НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА ИНФОРМАТИКУ: ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ И БЛОКЧЕЙН В УГЛУБЛЕННОМ КУРСЕ ИНФОРМАТИКИ

Статья опубликована в рамках: Международной научно-практической интернет-конференции «Актуальные проблемы методики обучения информатике и математике в современной школе» (Россия, г.Москва, МПГУ, 22 — 26 апреля 2019г.)

НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА ИНФОРМАТИКУ: ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ И БЛОКЧЕЙН В УГЛУБЛЕННОМ КУРСЕ ИНФОРМАТИКИ

Самылкина Н.Н.,
к.п.н, доцент, Московский педагогический государственный университет, профессор кафедры теории и методики обучения математике и информатике.

Калинин И.А.,
к.п.н., доцент, Московский государственный лингвистический университет, доцент кафедры международной информационной безопасности

Учебно-методический комплект (УМК) по информатике углубленного уровня авторов в Федеральном перечне учебников с 2013 года, он вошел и в перечень 2018 года благодаря актуальности материала учебников. По своему содержанию УМК отличается от других, прежде всего современным контекстом и высокими требованиями к результатам обучения. Пока еще небольшое количество педагогов решились его использовать, поскольку материалы учебника действительно представляют собой углубленный уровень, подразумевают достаточно высокий уровень математической подготовки.

Учителя информатики знают основную проблему курса — это слабые связи между теоретическими основами информатики и информационными технологиями. Даже в старшей школе изучали только средства ИТ, а методы и алгоритмы, лежащие в основе реально существующих информационных технологий рассматривались лишь фрагментарно (фактически не изучались). Выпускники, желающие продолжить свое образование в области информационных технологий, не имели достаточной подготовки и тем более, не могли попробовать себя в каком-либо направлении отрасли ИТ, которая сильно изменилась в последнее десятилетие.

В России на государственном уровне приняты актуальные документы: «Стратегия развития отрасли информационных технологий (2014-2025)», Доктрина информационной безопасности в Российской Федерации, «Стратегия развития информационного общества в Российской Федерации на 2017-2030 годы», «О Стратегии развития научно-технологического развития Российской Федерации». Они реализуются в государственных программах (например, «Цифровая экономика в Российской Федерации») и национальных проектах по отраслям (например, «Образование»). Все уровни системы отечественного образования претерпевают серьезные изменения, связанные именно с информатикой и информационными технологиями.

Поэтому серьезное внимание уделяется образовательному контенту и новым образовательным технологиям и подготовке учителей и обучающихся, как важнейшим стратегическим ресурсам для цифровой экономики.

Содержание курса информатики для старшеклассников, по мнению авторов должно быть:

  • Современным по контексту, т.е. раскрывать реальное состояние отрасли ИТ и направления её развития;
  • Современным, с точки зрения использования инструментов ИТ и подходов к их изучению, образовательных технологий;
  • Современным с позиции планируемых результатов образовательной деятельности;
  • Модульным для построения индивидуальной образовательной траектории, реализации права выбора (для возможного расширения и углубления разных тем, в зависимости от профиля обучения).

Авторы УМК, ориентированного на будущих инженеров и специалистов ИТ-отрасли, предложили ряд новых подходов и инструментов:

  • к изложению основ моделирования. Акцент на освоение общенаучного системного подхода в моделировании, его основных характеристик и применения для аналитических целей. Реализован переход от математического моделирования к моделированию систем и процессов с использованием системы многоподходного имитационного моделирования (AnyLogic);
  • к обработке текста. Использование регулярных выражений, обработка текста на естественных языках, контент-анализ (механизм регулярных выражений, регулярные выражения в разных программных средах, возможности среды .NET. Подходим к возможности извлечения смысла из больших объемов данных технологическими инструментами (NLP, компьютерная лингвистика);
  • к машинной графике (алгоритмы обработки растровых изображений, алгоритм Брезенхема, растеризация, алгоритмические основы векторной графики); переход от двумерного моделирования (работа фильтров и пр. эффекты) к трехмерному эскизному моделированию;
  • к введению в курс информатики интеллектуальных систем (представление знаний, алгоритмы выявления закономерностей, основы систем искусственного интеллекта); Практическая реализация интеллектуальных алгоритмов Apriori и CART (в разных средах: электронные таблицы, С++, Python);
  • к алгоритмической и программисткой линии. По всему курсу реализовано сквозное использование алгоритмов, использование псевдокода с английской лексикой для обеспечения независимости от конкретного языка программирования;
  • к изучению архитектуры компьютера. Возвращение схемотехники и изучение технологии производства микросхем, развитие архитектурных решений современных компьютеров от микроконтроллера до чипсета;
  • к рассмотрению телекоммуникационных сетей и их взаимодействия (стандарты, сервисы, обеспечение информационной безопасности); а также основы информационной безопасности (основы криптосистем, блокчейн, хэш-функции)
  • к технологии обработки звука; средства обработки звука (Steinberg Nuendo);
  • к пониманию функционирования информационных систем. Рассматривается архитектура, жизненный цикл, средства реализации;
  • к значимости вопросов социальной информатики. Тема раскрывается с учетом изменения структуры социальных взаимодействий, подробно рассматривается законодательное обеспечение информационной сферы.

