Развитие алгоритмического мышления у учащихся основной школы на занятиях по программированию и робототехнике

Размещено на http://www.allbest.ru

Развитие алгоритмического мышления у учащихся основной школы на занятиях по программированию и робототехнике

А.М. Костюк, С. С. Ярова

Аннотация

В статье рассматриваются особенности непрерывного развития алгоритмиче-ского мышления у учащихся основной школы на занятиях по программированию и робототехнике. Рассмотрена целесообразность и даны практические советы по ис-пользованию различных современных технологий, таких как игра Minecraft, робото-технические конструкторы LEGO EV3 и VEX IQ, способствующих развитию алго-ритмического мышления у учащихся основной школы.

Ключевые слова: алгоритмическое мышление; программирование; робототехника; Minecraft;

Abstract

Development of Algorithmic Thinking for Main School Students at Programming and Robotics

A. M. Kostyuk, S. S. Yarova

The paper considers the features of the continuous development of algorithmic think-ing in preschoolers and elementary school students in programming and robotics classes. The expediency is outlined, as well as practical tips for using various modern technologies for developing algorithmic thinking in preschool and elementary school students such as the game Minecraft using the educational mod ComputerCraftEdu, robotic constructors LEGO EV3 and VEX IQ.

Keywords: algorithmic thinking; programming; robotics; Minecraft; LEGO EV3; VEX IQ.

Современному обществу необходим индивид, способный самостоятельно ставить перед собой учебные цели, проектировать пути их развития и реализации, а также держать под контролем и ана-лизировать полученные результаты, выстраивать свою точку зрения, мнение, опираясь на оценку различных источников информации. В настоящее время личность должна уметь ориентироваться в новом, технологически развитом и все еще продолжающем свое развитие мире высоких технологий. Этот динамичный, постоянно изменяющийся мир требует от человека адекват-ного восприятия нового, умения адаптироваться и непрерывно совершенст-воваться.

В настоящее время существует высокая потребность в изучении програм-мирования и робототехники в образовательных учреждениях. Использование возможностей образовательной робототехники на занятиях с учащимися ос-новной школы позволяет развивать алгоритмическое мышление, формирует умение мыслить структурами, представлять их в виде упорядоченного мно-жества формализованных записей, строить и исследовать информационные модели реальных объектов, разбивать задачу на составляющие и приводить их к известным подзадачам.

Содержание алгоритмической подготовки школьника имеет огромный по-тенциал для формирования и развития многих качеств мышления, нравствен-ных и эстетических качеств личности, являющихся основой выбора жизненной позиции и социального поведения. Значительное влияние алгоритмическая подготовка оказывает на формирование и развитие логического, абстрактного, творческого, языкового и операционного мышления, направленного на выбор оптимальных решений [4].

Одна из основных проблем освоения школьного курса информатики, и в первую очередь программирования, заключается в преимущественно теоретическом характере изучения содержания предмета, которое на самом деле теснейшим образом связано с нашей повседневной жизнью. Создание образовательных сред, в которых можно придать процессу обучения интерак-тивный характер, увязать изучаемый материал с решением практических задач и тем самым мотивировать обучающихся, позволяет существенно повысить эффективность образовательного процесса, а также непрерывно развивать алгоритмическое мышление у учащихся [5].

Изучение основ алгоритмизации, программирования и робототехники в основной школе с использованием средств, описываемых в данной статье, будет способствовать формированию и развитию обучения обобщенным спо-собам применения сформированных знаний и умений на практике, поскольку все алгоритмы и программы выполняет исполнитель (например, Черепашка или робот). Обучение направлено на овладение обязательным общеобразо-вательным минимумом подготовки в области информатики, формирование элементов информационной культуры, образование школьников с помощью алгоритмики, а также оно способствует ориентации выбора будущей профес-сии на специальности, связанные с информационными технологиями [3].

В настоящее время в образовании широко применяется такое направление, как STEM-образование (акроним от англ. слов «наука», «технологии», «инже-нерия», «математика») -- это образовательная система, которая сочетает в себе обучение естественным наукам, технологиям, техническому творчеству и мате-матике с целью поддержки научной, инженерной и технической составляющей в образовании школьников.

STEM-образование можно рассматривать как своеобразную подпорку, ликвидирующую пробелы в знаниях, связанных с выполнением тех или иных учебных инженерных проектов, осуществляемых детьми, особенно по робото-технике. Собирая робота, учащиеся должны владеть определенными знаниями в области физики (разделы «Механика» и «Электричество»), химии (материа-лы и их взаимодействие), математики и информатики (логика, алгоритмика, программирование).

