кбайт).
Разъясните учащимся, что
качественного барьера между статическими и динамическими объектами в Паскале
нет, так как возможно создание динамических объектов любого типа из числа
имеющихся в языке.
Основное различие между
статическими и динамическими объектами состоит в том, что для статических
объектов резервирование памяти происходит на этапе трансляции и эта память
занята программой независимо от того, присвоены ли конкретные значения этим
объектам (если они структурированы — то их элементам). Для динамических же объектов
выделение памяти происходит в ходе работы самой программы лишь тогда, когда они
на самом деле потребуются, причем в той области памяти, которая для размещения
статических объектов недоступна (так называемой «куче»).
К этому времени учащиеся уже
изучали файлы, которые на самом деле являются динамическими объектами. Однако
на практике файлы данных хранятся на внешнем носителе, что накладывает
отпечаток на их использование в программах. Для размещения же динамических
объектов в ОЗУ используются переменные особого (ссылочного) типа — указатели.
Далее объясните, что такое
указатель, какие значения он может принимать и как ссылочный тип технически
определяется в программе. Поясните операции сравнения, которые можно проводить
над ссылками, и в чем состоит их смысл, введите операции «взятие указателя» и
«разыменование».
После этого можно перейти к
технике работы с динамическими переменными. Объясните специальные действия над
ними — создание (New) и уничтожение (Dispose) и создайте несколько простейших программ, в которых переменные
являются динамическими. Заметим, что решение объявлять переменные динамическими
в таких задачах выглядит немотивированным и объясняется лишь отработкой чисто
технических навыков.
Тут же обсудите проблему
ограниченности памяти в «куче», неспособность Турбо Паскаля отследить
исчерпание памяти (без специальных усилий программиста) и использование в этих
целях специальных средств (функций Maxavail и SizeOf),
а также процедуру «очистки мусора» (Dispose).
После этого можно перейти к
рассмотрению линейных связанных структур (списков), которые можно создать
благодаря аппарату ссылок и динамических структур. Собственно говоря, это —
единственная возможность мотивации их введения, доступная на Данном этапе
обучения. Впрочем, эта доступность весьма относительна, и следует
предварительно взвесить возможности учащихся и оценить целесообразность данной
деятельности.
Итак, на простых примерах «из
жизни» можно показать полезность следующих динамических структур:
• стек (учащиеся скорее всего
с этим понятием знакомы из базового курса информатики);
• линейный список с
произвольным доступом (например, список учащихся класса, который может
обновляться путем удаления фамилии одного учащегося с последующим смыканием
списка, или, наоборот, в который можно вставить фамилию нового ученика на
нужное место по алфавиту с раздвижением списка);
• очередь, в которой удаление
происходит только через голову списка, а вставка — только через хвост.
Облегчают понимание условные
графические изображения структур (рис. 15.8).

Рис. 15.8.
Иллюстрация стека и очереди
Методика программирования
списков включает ряд задач: связывание компонент, смещение ссылок и т.д.
Элементы таких структур методически удобнее всего представлять в виде
двухкомпонентных записей. В каждой записи одно из полей — содержательное,
второе — для хранения ссылки на другой компонент. Обратите внимание учащихся,
что при традиционном хранении элементов в регулярной структуре (массиве) этого
не требуется, поскольку каждый элемент «знает», между какими он стоит.
Рассмотрите возможную
методику объяснения создания стека. Итак, задача — создать цепочку связанных
динамических переменных — целых, например:

Программа может включать две
процедуры: добавление очередного элемента в стек и извлечение последнего добавленного
элемента (вспомним принцип организации стека: «первым пришел — последним
ушел»). Целесообразно, чтобы при каждом действии программа выводила на экран
текущее состояние стека. Задание это является достаточно сложным, хотя
программы получаются весьма лаконичными.
Заданиями для
самостоятельного выполнения могут быть различные варианты программирования
нелинейных структур. Простейшая из них — двоичное дерево, схематически
изображенное на рис. 15.9, а.
Для ее реализации средствами
Паскаля каждый элемент приходится представлять записью с тремя полями: одно —
содержание, два — ссылки, рис. 15.9, б. Таким же способом можно
реализовать структуру типа «направленный граф» и некоторые другие.

Рис. 15.9.
Структура типа «двоичное дерево»
15.2. Требования к знаниям и умениям
учащихся

Тема «Алгоритмы.
Структурная алгоритмизация»

Учащиеся должны знать:
• значение понятия
«алгоритм»;
• принципы структурной
алгоритмизации.
Учащиеся должны уметь:
• строить схемы вложений
алгоритмических структур друг в друга;
• решать на уровне блок-схем
задачи, требующие использования однократно вложенных базовых алгоритмических
структур и выделения вспомогательных алгоритмов.

Тема «Введение в Паскаль»

Учащиеся должны знать:
• место языка Паскаль среди
языков программирования высокого уровня;
• принципы описания языка
программирования на уровне ме-|гаязыка;
• структуру программы на
Паскале.
Учащиеся должны уметь:
• читать несложные
синтаксические диаграммы и сопоставлять их с реальными текстами на Паскале.

Тема «Данные. Типы данных. Выражения»

Учащиеся должны знать:
• что такое величина и чем
она характеризуется;
• в чем принципиальные
отличия величин структурированных и не структурированных;
• о таких структурах данных,
как множество, запись, файл, стек, очередь, строка; о том, какие из них
реализованы в Паскале в качестве типов языка, а какие требуют дополнительных
усилий по конструированию;
• что может входить в состав
арифметического выражения;
• перечень математических
функций, входящих в Турбо Паскаль;
• о нематематических функциях,
которые могут входить в арифметические выражения;
• о логических выражениях и
входящих в них операндах, знаках действий и функциях.
Учащиеся должны уметь:
• записывать примеры
арифметических и логических выражений с использованием всех атрибутов, которые
могут в них входить.

Тема «Операторы»

Учащиеся должны знать:
• перечень основных
операторов языка Паскаль;
• синтаксис этих операторов;
• детали процесса исполнения
каждого из операторов.
Учащиеся должны уметь:
• описывать словесно работу
каждого из рассмотренных операторов;
• разрабатывать простые
программы обработки числовой и символьной информации, требующие не более одного
вложения (суперпозиции) основных операторов.

Тема «Перечислимый
и интервальный типы данных»

Учащиеся должны знать:
• назначение перечислимого и
интервального типов данных;
• какие ограничения связаны с
этими типами;
• примеры простых программ,
использующих эти типы.
Учащиеся должны уметь:
• создавать перечислимые
типы;
• описывать переменные
перечислимого типа;
• разрабатывать простые
программы, содержащие величины перечислимого типа;
• строить интервальный тип на
базе произвольного порядкового типа.

Тема «Процедуры и функции»

Учащиеся должны знать:
• почему наличие полноценных
процедур и функций является принципиально важным для
структурно-ориентированного языка высокого уровня;
• каковы правила описания
процедур в Паскале;
• как строится вызов
процедуры;
• в чем принципиальные
отличия между формальными, локальными и глобальными переменными;
• в чем отличия между параметрами-переменными
и параметрами-значениями и в каких ситуациях целесообразно использовать те и
другие;
• в чем отличия между
процедурами и функциями;
• область действия описаний в
процедурах;
• в чем в принципе
заключается рекурсия и как она реализована на Паскале.
Учащиеся должны уметь:
• выделять вспомогательные
алгоритмы в несложных задачах;
• формировать процедуры и
функции;
• правильно строить обращения
к процедурам и функциям.
Тема «Структурированные типы данных»

Учащиеся должны знать:
• какие структурированные
типы данных есть в языке Турбо Паскаль;
• как формально определять в
программе типы «массив», «строка», «множество», «запись», «файл»;
• какими свойствами обладают
данные указанных типов;
• какие операции возможны над
величинами указанных типов.
Учащиеся должны уметь:
• при решении содержательных
задач, в которых целесообразно пользоваться структурированными данными,
адекватно выбирать подходящую из перечисленных выше структур;
• пользоваться комбинациями
структур данных (типа «массив записей» и т.д.).

Тема «Важнейшие нечисловые алгоритмы
(поиск и сортировка)»

Учащиеся должны знать:
• в чем состоит общая
постановка задач: поиска, внутренней сортировки, внешней сортировки;
• почему задачи поиска и
сортировки столь важны в прикладном плане;
• чем отличается поиск в
отсортированной структуре и в неотсортированной;
• чем характеризуется
эффективность сортировки.
Учащиеся должны уметь:
• воспроизвести простейшие
алгоритмы сортировки линейных числовых массивов и поиска в упорядоченном
массиве;
• распространить эти
алгоритмы на сортировку и поиск в нечисловых массивах, массивах записей.

Тема «Модули»

Учащиеся должны знать:
• значимость возможности
создания модулей для профессионального языка программирования;
• особенности трансляции
модулей;
• структуру модулей в Турбо
Паскале.
Учащиеся должны уметь:
• пользоваться готовыми
модулями и разбираться в их структуре, назначении отдельных разделов;
• пользоваться стандартным
модулем Crt.

Тема «Графические возможности Турбо Паскаля»

Учащиеся должны знать:
• состав модуля Graph (по разделам);
• основные установочные
процедуры;
• основные процедуры
построения графических примитивов.
Учащиеся должны уметь:
• строить несложные
изображения, используя установочные процедуры и графические примитивы;
• строить графики функций.

Тема «Ссылочный тип
и динамические структуры данных»

Учащиеся должны знать:
• в чем заключается
принципиальное различие между динамическими и статическими структурами данных;
• какие основные динамические
структуры данных принято выделять в современном программировании;
• как технически создаются
динамические объекты в Турбо-Паскале.
Учащиеся должны уметь:
• создавать простейшие
динамические структуры данных (стек, очередь и тому подобное);
• анализировать небольшую
программу, в которой используются динамические структуры данных.

15.3. Тематическое планирование курсов
 программирования на Паскале

Курс «Программирование на
языке Паскаль», разработанный И.Г.Семакиным и А.П. Шестаковым, рассчитан на
68 часов (т.е. X или XI кл. по 2 часа в неделю). Его естественным
продолжением может стать курс объектно-ориентированного программирования.
Курс снабжен полным набором
учебно-методического обеспечения, включая учебное пособие, задачник, набор
тестов для контроля.
Основное учебное пособие по
курсу выстроено по типу лекций. Каждая лекция — дидактическая единица,
требующая примерно одинакового времени на изложение теоретического материала
(по 2 часа). Всего курс исходит из 32—36 часов лекций и 32—36 часов
практических занятий. Каждое практическое занятие подкрепляет изучение
материала соответствующей лекции (за немногими исключениями чисто теоретических
тем). Таким образом, приведенное ниже тематическое планирование в целом
определяет и поурочное планирование.

Лекция 1.
1.1. История и классификация
языков программирования высокого уровня.
1.2. Первое знакомство с
Паскалем.

Лекция 2.
2.1. Некоторые сведения о
системе Турбо Паскаль.
2.2. Способы описания языка
программирования.

Лекция 3.
3.1. Элементы языка Турбо
Паскаль.
3.2. Типы данных.

Лекция 4.
4.1. Структура
Паскаль-программы.
4.2. Арифметические операции,
функции, выражения. Оператор присваивания для арифметических выражений.
4.3. Ввод с клавиатуры и
вывод на экран.
4.4. Управление символьным
выводом на экран в Турбо Паскале.

Лекция 5.
5.1. Логические величины,
операции, выражения. Оператор присваивания для логических выражений.
5.2. Функции, связывающие
различные типы данных.

Лекция 6.
6.1. Логические выражения в
управляющих операторах.
6.2. Цикл по параметру.
6.3. Особенности
целочисленной и вещественной арифметики.

Лекция 7.
7.1. Подпрограммы-процедуры.
7.2. Подпрограммы-функции.
7.3. Еще раз об области
действия описаний.
7.4. Рекурсивные
подпрограммы.

Лекция 8.
8.1. Что такое рекуррентная
последовательность.
8.2. Программирование
вычислений рекуррентных последовательностей.

Лекция 9.
9.1. Основные понятия и
средства машинной графики в Турбо Паскале.
9.2. Как построить график
функции.

Лекция 10.
10.1. Строковый тип данных.
10.2. Первый опыт
«серьезного» программирования.

Лекция 11.
11.1. Табличные данные и
массивы. Лекция 12.
12.1. Понятие множества.
Множественный тип.
12.2. Операции над
множествами.
12.3. Примеры использования
множеств.

Лекция 13.
13.1. Файлы. Файловые
переменные.
13.2. Внешние файлы.
13.3. Текстовые файлы.

Лекция 14.
14.1. Комбинированный тип
данных.
14.2. Работа с файлами
записей.
Лекция 15.
15.1. Динамическая память и
указатели.
15.2. Связанные списки.

Лекция 16.
16.1. Организация внешних
подпрограмм.
16.2. Создание и
использование модулей.

Лекция 17.
17.1. Задачи поиска, метод
перебора.
17.2. Перебор с возвратом.

Лекция 18.
18.1. Задачи на длинную
арифметику.

15.4. Методика обучения
объектно-ориентированному
программированию

Объектно-ориентированное
программирование в настоящее время занимает ведущее место в разработке
профессиональных программных средств. Ознакомление с его основами в школьном
курсе информатики второго уровня представляется вполне возможным и полезным для
тех учащихся, которые ориентируются на профессии, связанные с разработкой
компьютерных программ.
В ходе изучения данного курса
будут решены три круга задач:
• освоение методологии
объектно-ориентированного программирования;
• овладение техникой
объектно-ориентированного программирования на одном из языков;
• введение учащихся в
проблематику, адекватную данному подходу, расширение общего кругозора (т.е.
общеобразовательный компонент).
При этом немаловажную роль
играет выбор языка программирования. Быстро растущая популярность визуального
программирования (которое не тождественно классическому объектному, но связано
с ним многими общими идеями) в системах программирования типа Delphi, Visual Basic, C++Builder
делает привлекательной идею
положить одну из них в основу курса. На этот счет в педагогической литературе
высказываются различные точки зрения.
Одна из них состоит в том,
*гго несомненная занимательность и облегченность создания программ
визуально-объектным способом не вполне соответствует усвоению идей и методов
объектного программирования при проведении относительно короткого спецкурса.
Другие аргументы в пользу ориентации в школьном курсе информатики на
традиционные объектные средства, содержащиеся в версиях языка Турбо Паскаль от
5.5 до 7.0, — несомненная преемственность по отношению к курсу программирования
на Паскале, существенно меньшие требования к компьютерам (поскольку объем
программного кода, создаваемого с помощью визуальных средств, обычно весьма
велик).
Другая, в значительной мере
противоположная точка зрения связана с ориентацией в первую очередь на систему
программирования Delphi (реже — на Visual
Basic). Delphi является системой объектного программирования, созданной на базе
Паскаля; по оценке специалистов, ее профессиональный уровень очень высок. Фирма
Borland (в начале 1990-х гг. сменила название на Inprise), создавшая повсеместно используемый для
обучения программированию язык Турбо Паскаль, вложила в Delphi максимально комфортный для разработчиков и пользователей интерфейс
в стиле Windows. Delphi 4.0 является одновременно средством разработки приложений для
архитектуры «клиент-сервер», приложений для Internet, корпоративных систем доступа к данным. Вместе с тем
отнюдь неочевидно, что все эти возможности можно (и надо) как-то отразить в небольшом
школьном курсе информатики.
В любом случае следует
понимать, что методика изучения в школе любых видов объектного программирования
разработана совершенно недостаточно и что этот процесс в настоящее время, по
существу, находится на начальной стадии. Авторам данного пособия неизвестно ни
одного руководства по объектно-ориентированному программированию, которое
удовлетворяло бы требованиям школьной методики.
Поскольку мы ориентируемся на
реально существующие курсы, по которым накоплен определенный методический опыт,
то в данном подразделе нет развернутых рекомендаций по преподаванию объектно-ориентированного
программирования. Вместе с тем совсем обойти эту тему нельзя, так как данный
подход к программированию быстро теснит другие, и это вскоре найдет отражение в
школьной информатике. Конкретные методические приемы изучения указанных выше
вопросов учитель может разрабатывать сам, используя приведенную в указателе
каждой главы литературу.
Опишем ниже кратко два
варианта школьного курса объектно-ориентированного программирования; оба
реализованы практически. Один из них ориентирован на более традиционные
средства Object Pascal, другой — на Delphi.

Курс «Основы
объектно-ориентированного программирования», разработанный А. Б. Кузнецовым
[5] (Челябинский гос. пед. ун-т), рассчитан на 34 часа и рассматривается
разработчиком как продолжение курса «Программирование на Паскале», в котором
вопросы объектно-ориентированного программирования не обсуждаются. Курс может
быть реализован в школе с углубленным изучением информатики (скорее всего, в XI кл.).

Тема «Основные сведения о технологии
 проектирования программ»

Общая схема процесса
проектирования программ. Технология программирования, сложность программ и
формализация. Эволюция технологий программирования и языков программирования.
Этап проектирования программы: формализация условия задачи, проектирование и
моделирование — сходство и различие, методы структурного подхода, способы
представления результата (виды используемых моделей). Этап программирования
(реализация структурного подхода на языке программирования Турбо Паскаль).

Тема «Декомпозиция: выделение
предметной области»

Сравнительный анализ
структурного и объектно-ориентированного подходов на этапе декомпозиции.
Предметная область. Принцип абстрагирования и выделение абстракций.

Тема «Уточнение элементов предметной области
в виде классов и объектов»

Объект: понятие,
характеристики (состояние, поведение, индивидуальность), взаимодействие
объектов в проектируемой системе. Класс: понятие, описание. Структура
интерфейсной части описания класса. Два типа взаимосвязи между предметами и
понятиями: тип-вид, целое-часть. Отношения между классами в проектируемой
системе (наследования и использования).

Тема «Разработка механизмов взаимодействия
 классов и объектов»

Понятие механизма
взаимодействия структур данных в программе. Активность, видимость и способ
взаимодействия объектов. Классификация, как метод и форма упорядочения объектов
и классов, связанных отношениями наследования. Возможные подходы по определению
основания классификации: классическое распределение по категориям,
концептуальное объединение, выделение прототипов. Форма взаимодействия классов,
связанных отношением использования — «составная часть».

Тема «Описание объектов и классов на языке
программирования Турбо Паскаль»

Тип данных OBJECT (понятие класса). Синтаксис описания интерфейсной части класса:
поля и методы, инкапсуляция (принцип ограничения доступа к данным и методам
классов, понятие об области видимости). Переменные типа OBJECT (понятие объекта). Инициализация и правило доступа к полям
объекта. Использование оператора WITH и параметра SELF при описании реализации методов класса.

Тема «Наследование. Иерархия классов»

Принцип наследования:
характеристика, применение в языке Турбо Паскаль.
Класс-предок и класс-потомок:
описание, иерархия, варианты переопределения структуры методов «предка» (на
примерах).

Тема «Наследование и полиморфизм»

Раннее и позднее связывание:
статистические и виртуальные методы. Создание таблицы виртуальных методов
(ТВМ), ее роль. Конструктор и деструктор. Функции TypeOf и SizeOf. Совместимость объектных типов.

Тема «Внутреннее представление данных»

Распределение памяти для
выполнимого кода программ на Турбо Паскале. Внутреннее представление данных
объектного типа, ТВМ. Недостатки в использовании виртуальных методов при
описании классов. Динамические методы. Таблица динамических методов (ТДМ) и ее
внутреннее представление.

Курс «Основы
программирования на Delphi», разработанный И.П.Половиной (Пермский гос.
пед. ун-т), также рассчитан на 34 часа и рассматривается разработчиком как
продолжение курса «Программирование на Паскале». Курс нацелен лишь на первичное
знакомство с важнейшими понятиями и средствами языка и оставляет в стороне ряд
его возможностей, отмеченных выше, чрезвычайно важных с точки зрения
профессионального разработчика программных систем.

Тема «Основные понятия объектно-ориентированного программирования»

Формула объекта. Методология
объектно-ориентированного программирования.
Объект как совокупность полей
данных и методов их обработки.
Визуализация объектов.
Объекты и компоненты. Классы объектов.
Инкапсуляция, наследование и
полиморфизм — три кита объектно-ориентированного программирования.
Объектные типы данных —
классы. Описание класса: поля, методы и свойства.
Экземпляры класса — объекты.
Динамический характер объектов. Уточненные имена полей и методов.

Тема «Идеология программирования под Windows»

Интерфейс Windows. Принципы работы Windows-приложений. Принципиальные отличия DOS-программы от Windows-приложений.
Порядок обработки событий при работе в среде Windows.
Принципы построения Delphi-приложений; технологии визуального программирования
и событийного программирования. Последовательность действий при разработке Delphi-приложений.

Тема «Визуальная среда программирования Delphi. Инструментарий Delphi. Основные
категории Delphi:
свойства, события, методы»

Окна в Delphi — главное окно, окно формы, окно инспектора объектов, их
структура.
Свойства как атрибуты
объекта. Примеры свойств (Left, Top, Width, Height, Visible). Изменение свойств компонентов визуально и программным путем.
Виды свойств, отображенных в инспекторе объектов.
События как свойства
процедурного типа. События мыши, клавиатуры и системные события.
Методы. Простейшие примеры
применения методов.

Тема «Структура приложения в Delphi. Проект.
Разработка сценария проекта. Файлы проекта. Описание файлов»

Последовательность действий
при разработке сценария проекта.
Основные типы файлов проекта Delphi-приложений. Файлы описания форм. Файлы
программных модулей. Главный файл проекта.
Сохранение файлов проекта.

Тема «Управление компонентами при проектировании. Форма,
ее свойства, события, методы»

Запуск Delphi и выход из среды.
Работа с компонентами:
помещение на форму, выделение компонента, удаление компонента, копирование.
Использование встроенной помощи. '
Форма и ее свойства. Задание
размеров и положения формы. Автоматическое размещение формы. Задание цветов.
Заголовок формы и значок формы. Видимость формы.
Основные события формы (OnCreate, OnShow, OnActivate, OnCloseQuery и парные к ним).

Тема «Разработка и реализация простого приложения»

Данная тема является сугубо
практической. Пользуясь ранее полученными знаниями, учащиеся должны создать
простейшее приложение. В качестве такого приложения может быть рекомендована
программа «Вычислитель», которая складывает два числа и выдает на экран
результат (рис. 15.10).

Рис. 15.10. Кадр приложения

Разработка приложения в
методическом плане складывается из следующих этапов.
А. Постановка задачи,
включающая:
• точную формулировку
решаемой задачи;
• изображение на бумаге всего
того, что планируется увидеть на экране, т.е. создание кадра; кадров может быть
один или несколько, но в данной теме рекомендуется обойтись одним;
• написание сценария работы
приложения. Б. Разработка формы. В. Обработка событий.

Тема «Разработка проекта»

Данная тема является
продолжением предыдущей, но на более высоком уровне требований к навыкам
учащихся. Учителю следует выбрать проект, при реализации которого учащиеся
освоят новые для них возможности Delphi.
В качестве примера такого проекта
можно предложить разработать редактор просмотра картинок. Пусть приложение
состоит из двух форм: главной формы — заставки (например, рис. 15.11) и рабочей
формы (рис. 15.12), где и развернутся все основные события (загрузка картинок с
помощью меню File и редактирование с помощью меню Edit).

        Рис.
15.11. Вид главной формы приложения

           Рис.
15.12. Пример рабочей формы приложения
Тема «Графические возможности Delphi»

Способы вывода графической
информации. Использование компонентов Image и Shape.
Создание и отображение
картинок с использованием Image
Editor. Отображение геометрических фигур с
помощью компонента Shape. Формирование изображений программным
способом. Свойства Canvas.

15.5. Требования к знаниям и умениям
учащихся

Тема «Основные сведения о технологии
проектирования программ»

Учащиеся должны знать:
• элементы общей схемы
процесса проектирования программ;
• в чем состоит сложность
программ и как с ней бороться;
• в чем состоит формализация
условия задачи;
• способы представления
результата проектирования.
Учащиеся должны уметь:
• оформлять решение
поставленной задачи любым из возможных способов.
Учащиеся должны быть
ознакомлены:
• с эволюцией технологий
программирования и языков программирования ;
• с различием понятий:
«формализация», «моделирование», «проектирование», «программирование»,
«технология программирования».

Тема «Декомпозиция: выделение предметной области»

Учащиеся должны знать:
• что такое декомпозиция и
зачем она нужна;
• что такое предметная
область задачи;
• в чем состоит отличие
алгоритмической декомпозиции от объектно- ориентированной ;
• что такое абстрагирование и
абстракция.
Учащиеся должны уметь:
• проводить алгоритмическую
декомпозицию поставленной задачи;
• проводить
объектно-ориентированную декомпозицию поставленной задачи;
• применять на одной и той же
поставленной задаче разные виды декомпозиции.
Учащиеся должны быть
ознакомлены:
• с представителями
объектно-ориентированных языков программирования.

Тема «Уточнение элементов предметной области
 в виде классов и объектов»

Учащиеся должны знать:
• что такое класс;
• части описания класса;
• возможные разделы,
присутствующие при описании интерфейсной части класса;
• в чем сходство и различие между
объектами и классами;
• в чем сходство и различие
между взаимодействиями объектов и взаимодействиями классов.
Учащиеся должны уметь:
• выделять класс по
совокупности объектов;
• различать взаимосвязь
«тип-вид» и «целое -часть» в приведенной совокупности предметов или понятий;
• приводить примеры разных
видов взаимодействий классов;
• определять в конкретной
ситуации вид взаимодействия между классами;
• охарактеризовать объект по
описанию класса.
Учащиеся должны быть
ознакомлены:
• со значением каждого из
признаков объекта.

Тема «Разработка механизмов взаимодействия
классов и объектов»

Учащиеся должны знать:
• зачем нужно проектировать
механизм взаимодействия классов и объектов в программе;
•что может означать понятие
«классификация»;
• правила описания всех видов
диаграмм и зачем они нужны.
Учащиеся должны уметь:
• проектировать механизм
взаимодействия объектов по их совокупности согласно поставленной цели задачи;
• определять основание для
создания классификации (группы объектов или структуры классов, связанных
отношениями наследования);
• в зависимости от
поставленной задачи применять тот или иной механизм взаимодействия классов или
объектов;
• читать и составлять разные
виды диаграмм для конкретной задачи.

Тема «Описание объектов и классов на языке
 программирования Турбо Паскаль»

Учащиеся должны знать:
• синтаксис описания объекта
на языке Турбо Паскаль;
• синтаксис описания части
реализации и разделов интерфейсной части класса на языке Турбо Паскаль;
• в чем состоит инкапсуляция
и какова ее связь с ограничением доступа;
• что означает утверждение:
поля и методы одного класса находятся в одной области видимости;
• в чем состоит отличие между
описанием, использованием методов класса и подпрограмм.
Учащиеся должны уметь:
• описать класс и объект данного
класса на языке Турбо Паскаль;
• выделять механизм работы
программы в виде взаимодействия определенных в ней объектов;
• использовать различные
способы доступа к полям и методам объекта.

Тема «Наследование. Иерархия классов»

Учащиеся должны знать:
• что означает понятие
«иерархия классов в виде дерева»;
• что такое наследование,
основные принципы наследования и понимать его преимущества;
• возможные варианты
переопределения методов класса-предка;
• примеры некорректного
наследования (переопределения структуры).
Учащиеся должны уметь:
• переопределять структуру
класса-предка, используя все возможные варианты.

Тема «Наследование и полиморфизм»

Учащиеся должны знать:
• основные типы методов, их
способ описания на языке Турбо Паскаль;
• какие ограничения и
возможности появляются с использованием разных типов методов при описании
класса;
• что означает раннее и
позднее связывание методов и как это соотносится с введением в описание класса
различных типов методов;
• синтаксис описания,
конструктор и деструктор класса на языке Турбо Паскаль и для чего они
предназначены;
• что такое полиморфизм;
• что такое таблица
виртуальных методов (ТВМ) и каким образом она создается и используется;
• синтаксис и назначение
функций TypeOf и SizeOf;
• возможные варианты совместимости
объектных типов.
Учащиеся должны уметь:
• корректно заменять
имеющиеся в программе виртуальные методы на статистические и наоборот при
полиморфизме методов в иерархии классов.

Тема «Внутреннее представление данных»

Учащиеся должны знать:
• основные области памяти,
занимаемые выполняемым кодом программы;
• как соотносятся между собой
виртуальные и динамические методы;
• способ описания
динамических методов на языке Турбо Паскаль;
• что такое таблица
динамических методов (ТДМ);
• как создается и
используется ТДМ.
Учащиеся должны уметь:
• показать на конкретном
примере недостатки в использовании виртуальных методов.
Учащиеся должны быть
ознакомлены:
* I «со
способом представления объектного типа (класса) и эк-ремпляра (объекта) в
памяти;
• со способом организации и
представления ТВМ в памяти;
• со способом организации и
представления ТДМ в памяти.

Тема «Основные понятия
объектно-ориентированного программирования»

Учащиеся должны знать:
• что такое объект;
• что такое класс;
• как описывается класс;
• как описать объект;
• назначение полей класса;
• назначение методов;
• в чем состоит идея
визуализации объекта;
• что представляют собой
компоненты в Delphi;
• в чем состоят принципы
инкапсуляции, наследования и полиморфизма;
• об иерархии объектов;
• способы обращения к полям
внутри метода и другим методам;
• о динамическом характере
объектов;
• как использовать объект в
программе.

Тема «Идеология программирования под Windows»

Учащиеся должны знать:
• что представляют собой DOS-приложение и Windows-приложение, в чем их принципиальные отличия;
• что такое событие и какие
они бывают;
• что такое отклик на
событие;
• что представляет собой
обработчик события;
• как работает Windows-приложение;
• что такое визуальное
проектирование;
• основные принципы программирования
в среде Windows.

Тема «Визуальная среда программирования Delphi.
Инструментарий Delphi. Основные
категории
Delphi: свойства, события, методы»

Учащиеся должны знать:
• назначение основных окон Delphi,
• назначение основных команд
меню,
• инспектор объектов, его
страницы свойств и событий;
• способы изменений свойств,
в чем их отличие.
Учащиеся должны уметь:
• изменять свойства тремя
способами,
• написать простейший
обработчик события.

Тема «Структура приложения в Delphi. Проект.
Разработка сценария проекта. Файлы проекта. Описание файлов»

Учащиеся должны знать:
• что входит в процедуру
разработки сценария Delphi-приложений;
• какие основные типы файлов
входят в Delphi-приложение (проект) и их назначение.
Учащиеся должны уметь:
• разрабатывать сценарии
простых приложений;
• создавать папки для
проектов и понимать назначение хранящихся в них файлов;
• устанавливать значения
свойств компонентов с помощью инспектора объектов;
• описывать методы обработки
событий в файле программных модулей.
Учащиеся должны быть
ознакомлены:
• с назначением файлов
ресурсов, опций, настроек.