Основные авторские идеи, реализованные в углубленном курсе информатики, который ориентирует учащихся на будущую профессию в области информатики, в том, что  подход к изложению теоретических основ предмета должен опираться на контекст той фундаментальной теоретической базы, которая лежит в основе существующих современных средств работы с информацией, используется при создании аппаратной, математической и программной базы, в основе создания и организации реальных информационных процессов.

В результате такого подхода появляется возможность показать истоки и направления развития современных технологических  средств, показать их не как набор «кнопок», а как часть технологического процесса, и сами процессы показать как то, что может быть построено и усовершенствовано. Именно тогда становятся очевидными роль, назначение и основные вопросы развития информационных технологий: средств, автоматизирующих значительную часть деятельности человека, задачи организации хранения и поиска информации, задачи интеллектуальных систем и т.п. Авторы демонстрируют, каким образом информация может быть представлена для автоматизированной обработки, как (и что самое главное – для чего) реализуется автоматизированная работа с информацией, какие теоретические и практические средства для этого существуют и разрабатываются, как и в каких случаях они применяются.

Такой подход исключает восприятие теории как чего-то отдельного от практической деятельности, в первую очередь потому, что теоретические положения в этом случае позволяют показать механизмы построения и использования практических средств, позволяют поставить и решить существенно более сложные задачи, имеющие несомненное практическое применение.

Стоит также отметить, что предлагаемый подход также позволяет показать, что информационные технологии в «чистом» виде, — без понимания основы их построения, – инструмент опасный, поскольку целый ряд особенностей их функционирования без понимания теоретических основ их построения влияет непосредственно на результат применения (например, вопрос точности вычислений или статистический характер закономерностей).

Еще одно требование к изложению, логически вытекающее из этого подхода – опора на существующие и вновь разрабатываемые отраслевые стандарты, необходимость рассматривать механизм их функционирования, цели и результаты их создания и доработки.

В первой главе, посвященной подходам к определению информации, её представлению и измерению, получают развитие вопросы различных способов кодирования: с возвратом к нулю и без возврата (самосинхронизирующийся), восстановления аналогового сигнала из цифрового (теорема Котельникова-Найквиста), оптимизации кода при передаче текстовой информации (кодирование Хаффмана), методам выявления ошибок и их корректировки (код Хэмминга).

Во второй главе, где рассматривается компьютер, как устройство для обработки информации, излагаются современные подходы к реализации фон-Неймановской и Гарвардской архитектур в их сравнении и практическом использовании.  Становится завершенной тема элементной базы компьютеров, поскольку рассматривается назначение и устройство регистров; разновидности триггеров; назначение и работа дешифраторов. Предусмотрено выполнение трех практических работ на макетных платах по сборке и изучению работы четырехразрядного сумматора и двух разных триггеров. (Готовится к печати в практикуме для инженерных классов к ноябрю 2019 года). В завершении эти вопросы объединяются в технологии производства микросхем. Достаточно полно систематизирована тема основных классов программного обеспечения. Рассмотрены популярные линии операционных систем, их состав и функционирование, а также современное прикладное программное обеспечение.

Глава, посвященная моделированию, раскрывает суть основного метода познания информатики и применение системного подхода, широко используемых в различных научных дисциплинах. Учебники нельзя использовать без задачника-практикума, входящего в УМК и предусматривающего овладение практическими навыками, в основном приемами моделирования в различных средах. Отдельное внимание уделяется имитационному  моделированию, где рассмотрены виды имитационных моделей и классы задач, которые решаются с их использованием.

Для практических работ по данной главе одна из ведущих мировых компаний-разработчиков средств имитационного моделирования (компания XJ Technologies, абсолютный лидер российского рынка) предоставляет бесплатную версию среды AnyLogic, позволяющую создавать, демонстрировать и исследовать широкий спектр моделей из самых разных областей практической деятельности. Использование этой среды позволяет не только теоретически обсудить значение методов моделирования, но и продемонстрировать их важность и возможности при решении очевидных практических задач, которые ранее в курсах информатики даже не рассматривались. Есть возможность продемонстрировать связь моделирования и программирования. В AnyLogic можно корректировать модель программными средствами скриптового программирования.

