2 (ТиМОИ). Ретроспективный анализ проблемы обучения школьников элементам кибернетики

Одна из наиболее перспективных содержательно-методических линий развития фундаментальных основ школьной информатики получила развитие с начала 1960-х гг. в связи с экспериментами по обучению учащихся элементам кибернетики. У истоков этого исследовательского направления стоял В.С. Леднев, предпринявший с 1961 г. экспериментальное преподавание специально разработанного курса по общим основам кибернетики для средней школы и доказывавший необходимость включения основ кибернетики в учебный план средней школы в качестве базового (обязательного) компонента общего образования. Впоследствии в это новое направление научно-методических исследований  активно включился А.А. Кузнецов, ученик В.С. Леднева.

Предпринятое исследование захватывало целый ряд общезначимых вопросов общего среднего образования: место кибернетики в содержании общего среднего образования, ее значение для образования учащихся средней школы, пути изучения ее в школе, содержание и методы преподавания курса кибернетики.

По мнению В.С. Леднева и А.А. Кузнецова, общеобразовательное и политехническое значение основ кибернетики для среднего образования заключалось в следующем: 1) кибернетика, вводя понятие об информационных связях, присущих системам различной природы, способствует формированию представлений о единстве мира; 2) трактовка явлений, процессов, изучаемых с разных сторон учебными предметами, в том числе и кибернетикой, создает у учащихся глубокое, многостороннее, подлинно научное представление о мире; 3) изучение кибернетики открывает возможности для более последовательного изложения основных мировоззренческих идей; 4) роль кибернетики в подготовке учащихся к профессиональному обучению определяется прежде всего тем, что изучение целого ряда практических наук, осуществляемое в профессиональной школе, прямо или косвенно базируется на изучении ее основ.

На основе длительной теоретико-экспериментальной работы был сделан однозначный вывод о том, что изучение кибернетики должно войти в содержание общего среднего образования как отдельный предмет. Однако большее, чего в то время удалось добиться исследователям – это официального включения в середине 1970-х гг. курса «Основы кибернетики» общим объемом в 140 часов (по 70 часов в 9 и 10 кл.) в число факультативных курсов для общеобразовательной средней школы. В содержание предлагавшегося факультатива входили такие категории и понятия, как управление, автоматизация, хранение, передача, преобразование и использование информации, которые впоследствии наряду с основами алгоритмизации и программирования вошли в число базовых компонентов школьного курса информатики. Поэтому именно эти, теоретически обоснованные и методически апробированные в процессе экспериментальной работы основы общеобразовательного курса кибернетики  и создали предпосылки для формирования фундаментальных компонентов современного школьного курса информатики. 

 

Методические аспекты формирования представлений об информационных основах управления в курсе информатики и  ИТ

Необходимо рассказать ученикам об одном важном приложении компьютерной техники – об использовании ЭВМ для управления. Учитель может сообщить о том, что в 1948 г. в США и Европе вышла книга американского математика Норберта Винера «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине». Эта книга провозгласила рождение новой науки – кибернетики. Кибернетика изучает процессы управления в живой природе и системах, созданных человеком, а также разрабатывает методы построения эффективного управления при решении человеком тех или иных жизненных задач. Далее необходимо сообщить ученикам, что для описания сложных систем в кибернетике используется модель «черного ящика». Главная характеристика «черного ящика» - это входная и выходная информация. Внешние воздействия воспринимаются системой через ее входы, а результаты передаются системой во внешнюю среду через ее выходы. При этом для нас оказывается несущественным внутреннее устройство системы. Целесообразно рассмотреть примеры.

Например, действия человека, переходящего улицу на перекрестке. Он проверит наличие светофора, и если таковой имеется, то согласует свои действия с его сигналами. Кроме того, он учтет движение транспорта, который может подчиниться сигналам светофора, а может и нет. Выберет необходимую скорость перемещения и направление. И, наконец, перейдет улицу. При этом в данном случае для нас не важно устройство органов зрения, слуха, опорно-двигательного аппарата. Описывая переход улицы человеком, мы интересуемся только информацией, поступающей из внешней среды, т.е. подаваемой на входы, и действиями человека в соответствии с этой информацией, т.е. результатами на выходах.

Можно привести другой пример, относящийся уже не к живой природе, а к техническим устройствам. Пусть перед нами автомат по продаже билетов на пригородные поезда. Мы опускаем в него монеты на нужную сумму (можно считать, что подаем ему на входы информацию), а он на выходе дает нам билет или сообщает, что сумма денег не соответствует стоимости билета. При этом устройство автомата нас не интересует.

Далее необходимо обсудить вопрос о том, что такое управление с кибернетической точки зрения. Управление есть целенаправленное воздействие одних объектов, которые являются управляющими,  на другие объекты – управляемые. Например, человек и телевизор, хозяин и собака, светофор и автомобиль. При этом управляющее воздействие производится в разной форме: человек нажимает кнопку управления телевизором; хозяин голосом подает команду собаке; светофор разными цветами управляет движением автомобилей на перекрестке. С кибернетической точки зрения все варианты управляющих воздействий следует рассматривать как управляющую информацию, передаваемую в форме команд. Последовательность команд по управлению объектом, приводящая к заранее поставленной цели, называется алгоритмом управления. В таком случае объект управления называют исполнителем управляющего алгоритма.

Целесообразно рассмотреть схему управления с обратной связью. Суть заключается в том, что управляющий не только отдает команды, но и принимает информацию от объекта управления о его состоянии (н-р, если человек не нашел нужную передачу на данном канале, то переключит телевизор на следующий канал; если собака не выполнила команду «лежать!», хозяин повторит эту команду).  Этот процесс называется обратной связью. В варианте управления без обратной связи алгоритм может представлять собой только однозначную (линейную) последовательность команд. При наличии обратной связи алгоритм может быть более гибким, допускающим проверку условий, ветвления и циклы. При этом сам управляющий должен быть достаточно интеллектуальным для того, чтобы, получив информацию по обратной связи, проанализировать ее и принять решение о следующей команде. Системы, в которых роль управляющего поручается компьютеру, называются автоматическими системами с программным управлением. Для функционирования такой системы, во-первых, между ЭВМ и объектом управления должна быть обеспечена прямая и обратная связь, во-вторых, в память компьютера должна быть заложена программа управления (алгоритм, записанный на языке программирования). Поэтому такой способ управления называют программным управлением.

Необходимо сообщить ученикам о вариантах применения ЭВМ в управлении. Существуют компьютерные системы, которые называются автоматизированные системы управления (АСУ). Такие системы работают вместе с человеком. АСУ помогают руководителю получить необходимую информацию для принятия управляющего решения, а также может предложить наиболее оптимальные варианты таких решений. Однако окончательное решение принимает человек. В АСУ используются самые современные средства ИТ: БД и экспертные системы, методы математического моделирования, машинная графика и пр. С распространением ПК технической основой АСУ стали компьютерные сети. В рамках одного предприятия – это локальные компьютерные сети. АСУ, работающие в масштабах отрасли, в государственных масштабах, используют глобальные сети ЭВМ.

Существуют также системы автоматического управления (САУ). Объектами управления в этом случае чаще всего выступают технические устройства. В САУ все операции, связанные с процессами управления (сбор и обработка информации, формирование управляющих команд, воздействие на управляемый объект), происходят автоматически, без непосредственного участия человека.