Тема «Управление компонентами при проектировании.
 Форма, ее свойства, события, методы»

Учащиеся должны знать:
• способы работы с
компонентами в Delphi;
• что представляет собой
форма в Delphi;
• основные свойства формы;
• основные события формы.
Учащиеся должны уметь:
• помещать компоненты на
форму (различными способами);
• выделять компоненты;
• копировать компоненты;
• изменять свойства
компонентов визуально, с помощью инспектора объектов и программно;
• получать помощь (обращаться
к справочнику) по работе с компонентами;
• задавать размеры и
положение формы на экране;
• изменять заголовок и
создавать значок формы.

Тема «Разработка и реализация простого приложения»

Учащиеся должны уметь:
• четко формулировать задачу
и оценивать возможность ее решения средствами Delphi;
• изображать на бумаге
будущий кадр;
• писать простейшие сценарии;
• разрабатывать простую
форму, задавая шрифты, цвета, раз-Меры, расположение на экране;
• задавать стиль формы;
• описывать обработку
несложных событий.

Тема «Разработка проекта»

Учащиеся должны уметь
(дополнительно к полученным ранее умениям):
• пользоваться и создавать
меню, переключатели, диалоговые окна;
• создавать и подключать вспомогательные
формы.

Тема «Графические возможности Delphi»

Учащиеся должны знать:
• какие графические
возможности предоставляет Delphi.
Учащиеся должны уметь:
• размещать на форме готовую
картинку;
• создавать свою картинку,
используя Image Editor;
• изображать простые
геометрические фигуры; использовать штриховку и закраску;
• формировать изображения
программным способом.

15.6. Тематическое планирование курсов
объектно-ориентированного
программирования

Таблица 15.2
Тематический
план курса «Основы объектно-ориентированного
 программирования»
(А. Б. Кузнецов)

Тема учебного занятия

Кол-во
часов

1 . Основные сведения о технологии
  проектирования программ

2

2. Декомпозиция

1

3. Практика

2

4. Уточнение элементов предметной
  области в виде классов и объектов

2

5. Разработка механизмов взаимодействия
  классов и объектов

3

6. Практика

2

7. КИТ проектирования программ (контрольная
  работа)

1

8. Структура интерфейсной части описания
  класса на языке программирования Турбо Паскаль. Инкапсуляция

1

9. Описание взаимодействия объектов.
  Доступ к полям и методам класса

1

10. Практика

2

11. Наследование. Иерархия классов

2

12. Практика

2

13. Наследование и полиморфизм

2

14. Практика

2

15. Внутреннее представление

2

16. Объектно-ориентированная технология
  проектирования программ

2

17. Наследование и полиморфизм (контрольная
  работа)

2

18. Резерв

3

Всего:

34

Таблица 15.3
Тематический
план курса «Основы программирования на Delphi»
(И. П.
Половина)

Тема учебного занятия

Кол-во
часов

1. Основные понятия
  объектно-ориентированного программирования

2

2. Идеология программирования под Windows

2

3. Визуальная среда программирования Delphi. Инструментарий Delphi. Основные категории Delphi: свойства, события, методы

6

3. Структура приложения в Delphi. Проект. Разработка сценария проекта.
  Файлы проекта. Описание файлов

2

4. Управление компонентами при
  проектировании.Форма, ее свойства, события, методы

4

5. Разработка и реализация простого
  приложения

4

6. Разработка проекта

8

7. Графические возможности Delphi

6

Всего:

34

15.7. Методика обучения логическому
программированию

Логическое программирование в
качестве объекта изучения пришло в нашу школу гораздо раньше объектного. В
период с 1987 по 1995 г. С.Г.Григорьевым, Е.А.Ерохиной, В.А.Кайминьгм,
Н.Д.Угриновичем, А. Г. Щеголевым и другими авторами были разработаны
многочисленные методические материалы по логическому программированию. Тем не
менее специального пособия по организации курса логического программирования,
продолжающего базовый курс информатики, пока не существует.
Поскольку иных реально
доступных языков, кроме Пролога, для реализации логического программирования не
существует, то этот же курс можно назвать (как часто и делают) «Язык
программирования Пролог».
Способ изучения Пролога в
форме профильного курса в определенной мере зависит от того, были ли прежде
учащиеся знакомы с элементами Пролога в ходе изучения базового курса. Если
ответ положителен, то учащиеся знакомы в общих чертах с элементами логики и
схемой Пролог-программы, понятием базы знаний. В любом случае профильный курс
должен содержать большую часть тем, составляющих язык Пролог, но методика их
изучения должна учитывать вышесказанное обстоятельство. Как и при изучении
любого языка программирования, будет правильным регулировать уровень изложения
уровнем разбираемых задач.
Системы программирования, с
которыми приходится работать имея дело с Прологом, могут значительно отличаться
друг от друга. В этом плане выделяется Турбо Пролог, идеологические расхождения
которого со стандартом языка особенно заметны. Для обучения можно рекомендовать
Arity-Prolog. В
любом случае изложение материала рекомендуется вести в рамках стандарта, подчеркивая
особенности и различия конкретной системы программирования.
При планировании курса
учитель должен исходить из отпущенных на него часов. Возможно несколько
вариантов: ознакомительный 34-часовой курс, более полный 68-часовой или еще
больший, носящий характер интегрированного курса (например, с классической
логикой и/или математической логикой). Ниже представлены варианты такого
планирования.
Далее следуют рекомендации по
изучению отдельных тем (в той последовательности, в которой обычно изучают
Пролог, хотя некоторые темы и допускают перестановку).

Тема «Введение в Пролог»

В этой теме уместно (в
лекционной форме) напомнить учащимся основные принципы обработки данных в
информатике. Еще раз прозвучит и будет подкреплена аргументами мысль о том, что
операторная часть языков программирования, составляющая основу Паскаля, Бейсика
и других языков хоть и важна, но не менее важно представление данных,
подвергаемых обработке — входных, выходных и вспомогательных, используемых
внутри программ. Невозможно эффективно обрабатывать информацию, не располагая
разветвленными структурами данных; эффективность решения задачи во многом
связана не только с операторной частью программы, но и с тем, насколько умело
структурированы данные.
Тем не менее классические
языки программирования требуют от программиста полностью описать, в виде
цепочки операторов, порядок обработки информации. Однако это не единственный
путь; уже давно реализуются попытки поручить воспроизводство логических
рассуждений системной программе (т.е. с внешней стороны, самому компьютеру), а
за человеком оставить лишь формулировку задания. Подведите учащихся к мысли:
главная особенность языка Пролог состоит в том, что он является не столько
языком для записи алгоритмов, сколько языком для описания данных и логики их
обработки.
Материалы для этой темы можно
найти в предисловии к большинству учебников по Прологу, а также в журнальных
статьях, указанных в списке литературы. Если учащиеся уже изучали элементарное
введение в Пролог в базовом курсе, то беседа эта может быть сведена к
напоминанию основных принципиальных позиций и показу нескольких программ на
Прологе. Если нет, то после общего разговора приводим элементарные программы на
Прологе, не упоминая ни о каких формальных правилах их построения. Такие
программы включают два-три факта и один вопрос, ответ на который, с точки
зрения учащихся, очевиден. При этом подчеркните: очевидность ответа для
человека означает, что его мозг выполнил некую (пусть и очень простую)
программу. Если решать задачу на Паскале, то эту программу придется написать
человеку, если же решать ее на Прологе, то сопровождающая его системная
программа эту прикладную программу напишет сама. Как она это сделает — вопрос
«на потом».
Еще одна важная мысль,
которая прозвучит в этой теме, такова: чтобы система могла сама делать
логические выводы, исходная информация должна быть чем-то большим, чем
совокупность Данных. Эта информация включает связи между входящими в нее
элементами. Такая информация — уже не просто данные, а элементарные знания. В
связи с этим необходимо ввести элементарные представления о базе знаний, отталкиваясь
от противопоставления с хорошо известным учащимся понятием базы данных. База
знаний включает информацию о связях между объектами и состоит из фактов и
правил, в то время как база данных ограничивается только фактами.
Примеры элементарных баз знаний легко найти в Указанных в списке литературы
пособиях.

Тема «Факты. Предикатная форма представления фактов.
 Базы данных Пролога. Простые запросы»

Эту тему уместно начать с
изучения основ логики, на которой базируется Пролог. На примерах покажите, что
такое высказывание (суждение) и то, что всякое высказывание может быть истинным
или ложным. Следует дать понятие «утверждение» — суждение,
которое требуется доказа/ь или опровергнуть. Другие вопросы математической
логики в рамках темы не рассматриваются.
При работе над понятием
«факт» следует обратить внимание на то, что в программах на Прологе под фактами
понимаются утверждения, истинность которых подразумевается. Принятую в
языке предикатную форму записи следует отработать на прямых и обратных
примерах, начиная переводом с Пролога на естественный язык. Рекомендуется на
примере определенного сюжета (небольшого рассказа, стихотворения) построить
базу данных и задать соответствующие вопросы (запросы). В зависимости от
поставленного вопроса в сюжете необходимо научиться определять имена фактов,
количество и назначение его аргументов. Считается, что базы данных с разными
именами предикатов у фактов являются предпочтительными на первоначальном этапе
изучения материала. Например, составив базу данных по известному стихотворению
«Дом, который построил Джек» [3, т. 2, с. 227], можно определить наличие в ней
тех или иных фактов. Достаточно быстро информация, получаемая от системы только
такого рода, перестает быть интересной и для получения более разнообразной информации
потребуется ввести понятие переменной.
Базы знаний, факты которых
содержат одинаковые имена предикатов, рекомендуется использовать позднее, —
например, при рассмотрении вопросов, связанных с организацией поиска на запрос.
Ситуацию, когда этот поиск завершился удачно, можно прокомментировать как
работу логической связки ИЛИ, напомнив соответствующую таблицу истинности.
Параллельно с изучением языка
происходит знакомство с системой программирования. Рассматриваются ее
особенности, правила записи текстов программ, приемы их редактирования, способы
записи и считывания на внешние носители организации запросов.

Тема «Составные запросы. Правила.
Базы знаний Пролога»

Изучение темы можно начать с
упоминания (знакомства) и приведения соответствующей таблицы логической операции
И, которая в учебнике [34] трактуется как одновременная истинность нескольких
высказываний. При организации запросов к базе данных на Прологе соответственно
можно проверить присутствие или отсутствие нескольких фактов одновременно. Такой
запрос получил название составного запроса. При работе с конкретной
базой данных от составного запроса можно перейти к такому важному понятию, как правило.
Например, пусть имеется база данных:

летает(самолет).

летает(лебедь).

летает(воробей).

имеет_перья(лебедь).

имеет_перья(воробей).

Используя переменную, можно
задать такой вопрос: «Кто (что) летает и имеет перья?» На Прологе это будет
составной запрос:
?-
летает(X),имеет_перья(X).

С другой стороны, объект,
обладающий таким свойством, называется птицей. Поэтому можно сформулировать
утверждение, обладающее большей общностью, чем один факт, а именно правило:

птица(X):- летает(X),имеет_перья(X).

Добавление этого правила к
базе данных позволит задавать не составные, а простые вопросы, типа «Птица ли
самолет?» или «Кто является птицей?».
Умение записывать правила на
Прологе является одним из фундаментальных. При его отработке рекомендуется
первоначально правило, записанное на Прологе, перевести на естественный язык, а
затем с естественного языка на Пролог. Упражняясь в записи правил с
естественного языка, необходимо научиться определять имя предиката, количество
и назначение его аргументов.
Базы знаний, состоящие из
фактов и правил, позволяют рассмотреть более широкий класс задач. При их
решении следует обратить внимание на формулировки, где в определениях правил в
качестве союза и нередко встречаются синонимы: однако, но. В некоторых случаях
при составлении правил может появиться необходимость воспользоваться логической
операцией НЕ (отрицание). Поэтому следует описать и показать на примерах работу
соответствующего встроенного предиката.

Тема «Термы Пролога (данные): константы, переменные, составные
термы (структуры). Работа Пролога: сопоставление, поиск в базе знаний, механизм
возврата. Управление работой Пролога.
 Встроенные предикаты»

Если в предыдущих темах
рассматривались вопросы содержательного характера, то данная тема имеет
формализованный характер. В ней подробно рассматриваются механизмы поиска
ответа на запрос и его управления.
Соответствующий материал имеет
более теоретический, чем практический, характер. Данные, с которыми работает
Пролог, можно рассмотреть в соответствии со схемой, изображенной на рис. 15.13.

Рис. 15.13.
Схема данных Пролога
Пролог — один из немногих
интернациональных языков. В качестве литер, с помощью которых составляются
термы, могут использоваться любые символы алфавита, в том числе и
национального. Как это часто бывает, ограничения на использование тех или иных
национальных алфавитов зависят от конкретной реализации языка (системы
программирования).
Другая особенность —
использование переменных. Так как это нетипизированный язык (система
программирования Турбо Пролог — исключение), то при рассмотрении механизма
сопоставления следует обратить внимание на использование переменных (область
действия, конкретизация, связанность). Так как с переменной связывается не
область памяти, а объект (терм Пролога), не следует использовать терминологию
из процедурных языков программирования, а именно: присваивание, ветвление, повторение.
Среди большого числа
встроенных предикатов языка в данной теме рассматриваются лишь те, которые
необходимы для управления работой по организации поиска (сопоставления,
отрицания, отсечения). Относительно предиката сопоставления следует отметить, что
символ равенства (=) в некоторых системах программирования (Турбо Пролог)
используется также в качестве сравнения и арифметического оператора, но следует
видеть различия в его использовании.

Тема «Решение логических задач на Прологе»

Эта тема имеет практический
характер. В ней рассматриваются два известных метода решения логических задач:
на установление соответствия между несколькими множествами и на упорядочивание
между объектами. На практических примерах покажите, как эти методы реализуются
на Прологе. Методы, их реализации и список некоторых задач, который может быть
расширен, приводятся в литературе [3, т. 2, с. 241 — 245].

Тема «Операторы сравнения. Арифметические операторы.
Предикаты ввода-вывода. Организация диалоговых программ. Решение задач
на поиск в базах знаний с использованием
операторов сравнения и арифметических операторов»

В данной теме дается
расширение языка введением перечисленных в заголовке темы операторов и
предикатов. При рассмотрении арифметических операторов и операторов сравнения
следует обратить внимание на различия в их написании и работе между стандартом
языка и конкретной системой программирования (в особенности Турбо Прологом).

Тема «Рекурсия на Прологе (нисходящая стратегия). Ручная трассировка
рекурсивных программ. Решение задач на символьную арифметику. Рекурсия:
восходящая стратегия»

На Прологе рекурсивный метод
является единственным способом решения задач с помощью минимального количества
определений, повторяющихся в процессе поиска утверждений (подобно команде повторения
в процедурных языках). Трудность в его понимании объясняется недостаточной
методической проработкой. Как правило, в руководствах метод не объясняется, а
показывается на примере единственной функции факториал (кстати, почти не
используемой в школьном курсе математики).
Суть метода можно разъяснить
следующим образом: если решение исходной задачи может быть сведено к решению
другой (как правило, более простой) подзадачи, причем эта подзадача есть
уменьшенный вариант исходной задачи (с таким же количеством исходных данных и
результатов) и также сводима к другой подзадаче, то этот процесс называется рекурсией.
Надо заметить, что способ разбиения и решения подзадачи идентичен
примененному к исходной задаче.
Для того чтобы описанный
метод был результативным, он должен привести к задаче, решаемой непосредственно
(декларативно). Декларативное решение задачи называется граничным условием.
Из этого объяснения следует,
что для того чтобы решить зада-ЧУ рекурсивно, необходимо:
а) определить связь между
исходной и вспомогательной задачей;
б) определить граничное
условие.

Пример. Найти сумму первых N натуральных
чисел рекурсивным методом.
Заметим, что результат есть
функция, зависящая от количества натуральных чисел S(N), которая выражается так:

Первые (N — 1) слагаемых есть результат такой же функции от (N - 1) членов. Значит, это — вспомогательная задача, которая
удовлетворяет условиям рекурсивного метода. Граничное условие запишется так: S(1) = 1. Таким образом, математическая формулировка задачи
имеет вид:

Теперь решение задачи
нетрудно записать на Прологе:

сумма(1,1):-!.           /*
Граничное условие, S(N)=1 */
сумма(N,S):-M is
N-l,    /* M=N-1 */
сумма(M,S),         /*
Вспомогательная задача */
S is C+N.           /* Связь
между задачами */

Стратегия, использованная при
решении данной задачи, имеет название восходящей. Для полного понимания метода
рекомендуется исполнять некоторые программы в режиме ручной трассировки. Кроме
того, необходимо на первых этапах усвоения материала записывать на Прологе
функции, выраженные в математической форме. В рамках темы можно решить ряд
задач, получивших название «Символьная арифметика». При этом преследуют
следующие цели: во-первых, более глубоко понять природу рекурсивных функций,
во-вторых, уяснить, что в определении арифметических операций лежит рекурсивный
метод.
Восходящая стратегия является разновидностью рекурсивного
метода. В основе лежит следующая идея: от граничного условия решать задачи
большего размера. Для этого вводятся два дополнительных параметра — размер решенной
задачи и промежуточный результат. С помощью этой стратегии, как правило,
решаются переборные задачи.

Тема «Структуры данных: списки. Основные предикаты
работы со списками. Решение задач с помощью списков.
Задачи, решаемые с помощью перебора»

Тему можно начать с того, что
при решении некоторого класса задач построение баз данных является слишком
громоздким и утомительным занятием. Задача будет записана в более кратком виде,
если воспользоваться структурой — списком. После того как будет дано определение
списка (рекурсивное), следует вывести и записать на Прологе некоторые
предикаты, получившие название основных. Для полного понимания работы со
списками рекомендуется исполнить эти программы в режиме ручной трассировки.
При решении задач могут встречаться
трудности с определением правил, с помощью которых они решаются. Это связано с
уже сложившимся стереотипом решения аналогичных задач алгоритмически. Эффективность
декларативного способа решения задач можно показать на следующем примере.
Задание. Сдвинуть циклически элементы списка
вправо.
Эта задача является обратной
к более простой (на Прологе) задаче о циклическом сдвиге элементов списка влево
и занимает одну строчку:

сдвиг_вправо(L,R) :- сдвиг_влево(R,L).

В рамках темы рекомендуется
решить такие классические задачи, как «Ханойские башни», «Задача о восьми
ферзях», «Задача о перестановках», которые есть в ряде руководств.

Тема «Структуры данных: бинарные деревья. Основные
предикаты. Решение задач с помощью бинарных деревьев»

Введение указанной в
заголовке структуры целесообразно начать с задачи о поиске элемента в списке
достаточно большой размерности. При этом выяснится, что число сравнений
окажется большим, особенно тогда, когда элемент в списке не обнаружится.
Введение новой структуры (бинарного дерева) значительно упростит поиск. Далее
следует дать определение бинарного дерева, показать на примерах его графовое
представление, показать связь с линейными списками: линейное дерево фактически
есть список. Даются определения и иллюстрируются на примерах сбалансированные,
упорядоченные бинарные деревья.
Запись этой структуры на
Прологе особенного труда не составит, но следует учитывать ее громоздкость,
поэтому при выделении левых поддеревьев, корней и правых поддеревьев следует
Придерживаться определенной системы, например использование Различных строк для
каждой части дерева с отступами.
Основные предикаты работы с
бинарными деревьями также следует проверять в режиме ручной трассировки, при
этом размеры конкретных структур должны быть относительно небольшими.
Выбор задач определяется
главным достоинством бинарных Деревьев — эффективностью поиска, но результаты
решения на прологе нагляднее в виде списков.

Тема «Применение Пролога: понимание естественного
языка (КС-грамматики)»

Содержание темы раскрывает
одну из двух задач искусственного интеллекта, которую первоначально решали на
Прологе — понимание естественного языка. Во вводной части, которую
рекомендуется дать в виде лекции, необходимо отметить, что именно благодаря
удачному решению этой задачи Пролог утвердился в качестве языка
программирования. Благодаря теории контекстно-свободных грамматик
(КС-грамматик) был построен синтаксический анализатор — программа, проверяющая
построение фраз на правильность с точки зрения синтаксиса и семантики языка.
Эта программа в том или ином виде используется практически во всех современных
программных продуктах, от текстовых редакторов до систем программирования (в
том же Паскале каждая конструкция всегда проверяется на правильность).
Тему можно начать с краткой
теории КС-грамматик, далее привести пример построения синтаксического
анализатора на определенное правило из русского языка. Несмотря на прямое
назначение этой программы, больший интерес представляет обратная задача —
генерация правильных фраз. В методическом плане это оправдано. Подбор
практических заданий следует произвести так, чтобы по определенному правилу
построения фраз можно было построить синтаксический анализатор-генератор.

15.8. Требования к знаниям и умениям
учащихся

Тема «Введение в Пролог»

Учащиеся должны знать:
• в чем состоит
принципиальное отличие операторного языка от логического.
Тема «Факты. Предикатная форма представления фактов.
Базы данных Пролога. Простые запросы».

Учащиеся должны знать:
• что такое высказывание;
• что такое утверждение;
• что такое факт;
• что такое база данных
Пролога;
• что такое запрос (вопрос).
Учащиеся должны уметь:
• записывать факты в
предикатной форме;
• составлять и записывать
простейшие базы данных на Прологе;
• работать с системой
программирования (вводить и редактировать тексты программ, считывать и
записывать их в файл);
• организовать простой запрос
без использования и с использованием переменной.

Тема «Составные запросы. Правила. Базы знаний Пролога»

Учащиеся должны знать:
• что такое составной запрос;
• что такое правило;
• какова структура правила;
• что такое база знаний.
Учащиеся должны уметь:
• задать составной запрос к
базе данных;
• переводить правило,
записанное на Прологе, на естественный язык;
• записать правило на
Прологе;
• составлять простейшие базы
знаний по формулировкам задач;
• решать задачи с
использованием баз знаний.

Тема «Термы Пролога (данные): константы, переменные, составные
термы (структуры). Работа Пролога: сопоставление, поиск
в базе знаний, механизм возврата. Управление работой Пролога.
Встроенные предикаты»

Учащиеся должны знать:
• с какими видами данных
работает Пролог;
• что такое переменная на
Прологе;
• что такое механизм
сопоставления;
• что такое механизм поиска;
• что такое механизм
возврата;
• принципы работы предикатов
управления поиска.
Учащиеся должны уметь:
• распознавать термы Пролога;
• проводить ручную
трассировку запроса к базам данных и базам знаний Пролога;
• работать с предикатами
управления.

Тема «Решение логических задач на Прологе»

Учащиеся должны знать:
• метод решения логических
задач на установление соответствия между несколькими множествами;
• метод решения логических
задач на упорядочивание объектов некоторого множества.
Учащиеся должны уметь:
• решать логические задачи на
метод установления соответствия между несколькими множествами;
• решать логические задачи на
метод упорядочивания объектов некоторого множества. ,

Тема «Операторы сравнения. Арифметические операторы.
Предикаты ввода-вывода. Организация диалоговых программ. Решение задач
на поиск в базах знаний с использованием
операторов сравнения и арифметических операторов»

Учащиеся должны знать:
• операторы сравнения и их
запись на Прологе;
• арифметические операторы и
их запись на Прологе;
• предикаты ввода-вывода.
Учащиеся должны уметь:
• решать задачи на поиск в
базах знаний, используя операторы сравнения;
• решать вычислительные
задачи, используя арифметические операторы;
• составлять диалоговые
программы на Прологе.

Тема «Рекурсия на Прологе (нисходящая стратегия). Ручная трассировка
рекурсивных программ. Решение задач на символьную арифметику. Рекурсия:
восходящая стратегия»

Учащиеся должны знать:
• что такое рекурсивный метод
решения задач;
• что такое нисходящая
стратегия;
• рекурсивные определения
основных арифметических операций;
• что такое восходящая
стратегия.
Учащиеся должны уметь:
• записывать рекурсивные
функции на языке математики;
• записывать рекурсивные
функции в предикатной форме на Прологе;
• исполнять задачи, решаемые
рекурсивным методом в режиме ручной трассировки;
• решать символьные и
вычислительные задачи с помощью рекурсивного метода;
• реализовать арифметические
операции на Прологе;
• решать задачи с помощью
восходящей стратегии.

Тема «Структуры данных: списки. Основные предикаты
работы со списками. Решение задач с помощью списков.
Задачи, решаемые с помощью перебора»

Учащиеся должны знать:
• рекурсивное определение
списка;
• основные предикаты работы
со списками;
• методы решения задач на
списки;
• решения классических задач
с помощью списков;
• методы решения переборных
задач.
Учащиеся должны уметь:
• приводить примеры списков;
• исполнять задачи на списки
в режиме ручной трассировки;
• решать задачи на списки с
помощью основных предикатов работы со списками;
• решать задачи на списки без
помощи основных предикатов работы со списками;
• решать задачи перебора.

Тема «Структуры данных: бинарные деревья. Основные
предикаты. Решение задач с помощью бинарных деревьев»

Учащиеся должны знать:
• что такое бинарное дерево;
• что такое линейное,
сбалансированное, упорядоченное бинарное дерево;
• связь между списками и
линейными бинарными деревьями;
• как бинарные деревья
записываются на Прологе;
• основные предикаты работы с
бинарными деревьями.
Учащиеся должны уметь:
• приводить примеры бинарных
деревьев;
• приводить примеры линейных,
сбалансированных, упорядоченных бинарных деревьев;
• применять методы построения
сбалансированных и упорядоченных бинарных деревьев;
• записывать бинарные деревья
на Прологе;
• исполнять задачи на
бинарные деревья в режиме ручной трассировки;
• решать задачи на бинарные
деревья с помощью основных предикатов работы с бинарными деревьями.

Тема «Применение Пролога: понимание естественного
языка (КС-грамматики)»

Учащиеся должны знать:
• что такое КС-грамматики;
• назначение программы
«синтаксический анализатор».
Учащиеся должны уметь: *
• приводить примеры программ «синтаксических
анализаторов»;
• строить программы
«синтаксические анализаторы» по заданному правилу;
• по определенной фразе
формулировать и строить программы «синтаксические анализаторы»;
• генерировать фразы с
помощью «синтаксических анализаторов».

15.9. Тематическое планирование курсов
логического программирования

Таблица 15.4
Тематическое
планирование курса «Язык программирования
Пролог»
(В.Каймин, Ю.Завальский, ИНФО № 6, 1991)

Тема

Учебный материал

Кол-во часов

1 . Введение в Пролог

Факты и вопросы в языке Пролог. Правила
  вывода. Понятие базы знаний

3

Определение понятий в Прологе.
  Логические связки «и», «или», «не»

3

Суждения. Рассуждения. Принципы поиска
  ответа в Прологе

5

Предикаты над списками. Принадлежность
  элемента списку. Включение списков

3

2. Экспертные системы

Понятия и обобщения. Понятие ведущего
  признака. Классификация и систематизация

4

3. Элементы логического программирования

Графические предикаты Пролога.
  Композиция графических предикатов. Рекурсивные описания

3

Арифметические предикаты. Рекурсивные
  задания числовых функций

2

4. Использование языка Пролог

Композиция графических изображений

2

Понятие и примеры грамматик. Грамматический
  разбор

3

Формулы и их преобразования. Примеры
  формульных преобразований.

3

Примеры решения математических задач.
  Организация вычислений в Прологе

3

Всего:

36ч

Примечание. В авторском тексте данная планировка приведена в контексте
планирования единого курса информатики, и приведенное в таблице планирование
несколько скорректировано в расчете на профильный курс.

Таблица 15.5
Тематическое
планирование курса «Логика и язык программирования Пролог» (В.Каймин,
Ю.Завальский, ИНФО № 6, 1991)

Тема

Учебный материал

1. Введение в логику

Элементы формальной логики: понятия и
  высказывания, сложные высказывания, логические связки

Символьная логика: переменные высказывания,
  дизъюнкция, конъюнкция, отрицание и импликация

Машинная логика: биты и логические
  операции. Таблицы истинности. Переключательные схемы

2. Элементы математической логики

Исчисление высказываний. Преобразование
  высказываний. Правила де Моргана

Исчисление предикатов, ванторы общности
  и существования. Отрицание общих суждений и контрпримеры

3. Элементы теории Доказательств

Основные правила дедуктивного вывода.
  Принципы индукции

Понятие об аксиоматических теориях

Понятие конструктивного доказательства.
  Математический синтез

4. Введение в теорию рекурсии

Конструктивные объекты: списки, деревья,
  сети. Рекурсивные функции над списками

Числовые функции и их графики

5. Введение в рекурсивный анализ

Элементы аналитический геометрии:
  координатный метод. Примеры построения сложных композиций

Примеры порождающих грамматик

Тождества и равносильные преобразования.
  Примеры равносильных преобразований

Смешанные вычисления. Конкретизация
  правил

Примечание. Разбивка по часам между темами авторами не приводится. В целом
курс рассчитан на 136 ч.

