Разработка программного сопровождения раздела «Алгоритмизация и программирование»

Разработка программного сопровождения раздела " Алгоритмизация и программирование"

1. Теоретические основы проектирования обучающе-контролирующих программ

1.1 Роль компьютера в обучении

Как уже неоднократно отмечалось, создание и совершенствование компьютеров привело и продолжает приводить к созданию новых технологий в различных сферах научной и практической деятельности. Одной из таких сфер стало образование — процесс передачи систематизированных знаний, навыков и умений от одного поколения к другому. Будучи само по себе мощной информационной сферой и владея опытом использования различных классических (не компьютерных) информационных систем, образование быстро откликнулось на возможности современной техники. На наших глазах возникают нетрадиционные информационные системы, связанные с обучением; такие системы естественно называть информационно-обучающими.

По-настоящему массовыми создание и использование обучающих программ стали с начала 80-х годов, когда появились и получили широкое распространение персональные компьютеры. С тех пор образовательные применения ЭВМ выдвинулись в число их основных применений наряду с обработкой текстов и графики, оттеснив на второй план математические расчеты.

Технические возможности персонального компьютера, если компьютер используется как обучающее средство, позволяют активизировать учебный процесс;

индивидуализировать обучение;

повысить наглядность в предъявлении материала;

сместить акценты от теоретических знаний к практическим;

повысить интерес учеников к обучению.

Более глубокий и тонкий учет индивидуальных особенностей учащихся может осуществлять компьютерная программа, с помощью которой ведется обучение (педагогическое программное средство, сокращенно ППС). С помощью начального теста программа может определить уровень обученности ученика, и в соответствии с этим уровнем предъявлять теоретический материал, вопросы и задачи, а также подсказки и помощь. Обучение слабых учеников программа ведет на самом легком (базовом) уровне, изложение теоретических сведений максимально упрощено, вопросы и задачи облегчены, помощь имеет характер прямой подсказки. Обучение сильных учеников ведется на наиболее сложном уровне, теория излагается углубленно, предлагаются творческие задачи, требующие изобретательности и интуиции, а помощь имеет косвенный характер — намека или наводящего на правильный путь соображения. Между этими крайними случаями обучающая программа может учитывать более тонкую градацию подготовленности учащихся.

Каждый ученик в процессе обучения сталкивается с трудностями индивидуального характера, связанными с наличием пробелов в знаниях или особенностями мышления. При обучении с помощью компьютера обучающая программа может диагностировать пробелы в знаниях ученика, его индивидуальные особенности и строить обучение в соответствии с ними.

Графические возможности дисплеев персональных компьютеров и гибкие языки программирования позволяют сделать компьютерное обучение очень наглядным. В самом деле, теперь на каждом рабочем месте ученика имеется телевизор — дисплей, на экране которого с помощью языка программирования можно без всякой кинои видеосъемки показывать геометрические фигуры и построения, стилизованные изображения реальных объектов и т. п. — и все это как статически (т.е. неподвижно), так и динамически, в движении. С помощью компьютерной графики можно сделать зримыми или, как еще говорят, визуализировать такие явления и процессы, которые не могут быть увидены в действительности (тем более в условиях школьного класса), можно создать наглядный образ того, что на самом деле никакой наглядности не имеет (например, эффектов теории относительности, закономерностей числовых рядов и т. п.). На этой возможности компьютеров основывается, так называемая, когнитивная компьютерная графика — особое направление применения компьютеров в научных исследованиях, когда иллюстративные возможности компьютера используются для изучения различных закономерностей.

В настоящее время существует огромное множество обучающих программ по самым разным предметам, ориентированных на самые различные категории учащихся, начиная контингентом детских садов и кончая персоналом атомных электростанций. Кроме того, каждая из программ предназначена только для одного типа компьютеров.

1.2 Реализация принципа наглядности в обучающих программах

Первоначально наглядность обучения трактовалась как путь познания конкретного (видимого) объекта, например: реальные предметы и явления в их натуральном виде, модели машин, муляжи, иллюстративные пособия (раздаточный материал, транспаранты, таблицы) и некоторые графические пособия, учебные кинофильмы и т. д.

В современной же дидактике утверждается, что принцип наглядности — это систематическая опора не только на конкретные визуальные предметы (люди, животные, предметы и т. п.) и их изображения, но и на модели.

Для того чтобы сделать средства обучения наглядными, необходимо выделить основные свойства изучаемого явления (то есть превратить его в модель), правильно, адекватно отразить эти свойства (то есть сделать модель изоморфной изучаемому явлению) и, кроме того, обеспечить доступность этой модели для учащихся.

Очевидно, более правомерно говорить о моделировании как составной части принципа наглядности, то есть о расширении содержания данного принципа. Это, в свою очередь, означает расширение арсенала средств наглядности (использование не только конкретно-образного материала, но и моделей) и расширение сферы их применения (формирование не только представлений, но и понятий, не только знаний, но и умений, навыков).

Благодаря современным компьютерным технологиям, мультимедийным возможностям компьютера, можно не только во всех подробностях реализовать статические модели иллюстрации, но представить эти модели в динамике, то есть в движении.

Все это позволяет говорить о том, что средства наглядности обретают новую функцию — управления познавательной деятельностью учащихся. С их помощью можно подводить учащихся к необходимым обобщениям, учить применять полученные знания.

1.2.1 Принцип наглядности и компьютерные информационные технологии обучения

Уникальные возможности человеческого зрения по переработке и распознаванию изображений еще недостаточно используются в обучающих программах.