Все эти знания одновременно применяются в рамках создания проекта (например, соревновательного робота), который выполняет обучающийся под руководством учителя. В этой ситуации от учителя требуется владение знаниями в данных дисциплинах, а также умение работать руками, инже-нерная смекалка и талант программиста. При этом вовсе необязательно, что учащийся в будущем выберет профессию программиста, полученные навыки пригодятся в обыденной жизни, особенно умение структурно (алгоритми-чески) мыслить, упорядочивать действия, анализировать системно задачу и решать ее¹ [1].

Развитие алгоритмического мышления у учащихся основной школы средствами игры Minecraft с помощью образовательного мода ComputerCraftEdu

Первой ступенью развития алгоритмического мышления у учащихся ос-новной школы, на взгляд авторов, является изучение программирования средст-вами игры Мтесгай с помощью образовательного мода ComputerCraftEdu. Учащиеся используют визуальный редактор, но уже на английском языке (5-й класс).

На первых занятиях учащиеся знакомятся с исполнителем Черепашка и составляют простые алгоритмы в визуальном редакторе ComputerCraftEdu. На данном этапе изучения программирования учащиеся знакомятся с видами алгоритмов, учатся составлять блок-схемы для каждого такого вида, а также использовать различные виды алгоритмов при составлении программ в ви-зуальном редакторе. Также они учатся использовать переменные, программи-ровать исполнителя Черепашка и с его помощью строить объекты в открытом мире Мтесгай.

Занятия строятся таким образом, чтобы заинтересовать учащихся ин-форматикой и найти ответы на вопросы, с которыми им приходится сталки-ваться в повседневной жизни при работе с большим объемом информации. Также программирование в Мтесгай формирует у детей навыки грамотной разработки и оформления программы. Занятия направлены на развитие мыш-ления учащихся и воспитания у них информационной культуры. При обучении выполняются задания, развивающие способности к творчеству, а также умение анализировать, систематизировать, визуализировать информацию. Дети учатся моделировать реально происходящие процессы, то есть создавать информа-ционную модель задачи.

Прежде чем приступить к составлению программ, педагог должен позна-комить обучающихся с построением блок-схем, что научит их продумывать наперед свои шаги: сначала выстраивать алгоритм с помощью блок-схемы и уже только затем начинать писать программу.

В начале обучения перед учащимися стоит задача пройти лабиринт с по-мощью запрограммированной Черепашки, используя линейный алгоритм и простые команды, также они знакомятся с блоком «начало - конец» и команд-ным блоком (или блоком действия), учатся составлять блок-схемы линейного алгоритма (рис. 1).

Рис. 1. Линейный алгоритм в Minecraft

При обучении составлению блок-схем важно использовать жизненные ситуации, к примеру можно предложить учащимся составить алгоритм при-готовления бутерброда и затем вместе поэтапно разобрать каждый шаг, далее дети должны самостоятельно придумать и записать собственные алгоритмы в виде блок-схем. Таким образом можно достичь закрепления полученных знаний и умений, а также педагог имеет возможность точно удостовериться, понял ли каждый ребенок новую тему. После этого учащиеся знакомятся с алгоритмом ветвления и условным блоком, для изучения предлагаются услов-ные операторы if, then, else, команды «обнаружить блок» и «определить блок», что позволяет построить программу с условиями, к примеру «если под Чере-пашкой земля, то копать, иначе идти вперед». Таким образом учащиеся здесь учатся анализировать, при каком условии какие действия должен выполнить исполнитель.

Затем можно приступить к изучению циклических алгоритмов: с повтори-телем/счетчиком, с предусловием и с постусловием, при этом рекомендуется начинать с алгоритма с повторителем, здесь же вводится блок подготовки дан-ных. Для изучения данного цикла учащимся предлагается построить радугу в Minecraft. Дети вместе с педагогом составляют блок-схему циклического алгоритма с повторителем, далее, пользуясь полученной блок-схемой, учащие-ся составляют программу.

Также очень важно, чтобы учащиеся сделали вывод о том, что каждая часть радуги повторяет предыдущую, и здесь достаточно использовать одну и ту же программу. На данном этапе необходимо использовать полученные ранее зна-ния и составлять комбинированные алгоритмы для случаев, когда внутри цикла с повторителем добавляется ветвящийся алгоритм, к примеру у Черепашки есть рюкзак с блоками для строительства, в котором много отделений (сло-тов), и нужно сделать так, чтобы, когда блоки в одном слоте заканчиваются, Черепашка брала их из следующего.