Таблица 15.6
Тематическое
планирование курса «Язык программирования
Пролог»
(М.А.Южаков, ПГПУ)

Тема учебного занятия

Кол-во часов

1. Введение

1

2. Факты. Предикатная форма
  представления фактов. Базы данных Пролога. Простые запросы

4

3. Составные запросы. Правила. Базы
  знаний Пролога

5

4. Термы Пролога (данные): константы,
  переменные, составные термы (структуры). Работа Пролога: сопоставление, поиск
  в базе знаний, механизм возврата. Управление работой Пролога. Встроенные
  предикаты

6

5. Решение логических задач на Прологе

5

6. Операторы сравнения. Арифметические
  операторы. Предикаты ввода-вывода. Организация диалоговых программ. Решение
  задач на поиск в базах знаний с использованием операторов сравнения и
  арифметических операторов

5

7. Рекурсия на Прологе (нисходящая
  стратегия). Ручная трассировка рекурсивных программ. Решение задач на
  символьную арифметику. Рекурсия: восходящая стратегия

18

                                                                                Окончание табл.15.6

Тема учебного занятия

Кол-во часов

8. Структуры данных: списки. Основные
  предикаты работы со списками. Решение задач с помощью списков. Задачи,
  решаемые с помощью перебора

12

9. Структуры данных: бинарные деревья.
  Основные предикаты. Решение задаче помощью бинарных деревьев

6

10. Применение Пролога: понимание естественного
  языка (КС-грамматики)

3

Всего:

68

Вопросы для самоконтроля и обсуждения к главе 15

1. Каково место
программирования в структуре современной школьной информатики?
2. На каких примерах
целесообразно знакомить учащихся с принципами структурной алгоритмизации? В
каком порядке эти примеры излагать?
3. В каком объеме изучается
язык Паскаль в различных вариантах базового курса информатики?
4. Какую методическую пользу
приносит изучение метаязыков описания языков программирования?
5. Как построить рассказ о
структурированных типах данных? На каких примерах объяснять данные таких типов,
как множество, запись, файл, стек, очередь, строка и др.?
6. Каковы могут быть варианты
изучения логических выражений?
7. На каких примерах удобно
объяснить различия между понятиями порядковый тип и упорядоченный muni Как в различных учебных пособиях по
Паскалю именуются равносильные этим понятия?
8. На каких примерах
объяснить учащимся, почему в программировании следует четко различать вещественные
и целые математические величины и в чем здесь отличия от чисто
математического подхода?
9. Как методически
целесообразно построить рассказ об операторе множественного ветвления? На каких
примерах соотнести его с условным оператором?
10. Как методически
целесообразно объяснить учащимся, для чего в Паскале три оператора цикла? Как в
деталях объяснить порядок исполнения каждого из них?
11. На каких примерах можно
объяснить учащимся целесообразность Наличия в Паскале интервального типа
данных?
12. На каких примерах удобно
объяснить учащимся проблемы, связанные с процедурами и функциями:
• выделение вспомогательного
алгоритма;
• локализация переменных;
• различие между
параметрами-переменными и параметрами-значениями;
• область действия описаний в
процедурах;
• различия между процедурой и
функцией;
• смысл использования
глобальных переменных;
• рекурсии.
13. Как и на каких примерах
можно объяснить учащимся полезность таких типов данных, как массив (одномерный
и двумерный), строка, множество, запись, файл.
14. На каких примерах объяснить
различия между одномерным массивом и записью? Файлом прямого и
последовательного доступа?
15. Как и на каких примерах
объяснить учащимся особую практическую значимость поиска и сортировки?
16. Как сформулировать идею
внешней сортировки и пути ее реализации, обойдя сложные приемы
программирования?
17. Как пояснить учащимся
принципиальное различие между процедурой и модулем?
18. Какие установочные
процедуры и графические примитивы модуля Graph представляются Вам достаточными для рассказа о них учащимся в школьном
курсе информатики?
19. Какие простые
содержательные задачи можно использовать для отработки динамических структур
данных, таких как: стек, очередь, двоичное дерево?
20. Какой может быть цепочка
примеров возрастающей сложности, на которых можно сравнивать структурный и
объектно-ориентированный подходы к проектированию программ на этапе
декомпозиции?
21. Какие знания учащихся по
структурному программированию можно использовать, вводя понятие объекта, если:
а) программирование изучалось
на уровне базового курса информатики?
б) программирование изучалось
углубленно?
22. Какой может быть цепочка
примеров возрастающей сложности для отработки понимания механизмов
взаимодействия классов и объектов.
23. Можно ли при объяснении
учащимся способов доступа к полям и методам объектов использовать аналогии с
доступом к полям записей и процедурам модулей в Турбо Паскале?
24. На каких содержательных
задачах уместно объяснять понятия наследования и иерархии классов?
25. На каких примерах можно
объяснить учащимся основные понятия Delphi?
26. Какими наводящими
вопросами помочь учащимся проследить цепочку логических выводов при получении
ответа на вопрос (с помощью простейших примеров, включающих несколько фактов и
вопрос, ответ на который представляется однозначно вытекающим из этих фактов)?
27. С помощью каких отрывков
из различных популярных литературных произведений учащиеся могли бы составить
базы данных из приведенных в этих отрывках фактов?
28. Насколько глубоко в
различных вариантах базового курса информатики изучаются логические операции и
достаточно ли в них материалов для продолжения соответствующей темы в
профильном курсе, основанном на языке Пролог?
29. Как удобно оформлять на
доске и на бумаге трассировку запросов по базам данных и базам знаний Пролога?
Есть ли рекомендации на эту тему в известной Вам методической литературе?
30. На каких простейших
примерах уместно продемонстрировать учащимся решение логических задач на
Прологе?
31. На каких простых примерах
можно продемонстрировать учащимся рекурсию?
32. Как и на каких примерах
объяснить учащимся, что использование списков может быть более эффективным, чем
построение баз данных?

15.10. Лабораторный практикум

Тема «Профильные курсы информатики, ориентированные
 на программирование»

Занятие 1
Тема «Изучение структурного,
объектно-ориентированного и логического программирования»
Дидактические цели: поисково-исследовательские.
Способ организации: лабораторная работа.
Технологии и методы
обучения: поисковые
упражнения, аннотирование, учебный аукцион идей.
Средства обучения: учебно-методическая литература [1 — 45],
программные средства [1].
Предварительная подготовка
студентов: требуется
ознакомиться с планом работы (см. ниже) и выполнить п.п. 1 — 3.

Теоретические
сведения
Основные понятия: структурное программирование (типовые
управляющие структуры алгоритмов, метод пошаговой детализации, модуль),
объектно-ориентированное программирование (объект, свойство объектов, метод обработки,
событие, класс объектов), логическое программирование (факты, правила,
отсечение, составные объекты, поиск решения), строки, списки, файлы, рекурсия.
Содержательно-методический
анализ. С целью
формирования навыков грамотной разработки программ необходимо обучение
старшеклассников структурному программированию как методу, предусматривающему
создание понятных, локально простых и Удобочитаемых программ, характерными особенностями
которых являются: модульность, использование унифицированных структур
следования, выбора и повторения, отказ от неструктурированных передач
управления, ограниченное использование глобальных переменных.
Обучение технологии
объектно-ориентированного программирования в профильном курсе информатики
способствует формированию у школьников навыков правильного использования
программно-инструментальных средств. В основу большинства современных языков
программирования положен объектно-ориентированный подход и программы,
разработанные на этих языках, являются также объектно-ориентированными, поэтому
следует раскрывать учащимся концептуальность объектно-ориедаированного похода.
Формированию логического
мышления старшеклассников способствует освоение языка логического
программирования, что позволяет им на практике усвоить приемы реализации
продукционной модели представления знаний и познакомиться с основами
искусственного интеллекта.

План работы
1. Выбрать (по согласованию с
преподавателем) конкретную тему урока совершенствования знаний, умений и
навыков по программированию.
2. Изучить учебную,
методическую и специальную литературу по информатике в соответствии с выбранной
тематикой, составить аннотированный список литературы.
3. Освоить функциональное
наполнение системы программирования, которую предполагается использовать в
учебном процессе.
4. Выполнить задание I (см. ниже) и представить письменные отчеты.
5. Принять участие в учебном
аукционе идей.

Дидактические
материалы
I. Задание
Разработать конспект урока
совершенствования знаний, умений и навыков по заданной теме в соответствии с
планом, сформулированным в подразделе 14.6 (занятие 1, задание 1). Следует
учитывать специфику урока совершенствования знаний, умений и навыков и отразить
в конспекте методические особенности решения основных дидактических задач
урока: систематизацию и обобщение новых знаний; повторение и закрепление ранее
усвоенных знаний; применение знаний на практике для углубления и расширения
ранее усвоенных знаний; формирование умений и навыков; контроль за ходом
изучения учебного материала и совершенствование знаний, умений и навыков.
Тематика уроков
совершенствования знаний, умений и навыков по программированию:
№ 1. Разработка алгоритмов на
основе структурного подхода.
№ 2. Синтаксические диаграммы
в описании языка Паскаль.
№ 3. Итерационные циклические
процессы.
№ 4. Процедуры.
Взаимодействие с окружающей средой.
№ 5. Функции. Рекурсии.
№ 6. Объектно-ориентированная
технология проектирования программ.
№ 7. Разработка механизмов
взаимодействия классов и объектов.
№ 8. Описание объектов и
классов в Турбо Паскале.
№ 9. Виртуальные и
динамические методы.
№ 10. Логическое
программирование: поиск решения и отладка программ.
№ 11. Модульное
программирование на языке Пролог.
№ 12. Методы и средства
разработки программ на Прологе.
№ 13. Решение логических
задач.

П. Структуризация учебной
информации
Составить
формально-логическую модель аукциона идей, реализованных в системах
программирования, представив ее в форме таблицы 15.7.
Таблица 15.7

Системы программирования

Технологии программирования

Преимущества

Недостатки

Возможности применения

Перспективные направления развития

Рейтинговая оценка

Методические
рекомендации
В качестве заключительного
этапа лабораторно-практической работы предлагается проведение учебного аукциона
идей. Для этого необходимо разделить студентов на три группы, каждая из которых
будет представлять различные технологии и системы программирования (например,
структурное, объектно-ориентированное и логическое программирование).
В ходе групповой работы
студенты должны выявить преимущества, недостатки, возможности применения систем
программирования, перспективные направления их развития и технологии
программирования, реализующиеся с использованием данных систем. Обобщив эти
сведения, требуется выставить рейтинговые оценки, и таким образом составить
формально-логическую модель аукциона идей. По результатам рейтинговых оценок
рекомендуется провести межгрупповой учебный аукцион.

Занятие 2
Тема «Учебный проект как метод обучения
программированию» Дидактические цели: творческие, поисковые.
Способы организации: практикум, презентация.
Технологии и методы
обучения: творческие
задачи, аннотирование, составление формально-логической модели.
Средства обучения: учебно-методическая литература [1 — 45],
программные средства [1].
Предварительная подготовка
студентов: требуется
ознакомиться с тематикой задач-минипроектов и повторить основные приемы структурного,
объектно-ориентированного и логического программирования.

Теоретические
сведения
Основные понятия: метод нисходящего проектирования,
модульное программирование, эвристики, декомпозиция, абстрагирование,
инкапсуляция, наследование, полиморфизм.
Содержательно-методический
анализ. В завершающей
фазе изучения профильного курса информатики, ориентированного на
программирование, предлагается использовать метод проектов. Учебный проект
предполагает выполнение старшеклассниками самостоятельной творческой работы,
направленной на решение поставленной задачи, при которой актуализируются их
знания, полученные за весь период изучения курса, отрабатываются и демонстрируются
практические навыки.
Как правило, в процессе
решения задачи-проекта учащиеся применяют системный подход, поскольку ее
результатом обычно является диалоговая система, использование которой позволяет
решить предметную задачу. В этой связи выполнение задачи-проекта сопровождается
большим объемом программирования и требует длительного периода времени,
например, учебная четверть. Методически оправдана также постановка
задачи-минипроекта, которая характеризуется меньшей степенью сложности.
В качестве организационной
формы работы старшеклассников может использоваться дифференцированно-групповая
форма с целью выполнения задач-проектов, а для задач-минипроектов —
индивидуальная форма обучения. Мотивация этой работы обеспечивается правильным
подбором задачи-проекта, т. е. задача должна быть из той предметной области,
которая более всего интересует выпускника школы, является предметом его
профессиональной ориентации.

Дидактические
материалы
 I. Варианты заданий
Задание 1. Разработать технологию постановки и
выполнения учебного проекта для одной из задач-минипроектов, содержащую
следующие элементы:
1.1. Цели и средства
обучения, неформальную формулировку задачи, учебную схему выполнения проекта,
требования к проекту и методику анализа результатов, форму отчетности.
1.2. Решение
задачи-минипроекта с учетом предложенной учебной схемы, требований и формы
отчетности.

Задание 2. Разработать учебный сценарий
презентации проекта реализующего задачу-минипроект.

Тематика
задач-минипроектов
№ 1. Треугольник Паскаля.
№ 2. Скатерть Улама.
№ 3. Числа Армстронга.
№ 4. Вычисление значения п
путем бросания иглы.
№ 5. Биологические ритмы и
лунный календарь.
№ 6. Пилообразный текст.
№ 7. Шифр Гронсфельда.
№ 8. Поиск пути в лабиринте.
№ 9. Обход шахматной доски
ходом коня.
№ 10. Восемь ферзей.
№ 11. Раскраска карты.
№ 12. Лексический и
синтаксический анализ.

II. Структуризация учебной информации
Составить
формально-логическую модель учебной задачи-проекта (таблица 15.8) и
аннотированный список литературы, которую учитель может рекомендовать учащимся.
Таблица 15.8

Формулировка задачи-проекта

Подзадачи-модули

Технологии программирования

План решения

Методические
рекомендации
Для студентов, успешно
справившихся с заданиями 1 и 2, рекомендуем дополнительное задание, выполнение
которого направлено на структуризацию учебной информации.

Программные
средства к лабораторному практикуму:
Системы программирования: Turbo Pascal, Delphi, Visual Basic, Turbo Prolog, Smalltalk,
Turbo C, Borland C++, Fort, JavaScript и др.

Литература к главе 15

Основная
литература
1. Бадд Т. Объектно-ориентированное
программирование в действие. — СПб.: Питер, 1997.
2. Дагене В. А. и др. 100
задач по программированию: Кн. для учащихся: Пер. слит. — М.: Просвещение,
1993.
3. Информатика.
Задачник-практикум: В 2 т. Т. 1 / Под ред. И. Г. Сема-кина и Е.К.Хеннера. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
4. Информатика: Учеб. / Под
ред. Н.В.Макаровой. — М.: Финансы и статистика, 1997.
5. Кузнецов А. Б. Программа
курса «Основы объектно-ориентированного программирования» // ИНФО. — 1898. — №
7. — С. 17—24.
6. Маргулев А. И. Программирование
на языке Visual Basic 5 // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». — 1999.
— № 23.
7. Могилев А. В., Пак
Н.И., Хеннер Е.К. Информатика: Учеб. пособие для студентов пед. вузов / Под
ред. Е.К.Хеннера — М.: Академия, 1999.
8. Пахомова Н.Ю. Метод
проектов в преподавании информатики // ИНФО.-1996.-№ 1-2.
9. Семакин И.Г. и др. Информатика.
Базовый курс 7—9 кл. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999.

Дополнительная
литература
10. Беленькая Н.Л., Гейн
А. Г., Островский С.Л. Информатика и программирование (физико-математический
профиль) // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». — 1998. — №
42. — С. 15 — 31.
11. Бин Нгуен. Объектно-ориентированное
программирование на IBM Smalltalk. — М.: Диалог-МГУ, 1996.
12. Братка И. Программирование
на языке Пролог для искусственного интеллекта. — М.: Мир, 1990.
13. Буч Г. Объектно-ориентированное
программирование с примерами применения. — М.: Конкорд, 1992.
14. Вирт Н. Алгоритмы
+ структура данных = программы. — М.: Мир, 1985.
15. Дайтибегов Д.М.,
Черноусое Е.А. Основы алгоритмизации и алгоритмические языки. — М.: Финансы
и статистика, 1992.
16. Дарахвелидзе П.,
Марков Е. Delphi — среда визуального программирования. —
СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 1996.
17. Дашниц Н.Л. «Большие
проекты» — в средней школе // ИНФО. — 1995. - № 3.
18. Джонс Ж., Харроу К. Решение
задач в системе Турбо Паскаль. — М.: Финансы и статистика, 1991.
19. Еремин Е.А. Почему
система Delphi интересна для образования? // Информатика
и образование. — 1997. — № 1.
20. Ерохина Е. От
логики к программированию (Пролог в курсе информатики) // Информатика и
образование. — 1993. — № 2; 1993. — № 5; 1994. — № 3; 1994. — № 6.
21. Зуев Е.А. Практическое
программирование на языке Турбо Паскаль 6.0 — 7.0. — М.: Радио и связь, 1994.
22. Каймин В., Григорьев
С. Пролог в школьной информатике // Информатика и образование. — 1990. — №
2.
23. Каймин В., Завалъский
Ю. Экспериментальная программа по курсу «Основы информатики и
вычислительной техники» // Информатика и образование. — 1991. — № 6.
24. Каймин В. и др. Элементы
логики и начала языка Пролог // Информатика и образование. — 1989. — № 4.
25. Касаткин В.Н. Информация,
алгоритмы, ЭВМ: Пособие для учителя. — М.: Просвещение, 1991.
26. Клоксин У., Меллиш К. Программирование
на языке Пролог. —М.: Мир, 1987.
27. Козлов Д. Г. Объектное
программирование на Turbo Basic 1.0 // Информатика и образование. — 2000. — № 7.
28. Конопка Р. Создание
оригинальных компонент в среде Delphi. — Киев: DiaSoft Ltd.,
1996.
29. Лесневский А. С. Практикум
по объектно-ориентированному проектированию и программированию // ИНФО. — 1998.
— № 5. — С. 114-121.
30. МарцеллусД. Программирование
экспертных систем на Турбо Прологе. — М.: Финансы и статистика, 1994.
31. МатчоД., ФолкнерД.Р. Delphi. — М.: БИНОМ, 1995.
32. Морозов В. В. «Информатика»
в классах с углубленным изучением математики // Информатика: Еженед. прил. к
газ. «Первое сентября». — 1995. - № 10.
33. Нейлор К. Как
построить свою экспертную систему. — М.: Энерго-атомиздат, 1991.
34. Основы информатики и
вычислительной техники: Пробный учеб. для 10—11 кл. сред. шк. / В.А.Каймин,
А.Г.Щеголев, Е.А.Ерохина, Д.П.Федюшин — М.: Просвещение, 1989.
35. Практикум по Турбо
Паскалю / И. А. Бабушкина, И.О.Бушмеле-ва, С. М. Окулов, С. Ю.Черных //
Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». — 1999. — № 22.
36. Рубенкинг Н. Турбо
Паскаль для Windows: В 2 т. — М.: Мир-СК Ферлаг Интернешнл,
1994.
37. Семакин И. Г. и др. Информатика.
Базовый курс: Учеб. для 7—9 кл. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
38. Сенокосов А. И., Гейн
А. Г. Информатика: Учеб. для 8— 11 кл. с углубленным изучением информатики
и программирования. — М.: Просвещение, 1995.
39. Сергиевский М.В.,
Шалашов А. В. Турбо Паскаль 7.0. — М.: Машиностроение, 1994.
40. Системы искусственного
интеллекта и язык Пролог / В.М.Зеленин, Н.Г.Титова, М.Н.Юсупова,
Е.Н.Черлак//Информатика. — 1998. — №4.-С. 107-111.
41. Стерлинг Л., Шапиро Э.
Искусство программирования на языке Пролог. — М.: Мир, 1990.
42. Телло Э.Р. Объектно-ориентированное
программирование в среде Windows. — М.:
Наука Уайли, 1993.
43. Федоров А. Создание
Windows-приложений в среде Delphi. — М.: Компьютер Пресс, 1995.
44. Хромов В.С., Макеев
С.Н. Практические работы по Delphi//
Информатика и образование. — 1997. — № 1, 4, 6.
45. ЯнсонА. Турбо-Пролог
в сжатом изложении. — М.: Мир, 1991.

Глава 16
ПРОФИЛЬНЫЕ КУРСЫ ИНФОРМАТИКИ,
ОРИЕНТИРОВАННЫЕ НА ГУМАНИТАРНЫЕ ЗНАНИЯ

Концепция информатики как
профильно-ориентированной учебной дисциплины для гуманитарной школы проработана
в целом слабее, чем для школ математической и естественно-научной ориентации.
Еще раз подчеркнем, что, говоря об информатике в гуманитарной школе, мы имеем в
виду профильно-ориентированные курсы, базирующиеся на базовом курсе
информатики, который не имеет существенных видовых отличий в школах различной
профильной ориентации.
В данном параграфе мы опишем
два возможных профильных курса указанной направленности и элементы методики их
реализации.

16.1. Курс «Информатика» для школ и
классов гуманитарного профиля

Разработчики описанного ниже
курса — И. Г. Семакин и Е.К.Хеннер. Основные концептуальные положения, лежащие
в основе курса:
1. Курс реализует продолжение
базового курса информатики, ориентированного на гуманитарную школу.
2. Данный курс не является
узкоспециализированным. Основные цели курса — общеобразовательная и
развивающая.
3. Область знаний, которую
затрагивает данный курс — гуманитарные знания в целом. Образовательные области,
на которые курс ориентируется:
— «Филология» (предметы:
русский язык, литература, иностранные языки);
— «Обществознание» (предметы:
история, обществознание, география, экономика).
4. Курс ориентирован на школу
с углубленным изучением гуманитарных дисциплин и, следовательно, базируется на
серьезном отношении к гуманитарному образованию — важном компоненте общественного
бытия и сознания. При получении гуманитарного образования проблемы выработки
понятий и навыков в систематизации информации, системного мышления играют
первостепенную роль, и данный курс должен этому способствовать.
5. Технологические вопросы,
имея в курсе должное отражение, не являются его основой. Из технологических
аспектов в первую очередь рассматриваются: технология работы с текстовой и
графической информацией, технология хранения и поиска информации в базах
данных, технология поиска информации в компьютерных сетях, технология табличной
обработки числовой информации.
6. Курс является
уровнево-дифференцированным, что соответствует требованиям современной школы и
сделает его более «пластичным», гибким в реализации.
7. Курс является
преемственным по отношению к базовому курсу информатики. Преемственность
поддерживается на уровне общих содержательных линий, при опоре на знания и
умения, полученные при изучении базового курса.
Ниже даны рекомендации по
изучению отдельных тем курса.

Тема «Введение в информатику»

Несмотря на то, что эта тема
номинально присутствует в любом разумном варианте базового курса, она
заслуживает углубленного изучения.
Прежде всего, обсуждают
различные точки зрения на то, что представляет собой современная
информатика. Плюрализм в данном случае естественен, ибо информатика
молода и формирование ее продолжается. Обсудите предельно широкое толкование
информатики как совокупности «компьютерных наук» (Computer Science) и
теоретических компонент, включая кибернетику, а также более узкие подходы.
Подчеркните, что, несмотря на наличие разных точек зрения, представление об
информатике в основном сформировано. Важно также донести до учащихся то, что
информатику не следует относить к одной из категорий наук типа «естественные»,
«математические», «гуманитарные», поскольку она является фундаментальной
наукой, которой присущи черты каждой из перечисленных категорий, и поскольку в
своих приложениях информатика в равной мере необходима естественникам,
гуманитариям и, наконец, просто людям практической деятельности, не имеющим
отношения к науке. Еще одно важное обстоятельство, которое следует всячески
подчеркивать, — переплетение в информатике науки и технологий, что существенно
отличает ее от математики.
То обстоятельство, что
информация стала общественным ресурсом, что социальные последствия
информатизации определяют развитие техники, экономики, социальной сферы, лучше
всего раскрыть на многочисленных примерах, в большом числе присутствующих в
цитированной ниже литературе.
Сознание многоплановости понятия
«информация» весьма важно для гуманитариев. Обычно в базовом курсе основные
усилия при обсуждении информации связаны с ее измерением. Это объяснимо, но
порождает определенный математический и технический уклон. В данном курсе
вполне уместно обсуждение различных уровней представления об информации,
включая аксиологический подход, исходящий из ценности и значимости
информации, семантический подход и связь информадии с тезаурусом,
философский подход и соответственно функциональную и атрибутивную концепции информации.
Все эти вопросы требуют и от учителя, и от учащихся значительных усилий, но их
появление с самого начала оправдает гуманитарный характер курса и придаст ему
должный теоретический уровень. Еще большей подготовленности требует обсуждение
связи информации и физической энтропии, часто трактуемой весьма вульгарно;
возможно, на данном этапе это обсуждение нецелесообразно.
По форме организации учебного
процесса данная тема скорее всего является чисто лекционной и может
сопровождаться, в качестве отчетного мероприятия, подготовкой и защитой
реферата (к которому следует предъявить и высокие технические требования по
оформлению в современном текстовом редакторе).
Изучение дополнительного
материала открывает благодатные возможности для углубления гуманитарной
окраски курса. Информатика, как это часто декларируется, действительно близка к
лингвистике, но в школьном курсе обычно не находится места для доказательства
этого утверждения. Проведите вводную беседу, в которой проиллюстрируйте тезисы:
• любая обработка информации
при помощи компьютера может интерпретироваться как обработка конечного текста,
записанного средствами некоторого формального языка, у которого есть алфавит и
набор синтаксических и семантических правил (заодно придется углубиться в
понятия синтаксис и семантика);
• у естественных языков уровень
формализации гораздо ниже, чем у машинных языков обработки данных (формальных
языков), и почему это так.
Далее расскажите о проблемах математической
лингвистики и, в первую очередь, о таком ее прикладном аспекте, как машинный
перевод. Завершением изучения темы может стать защита учащимися рефератов
по таким вопросам, как формальные грамматики, программы перевода с языка на
язык, прикладная лингвистика. Поскольку подготовка таких рефератов требует
немало усилий, эту защиту можно перенести на некоторое время после завершения
темы.
Проблемы информационного
общества также заслуживают изучения. Здесь следует углубиться в социальные
и экономические проявления информатизации. Вводную беседу можно посвятить следующим
аспектам вопроса:
• что понимают разные авторы
под информационным обществом;
• информационное общество не
следует идеализировать и оценивать вульгарно в терминах «хорошо-плохо», это
общество со своими сложнейшими социальными и экономическими проблемами;
• социальные последствия
глобальной информатизации общества;
• экономические и
промышленные аспекты;
• правовые аспекты и др.
По каждому из этих вопросов
уместна разработка рефератов, проведение уроков в форме диспутов (разумеется,
после предварительной подготовки к ним учащихся).
Содержание практической
работы при изучении этой
темы целесообразно свести к следующим действиям:
• повторение (практическое)
основных приемов работы в операционной системе и с текстовым редактором Word;
• подготовка рефератов по
теме главы с использованием Word.

Тема «Систематизация информации»

Первый раздел этой темы — введение
в системологию. За методическими рекомендациями по изучению этой темы
отсылаем к главе 13.
Вслед за этим приступают к
изучению информационных моделей, в которых информационные связи между
объектами отражены определенными формальными способами. Таким образом, от общих
идей системологии учащиеся переходят к собственно информатике. Из возможных
определений понятия «информационная модель» можно ограничиться следующим, не
претендующим на особую детализацию: информационная модель объекта — это его
описание. Однако предметом науки может быть не всякое описание, а лишь
прошедшее ту или иную формализацию, т.е. описание «по правилам». Из таких
формализованных информационных моделей уместно рассмотреть вначале информационные
модели на графах. Введите понятие графа и связанные с ним понятия вершина,
ребро и т.д. Опираясь на литературные и исторические факты, постройте
неориентированные связные графы — деревья, ориентированные графы, отобразите в
виде графов элементы биологической классификации и т.д. Основная цель этих
действий — выработать представление о простейших информационных моделях и
сформировать элементарные навыки их построения.
Далее уместно перейти к изучению
информационных моделей, которые составляют основу современных баз данных, т.е. табличных,
иерархических и сетевых моделей представления данных.
Табличные информационные
модели изучаются в базовом курсе информатики. Они наиболее просты (или, по крайней
мере, привычны, благодаря обыденности использования различных прямоугольных
таблиц). Следует напомнить учащимся, как в целом устроены таблицы, и какие виды
информационных связей в них заложены. Расскажите о типизации таблиц и приведите
примеры таблиц типа «объект-свойство» и типа «объект-объект». Поскольку
изучаемый курс есть курс второго уровня, то естественно ожидать от него не
только знакомства с табличной формой представления информационной модели, но и
выработки навыков самостоятельного структурирования информации, расположенной
«кучей», в таблицу, причем разными способами в некотором осмысленном порядке.
Кроме того, желательно освоить более сложные типы таблиц. Например, если
описываются пары объектов и свойств у пары объектов несколько, то возникает
таблица типа «объекты-объекты-много». Она графически выглядит существенно
сложнее, ее колонки разбиты на подколонки, имеющие наряду с колонками
собственные названия, родственные названиям основных колонок, и т.д. Навыки
систематизации информации в такие таблицы тоже полезны. Что же касается содержательного
материала, то его в данном случае естественно базировать на исторической или
литературной основе.
В базовом курсе информатики
не рассматривают, как правило, иерархические и сетевые модели представления
данных. Тем не менее они часто возникают естественным образом из содержательной
стороны задания по структурированию информации. Для введения в иерархические
модели представления данных приводят примеры иерархических отношений: родители
— дети, учителя — учащиеся и т.д. Если надо информацию о подчиненных объектах
расположить так, чтобы эта подчиненность была очевидной, то естественно сделать
это в следующей графической форме (рис. 16.1):

Рис. 16.1.
Информация о подчиненных объектах

При этом каждая запись
является структурированной, т.е. состоит из нескольких полей, аналогичных
строке таблицы.
Существенно донести до
учащихся следующее: информацию, структурированную в иерархической форме, чаще
всего можно структурировать и в табличной. Например, в таблице можно
предусмотреть поле (колонку), в которое заносятся сведения об иерархическом
соотношении информации в разных строках. Вопрос о способе структурирования
решается, как правило, исходя из назначения информационной модели. Ведь мало
просто как-то расположить информацию — потом последуют операции поиска по
некоторому признаку (ключу), и именно в этот момент и проявятся достоинства и
недостатки избранного способа структурирования.
Изображенная выше схема
иерархического соотношения данных является простейшей. Если у подчиненных
объектов, изображенных на ней, есть свои подчиненные объекты, то возникает
дерево. Иерархия в этом случае задается уровнями дерева. Соответствующие
примеры есть во многих руководствах, названных ниже.
Далее ставят вопрос: а как
строить информационную модель в случае, когда объекты связаны друг с другом
системой отношений, не сводимых к иерархии или неудобных для оформления в
таблице (в силу сложности и многочисленности отношений)? Приведите пример:
отобразить наглядно связи, существующие между учителями и учащимися школы, так,
чтобы было видно, какой учитель работает с какими учащимися, и наоборот — какие
учителя у каждого учащегося. При таком задании естественным образом возникает сетевая
модель со сложной структурой. Впрочем, это же задание можно свести к совокупности
деревьев, т.е. иерархических структур.
Надо заметить, что хотя с
формальных позиций все три вида моделей равно интересны, наибольшее
практическое значение в данном курсе играет реляционная форма представления
отношений между данными — хотя бы в силу того, что наиболее популярные СУБД,
без которых компьютерная реализация таких моделей затруднительна, нацелены на
создание и обработку именно реляционных баз данных.
Для проведения занятий по
этой теме могут быть весьма полезны материалы задачника-практикума, указанного
ниже в списке литературы.
Дополнительный материал по этой теме связан с изучением представления
знаний в системах искусственного интеллекта и введением в экспертные системы.
Обсуждение этого материала состоялось в главе 15 (с ориентацией на Пролог,
который в дан-Ном случае неуместен, но принципиальные вопросы легко отделить от
языка программирования).
Содержание практической
работы при изучении этой
темы целесообразно свести к следующим действиям:
• работа с таблицами в Word; построение табличных информационных
моделей;
• использование графических
возможностей Word; внедрение графических объектов в
документы Word;
• построение графовых моделей
средствами текстовых и графических редакторов.