Изобразительные и условно-графические средства наглядности (таблицы, схемы, рисунки, графики, диаграммы, репродукции картин, фотографии ученых, живопись, аудиовизуальные средства и т. д.), являющиеся составными элементами печатных и электронных учебных материалов, играют существенную роль в интеллектуальной познавательной деятельности учащихся.

От наглядности, доходчивости, смысловой полноты и других полезных свойств теоретического материала зависит скорость восприятия учебной информации, понимание ее, усвоение и закрепление полученных знаний.

Широкое использование того или иного вида иллюстраций в трудных для понимания фрагментах текста, требующих наглядного разъяснения, иллюстрирования понятий и определений, а также оптимального использования иллюстраций для оживления всего курса лекций (как печатного, так электронного) позволят улучшить восприятие, понимание и усвоение сложного учебного материала, сократить время обучения студента, повысить эффективность учебно-познавательной деятельности в целом.

Но привлекательность и эффективность обучающих мультимедийных программ может снизиться, если в целом не будут соблюдены следующие дидактические принципы обучения.

Принцип наглядности обучения в дидактике — это ориентация на использование в процессе обучения разнообразных средств наглядного представления соответствующей учебной информации.

Какое же новое качество приобретает принцип наглядности обучения при использовании компьютерных информационных технологий, в том числе и обучающих программ? Ответ на вопрос можно свести к следующим положениям:

· средства современных информационных технологий существенно повышают качество самой визуальной информации, она становится ярче, красочнее, динамичнее. Огромными возможностями обладают в этом плане технологии мультимедиа;

· в связи с тем, что при использовании современных информационных технологий коренным образом изменяются способы формирования визуальной информации, становится возможным создание «наглядной абстракции». Если традиционная наглядность обучения подразумевала конкретность изучаемого объекта (об этом говорилось выше), то при использовании компьютерных технологий становится возможной интерпретация существенных свойств не только тех или иных реальных объектов, но и научных закономерностей, теорий, понятий, причем в динамике, если это необходимо.

Если первое преимущество, касающееся реализации принципа наглядности обучения, а именно — высокое качество компьютерной визуализации, как бы лежит на поверхности и всеми признано, то второе преимущество, заключающееся в возможности наглядно-образного представления абстрактных, сущностных, наиболее значимых сторон и свойств изучаемых явлений, закономерностей, систем, устройств, пока еще не в должной мере осознано. Но именно в нем скрывается большой резерв повышения эффективности процесса обучения. Благодаря этому преимуществу облегчается переход к дедуктивной логике учебного процесса.

Таким образом, требования обеспечения наглядности в случае использования электронного учебного материала могут и должны быть реализованы на принципиально новом, более высоком уровне. В перспективе, когда получат большее распространение системы виртуальной реальности, обеспечивающие воздействие на зрение, слух, осязание и даже обоняние, по-видимому, целесообразнее будет говорить не только о наглядности, но и о полисенсорности обучения, то есть чем больше органов чувств участвует в процессе восприятия информации, тем успешнее процесс познания.

1.2.2 Количество и разновидность иллюстраций

Цель разработки обучающей программы — сохранить не только все достоинства печатного учебного материала, но и, используя возможности компьютера, включить в него соответствующий арсенал наглядных средств для иллюстрирования. Актуальным остается вопрос: «По какому принципу осуществлять отбор перечня видов и количества необходимого иллюстративного материала?»

Принцип наглядности — это использование того или иного вида иллюстраций в местах, трудных для понимания учебного текста, требующих дополнительного наглядного разъяснения; для обобщений и систематизации тематических смысловых блоков; для общего оживления всего учебного материала и рассредоточенного по всему полю текста как печатного, так электронного.

Возможности компьютерных технологий не дают основания для упаковывания в обучающую программу всего, что можно. Принцип: лишь бы много — ложный. Этот факт будет отвлекать учащихся от изучаемого фрагмента текста.

Положение становится особенно опасным, когда мы предоставляем студенту «неограниченную» свободу передвижения (за счет средств навигации) по всему полю гипертекста к другим объектам ссылок, не сообразуясь с педагогическими методами и способами преподавания предмета, а также с правилами целесообразности и разумности. В результате таких бессмысленных и частых переходов то на картинку, то на словарь, то какой-то другой объект гипертекста, в голове учащегося остается лишь «гипертекстовый сумбур, каша», а вовсе не стройная система знаний.

Безусловно, нельзя лишать студента свободы навигации (маршрутов движения) по учебному материалу. Просто необходим разумный компромисс, основывающийся на таких ключевых педагогических понятиях из области методики преподавания, как линейное прохождение материала, или линейно-концентрическое, или модульное (о чем прекрасно осведомлены преподаватели соответствующих дисциплин).

1.2.3 Таблица — один из видов условно-графических наглядных средств

Таблица — это самое простое графическое изображение материала, в котором основными элементами графики являются линии и колонки. Число столбцов и строк, в которых располагается учебный материал, может быть различное. Таблицы просты в использовании и существенно облегчают восприятие текста.

Располагая разнообразным компьютерным арсеналом графических мощных средств, таблицы можно дооформить с помощью, например, разнообразной палитры цветов; рисунков (здесь рисунок как элемент оформления таблицы); набора шрифтов; различных средств обрамления таблиц; установления определенного количества столбцов и строк; реализации эффекта движения таблиц (анимация) и др.

Таблицы широко используются в обучающих программах, реализующих зрительную наглядность. Текстовая и числовая информация, представленная в форме таблицы, значительно легче воспринимается.

Главный признак и критерий создания таблиц — это использование их в тех местах текста, где требуется:

повысить зрительную наглядность и облегчить восприятие того или иного смыслового фрагмента текста;

осуществить определенное сравнение двух и более объектов (таких содержательных элементов текста, как события, факты, явления, персоналии, предметы, фрагменты текстов и др.);

осуществить группировку ряда объектов;

произвести систематизацию тех или иных объектов.

