РЕАЛИЗАЦИЯ ЦЕЛОСТНОГО ПОДХОДА К ОБУЧЕНИЮ ИНФОРМАТИКЕ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ И ДУХОВНОМУ ВОСПИТАНИЮ НА ПРИМЕРЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НАРОДНЫХ УЗОРОВ

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.)

РЕАЛИЗАЦИЯ ЦЕЛОСТНОГО ПОДХОДА К ОБУЧЕНИЮ ИНФОРМАТИКЕ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ И ДУХОВНОМУ ВОСПИТАНИЮ НА ПРИМЕРЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НАРОДНЫХ УЗОРОВ

Птицын Владимир Анатольевич,
старший преподаватель,
Московский государственный
областной университет

Аннотация: рассматривается реализация целостного подхода к изучению информатике в средней школе и духовному воспитанию на примере компьютерного моделирования народных узоров. Показывается, что моделирование народных узоров позволяет изучить и прочувствовать на практике основные положения теории моделирования.

Ключевые слова: компьютерное моделирование, духовное воспитание, программирование, Народный Узор.

Современная информационная образовательная среда является продуктом информационной эпохи, которая при разработке методики преподавания информатики в средней школе требует учета следующих факторов.

Во-первых, спектр и объем информационных воздействий на учащихся многократно расширился по сравнению с предшествующей эпохой индустриализма. Это расширение осуществляется в основном за счет сети Интернет. К традиционному вертикальному целенаправленному образовательному воздействию государственной системы образования, осуществляемому посредством школьных учителей, образовательных Интернет ресурсов, различных внешкольных проектов, добавились тоже целенаправленные информационные образовательные воздействия негосударственных организаций и граждан, как отечественных, так и из-за рубежа. Кроме того, ныне на детей огромное воздействие оказывает информационный фон, не формируемый как явное целенаправленное образовательное воздействие. Все указанные выше воздействия имеют и чисто учебную и воспитательную составляющие.

Во-вторых, стремительное развитие информационных технологий требует постоянного повышения качества освоения учащимися фундаментальных основ информатики за достаточно ограниченное время, отводимое учебной программой.

Очевидно, что в этих новых условиях необходимо в большей мере, чем прежде учитывать воспитательное воздействие на учащихся при преподавании того или иного предмета в том числе и информатики, той или иной темы информатики. Комплексное решение отмеченных проблем лежит в пространстве построения Учебно-воспитательной Интернет-системы, теорию которой автор данной публикации развивает в ряде своих работ [2].

В данной же публикации мы хотим сосредоточить внимание на преподавании темы моделирования в средней школе в русле целостного подхода к изучению информатики и духовному воспитанию учащихся. На конкретизацию терминов «духовность» и «духовное воспитание» существует много мнений ученых. Мы применяем определение духовности, данное Л.В. Скворцовым: духовность – это та база, которая обеспечивает «фундаментальные условия сохранения жизни народа в истории» [1, с. 25]. Соответственно за духовное воспитание можно принять то воспитание, которое помогает поддерживать эти «фундаментальные условия».

По нашему мнению, повышению качества преподавания таких тем информатики как «программирование и алгоритмизация» и «моделирование», а также обеспечению позитивного воспитательного воздействия на обучаемых, т.е. их духовному воспитанию может содействовать программирование народных узоров народов России. Исходя из этой предпосылки, автор данной публикации стал разработчиком Интернет Олимпиады по компьютерной графике и родиноведению «Народный Узор», проводимой физико-математическим факультетом Московского государственного областного университета с 2011 года [3].

Позитивное воспитательное воздействие при компьютерном моделировании народных узоров обеспечивается тем, что учащиеся при выборе образца для моделирования обращаются к родному историко-культурному наследию. Этот образец, конечно, можно найти и в сети Интернет, что уже совсем не плохо, но лучше, если дети сходят в местный краеведческих музей или пороются в «бабушкиных сундуках». Именно на такие действия ориентирует учащихся Интернет Олимпиада по компьютерной графике и родиноведению «Народный Узор», предлагая к компьютерной работе с моделью узора приложить и родиноведческую записку о моделируемом узоре.

Программирование собственно узора, после того как его математическая модель построена, тоже весьма благодатный материал, поскольку в каждом узоре явно просматриваются циклические алгоритмические конструкции как с известным заранее количеством итераций, так и с условием. Кроме того, на многих узорах можно увидеть фрактальные структуры, внесение случайных возмущений в узоры делает их изображения более реалистичными. Потенциал народных узоров при обучении программированию рассматривался нами в ряде работ, например [4].

Посмотрим повнимательнее на повышение качества преподавания темы «моделирование» в средней школе при моделировании народных узоров. В разных учебниках для средней школы можно найти определения понятия «компьютерная модель» и классификацию этих моделей. Автору данной статьи, проработавшему значительный период в области практического моделирования реальных объектов, наиболее близко следующее определение: «математическая модель – это система математических соотношений – формул, уравнений, неравенств и т.д. отражающая существенные свойства объекта или явления» [7, с.199]. Но к этому определению требуется обязательно добавить: «для данной постановки задачи».