Тема «Информационные ресурсы
компьютерных сетей»

Цель изучения данной темы —
сформировать у учащихся представления о том, как устроены компьютерные сети,
как происходит целенаправленный поиск информации в локальных сетях и в Internet.
С элементами работы в Internet учащиеся скорее всего к данному моменту уже знакомы. Однако
это, как правило, отрывочные сведения, сопровождаемые неразвитыми навыками
поиска информации.
Начинают изучение темы с
лекции о назначении компьютерных сетей и основных принципах их построения.
Знакомят учащихся с понятием «компьютерная сеть» и подразделением сетей на
локальные и глобальные. Надо заметить, что с появлением технологии Internet различия между теми и другими типами сетей, с точки зрения
пользователя, поубавились, а функциональное сходство возросло. Если в школе
есть медиацентр, то расскажите о его структуре и локальных информационных
ресурсах, если его нет, то дайте общее представление о таком центре.
Вопросы стратегии обмена
информацией в локальных сетях также представляют безусловный интерес. Как одна
машина получает пакет (файл) от другой, если линия занята? Как выстраиваются и
обслуживаются очереди? Все это заслуживает обсуждения, пусть и в обзорном
порядке.
Затем следует переход к
глобальным сетям, описание структуры и основных функций (электронная почта,
телеконференции, работа с удаленными базами данных). Целесообразно уделить
внимание аппаратной части обеспечения работы с глобальными сетями, рассказать о
процессах модуляции-демодуляции и пояснить, почему они необходимы.
Поясните учащимся принципиальную
разницу между режимами работы off-line и on-line и начните
осваивать первый из них. Для этого следует обучить работе с почтовой программой
(типа Outlook Express), рассказать о принципах формирования персональных электронных
адресов, показать, как создавать и отправлять электронные письма и как стать
участником телеконференции (объяснив предварительно разницу между коммерческими
и некоммерческими телеконференциями).
Доступ к информации в Internet — важнейший, с практической точки зрения, вопрос данной
темы. Несмотря на кажущуюся информированность об Internet, большинство учащихся не имеют истинных представлений о
возможностях поиска. Расскажите о файловых архивах FTP и о том, как они устроены, о наличии и
функциях «зеркал» и т.д. Кроме того, опишите основные команды работы с FTP-протоколом, обеспечивающие прием-передачу
данных.
Поскольку в настоящее время и
в ближайшей перспективе в функциях поиска информации доминируют поисковые WWW-серверы, то другие информационные системы
в школьном курсе информатики можно не рассматривать. Рассказ о «мировой
паутине» и о специальном программном обеспечении — WWW-броузерах — является в прагматическом смысле центральным. Объекты
рассказа — организация HTTP-протоколов,
конструкция URL-запросов, интерфейс одного из популярных
броузеров (скорее всего, это будет Internet Explorer). В познавательном плане учащиеся
знакомятся также с принципами гипертекста и мультимедиа, используемыми в WWW.
Научиться поиску информации
по темам или ключевым словам с помощью поисковых машин типа Rambler и ей подобных — существенная часть практически-ориентированной
деятельности при изучении данной темы. Опыт показывает, что приобретение
навыков осознанного поиска контекстно-зависимой информации требует определенных
усилий, тем более что в различных поисковых машинах запросы строятся по разным
синтаксическим правилам. В этой деятельности может быть полезным использование
имитатора поисковых машин, который позволяет отрабатывать указанные навыки с
помощью локализованной программы, без подключения к Internet.
В процессе обучения в данной
теме чрезвычайно полезны лекционные демонстрационные устройства, позволяющие
выводить изображения с экрана компьютера на большой демонстрационный экран.
В качестве дополнительного
материала естественно привлечь вопросы технологии создания Web-страниц. Хотя данный курс предполагается
непрограммистским, элементы языка разметки гипертекстов HTML вызывают интерес и у учащихся гуманитарной ориентации. Скорее
всего в данном небольшом курсе целесообразно ограничиться лишь простыми
примерами создания Web-страниц. Создание максимально простой
личной Web-страницы каждого учащегося было бы
отличным завершением данного раздела.
Кроме того, естественным
продолжением темы является обсуждение того, какие новые проблемы создает Internet перед человеческим сообществом. Проблемы эти глубоки и их
обсуждение Позволяет коснуться важных проблем этики, социологии, политики и
т.д., что для курса гуманитарной направленности весьма важно.
Содержание практической
работы при изучении этой темы целесообразно свести к следующим действиям:
• работа с почтовой
программой и Web-броузером;
• работа с поисковыми
серверами;
• подбор материала в WWW по заданной теме;
• подготовка демонстрации
собранного материала средствами PowerPoint.
При этом поиск информации,
подштовка демонстраций и другие работы осуществляются на базе материалов
гуманитарных дисциплин, изучаемых в школе — истории, литературы и т.д.

Тема «Информационные системы и базы данных»

Цель изучения данной темы —
доведение до учащихся принципов построения классических информационных систем и
лежащих как в их основе, так и в основе многих возможностей Internet, баз данных.
Изучать эту тему можно либо
начав с общих принципов функционирования информационных систем, а затем перейдя
к базам данных, либо наоборот. Практически это не имеет значения.
В обзорной лекции по
информационным системам рассказывают о важнейших классах информационных систем:
• информационно-справочных
(ИС) и информационно-поисковых (ИПС) «доинтернетовских» системах;
• системах, обеспечивающих
автоматизацию документооборота и учета;
• автоматизированных системах
управления (АСУ);
• автоматизированных системах
управления технологическими процессами (АСУТП);
• экспертных системах;
• системах автоматизации
научных исследований (АСНИ);
• системах
автоматизированного проектирования (САПР);
• геоинформационных системах
(ГИС) и т.д.
Разумеется, нет ни
необходимости, ни возможности детально описывать все эти системы. Первая из
указанных выше групп (ИС, ИПС) в значительной мере интегрирована в Internet-технологии, об АСУ, АСУТП, САПР, АСНИ,
экспертных системах достаточно дать самые общие представления на уровне
функциональных схем. Тем не менее сделать это желательно, поскольку, напомним,
данный курс носит в значительной мере общеобразовательный характер.
Детализацией данного материала может быть, например, описание элементов
автоматизированной системы управления школой.
Если есть возможность
углубиться в одну из указанных систем, то, по-видимому, в настоящее время
целесообразнее всего ориентироваться на геоинформационные системы, переживающие
пепиод бурного развития и интегрирующие в себе элементы некоторых других
информационных систем. Изучение ГИС позволяет привлечь знания, полученные в
курсе географии, обсудить некоторые проблемы картографии, землепользования,
связать их с проблематикой собственно информатики — компьютерной графикой и
базами данных. Следует учесть, что ГИС-образование в настоящее время переживает
пору расцвета, регулярно выходят учебные пособия, разрабатываются многочисленные
компьютерные программы.
При изучении этой интересной
темы встает вопрос о программной поддержке. Опыт показывает, что на данном
этапе изучения наиболее целесообразно использование ГИС-имитаторов —
относительно небольших программ, воспроизводящих функции ГИС, но в отличие от
«тяжелых» практически-ориентированных систем легко осваиваемых и допускающих
установку на школьных компьютерах.
Изучение баз данных — центральная
задача данной темы. Хранение и обработка информации в базах данных —
универсальная методология, применяемая независимо от характера данных. В этом
смысле данная тема является чрезвычайно ценной для курса информатики
гуманитарной направленности.
В современном базовом курсе
информатики базам данных уделяется заметное место. Первое, что должен сделать
учитель — проанализировать изучавшийся ранее материал по базам данных и
реальное наличие у учащихся соответствующих знаний и навыков.
Данная тема является в
значительной мере продолжением темы «систематизация информации», в которой
вводились основные модели данных, лежащие в основе построения баз данных.
Отталкиваясь от этого, напоминаем учащимся устройство реляционных баз
данных, базовые понятия: запись, поле, тип поля, ключ, составной ключ и
т.д.
Далее, следует провести
разговор-напоминание о том, что такое система управления базой данных., ее
основных функциях — определение данных, обработка данных, управление данными.
Этот разговор не следует привязывать к конкретной СУБД для того, чтобы
сформировать у учащихся общие представления о такой важной сфере прикладной
информатики.
Далее, перед учителем встает
проблема выбора базовой СУБД Для данного курса. Если несколько лет назад выбор
обычно осуществлялся (в учебных целях) в пользу dBASE-подобных систем, то в настоящее время это чаще всего наиболее широко
распространенная СУБД персональных компьютеров — Access; именно такой выбор мы и рекомендуем для школьного курса. Дополнительным
основанием для этого является функциональная полнота СУБД, простота интерфейса,
полная интегрированность с такими популярными Программами, как Word, Excel, PowerPoint и др.
Маловероятно, чтобы такая
достаточно сложная программа, как Access, изучалась
в базовом курсе информатики, и поэтому ей придется посвятить некоторое время.
Вначале изучают пользовательский интерфейс (строка заголовка, пиктограмма
системного меню, полоса меню, панель инструментов, строка состояния и
т.д.). Затем переходят к основным объектам Access: таблицы, запросы, формы, отчеты. Что же касается макросов,
также относящихся к основным объектам, то это материал повышенной
трудности, который (равно как и модули) годится в качестве дополнительного.
В данном пособии мы не будем
детализировать методику изучения указанных понятий. Ее можно уточнить как с
помощью специальной литературы, посвященной Access, так и анализируя, к примеру, широко распространенные пособия
Н.В.Макаровой и Ю.А.Шафрина, адресованные школьникам (см. рекомендуемую ниже
литературу).
Необходимо предостеречь от
сведения раздела курса, посвященного базам данных, к изучению лишь одной из
программ-СУБД. Непременным элементом изучения должны стать принципиальные
вопросы реляционного подхода, такие как нормализация данных, стратегия и
методика создания однотабличных и многотабличных баз данных, связывание файлов через
общие поля и т.д.
Наконец немаловажно в данном
случае и то, на какое содержательное наполнение будет опираться данная тема.
Учитывая гуманитарный характер курса, лучше всего строить базы данных с
географической, литературоведческой, исторической тематикой.
В качестве дополнительного
материала, если позволят время и успехи учащихся, рекомендуется создание
макросов для обработки данных в базах данных.
Содержание практической
работы при изучении этой темы целесообразно свести к следующим действиям:
• освоение (повторение)
приемов работы в среде Access;
• работа с готовой БД: поиск,
сортировка, редактирование, подготовка отчетов;
• разработка проекта БД по
данной теме;
• создание БД средствами СУБД
Access.

Тема «Информационные модели планирования
 и управления»

Цель изучения данной темы —
познакомить учащихся с основами применения компьютеров для решения задач
оптимизации и планирования. При этом ни о каком «программировании», учитывая
направленность курса, речь не идет, работа с программным обеспечением должна
вестись на пользовательском уровне.
При включении данной темы в
курс информатики для гуманитарной школы разработчики курса исходили из того,
что элементарные знания принципов статистической обработки данных и построения
простейших экономических моделей являются элементами полноценного гуманитарного
образования, а получить эти знания и навыки уместно именно с помощью
информационных технологий. Речь здесь не идет о собственно математическом и
экономическом образовании — это задача других дисциплин. Современные
компьютерные программные средства настолько упростили обработку информации в
сфере статистической обработки и экономического планирования, что знакомство с
ними стало доступным (и необходимым) на уровне школьного образования.
Начните эту тему с изучения
принципов статистической обработки данных. Следует признать, что прикладная
статистика, ставшая в школах большинства развитых стран объектом обязательного
изучения (разумеется, на эмпирическом уровне), еще не заняла достойного места в
отечественной школе.
На простейших примерах
поясните учащимся постановку типичных статистических задач, решение которых
представляет общечеловеческий интерес. Это статистические оценки величин,
полученные на основе статистических выборок в социальных, экономических и иных
системах, и достоверность этих оценок, отыскание эмпирических формул
зависимости между величинами, исследования наличия корреляций между величинами,
подверженными случайному разбросу, получение широко практикуемых
экстраполяционных предсказаний и т.п. При этом необходима обзорная лекция о случайных
величинах, законах их распределения и простейших характеристиках, по которым о
них судят: среднем значении и дисперсии (на самом деле обсуждение
ограничивается простейшими моделями распределений, близких к нормальному).
Прежде всего на примерах формируют представления о том, насколько достоверно
суждение о случайной величине по этим характеристикам. Разумеется, не может
быть и речи об изложении на уровне формулирования теорем и использования сколько-нибудь
сложных математических формул; напротив, необходима максимальная наглядность,
достигаемая путем Регулярного использования гистограмм (столбчатых диаграмм),
круговых диаграмм и других хорошо известных средств деловой графики.
Уже на этом этапе максимально
используйте возможности компьютерных программ для иллюстрации материала. Все,
что предусмотрено в данной теме, можно обслужить средствами одной Программы Excel, что наиболее целесообразно.
Многочисленные Функции статистической обработки, встроенные в эту програму и ее
графические возможности позволяют это сделать.
Несколько сложнее донести до
учащихся методику определения достоверности среднего значения, найденного по
случайной выборке. Тем не менее это вполне можно сделать, показав, как
находится доверительный интервал при заданной надежности. Разумеется, при
изложении данного материала можно ограничиться случаем квазинормальности
распределения случайной величины и предполагать столь большой объем выборки,
что работают самые простые формулы для оценки доверительного интервала. Опыт
показывает, что учащимся старших классов это вполне доступно.
Отыскание эмпирических формул
зависимости между величинами, подверженными случайному разбросу, по методу
наименьших квадратов, представляется весьма несложным при наличии специального
программного обеспечения (встроенного в Excel). Главное — донести до учащихся саму идею о том, что
функциональная зависимость между величинами, детально изучаемая в школьном
курсе математики, на практике находится отнюдь не однозначно, особенно при
исследовании сложных социальных систем. На практике же все сводится к вводу в
готовую программу некоторых наборов чисел, причем, учитывая характер курса,
расчетные формулы метода наименьших квадратов можно вообще не приводить.
Идея корреляционной
зависимости между величинами столь проста, что понимание достигается всего на
двух-трех примерах. Примеры эти могут быть взяты из социальной сферы,
базироваться на исторических, литературоведческих данных и т.д. Вполне
достаточно ограничиться при этом случаем линейной корреляции и вычислением
коэффициента регрессии. Соответствующие программы встроены в Excel.
Точно так же идея о
возможности предсказания будущих значений некоторой величины, если известны ее
значения на некотором временном ряду, совершенно не противоречит интуиции.
Соответствующие возможности экстраполяции также заложены в одну из программ
пакета Excel.
Наконец, идея поиска
оптимальных решений простейших экономических задач также несложна в постановке.
Достаточно ограничиться обсуждением идей так называемого линейного
программирования, и, учитывая ситуацию, не обсуждать никаких математических
методов. Изучение симплекс-метода — не для курса гуманитарной ориентации; наша
задача показать учащимся, что информационные технологии позволяют, понимая
существо задачи, вводить данные и получать ответы.
Следует учесть, что методика
обучения математическим знаниям без изучения математического аппарата, но с
активной опорой на информационные технологии, разработана совершенно
недостаточно. Сказанное выше — лишь некоторые наводящие соображения. Вместе с
тем такой подход в сфере гуманитарно-ориентированного образования вполне имеет
право на существование и способствует становлению не только информационной, но
и математической культуры.
Содержание практической
работы при изучении этой темы целесообразно свести к следующим действиям:
• освоение (повторение)
приемов работы с табличным процессором Excel;
• решение задач
статистической обработки данных путем использования встроенных функций Excel; оформление отчета;
• решение задач
прогнозирования путем использования встроенных функций Excel; оформление отчета;
• решение задач на поиск
оптимальных решений путем использования встроенных функций Excel; оформление отчета.

16.2. Требования к знаниям и умениям
учащихся

Тема «Введение в информатику»

 Учащиеся должны знать:
• различные подходы к
определению информатики;
• место информатики в системе
наук;
• об общих аспектах
содержания понятия «информация»;
• о лингвистических аспектах
информатики;
• о признаках информационного
общества и его проблемах.
Учащиеся должны уметь:
• пользоваться редактором Word для подготовки рефератов.

Тема «Систематизация информации»

Учащиеся должны знать:
• что такое система и
структура;
• что такое «системный
подход»;
• о различиях между
материальными и информационными связями между объектами;
• о способах реализации
информационных моделей — графовом, реляционном, иерархическом, сетевом.
Учащиеся должны уметь:
• строить простые
информационные модели указанными выше способами;
• работать с таблицами в Word;
• использовать графические
возможности Word.

Тема «Информационные ресурсы компьютерных сетей»

Учащиеся должны знать:
• назначение компьютерных
сетей и основные принципы их построения;
• структуру и функции
Интернет;
• режимы работы в Интернет (off-line — электронная
почта, телеконференции; on-line — поиск информации в удаленных базах данных);
• принципы организации
«мировой паутины» World Wide Web.
Учащиеся должны уметь:
• обмениваться информацией в
локальной сети, хранить файлы на сервере, пользоваться сетевым принтером;
• работать с почтовой
программой типа Outlook Express;
• создавать электронные
письма, формировать их для отправки;
• найти список
телеконференций, подписаться на телеконференцию, отменить подписку;
• работать с броузером типа Internet Explorer;
• пользоваться двумя-тремя
поисковыми машинами (типа Alta Vista, Rambler и т.д.).

Тема «Информационные системы и базы данных»

Учащиеся должны знать:
• разновидности классических
информационных систем и их функциональное назначение;
• детальную организацию
одной-двух из таких систем (ГИС, АСУ и т.п.);
• разновидности баз данных,
принципы организации реляционных баз данных;
• функции системы управления
базами данных;
• что такое нормализация
данных;
• стратегию и методику
создания однотабличных и многотабличных баз данных.
Учащиеся должны уметь:
• работать с одной из
современных реляционных СУБД (скорее всего, Access).

Тема «Информационные модели
планирования и управления»

Учащиеся должны знать:
• что такое случайная
величина;
• что такое закон
распределения случайной величины;
• что характеризуют среднее
значение и дисперсия случайной величины и как они вычисляются для величин с
«квазинормаль-ным» характером распределения;
• как оценить достоверность
среднего значения случайной величины, найденную по выборке;
• в чем состоит идея
нахождения эмпирических зависимостей между величинами и как она реализуется (в
принципе) в методе наименьших квадратов;
• что представляет собой
корреляционная зависимость и чем она отличается от функциональной;
• как интерпретировать
значение коэффициента корреляции двух случайных величин;
• что такое экстраполяция;
• как ставятся простейшие
задачи нахождения оптимальных решений в сфере экономического планирования.
Учащиеся должны уметь:
• практически пользоваться
функциями и программами пакета Microsoft Excel для проведения простейших вычислений для решения указанных
выше задач.

16.3. Тематическое планирование курса

Основная
часть курса
1. Введение в информатику
1.1. Информация как
общественный ресурс.
1.2. Структура современной
информатики.
1.3. Научные и философские
аспекты понятия «информация».
1.4. Прошлое, настоящее и
будущее компьютерной техники и технологий.
2. Систематизация информации
2.1. Введение в системологию.
2.2. Информационные модели на
графах.
2.3. Табличные информационные
модели.
2.4. Иерархические и сетевые
информационные модели.
3. Информационные ресурсы
компьютерных сетей
3.1. Типы и архитектура
компьютерных сетей.
3.2. Информационные услуги
глобальных компьютерных сетей.
3.3. World Wide Web — распределенная информационная система в Интернет.
3.4. Методики поиска
информации в WWW.
4. Информационные системы и
базы данных
4.1. Понятие информационной
системы (ИС); типы и структуры ИС.
4.2. Базы данных: типы,
структуры; СУБД.
4.3. Реляционная модель
данных; проектирование РБД.
4.4. Методика создания
однотабличных и многотабличных
БД в СУБД Access.
5. Информационные модели
планирования и управления
5.1. Статистическая обработка
данных и деловая графика.
5.2. Решение задач
прогнозирования методами экстраполяции.
5.3. Поиск оптимальных
решений.

Дополнительная
часть курса (для углубленного изучения)
Дополнение к главе 1.
1.5. Информатика и науки о
языке. Формальная грамматика. Логико-лингвистические информационные модели.
Компьютерная лингвистика. Машинный перевод.
1.6. Информационное общество:
социологические и экономические аспекты.
Дополнение к главе 2.
2.5. Формы представления
знаний в системах искусственного интеллекта.
2.6. Экспертные системы.
Дополнение к главе 3.
3.5. Интернет — новые
проблемы перед человеческим сообществом.
3.6. Элементы технологии
создания Web-страниц.
Дополнение к главе 4.
4.5. Создание макросов для
обработки данных в БД.

Комментарий
В курсе присутствуют два
плана: теоретического содержания и практической работы. Они идут параллельно.
Вся практическая часть связана с использованием информационных технологий.
Поскольку начальные представления и навыки работы с информационными
технологиями учащиеся имеют из базового курса, то, во-первых, их надо
восстановить, во-вторых, — развить.
Текстовый редактор Word активно используется в практической части к главам 1,2. При этом
учащиеся освоят новые возможности Word, которые
обычно в базовом курсе не затрагиваются: работа с таблицами, графические
возможности. Можно внедрять объекты, построенные в графическом редакторе (например,
Paint). Главное, чтобы работа с Word имела содержательный смысл.
Глава 3 имеет более
выраженный технологический смысл. В базовом курсе тема компьютерных сетей
изучается поверхностно. В этом плане есть что дополнительно сообщить и об
аппаратном, и о программном обеспечении, и о структуре информационного
наполнения. Ведущим элементом программы здесь будет сбор информации в Интернет
по различным темам гуманитарного содержания. Полученный материал будет
представлен в виде презентационного ролика на PowerPoint, который учащиеся освоят на практических занятиях. Выделение
темы «Информационные ресурсы компьютерных сетей» актуально и «гуманитарно».
В главе 4 рассмотрены
классические информационные системы, включая наиболее современную из них —
геоинформационную систему. Практическое знакомство с информационными системами
можно построить, например, на программах-имитаторах. Тема баз данных очень
обширная и важная для применений в гуманитарной сфере; в базовом курсе
практически не изучаются методы проектирования баз данных, и на это нужно
сделать упор. Для практической работы рекомендованы наборы заданий
гуманитарного содержания на создание баз данных, причем, информацию для их
заполнения можно черпать в Интернет.
Глава 5 знакомит учащихся с
основами применения компьютеров для решения простейших задач статистической
обработки данных, имеющих общекультурное значение, оптимизации и планирования.
При этом ни о каком «программировании» речь не идет, работа должна вестись на
доступном (пользовательском) уровне.
Примерный расчет
времени прохождения курса (основной части)
Таблица 16.1

Тема

Часы на
изучение

1 . Введение в информатику

6

2. Систематизация информации

10

3. Информационные ресурсы компьютерных сетей

16

4. Информационные системы и базы данных

18

5. Информационные модели планирования и
  управления

18

ИТОГО

68

16.4. Курсы, опирающиеся на изучение
баз данных

В основу курсов, рассчитанных
на гуманитарную школу, может быть положено изучение баз данных. Подобный опыт
реализован несколькими группами авторов. Опишем два варианта.
Т.Б.Захаровой [3] разработан
курс «Использование баз данных». Он также рассчитан на гуманитарную школу.
Основное внимание в курсе уделено двум проблемам — Интернет и базы данных.
Согласно автору, «курс «Использование баз данных» для учащихся профильных
классов гуманитарного направления рассматривается как прикладной,
«пользовательский» и рассчитан на учеников, имеющих базовую подготовку по
информатике». Как отмечает автор, тематическое планирование является достаточно
условным и может варьироваться в зависимости от конкретных условий, в которых
происходит обучение.
1. Введение
1.1. Информатизация общества
как неизбежный результат его развития. Социальные последствия информатизации.
1.2. Информация и данные.
1.3. Понятие информационной
системы. База данных как основной компонент информационной системы.
1.4. Роль и место
информационных систем в деятельности специалистов гуманитарного профиля.
2. Знакомство с готовыми
базами данных
2.1. Использование
специалистами гуманитарного профиля
уже существующих баз данных,
хранящихся на гибких, жестких и CD-ROM дисках.
2.1.1. Содержание конкретной
базы данных и ее назначение. Запрос к базе данных.
2.1.2. Основные операции
надданными (поиск, сортировка и пр.).
2.1.3. Технологическая
цепочка решения практической задачи.
2.1.4. Обзор некоторых
существующих баз данных.
2.2. Работа с базами данных,
хранящимися на сервере локальной сети.
2.2.1. Удаленные базы данных
и локальные сети.
2.2.2. Модель клиент/сервер.
2.2.3. Решение задач с
использованием базы данных, хранимой на сервере локальной сети.
2.3. Доступ к информационным
ресурсов Интернет.
2.3.1. Глобальные сети.
2.3.2. Возможности ресурсам
Интернет.
2.3.3. Электронная почта.
2.3.4. Телеконференции в
Интернет.
2.3.5. Различные
информационные службы Интернет.
2.3.6. Поисковые системы в
Интернет.
2.3.7. Решение информационных
задач с применением баз данных, используемых в Интернет.
3. Проектирование и
поддержание базы данных.
3.1. Модели данных
(иерархическая, реляционная, сетевая). Реляционная модель данных.
3.2. База данных и система
управления базой данных (СУБД).
3.3. Структура базы данных.
Описание структуры базы данных.
3.4. Заполнение и
редактирование базы данных.
3.5. Модификация структуры
базы данных.
3.6. Реализация простейших
запросов к базе данных в интерактивном режиме (поиск по ключу, сортировка,
простейшая статистическая обработка).
3.7. Основные стандартные
функции (арифметические, строковые, обработки даты и др.).
3.8. Генератор отчетов СУБД.
3.9. Программный режим
обработки запросов.
3.10. Использование СУБД при
решении задач.
4. Самостоятельное выполнение
учебно-исследовательских проектов.
5. Обобщающее заключение.
Автором курса сформулированы
приведенные ниже требования к знаниям и умениям учащихся.

Тема «Введение»

Учащиеся должны:
• иметь представление о роли
информатизации в развитии общества;
• знать сущность понятий
«информация» и «данные»; иметь представление о назначении информационных
систем;
• знать определение базы
данных;
• понимать роль
информационных систем в повышении эффективности деятельности специалистов
гуманитарного профиля.

Тема «Знакомство с готовыми базами данных»

Учащиеся должны:
• уметь запустить
информационную систему;
• уметь определять, какие
данные отражены в базе;
• уметь оценить основные
функциональные возможности информационной системы;
• уметь формулировать
простейшие запросы по одному-двум признакам;
• уметь обращаться с
запросами к базе данных (осуществлять Поиск, сортировку данных);
• иметь представление о
способах сохранения полученных данных (в виде файла или жесткой копии);
• уметь осуществлять выбор
нужной базы данных для решения конкретной задачи;
• познакомиться с перечнем
существующих баз данных;
• знать особенности
программы-клиент и программы-сервер;
• уметь выполнять операции
обращения к базе данных, хранящейся на сервере локальной сети;
• иметь представление о роли
Интернет в решении информационных задач;
• уметь составить и отправить
письмо, используя электронную почту;
• уметь работать с приходящей
электронной почтой;
• уметь сохранять письма в
файле;
• уметь ответить на пришедшее
письмо;
• иметь представление об
иерархии конференций в Интернет;
• уметь заказать статью по
интересующей тематике;
• иметь представление о
различных информационных службах в Интернет:
• знать особенности некоторых
поисковых систем в Интернет;
• уметь осуществлять поиск по
ключевым словам;
• уметь осуществлять поиск,
основанный на понятиях;
• уметь решать простейшие
информационные задачи с применением баз данных, используемых в Интернет.

Тема «Проектирование и поддержание базы данных»

По окончании изучения
данной темы учащиеся должны:
• иметь представление об
иерархической и сетевой моделях данных;
• знать определение
реляционной модели данных, понятие «поле», «запись», «файл»;
• знать определение СУБД,
назначение СУБД;
• иметь представление о
функциональном наполнении СУБД;
• знать сущность понятия
«структуры данных»;
• уметь определять структуру
базы данных в соответствии с поставленными информационными задачами;
• уметь описывать структуру
базы данных в среде СУБД, просматривать ее;
• уметь выполнять основные
операции по поддержке базы данных (заполнять, редактировать, удалять записи и
пр.);
• иметь представление о
возможностях СУБД по редактированию структуры базы данных;
• знать интерактивные
возможности СУБД по обработке простейших запросов;
• уметь задавать простейшие
условия поиска;
• уметь сортировать данные и
использовать основные функции групповой обработки полей (поиск суммы, среднего
значения и т.д.);
• иметь представление о
возможностях генератора отчетов;
• иметь представление о
программном режиме обработки данных;
• уметь решать простейшие
информационные задачи с использованием СУБД.

Тема «Самостоятельное выполнение
учебно-исследовательских проектов»

По окончании изучения данной
темы учащиеся должны выполнить простейшие учебно-исследовательские проекты,
выполняемые специалистами гуманитарного профиля.
Другой курс, также
практически целиком посвященный базам данных, разработан А.В.Горячевым и
Ю.А.Шафриным. Ниже — его тематическое планирование.
Курс «Введение
в базы данных и СУБД»
(на основе
пособий А. В. Горячева и Ю.А.Шафрина)

1. Введение в базы данных
1.1. Базы данных.
1.2. Текстовые документы и
базы данных.
1.3. Объекты, атрибуты и
связи.
1.3.1. Основные определения.
1.3.2. Как составлять наборы
объектов.
1.3.3. Как структурировать
данные.
1.3.4. Как устанавливать
связи.
1.4. Простая двумерная
структура.
1.5. Основные типы данных.
1.6. Опыт проектирования
таблиц — шахматная база данных.
1.7. Иерархическая структура.
1.8. Что такое реляционный подход.
1.9. Кодирование информации.
1.10. Первичный ключ таблицы.
1.11. Проблемы реляционного
подхода.
1.11.1. Что такое
нормализация.
1.11.2. Повторяющиеся группы.
1.11.3. Достоверность
информации.
1.12. Связь таблиц: главная и
подчиненная таблицы.
1.13. Основы
автоматизированного поиска и отбора информации.
1.13.1. Постановка задачи.
1.13.2. Алгебра логики.
1.13.3. Просмотр информации и
индексы.
1.14. Локальные сети ПК.
1.15. Что такое технология
«клиент-сервер».
1.16. Краткий рассказ о
некоторых СУБД.
1.17. Краткий рассказ о
некоторых ИС.
2. СУБД MS ACCESS
2.1. Общие сведения об
М£ Access.
2.1.1. Что такое Microsoft Access 2.0.
2.1.2. Принципиальная схема
работы с MS Access.
2.1.3. Основные понятия MS Access.
2.1.4. Как создавать объекты
в MS Access.
2.2. Работа с таблицами в MS Access.
2.2.1. Создание и модификация
макета таблицы.
2.2.2. Работа с таблицей.
2.2.3. Форма.
2.2.4. Таблица и форма.
2.3. Связь между таблицами и
целостность данных.
2.3.1. Общие положения.
2.3.2. Техника создания
связей между таблицами.
2.4. Запрос-выборка в MS Access.
2.4.1. Что такое запрос.
2.4.2. Как создать
запрос-выборку.
2.4.3. Запрос с параметрами.
2.5. Отчеты.
Итоговое задание по
реляционным БД. Продолжительность такого курса — от 34 до 68 часов.