Таким образом, в самой табличной форме заложены возможности для широкого использования наглядного разъяснения смысла в определенном месте текста; приема сравнения двух или более элементов, раскрытия отношений противопоставленности или аналогии. Поэтому таблицы по выполнению их функциональной роли разделяют на три вида:

разъяснительные — в сжатом виде облегчают понимание изучаемого теоретического материала, способствуют сознательному его усвоению и запоминанию;

сравнительные — осуществляют сопоставление и противопоставление материала и являются одним из видов группировки его, то есть отражают специфику табличной формы. Сравниваться могут любые элементы: существенные сопоставимые признаки исторических, социальных, экономических и политических объектов, типы хозяйств, типы темперамента человека и т. п. При сравнении выделяют у них общее, особенное, единичное и т. д.;

обобщающие или тематические — подводят итог изученному теоретическому материалу, способствуют формированию понятий. Обобщая что-либо, в логической последовательности перечисляют основные черты явлений, событий, процессов и т. п., самое существенное в них.

Таблицы систематизируют изучаемый материал, облегчают возвращение к ранее пройденному материалу и могут быть размещены в форме выводов в конце параграфа или темы.

Далее, наглядность таблицы во многом определяется компактным расположением материала, облегчающим сопоставление и противопоставление сравниваемых объектов (признаков, фактов, явлений, событий, персоналий, документов, героев, темпераментов, процессов, тем и др.). При этом сопоставляемые элементы таблицы желательно располагать друг под другом (в столбик), противопоставляемые — рядом (по горизонтали).

Продуманное расположение материала особенно важно при его схематической подаче. Удачная компоновка в таблице учебного материала должна помочь учащимся в восприятии и понимании текста. Эффективность использования таблиц повышается, когда они совмещаются с другими графическими средствами, например, со схемами, рисунками, картинами и т. д.

При разработке таблицы реально существует опасность ее перегруженности, что, конечно, затрудняет зрительное восприятие материала, снижает ценность таблицы как средства наглядности, а поэтому здесь следует быть осторожным. Компактное размещение материала, лаконичные условные обозначения позволяют разгрузить таблицу.

При разработке таблиц необходимо соблюдать следующие требования:

как можно меньше комментирующих слов в таблице;

верхние, нижние и боковые поля должны иметь отступы;

цветная палитра цветов не должна приводить к пестроте, так как это будет утомлять глаза;

количество выбранных ячеек таблицы должно соответствовать содержанию и характеру выделенного фрагмента текста и т. п.

1.2.4 Схема (блок-схема)

Рассмотрим другой вид условно-графической иллюстрации — схемы.

Схема — это графическое изображение материала, где отдельные части и признаки явления обозначаются условными знаками (линиями, стрелками, квадратами, кружками), а отношения и связи — взаимным расположением частей и использованием двунаправленных стрелок.

Располагая мощными компьютерными графическими средствами, схемы можно дооформить с помощью:

разнообразной палитры цветов;

рисунков (здесь рисунок как элемент оформления схемы или блок-схемы);

разнообразного набора шрифтов;

разнообразных средств обрамления схем;

установления определенного количества составных частей и связей схем;

реализации эффекта движения схем (анимация) и др.

К условно-графической наглядности относятся не только схемы, но и графики, диаграммы, аппликации, схематические рисунки. Они используются как для выявления существенных признаков, связей и отношений явлений, событий, процессов и т. п., так и для формирования локального образного представления фрагмента текста. При помощи схематического изображения автор раскрывает явления в его логической последовательности, обеспечивает наглядное сравнение двух или более объектов, а также обобщает и систематизирует знания.

По функциональному признаку схемы делятся на следующие типы:

сущностные, которые отражают составные части понятий, явлений, процессов и т. п.;

логические, устанавливающие логическую последовательность между частями;

образные, улучшающие понимание трудных мест в тесте.

Для создания у пользователя реалистического образа в ряде случаев целесообразно сопоставление схематического изображения с другими видами иллюстраций.

Разумеется, схема может быть дополнена конкретным языковым материалом, но объем его желательно ограничить, так как существует опасность перегруженности схемы, что затруднит зрительное восприятие материала, снизит ценность схемы.

Компактное размещение материала, лаконичные условные обозначения позволяют разгрузить схему или блок-схему, привести ее в соответствие с гигиеническими нормами.

Не только таблицы, но и схемы, блок-схемы позволяют акцентировать внимание учащихся на главном в изучаемом материале, подводят их к осмыслению той или иной закономерности, но не дают готовых выводов, формулировок, а требуют определенной мыслительной активности, самостоятельности, развивают абстрактное мышление учащихся.

При разработке схем и блок-схем необходимо соблюдать следующие требования:

как можно меньше комментирующих слов в схеме;

верхние, нижние и боковые поля должны иметь отступы;

цветная палитра цветов не должна приводить к пестроте, так как это будет утомлять глаза;

количество выбранных составных частей схемы и их связей должно соответствовать содержанию и характеру выделенного фрагмента текста.

1.2.5 Динамическая иллюстрация (анимация)

Обучающая программа призвана не только сохранить все достоинства печатного учебного материала, но и в полной мере использовать современные технологии, мультимедийные возможности, предоставляемые компьютером. К таким возможностям относят, например, и представление статических иллюстраций в динамическое изображение («оживление» графических и других видов иллюстрации). Процесс реализации эффекта движения иллюстративного объекта называется анимацией.

