Развитие аналитических способностей школьников на уроках информатики

Согласно нормативным документам, содержание базового курса информатики должно сочетать в себе три основных направления в обучении, отражающих важнейшие аспекты ее общеобразовательной значимости:

1. вносить вклад в научное мировоззрение обучающихся (теоретико-мировоззренческая цель);
2. развивать алгоритмический стиль мышления (развивающая цель);
3. передавать обучающимся определенные практические умения и навыки, полезные в жизни, в учебе и в будущей профессиональной деятельности (прагматическая цель).

Содержательная линия «Алгоритмизация и программирование» имеет отношение ко всем трем целям. В связи с этим следует рассматривать несколько аспектов изучения данной линии: теоретический, развивающий и прагматический.

Содержательную линию раздела можно разделить на два предмета обучения: обучение алгоритмизации и обучение программированию на ЭВМ (языкам программирования).

Рассмотрим развивающий аспект обучению алгоритмизации. Развитие алгоритмического (процедурного) мышления обучающихся происходит тем эффективнее, чем раньше оно начинается. Методика и средства пропедевтического обучения алгоритмизации широко известны и хорошо отработаны. Если же, согласно базисному учебному плану, изучение информатики должно начинаться с 8 класса, то освоение алгоритмизации учениками будет происходить несколько более затруднительно.

Цель обучения алгоритмизации заключается в овладении обучающимися структурной методикой построения алгоритмов. Это значит, ученики должны научиться использовать в практике построения алгоритмов основные управляющие структуры: следование, ветвление, цикл; уметь разбивать задачу на подзадачи, применять метод последовательной детализации алгоритма. Дидактические средства, их реализующие, - разнообразные учебные исполнители алгоритмов ( Черепаха, Робот, Чертежник, Кенгуренок и пр.).

Известна методическая идея, идущая от А.П.Ершова: исполнители алгоритмов делятся на исполнителей, работающих «в обстановке» и исполнителей, работающих с величинами. Перечисленные исполнители относятся к первой группе. Использование таких исполнителей с методической точки зрения очень эффективно. Основные достоинства – понятность решаемых задач, наглядность работы исполнителя, поддержка структурной методики алгоритмизации. Уровни сложности задач можно варьировать от простых до сложных, адаптируя к способностям учеников. Исходя из этого, можно сказать, что задача развития структурного алгоритмического мышления обучающихся решается в полной мере на учебных исполнителях, работающих «в обстановке» [12].

При изучении алгоритмизации в пропедевтическом курсе развивающий аспект является основным. Однако в базовом курсе информатики к нему добавляются еще новые аспекты, которые относят к теоретическим целям школьной информатики:

1. Кибернетический аспект - знакомство с информационными основами процессов управления. Место алгоритмов в этой теме определяется следующим тезисом: алгоритм управления – это информационная составляющая всякой системы управления. В процессе управления происходит передача данных о состоянии управляемого объекта по линии обратной связи, а по линии прямой связи – управляющая информация, т.е. команды управления. Последовательность команд управления и составляет алгоритм управления. Его должен «знать» управляющий объект.

Учебные исполнители алгоритмов являются хорошимиммоделями процессов управления. На них, в частности, хорошо иллюстрируется тот факт, что без обратной связи алгоритм управления может быть только линейным, а при наличии обратной связи может содержать ветвления и циклы. Например, в исполнителе «Кенгуренок» управляющий изображен мальчиком Кристоффером, который управляет кенгуренком Ру. При проверке условий Кристоффер задает Ру вопрос и получает от него ответ. В зависимости от ответа выдается последующая команда. После этого любой ученик понимает, что такое обратная связь.

2. Программистский аспект заключается в связи линии алгоритмизации и программирования с линией компьютера, с более глубоким раскрытием понятия программного управления ЭВМ. Ученики должны получить ответы на вопрос: что такое программа для ЭВМ? Как ЭВМ управляет «сама собой»? Почему ЭВМ можно назвать самоуправляемой системой?

