Рейтинг@Mail.ru

ВИРТУАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРИИ ПО ИНФОРМАТИКЕ В НАЧАЛЬНОЙ ШКОЛЕ

Цветкова Марина Серафимовна, Курис Галина Эдуардовна, Елизаров Александр Александрович

Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний»

  

Виртуальные лаборатории представляют собой электронный образовательный ресурс, выполненный в виде интерактивного компьютерного задачника по информатике для младших школьников и предназначенный для использования в курсе информатики, охватывающем начальную ступень общего образования (2-4 классы начальной школы) и пропедевтический уровень основной ступени общего образования (5-6 классы основной школы). Комплект виртуальных лабораторий обеспечивает компьютерную поддержку уроков информатики при изучении тематических блоков по моделированию, введению в алгоритмические структуры и математическую логику, а также для использования по аналогичным тематическим блокам содержания курса математики как на уроках математики, так и на занятиях математических кружков.

Банк задач виртуальных лабораторий по информатике для 2-6 классов сформирован по трем уровням сложности с возможностью как репродуктивной учебной деятельности детей, так и активизации их творческого потенциала. Образовательный стандарт для основной ступени общего образования предусматривает тематические блоки, поддержан-ные виртуальными лабораториями, что позволяет поддерживать дополнительные занятия по информатике и математике в целях развития информационно-математичес-кого компонента общеучебных компетентностей учащихся  5-6 классов.

Комплект виртуальных лабораторий минимально рассчитан на 72 учебных часа, при проведении которых он может быть использован в качестве компьютерной поддержки занятий по информатике. Количество учебных часов по ступеням приведено в таблице:

Образовательная ступень
 
Начальная ступень 2-4 классы
 
Основная ступень пропедевтический уровень 5-6 классы
 
Количество часов
 
36
 
36
 

Общее описание виртуальных лабораторий

Каждая лаборатория основана на построении компьютерной модели конструирования алгоритмов решения задач различного типа. Среда создает перед учеником ряд наглядных зрительных образов информационных объектов – исполнителей команд, и погружает его в проблемную ситуацию, определяемую поведением исполнителей. Программная реализация моделей представляет собой тренажеры, с помощью которых может осуществляться как обучение, так и самостоятельная работа учащихся средствами команд управления исполнителями на основе предложенного в виртуальных лабораториях языка команд исполнителя (ЯКИ).

В каждой виртуальной лаборатории представлены задачи нескольких типов, ранжированные по уровню сложности. В результате школьники знакомятся с основными подходами и методами решения логических задач, а также овладевают обобщенными способами разработки классов алгоритмов, умением осуществлять перенос операций и приемов мышления из одной области знания в другую.

Каждая виртуальная лаборатория снабжена библиотекой заданий трех уровней сложности и демонстрационных версий основных учебных задач ,– банком задач. Эта библиотека, подготовленная авторами виртуальной лаборатории, является открытой для пополнения учителем — пользователем виртуальной лаборатории, который в соответствии со своими методическими подходами сможет составлять и добавлять собственные задачи в банк задач. Для этого потребуется воспользоваться редактором задач, инструменты которого позволяют ввести условие задачи в текстовый файл, затем решить задачу инструментальными средствами, предлагаемыми в лаборатории, и сохранить правильную модель и алгоритм решения задачи в специально отведенной области, защищенной от несанкционированного доступа учащихся.

При реализации комплекса виртуальных лабораторий предлагается сетевая версия продукта, которая позволит учащимся параллельно работать с каждой программой, сохранять свои результаты в отведенных для этой цели каталогах на общем дисковом пространстве, доступном учителю. Предусмотрена возможность контроля результатов решения задач (правильность, время решения) с рабочего места учителя. Отличительной особенностью среды виртуальной лаборатории является то, что инструментальная среда самостоятельно в автоматическом режиме анализирует и проверяет на правильность созданный учеником алгоритм решения задачи на основе заложенных в ней пра­вильных решений.

Таким образом, комплекс виртуальных лабораторий возможно использовать в различных режимах:

Методическое сопровождение виртуальных лабораторий будет осуществляться через сайт поддержки методической службы БИНОМ metodist.lbz.ru, на котором в открытом доступе будут формироваться дополнительные библиотеки заданий к банку задач виртуальных лабораторий, методические рекомендации для поурочных разработок учителей, комментарии авторов УМК «Информатика и ИКТ», в рамках которого рекомендовано использовать виртуальные лаборатории. Возможно также проведение сетевых педагогических конкурсов указанных материалов.