Вопросы для самоконтроля и обсуждения к главе 16

1. Какие задачи решает курс
информатики гуманитарной ориентации?
2. Как излагать учащимся
вопросы о месте информатики в системе наук?
3. Что входит в сферу
«гуманитарные знания»? Есть ли разные точки зрения на эту тему?
4. Какие дополнительные
сведения о сущности понятия «информация» уместны в курсе информатики для
гуманитарной школы?
5. Как увязать в таком курсе
понятия «информатика» и «лингвистика»?
6. Как увязать в таком курсе
понятия «информатика» и «социология»?
7. Какие практические навыки
должны доминировать при изучении информатики в гуманитарной школе?
8. Какие темы повышенной
трудности возможны для дополнительного изучения в курсе информатики,
ориентированном на гуманитарную школу?
9. Какие аспекты
информационного моделирования наиболее уместны в курсе информатики,
ориентированном на гуманитарную школу?
10. Какие аспекты работы с
информационными сетями в обсуждаемых курсах представляются первостепенными?
какие — дополнительными в силу повышенной трудности восприятия?
11. Какие практические навыки
работы с Интернет следует развивать у учащихся в первую очередь?
12. Есть ли смысл включать в
курс информатики гуманитарной ориентации вопросы функционирования классических
информационных систем (и каких в первую очередь)? Как увязать некоторые из этих
систем с разделами гуманитарного знания?
13. Какие аспекты строения и
функционирования баз данных включаются в различные варианты базового курса
информатики? Какие из них следует в первую очередь углубить и усилить в
профильном курсе гуманитарной ориентации?
14. Как обосновать перед
учащимися преимущественное использование на практике реляционных моделей данных
и реляционных баз данных?
15. В чем смысл включения в
курс информатики, ориентированный на гуманитарную школу, вопросов, требующих
привлечения математических знаний? Противостоит ли математика гуманитарным
знаниям?
16. На каком уровне
пользования математикой целесообразно изучать разделы, связанные с
экономическим планированием и оптимизацией, в курсе информатики гуманитарной
направленности?
16.5. Лабораторный практикум

Тема «Профильные курсы информатики
гуманитарной направленности»

Занятия 1 — 3
Тема «Изучение теоретических оснований и
приложений информатики в филологии и обществознании»
Дидактические цели: поисковые, исследовательские.
Способ организации: практикум.
Технологии и методы
обучения: работа с
книгой, поисковые Упражнения, структуризация информации, учебная дискуссия.
Средства обучения: учебно-методическая литература [1 — 34],
программные средства [1 — 6].
Предварительная подготовка
студентов: выбрать тему
урока сообщения и систематизации и изучить фактический материал.

Теоретические
сведения
Основные понятия: информация, язык, система, знание,
классификация, управление, искусственный интеллект.
Содержательно-методический
анализ
Информатика как наука изучает
все аспекты информации, а становление человека как личности начинается с
восприятия (отражения) информации об окружающем мире посредством органов
чувств. Осмысление этого отражения формирует сознание, а постижение сознанием
действительности и проверенный практикой результат познания формируют знание.
Затем на основе принципов, взглядов и убеждений, епределяющих отношение к
действительности, строится образ мира, в котором человек живет, т. е.
складывается мировоззрение. Чувственная информация является основой, на которой
формируется сознание, знание и мировоззрение.
В содержательном компоненте
профильного курса информатики гуманитарной направленности наряду с
общеобразовательной частью следует выделить два аспекта:
• системно-информационная
картина мира, общие информационные закономерности строения и функционирования
самоуправляемых систем;
• методы и средства
получения, обработки, передачи, хранения и использования информации, решения
задач с помощью компьютера и средств информационных технологий.

Дидактические
материалы
I. Варианты заданий
Задание 1. Разработать
конспект урока-сообщения и систематизации в соответствии со схемой,
предложенной в подразделе 14.6, занятие 1, задание 1. Следует учитывать
специфику урока-сообщения и систематизации и отразить в конспекте методические
особенности решения основной дидактической задачи урока: выявления и оценки
уровня овладения учащимися теоретическими знаниями, умениями, навыками и
методами познавательной деятельности по вопросам, имеющим решающее значение для
освоения профильного курса информатики в целом.
Тематика уроков-сообщений
и систематизации
а) Урок-семинар
№ 1. Информатика как синтез
науки и технологий.
№ 2. Информационное общество.
№ 3. Сущность понятия
«информация».
№ 4. Геоинформационные
системы.
б) Урок-проблемная дискуссия
№ 5. Различные подходы к
классификации наук и место информатики в системе наук.
jsfo 6. Социальные аспекты информатики.
jsjb 7. Языковые аспекты информатики.
№ 8. Перепланировка бизнеса и
информационные технологии.
в) Урок творческих задач
№ 9. Экспертные системы.
№ Ю. Телеконференции в
Интернет.
№ П. Информационные
технологии математической обработки данных в социологических исследования.
№ 12. Информационные
технологии математической обработки данных в сфере планирования и управления.

Задание 2. Разработать
конспект урока контроля и коррекции знаний, умений и навыков по заданной теме в
соответствии с подразделом 14.6, занятие 1, задание 1. Следует учитывать
специфику урока контроля и коррекции знаний, поэтому в конспекте нужно описать
основные этапы: объяснение задания учителем и ответы учащихся на вопросы;
выполнение учащимися заданий и сдача отчета.
Тематика уроков контроля и
коррекции
№ 1. Систематизация и
структурирование информации.
№ 2. Метаописания языка
программирования Паскаль.
№ 3. Проектирование
реляционной базы данных.
№ 4. Создание макросов для
обработки данных в БД.
№ 5. Работа с СУБД в режиме
«генератора отчетов».
№ 6. Работа с удаленными
базами данных в Интернет.
№ 7. Электронная почта.
№ 8. Поиск информации в
Интернет.
№ 9. Исследование
корреляционной зависимости между величинами с помощью табличных процессоров.
№ 10. Решение задач
прогнозирования методами экстраполяции.
№ 11. Работа с системой
АСУ-ВУЗ (или ее элементами).
№ 12. Работа с простейшей
геоинформационной системой.
II. Структуризация учебной информации
Задание 1. Сформулировать
требования к теоретическим знаниям учащихся и составить толковый словарь
терминов, характеризующих элементы системы основных понятий обучения заданной
темы урока обобщения и систематизации.
Задание 2. Установить
взаимосвязи внутри сконструированной системы понятий заданной темы урока
обобщения и систематизации знаний и внешние связи этой системы с понятиями
Других предметных областей.
Задание 3. По теме
конкретного урока контроля и коррекции:
• сформулировать критерии
оценки состояния обученности;
• спрогнозировать результаты
диагностики состояния обученности;
• разработать стратегический
план действий, направленных на устранение типичных ошибок учащихся.

Методические
рекомендации
Для проведения первого
занятия практикума рекомендуется разделить студентов на три подгруппы в
соответствии с типологией уроков сообщения и систематизации: урок-семинар,
урок-проблемная дискуссия и урок творческих задач. Второе занятие можно
посвятить разработке конспектов уроков контроля и коррекции знаний, причем
каждый студент должен выбрать такой вариант задания, чтобы тематика
выполненного им конспекта урока систематизации и обобщения не пересекалась с
тематикой урока контроля и коррекции знаний. Целью третьего занятия практикума
является формирование методических приемов обобщения и структуризации учебной
информации. В этой связи студентам предлагаются задания 2, 3 (п. II Структуризация учебной информации). Результаты выполнения задания
студенты оформляют в виде отчета.

Программные
средства
1. Система программирования: Turbo Pascal.
2. Табличные процессоры: MS Excel, Quattro Pro 4.0 и др.
3. Системы управления базами
данных: MS Access, FoxPro и др.
4. Интегрированные системы: Works 4.0, Microsoft Office.
5. Телекоммуникации: Internet, World Wide Web, Internet
Explorer, e-mail, Netscape Communications и др.
6. Прикладные системы
различного назначения: экспертные системы, система АСУ-ВУЗ (или ее элементы),
простейшая геоинформационная система.

Литература к главе 16

Основная
литература
1. Глинский Б. А. Философские
и социальные аспекты информатики. — М.: Наука, 1990.
2. Гриценко В. И., Паныиин
Б.Н. Информационная технология: вопросы развития и применения. — Клев:
Наук, думка, 1988.
3. Захарова Т.Е. Профильная
дифференциация обучения информатике на старшей ступени школы. — М.: МЦНТИ,
1997.
4. Интернет: всемирная
компьютерная сеть: Практическое пособие-путеводитель. — М.: Синтез, 1995.
5. Информатика.
Задачник-практикум / Под ред. И.Г.Семакина и Е.К.Хеннера: В 2 т. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
6. Информатика.
Энциклопедический словарь для начинающих / Под оед Д.А. Поспелова. —
М.: Педагогика-Пресс, 1994.
7. Информационная революция:
наука, экономика, технология (Серия «Информация. Наука. Общество»). — М.:
ИНИОН, 1993.
8. Могилев А. В., Пак Н.
И., Хеннер Е. К. Информатика: Учеб. пособие / Под ред. Е.К.Хеннера. — М.:
Академия, 1999.
9. Острейковский В.А. Информатика:
Учеб. для вузов. — М.: Высш. шк.,
1999.
10. Приобретение знаний: Пер.
с япон. / Под ред. С. Осуги, Ю. Саэки. —
М.: Мир, 1990.
11. Ракитов А И. Философия
компьютерной революции. — М.: ИПЛ, 1991.
12. Социальная информатика
(социологические аспекты). — М.: МГСУ «Союз», 1999.
Дополнительная
литература
13. Авдеев Р. Ф. Философия
информационной цивилизации. — М.: ВЛА-ДОС, 1994.
14. Абрамов Ю. Ф. Картина
мира и информация (философские очерки). - Иркутск: ИГУ, 1988.
15. Айламазян А. К., Стась
Е. В. Информатика и теория развития. — М.:
Наука, 1992.
16. Ансофф И. Стратегическое
управление. — М.: Экономика, 1989.
17. Ахундов М.Д. Эволюция
и смена научных картин мира // Философия, естествознание, социальное развитие.
— М.: Наука, 1989.
18. Гварин Р. Конец
нового времени // Вопросы философии. — 1990. — № 4.
19. Голицын Г.А., Петров
В.М. Информация, поведение, творчество. — М.: Наука, 1991.
20. Гриценко В.И., Паныиин
Б.Н. Информационная технология: вопросы развития и применения. — Киев:
Наук, думка, 1988.
21. Громов Г. Р. Национальные
информационные ресурсы. Проблемы промышленной эксплуатации. — М.: Наука, 1985.
22. Информатизация общества и
бизнес. — М.: ИНИОН, 1992.
23. Информатика в
гуманитарных классах (6—11 кл.) // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое
сентября». — 1997. — № 24.
24. Информатика.
Задачник-практикум / Под ред. И.Г.Семакина и Е.К.Хеннера: В 2 т. — М.:
Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
25. Информатика и культура. —
М. Наука, 1990.
26. Новик И. Б., Абдулове
Ф.Ш. Введение в информационный мир. — М.: Наука, 1991.
27. Ойхман Е.Г., Попов
Э.В. Реинжиниринг бизнеса: Реинжиниринг организации и информационные
технологии. — М.: Финансы и статистика, 1997.
28. Правовая информатика и
управление в сфере предпринимательства: Учеб. пособие. — М.: Юристь.
29. Становление информатики
// Кибернетика: Сб. статей. — М.: На-Ука, 1986.
30. Статические и
динамические экспертные системы: Учеб. пособие/ Э.В.Попов, И.Б.Фоминых,
Е.Б.Кисель, М.Д.Шапот. — М.: Финансы ц статистика, 1996.
31. Суханов А. П. Информация
и прогресс. — Новосибирск: Наука 1988.
32. Урсул А. Д. Информатизация
общества. Введение в социальную информатику. — М.: АОН, 1990.
33. Филинкова Е.В. Гуманитарная
информатика (1 — 11 кл.) // ИНФО. — 1996.-№ 1.
34. Шрейдер Ю,А. Равенство,
сходство, порядок. — М., 1971.
Глава 17
ПРОФИЛЬНЫЕ КУРСЫ ИНФОРМАТИКИ,
ОРИЕНТИРОВАННЫЕ НА ИНФОРМАЦИОННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ

Курсы, ориентированные на
информационные технологии, обычно включают в себя две части:
• инвариантную, связанную с
описанием принципов данной технологии;
• программно-зависимую,
связанную с конкретной реализацией технологии в одной из современных популярных
компьютерных программ.
Наличие второй части, обычно
доминирующей по объему, определяет возможность реализации нескольких различных
по содержанию курсов, ориентированных на одну и ту же информационную
технологию. Например, курс, ориентированный на использование графического
редактора PaintBrush, будет существенно иным, чем курс, в
основу которого положен графический редактор CorelDraw.
В настоящее время в
отечественной школе апробирован ряд учебных пособий по информационным технологиям.
Наиболее распространенными являются, по-видимому, книги двух авторских
коллективов, возглавляемых соответственно Ю.А.Шафриным и Н. В. Макаровой. В них
детально описаны такие разделы информационных технологий, как «Обработка
текстов», «Обработка графических изображений», «Электронные таблицы»,
«Использование баз данных», «Компьютерные телекоммуникации» и др. Ниже мы
ссылаемся на эти разработки, хотя оба авторских коллектива скорее всего не
рассматривают их как реализацию профильных курсов, следующих за базовым курсом
информатики, а считают альтернативой существующему курсу информатики в целом (с
чем авторы данного пособия решительно не согласны). Как пишет Ю. А. Шафрин в
предисловии к одному из своих учебников, «нельзя сопоставлять наше пособие ни с
одним из уже изданных учебников по информатике. Не потому, что наша книга лучше
или хуже, а просто потому, что она посвящена другому предмету». Отметим, тем не
менее, что указанные книги можно успешно использовать и как пособия по
профильно-ориентированным продолжениям базового курса информатики.
Ниже описано содержание
некоторых «технологических» курсов, приведены методические рекомендации по их
изучению. Следует учитывать, что в школе, ориентирующейся на углубленное
изучение информационных технологий, обычно не ограничиваются одной из них, а
выстраивают последовательное изучение двух-трех: например, обработка текстов и
телекоммуникации, обработка текстовой информации и компьютерная графика и т. п.
Планирование целостного курса такого рода — в руках учителя.
Ниже мы не приводим жесткого
временного планирования обсуждаемых курсов, а ограничиваемся указанием верхней
и нижней границ. Дело в том, что оценка трудоемкости «технологических» курсов
неоднозначна. Значительное место в них занимает выработка практических навыков;
ясно, что одно дело — ознакомление (например, с технологиями обработки
текстов), другое — выработка и закрепление практических навыков, доведение их
почти до автоматизма. Определенное значение имеет также наличие или отсутствие
у учащихся навыков беглой работы с клавиатурой. Реальную длительность курса
определит учитель с учетом поставленных задач и указанных выше обстоятельств.

17.1. Методика обучения обработке
текстовой информации

Нет нужды говорить о важности
компьютерной обработки текстов. В любом школьном курсе информатики этот раздел
непременно присутствует. Вместе с тем в базовом курсе изучение этого вопроса
ограничивается краткими теоретическими сведениями о принципах хранения и
обработки текстовой информации и приобретением начальных навыков работы с
текстовым редактором.
В профильном курсе
технологической направленности речь Может идти о приобретении профессиональных
навыков машинной обработки текстов, вплоть до введения в издательские системы.
Далее обсудим некоторые темы,
присущие таким курсам, и Приведем варианты их планирования.

Тема
«Обработка текстовой информации в MS-DOS»

Несмотря на доминирование в
обработке текстовой информации современных текстовых процессов уровня Word и издательских систем, умение создавать и обрабатывать простые
текстовые файлы с традиционным расширением .txt остается актуальным. Доказать это учащимся, многие из которых
бегло работают в Word, можно, продемонстрировав, например,
инструкции по представлению некоторых документов,» в которых это жестко требуется.
Вместе с тем эта тема не должна занимать значительного места в курсе.
Начинают рассказ об
особенностях такого уровня обработки текстовой информации с напоминания о
формате текстовых файлов. Существенно донести до учащихся, что информация в
таких файлах представлена лишь символами кодовой таблицы и немногими
управляющими символами. Это приводит, с одной стороны, к простоте и
универсальности представления текстовой информации и сравнительно малому объему
текстовых файлов, а с другой — к отсутствию привычных (например, в Word) выразительных возможностей.
Редактирование текстовых
файлов целесообразно излагать подразумевая использование редактора MS-DOS Editor или редактора Norton Editor, встроенного в оболочку Norton Commander.
Покажите как набирать и сохранять текст, как осуществлять элементарные операции
редактирования, операции с фрагментами текста, контекстный поиск и замену,
вывод текста на принтер.

Тема «Текстовый процессор Word, основные
функции»

Начать изучение данной темы
целесообразно с рассказа о том, что представляет собой обработка текстовой
информации, предназначенной как для личных, так и для деловых целей. Учащиеся,
как правило, не представляют себе всего многообразия задач в этой сфере; в
итоге лекции должно быть сформировано представление о том, что эта деятельность
весьма многопланова и непроста.
Следует также ввести (или
напомнить) основную терминологию, связанную с текстами: символ, слово,
строка, предложение, абзац, шрифт, кегль, интерлиньяж, колонтитул и т.д.
Полезна общая характеристика
текстового процессора Word, к
элементам которой учащиеся будут неоднократно возвращаться в ходе изучения.
Кроме того, необходимо напомнить, что Word, работая
в среде Windows, позволяет совершать обмен данными между Windows-приложениями. Для многих учащихся будет
неожиданной информация о том, что Word позволяет
набирать сложные математические выражения и химические формулы, строить рисунки.
Наконец, современный Word — полноценная издательская система; о
назначении этого класса программ также целесообразно рассказать на лекции.
Далее переходят к описанию
основных функций Word. С этого момента существенно
определиться, на какую версию программы вы опираетесь. Разумеется, желательна
наиболее современная и в То же время широко распространенная из
версий; в настоящее время это скорее всего Word 97. Конечно, подавляющая часть материала этого спецкурса
инвариантна относительно того, используется ли на практических занятиях Word 97 или, скажем, Word 7.0, но интерфейс этих программ несколько
отличается.
Изучение основных функций Word включает следующие вопросы:
• запуск программы и выход из
нее;
• загрузка документа в файл и
сохранение его в файле;
• многооконность и переход в
другие окна;
• функции горизонтального
меню (общий обзор);
• панель инструментов и
назначение наиболее часто используемых инструментов стандартной панели и панели
форматирования;
• режимы отображения
документа на экране, задание масштаба;
• ввод текста.

Тема «Редактирование документов в Word»

Перечислите те операции,
которые необходимо освоить для овладения навыками редактирования документов:
• перемещение по тексту с
помощью клавиатуры, перемещение на абзац, перемещение путем установки
текстового курсора в нужное положение мышью, с помощью команды меню правка/
перейти;
• выделение элементов текста
(отдельных слов, предложений, группы строк, абзаца, всего текста);
• удаление элементов
документа;
• перемещение фрагментов
документа;
• копирование фрагментов
документа;
• поиск и замена фрагментов
документа;
• форматирование предложений
и абзацев.
Для того чтобы учащиеся не
испытывали проблем с неизбежной порчей документа в процессе изучения указанных
выше one-Раций, следует приготовить заранее текст
на диске и в процессе Р^нировки либо не сохранять исправленный текст, либо
сохранять его под другим именем.
Далее занимаются освоением
форматирования символов, продольных групп символов и абзацев.
Сделайте замечание общего
характера: и эти, и многие другие операции в Word можно выполнять не одним способом. Однако опыт показывает, что
пусть лучше учащиеся освоят один из способов (до появления устойчивых навыков),
а лишь потом берутся за другие.
Некоторые действия в Word, в том числе и по форматированию, вообще
лучше отложить при первом изучении. Концентрическое изучение такой сложной
программы способствует как скорейшему появлению минимально необходимого набора
практических навыков, так и в случае нехватки времени на более полное изучение
позволяет вовсе исключить необязательный материал. К примеру, при изучении
форматирования такие действия, как копирование формата, обрамление и заполнение
абзаца, создание списка-перечисления абзацев и ряд других, лучше отнести на
второй концентр обучения либо на самостоятельное изучение. После того как
учащиеся освоят минимально необходимый для создания документа набор действий и
поймут саму логику организации программы, остальные действия осваивается
гораздо легче.
Освоив форматирование,
занимаются оформлением страниц документа. Осваивают следующие операции:
разметка страницы, вставка номеров, вставка разрывов. Вставку сносок и
колонтитулов при первом подходе можно опустить.
Для проведения уроков по
редактированию удобно предварительно, до урока, создать на диске несколько
текстов в произвольном формате и заготовить несколько шаблонов — образцов
форматов, под которые учащиеся должны самостоятельно подвести эти тексты.

Тема «Вставка таблиц»

На первом этапе изучения
достаточно освоить один из способов создания таблиц — например, с помощью меню таблица/
добавить таблицу (Word 97).

Тема «Рисунки в Word — вставка и
создание»

В Word возможна как вставка в документ готовых рисунков, хранящихся в
специальных библиотеках, так и создание собственных рисунков с помощью
специального набора инструментов. При первом подходе к изучению Word рекомендуют ограничиться готовыми рисунками. Кроме того, возможна
вставка рисунков, созданных другими программами — графическими редакторами.

Тема «Дополнительные возможности Word»

Word располагает многими дополнительными возможностями-Их целесообразно
отнести ко второму концентру изучения. Среди них надо отметить, в первую
очередь, следующие:
• проверку правописания;
• организацию переноса слов;
• создание рисунков с помощью
встроенных инструментов;
• вставку специальных
символов;
• вставку математических
формул.
Указанные возможности не
исчерпывают всего того, что может Word, однако
стремление изучить «все» вряд ли целесообразно. Даже опытные пользователи порой
открывают в этой программе новые возможности и осваивают их по мере
необходимости.

Тема «Элементы издательского дела
с использованием Word»

Эта тема вовсе не является
обязательной для школьного спецкурса по информатике. Ее изучение может быть
оправдано скорее всего в рамках дополнительного спецкурса, преследующего цели
предпрофессиональной подготовки по издательскому делу. За деталями содержания
такого курса, опирающегося как на Word, так
и на PageMaker, отсылаем к пособию под ред.
Н.В.Макаровой.

17.2. Требования к знаниям и умениям
учащихся

Тема «Обработка текстовой информации в MS-DOS»

Учащиеся должны знать:
• что представляет собой текстовый
файл в формате .txt;
• о терминологии «текстовый
редактор», «текстовый процессор».
Учащиеся должны уметь:
• создавать файлы формата .txt с помощью простейших текстовых редакторов и осуществлять операции
по обработке текстов.

Тема «Текстовый процессор Word, основные
функции»

Учащиеся должны знать:
• какое место занимает
текстовый процессор Word среди программ обработки текстов;
• общие характеристики
программы;
• смысл обозначений
(текстовые меню, пиктограммы) в стандартном окне Word.
Учащиеся должны уметь:
• запускать программу Word и выходить из нее;
• загружать документ с диска
для обработки в Word и сохранять его на диске, создавать бумажную копию;
• загружать несколько
документов в разные окна;
• вводить простой текст,
разбитый на абзацы, с клавиатуры.

Тема «Редактирование документов в Word»

Учащиеся должны знать:
• в чем заключается
редактирование документа;
• основные операции по
редактированию документа.
Учащиеся должны уметь:
• отредактировать по
предложенному учителем шаблону текст размером в 2—3 страницы.

Тема «Вставка таблиц»

Учащиеся должны уметь:
• создать таблицу, содержащую
заданное число строк и столбцов;
• перемещаться по таблице;
• устанавливать ширину
столбца;
• заполнять таблицу текстом;
• создавать желаемое
обрамление и заливку ячеек таблицы;
• удалять таблицу.

Тема «Рисунки в Word — вставка и
создание»

Учащиеся должны уметь:
• вставлять в текст рисунки
из подкаталога CLIPART\POPULAR с помощью
меню вставка/рисунок',
• вставлять в текст ссылку на файл-рисунок;
• перемещать рисунок по
тексту;
• масштабировать рисунок.

Тема «Дополнительные возможности Word»

Учащиеся должны уметь:
• понимать сообщения
редактора о потенциальных ошибках, появляющиеся при наборе текста;
• запускать процедуру
проверки орфографии участка текста или всего документа;
• устанавливать режим
автоматического переноса текста;
• создавать простые рисунки с
надписями, группировать их элементы;
• вставлять специальные
символы из различных библиотек;
• вставлять в текст
математические формулы (уровня тех, которые есть в школьном курсе математики).

17.3. Тематическое планирование курсов

Курс «Основы
редактирование документов»
(на основе пособий
А.В.Горячева и Ю.А.Шафрина)

1. Текстовые файлы и
текстовые документы
1.1. Текстовые файлы.
1.2. Редактирование текстовых
файлов.
1.2.1. Общее описание MS-DOS Editor.
1.2.2. Основные операции.
1.2.3. Операции с блоками
(фрагментами) текста.
1.2.4. Операции поиска и
замены.
1.2.5. Редактирование
текстовых файлов в Windows 95 (Блокнот).
1.3. Редакторы текстов и
документов.
1.4. Что такое Microsoft Word 7.O.
1.5. Запуск и завершение MS Word.
1.6. Создание, загрузка и
сохранение файлов-документов.
1.7. Окно процессора Word.
1.7.1. Обзор функций
горизонтального меню.
1.7.2. Панели инструментов.
1.7.3. Как документ
отображается на экране.
1.7.4. Настройка экрана MS Word.
1.8. Ввод текста в программе Word.
1.9. Основные элементы
текстового документа.
1.9.1. Символы, слова,
строки, предложения.
1.9.2. Абзац.
1.9.3. Структура страницы.
1.9.4. Структура документа.
1.9.5. Таблицы и рисунки.
1.9.6. Поля.
1.10. Понятие о шаблонах и
стилях оформления.
1.11. Первый урок подготовки
документа в MS Word.
1.12. Как работать с
процессором MS Word.
2. Редактирование текстовых
документов
2.1. Основные операции с
текстом.
2.1.1. Перемещение по набранному
тексту.
2.1.2. Выделение фрагментов
текста.
2.1.3. Удаление, перемещение
и копирование фрагментов документа.
2.1.4. Поиск и замена
фрагментов текста.
2.1.5. Отмена команд.
2.2. Формирование символов и
абзацев.
2.2.1. Общие сведения.
2.2.2. Форматирование
символов.
2.2.3. Форматирование
абзацев.
2.3. Оформление страницы
документа.
2.3.1. Разметка страницы.
2.3.2. Вставка номеров
страниц.
2.3.3. Верхний и нижний
колонтитул.
2.3.4. Вставка сносок.
2.3.5. Разрыв страницы.
2.4. Формирование оглавления.
2.5. Работа с таблицами.
2.5.1. Как создать таблицу.
2.5.2. Операции с таблицами.
2.6. Работа с рисунками.
2.6.1. Вставка рисунков.
2.6.2. Операции с рисунками.
2.7. Грамматика в процессоре MS Word.
2.7.1. Проверка правописания.
2.7.2. Словарь синонимов.
2.7.3. Перенос слов.
2.8. Что еще умеет делать Word.

2.8.1. Автозамена.
2.8.2. Вставка специальных
символов.
2.8.3. Дополнительные
возможности Word.
2.8.4. Издательские
возможности процессора Word.
2.9. Печать документов.
2.10. Основы конвертирования
файлов.
2.11. MS Word как среда
программирования.
2.11.1. Общие сведения о
макросах.
2.11.2. Визуальное создание
макроса.
2.11.3. Команда [Сервис -
Макрос].
Нижняя граница длительности
такого курса, выраженная в естественных для школы единицах, — 34 часа, верхняя
— 68 часов.

Курс
«Издательское дело»
(на основе пособий
под ред. Н.В.Макаровой)

1. Издательское дело в среде
текстового процессора Word
1.1 Введение в настольные
издательские системы.
1.1.1. Аппаратный уровень
поддержки.
1.1.2. Программный уровень
поддержки.
1.1.3. Пользовательский
уровень поддержки.
1.2. Объекты печатного
издания.
1.3. Подготовительная работа.

1.3.1. Параметры страницы.
1.3.2. Установка параметров
страницы.
1.3.3. Автоперенос.
1.4. Основные правила работы.
1.5. Редактирование текстов.
1.6. Форматирование текста.
1.6.1. Понятие
форматирования.
1.6.2. Формат шрифта,
технология форматирования шрифта.
1.6.3. Форматирование
абзацев, технология форматирования абзаца.
1.6.4. Стилевое
форматирование, его технология.
1.7. Оформление заголовков и
подзаголовков.
1.8. Создание колонтитулов.
1.9. Работа с иллюстрациями.
1.9.1. Вставка иллюстраций.
1.9.2. Технология работы с
иллюстрациями.
1.9.3. Изменение размеров
иллюстраций.
1.10. Макетирование страниц.
1.10.1. Понятие
многоколоночной верстки.
1.10.2. Верстка
двухколоночной полосы.
1.10.3. Верстка
трехколоночной полосы.
1.10.4. Буквица.
1.11. Оформление титульного
листа.
1.11.1. Что должно быть на
титульном листе.
1.11.2. Как вставить фигурный
текст.
1.11.3. Как вставить рисунок.
1.12. Подготовка к печати.
2. Знакомство с настольной
издательской системой PageMaker
2.1. Сравнительная
характеристика издательской системы PageMaker и текстового
процессора Word.
2.2. Первые шаги в PageMaker.
2.3. Верстка страниц.
2.3.1. Текстовые блоки.
2.3.2. Работа с
иллюстрациями.
2.3.3. Совместное размещение
графики и текста.

Hижняя граница длительности такого курса — 34 часа.

17.4. Методика обучения обработке
графической информации

Компьютерная графика стала
одним из ведущих направлений в современной информатике. В том или ином виде она
непременно отражена и в школьной информатике.
Когда говорят о школьном
курсе, нацеленном на изучение обработки графической информации, то следует
уточнить, идет ли речь о «пользовательском» курсе, ориентированном на иллюстративную
графику, создаваемую с помощью программ — графических редакторов, или на
«программистскую» графику (например, с помощью модуля Graph Турбо Паскаля). В курсе технологической направленности естественно
взять за основу первый вариант. t
В базовом курсе информатики
изучение этого вопроса ограничивается краткими теоретическими сведениями о
принципах хранения и обработки графической информации и приобретением начальных
навыков работы с графическим редактором.
В профильном курсе
технологической направленности речь может идти о приобретении более
профессиональных навыков создания и редактирования графических объектов
различной природы.
Изучение средств создания
иллюстративной графики является, естественно, программно-зависимым. Однако если
при планировании изучения обработки текстов выбора, по существу, нет (поскольку
Word де-факто стал стандартом), то в отношении графики такого
сказать нельзя.
Более простым будет спецкурс,
основанный на возможностях относительно простого растрового графического
редактора Paint (или очень близкого к нему PaintBrush, фактически начальной версии Paint). Более профессиональные знания можно приобрести, например, в
курсе, опирающемся на ставший в настоящее время чрезвычайно популярным
векторный графический редактор CorelDraw. Учитывая
ограниченные возможности школьного курса, первое решение представляется более
оправданным (если не выяснится, например, что работа с Paint в достаточной мере освоена в базовом курсе).
Ниже ограничимся
методическими рекомендациями по изучению графики с помощью Paint (PaintBrush) и приведем вариант планирования соответствующего курса.
Что же касается CorelDraw, то ограничимся лишь описанием возможного
планирования курса.

Тема «Принципы обработки графической информации»

Данная тема является важной
для освоения принципиальных вопросов, связанных с обработкой графической
информации. Напомните учащимся следующие сведения (знакомые, скорее всего, из
базового курса):
• принципиальную значимость
для человека представления информации не только в символьном, но и в
графическом виде;
• какие существуют
технические средства отображения и обработки графической информации;
• области применения
компьютерной графики;
• принципы кодирования
изображений;
• форматы графических файлов.