Чем же хороши именно народные узоры для иллюстрации теоретических положений темы «моделирование»? Ответ достаточно очевиден. Чтобы прочувствовать процесс компьютерного моделирования необходимо промоделировать на компьютере какую-то реальную задачу, пройдя обязательно все этапы разработки модели. Однако модели любого реального объекта или явления настолько сложны, что их невозможно построить школьникам. Конечно текстом описать проблемы моделирования возможно и это прекрасно сделано в упомянутом выше учебнике [7] на примере достаточно популярной задачи при изучении темы моделирования бросания камня. Но одно дело прочитать описание проблем моделирования, учета в модели различных факторов в контексте поставленной задачи. А совсем другое дело оценить расчетами на компьютере, насколько учет того или иного фактора влияет на конечный результат. Например, для задачи бросания камня на школьных уроках уже невозможно на компьютере оценить влияние на конечный результат сопротивления среды, формы камня и его движения относительно центра масс. Т.е. невозможно оценить, взаимное влияние факторов, сделать обоснованный вывод, какие из них необходимо учесть в математической модели с учетом конкретной поставленной задачи.

Однако в задаче компьютерного моделирования народного узора возможно на практике пройти и прочувствовать значительное количество положений теории моделирования.

Положение первое и главное: модель должна быть адекватна поставленной задаче. В случае с народными узорами мы можем сформулировать задачу следующим образом: построить компьютерную модель, передающую образ данного народного узора. Понятие «образ» достаточно неопределенное. И это хорошо для нас, поскольку все реальные задачи содержат ряд неопределенностей. А суждения об адекватности модели поставленной задаче всегда носят субъективный характер, эти суждения строятся с учетом интуиции разработчиков модели. В задаче моделирования узора суждения о том, насколько модель передает образ реального узора, будут неизбежно субъективными. И это прекрасно, поскольку нам удается воспроизвести самый сложный до конца никогда не формализуемый процесс перехода от постановки задачи к математической модели. И учителю, разрабатывающему с детьми компьютерные модели народных узоров, важно акцентировать внимание учащихся на этом этапе построения модели. Так же как и на последующих этапах, необходимо показывать, как шаги разработки соотносятся с теорией моделирования.

При выборе компьютерной модели народного узора мы неизбежно подходим к этапу задания точности модели (как одному из свойств математической модели), которая в нашем случае может интерпретироваться как степень детализации будущего рисунка узора, полученного в результате программирования. Здесь открывается прекрасная возможность напомнить и наглядно показать учащимся, что «точное построение реальной задачи вообще невозможно» [7, c. 200]. Здесь же необходимо напомнить учащимся обоснованное мнение многих ученых, что моделирование – это не только наука, но и искусство, поскольку при осуществлении моделирования огромную роль играет интуиция разработчиков. При выборе степени точности конкретной модели узора целесообразно вспомнить об образном представлении процесса моделирования как движения по узкой тропе, с одной стороны которой расположено болото излишней детализации, которая ничего не добавляет к решению поставленной задаче, а с другой стороны – излишнее упрощение модели, которое уводит нас от решения поставленной задачи к другой постановке задачи. На примере народного узора этот образ процесса моделирования, как движения по узкой тропе наглядно демонстрируется, добавлением или изъятием тех или иных деталей узора, степенью проработки этих деталей.

На примере моделирования народного узора учитель может наглядно проиллюстрировать и один из аспектов следующего свойства математической модели: её экономичность. Ограничение на вычислительные ресурсы на данной модели, конечно, не продемонстрируешь, но об этом аспекте надо напомнить учащимся. А вот второй аспект: ресурсы разработчиков будет виден очень наглядно. Действительно, модель узора надо будет разработать к конкретному сроку, учесть имеющиеся навыки, оценить какие навыки, например, в программировании надо улучшить.

Далее, когда зайдет речь о выборе параметров математической модели узора, необходимо будет вспомнить о таком свойстве математической модели как её полнота: в какой степени в математической модели учтены именно те свойства и параметры, которые необходимы в данной постановке задачи. При построении модели узора встает вопрос выбора наименьшего количества входных параметров, позволяющих построить модель, и обеспечивающих её гибкость. При выборе входных параметров можно показать, что их набор будет зависеть от различных конкретизаций постановки задачи. А именно, какие требования накладываются на узор при его демонстрации на мониторах с различным разрешением. Тут может быть очень много вариаций постановки задачи: лишь бы узор был виден хотя бы частично (самая простая постановка задачи); узор должен быть виден полностью; центр узора должен совпадать с центром экрана и т.д.

При рассмотрении этих различных вариаций постановки задач очень удобно продемонстрировать такой подход к моделированию, как «от простого к сложному». Сначала необходимо добиться, чтобы модель, передавая образ первоисточника, была бы хотя бы частично видна на экране при любых значениях входных параметров из их допустимой области. А на следующем этапе можно добиться уже более сложного отображения модели на экране, что потребует усложнения модели и изменения перечня входных данных.