Анимация позволяет представить в динамике:

· процесс «порционной» подачи текстовой информации (эффект «электронного лектора»);

· процесс имитации движения частей иллюстрации;

· имитацию движения рисунка;

· имитацию движений исторических сражений;

· физические и химические процессы;

· технологические процессы;

· техническое конструирование;

· процесс природных явлений;

· процесс социальных явлений;

· процесс политических событий и т. д.

Анимация представляет практически неограниченные возможности по имитации ситуаций и демонстрации движения объектов.

Для реализации зрительной наглядности с помощью динамичных таблиц, схем и рисунков используют разные приемы.

Существует несколько приемов реализации эффекта анимации:

прием типа «наложения». Суть этого приема заключается в том, что автор, выбрав статичную иллюстрацию, разбивает ее на составные части, а затем описывает последовательность наложения этих частей друг на друга. Так реализуется эффект динамичного изображения и для рисунков. Объект не движется в пространстве, но «живет».

Динамические иллюстрации, полученные по такому принципу, уместно использовать для такого текста, где необходимо проиллюстрировать в компактной и образной форме суть процесс построения какого-то ряда, изложить последовательность происходящего (или происходившего) события, явления, изменение человека и т. д.

Этот прием успешно применяется для реализации подачи теоретического материала по частям (например, постепенно составить таблицу, а не давать ее сразу заполненной, что особенно важно при объяснении сложного теоретического материала). Такие таблицы очень эффективны на этапе обобщения и систематизации учебного материала в конце темы, раздела и курса в целом.

Порционную подачу материала можно осуществить и с помощью другого приема — типа «каширования»;

прием типа «каширования». Суть этого приема заключается в том, что заполненная текстом таблица сначала закрыта (т.е. замаскирована), а затем происходит постепенное ее раскрытие. Создается иллюзия, что какая-то невидимая «черная бумага», передвигаясь по таблице, как бы раскрывает ее таблицу по частям (объектами могут быть схемы, блок-схемы или просто «порционные» части текста);

прием типа «движения в пространстве». Отличие его от приема «наложения» заключается в том, что в этом случае надо описать последовательность шагов, которые «будет совершать» по пространству экрана выбранный объект для иллюстрирования (эффект мультипликации).

Основу зрительного ряда составляют рисунки, репродукции картин, учебные картины и видеофрагменты. Рисунки и видеофрагменты обеспечивают особый эффект при сочетании красочности и анимации. Иллюстрированный экран концентрирует внимание учащихся на изображении, поскольку ограничивает поле наблюдения.

В анимационном фрагменте или видеофрагменте кадры взаимосвязаны, расположены в определенной последовательности, относительно самостоятельны и автономны. Кроме того, отдельные кадры лишены подписей, что позволяет комбинировать их, давать в разном сочетании, варьировать методику работы с одним и тем же изображением.

Возможность выборочного использования фрагментов анимации или видеокадров очень удобна для пояснения теоретических положений учебного материала. Предположим, имеется фрагмент анимации, состоящий из трех рисуночных кадров, иллюстрирующих смысловое содержание какого-нибудь абзаца. В ходе чтения данного абзаца последовательно вызываются на экран три рисуночных кадра. В случае необходимости обучаемый может приостановить на любое время тот или иной анимационный кадр. По ходу изучения теоретического материала обучаемому можно в качестве иллюстрации выдавать из арсенала анимационных кадров или видеоряда проблемные вопросы, сравнительные таблицы, блок-схемы, две фотографии (для сравнения) и т. д.

Иллюстрации, находящиеся во фрагментах анимации (или в видеофрагментах), могут сопровождаться лаконичным комментарием, то есть таким комментарием, который направляет внимание только на изображение, или без сопроводительного текста. Комментирующий текст должен присутствовать в анимации или видеофрагменте при использовании в качестве иллюстраций, к примеру, репродукций картин.

Таким образом, анимация представляет практически неограниченные возможности по имитации ситуаций и демонстрации движения объектов.

Красочно оформленная иллюстративная обучающая программа с элементами анимации и звуковым сопровождением облегчает восприятие изучаемого материала, способствует пониманию и запоминанию его, дает более яркое и емкое представление о предметах, явлениях, ситуациях, стимулирует познавательную активность студентов.

1.3 Типы обучающих программ

Основанием для классификации служат обычно особенности учебной деятельности обучаемых при работе с программами. Многие авторы выделяют четыре типа обучающих программ:

тренировочные и контролирующие;

наставнические;

имитационные и моделирующие;

развивающие игры.

Программы 1-го типа (контролирующие) предназначены для закрепления умений и навыков. Предполагается, что теоретический материал уже изучен. Эти программы в случайной последовательности предлагают учащемуся вопросы и задачи и подсчитывают количество правильно и неправильно решенных задач (в случае правильного ответа может выдаваться поощряющая ученика реплика). При неправильном ответе ученик может получить помощь в виде подсказки.

Программы 2-го типа (наставнические) предлагают ученикам теоретический материал для изучения. Задачи и вопросы служат в этих программах для организации человеко-машинного диалога, для управления ходом обучения. Так если ответы, даваемые учеником, неверны, программа может «откатиться назад» для повторного изучения теоретического материала.

Программы 3-го типа (моделирующие) основаны на графически-иллюстративных возможностях компьютера, с одной стороны, и вычислительных, с другой, и позволяют осуществлять компьютерный эксперимент. Такие программы предоставляют ученику возможность наблюдать на экране дисплея некоторый процесс, влияя на его ход подачей команды с клавиатуры, меняющей значения параметров.