Место виртуальной лаборатории в общеучебной деятельности

Информатика как учебный предмет позволяет реализовать обучение, направленное на развитие логического и алгоритмического мышления детей. Современный пропедевтический курс информатики испытывает дефицит в цифровых образовательных ресурсах нового поколения, основанных на принципах компьютерной визуализации и мультимедиа, интерактивности среды и моделинга, направленных на реализацию принципов деятельностного обучения, нацеленного на творческое развитие ребенка, включающих способность к рефлексии, сопоставлениям, синтезу и анализу, выявлению связей, нахождению путей решения комплексных проблем и планированию.

Это предполагает реализацию в виртуальных лабораториях иной методики предъявле-ния учебного материала: она должна способство­вать развитию мышления и познавательной активности, обеспечивать индивидуальную траекторию учения. Навыки планирования, привыч­ка к точному и полному описанию своих действий помогают школьникам разрабатывать алгоритмы решения задач самого разного происхождения. Для реализации такого подхода в обучении целесообразно рассматривать следующие классы задач: на расшифровку «черных ящиков», о перестановках и сочетаниях (на примере задач о переливаниях, переправах, перекладываниях, взвешиваниях), на поиск оптимального решения (на примере задач о разъездах).

Перечисленные выше классы задач могут быть решены и без компьютера, но мысленное моделирование решения каждой такой задачи становится более эффективным при наличии возможности конструирования алгоритмов решения с помощью соответствующих объектов и интерактивных инструментов на экране компьютера – интерактивной среды компьютерного моделирования.

Наличие соответствующего программного средства – комплекса виртуальных лабораторий, обеспечит учащемуся:

Идея интеграции двух учебных предметов – математики и информатики – уже нашла свое отражение в таких ранее разработанных программных средствах, как «Роботландия», «Алгоритмика», «Юниор» и др. Однако за последние 5 лет ощутимо изменились инструментальные средства и мультимедийные качества представления компьютерных моделей. Успешность такого подхода объясняется тем, что соединение мыслительной логической и практической алгоритмической деятельности детей позволяет повысить уровень усвоения детьми логического математического материала и степень встраивания алгоритмических подходов мышления в практическую учебную деятельность, наполнив ее более глубоким содержанием и придав ей элементы исследования.

Особенность интерактивного компьютерного задачника по информатике для младших школьников заключается в следующем:

Оценить уровень творческого развития ребенка в рамках его алгоритмической мыслительной деятельности – дело непростое. Использование рейтинговой системы вместо оценочной, то есть продолжительное накопление баллов по итогам успешного конструирования решения, позволяет учителю оперативно оценить их достижения, поставить учащихся в рамки состязания, мотивирует к прохождению всех уровней и типов задач, вносит в работу дух состязательности и стимулирует детей к достижению успеха.

Цели использования виртуальных лабораторий

Основная цель использования виртуальных лабораторий в учебном процессе – развитие таких качеств личности, как ясность и точность мысли, логическое мышление, пространственное воображение, алгоритмическая культура, интуиция, критичность и самокритичность. Достижение этой цели осуществляется за счет поддержки алгоритмической и логической линий курса информатики и математики, формирования представления о моделировании как методе исследования, создания условий для овладения обобщенными способами решения классов задач, умением осуществлять перенос операций и приемов мышления из одной области знания в другую.

Обучение школьников на уроках информатики с использованием виртуальных лабораторий уже в младших классах приводит к дальнейшему самостоятельному использованию изученных приемов компьютерного моделирования и инструментов интерактивных компьютерных сред, активно используемых школьниками в дальнейшем в электронных образовательных ресурсах по всем школьным предметам, разработанных и предлагаемых школам в рамках отраслевых разработок.

В результате учащиеся должны прежде всего усвоить необходимый базовый уровень материала по информатике, включенного в обязательный минимум содержания предмета начальной школы, а также отдельные элементы содержания основной ступени обучения.