Далее на примере модели народного узора можно очень наглядно продемонстрировать такое важное свойство любой математической модели, говорящее о её качестве как безразмерность большинства её параметров. Действительно, чтобы обеспечить адаптацию изображения узора к размерам экрана, нам неизбежно придётся основные габариты модели соотносить с размерами экрана, т.е. задавать габаритные размеры узора через безразмерные коэффициенты, отнесенные к размерам экрана. Тогда внутренние детали узора надо будет задавать как безразмерные доли габаритных размеров или других родительских по отношению к ним элементов.

Коли мы упомянули родительские элементы, то становится очевидным, что при построении математической модели узора учитель может очень наглядно продемонстрировать её декомпозицию: разбиение на отдельные части, находящиеся в иерархической зависимости друг от друга.

Из рассмотренного выше следует, что при построении математической модели узора можно наглядно продемонстрировать и актуальность такого свойства математической модели как наглядность.

Таким образом мы видим, что при построении математической модели узора учащиеся могут увидеть и прочувствовать в процессе моделирования большое количество фундаментальных понятий моделирования, с которыми сталкиваются разработчики в реальной практике.

Однако одно из свойств моделей на примере народных узоров продемонстрировать, видимо, не получится. Это продуктивность модели, т.е. возможность иметь достаточно достоверные входные данные. Это свойство – уже тонкий вопрос, выходящий за рамки базовой школьной программы. Это свойство возможно обсуждать только на специализированных факультативах, да и то только теоретически.

Еще одно свойство может быть продемонстрировано только на усложненных моделях народных узоров. Это свойство: устойчивость модели по отношению к входным данным – малые вариации входных данных не должны вызывать большие вариации выходных данных. Вдумчивый учитель сможет проиллюстрировать это свойство на фрактальных моделях узоров и на моделях с малыми случайными возмущениями параметров моделей узоров, вводимых в компьютерные модели для обеспечения их большей реалистичности, лучшей передачи образа данного для моделирования узора. Соответствующие задания по построению фракталов на базе народных узоров и внесению малых случайных возмущений в модели узоров присутствуют в Олимпиаде по компьютерной графике и родиноведению «Народный Узор».

В заключение отметим, что данная авторская методика была апробирована нами на занятиях с детьми в средней общеобразовательной школе и в педагогическом ВУЗе. С использованием данной методики после обучения у автора статьи проводили занятия со школьниками и студенты МГОУ во время педагогической практики в школах. Кроме того, данную методику автор рассказывал на учебных вебинарах [5, 6] для педагогов –руководителей участников Олимпиады по компьютерной графике и родиноведению «Народный Узор» и надо надеяться, эти педагоги хотя бы частично использовали её на занятиях с учащимися.
ЛИТЕРАТУРА:

  1. Скворцов Л.В. Информационная культура и цельное знание. М.: МБА, 2011. 440 с.
  2. Птицын В.А. Учебно-воспитательная Интернет-система как один из инструментов обучения информатике и воспитания детей в информационную эпоху. // Материалы XX Международной конференции «Применение новых технологий в образовании». Троицк: Тровант, 2009. с. 44-47.
  3. Птицын В.А. Сайт «Интернет Олимпиада ‘Народный узор’ по компьютерной графике и родиноведению» // URL: http://mgou.ru/computer/
  4. ПтицынВ.А. Олимпиада по компьютерной графике «Народный узор»: эффективное обучение компьютерным наукам и духовное воспитание // Материалы второй научно-методической конференции «Новые образовательные программы МГУ и школьное образование», часть 1, М.: МГУ, 2012. с. 37-39
  5. Птицын В.А. Вебинар: «Интернет Олимпиада по компьютерной графике ‘Народный узор’» // URL: http://edu.mgou.ru/news/sostoyalsya_webinar__132/
  6. Птицын В.А. Вебинар «Случайные возмущения в запрограммированном узоре: новое задание Интернет Олимпиады по компьютерной графике и родиноведению ‘Народный узор’» // URL: http://edu.mgou.ru/news/narodnyy_uzor__1843/
  7. Шауцукова Л.З. Информатика. М.: Просвещение, 2010. 416 с.
avatar
  Подписаться  
newest oldest most voted
Уведомить о
М.А. Федотенко
М.А. Федотенко

Добрый вечер, уважаемый Владимир Анатольевич!
Невероятно интересная статья и совершенно замечательная работа, благодарю Вас! Мне не хватило лишь иллюстраций в начале, хотя бы одного примера работы. Подскажите, пожалуйста, где с ними можно было бы ознакомиться (ссылка в списке источников, к сожалению, не валидна)?
Успехов Вам!

Владимир Анатольевич Птицын
Владимир Анатольевич Птицын

Здравствуйте, большое спасибо за положительный отзыв. С моделями, о которых я пишу можно познакомиться на ссылках двух вебинаров, которые в пунктах 5 и 6 списка литературы. Ссылка п. 3, действительно, ошибочна. Простите за нее: «сильно быстро» писал статью. Правильный адрес: http://computer.mgou.ru/ Сайт этой Олимпиады сразу находится и в поисковиках.