Программы 4-го типа (игры) предоставляют в распоряжение ученика некоторую воображаемую среду, существующий только в компьютере мир, набор каких-то возможностей и средств их реализации. Использование предоставляемых программой средств для реализации возможностей, связанных с изучением мира игры и деятельностью в этом мире приводит к развитию обучаемого, формированию у него познавательных навыков, самостоятельному открытию им закономерностей, отношений объектов действительности, имеющих всеобщее значение.

1.4 Технология создания обучающей программы

Создание обучающей системы с использованием инструментальных программ обычно проходит четыре стадии.

1) Разработка сценария обучающей программы: на этой стадии педагог должен принять решение о том, какой раздел какого учебного курса он будет переводить в обучающую программу, продумать материал информационных кадров, такие вопросы и варианты ответов к ним, чтобы они диагностировали трудности, с которыми будут сталкиваться ученики при освоении материала, разработать схему прохождения программы, систему взаимосвязей между ее отдельными кадрами и фрагментами.

2) Ввод в компьютер текстов отдельных кадров будущей программы, рисование картинок, формирование контролирующих фрагментов: вопросов, вариантов ответов к ним и способов анализа правильности ответов. На этой стадии педагогу потребуется минимальное владение функциями компьютера и возможностями ввода и редактирования, встроенными в инструментальную программу.

3) Связывание отдельных элементов обучающей программы в целостную диалоговую систему, установление взаимосвязей между кадрами, вопросами и помощью, окончательная доводка программы.

4) Сопровождение программы во время ее эксплуатации, внесение в нее исправлений и дополнений, необходимость которых обнаруживается при ее использовании в реальном процессе обучения.

Очевидно, что создание обучающих программ средствами инструментальных систем поможет снять остроту главной проблемы компьютерного обучения — отсутствия в достаточном количестве и разнообразии качественных обучающих программ, так чтобы компьютерное обучение могло превратиться из жанра «показательных выступлений» на открытых уроках в действительно систематическое обучение учебным дисциплинам или их большим разделам.

В качестве первого шага к компьютерным технологиям обучения нужно рассматривать контролирующие программы. Нет ничего проще (с этой задачей могут справиться даже учащиеся старших классов, изучающие информатику), чем подготовить контролирующую программу по любому разделу любого учебного курса на языке программирования BASIC или с использованием инструментальных программ. Использовать такие контролирующие программы можно систематически. Это не потребует кардинальных изменений в существующем учебном процессе и избавит учителя от непроизводительных, рутинных операций по проверке письменных работ, контролю знаний учащихся, решит проблему накопляемости оценок. Из-за тотальности контроля учащиеся получат мощный стимул к обучению.

1.5 Обучающе-контролирующие программы

Обучающе-контролирующие программы получили наибольшее распространение в связи с их относительно невысокой сложностью, возможностью унификации при разработке многих блоков программ. Технология создания таких программ ныне сильно упростилась с появлением инструментальных средств или наполняемых автоматизированных обучающих систем (АОС).

Основные действия, выполняемые обучающе-контролирующими программами:

предъявление кадра с текстом и графическим изображением;

предъявление вопроса и меню вариантов ответа (или ожидание ввода открытого ответа);

анализ и оценка ответа;

предоставление кадра помощи при нажатии специальной клавиши. Они могут быть легко и унифицированно запрограммированы, так что разработчику обучающей программы остается ввести в компьютер только соответствующий текст, варианты ответов, нарисовать на экране с помощью манипулятора «мышь» картинки. Создание обучающей программы в этом случае выполняется совершенно без программирования, не требует серьезных компьютерных познаний и по силам любому педагогу-предметнику средней школы. Названия наиболее известных отечественных АОС: «Урок», «Адонис», «Магистр», «Stratum». Используются в России и зарубежные системы: «Linkway», «TeachCad» и др. Многие из этих систем имеют хорошие графические подсистемы и позволяют создавать не только статические картинки, но и динамические графические фрагменты в духе «мультимедиа».

1.5.1 Типы компьютерных тестов

В соответствии с моделью знаний выделим три класса компьютерных тестов на знания, умения и навыки. Отметим, что типы компьютерных тестовых заданий определяются способами однозначного распознавания ответных действий тестируемого.

1) Типы тестовых заданий по блоку «знания»:

вопросы альтернативные (требуют ответа да — нет);

вопросы с выбором (ответ из набора вариантов);

вопросы информативные на знание фактов (где, когда, сколько);

вопросы на знание фактов, имеющих формализованную структуру (в виде информационной модели или схемы знаний);

вопросы по темам, где имеются однозначные общепринятые знаковые модели; математические формулы, законы, предикатные представления, таблицы;

вопросы, ответы на которые можно контролировать по набору ключевых слов;

вопросы, ответы на которые можно распознавать каким-либо методом однозначно.

2) Типы тестовых заданий по блоку «навыки» (распознание деятельности: манипуляции с клавиатурой; по конечному результату):

задания на стандартные алгоритмы (альтернативные да — нет, выбор из набора вариантов);

выполнение действия.

3) Типы тестовых заданий по блоку «умения». Те же самые, что навыки, но использующие нестандартные алгоритмы и задачи предметной области при контроле времени их решения:

задания на нестандартные алгоритмы (альтернативные да — нет, выбор из набора вариантов);

выполнение действия.

Выбор типов тестов определяется особенностями инструментальных тестовых программ (тестовыми оболочками);

особенностями предметной области;

опытом и мастерством экспертов.

1.5.2 Общие требования к обучающе-контролирующим программам

Обучающе-контролирующие программы предназначены для отработки и закрепления умений и навыков решения задач. Они обеспечивают получение информации по теории и приемам решения задач, тренировку на различных уровнях самостоятельности, контроль и самоконтроль. Предоставляют вспомогательные средства (калькулятор, таблицы, «записная книжка», автоматическое решение подзадач и т. п.). Как правило, включают режимы: теория, демонстрация примеров, работа с репетитором, самостоятельная работа, самоконтроль.