К общим учебным умениям, навыкам и способам деятельности, которые формируются и развиваются в рамках курса «Информатика и ИКТ» с использованием виртуальных лабораторий относятся:

Структура комплекта виртуальных лабораторий

Комплект виртуальных лабораторий как интерактивный задачник по информатике для младших школьников представляет собой комплекс модулей, объединенных интегрирующей оболочкой, и состоит из следующих программных модулей:

Модули виртуальных лабораторий

Каждая виртуальная лаборатория (ВЛ) – это компьютерная среда, реализованная как исполнитель команд в реальном времени. ВЛ позволяет ученику средствами интерактивных объектов на экране, реализующими компьютерную модель исполнителя, выстроить последовательность действий/команд для некоторого исполнителя и пронаблюдать за их исполнением. Всего реализовано шесть видов ис­полнителей, каждый из которых позволяет выполнить задания трех уровней сложностей, на каждом уровне предусмотрена демонстрационная версия выполнения одного задания для исполнителя:

  1. Переливания.
  2. Переправы.
  3. Взвешивания.
  4. Черные ящики.
  5. Перекладывания.
  6. Разъезды.

Главными особенностями дизайна экранного представления ВЛ (экранного интерфейса пользователя ВЛ) являются:

Виртуальные лаборатории

Аннотация к задачам из ВЛ «Переливания»

Тема учебного плана (и/или урока), по которой целесообразно использование данного ресурса: «Алгоритмизация» («Алгоритмы и исполнители»), «Моделирование», «Решение логических задач».

Не все в нашей жизни можно потрогать руками. Некоторые проблемы успешно решаются при хорошо развитом абстрактном мышлении. Задачи на переливания помогают детям виртуально, без опоры на реальные объекты, оперировать такими сложными абстрактными понятиями, как «емкость сосуда», «единиы измерения объема», «часть и целое»; моделировать решение с помощью нескольких сосудов.

Решение этого типа задач также способствует более интенсивному формированию словесно-логического мышления, которое связано с использованием и преобразованием понятий.

На базе виртуальной лаборатории «Переливания» предполагается решать несколько типов задач.

Задачи 1-го типа. Замкнутая система. Деление жидкости в сосуде(ах) с помощью дополнительного сосуда. В задачах этого типа источник (И) и сток (С) не задействуются.

Задачи 2-го типа. Замкнутая система. Деление жидкости в сосуде(ах) с помощью дополнительных сосудов. В задачах этого типа источник (И) и сток (С) не задействуются.

Задачи 3-го типа. Открытая система. Количество воды не ограничено. В задачах этого типа задействуются источник (И) и сток (С). Предлагается 6 уровней сложности.

Использование виртуальной лаборатории не сводится к решению задач перечисленных трех типов. Учитель может строить аналогичные модели и для показа подобия логических механизмов и алгоритмов задач на переливание и, например, задач с песочными часами. При этом учитель должен подчеркнуть как сходство моделей, так и их отличия. Сопоставление подобных моделей способствует развитию абстрактного мышления учащихся, так как требует рассмотрения сосуда не только как емкости с жидкостью, но и как обобщенного контейнера, обладающего рядом задаваемых параметров.

Аннотация к задачам из ВЛ «Переправы»

Тема учебного плана (и/или урока), по которой целесообразно использование данного ресурса: «Алгоритмизация» («Алгоритмы и исполнители»), «Моделирование», «Решение логических задач».

Выполнение заданий на переправу позволяет ребенку, опираясь на свой жизненный опыт (отношения между различными участниками переправы), включив пространственное воображение, интуицию, устанавливать последовательность действий, конструировать алгоритм, учитывая различный уровень сложности представления задачи.

Трудность задач на переправу связана с ограничением грузоподъемности плавательных средств в условиях задач, с количеством и особенностями пассажиров.

Аннотация к задачам из ВЛ «Перекладывания»

Тема учебного плана (и/или урока), по которой целесообразно использование данного ресурса: «Алгоритмизация» («Алгоритмы и исполнители»), «Моделирование», «Решение логических задач».

Суть задач на перекладывания заключается в том, что их решение подразумевает четкую последовательность действий, ограниченную строгими условиями. Постепенное, пошаговое выполнение алгоритма — научает детей последовательности, завершенности действий, организует мыслительную активность, учит мыслить последовательно, анализировать каждое действие, строить гипотезы.

Аннотация к задачам из ВЛ «Разъезды»

Тема учебного плана (и/или урока), по которой целесообразно использование данного ресурса: «Алгоритмизация» («Алгоритмы и исполнители»), «Моделирование», «Решение логических задач».

В жизни человеку часто приходится сталкиваться с проблемами, которые можно решить несколькими способами.