Тема «Основы работы с программой Paint»

Начните тему с обсуждения
того, что представляет собой программа Paint. Первые элементы работы с ней — запуск программы и выход из нее.
Затем обсудите конструкцию окна программы, назначение вертикальной и горизонтальной
полос прокрутки, рабочего поля, панели инструментов и палитры цветов.
Поочередно знакомят учащихся с назначением основных инструментов, сопровождая
рассказ либо иллюстрациями на демонстрационном экране, либо рассылкой
изображений по локальной сети учебного класса. То же самое делают в отношении
палитры цветов. Затем переходят к простейшим операциям сохранения и загрузки
изображений.
После этого перейдите к
обзору функций главного меню. Для учащихся, знакомых с организацией меню в Windows-программах, освоение этих функций не
представляет особых проблем. Наиболее специфическим является пункт рисунок (приведите
названия в русифицированной версии редактора Paint). Для освоения манипуляций с фрагментами рисунка надо, прежде
всего, его иметь; учителю наиболее целесообразно заранее приготовить несколько
рисунков (в файлах). На следующем этапе учащиеся легко освоят эти действия
методом проб и ошибок.
Затем осваивают управление
атрибутами изображения с помощью пунктов меню рисунок/атрибуты и палитра
— размеры поля рисунка, цвета изображения и фона и т.д.

Тема «Техника создания изображений»

Наилучший способ освоения
техники создания изображений в такой несложной программе, как Paint — свободный тренинг, на первом этапе ничем не ограниченный, а на
втором — выполнение лабораторных работ по заданиям учителя, предусматривающим
построение усложняющихся изображений с использованием различных возможностей
программы.

Тема «Дополнительные возможности программы Paint»

Разделение возможностей Paint на основные и дополнительные весьма условно. В отличие от текстового
процессора Word, в ротором это выделение может привести к
тому, что дополнительные возможности в школьном спецкурсе не изучаются вообще, Paint вполне может быть освоен полностью.
Работа с текстом, создание
надписей (подписей) к рисункам, включает позиционирование текста и операции над
шрифтами.
Работа с фрагментами
изображения включает вырезание фрагмента, перемещение и копирование, различные
отражения, изменение размеров и т.д. Печать рисунков можно освоить полноценно,
в цвете, лишь имея цветной (струйный или лазерный) принтер. Поскольку эти
устройства есть далеко не во всех школьных кабинетах информатики, да и
печатание учебных рисунков слишком дорогое удовольствие, вполне можно
ограничиться простыми сведениями на эту тему.
Вставка в Paint рисунков из других файлов — полезное занятие, позволяющее обсудить
и понять конвертацию файлов различных форматов.

17.5. Требования к знаниям и умениям
учащихся

Тема «Принципы обработки графической информации»

Учащиеся должны знать:
• о технических средствах представления
графической информации;
• о деловой, иллюстративной,
научной и инженерной графике;
• как кодируются изображения.
Учащиеся должны уметь:
• приводить примеры
реализации деловой, иллюстративной, научной и инженерной графики;
• опознавать форматы наиболее
распространенных растровых и векторных графических файлов.

Тема «Основы работы программы Paint»

Учащиеся должны знать:
• возможности программы Paint.
Учащиеся должны уметь:
• запускать программу и
выходить из нее;
• ориентироваться на рабочем
поле, выбирать инструменты;
• управлять атрибутами
изображения, палитрой цветов.

Тема «Техника создания изображений»

Учащиеся должны уметь:
• выполнять рисунки,
состоящие из отдельных линий, входящих в меню программы;
• работать кистью, менять ее
ширину;
• удалять фрагменты
изображения ластиком;
• рисовать правильные
геометрические фигуры;
• пользоваться распылителем,
создавая струи разного цвета и размера;
• закрашивать замкнутые
области;
• редактировать детали
изображения.

Тема «Дополнительные возможности программы Paint»

Учащиеся должны знать:
• причины, по которым не все
графические файлы напрямую опознаются программой Paint;
• как иногда можно обойти
несовместимость форматов графических файлов.
Учащиеся должны уметь:
• осуществлять операции с
текстами;
• оперировать фрагментами
изображений;
• вставлять в изображение,
выполненное средствами Paint, фрагменты
изображений, созданных иными графическими программами.

17.6. Тематическое планирование курсов

Курс «Основы
обработки графических изображений»
(на основе пособий
А. В. Горячева и Ю.А.Шафрина)

1. Постановка задачи.
2. Что такое Paint.
3. Запуск и завершение Paint.
4. Окно программы Paint.
4.1. Рабочее поле.
4.2. Набор инструментов и
меню инструментов.
4.3. Палитра цветов.
5. Атрибуты изображения.
6. Сохранение и загрузка
изображений.
7. Основы работы с программой
Paint.
8. Техника создания
изображений.
8.1. Общие сведения.
8.2. Кисть и карандаш.
8.3. Ластики.
8.4. Как рисовать
геометрические фигуры.
8.5. Распылитель.
8.6. Заливка.
9. Изменение размеров изображения.
10. Редактирование деталей
изображения. И. Ввод текста.
12. Работа с фрагментами
изображения.
12.1. Фрагменты существующего
рисунка.
12.2. Внешние фрагменты.
13. Как напечатать картинку.
14. Чем отличается PaintBrash от Paint.
Продолжительность такого
курса — не более 34-х часов; возможно освоение материала и в более короткие
сроки.

Курс «Основы
компьютерной графики»
(Л.А.Залогова,
Пермский госуниверситет).

Как уже отмечалось, курсы,
нацеленные на освоение конкретной информационной технологии, часто являются
«программно-зависимыми» от базовой компьютерной программы, на использование
которой они нацелены.
Для иллюстрации этого тезиса
опишем профильный курс компьютерной графики, ориентированный на чрезвычайно
популярный пакет CorelDraw — векторный графический редактор, позволяющий даже
профессиональным художникам создавать весьма сложные иллюстрации.
1. Структура графической
системы.
1.1. Дисплей.
1.2. Видеоадаптер.
1.3. Другие графические
устройства.
2. Методы представления
графических изображений.
2.1. Растровая графика.
2.2. Векторная графика.
3. Первые шаги в CorelDraw.
3.1. Рабочий экран.
3.2. Работа с объектами
(начало).
4. Цвет.
4.1. Системы цветов.
4.2. Цвет в CorelDraw.
4.2.1. Заливка объектов.
4.2.2. Закраска контуров.
5. Работа с объектами в CorelDraw (продолжение).
5.1. Контурные линии.
5.2. Вспомогательные режимы
работы.
5.3. Кривые.
6. Проекции трехмерных
объектов.
6.1. Параллельные и
перспективные проекции.
6.2. Проекции в CorelDraw.
7. Работа с объектами в CorelDraw (продолжение).
7.1. Упорядочение,
объединение, пересечение, подгонка объектов.
7.2. Переход от одного
объекта к другому.
8. Работа с текстом.
9. Работа с файлами.
9.1. Форматы графических
файлов.
9.2. Сохранение и загрузка
изображений в CorelDraw.
9.3. Импорт изображений в CorelDraw.

Продолжительность такого
курса — от 34 часов (на уровне ознакомления и освоения основных возможностей)
до 68 часов (освоение большинства возможностей и приобретение устойчивых
навыков).

17.7. Методика обучения обработке
числовой информации

В настоящее время для
относительно несложной обработки числовой информации практически
безальтернативно используется класс программ «электронные таблицы» (иное
название — «табличные процессоры»). Разумеется, в совершенно элементарных
случаях, когда требуется лишь совершить несколько арифметических действий,
достаточно и таких простейших программ, как входящий в состав Windows Калькулятор, но
особого изучения они не требуют.
Если еще совсем недавно имело
смысл обсуждать, какой из табличных процессоров положить в основу изучения, то
в настоящее время этот выбор (по крайней мере, для школьного курса), по
существу, безальтернативен — программа Excel завоевала огромную популярность и является для владельцев персональных
компьютеров общедоступной.
Ниже выделены и основные темы
данного раздела и кратко сформулированы методические рекомендации по их
изучению.

Тема «Введение в электронные таблицы»

Напоминают учащимся, какой
круг задач чаще всего решают с использованием программ класса «электронные
таблицы». На примере какой-нибудь конкретной экономической задачи
многова-Риантной обработки данных, заранее подготовленной для решения в Excel, удобнее всего пояснить первичное
назначение электронных таблиц.
После этого можно перейти
непосредственно к устройству Excel. Различия
версий Excel не являются помехой в изучении, так как эти различия проявляются
на уровне выше уровня начального изучения. В настоящее время более
целесообразно, по видимому, начинать знакомство с этой программой в версии MS Excel 97.
Объясните учащимся, что
является объектом обработки в Excel, введите
понятия «рабочая книга» и «рабочий лист», иллюстрируя их либо с помощью
демонстрационной аппаратуры, либо локальной сети. При первичном освоении
программы вполне достаточно обходиться одним рабочим листом и отождествлять его
со всем документом.
Затем введите понятие
«ячейка» и поясните адресацию ячеек. Следует освоить простейшие действия —
запуск Excel и выход из нее. Осваивают также загрузку файлов-документов
и их сохранение, а также многооконный вид программы, загрузив в два окна
заранее подготовленные документы.

Тема «Окно программы Excel»

Изучают назначение команд
горизонтального меню и входящих в них подменю. Если учащиеся ранее освоили
работу в Word, то это изучение реализуется гораздо
быстрее из-за совпадения многих функций.
После этого переходят к
панелям инструментов «стандартная» и «форматирование». Особое внимание обратите
на те действия, которые отсутствуют в Word: суммирование,
вызов Мастера функций, вызов Мастера диаграмм. На этом этапе достаточно
в целом обрисовать действие этих мастеров, оставив практическое
овладение ими на потом.
Поскольку Excel нацелен на обработку числовой информации, то в нем можно задать
несколько форматов чисел (с помощью пиктограмм на панели «форматирование»). Поясните
учащимся эти форматы.
Сообщите учащимся, что экран Excel можно настраивать многими различными способами. Покажите примеры
оформления экрана, но освоение соответствующих действий также можно отложить до
того времени, когда учащиеся будут уверенно работать с программой.
Далее следует объяснение
того, как адресовать ячейки Excel. Поясните
различие между относительным адресом и абсолютным адресом и приведите примеры
ситуаций, когда может потребоваться тот или другой. Введите понятие диапазона
ячеек и его адресацию.
После этого можно заняться
объяснением способов ввода данных в ячейку. Объясните, как вводить тексты,
числа и формулы и каким образом Excel
может обрабатывать эти
данные. Учащиеся должны четко уяснить, что истинной обработке подлежат только
формулы, и что расчет по формулам является базовым предназкачением программы.
Поясните режимы отображения формул и форматы представления чисел.

Тема «Подготовка таблицы»

Подготовку таблицы лучше
всего отрабатывать на простых содержательных задачах экономической
направленности. При оформлении этих задач следует сразу же приучать учащихся к
использованию текстовых комментариев, существенно облегчающих восприятие
задачи.
В методических целях
указанные задачи должны быть таковы, чтобы допускать многовариантные расчеты
при изменении значений входящих в них числовых параметров.
Программы класса «Электронные
таблицы» содержат приемы, ускоряющие заполнение таблицы при большом количестве
формул.
Отработав ввод формул (и
входящих в них функций), осваивают прием «копирование формул». Особое внимание
при этом уделяют тому, что изменение адресов, входящих в формулы ячеек
происходит автоматически и сообщают, что его можно блокировать в случае
необходимости.
Полезность автоматической
настройки номеров при копировании формул можно объяснить учащимся на любом
содержательном примере.
В подготовку таблицы входят и
технические элементы: регулирование размера ячеек, форматирование текста,
автоформатирование таблицы, регулирование цвета фона и основного содержимого,
очистка ячеек, вставка и удаление ячеек, строк и столбцов, объединение ячеек и
т.д. Все эти операции должны быть освоены; удобнее всего делать это на заранее
подготовленных (заполненных) таблицах.

Тема «Расчетные операции в Excel»

Во вступлении в тему еще раз
подчеркивают, что расчеты по формулам являются главным действием в работе
электронных таблиц. Приведите полный перечень арифметических операций в Excel и уточните порядок их выполнения (приоритет), возможность изменять
его при помощи скобок.
Подробно рассмотрите математические
функции, в том числе и те, которые отсутствуют в школьной
математике. Разумеется, не Может быть и речи о перечислении сотен функций,
входящих в Excel; надо сделать разумный отбор некоторого
минимума, включающего все знакомое из школьной математики и такие полезные и
понятные функции, как суммирование, нахождение максимума и минимума и т. п.
Следует отработать ввод имени
функции с помощью Мастера функций. Покажите, как с его помощью можно
конструировать вложенные функции.
Вопрос об освоении логических
функций в Excel представляется принципиально важным. Это поможет решать
задачи, в которых расчеты ведутся тем или иным способом в зависимости от
выполнения одного или нескольких условий. В методическом плане это тоже важно,
так как поможет увязать изучение электронных таблиц с решением логических
задач, широко распространенных в приложениях.

Тема «Графические возможности Excel»

Сообщают учащимся, что
изучаемая программа представляет пользователю удобные возможности для
графического сопровождения и визуализации результатов вычислительных действий.
Для лучшей ориентировки можно
напомнить, что в компьютерной графике существует раздел «деловая графика» и
какие виды изобразительных средств она использует. Большинство из них входит в
состав Excel. Освоение Мастера диаграмм является
очень полезным и позволяет значительно «оживить» результаты расчетов.

Тема «Дополнительные возможности Excel»

В любом руководстве по Excel описаны операции, не отраженные выше. Вопрос о целесообразности их
освоения может решить лишь учитель — в зависимости от успешности учащихся в
освоении основного материала, времени, отпущенного на курс.
Возможен и такой вариант:
учитель составляет перечень дополнительных операций и поручает их освоение лишь
учащимся, наиболее успешно овладевших основным материалом.

17.8. Требования к знаниям и умениям
учащихся

Тема «Введение в электронные таблицы»

Учащиеся должны знать:
• назначение программ класса
«электронные таблицы».
Учащиеся должны уметь:
• запустить Excel и выйти из нее;
• загрузить файл — рабочую
книгу Excel — и сохранить его на диске;
• загрузить несколько файлов Excel в разные окна и переходить между ними.

Тема «Окно программы Excel»

Учащиеся должны знать:
• назначение команд
текстового (горизонтального) меню;
• назначение инструментов
панелей «стандартная» и «форматирование»;
• назначение Мастера функций
и Мастера диаграмм;
• возможности настройки
экрана Excel;
• способы адресации ячеек.
Учащиеся должны уметь:
• вводить в ячейки Excel числа (в разных формах), тексты и формулы;
• устанавливать различные
режимы отображения формул.
Тема «Подготовка таблицы»
Учащиеся должны уметь:
• копировать формулы как с
изменением адресов ячеек, так и без него;
• регулировать размеры ячеек;
• форматировать тексты;
• вставлять и удалять строки
и столбцы;
• объединять ячейки.

Тема «Расчетные операции в Excel»

Учащиеся должны знать:
• какие математические
действия может выполнять программа Excel;
• в каком порядке выполняются
эти действия;
• какие наборы математических
функций входят в состав программ Excel;
• как и для чего используется
условная функция в Excel.
Учащиеся должны уметь:
• перекладывать
математические формулы, записанные в обычной математической нотации, на уровень
Excel;
• вводить формулы в таблицу
как используя Мастер функций, так и без него;
• использовать логические
функции при конструировании ветвлений.
Тема «Графические возможности Excel»

Учащиеся должны знать:
• какие формы отображения
данных используются в деловой графике.
Учащиеся должны уметь:
• строить графики и диаграммы
по данным, хранящимся в окне Excel
или полученным расчетным
путем.

17.9. Тематическое планирование курсов

Курс «Обработка
числовой информации»
(на основе пособий
А. В. Горячева и Ю.А.Шафрина)

1. Что такое электронная
таблица.
2. Что такое Microsoft Excel 7.0.
3. Запуск и завершение
программы MS Excel.
4. Создание, загрузка и
сохранение файлов-документов (книг).
5. Окно программы MS Excel.
5.1. Как выглядит окно Excel.
5.2. Обзор функций
горизонтального меню.
5.3. Панели инструментов.
5.4. Настройка экрана Excel.
6. Ячейка электронной
таблицы.
6.1. Как адресовать ячейки.
6.2. Ввод данных в ячейку
таблицы.
6.3. Изменение ширины столбца
и высоты строки.
6.4. Что можно записать в
ячейку таблицы.
7. Как подготовить простую
таблицу.
7.1. Общие правила подготовки
таблицы.
7.2. Основные методы
оптимизации работы.
7.3. Оформление таблицы.
7.4. Печать таблицы.
8. Основные манипуляции с
таблицами.
8.1. Перемещение по таблице.
8.2. Выделение фрагментов
электронной таблицы.
8.3. Очистка ячеек.
8.4. Вставка и удаление.
8.5. Перемещение, копирование
и вставка фрагмента.
8.6. Поиск и замена.
8.7. Отмена и повторение
команд.
9. Расчетные операции в Excel.
9.1. Работа с формулами и
функциями.
9.2. Основные статистические
и математические функции Excel.
9.3. Логические операции в Excel.
9.4. Математические модели в Excel.
9.5. Ошибки при обработке
электронных таблиц.
10. Операции Excel для самостоятельного освоения.
11. Дополнительные
возможности Excel.

Для освоения Excel на уровне, разумном для школьного курса информатики, вполне
достаточно 34 часов. Вполне возможно сделать это и в более короткие сроки.

17.10. Тематическое планирование курса,
посвященного телекоммуникациям

Краткие методические
рекомендации по этой теме, требования к знаниям и умениям учащихся, даны в
главе 15. Там же описано тематическое планирование двух курсов, включающих эту
тему.
В данном разделе
дополнительно приведено тематическое планирование спецкурса, целиком
посвященного компьютерным телекоммуникациям.

Курс «Основы
компьютерных телекоммуникаций»
(на основе пособий
А.В.Горячева и Ю.А.Шафрина)

1. Основы компьютерных
телекоммуникаций
1.1. Общие сведения.
1.2. Что такое Интернет.
1.3. Как работает Интернет.
1.4. Основные службы
Интернет.
1.5. WWW — «Всемирная паутина».
1.6. Windows и Интернет.
1.7. Достоинства и опасности
Интернет.
2. Internet Explorer
2.1. Основные определения.
2.2. Адресация ресурсов
Интернет.
2.3. Окно Internet Explorer.
2.4. Навигация в Интернет.
2.4.1. Адреса.
2.4.2. Ссылки.
2.4.3. Вспомогательные
операции.
2.5. Настройка Internet Explorer.
2.6. Работа с файлами.
2.7. Поиск в Интернет.
2.7.1. Общие положения.
2.7.2. Страницы поиска.
2.8. Электронная почта.
2.8.1. Общие сведения.
2.8.2. Принципы работы с Internet Mail.
2.8.3. Окно Internet Mail.
2.8.4. Создание сообщения.
2.8.5. Доставка почты.
2.8.6. Чтение почты.

Для реализации такого курса
вполне достаточно 34 часов; при подготовленной аудитории можно уложиться и в
более короткое время.

Вопросы для самоконтроля и обсуждения к главе 17

1. Почему в рамках курса,
посвященного изучению обработки текстовой информации, целесообразно изучать
простейшие текстовые редакторы уровня MS-DOS Editor?
2. Знаете ли Вы современные
текстовые процессоры, кроме Word, которые
можно положить в основу курса по изучению обработки текстовой информации? Чем
будет отличаться такой курс от описанного выше?
3. В каком объеме в различных
вариантах базового курса информатики раскрывается тема «Обработка графической
информации»? Как организовать преемственность с профильным курсом?
4. В каком порядке целесообразно
изучать операции по редактированию документов в Word?
5. Как освещается вопрос об
обработке числовой информации в различных версиях базового курса информатики?
Как организовать преемственность между базовым и профильным курсами?
6. Какие другие программы
класса «электронные таблицы», которые могли бы быть положены в основу этого
раздела, Вы знаете? Чем будет отличаться курс, опирающийся на другую программу,
от курса, опирающегося на Excel?
7. На какие классы задач,
кроме экономических, можно опираться при изучении электронных таблиц в школьном
курсе информатики?
8. В каком порядке
целесообразно изучать технические приемы создания и редактирования таблицы
программы Excel?
9. Как связать изучение
электронных таблиц со школьным курсом математики?
10. Знаете ли Вы иные
программы — графические редакторы, кроме Paint (PaintBrush) и CorelDraw, которые можно было бы использовать в соответствующем
профильном школьном курсе информатики?
11. В каком объеме в
различных вариантах базового курса информатики раскрывается тема «Обработка
графической информации»? Как организовать преемственность между базовым и
профильным курсами?
12. Как объяснить учащимся
различия между растровой и векторной графикой?
13. На каких примерах можно
раскрыть содержание понятий «деловая графика», «научная графика», «инженерная
графика»?
14. В каком порядке
целесообразно изучать технические приемы создания и редактирования изображений
с помощью программы Paint?

17.11. Лабораторный практикум

Тема «Профильные курсы, ориентированные на применение информационных
технологий»

Занятие 1
Тема «Углубленное изучение универсальных
программных средств. Знакомство с функциональным наполнением
профессионально-ориентированных программных средств»
Дидактические цели', исследовательские.
Способ организации', практикум.
Технологии и методы
обучения: учебно-методический
проект.
Средства обучения', учебно-методическая литература [1 — 38],
программные средства [1 — 9].
Предварительная подготовка
студентов: требуется
ознакомиться с исследовательскими подзадачами учебно-методического проекта и
выполнить п.п. 1.1 —1.2 задания 1.

Теоретические
сведения
Основные понятия: новые информационные технологии (НИТ),
инструментальные и прикладные НИТ, универсальные и
профессионально-ориентированные программные средства (ПС).
Содержательно-методический
анализ
Новые информационные
технологии могут использоваться разными пользователями, как разработчиками, так
и непрофессионалами в компьютерной области, поэтому выделим два класса:
инструментальные и прикладные технологии. В качестве программной поддержки
инструментальных НИТ наиболее часто выступают универсальные программные
средства (текстовые и графические редакторы, СУБД, табличные процессоры и др.).
Содержательное наполнение базового курса информатики позволяет познакомить школьников
с этими средствами, а в профильном курсе полезно осуществлять углубленное
изучение универсальных ПС.
Одной из задач профильного
обучения информатике является подготовка учащихся к будущей профессиональной
деятельности. В этой связи следует:
• знакомить учащихся с
функциональным наполнением профессионально-ориентированных ПС;
• определить понятие
прикладных НИТ как специфической Модификации инструментальных информационных
технологий, Реализующих предметное обучение;
• разъяснить взаимовлияние
инструментальных и предметных НИТ, поскольку появление новых НИТ принципиально
меняет технологию предметного обучения.
Подчеркнем, что технологии
предметного обучения акцентированы на вполне определенные функции. Такие
технологии могут носить типовой или уникальный характер. В первом случае они
реализуются в виде функционального наполнения универсальных ПС, во втором, по
возможности, автоматизируются с помощью прикладных НИТ, базирующиеся на
применении профессионально-ориентированных ПС.

Дидактические
материалы
I. Варианты заданий
Задание 1. Выполнить
учебно-методический проект, объединяющий ряд исследовательских подзадач.
1.1. Разработать содержание
обучения заданного раздела профильного курса на основе изучения научной,
специальной, методической и учебной литературы по информатике. Определить
целевой и мотивационный компоненты содержания обучения. Составить список
рекомендуемой литературы для учителя и учащихся.
1.2. Сформулировать
требования к знаниям, умениям и навыкам старшеклассников. Выделить в содержании
обучения теоретическую и практическую части. Разработать тематическое
планирование учебного материала, конкретизировав цели обучения каждой теме.
1.3. Создать дидактические
материалы, использование которых в учебном процессе позволяет выполнять
следующие виды педагогической деятельности:
а) организовывать
деятельность учащихся, направленную на освоение практического материала учебной
темы (система взаимосвязанных задач, главным принципом построения которой
является поэтапное усложнение требований задачи);
б) осуществлять проверку
знаний учащихся на этапе закрепления (вопросы для самопроверки, практические
задачи, тестовые задания, задачи с межпредметным содержанием);
в) проводить итоговые
мероприятия (вариативные контрольные работы, тестирование, учебные проекты,
деловые и ролевые игры).
1.4. Разработать методику
обучения конкретной темы, включающую цели, детальное изложение содержания
учебного материала, формы и методы обучения, краткую характеристику средств
обучения, методические рекомендации для учителя.

Тематика
разделов
1. Обработка текстов в среде
текстового процессора.
2. Компьютерная графика и
презентации.
3. функциональное наполнение
табличного процессора.
4. СУБД как средство
разработки информационных систем.
5. Мультимедийные системы и
устройства.
6. Возможности и перспективы
компьютерных телекоммуникаций.
7. Изучение настольной
издательской системы.
8. Основы компьютерного
делопроизводства.
9. Знакомство с бухгалтерской
информационной системой.
10. Компьютерная обработка и
статистический анализ данных.
11. Программные средства
машинного перевода.
12. Автоматизированные
системы проектирования.

II. Структуризация учебной информации
Задание 1. Выделить систему
основных понятий (или ядро содержания обучения) заданного раздела профильного
курса информатики. Установить понятийные взаимосвязи: внутри ядра, а также
внешние связи ядра с понятиями базового курса информатики и другие школьных
учебных предметов.
Задание 2. Заполнить матрицу
учебно-методических идей содержательного компонента обучения заданного раздела
профильного курса информатики (табл. 17.1).
Таблица 17.1

Наименование темы

Технологии

ПС

Функциональные возможности ПС

Практические задания

познавательные

тренировочные

творческие

Методические
рекомендации
Для организации
дифференцированного обучения с учетом способностей, предлагаем задания на
структуризацию учебной информации, которые рекомендуем в качестве
дополнительных исследовательских подзадач учебно-методического проекта.

Программные
средства
1. Средства подготовки
презентаций: ClipArt, PowerPoint и др.
2. Табличные процессоры: SuperCalc 5.0, Microsoft Excel и др.
3. Системы управления базами
данных: MS Access, FoxPro и др.
4. Интегрированные системы: Works 4.0, Microsoft Office.
5. Текстовые редакторы: Lexicon, Chiwriter, MS Word и др. Настольные издательские системы: Ventura Publisher и др.
6. Графические редакторы и
программы анимации: пакет трехмерной графики и анимации 3D Studio; графические редакторы CPEN, Paintbrush, Dr.Hallo, CorelDraw и др.
7. Телекоммуникации: Internet, World Wide Web, Internet
Explorer, e-mail, Netscape Communications и др.
8. Чертежные редакторы:
интерактивная система «Экскиз», система автоматизированного проектирования AutoCad и др.
9.
Профессионально-ориентированные ПС различного назначения: справочная правовая
система «Гарант», персональная информационная система Lotus Organizer,
системы контроля исполнительской деятельности, «1C: Бухгалтерия» и др.

Литература к главе 17

Основная
литература
1. ГиглавыйА.В., Кравчук
Т.П. Лицей информационных технологий. — М.: Финансы и статистика, 1995.
2. Информатика: 10—11 кл. /
Под ред. Н.В.Макаровой — СПб.: Изд-во «Питер», 1999.
3. Информационная культура:
11 кл. — М.: Дрофа, 1999.
4. Каратыгин С., Тихонов
А., Долголаптев В. Базы данных: простейшие средства обработки информации,
электронные таблицы, системы управления базами данных: В 2 т. — М.: ABF, 1995.
5. Макарова Н. В. и др. Информатика.
Практикум по технологии работы на компьютере. — М.: Финансы и статистика, 1998.
6. Пакеты программ офисного
назначения. — М.: Финансы и статистика, 1997.
7. Симонович С., Евсеев
Г., Алексеев А. Специальная информатика: Учеб. пособие. — М., 1998.
8. Советов Б.Я. Информационная
технология. — М.: Высш. шк., 1994.
9. Статистические и
динамические экспертные системы. — М.: Финансы и статистика, 1996.
10. Шафрин Ю.А. Информационные
технологии: 10—11 кл. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999.
11. Шишкин Е. В. Начала
компьютерной графики. — М.: Диалог-МИФИ, 1994.

Дополнительная
литература
12. Бехтева Е.В., Кокаулин
В. Д. Интегрированный курс «Основы предпринимательства, экономики и
информатики» // ИНФО. — 1998. — №4.
13. Бешенков С. А. «Информатика
и информационные технологии» (гуманитарный профиль) // Информатика: Еженед.
прил. к газ. «Первое сентября». — 1998. — № 39 — С. 19 — 22.
14. Богуславский А.А. Школьная
система автоматизированного проектирования // ИНФО. - 1999. - № 7. — С. 59—64.
15. Боровиков В. П.,
Боровиков И. П. STATISTICA — Статистический анализ и обработка
данных в среде Windows. — М., 1997.
16 Брызгалов Е.В.,
Шестаков АЛ. Уроки по ACCESS // ИНФО.
— 2000.- №7. -С. 18-29.
17. Велихович Л. С. Программа
курса информатики // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». —
1995. — № 11.
18. Горячев А. В., Шафрин
Ю.А. Практикум по информационным технологиям. — М.: Лаборатория Базовых
Знаний, 1999.
19. Гриценко А. Н.,
Угринович Н.Д. Информационные технологии и основы предпринимательской
деятельности (экономический профиль) // Программы для общеобразовательных
учреждений. Информатика. — М.: Просвещение, 1998. - С. 100-103.
20. Гуров В. В. Интернет
для бизнеса. — М.: Электрон-информ, 1997. 2\.Диго СМ. Проектирование и
использование баз данных: Учеб. — М.: Финансы и статистика, 1995.
22. Ефимова О., Морозов
В., Шафрин Ю. Курс компьютерной технологии. - М.: ABF, 1998.
23. Ефимова О., Морозов
В., Шафрин Ю. Практикум по компьютерной технологии. — М.: ABF, 1998.
24. Заичкина О. И.,
Поляков В. Л. Новые возможности профориентации // ИНФО. - 1997. -№1.
25. Информатика.
Задачник-практикум / Под ред. И.Г.Семакина и Е.К.Хеннера. — М.: Лаборатория
Базовых Знаний, 1999.
26. Информационные системы в
экономике: Учеб. / Под ред. В.В.Дика. — М.: Финансы и статистика, 1996.
27. Исаева О.В. Практикум
по СУБД ACCESS 2.0 // ИНФО. - 2000. -№ 3.- С. 20—31; №
4. — С. 23 — 34.
28. Левина Н. С. О
проблемах начальной профессиональной подготовки учащихся средних школ //
Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». — 1995. — № 4.
29. ЛивчакА.Б., ГейнА.Г. «Кухня»
СУБД Access. Популярное введение в теорию баз данных
// Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». - 2000. - № 27.- С.
1-32; № 28.- С. 1-32.
30. Макаричева О.Н.,
Парамонова Г. Г., Смирнова А. Н. Обучение профессии секретарь-делопроизводитель
// ИНФО. — 2000. — № 3. — С. 67-72.
31 . Мануйлов В. Г. Основы
информационных технологий (программа прикладного курса для 6 — 11 кл. с
экономической подготовкой) // ИНФО. — 1995. -№3.
32. Могилев А. В., Пак
Н.И., Хеннер Е.К. Информатика / Под ред. Е-К.Хеннера. — М.:
Академия, 1999.
33. Назаров С. В.,
Першиков В. И. и др. Компьютерные технологии об-Работки информации. — М.:
Финансы и статистика, 1995.
34. Нечаев В. М. Электронные
таблицы и базы данных // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». —
1999. - № 36, 41, 43, 46, 47;
35. Николаева В.А. Методика
проведения занятий по изучению PowerPoint //
ИНФО. — 1999. — № 8—10.
36. Сычев Н.А., Алсынбаева
Л. Г. Профессиональная подготовка по информатике для школьников // ИНФО. —
1998. — № 5. — С. 33—38.
37. Храмцов П. Моделирование
и анализ работы информационно-поисковых систем Internet // Открытые системы. — 1996. — № 6 (20).
38. Чистов Д. В., Умнова
Э.А., Порохина И.Ю. Изучение основ бухгалтерии с применением компьютерного
учета // Информатика: Еженед. прил. к газ. «Первое сентября». — 1998. — № 21,
22. — С. 3—47, 3—31.

