6(ТиМОИ). Методика преподавания
информатики как новый раздел педагогической науки и как учебный предмет
подготовки учителя информатики
Введение в 1985 г. в
среднюю школу отдельного общеобразовательного предмета ОИВТ дало старт
формированию новой области педагогической науки, объектом которой является обучение
информатике. Этот раздел педагогики, исследующий закономерности обучения
информатике на современном этапе ее развития в соответствии с целями,
поставленными обществом, в настоящее время получил название «Теория и методика
обучения и воспитания информатике».
Из приведенной
формулировки следует, что к ТиМОИ нужно относить исследование процесса обучения
информатике везде, где бы он ни проходил и на всех уровнях: дошкольный период,
школьный период, все типы средних учебных заведений, высшая школа,
самостоятельное изучение информатики, дистанционные формы обучения и т.п.
Каждая из перечисленных областей в настоящее время ставит свои специфические
проблемы перед современной педагогической наукой.
Определение методики
информатики как науки об обучении информатике само по себе еще не означает
существование этой научной области в готовом виде. ТиМОИ в настоящее время
интенсивно развивается; школьному предмету информатики уже более полутора
десятка лет, но многие задачи в новой педагогической науке возникли совсем
недавно и не успели получить еще ни глубокого теоретического обоснования, ни
длительной опытной проверки.
В соответствии с
общими целями обучения МПИ ставит перед собой следующие основные задачи:
1) определить конкретные цели изучения
информатики, а также содержание соответствующего общеобразовательного предмета
и его место в учебном плане средней школы;
2) разработать и
предложить школе и учителю-практику наиболее рациональные методы и
организационные формы обучения, направленные на достижение поставленных целей;
3) рассмотреть
всю совокупность средств обучения информатике (учебные пособия, программные
средства, технические средства и т.п.) и разработать рекомендации по их
применению в практике работы учителя.
Говоря иными словами,
перед МПИ, как и перед всякой предметной школьной методикой, ставится
традиционная триада основных вопросов: зачем учить информатике? что надо
изучать? как надо обучать информатике?
МПИ – молодая наука,
но она формируется не на пустом месте. Опережающие фундаментальные
дидактические исследования целей и содержания общего кибернетического
образования, накопленный отечественной школой еще до введения предмета
информатики практический опыт преподавания учащимся элементов кибернетики,
алгоритмизации и программирования, элементов логики, вычислительной и
дискретной математики, проработки важных вопросов общеобразовательного подхода
к обучению информатике имеют в общей сложности почти полувековую историю.
Будучи фундаментальным разделом педагогической науки, методика информатики
опирается в своем развитии на философию, педагогику, психологию, информатику (в
том числе школьную информатику), а также обобщенный практический опыт средней
школы.
Из всей совокупности методико-педагогических
знаний и опыта, объединяемых методикой информатики, выделяется учебный предмет
«ТиМОИ», который согласно Государственному образовательному стандарту высшего
профессионального образования входит в образовательно-профессиональную
программу подготовки учителя по специальности «Информатика». Впервые учебный
курс «МПИ» был введен в учебные планы педвузов в 1985 году в связи с
организацией подготовки учителей по дополнительной специальности «Информатика»
на базе физико-математических факультетов. Вскоре появилось и первое учебное
пособие по этому курсу – Лапчик М.П. МПИ: Уч. пособие для физ.-мат. факультетов
пед. вузов. – Свердловск, 1987.
В 1993 г. был сделан
первый набор на учительскую специальность «Информатика» как основную (ОмГПУ). С
1995 г. действует Государственный стандарт высшего педагогического
образования по специальности «информатика». В российских педвузах стала
расширяться подготовка «профильных» учителей информатики. В то же время
справедливо отмечалось, что в течение весьма длительного периода содержание
методической подготовки будущего учителя информатики – наиболее слабая часть
его профессиональной подготовки. Официальным ориентиром в методической
подготовке будущих учителей информатики служат рекомендованные Министерством
образования РФ примерные учебные программы.
Содержание этого учебного предмета составляет рассмотрение общих теоретических основ
МПИ, совокупности основных программно-технических средств, а также методов
изучения конкретных тем школьного курса информатики на пропедевтическом, базовом
и профильном этапах обучения.
Изучение информации и информационных процессов в
основной школе
Ключевыми вопросами
данной содержательной линии являются: определение информации; измерение
информации; хранение информации; передача информации; обработка информации.