Глава, посвященная алгоритмизации и программированию, ориентирована на освоение теории алгоритмов и программирования в выбранной среде. Алгоритм рассматривается как модель процесса, следовательно, значительно расширяется деятельность по моделированию.

При изучении программирования предполагается, что школьники уже владеют первичными навыками составления алгоритмов и программ, предусмотренными требованиями ФГОС основного общего образования. В учебнике предусматривается развитие уже полученных знаний за счет рассмотрения теоретических основ создания и оценки алгоритмов, рассматривается проблема алгоритмической неразрешимости и представляются ряд эффективных решений для важных при последующем использовании задач – в частности, алгоритмы быстрой сортировки, хэшированного поиска и др. Предлагаемые алгоритмы предложены в псевдокоде с английской лексикой для обеспечения независимости от среды реализации, а в приложении к учебнику представлена таблица перевода конструкций псевдокода на наиболее распространенные в школьной практике языки программирования. В задачнике-практикуме (в составе УМК) предлагается с достаточно большой перечень заданий на тему «Технология программирования». Использование задачника-практикума на уроках позволяет не выделять отдельного времени для подготовки к государственной итоговой аттестации, учащиеся не будут испытывать каких либо затруднений на экзамене, поскольку изученный материал углубленного курса более сложен, чем задания предлагаемые на экзамене. Следует заметить, что в дальнейшем задачи, связанные с подготовкой программ рассматриваются практически во всех разделах учебника. Это позволяет при изучении соответствующих разделов не только показать методы, используемые для решения различных прикладных задач, но и предоставляет учителю возможность организовать практическую работу по подготовке соответствующих программ, реализующих элементы соответствующих информационных технологий.

Важным преимуществом такого подхода является то, что при такой организации работы учащихся резко вырастает уровень понимания сути и возможностей механизмов обработки информации, а в ряде случаев  и обоснованности некоторых положений учебника.

Применение методов и средств информатики, представлено в разделе «Информационные технологии обработки различной информации». Здесь раскрывается теоретическая и технологическая компоненты существующих современных средств работы с информацией во взаимосвязи. Для понимания работы современных средств информационных технологий решается достаточное количество задач, и выполняются практические и проектные работы.

Существенно новой в предлагаемом учебнике 11 класса, является 4 глава 4 «Интеллектуальные алгоритмы и искусственный интеллект». В традиционных учебниках кратко упоминается область информационных технологий, обозначаемая как «Искусственный интеллект», но не описывается ни задач этой области, ни существующих способов их решения, ни конкретных средств и технологий. Наличие достаточного количества часов и уровня подготовки позволяют дать школьникам представление о некоторых средствах этой области, их возможностях и ограничениях, точнее описать глобальные задачи, решаемые специалистами не один десяток лет. Не менее существенно и то, что эта область позволяет показать границу между автоматизируемыми (пусть и трудоемкими) процессами и неавтоматизированными, показать результаты, полученные при решении таких задач.

Учебники поддержаны сетевой методической службой: открыта авторская мастерская,  форум, видеолекторий  для учителей и школьников на сайте http://metodist.lbz.ru/authors/informatika/8/

  1. Калинин И.А., Самылкина Н.Н.. Информатика. Углубленный уровень. 10 класс. М:, «БИНОМ. Лаборатория знаний», 2013
  2. Калинин И.А., Самылкина Н.Н.. Информатика. Углубленный уровень. 11 класс. М:, «БИНОМ. Лаборатория знаний», 2013
  3. Сайт методической поддержки курса http://metodist.lbz.ru/authors/informatika/8/
  4. Сайт поддержки темы «Моделирование» http://www.anylogic.ru/
avatar
  Подписаться  
newest oldest most voted
Уведомить о
Л.Л. Босова
Л.Л. Босова

Уважаемая Надежда Николаевна!
Вы очень четко изложили свою авторскую концепцию. Спасибо!
Когда можно ожидать практикум и задачник?

Надежда Николаевна

Спасибо, Людмила Леонидовна! Задачник-практикум в составе УМК.

Бурова А. И.
Бурова А. И.

Уважаемая Надежда Николаевна! Мне очень понравилась Ваша статья и концепция! Проблема нехватки специалистов по информационной безопасности действительно актуальна. Ведь для более глубокого изучения данного направления необходимо отлично владеть основами такой науки, как «Криптография». А ведь «Криптография» очень тесно связана с такой наукой, как «Теория чисел». Отсюда можно сделать вывод, что в подготовке специалистов по информационной безопасности необходимо уделять огромное внимание высшей математике. Спасибо!

Надежда Николаевна

Спасибо за Вашу оценку. Информатика меняется и криптографии также становиться ее частью. Будущие учителя информатики изучают эти вопросы еще в бакалавриате.