Приложение 1

                                                                                Схема
2

Схема 3

                                                                                Схема
5

Продолжение схемы 5

                                                                                Окончание схемы 5

Приложение 2

ПРОГРАММНОЕ
ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Прикладное ПО учебного
назначения (или, как его еще именуют, педагогические программные средства —
ППС) выполняет важную функцию в обучении информатике в школе. Не менее
необходимы эти средства и при постановке курса МПИ а педагогических вузах.
Между тем, развитие и пополнение банка ПО идет достаточно случайным образом,
так что текущее его состояние характеризуется не столько полнотой и
системностью, сколько разнообразием и разноуровневостью (в том числе и с точки
зрения требуемых аппаратных средств).
В помещенный ниже перечень
ПО, достаточно условно классифицированный по разделам (этапам) непрерывного
школьного курса информатики (пропедевтический, базовый, профильный), включены
программные продукты на основе анализа лишь широко известных публикаций и
каталогов (составители О. В. Шкобура и Е.А.Курнева, Омский педуниверситет).
Цель этого перечня состоит не в буквальном сопровождении разделов учебного
пособия (там имеются свои локально рекомендованные списки ПО, в которых не
делается ссылок на Приложение 2), а в том, чтобы дать читателю хотя бы общую
картину наличия, состояния и адреса источника (или разработчика) программных
средств, которые используются (или могут использоваться) в обучении информатике.

ПРОПЕДЕВТИЧЕСКИЙ
ЭТАП

1.     ПервоЛого (совместно ИНТ и LCSI)
http://school.edu.ru/int/logo/products.html

Отличительной особенностью
ПервоЛого является реализация визуального программирования, когда команды языка
представлены в виде картинок, щелкая по которым в требуемой последовательности
учащийся создает свои программы. Таким образом, ученик получает возможность
создавать содержательные работы, еще не умея читать и считать. Включая в себя
возможности текстового, графического и музыкального редакторов и будучи
предназначена для начальной школы, программа построена так, что в ней
отсутствует возможность совершить синтаксическую ошибку при программировании.
На 7-й Международной выставке
«Вычислительная техника и информатика» в 1997 г. программному продукту ПервоЛого
присужден диплом 1-й степени лауреата конкурса «Лучшая обучающая
мультимедиа-программа для детей дошкольного и младшего школьного возраста».
Категория пользователя:
дети от 5 лет и старше.
Платформа: MS-DOS, Mac OS.

2.     ЛогоРайтер (LogoWriter) (LCSI, русская
адаптация ИНТ
 http://school.edu.ru/int/logo/products.html

ЛогоРайтер — компьютерная
среда, разработанная в 1980-е гг. канадской фирмой LCSI, заслужила многочисленные международные награды. Программа
ЛогоРайтер включает в себя возможность программирования, мультипликации, работы
со звуком (программирования музыки) и текстами (а также возможность программной
обработки текстов). Может успешно использоваться и для обучения
алгоритмическому мышлению, и для изучения различных «профессий» современного компьютера,
овладения его инструментарием. Программа позволяет применить проектный подход к
занятиям по всем направлениям учебного плана, развивает познавательные
способности и творческое мышление детей. Система Logo Writer построена по
принципу «компьютерного альбома», состоящего из набора листов. Ученик может
создать новый лист в своем альбоме или внести изменения в какой-нибудь старый.
Как и в обычном альбоме на листе можно рисовать разные картинки и писать
тексты. Возможности программы позволяют рисовать не только статические, но и
динамические рисунки, т.е. проектировать и создавать компьютерные мультфильмы.
При помощи программы можно осуществлять диалог пользователя с компьютером. Для
управления процессами, происходящими на листе и в альбоме, необходимо написать
последовательность некоторых команд. Использование данной программы помогает
изучению основ программирования. Работая в LogoWriter, ученики могут не только создавать программы по изучению
основ информатики, но и изучать движение планет, рисовать средневековый замок и
т.д. Категория пользователя: I— VIII классы.
Платформа: MS-DOS.
Версия 2.0 для CGA/MCGA, версия 3.1 для EGA/VGA/SVGA. В комплект входят:
Сопрунов С. Ф., Щеглова
О. В. LogoWriter: Справочное пособие. — М.: ИНТ, 1995. — 137 с. Полное описание системы
ЛогоРайтер, включающее в себя строгое описание языка программирования Лого.
Сопрунов С. Ф., Яковлева
Е. И. LogoWriter: Пособие для учителей: 4 —8 классы. — М.:
ИНТ, 1995. — 137 с. Сборник
проектных заданий разного уровня сложности, относящихся к разным темам.
Предполагается, что учащиеся уже знакомы с системой Лого.
Сопрунов С. Ф. LogoWriter: Пособие для учителей: Начальные классы.
- М.: ИНТ, 1995. - 74 с.
Юдина А. Г. Практикум по информатике в среде «LogoWriter»: Учебное пособие для общеобразовательной
школы. — М.: ИНТ, 1997. —.92
с. Содержит систему задач и заданий, позволяющих организовать интересные уроки
информатики в старших классах и познакомить учащихся в доступной форме с
основами программирования, компьютерной графикой, компьютерным экспериментом и
исследованием. Главы, посвященные компьютерным моделям, позволяют реализовать
межпредметные связи информатики с физикой и математикой
Дополнительный модуль:
ЛогоЛитера — компьютерная программа, русский
орфографический корректор для ЛогоРайтера.

3.     ЛогоМиры (MicroWorlds) (LCSI, русская
адаптация ИНТ)
http://school.edu.ru/int/logo/products.html

Компьютерная среда ЛогоМиры
является новым поколением широко известной системы ЛогоРайтер. Программа
ЛогоМиры включает в себя набор программируемых объектов (черепашек) — до 100
штук, которые могут действовать одновременно (параллельные процессы), при этом
взаимодействуя друг с другом. В программу встроены графический, текстовый,
музыкальный редакторы — все эти дополнительные средства позволяют рассматривать
программу как мощный инструмент для создания мультимедийных проектов по любой теме
любой школьной дисциплины. Категория пользователя: от III класса и старше. Платформа: MS-DOS, Mac OS.
В комплект входят:
ЛогоМиры: Справочное
пособие. — М.: ИНТ, 1995. — 170 с. Полная справочная документация к системе ЛогоМиры.
ЛогоМиры. С чего начать. —
М.: ИНТ, 1995. — 97 с. Учебно-методическое
пособие по изучению возможностей программы, содержащее описание приемов
создания проектов в программе ЛогоМиры.
Сопрунов С. Ф. ПервоЛого: Пособие для учителей. — М.:
ИНТ, 1995. — 89 с. Полная
справочная документация к системе ПервоЛого. При описании возможностей
программы авторы делают акценты на то, как ту или иную возможность лучше
использовать на уроке.
Дополнительный модуль:
Яковлева Е.И. ЛогоМозаика: Сборник проектов. — М.: ИНТ,
1995. — 75 с. Содержит
большое количество плодотворных идей по проведению уроков с использованием
персональных компьютеров в начальной школе. Предлагаемые проекты разнообразны
по содержанию и допускают возможность интеграции различных предметных дисциплин
— от изобразительного искусства до математики.

4.     «Роботландия» (КУДИЦ, 1992-1996 гг.)
http://www.inforeg.org.ru/2/catalog/text.htm#ll

Программы-тренажеры
(«Курсор», «Меню», «Правилка», «Привет», «Компьютер»); алгоритмические этюды
(«Перевозчик», «Монах», «Конюх», «Переливашка», «Угадайка»), исполнители
(«Квадратик», «Машинист», «Автомат», «Плюсик», «Кукарача»); текстовый редактор
«Микрон»; графический редактор «Художник», музыкальный редактор «Шарманщик»,
развивающие игры «Морской бой», «Мудрый крот».

4.1. «Алгоритмические этюды»
В состав программного блока,
являющегося частью интегрированного пакета «Роботландия», входят следующие
программы: «Перевозчик», «Монах», «Конюх», «Переливашка», «Угадайка». Каждая из
вышеперечисленных программ является машинной интерпретацией старинных задач.
Например, программа «Переливашка» — машинная интерпретация старинной задачи
«Водолей», позволяющей логическим путем, не используя мерные емкости, научиться
отмерять необходимое количество жидкости.

4.2. «Исполнители» («Сложные исполнители»)
Блоки «Исполнители» и
«Сложные исполнители» включают в себя следующие программы: «Квадратик»,
«Машинист», «Автомат», «Плюсик», «Кукарача». Работа с этими программами
является продолжением изучения темы «Алгоритмизация». Учащиеся знакомятся с
понятием Исполнителя, понятием «команда», а также системой команд исполнителя.

4.3. «Микрон»
Это простейший текстовый
редактор. Предназначен для обучения учащихся элементарным навыкам работы с
текстовыми редакторами, формирует умение работы с меню и проведения несложных
операций по редактированию текстов. В программе предусмотрена возможность
проведения диктантов (тексты диктантов приведены в каталоге редактора), а также
создания текстов для работы учителя по определенным темам программы.

4.4. «Художник»
Это простейший графический
редактор. Знакомит учащихся с рисованием основных графических примитивов
(линий, прямоугольников, окружностей), работой со стандартным набором
инструментов, редактированием рисунка с использованием «лупы», копированием и
перемещением фрагментов рисунков, а также работой со встроенной библиотекой
рисунков. В этом графическом редакторе предусмотрена возможность записи и
чтения вновь созданных рисунков, а также их фрагментов, представлена достаточно
полная палитра цветов.

4.5. «Шарманщик»
Программа представляет собой
простейший музыкальный редактор, рассчитанный на учащихся, не знакомых с
музыкальной грамотой. Редактор дает возможность познакомиться с расположением
нот на нотном стане; удалять допущенные ошибки при написании нот; производить
изменение тональности звучания нот и их длительности. Учащиеся знакомятся с
понятием «пауза» и ее изменением при построении музыкального ряда. Они могут
проиграть как одну ноту, так и мелодию в целом. Очень важным моментом в работе
с музыкальным редактором «Шарманщик» является возможность записи созданной
мелодии как на жесткий диск, так и на дискету, а также ее последующего
редактирования. В программе представлен небольшой каталог детских песен,
необходимых для проведения вводных занятий при изучении музыкального редактора.

5.     Хиты Роботландии
 http://www.botik.ru/~robot/02/02.HTM

Пакет включает в себя
последние версии программ, хорошо зарекомендовавших себя при работе с детьми в
начальной школе. Отдельные программы (такие, как программируемый «Буквоед»,
«Конструктор Сказок», «Тропинка», «Клеточка» и некоторые другие) имеют более
полиморфную область применения вплоть до первых лет обучения в вузе.
Область применения: пакет программ для начальной школы.
Среда: PC (AT/XT), DOS 3.30 (и выше), EGA, 20 Мб на
винчестере.
Поставка: 5 трехдюймовых дисков для инсталляции + 6
дисков с методическим обеспечением.
В пакет входят:
• Роботландия 96 (в полном
объеме).
• Конструктор Сказок+.
• Веселые Картинки.
• Классификаторы+.
• Клеточка.
• Бюро Находок.
• Тропинка.
•Корректор-97.
• Методические пособия (один
комплект — 23 книги).

5.1. Конструктор Сказок+
Конструктор Сказок — это
инструментальный пакет для чтения и создания мультиплицированных музыкальных
компьютерных историй (в том числе, обучающих и информационно-справочных
программ) с ветвящимся сюжетом. Учитель может использовать конст-•руктор в
рамках курса информационной культуры, на уроках литературы или иностранного
языка для стимулирования творчества школьника при помощи необычной,
увлекательной деятельности.

5.2. Веселые Картинки
Веселые Картинки — это
инструментальный пакет для создания и решения задач, связанных с построением
упорядоченного множества текстовых или графических объектов. Примеры задач:
алгоритмы перехода улицы и заварки чая, счет до 10, английский алфавит, цвета
радуги, названия нот, планет Солнечной системы, дней недели и месяцев года и
многое другое. Пакет адресован младшему школьнику, работающему с компьютером
под руководством учителя. Учитель может использовать пакет в рамках курса
информационной культуры, на уроках математики, иностранного языка или на других
уроках в качестве легко настраиваемой среды решения задач на упорядочивание.

5.3. Классификаторы+
Пакет Классификаторы —
дидактический инструмент для уроков математики и информатики в начальной школе.
Программы пакета помогают сформировать у младших школьников понятия
«множество», «элемент», «признак». С помощью программ пакета дети могут
обнаружить и зафиксировать закономерность в цепочке элементов, найти в
множестве элемент, не обладающий характерными признаками этого множества,
провести разбиение множества по заданному признаку. Пакет открыт для учителя,
который может корректировать рисунки, модифицируя или создавая заново наборы
задач.

5.4. Бюро Находок
Бюро Находок — это открытая
инструментальная среда для конструирования и решения задач на сборку слов из
заданного набора букв. Программа предусматривает работу с двумя или с одним
игроком, в русской или английской лексике, возможность варьировать правила
игры.

5.5. Тропинка
Пакет Тропинка предназначен
для создания обучающих программ игрового характера. На игровом поле,
отображаемом на весь экран компьютера в виде фоновой картинки, расположены
объекты. Каждый объект может иметь от 0 до 4 предметов (ящиков). Играющий,
перемещая предметы на экране, должен поставить их к нужным объектам. Если это
удается, игра заканчивается успешно. Что может (и должен) делать игрок:
• прочитать задание к игре;
• прочитать дополнительные
данные к игре (дополнительной информацией может быть, например, англо-русский
словарик);
• прочитать сообщение объекта
(сообщение обычно содержит информацию о предметах, необходимых объекту);
• взять у объекта предмет; «•
• поставить предмет к
объекту.
Разработчики видят следующие
области использования пакета:
Логические головоломки. Игрок должен определить цепочку перемещений
предметов от объекта к объекту так, чтобы в итоге удовлетворить потребности
всех объектов. В этом варианте в Тропинку могут играть и дошкольники, еще не
умеющие читать. Потребности объектов в этом случае распознаются не по текстам
сообщений, а по характерным признакам принадлежности (кролику нужна морковь,
обезьяне — банан, волку — мясо).
Иностранные языки. Здесь цепочка перемещений должна быть
элементарной и центр тяжести падает на семантику сообщений объектов на иностранном
языке. Для того чтобы успешно завершить игру, нужно понять смысл задания на
игру и смысл сообщений объектов.
Предметные приложения. Примеры сценариев:
Сценарий 1. Объекты —
математические примеры. Ящики — ответы. Цель игры — расставить ответы так,
чтобы вычисления были правильными.
Сценарий 2. Картинка —
фрагмент городской улицы. Ящики — дорожные знаки. Цель игры — установить их на
улице.
Сценарий 3. Ящики — буквы,
которые ставятся под соответствующими объектами, как в азбуке.
Сценарий 4. Объекты —
недостроенные домики (фигуры). Ящики — недостающие блоки.
Сценарий 5. Картинка —
классификация животных. Ящики — представители животного мира.

5.6. Клеточка
Табличный классификатор
Клеточка дополняет пакет Класси-фикаторы+, являясь в то же время
самостоятельным продуктом, пригодным для использования на уроках по разным
школьным предметам и дома в качестве развивающей игры-тренажера. Клеточка
полезна там, где приходится работать с текстовой информацией, упорядоченной в
виде таблицы. Это могут быть таблицы времен английских глаголов, таблицы
представителей животного мира, таблицы исторических событий. В частном случае
таблица может вырождаться в одну строку.
В пакет входят несколько
блоков готовых заданий по разным темам. Эти готовые блоки можно использовать на
школьных уроках или домашнем компьютере в качестве тренировочных упражнений.
Однако средства пакета позволяют модифицировать готовые упражнения и создавать
новые в режиме визуального проектирования непосредственно на экране компьютера.
Это еще один полезный вид деятельности, которую заинтересованный педагог
(школьный учитель или родитель) может предложить ребенку.

5.7. Корректор-97
Этот исполнитель хорошо
знаком тем, кто работал (или еще сейчас работает) с Роботландией на старых
добрых Ямахах. Он был также (гораздо позже) описан в книге А.Дуванова,
Ю.Пер-вина «Необычайные приключения Пети Кука в Роботландии», но не был включен
в версию Роботландии для машин класса PC. Авторы
поняли, что Корректор совсем не заслужил опалы. В настоящее время Корректор
разработан для PC заново. Корректор, подобно машине Тьюринга, имеет в своей
среде ленту, разделенную на ячейки, а управляется он на том же самом
алгоритмическом языке, что и исполнитель Кукарача. Однако программы для него,
хотя и короче кукарачинских, но сложнее. В арсенале его средств
программирования рекурсия занимает не последнее место. Хитрые задачи Корректора
развивают навыки абстрактного мышления и продолжают знакомство с премудростями
теоретического и практического программирования.
Бардо М.С., Коцик Б.
Я., Лишин А.Н. Аннотированный
каталог программных средств // Информатика и образование. — 1998. — № 1. - С.
64-71.

6. «Начала информатики» (РЦИСО,
1995 г., см. ИНФО. —1998. - № 1)

Программа рассчитана на
освоение базовых понятий информатики, формирование представлений об
алгоритмическом языке и основных компьютерных инструментах, она включает в себя
следующие разделы: основы алгоритмизации — программы «Кенгуренок-чертежник»;
«Пылесосик-робот»; основы делового применения ЭВМ — учебный текстовый редактор;
учебная электронная таблица; учебная база данных.

7. Компьютерная сказка «Емеля» (КУДИЦ,
1992—1996 гг., см ИНФО. - 1998. - № 7)

Пакет программ «Емеля»
написан в виде компьютерной сказки и состоит из двух частей. Часть 1 —
знакомство с правилами поведения и работы. Часть 2 — овладение начальными
навыками Работы на клавиатуре слепым десятипальцевым методом печати. В
программах предлагаются игровые упражнения на ввод символов, слов, текстов,
которые помогут ученикам не только освоить технику ввода букв, но и повторить
правила правописания.

8. «Клавиатурный тренажер» (РЦИСО,
1995—1996 гг., см. ИНФО. - 1998. - № 1)

Представляет собой
программно-методический комплекс, предназначенный для формирования у учащихся
навыков работы с клавиатурой, состоит из двух программ: «Собачья радость» и
«Садовник». Программа «Садовник» используется на первом этапе обучения и
позволяет учащемуся освоить расположение букв, цифр и символов на клавиатуре
компьютера. Программа «Собачья радость» применяется на втором этапе и позволяет
учащемуся с помощью тренировочных заданий достигать высокой скорости набора.
Обе программы построены таким образом, что изучение клавиатуры превращается в
увлекательную игру. В комплект поставки обучающей игры «Собачья радость» входит
набор упражнений для освоения слепого десятипальцевого метода печати. Тексты
упражнений могут быть отредактированы учителем.

9. Babytype (DOCA Company,
1993 г., см. ИНФО. - 1998. - № 1} Тренажер предназначен для обучения слепому десятипальце-
вому методу печати для
учащихся младших классов. В программе имеется возможность выбора уровня
обучения, а также предусмотрена работа с латинской клавиатурой.

10. Алгоритмика (ИНТ)
http://www.school.edu.ru/int/soft/inf.html

Компьютерная поддержка курса
«Алгоритмика», рекомендованного Министерством общего и профессионального
образования РФ в качестве учебного пособия для V—VII классов, помогает получить начальные представления о
принципах алгоритмического мышления и общего программирования. Учащемуся
предлагается исследовать и осваивать один за другим набор простых, но
дидактически весьма содержательных микромиров. В каждом микромире есть свой
персонаж — исполнитель, который может выполнять определенный набор команд и
проверять определенный набор условий. Ученик может управлять исполнителем,
нажимая программные кнопки на пульте управления или составив для него
программу.
Система включает в себя
микромиры всех исполнителей, интерпретатор языка, описанного в учебнике,
редактор для написания программ. Редактор предлагает готовые шаблоны команд и
управляющих конструкций языка. Система позволяет составлять, отлаживать и
сохранять программы, а также хранит наборы задач для каждого исполнителя и
результаты работы каждого ученика по каждой задаче.
Категория пользователя: I— VI классы. Платформа: MS-DOS.
 В комплект входят:
Алгоритмика: Руководство
для пользователя: Версия для IBM PC: Программная
поддержка курса. — М.: 1995. — 32 с.
Алгоритмика. 5—7 классы:
Учебник и задачник для общеобразовательных учебных заведений / А. К. Звонкий,
А. Г. Кулаков, С. К. Ландо и др. _ м.: Дрофа, 1996,1997. — 304 с. Основная цель учебника —
научить школьников алгоритмическому мышлению: умению предусматривать и анализировать
обстоятельства, планировать свои действия. Первая часть содержит объяснительный
материал, описание исполнителей, примеры решения задач. Во второй части собраны
и систематизированы задачи. Учебник и задачник соответствуют федеральному
учебному плану по математике и информатике.
Кулаков А. Г., Ландо С.
К. Алгоритмика. 5
— 7 классы: Методические рекомендации для учителя: Решение задач. — М.: Дрофа,
1997. — 192 с. Пособие
состоит из двух частей. Первая часть содержит методические рекомендации,
примерное планирование материала курса, варианты поурочных планов и решение
упражнений из учебника «Алгоритмика. V—VII классы». Во второй части пособия даются решения всех задач из
задачника.
Ландо С. К., Семенов А.
Л. Учебная
программа Алгоритмика: 5-7 классы. - М.: ИНТ, 1997.
Дополнительный модуль:
Редактор задач по
алгоритмике. Компьютерная
программа, позволяющая учителю создавать в дополнение к курсу новые задачи.

11. КидПикс 2 (KidPix) с русификатором (Broderbund Software Inc., русификатор ИНТ, см. ИНФО. — 1998. — № 1)

Программа проста в освоении и
предоставляет широкие возможности для создания рисунков, текстов, коллажей и
т.п. Содержит более 80 готовых фигурок, буквы, которые малыши могут
использовать в своих работах (каждую букву и цифру компьютер называет вслух), а
также различные звуковые и специальные эффекты работы с экраном. Набор
инструментов КидПикс позволяет иллюстрировать различные предметы школьного
курса, поддерживать межпредметные связи. Имеется большой опыт использования
программы как в начальной школе, так и в педагогических училищах.
Категория пользователя: I— VIII классы.
Платформа: Mac OS.
Дополнительный модуль:
Николайчук Г. С.,
Титова Ю. Ф. Работаем
с KidPix: Учебно-мето-Дическое пособие / Под ред.
Д.Д.Рубашкина. — М.: ИНТ, 1996. — 143 с. Книга входит в серию учебно-методических пособий по
образовательной области Технология (модуль «Информационные технологии» для
младшей школы).

12. Клавиатор (ИНТ)
Программно-методический
комплект Клавиатор содержит среду, позволяющую учителю с помощью простого языка
создавать эффективные упражнения для обучения учащихся слепому десятипальцевому
методу печати и дренажа правописания с использованием различного лексического
материала. Открытая архитектура программы дает возможность создавать уроки как
для старших школьников и взрослых, так и для первоклассников, ориентировать
уроки на учащихся с различными способностями и органично встраивать обучение
слепому десятипальцевому способу печати в различные варианты курсов
информатики.
Программа позволяет
эффективно использовать звуковые возможности современного компьютера: музыку,
голос учителя, звуковые эффекты. Программа Клавиатор-Учитель позволяет как
создавать уроки самостоятельно, так и проигрывать их, а программа Клавиатор —
только проигрывать разработанные сценарии уроков.
Категория пользователя:
для детей от 7 лет и старше.
Платформа: Windows, Mac Os.
В комплект входят:
Программы Клавиатор и
Клавиатор-Учитель с примерами сценариев уроков, звуковыми и графическими
файлами.
МурановА.А. Клавиатор: Руководство для учителя. — М.:
ИНТ, 1998. — 31 с. Приводятся
сведения, позволяющие самостоятельно создавать сценарии уроков и использовать
уроки, подготовленные институтом.
Дополнительные модули:
Комплекты уроков и
методические рекомендации для учащихся младшей, основной и старшей школы.

БАЗОВЫЙ КУРС

http://www.infomir.ru

13. НовоМир http://www.infomir.ru/novomir.htm
НовоМир — это новая программно-методическая
гипертекстовая система для поддержки учебников из серии «Информационная
культура» VIII, IX и X классов. Гипертексты подготовлены по разделам:
• Электронные таблицы;
• Базы данных;
• Сортировка и поиск;
• Повторим программирование;
• Кодирование информации без
компьютера;
• Кодирование информации на
компьютере;
• Передача информации;
• Информационные модели;
• Как устроены компьютерные
программы;
• Компьютеры в обучении.

14. МикроМир

МикроМир — это удобный редактор текстов, который
• позволяет готовить и
обрабатывать документы, организовывать их хранение и учет;
• позволяет создавать,
удалять и переименовывать файлы в экранном режиме;
• имеет чрезвычайно удобный
режим редактирования таблиц;
• позволяет восстанавливать
все предыдущие состояния текста;
• имеет развитую систему
настройки на конфигурацию оборудования и вкусы пользователя.
МикроМир — это электронные
таблицы со следующими возможностями:
• вычисление одних колонок
через другие в таблицах;
• суммирование по строкам;
• вычисления в режиме
калькулятора;
• вычисления по формулам.
МикроМир — это удобная
инструментальная среда для разработчика программного обеспечения, настраиваемая
на используемые программистом компиляторы и обеспечивающая выполнение полного
рабочего цикла программиста. МикроМир позволяет компилировать, собирать и
выполнять программы в экранном режиме, по результатам диагностики компилятора
МикроМир выделяет ошибки в исходном файле и имеет специальные команды для
работы с ними.

15. Лего-Лаборатория (Control Lab) LEGO (Dacta AIS, русская
адаптация ИНТ)
too://www.schnnl.edu.ru/int/soft/lego
l.html

Сочетает в себе лучший из
языков программирования, ориентированных на работу с детьми, — язык Лого,
входящий в состав Удобного графического интерфейса, и технологический комплект
популярнейшего образовательного конструктора LEGO DACTA. Позволяет
изучать технологии автоматизированного управления в курсе информатики и является
самым простым способом введения учащихся в курс робототехники. Комплект
содержит различные датчики и управляемые элементы. Программное обеспечение
использует русскую версию языка программирования Лого.
Категория пользователя: III—X классы.
Платформа: Mac OS, MS-DOS.
В комплект входит:
Л ЕГО-лаборатория (Control Lab): Справочное пособие. — М.: ИНТ, 1998. -
150 с.
ЛЕГО-лаборатория (Control Lab): Проекты: Учебно-методическое пособие. -
М.: ИНТ, 1998. - 123 с.
ЛЕГО-лаборатория (Control Lab). Эксперименты с моделью вентилятора:
Учебно-методическое пособие. — М.: ИНТ, 1998. — 46 с.
Дополнительные модули:
Горбунов А. Л. Сборник проектов для работы со школьниками
в обучающих средах Lego ТС Logo и Control Lab. — М.: ИНТ, 1995. —70 с. Сборник содержит шесть проектов для обучающих сред типа LEGO+LOGO, ориентированных
на занятия по учебным дисциплинам «Технология» и «Информатика» в III—X классах
общеобразовательной школы. Многие идеи, содержащиеся в проектах, могут
оказаться полезными при изучении и других предметов, в первую очередь
математики и физики. Сборник составлен в виде методических указаний для
учителей по проведению тематических занятий. Каждая глава-проект содержит
сведения о целях проекта, необходимых технических средствах, об общей схеме
занятия, листинга используемых программ, идеи по развитию проектов. Сборник
комплектуется дискетой с программным обеспечением проектов для системы Lego TC Logo. В приложении указываются отличия реализации
проектов в системе Control Lab.
Видеофильм. Уроки
технологии (автор
сценария — А.Л.Горбунов, ИНТ, 1997).

16. Начала информатики (см. ИНФО. —
1998. — № 1)

Учебный текстовый редактор,
электронная таблица, база данных и озвученные клавиатурные тренажеры знакомят с
основами делового применения компьютера.
Категория пользователя: VI— VII классы.
Платформа: MS-DOS.

17. Энциклопедия персонального компьютера (Кирилл
и Мефодий)
http://www.school.km.ru

Более 500 подробных статей с
иллюстрациями об основах информатики, устройстве компьютера, его аппаратном и
программном обеспечении, сетевых технологиях, а также англо-русский толковый
словарь на пять тысяч компьютерных терминов, история развития компьютеров,
обучающие интерактивные курсы по Windows
95, Excel 7.0 и MS Word 7.0.
Категория пользователя:
для детей и взрослых.
Платформа: Windows 95.

18. Анатомия компьютера — 2 (Ньюком,
1998)
http://www.inforeg.org.rU/2/catalog/text.htmtfll

Пособие для начинающего
пользователя персонального компьютера
Категория пользователя:
для детей и взрослых. Платформа: Windows 95.