Задачи о разъездах — это задачи на поиск оптимальных решений. В задаче могут меняться траектория путей передвижения, количество, грузоподъемность и особенности (паром, баржа) плавательных средств, количество и качественный состав перемещаемых объектов, появляться дополнительные условия, что увеличивает способы их решения.

Усвоив приемы решения задач данного раздела, учащиеся и при рассмотрении других задач (и разных жизненных проблем) сумеют увидеть различные подходы к решению и уже не будут искать единственный способ выполнения задания, а постараются представить себе несколько вариантов решения и выбрать из них наиболее удобный.

Аннотация к задачам из ВЛ «Взвешивания»

Тема учебного плана (и/или урока), по которой целесообразно использование данного ресурса: «Алгоритмизация» («Алгоритмы и исполнители»), «Моделирование», «Решение логических задач».

Задачи на взвешивания позволяют научить детей выбору эффективной последовательности действий с различными объектами, оперируя отношениями «легче»- «тяжелее».

Сопоставление или сравнение — это такой логический прием, с помощью которого устанавливаются сходства или различия предметов объективного мира. Результат сравнения обозначается с помощью терминов «равно», «больше», «меньше», в зависимости от отношения сравниваемого предмета к основанию сравнения.

В задачах этого типа сравниваются не только единичные объекты между собой, но и группы объектов, что делает их многоуровневыми (многослойными), с большим количеством ветвлений. Это ставит учащихся перед необходимостью анализировать свои действия, «просчитывать» возможные комбинации решений.

Аннотация к задачам из ВЛ «Черные ящики»

Тема учебного плана (и/или урока), по которой целесообразно использование данного ресурса: «Алгоритмизация» («Алгоритмы и исполнители»), «Моделирование», «Решение логических задач».

Методические рекомендации к проведению уроков

Эффективность обучения с помощью средств ВЛ в значительной степени зависит от правильного выбора приемов их использования. Даже с самым совершенным программным продуктом ученик работает с истинным удовольствием лишь до тех пор, пока присутствует элемент новизны. На коротком временном интервале необходимые мотивы для учения могут быть созданы новизной средства обучения, занимательностью изложения, но сам процесс обучения в принципе не может быть реализован длительное время без интеллектуального контакта между учеником и учителем. Для обеспечения такого контакта преподавателю необходимо выполнять общие методические требования: разъяснить ученикам поставленную задачу так, чтобы она стала их личной задачей; возбуждать интерес учащихся, мобилизуя их познавательные усилия и, прежде всего, их внимание; обсуждать с учащимися способы решения задачи, проблемы, разрабатывать гипотезы и пути их проверки; восстановить в памяти учеников предшествующий опыт, необходимый для усвоения нового знания, не устраняться от управления познавательным процессом во время работы школьников на компьютерах, обращать внимание учеников в нужных случаях на главные объекты, ставить дополнительные вопросы и, если необходимо, обсуждать их.

Формы организации уроков с использованием виртуальных лабораторий

ВЛ могут использоваться на уроках информатики и математики. А также их можно с успехом использовать для организации работы кружков как в стенах школы, так и в системе дополнительного образования. Более того, ориентация на традиционные, широко известные на протяжении длительного времени математические логические задачи в популярной для детей игровой интерпретации, к которым, например, относятся «Перевозчик», задачи с перекладыванием объектов, взвешиваниями и пр., простая и доступная для детей структура ВЛ и лаконичное, понятное управление, проверка результатов выполнения задания компьютером  –  все это позволяет использовать ВЛ и в домашней обстановке, совместно с родителями или самостоятельно.

При организации занятий по информатике в школе с использованием ВЛ необходимо применять различные методы и средства обучения с тем, чтобы, с одной стороны, свести работу за компьютером к регламентированной норме, с другой стороны, достичь наибольшего педагогического эффекта.

Достаточно эффективны на уроках информатики такие формы работы, как фронтальная беседа, работа за компьютером индивидуально и попарно, демонстрация оптимальных решений заданий ВЛ всему классу, обсуждение алгоритма решения всем классом и последующее индивидуальное выполнение заданий.

Большое значение для правильной организации учебного процесса имеет учет возрастных особенностей восприятия детьми учебного материала. ВЛ предлагается использовать для демонстрации оптимальных решений, поиска собственного алгоритма решения; предлагается сменять виртуальные лаборатории в зависимости от темы по информатике или математике, поддерживаемой ВЛ. Это позволит усилить педагогическую ценность ВЛ.