Именно на данном этапе вводится понятие «переменная», при изучении которого также очень важно использовать жизненные ситуации, например напомнить, что значение возраста учащихся (переменная) меняется с каждым годом на единицу (рис. 2).

Рис. 2. Цикл с повторителем в Minecraft

Освоив циклический алгоритм с повторителем, можно приступать к изу-чению циклического алгоритма с предусловием («постройка фонтана»). Важно объяснить, что в данном алгоритме, как и в алгоритме ветвления, есть усло-вие, но только если в ветвящемся алгоритме проверка выполняется один раз, то в цикле с предусловием тело цикла и проверка в нем будут выполняться до тех пор, пока условие истинно.

После всего вышеизученного можем переходить к рассмотрению цикличе-ского алгоритма с постусловием, объясняя детям, что если в цикле с предусло-вием проверка условия происходит перед выполнением тела цикла, то в цикле с постусловием сначала тело цикла выполняется, а затем проверяется условие. Для того чтобы учащиеся максимально поняли данное различие, приводим в пример кота Леопольда, который удит рыбу: в цикле с предусловием он сна-чала проверяет, полное ли у него ведро, а затем закидывает удочку, ловит рыбку и кладет ее в ведро, а в цикле с постусловием Леопольд сначала заки-дывает удочку, ловит рыбку, кладет ее в ведро и только после этого проверяет, полное ли оно.

На этапе изучения цикла с постусловием учащимся предлагается построить дом в Мтесгай, в программе постройки которого также исполь-зуются ветвящийся алгоритм и переменные. Важно, что при разборе и со-ставлении программы, учащиеся знакомятся с трехмерной системой коор-динат, что положительно влияет на развитие не только алгоритмического, но и пространственного мышления, поскольку необходимо продумать, в какой плоскости какие команды необходимо выполнить, например, объекту Чере-пашка (рис. 3).

Рис. 3. Цикл с постусловием в Мтесгай

После изучения всех вышеизложенных видов алгоритмов и овладения навыками их использования при постройке различных конструкций в мире Мтесгай учащимся необходимо предложить создать собственный проект, а также поучаствовать в конкурсе проектов, например в таком, который ежегод-но организует Дворец творчества детей и молодежи им. А. П. Гайдара.

Развитие алгоритмического мышления у учащихся основной школы средствами образовательного робототехнического конструктора LEGO EV3

Развитие алгоритмического мышления учащихся основной школы мож-но продолжить, используя наборы LEGO EV3 (5-6-е классы). На базе это-го набора учащиеся смогут расширить полученные ранее знания в области механики. К примеру, если в начальной школе, используя наборы LEGO WeDo, школьники рассматривали обычную зубчатую передачу, то в основной школе можно приступить к изучению передаточного числа и редуктора с несколькими ступенями.

На данном этапе продолжаем вести программирование в визуальном редак-торе для того, чтобы учащимся было легче адаптироваться к большему объему информации в технической части создания роботов. Одним из преимуществ изучения робототехники на базе конструктора LEGO EV3 является построение курса таким образом, что за одно занятие учащиеся успевают изучить новую тему, сконструировать робота по инструкции, запрограммировать его, провести эксперимент и разобрать робота. Возможность использования множества гото-вых методик, предложенных разработчиками LEGO, позволяет разнообразить уроки математики, информатики и физики при помощи дополнительных раз-делов «Инженерные проекты», «Космические задания» и «Окружающий мир».

Работая в этом конструкторе, можно приступать и к изучению датчиков (датчик касания, ультразвуковой датчик расстояния, датчик цвета, гироско-пический датчик), продолжая знакомство с бионикой, так как датчики робота позволяют ему ориентироваться в пространстве так же, как это возможно у человека с его органами чувств. Программирование на LEGO EV3 продолжает процесс формирования умения программировать с помощью изученных ранее алгоритмических струк-тур. Интерфейс среды программирования построен по тому же принципу, что и в LEGO WeDo и в Scratch (рис. 4), благодаря чему учащимся легче ориенти-роваться в командах.

Рис. 4. Интерфейс среды программирования LEGО EV3

Развитие алгоритмического мышления у учащихся основной школы средствами образовательного робототехнического конструктора

Изучив основы создания функционирующего робота, способного вы-полнять поставленные перед ним задачи, и получив при этом разнообраз-ные полезные занятия и возможности расширить области реализации новых конструкторских идей, учащиеся могут приступить к программированию на текстовом языке C++, используя конструкторы VEX IQ и специализирован-ную среду программирования RobotC.

На занятиях по робототехнике с использованием конструктора VEX IQ происходит решение конструкторских, художественно-конструкторских и тех-нологических задач, что является основой для развития творческой деятель-ности, конструкторско-технологического и алгоритмического мышления, пространственного воображения, эстетических представлений, формирования внутреннего плана действий [2].