Обучающе-контролирующие программы должны удовлетворять следующим требованиям:

должны быть четко определены виды навыков, для освоения которых предназначен тренажер;

необходимые теоретические сведения должны быть сформулированы максимально кратко;

доступ к теоретическим сведениям должен быть обеспечен из любого режима, кроме контрольного;

в режиме репетитора желательно предусмотреть все возможные пути решения;

при самостоятельной работе должна быть предусмотрена отмена учащимся ошибочных действий;

темп продвижения должен определяться самим учащимся;

должны быть предотвращены утомление и утрата интереса, обусловленные неизбежным для данного класса программ однообразием действий учащегося;

порядок и форма записи решения задачи на экране должны быть максимально приближены к принятым в предметной области;

должно быть обеспечено протоколирование действий обучаемого;

порядок предъявления заданий должен быть направлен от простых — к сложным.

1.5.3 Типы ответов обучающих и контролирующих заданий

Большинство инструментальных систем предоставляют преподавателю возможность составлять обучающие и контролирующие задания с различными типами ответов:

1) С выборочным ответом. Обучаемому предлагается задание (вопрос) и набор (меню) готовых ответов, из которых он может сделать выбор правильного, по его мнению, ответа (утверждения).

Такой вариант задания наиболее удобен для машинной реализации, так как ЭВМ анализирует лишь номер, по которому легко определяет правильность ответа. На первый взгляд задания с выборочным ответом имеют ряд недостатков, а именно: обязательное предъявление верного ответа, возможность его угадывания, а значит, ограничение мыслительной деятельности обучаемого. Эти недостатки существенно снижаются путем правильного, творческого и остроумного применения различных принципов составления таких заданий.

Вероятность угадывания правильного ответа сводится к минимуму следующими простыми приемами:

повторением аналогичного по смыслу вопроса в нескольких различных формах;

увеличением числа элементов для выбора (при выборе из пяти ответов вероятность угадывания равна 0,2);

увеличение числа верных ответов до двух или до нескольких пар. Подбирать ответы в заданиях необходимо таким образом, чтобы они были правдоподобными.

2) С частично-конструируемым ответом. Задания этого типа являются промежуточным и связующим звеном между заданиями с выборочным ответом и свободно-конструируемым. Частично-конструируемый ответ составляется из частей, предложенных преподавателем.

Эта форма используется для заданий по составлению определений законов, теорем, стандартных формулировок и т. д. В верный ответ входят, как правило, не все элементы задания, и порядок их выбора не является жестким.

3) Со свободно-конструируемым ответом. Задания такого типа являются наиболее предпочтительными для автоматизированного обучения и контроля. Они позволяют слушателю общаться с компьютером на естественном языке, имитируя диалог обучаемого и преподавателя. Задания со свободно-конструируемым ответом наиболее сложны для обучаемого, так как полностью исключают возможность угадывания и требуют значительной умственной работы перед вводом в компьютер ответа, набираемого на клавиатуре в свободной форме. В то же время резко возрастает сложность деятельности преподавателя — автора курса по формированию автономных ответов для анализатора инструментальной системы.

Эталон может содержать, как правило, не более 80 символов, включая пробелы. Ответ обучаемого на заданный вопрос сравнивается с текстом эталона и вырабатывается соответствующий признак ответа: «верный», «неверный», «предполагаемый» и т. д. Далее программа переходит к тому кадру сценария, который соответствует полученному признаку.

Таким образом, автор курса формирует кадры, предъявляемые обучаемому в зависимости от признака ответа, что создает иллюзию «понимания» системой смысла введенной фразы, так как при разных ответах на один и тот же вопрос обучаемый получает и различную реакцию компьютера.

В современных инструментальных системах реализованы следующие методы сравнения эталонного ответа с ответом обучаемого.

1) Анализ по ключевым словам. Этот метод анализа достаточно прост и универсален. Эталонный ответ, заранее введенный преподавателем, используется в качестве ключа, который сравнивается с ответом обучаемого на протяжении всей строки. Ключом может быть один символ, слово или группа слов.

При использовании ключевых слов можно достичь достаточно хороших результатов. Но применять метод надо достаточно осторожно, так как возможности распознавания смысла с его помощью ограничены. Недостаток ключевого поиска выражается в том, что ответ не распознается при перестановках внутри ключа.

2) Синтаксический анализ с использованием символов частичной обработки ответа обучаемого. Этот метод анализа целесообразно использовать в том случае, когда требуется выполнить сравнение не по ключу, а по жесткому эталону. Лишний символ должен считаться ошибкой, пробелы не игнорируются. Выполняется как бы прямое (посимвольное) сравнение посимвольного ответа с эталоном. При совпадении всех символов ответа с символами эталона вырабатывается признак «верно».

Однако при работе обучаемых с курсом могут возникнуть ситуации, когда необходимо, с целью более корректного толкования смысла ответа, сделать некоторые отступления от правил прямого сравнения. В подобных ситуациях метод синтаксического анализа предусматривает средства частичной обработки ответов обучаемого.

Символы частичной обработки ответа (спецсимволы), включенные в эталон ответа, позволяют исключить, игнорировать в ответе обучаемого один или несколько символов (слов) при сравнении с эталоном. Все остальные символы, отличные от символов частичной обработки, в тексте обучаемого должны следовать в том же порядке, что и в эталоне ответа.

3) Логический анализ. Логический метод анализа дает возможность формирования ответа в свободно-конструируемой форме. В данном случае ответ может представлять собой фразу или предложение, в котором порядок слов строго не определен. В словах могут игнорироваться окончание или другие части.