Изучение алгоритмизации в программистском аспекте связано с введением новой группы понятий (в дополнение к алгоритмическим структурам): понятия величины, типа и структуры величины, константы и переменной, присваивания значения переменной, действия (операции) над величинами, выражения (арифметические, логические, строковые). Если до изучения этой темы ученики работали с базами данных и электронными таблицами, то представление о величинах и их свойствах у них уже имеется. От этих представлений можно оттолкнуться, вводя понятие величины в языках программирования [20].

При наличии небольшого объема учебного времени, программирование в базовом курсе может изучаться лишь на уровне введения. Основная задача ограничивается рамками все той же линии компьютера: раскрывается понятие программного управления работой компьютера. Изучение происходит на примерах простых программ. Показывается, как организуется простейший диалог компьютера с человеком: компьютер спрашивает, ученик отвечает, компьютер реагирует на ответ в соответствие с его содержанием. Показывается, как организуются простейшие вычисления, например, вводится числовая последовательность, выводится ее среднее арифметическое значение; или вводятся два числа, выводится их наибольший общий делитель (алгоритм Евклида) и т.п. Изучение основ профессионального программирования возможно либо при профильном обучении информатики либо на элективном курсе.

Для того чтобы ученик действительно научился программировать, он должен:

• уметь приводить примеры алгоритмов, перечислять свойства алгоритмов;
• уметь определять возможность применения исполнителя для решения конкретной задачи по системе его команд;
• знать основные алгоритмические конструкции и уметь использовать их для построения алгоритмов;
• уметь строить и исполнять алгоритмы для учебных исполнителей;
• уметь использовать стандартные алгоритмы для решения учебных задач;
• уметь записать на учебном алгоритмическом языке (языке программирования) алгоритм решения простой задачи;
• уметь составлять простейшие алгоритмы и записывать их различными способами;
• знать один из языков программирования, основные алгоритмические конструкции языка и соответствующие им операторы языка программирования, подпрограммы: функции, процедуры, рекурсии;
• знать переменные величины: тип, имя, значение, уметь их описывать;
• знать структурированные типы данных: массивы, записи, файлы;
• уметь решать основные учебные задачи на массивы:

1. упорядочивание массива;

2. поиск минимального и максимального  элементов массива с указанием  их местоположения;

3. разные виды сортировок элементов  массива;

• уметь работать с записями и файлами;
• уметь разработать программу методом последовательной детализации (сверху вниз);
• знать машинную графику: уметь строить график функции, создавать движущиеся изображения, моделировать простейшие физические процессы;
• уметь применять численные методы, создавать диалоговые программы;
• знать основы объектно-ориентированного программирования: понятия объекта, свойства объекта, операции над объектом [20].

Анализ литературы по проблеме развития аналитического мышления школьников позволяет сделать вывод о том, что такие мыслительные операции, как анализ, синтез, сравнение, абстрагирование, обобщение являются основой развития у обучающихся познавательных действий, в первую очередь аналитических. Важнейшей задачей образования является вооружение обучающихся общими приемами мышления, пространственного воображения, развитие способности понимать смысл поставленной задачи, умение логично рассуждать, усвоить навыки алгоритмического мышления.

Систематическое использование на уроках специальных задач и заданий, направленных на развитие аналитического мышления, расширяет кругозор школьников, позволяет более уверенно ориентироваться в простейших закономерностях окружающей их действительности и активнее использовать полученные знания в повседневной жизни.

Проведенный анализ педагогической и методической литературы показывает, что в настоящее время в школьном курсе информатики изучение алгоритмизации и программирования связывают с развитием алгоритмического стиля мышления как составной части навыков формализации и моделирования, с пониманием возможностей алгоритмизации и умением решать поставленные задачи.

• 1.3. Развитие аналитических способностей при изучении раздела «Алгоритмизация и программирование»

Основной целью изучения раздела «Алгоритмизация и программирование» является развитие системного, аналитического, алгоритмического мышления, то есть мышления теоретического.