Согласно федеральному государственному образовательному стандарту основного общего образования результаты изучения предметной области «Технология» должны отражать «овладение методами учебно-исследова-тельской и проектной деятельности, решение творческих задач, моделирова-ния, конструирования и эстетического оформления изделий». Благодаря уча-стию в соревнованиях VEX IQ Challenge педагогу вместе с учащимися можно достичь всех вышеназванных предметных результатов, поскольку перед уча-щимися стоит задача спроектировать, сконструировать и запрограммировать принципиально нового робота, способного выполнять поставленную задачу на рабочем поле, причем задача эта ежегодно меняется.

Для успешного создания проекта (соревновательного робота) учащимся необходимо применить знания из области математики, информатики, физики и робототехники, что позволяет обеспечить «активное использование знаний, полученных при изучении других учебных предметов, и сформированных универсальных учебных действий». Это действительно так, поскольку техно-логические наборы VEX IQ ориентированы на изучение основных физических принципов и базовых технических решений, лежащих в основе всех современ-ных конструкций и устройств.

Официально компания VEX Robotics предлагает использовать конструк-торы VEX IQ начиная с начальной школы, но, основываясь на практиче-ских данных, рекомендовано начинать их использование в основной школе (7-9-е классы), так как учащиеся владеют к этому времени гораздо большими базовыми знаниями в различных предметных областях, а также им легче ус-воить новые знания в области механики, физики и информатики. Значительным преимуществом занятий робототехникой на базе конструктора VEX IQ яв-ляется то, что регламент и элементы соревнований ежегодно меняются, соответственно, курс обучения рассчитан не на один год.

В первый год обучения робототехнике на базе данного конструктора ре-комендуется познакомить учащихся с принципами конструирования, различ-ными типами передач, способами крепления, механическими конструкциями на основе сборки готовых моделей по инструкции, в том числе и для участия в тренировочных соревнованиях VEX IQ Challenge, организуемых Дворцом творчества детей и молодежи им. А. П. Гайдара совместно с компанией «Экза- мен-Т ехнолаб».

Важно отметить, что на занятиях учащиеся взаимодействуют в парах, и это позволяет развивать метапредметные универсальные учебные действия, а именно коммуникативные.

В первый год обучения учащимся рекомендуется использовать графиче-ский редактор RobotC для изучения основных принципов программирования роботов на языке C++, а также для того чтобы быстро и более просто запро-граммировать робота для управления им с помощью джойстика (рис. 5).

Рис. 5. Программа для управления пультом в графическом редакторе RobotC

После участия в соревнованиях можно приступить к изучению раз-личных датчиков и их программированию, а также к работе в виртуальных мирах VEX IQ, в которых учащиеся получают возможность отточить свои приобретенные умения, программируя робота на выполнение задач на раз-личных виртуальных площадках (прохождение лабиринта, езда по светофору и по черной линии, погрузка контейнеров, сортировка цветных блоков и многое другое).

Пройдя все перечисленные выше шаги обучения, учащиеся будут готовы к следующему этапу (второй год обучения), в рамках которого они приступят к созданию своего собственного соревновательного робота, используя при этом полученные на предыдущем курсе знания, а также могут приобрести новые, поскольку теперь они приступают к программированию робота в текстовом редакторе RobotC и изучению основных алгоритмических структур текстового кода.

На данном этапе присутствует проблемное обучение: перед учащимися стоит проблема, которую необходимо решить, создав функционирующего на поле робота. На данном этапе учащиеся принимают участие во Всерос-сийских соревнованиях VEX IQ Challenge, проходящих на базе фестиваля «РобоФест» [5].

На следующем этапе изучения робототехники на базе конструктора VEX IQ (третий год обучения) учащиеся готовятся к участию в одном из самых пре-стижных соревнований -- Международном чемпионате профессионального мастерства WorldSkills (компетенция «Мобильная робототехника»), на котором применяются модифицированные регламенты VEX IQ Challenge, что позволяет учащимся параллельно готовиться к этим соревнованиям в том числе, посколь-ку возможно создать одного робота, способного выполнять поставленные за-дачи как на чемпионате WorldSkills, так и на соревнованиях VEX IQ Challenge. Также на данном этапе рекомендуется приступить к изучению программы SnapCAD, которая позволяет создавать виртуальные модели роботов, разбирать пошагово и составлять инструкции по сборке своих собственных моделей.