Основным отличием данного метода анализа от анализа по ключевым словам является то, что исключается необходимость перечисления всех возможных последовательностей ключевых слов при рассмотрении многословных ответов, так как логический метод позволяет с помощью одного эталона проанализировать насколько вариантов ответов. Цель этой деятельности — преодоление чрезмерной заданности ответов обучаемого, что является общим недостатком многих ППС.

Недостатками такого рода программ являются:

снижение мотивации в ходе работы с программой;

возникновение «провалов» (пробелов) в знаниях, связанных с непроизвольным рассеянием внимания в процессе работы с программой, а также ослаблением системного связывания знаний при отсутствии их интонационного выделения;

сложность и высокая трудоемкость организации учебного диалога, а также диагностирующей и управляющей обучением части программы.

Ввиду чрезвычайно высокой трудоемкости написания программ такого рода на языках программирования и высоких требований к программистской квалификации разработчиков, они часто разрабатываются с использованием программных оболочек автоматизированных учебных курсов, имеющих свой язык программирования, интерфейс, рассчитанный на разработчика-непрограммиста.

Существует и продолжает разрабатываться большое количество инструментальных программ такого вида. Общим их недостатком является высокая трудоемкость разработки, затруднения организационного и методического характера при использовании в реальном учебном процессе школы. Организационные трудности связаны с тем, что такие программы невозможно использовать в структуре урока из-за больших различий в темпе обучения разных учащихся. Методические трудности проявляются в том, что многие педагоги нередко склонны не соглашаться с методическими решениями и ходами при изложении теоретического материала, предложенными разработчиками инструментальной программы. В работе хорошего учителя много творческих, авторских моментов, в важности которых часто не отдают себе отчета создатели программ.

1.5.4 Технология проектирования компьютерных тестов

Обучение — многогранный процесс, и контроль знаний — лишь одна из его сторон. Однако именно в ней компьютерные технологии продвинулись максимально далеко, и среди них тестирование играет ведущую роль. В ряде стран тестирование потеснило традиционные формы контроля — устные и письменные экзамены и собеседования.

По-видимому, многие преподаватели уже прошли через некоторую эйфорию при создании тестов и поняли, что это — весьма непростое дело. Куча бессистемно надерганных вопросов и ответов — далеко еще не тест. Оказывается, что для создания адекватного и эффективного теста надо затратить много труда. Компьютер может оказать в этом деле немалую помощь.

Существует специальная теория тестирования, оперирующая понятиями «надежность», «валидность», «матрица покрытия» и т. д., не специфических именно для компьютерных тестов. Здесь мы не будем в нее углубляться, сосредоточившись в основном на технологических аспектах.

Как отмечалось выше, широкое распространение в настоящее время получают инструментальные авторские системы по созданию педагогических средств: обучающих программ, электронных учебников, компьютерных тестов. Особую актуальность для преподавателей школ и вузов приобретают программы для создания компьютерных тестов — тестовые оболочки. Подобных программных средств существует множество, и программисты-разработчики готовы строить новые варианты, так называемых, авторских систем. Однако широкое распространение этих программных средств сдерживается отсутствием простых и нетрудоемких методик составления тестовых заданий, с помощью которых можно «начинять» оболочки.

Экспертами чаще используется метод нисходящего проектирования модели знаний (технология «сверху — вниз»). Вначале строится генеральное содержание предметной области с разбивкой на укрупненные модули (разделы). Затем проводится детализация модулей на элементарные подмодули, которые, в свою очередь, наполняются педагогическим содержанием.

Другой метод проектирования «снизу — вверх» (от частного к общему) в большинстве случаев реализуется группой экспертов для разработки модели знаний сложной и объемной предметной области или для нескольких, близких по структуре и содержанию, предметных областей.

Каждый модуль предполагает входящую информацию, состоящую из набора необходимых понятий из других модулей и предметных областей, а на выходе создает совокупность новых понятий, знаний, описанных в данном модуле (рис. 1).

Рис. 1. Структуры линейной модели знаний Модуль может содержать подмодули. Элементарный подмодуль — неделимый элемент знания — может быть представлен в виде базы данных, базы знаний, информационной модели. Понятия и отношения между ними представляют семантический граф (рис. 2).

Рис. 2. Семантический граф модуля знаний

Модульное представление знаний помогает организовать четкую систему контроля с помощью компьютерного тестирования, поскольку допускает промежуточный контроль (тестирование) каждого модуля, итоговый контроль по всем модулям и их взаимосвязям, а также эффективно использовать методику «черного ящика»;

осуществлять наполнение каждого модуля педагогическим содержанием;

выявить и учитывать семантические связи модулей и их отношения с другими предметными областями.

Проектирование модели знаний играет важную роль для образовательного процесса. От этого в конечном счете зависит обучающая среда: учитель с его квалификацией и опытом, средства и технологии обучения, а главное — контроль обучения.

Модульный принцип построения модели знаний позволяет использовать принцип исчерпывающего контроля — полный перебор всех тестовых заданий для заданной предметной области, что характерно для итоговых измерений уровня обученности.

Можно выделить два принципиальных способа контроля (тестирования) некоторой системы:

1) метод «белого ящика» — принцип тестирования экспертной модели знаний;

2) метод «черного ящика» — тестирование некоторой сложной системы по принципу контроля входных и выходных данных (наиболее подходит к компьютерному тестированию).

Для упрощения дальнейшего изложения введем ряд определений и понятий.