Согласно п.1.1. работы, аналитическое мышление представляет собой понимание ситуации при помощи разбиения ее на более мелкие части, или отслеживание предпосылок ситуации шаг за шагом по принципу причинности.

Согласно п.1.2 работы, основными компонентами алгоритмического мышления являются:

1. структурный анализ задачи;
2. разбиение большой задачи на малые;
3. сведение нерешенной задачи к решенным;
4. планирование возможных ситуаций и реакций на них;
5. понимание и использование формальных способов записи решения.

Таким образом, развитие алгоритмического мышления напрямую зависит от аналитического мышления, т.к. все аналитические операции и являются основой для развития алгоритмического мышления.

Умение «расчленять» задачу на подзадачи считают структурным стилем мышления. Особенности указанного стиля: простота и ясность; использование только базовых (основополагающих) конструкций; отсутствие многоцелевых функциональных блоков и т. д. Отметим, что компьютер, система программирования не являются целью обучения, они – инструмент реализации целей, хотя при этом, разумеется, познается, в определенном объеме, и сам инструмент.

В методической литературе по информатике отмечены различные способы формирования алгоритмического мышления школьников: проведение систематического и целенаправленного применения идей структурного подхода (А.Г. Гейн, В.Н. Исаков, В.В. Исакова, В.Ф. Шолохович); повышение уровня мотивированности задач (В.Н. Исаков, В.В. Исакова); постоянная умственная работа (Я.Н. Зайдельман, Г.В. Лебедев, JI.E. Самовольнова).

В.В. Левитес [14] предложил систему приемов и заданий для индивидуальной работы с детьми по развитию логического и алгоритмического мышления. Целью данной системы является формирование и развитие простых логических действий (приемов мыслительной деятельности) на основе использования логического конструирования на образном математическом материале через непосредственную предметную деятельность с вещественным материалом: конструктивную деятельность с моделями фигур, конструктивно-графическую – с использованием специальной рамки-трафарета с геометрическими прорезями, логико-графическую, сопровождающую решение всех предлагаемых заданий.

А.И. Газейкина выделяет следующий методический прием для развития алгоритмического мышления [3]

1. Создание  нового алгоритма, его запись, проверка  и исполнение самим обучаемым  или выбранным исполнителем.

2. Усвоение алгоритмов решения основных типовых задач.

3. Поиск  и исправление синтаксических  и семантических ошибок в алгоритме.

4. Оптимизация  готового алгоритма, т.е. его упрощение  и улучшение.

Для каждого этапа с учетом психолого-физиологических возрастных способностей определяется минимально возможный уровень каждого из основных элементов алгоритмического мышления и максимальный уровень. В этих пределах для каждого этапа выделяются информационный и практический блоки. В информационный блок входят все знания, которыми должен овладеть школьник после прохождения этапа. Практический блок представляет собой систему заданий прикладного характера, выполняемых школьникам на данном этапе.

И.Н. Слинкина предлагает использовать программные комплексы на основе качественного изменения возможностей современных ЭВМ, а также следующие комплексы действий, посредством которых реализуется алгоритмическое мышление [29]:

1. Создание  нового алгоритма, его проверка  и исполнение.

2. Проведение  синтаксического анализа текста.

3. Трассировка алгоритма.

4. Выполнение  готового алгоритма.

5. Оптимизация  готового алгоритма.

А.Г. Гейн считает в развитии мышления важным этапом освоение системы базовых знаний, отражающих вклад информатики в формирование научной картины мира, роль информационных процессов в социальных, биологических и технических системах.

В работах [8, 12] были определены три основных уровня развития алгоритмического мышления: операционный (владеет некоторыми разрозненными операциями, но не может сочетать их, не владеет структурой их вложенности), системный (знает некоторые способы сочетания операций конструкций создания этих сочетаний, умеет решать стандартные задачи на применение алгоритмического мышления), методологический (умеет использовать уже имеющиеся мыслительные схемы решения некоторых алгоритмических проблем, может преобразовать их в изменяющихся условиях или трансформировать имеющиеся).