Таким образом, изучая робототехнику на базе конструктора VEX IQ, у уча-щихся формируется умение устанавливать взаимосвязи знаний по разным учебным предметам для решения прикладных учебных задач (создание со-ревновательного робота), учащиеся овладевают методами проектной деятель-ности, решения творческих задач, а также моделирования, конструирования и эстетического оформления роботов, у них продолжает развиваться алго-ритмическое и пространственное мышление, формируется информационная и алгоритмическая культура, развивается умение составить и записать алго-ритм для конкретного исполнителя, формируются знания об алгоритмических конструкциях, логических значениях и операциях, учащиеся получают базовые представления о языке программирования C++ и основных алгоритмических структурах на данном языке.

Выводы

В данной статье авторами была рассмотрена концепция непрерывного развития алгоритмического мышления у учащихся основной школы.

В качест-ве наиболее принципиальных характерных черт данной концепции, а также общих рекомендаций можно выделить следующее:

1. Изучение программирования средствами игры Мтесгай с помощью образовательного мода ComputerCraftEdu помогает побудить у учащихся ин-терес к информатике и найти ответы на вопросы, с которыми им приходится сталкиваться в повседневной жизни при работе с большими объемами инфор-мации, формирует у учащихся навыки грамотной разработки и оформления программы, развивает алгоритмическое мышление, способности к творчеству, умение анализировать, систематизировать и визуализировать информацию. Изучая программирование и робототехнику на базе набора LEGO EV3, учащиеся расширяют полученные ранее знания в области механики и про-должают формировать умение программировать с помощью изученных ранее алгоритмических структур. На занятиях по робототехнике с использованием конструктора VEX IQ решаются конструкторские, художественно-конструкторские и технологиче-ские задачи, что является основой в развитии творческой деятельности, конст-рукторско-технологического и алгоритмического мышления, пространствен-ного воображения, эстетических представлений, формирования внутреннего плана действий. Основываясь на вышеизложенном, можно говорить о том, что таким образом выстраивается непрерывная цепочка развития алгоритмического мышления у учащихся основной школы средствами различных современных технологий, таких как игра Minecraft (с помощью образовательного мода ComputerCraftEdu), робототехнических конструкторов LEGO EV3 и VEX IQ, которая способна оказать существенное влияние на общеинтеллектуальное развитие ребенка.

Литература

1. Григорьев С. Г., Курносенко М. В. Инженерное образование и STEM- образование. Реальность и перспективы // Информатизация образования и методика электронного обучения: мат-лы II Междунар. науч. конф. Красноярск: СФУ, 2018. Ч. 2. С. 13-19.

2. Каширин Д. А., Федорова Н. Д. Основы робототехники VEX IQ: учеб.-метод. пособие. М.: Экзамен, 2016. 136 с.

3. Левченко И. В. Частные вопросы методики обучения теоретическим основам информатики в средней школе: учеб. пособие. М.: МГПУ, 2007. 160 с.

4. Левченко И. В. Методологические вопросы методики обучения информатике в средней общеобразовательной школе: учеб.-метод. пособие. М.: МГПУ, 2012. 124 с.

5. Abdurazakov M. M., Aziyeva J. H., Romanov P. Yu., Sadykova A. R. Teachers it competence structure and content in 5the field of cloud computing // The European Proceedings of Social & Behavioural Sciences (EpSBS). 2017. P. 1-8.

Literatura

алгоритмический мышление технология

1. Grigoriv S. G., Kurnosenko M. V. Inzhenernoe obrazovanie i STEM-obrazovanie. Real'nost' i perspektivy' // Informatizaciya obrazovaniya i metodika e'lektronnogo obu- cheniya: mat-ly' II Mezhdunar. nauch. konf. Krasnoyarsk: SFU, 2018. Ch. 2. S. 13-19.

2. 'Kashirin D. A., Fedorova N. D. Osnovy' robototexniki VEX IQ: ucheb.-metod. posobie. M.: E'kzamen, 2016. 136 s.

3. 'Levchenko I. V. Chastny'e voprosy' metodiki obucheniya teoreticheskim osnovam informatiki v srednej shkole: ucheb. posobie. M.: MGPU, 2007. 160 s.

4. Levchenko I. V Metodologicheskie voprosy' metodiki obucheniya informa- tike v srednej obshheobrazovatel'noj shkole: ucheb.-metod. posobie. M.: MGPU, 2012. 124 s.

5. Abdurazakov M. M., Aziyeva J. H., Romanov P. Yu., Sadykova A. R. Teachers it competence structure and content in 5the field of cloud computing // The European Proceedings of Social & Behavioural Sciences (EpSBS). 2017. P. 1-8.

Размещено на Allbest