Определение 1. Тестирование — процесс оценки соответствия личностной модели знаний ученика экспертной модели знаний. Главная цель тестирования — обнаружение несоответствия этих моделей (а не измерение уровня знаний), оценка уровня их несоответствия. Тестирование проводится с помощью специальных тестов, состоящих из заданного набора тестовых заданий.

Определение 2. Тестовое задание — это четкое и ясное задание по предметной области, требующее однозначного ответа или выполнения определенного алгоритма действий.

Определение 3. Тест — набор взаимосвязанных тестовых заданий, позволяющих оценить соответствие знаний ученика экспертной модели знаний предметной области.

Определение 4. Тестовое пространство — множество тестовых заданий по всем модулям экспертной модели знаний.

Определение 5. Класс эквивалентности — множество тестовых заданий, таких, что выполнение учеником одного из них гарантирует выполнение других.

Определение 6. Полный тест — подмножество тестового пространства, обеспечивающее объективную оценку соответствия между личностной моделью и экспертной моделью знаний.

Определение 7. Эффективный тест — оптимальный по объему полный тест.

Самой сложной задачей эксперта по контролю является задача разработки тестов, которые позволяют максимально объективно оценить уровень соответствия или несоответствия личностной модели знаний ученика и экспертной модели.

Подбор тестовых заданий осуществляется экспертами-педагогами методологией «белого ящика», а их пригодность оценивают с помощью «черного ящика».

Рис. 3. Схема создания тестовых заданий Самый простой способ составления тестовых заданий — формирование вопросов к понятиям, составляющим узлы семантического графа, разработка упражнений, требующих для их выполнения знания свойств выбранного понятия. Более сложным этапом является разработка тестовых заданий, определяющих отношения между понятиями. Еще более глубокий уровень заданий связан с их подбором, выявляющим связь понятий между отдельными модулями.

Множество тестовых заданий (тестовое пространство), вообще говоря, согласно принципу исчерпывающего тестирования, может быть бесконечным. Например, для исчерпывающего контроля знаний таблицы умножения целых чисел от 1 до 100 необходимо использовать 100×100 всех возможных комбинаций двух чисел. А для всех натуральных чисел тестовое пространство становится бесконечным.

Однако в каждом реальном случае существует конечное подмножество тестовых заданий, использование которых позволяет с большой вероятностной точностью оценить соответствие знаний ученика заданным критериям по экспертной модели знаний (полный тест).

Из полного теста можно выделить эффективный тест (оптимальный по объему набор тестовых заданий, гарантирующий оценку личностной модели ученика заданным критериям). Выбор эффективного теста зависит от удачного разбиения тестового пространства на классы эквивалентности, пограничные условия, создание тестов на покрытие путей и логических связей между понятиями и модулями.

В дальнейшем необходим тестовый эксперимент на группе учащихся, который позволит провести корректировку и доводку теста до вида эксплуатации (методика «черного ящика»).

Таким образом, построение компьютерных тестов можно осуществлять по следующим последовательным шагам:

1) формализация экспертной целевой модели знаний;

2) нисходящее (или снизу — вверх) проектирование тестового пространства;

3) формирование и наполнение тестовых заданий;

4) формирование полного компьютерного теста;

5) тестовый эксперимент;

6) выбор эффективного теста;

7) анализ, корректировка и доводка теста до вида эксплуатации.

2. Создание обучающе-демонстрационной программы «алгоритмизация и программирование»

2.1 Анализ существующих в системе образования программных средств для изучения разделов «Алгоритмизация» и «Программирование»

2.1.1 Программа «Роботландия»

«Роботландия» давно нашла признание и, несмотря на свой солидный возраст, не теряет актуальности ни в методических вопросах преподавания информатики в 1-5 классах, ни в примерах того, какими должны быть обучающие компьютерные программы.

В состав пакета входят:

1. Оболочка пакета — «Монитор». Используется в качестве графической оболочки для запуска остальных программ. Кнопки на рабочем столе «Монитора» выглядят, как на рис. 4;

Рис. 4. Оболочка программы

2. Тренажеры-первые шаги в мир компьютера. Программы «Курсор» и «Меню» натренируют интерфейсные навыки. «Говорящий» робот Привет пообщается с юным пользователем. «Мудрая Правилка» расскажет об ошибках, возникающих при записи текста на клавишах и научит алгоритмам исправления. Программа «Компьютер» покажет, что там у него внутри;

3. Алгоритмика — первое знакомство с миром исполнителей и способами их управления. Пока только в командном режиме. Практическая «обкатка» понятий «команда», «система команд», «алгоритм», «среда исполнителя». Работа проводится в средах программ:

· «Перевозчик» — задача о перевозе волка, козы и капусты через реку (рис. 5);

· «Монах» — задачи Ханойской башни;

· «Конюх» — решение двух этюдов с конями на шахматной доске;

· «Переливашка» — задачи на переливание;

· «Угадайка» — игра с бинарным алгоритмом оптимальной стратегии;

Рис. 5. Среда программы «Перевозчик»

5. Исполнители — погружение в мир исполнителей, схема знакомства, диагностические сообщения, непростые алгоритмы, линейные программы. Работа начинается с программы «Квадратик», в которой предстоит исследование среды и системы команд исполнителя. Затем решаются содержательные задачи в средах «Машиниста», «Автомата» и, наконец, «Плюсика». С последним исполнителем связано много интересных вычислений на стеке;

6. Программирование — клетчатая среда исполнителя и простейшая система команд («Вверх», «Вниз», «Вправо», «Влево») позволяют очень наглядно увидеть результат работы программ. Знакомство с основными алгоритмическими структурами (процедура, ветвление, цикл) происходит на базе простого языка программирования. Хотя в языке нет даже переменных, можно при желании, программировать очень сложные задачи;