19. КуМир
http://www.infomir.nvTaimir.htm

(Кушниренко А. Г., Леонов А.
Г.)
КуМир — система
программирования по принципу редактора-компилятора на основе школьного
алгоритмического языка полностью соответствует школьному учебнику (Кушниренко
А. Г., Лебедев Г.В., Сворень Р.А. Основы информатики и вычислительной техники.
— М.: Просвещение, 1990, 1991, 1993), а также методическому пособию для
учителей (Авербух А.В., Ги-син В. Б., Зайдельман Я.Н., Лебедев Г. В. Изучение
основ информатики и вычислительной техники. — М.: Просвещение, 1992).
КуМир — это:
• полная поддержка школьного
алгоритмического языка;
• мгновенная диагностика
ошибки в момент, когда ошибка допущена, и во всех строках программы, имеющих
отношение к этой ошибке;
• мгновенный запуск программы
на выполнение, возможность пошагового и непрерывного выполнения программы,
наглядная визуализация процесса выполнения и средства отладки;
• поставляемые вместе с
КуМиром исполнители (пакеты программ): Робот, Чертежник, Гратекс (графический
пакет), Вездеход, Редактор, Двуног, Строитель и др.;
• комплект программ на
школьном алгоритмическом языке;
• быстрая вставка
алгоритмических конструкций;
• поддержка информационных
моделей исполнителей;
• работа в локальной сети и
многие другие возможности. КуМир для DOS включает
следующие дополнительные возможности:
• работа в гипертекстовой
оболочке;
• гипертекстовая справочная
система по школьному алгоритмическому языку, системе КуМир и исполнителям;
• практикумы с возможностью
получения подсказки по задаче и проверки ответа;
• комплект поурочных
гипертекстов и автоматизированных контрольных работ;
• мгновенную и наглядную
диагностику всех ошибок ученика;
• пакет «Функции и графики»,
предназначенный для написания обучающих программ по математике, позволяющий
изображать графики всех элементарных функций а также самостоятельно строить
эскизы графиков на экране компьютера.
Инструментальное
расширение предоставляет
средства для разработки гипертекстов и внешних исполнителей для системы Ку-Мир.
Мультимедиа расширение предоставляет возможность работы с компьютерной
анимацией и звуком.
ПланиМир — это гипертекстовая система,
предназначенная для автоматизации преподавания курса планиметрии в средней
школе. Она позволяет выполнять на компьютере все измерения и построения,
которые необходимы в задачах. Включает в себя компьютерный задачник по
геометрии.

20. «Основы информатики и вычислительной
техники» (КУДИЦ, 1995-1996 гг.)
http://schools.techno.ru/sofVkuduc.htm

В состав пакета входит ПМК
«МикроПаскаль» — среда для обучения основам программирования на языке Паскаль.
Данная программная среда дает возможность ученикам сформировать прочные навыки
структурного программирования; усвоить его теоретические основы, работая с
модулем графического конструирования, сэкономить время и силы при вводе текста
программы, используя функциональное меню; сформировать синтаксически правильную
программу, замечая и исправляя ошибки в ходе ее написания; понять логику выполнения
программы, используя режим пошаговой интерпретации и анализируя промежуточные
результаты.

21. «Информатика» (КУДИЦ, 1993-1996
гг.)

Программа состоит из пяти
программно-методических комплексов (ПМК1 - ПМК5):
• ПМК1 (часть 1) «Первые
уроки информатики» — программы, входящие в комплекс, позволяют ученикам
получить основные навыки управления компьютером с помощью манипулятора «мышь» и
клавиатуры, знакомят их с архитектурой компьютера.
• ПМК1 (часть 2) «Основы
алгоритмизации» — учебные компьютерные среды, помогающие школьникам сделать
первые шаги в составлении алгоритмов.
• ПМК2 «Деловые применения
ЭВМ» — комплекс программ включает в себя базу данных, электронную таблицу,
текстовый процессор и деловую графику, что дает возможность комплексно изучить
все перечисленные виды программ, т е. освоить те информационные технологии,
которые необходимы каждому деловому человеку.
• ПМКЗ «Элементы компьютерной
графики» — пакет знакомит учеников с элементами технологии создания
компьютерных рисунков и фильмов.
• ПМК4 (часть 1) «Элементы
компьютерного моделирования» — позволяет ученикам освоить основные понятия
компьютерного моделирования, овладеть навыками построения простейших
компьютерных моделей.
• ПМК4 (часть 2) «Система
компьютерного моделирования» — уникальное современное программное средство для
компьютерного моделирования процессов в различных областях науки и техники.
• ПМКЗ «Компьютеры в системах
передачи информации» — программа предназначена для изучения темы «Компьютерные
телекоммуникации». Программа «Инфонет», входящая в его состав, позволяет
каждому ученику получить представление об электронной почте и других
возможностях работы в реальной телекоммуникационной сети.

21.1. «Знакомство с компьютером»,
«Компоненты компьютера»

Обе программы входят в состав
ПМК1 (часть 1) «Первые уроки информатики» и предусматривают начальное
знакомство учащихся с компьютером. В программе «Знакомство с компьютером»
учащиеся изучают работу с клавиатурой, возможности использования различных
клавиш, учатся работать с манипулятором «мышь», знакомятся с понятием «меню», а
также осваивают правила работы на персональных компьютерах. Заканчивается
изучение данной программы выполнением задания по вводу текста с клавиатуры,
причем текст, приведенный в программе, может быть использован для обучения
начальным навыкам слепой десятипаль-цевой печати учащихся младших классов. Программа
«Компоненты компьютера» дает полное представление обо всех составляющих ЭВМ,
причем если первоначальные знания ученика кажутся учителю недостаточными, то с
помощью системы дополнительного материала, имеющейся в программе, он может
помочь ему углубить свои знания.

21.2. «Кенгуренок», «Пылесосик»

Программы входят в состав
программно-методического комплекса ПМК1 (часть 2) и предусматривают изучение
основ алгоритмизации и программирования на языке специфических исполнителей,
например Кенгуренка. При изучении данных программных сред вводятся понятия
«процедура», «цикл», «ветвление», кроме того, ученики совершенствуют навыки
работы с клавиатурой (изучают функциональные клавиши, знакомятся с такими
возможностями компьютера, как запись программы на диск, считывание программы с
диска и т.д.).

21.3. CPEN

Редактор входит в состав ПМКЗ
«Элементы компьютерной грамотности». Обладает современным интерфейсом,
позволяет использовать для создания рисунков не только стандартные инструменты
рисования, такие как карандаш, кисть и др., но и обширную библиотеку,
адаптированную под детский рисунок. Имеется возможность работы с фрагментами
изображения и текста. В CPEN предусмотрены следующие серии меню:
• Сервис-меню, включающее
меню Команды, Библиотека, Блоки;
• меню инструментов и линий;
• меню активных слайдов,
дающее возможность выбора соответствующих рисунков;
• меню выбора узора;
• палитра цветов.
Кроме того,
программно-методический комплекс дает возможность создания и разработки
сценария, поэтому в его состав входит Редактор сценария — средство создания
компьютерных фильмов и простейших рекламных роликов.
http://www.bitpro.ru/CATALOG/index.html

22. Л-Граф

«Л-Граф» — это развитие основных идей С. Пейперта,
автора всемирно известного языка Лого.
Это универсальное средство
обучения принципам программирования, в котором
• реализован расширенный
набор команд «черепашьей графики»;
• имеется возможность
организации новых команд и занесения их в библиотеку «Л-Граф»;
• возможно создание новых
исполнителей со своим набором команд;
• предусмотрена диагностика
ошибок на русском или английском языке.
• загрузка фона для
графического режима и образа «Черепашки» позволяет создавать фантастические
картины на экране компьютера.
«Л-Граф» работает под управлением DOS версии 3.3 и выше.

23. Сетевой КЛАвиатурный
Тренажер «Склат»

Вам предстоит собрать
огромное количество кладов, путешествуя по замысловатому лабиринту. Но будьте
внимательны и ак-
куратны: все двери в
лабиринте открываются только при безошибочном наборе ключевого слова.
Отличительные особенности:
• работает как на одном
компьютере, так и в локальной сети;
• при работе в сети все
игроки путешествуют по одному и тому же лабиринту, устраивая при встрече друг с
другом занимательную дуэль;
• несколько уровней
сложности, автоматический переход от уровня к уровню при достижении заданной
скорости ввода текста;
• все слова, предназначенные
для набора учащимися, могут быть предварительно подготовлены и сгруппированы по
уровням сложности преподавателем.
«Склат» работает под управлением DOS версии 3.3 и выше, в Novell NetWare 2.1 и выше.

24. Sezam (Dunabook Publishing, Киев, 1993г., см. ИНФО. —
1998. —№1}

Программа включает в себя
следующие разделы:
• базовые понятия информатики
(назначение ЭВМ, системы счисления, понятие «информация», логические элементы и
структуры);
• архитектура компьютера;
• клавиатурный тренажер;
• основы алгоритмизации и
программирования (блок-схемы алгоритмов, основные операторы языков
программирования и т.д.);
• основные понятия и команды
операционной системы MS-DOS;
• основные понятия
операционной оболочки Norton
Commander;
• программы архивации
(создание архивов, извлечения файлов из архивов и т.д.);
• тест-программа Checkit;
• программное обеспечение
(основные понятия о текстовых редакторах, электронных таблицах, базах данных);
• первоначальные сведения об
антивирусных программах;
• введение в СУБД и языки
программирования (Ассемблер, Бейсик, Фортран, Паскаль);
• словарь терминов
информатики.

ПРОФИЛЬНЫЕ
КУРСЫ

25. Самоучитель Windows 95 & Microsoft Office (УНИАР)
bttp://www.inforeg.org.ru/2/catalog5/catalog.htm

Знакомство с Windows 95, обучение навыкам работы в средах: word 7.0, Excel 7.0, PowerPoint 4.0, Access 2.0.

26. Интернет шаг за шагом
http://www.inforeg.org.rU/2/catalog5/catalog.htm

Интерактивный учебник,
позволяющий получить навыки практической работы с Internet без непосредственного выхода в сеть, содержит ПО для просмотра Web-страниц и гипертекстовый справочник по
информационным ресурсам Интернет в России. Системные требования: от 486DX, 66
МГц, RAM 16 Мб, звук, плата, Windows 95. '

27. Office 97 шаг за шагом

Обучающая программа позволяет
начинающему пользователю освоить работу с программами Microsoft Word, Excel, PowerPoint. Системные требования: от 486, звук, плата, Windows 95.
Трактуева С. Л. Компьютеры в школе — программное
обеспечение и методическая поддержка // ИНФО. — 1998. — № 3. — С. 85-96.

28. Добро пожаловать в Интернет (см.
ИНФО. — 1998. — № 3)

Обучающая часть пакета
помогает выбрать и настроить модем, научиться работать с электронной почтой,
всемирной паутиной WWW и телеконференциями в учебном режиме без реального
подключения модема; содержит дистрибутивы программ для работы в Интернет,
гипертекстовый словарь на 900 терминов и большой каталог ресурсов сети
Интернет.

29. Уроки мультимедиа (см. ИНФО. —
1998. — № 3)

Компьютерный курс, состоящий
из 15 занятий по обучению и составлению мультимедийных программ под Windows, — компьютерных презентаций,
мультимедийных уроков, тестирующих систем и пр. Занятия проводятся в программной
среде Visual Basic.
http://www.bitpro.ru/catalog/aboutform.html

30. J-Lisp

В интегрированной системе «J-Lisp» реализованы
все основные функции языка Лисп, целочисленная арифметика, возможность работы
со строками и файлами. Система «J-Lisp» включает в себя: интерпретатор языка «J-Lisp», экранный
редактор, модуль работы с файлами, систему подсказок.

31. GPSS (General Purpose
Simulation System)

Язык моделирования позволяет
писать имитационные программы в такой форме, которая напоминает описание
моделируемой системой таким образом, что малым изменениям системы соответствуют
малые изменения в программе.
Рыжиков Ю.И. Решение научно-технических задач на
персональном компьютере.- СПб.: КОРОНА принт, 2000.

32. Fancy (КУДИЦ)
http-//schools.techno.ru/soft/kuduc.htm

Мощный графический пакет,
позволяющий создавать программы с развитой мультипликацией, сопровождаемые
простым и эффективным диалогом. С помощью Fancy можно создавать мультипликационные фильмы и игры по собственным
сценариям, рекламные ролики, пиктографические оболочки и меню, гипермедиа- и
гипертекстовые системы.

33. Комплект «Инженерные сети и
коммуникации» (АО «Аскон»)
http://www.ascon.ru

Стандартный комплект содержит
чертежно-конструкторскую систему КОМПАС-ГРАФИК, систему проектирования
спецификаций и пакеты библиотек. Система КОМПАС-ГРАФИК позволяет выполнять
геометрические построения на плоскости, для удобной работы со сложным чертежом
можно использовать локальные системы координат и разномасштабную сетку. В
отличие от многих других систем САПР, поддерживаются одновременная работа с несколькими
документами, технология OLE, позволяющая
легко встраивать созданные чертежи в документы других приложений Windows, например, в Word или Excel.

34. ПМК «Школьная автоматизированная
система проектирования»
http://www.ascon.ru

Основой
программно-методического комплекса «Школьная автоматизированная система
проектирования» являются чертеж-но-графический редактор КОМПАС-ШКОЛЬНИК и
программа ОБРАЗ, которая предназначена для создания моделей пространственных
твердотельных объектов.

35. Программы создания графиков
htt://www.softline.ru

• Surfer (Golden Software)
— полнофункциональный
пакет для моделирования трехмерных поверхностей;
• Golden Grapher (Golden Software) — система математической и графической обработки данных,
описываемых одномерной функцией;
• Axum (Math Soft) — графическое средство для обработки и
анализа данных.

36. Системы аналитических расчетов
 htt://www.softline.ru

• Mathematica (Wolfram Research)
— полностью
интегрированная система для проведения технических вычислений;
• Maple 6 (Waterloo Maple) — мощная интерактивная компьютерная алгебраическая система;
• Matlab (Math Works) — интегрированная вычислительная среда,
которая сочетает численные вычисления, совершенную графику и визуализацию, а также
язык программирования высокого уровня;
• Simulink 3.0 (MathWorks)
— интерактивная среда для
моделирования и анализа широкого класса динамических систем.

37. TeachPro Start
http://www.bitpro.ru

Обучающая система по MS Word 7.0, MS Excel 7.0, Internet, MS Windows 95 и аппаратной
части компьютера. Издание составлено из фрагментов полных курсов по MS Word 7.0, MS Excel 7.0, Internet, MS Windows 95 и аппаратной
части компьютера; предлагаются четыре режима обучения: непрерывный, пошаговый,
контрольный и тестовый.

38. Программа Outlook 2000 (Microsoft}
 http://www.bitpro.ru/catalog/aboutinform.html

Программа Outlook 2000 служит для работы с электронной корреспонденцией, составления
расписания, ведения базы данных деловых связей, открытия и просмотра
документов, созданных в других приложениях Microsoft Office. Кроме
того, Outlook позволяет использовать общие ресурсы и пополнять их своей
информацией посредством папок Microsoft Exchange, электронных форм, а также служб сетей Intranet и Internet.

Электронные каталоги
программного обеспечения
1. Информационный фонд
программных средств учебного назначения
http://www.riis.ru/windows/PS/fond22.html
2. Каталог РОСФОКОМП-2
http://www.mformika.ro/text/goscom/cinorgan/fundpr/cataloiL/catll-16.html
3. Каталог системных и
офисных программ http://soft.z3.ny o/main_os.html
4. Сервер ИнфоМир l^^^vv.gY^fnrnir.ru/soft.htm
5 Сервер школьного
образования. Обучающие программы http://nit.spb.ru/links/PROGRAM/index.html
6. Учебно-методический центр
(информатика) http://www-eimc.ru/teacher.html

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие редактора.. 3
Часть 1  7 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ В ШКОЛЕ.. 7
Глава 1  7 ИСТОКИ: ЭТАПЫ ВВЕДЕНИЯ ЭВМ, 7ПРОГРАММИРОВАНИЯ И ЭЛЕМЕНТОВ7
КИБЕРНЕТИКИ В
СРЕДНЮЮ ШКОЛУ СССР И РОССИИ (середина 50-х — середина 80-х гг. XX века) 7
1.1. Начало.. 7
1.2.
Специализация по программированию 8на базе школ с математическим уклоном.. 8
1.3. Обучение
школьников элементам 9кибернетики.. 9
1.4.
Специальные факультативные курсы.. 12
1.5.
Специализации на базе УПК.. 13
1.6. Развитие
общеобразовательного подхода. Алгоритмическая
культура учащихся. 14
1.7.
Электронные калькуляторы.. 19
1.8.
Появление ЭВМ массового применения. 20
1.9. Введение
в школу предмета «Основы информатики и
вычислительной техники». 21
1.10.
Рекомендации к проведению семинарского занятия. 23
Литература к
главе 1. 23
Глава 2  ПРЕДМЕТ МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ ИНФОРМАТИКИ.. 27
2.1.
Информатика как наука: предмет и понятие. 27
2.2.
Информатика как учебный предмет в средней школе. 36
2.3. Методика
преподавания информатики как новый раздел
педагогической науки и учебный предмет подготовки
учителя информатики.. 39
2.4.
Рекомендации к проведению семинарского занятия. 41
Литература к
главе 2. 41
Глава 3  ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ВВЕДЕНИЯ В ШКОЛУ ПРЕДМЕТА
ИНФОРМАТИКИ.. 44
3.1. О целях
общих и конкретных.. 44
3.2. Исходные
цели и задачи школьного курса ОИВТ. Понятие
компьютерной
грамотности
учащихся. 47
3.3.
Компьютерная грамотность и информационная культура
учащихся. 50
3.4.
Информационная культура учащихся: становление
понятия. 52
3.5. Рекомендации
к проведению семинарского занятия. 58
Литература к
главе 3. 59
Глава 4  СОДЕРЖАНИЕ ШКОЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ИНФОРМАТИКИ.. 61
4.1.
Общедидактические принципы формирования содержания
образования учащихся в области информатики   61
4.2.
Структура и содержание первой отечественной
программы учебного предмета ОИВТ. Учебный
алгоритмический язык А. П. Ершова.. 63
4.3. Машинный
вариант курса ОИВТ.. 66
4.4.
Формирование концепции содержания непрерывного
курса информатики для средней школы.. 69
4.5.
Стандартизация школьного образования в области
информатики. 73
4.6.
Рекомендации к проведению семинарского занятия. 76
Литература к
главе 4. 76
Глава 5  БАЗИСНЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ШКОЛЫ И МЕСТО
КУРСА ИНФОРМАТИКИ В СИСТЕМЕ УЧЕБНЫХ ДИСЦИПЛИН.. 78
5.1. Проблема
места курса информатики в школе. 78
5.2. Базисный
учебный план 1993 года (БУП-93) 81
5.3. Базисный
учебный план 1998 года (БУП-98) 84
5.4.
Структура обучения информатике в 12-летнем учебном
плане школы.. 88
5.5.
Рекомендации к проведению семинарского занятия. 90
Литература к
главе 5. 91
Глава 6 ОРГАНИЗАЦИЯ ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ
В ШКОЛЕ.. 93
6.1. Формы и
методы обучения информатике. 93
6.2. Средства
обучения информатике: кабинет вычислительной
техники
и программное
обеспечение. 100
6.3.
Организация работы в кабинете вычислительной
техники.. 105
6.4.
Рекомендации к проведению семинарских занятий. 107
Литература к
главе 6. 107
Часть 2 КОНКРЕТНАЯ МЕТОДИКА ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ В ШКОЛЕ БАЗОВЫЙ КУРС.. 109
Глава 7  ЛИНИЯ ИНФОРМАЦИИ И ИНФОРМАЦИОННЫХ
ПРОЦЕССОВ.. 111
7.1.
Методические проблемы определения информации.. 111
7.2. Подходы
к измерению информации. 116
7.3. Процесс
хранения информации.. 125
7.4. Процесс
обработки информации.. 127
7.5. Процесс
передачи информации.. 128
7.6.
Требования к знаниям и умениям учащихся по линии
информации
и
информационных процессов. 132
7.7.
Лабораторный практикум.. 133
Литература к
главе 7. 141
Глава 8 ЛИНИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ.. 143
8.1. Роль и
место понятия языка в информатике. 143
8.2.
Формальные языки в курсе информатики.. 145
8.3. Языки
представления чисел: системы счисления. 146
8.4. Язык
логики и его место в базовом курсе. 154
8.5.
Требования к знаниям и умениям учащихся по линии представления
информации.. 162
8.6.
Лабораторный практикум.. 164
Литература к
главе 8. 166
Глава 9  ЛИНИЯ КОМПЬЮТЕРА.. 168
9.1.
Представление данных в компьютере. 168
9.2.
Методические подходы к раскрытию понятия
архитектуры ЭВМ... 177
9.3. Развитие
представлений учащихся о программном обеспечении
ЭВМ... 191
9.4.
Требования к знаниям и умениям учащихся по линии
компьютера. 201
9.5.
Лабораторный практикум.. 203
Литература к
главе 9. 206
Глава 10 ЛИНИЯ ФОРМАЛИЗАЦИИ И МОДЕЛИРОВАНИЯ.. 208
10.1. Подходы
к раскрытию понятий «информационная модель», 208
«информационное
моделирование». 208
10.2.
Элементы системного анализа  в курсе информатики.. 218
10.3. Линия
моделирования и базы данных. 221
10.4.
Информационное моделирование  и электронные таблицы.. 227
10.5.
Моделирование знаний в курсе информатики.. 230
10.6.
Требования к знаниям и умениям  учащихся по линии
формализации и моделирования. 232
10.7.
Лабораторный практикум.. 234
Литература к
главе 10. 238
Глава 11 ЛИНИЯ АЛГОРИТМИЗАЦИИ И
ПРОГРАММИРОВАНИЯ.. 240
11.1. Подходы
к изучению алгоритмизации и программирования. 241
11.2.
Методика введения понятия алгоритма.. 247
11.3.
Методика обучения алгоритмизации на учебных
исполнителях, работающих «в обстановке». 251
11.4.
Методические проблемы изучения алгоритмов работы с
величинами.. 259
11.5.
Элементы программирования в базовом курсе
информатики. 266
11.6.
Требования к знаниям и умениям учащихся по линии
алгоритмизации и программирования. 274
11.7.
Лабораторный практикум.. 277
Литература к
главе 11. 280
Глава 12  ЛИНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.. 282
12.1.
Технология работы с текстовой информацией.. 283
12.2.
Технология работы с графической информацией.. 291
12.3. Сетевые
информационные технологии. 295
12.4. Базы
данных и информационные системы.. 307
12.5.
Электронные таблицы.. 317
12.6.
Требования к знаниям и умениям учащихся по линии
информационных технологий. 330
12.7.
Лабораторный практикум.. 333
Литература к
главе 12. 341
ПРОФИЛЬНЫЕ
КУРСЫ
Глава 13 ПРОФИЛЬНЫЕ КУРСЫ КАК СРЕДСТВО ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ
ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ НА СТАРШЕЙ СТУПЕНИ ШКОЛЫ... 343
Глава 14 ПРОФИЛЬНЫЕ КУРСЫ ИНФОРМАТИКИ, ОРИЕНТИРОВАННЫЕ
НА МОДЕЛИРОВАНИЕ.. 348
14.1.
Основные дидактические задачи и содержательные
линии курсов, ориентированных на моделирование  350
14.2. Формы и
методы обучения компьютерному моделированию... 354
14.3.
Методика преподавания отдельных тем, входящих в
различные курсы компьютерного моделирования  356
14.4.
Требования к знаниям и умениям учащихся. 393
14.5.
Варианты тематического планирования курсов,
ориентированных на моделирование. 396
14.6.
Лабораторный практикум.. 404
Литература к
главе 14. 410
Глава 15 ПРОФИЛЬНЫЕ КУРСЫ ИНФОРМАТИКИ,
ОРИЕНТИРОВАННЫЕ НА ПРОГРАММИРОВАНИЕ   412
15.1.
Методика обучения структурному программированию... 413
15.2.
Требования к знаниям и умениям учащихся. 440
15.3.
Тематическое планирование курсов программирования
на Паскале. 443
15.4.
Методика обучения объектно-ориентированному программированию... 445
15.5.
Требования к знаниям и умениям учащихся. 452
15.6.
Тематическое планирование курсов объектно-ориентированного
программирования. 458
15.7.
Методика обучения логическому программированию... 459
15.8.
Требования к знаниям и умениям учащихся. 466
15.9.
Тематическое планирование курсов логического
программирования. 470
15.10.
Лабораторный практикум.. 474
Литература к
главе 15. 478
Глава 16  ПРОФИЛЬНЫЕ КУРСЫ ИНФОРМАТИКИ, ОРИЕНТИРОВАННЫЕ
НА ГУМАНИТАРНЫЕ ЗНАНИЯ   481
16.1. Курс
«Информатика» для школ и классов гуманитарного
профиля. 481
16.2.
Требования к знаниям и умениям учащихся. 492
16.3.
Тематическое планирование курса  494
16.4. Курсы,
опирающиеся на изучение баз данных.. 496
16.5.
Лабораторный практикум.. 502
Литература к
главе 16. 504
Глава 17  ПРОФИЛЬНЫЕ КУРСЫ ИНФОРМАТИКИ, ОРИЕНТИРОВАННЫЕ
НА ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ.. 506
17.1.
Методика обучения обработке текстовой информации.. 507
17.2.
Требования к знаниям и умениям учащихся. 510
17.3.
Тематическое планирование курсов. 512
17.4.
Методика обучения обработке графической информации.. 514
17.5.
Требования к знаниям и умениям учащихся. 517
17.6.
Тематическое планирование курсов. 518
17.7.
Методика обучения обработке числовой информации.. 520
17.8.
Требования к знаниям и умениям учащихся. 523
17.9.
Тематическое планирование курсов. 524
17.10.
Тематическое планирование курса, посвященного
телекоммуникациям.. 525
17.11.
Лабораторный практикум.. 527
Литература к
главе 17. 530
Приложение 1. 532
Приложение 2. 539

Учебное издание

Лапчик Михаил
Павлович,
Семакин Игорь
Геннадьевич,
Хеннер Евгений
Карлович

Методика
преподавания информатики

Под общей
редакцией М. П. Лапчика
Учебное пособие
Редактор М. А.
Никитина
Технический
редактор Е. Ф. Коржуева
Компьютерная верстка:
Н. В. Соколова
Корректор И. Н.
Волкова

Диапозитивы
предоставлены издательством.

Подписано в печать 01.10.2001.
Формат 60x90/16. Гарнитура «Тайме».
Бумага тип. №2
Печать офсетная. Усл. Печ. Л. 39,0
Тираж 30000 экз.
(1-й завод 1- 10000 экз.) Заказ № 1048
Лицензия ИД №
02025 от 13.06.2000. Издательский центр «Академия».
111399, г. Москва,
ул. Мартеновская, 7.
Тел./факс:
(095)305-2387, 330-1092.
Отпечатано на
Саратовском полиграфическом комбинате.
410004, г.
Саратов, ул. Чернышевского, 59.

Скачано с www.znanio.ru

Скачано с www.znanio.ru

[1] Указатель
литературы имеется в конце каждой главы.

[2] Весьма схожее
впечатление об уникальной практике общения детей с компьютером (хоть это и относится
к более позднему периоду) осталось у будущего главы корпорации Microsoft Билла
Гейтса, которому такая возможность представилась в 13-летнем возрасте: «Дать
школьникам поработать с компьютером в конце шестидесятых — для Сиэтла это было
что-то! Такое не забывается!» [10, с. 1].

[3] Вот как на
наглядном примере трактуется это различие в учебном пособии по дидактике
средней школы: «Представители разных наук видят один и тот же объект по-разному,
в свете разных задач, в разных системах понятий, свойственных каждой науке,
выделяют в объекте разные стороны, разные связи и отношения.
Обучение может быть объектом изучения и
дидакта, и методиста, и психолога, и кибернетика. Но каждый из них выделяет для
изучения в этом объекте свое, ставит разные цели изучения и формулирует эти
цели и результаты изучения по-разному. Это значит, что каждый из них работает в
своем предмете. Эти специалисты могут, допустим, вместе прийти на урок. Они
увидят одно и то же, но каждый будет смотреть на происходящее сквозь призму
своей науки. Дидакт будет думать о том, какие общедидактические методы
применяет учитель, какие общие принципы он реализует. Методист обратит внимание
на соответствие способов преподавания и содержания учебного материала целям
обучения данному учебному предмету в школе.
Психолога преимущественно заинтересуют
особенности усвоения материала школьниками как проявление общих закономерностей
усвоения, а перед кибернетиком обучение предстанет как система управления с
прямой и обратной связью» [6, с. 9].

[4] Перечень рекомендованных
и широко используемых педагогических программных средств в поддержку школьного
курса информатики приведен в конце книги.

[5] Ставки
обслуживающего персонала устанавливаются соответствующими нормативными актами.
Так, например, «Типовое штатное расписание» (прило-кение к приказу № 373
Минобразования РФ от 2 сентября 1996 г.) при наличии оборудованного кабинета
информатики устанавливало следующие долж-|ности: в кабинетах, имеющих 20 комплектов
компьютеров — 1 ставка лаборан-21—30 комплектов — 1 ставка техника, свыше 30
комплектов — 1 ставка специалиста (инженера) и 1 ставка лаборанта [8].

* Пункты,
отмеченные звездочкой (гл. 7-12), относятся к углубленному уровню изучения
курса.

[6] Предложенные
варианты учебно-методических проектов остаются неизменными для всех разделов
базового курса информатики и уточняются в соответствии с содержанием учебного
материала каждого раздела курса.

[7] Здесь и в
дальнейшем имеется в виду Windows 95 и последующие версии этой ОС.

[8] Соответствующий
анализ проведен в диссертации А. П. Шестакова «Профильное обучение информатике
в старших классах средней школы на примере курса "Компьютерное
математическое моделирование"» // Дисс. А.П.Шестакова, канд. пед. наук. —
Пермь, 1999. — 180 с.

file_name: Методика преподавания информатики_Лапчик, Семакин, Хеннер_2001 -624с.doc

alt: ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ М.П

alt: Часть 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ

alt: Становление первых школ (классов) с математической специализацией позволило накопить важный для будущего опыт организационного взаимодействия общеобразовательных средних школ с вычислительными центрами крупных научно-исследовательских учреждений и…

alt: Специальные факультативные курсы

alt: ЭВМ. Накопленный таким путем опыт, особенно в части развития контактов школы и базовых научно-производственных предприятий, оснащенных вычислительной техникой, создавал предпосылки для развития нового канала внедрения…

alt: В этом случае задача разбивается на информационно замкнутые части (блоки), которым придается самостоятельное значение, и после составления первоначальной схемы, связывающей части задачи, проводится работа по…

alt: И в том и другом случае существенным компонентом алгоритмической культуры здесь является понимание общей схемы функционирования циклического процесса и, что особенно важно, умение выделять при…

alt: Гейтс Билл. Дорога в будущее:

alt: Глава 2 ПРЕДМЕТ МЕТОДИКИ ПРЕПОДАВАНИЯ

alt: Согласно определению, данному в

alt: Кроме того, за кибернетикой сохраняются исследования общих законов движения информации в произвольных системах, в то время как информатика, «опираясь на этот теоретический фундамент, изучает технологию…

alt: Основы информатики

alt: В связи с этим обстоятельством приходится констатировать, что на процессе формирования школьного учебного предмета информатики сказывается чрезвычайно малая временная дистанция между возникновением информатики как самостоятельной…

alt: Более того, такой путь исключает возможность формирования основных, фундаментальных понятий кибернетики в рамках и логике понятийного и методического аппарата, выработанного этой наукой, что является эффективным…

alt: Глава 3 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ВВЕДЕНИЯ

alt: ЭВМ, требующие от учащихся умственных и волевых усилий, концентрации внимания, логичности и развитого воображения, должны способствовать развитию таких ценных качеств личности, как настойчивость и целеустремленность,…