Существует два подхода к определению понятия
«информация»: субъективный и кибернетический. При раскрытии понятия
«информация» с точки зрения субъективного
(бытового, человеческого) подхода,
следует отталкиваться от интуитивных представлений об информации, имеющихся у
детей. Целесообразно вести беседу в форме диалога, задавая ученикам вопросы, на
которые они в состоянии ответить («Расскажите, откуда вы получаете
информацию?», «Приведите примеры какой-нибудь информации, которую вы получили
сегодня» и т.д.). Таким образом, учитель вместе с учениками приходят к
определению: информация для человека –
это знания, которые он получает из различных источников. Далее на
многочисленных известных детям примерах следует закрепить это определение.
Затем следует рассказать о делении знаний на декларативные и процедурные.
Описание декларативных знаний можно начинать со слов: «Я знаю, что…», описание
процедурных знаний – со слов: «Я знаю, как…», предложить ученикам придумать
свои примеры. При рассмотрении кибернетического
подхода можно рассказать учащимся, что кибернетика породила современную
информатику. Основал кибернетику в конце 1940-х гг. американский ученый
Норберт Винер. Сейчас кибернетика входит в информатику как составная часть.
Кибернетика имеет дело со сложными системами: машинами, живыми организмами,
общественными системами. Но она не стремится разобраться в их внутреннем
механизме. Кибернетику интересуют процессы взаимодействия между такими системами или их компонентами. Рассматривая
такие взаимодействия как процессы управления, кибернетику определяют как науку
об общих свойствах процессов управления в живых и неживых системах. Для
описания сложных систем в кибернетике используется модель «черного ящика».
Главная характеристика «черного ящика» - это входная и выходная информация. И
если два таких черных ящика взаимодействуют между собой, то делают они это
только путем обмена информацией. Информация между кибернетическими системами
передается в виде некоторых последовательностей сигналов. Выходные сигналы
одних участников обмена являются входными для других. С точки зрения
кибернетики, информацией является
содержание передаваемых сигнальных последовательностей. В частности, любой
текст на каком-то языке есть последовательность букв (в письменной форме) или
звуков (в устной форме), которые можно рассматривать как графические или
акустические сигналы.
Существует два
подхода к измерению информации: содержательный и кибернетический
(алфавитный). С позиции содержательного подхода просматривается следующая цепочка
понятий: информация – сообщение – информативность сообщения – единица
измерения информации – информационный
объем сообщения. Информация – это
знания людей. Сообщение – это
информационный поток, который в процессе передачи информации поступает к принимающему
его субъекту (радиосообщение, объяснение учителя, текст книги). Вопрос об информативности сообщения следует
обсуждать на примерах, предлагаемых учителем и учениками. Информативным называют сообщение, которое пополняет знания
человека, т.е. несет для него информацию. Для разных людей одно и то же
сообщение, с точки зрения его информативности, может быть разным. Если сведения
«старые», т.е. человек это уже знает, или содержание сообщения непонятно
человеку, то для него это сообщение неинформативно. Информативно то сообщение, которое содержит новые и понятные сведения.
На примере следует проиллюстрировать ученикам различие понятий «информация» и
«информативность сообщения». Введение понятия «информативность сообщения»
является первым подходом к изучению вопроса об измерении информации в рамках
содержательной концепции. Если сообщение
неинформативно для человека, то количество информации в нем равно нулю.
Количество информации в информативном сообщении больше нуля. Для
определения количества информации нужно ввести единицу измерения информации. В
рамках содержательного подхода такая единица должна быть мерой пополнения
знаний субъекта или мерой уменьшения степени его незнания. Сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в 2 раза, несет 1 бит
информации. Определение для частного случая: Сообщение о том, что произошло одно событие из двух равновероятных,
несет 1 бит информации. Определение бита – единицы измерения информации
может оказаться сложным для понимания учениками. В этом определении содержится
незнакомое детям понятие «неопределенность
знаний». Прежде всего, нужно раскрыть его. Учитель должен понимать, что
речь идет об очень частном случае: о сообщении, которое содержит сведения о
том, что произошло одно из конечного множества N возможных событий. Например, о результате бросания
монеты, игрового кубика, вытаскивания экзаменационного билета и т.п.
Неопределенность знания о результате некоторого события – это число возможных
вариантов результата: для монеты – 2, для кубика – 6, для билетов – 30 (если на
столе лежало 30 билетов). Еще одной сложностью является понятие равновероятности. Здесь следует
воспользоваться интуитивным представлением детей, подкрепив его примерами. События равновероятны, если ни одно из них
не имеет преимущества перед другими. С этой точки зрения выпадения орла и
решки – равновероятны; выпадения каждой из шести граней кубика – равновероятны.
Ученики должны научиться приводить примеры равновероятных и неравновероятных
событий. Индуктивно, от частных примеров учитель вместе с классом приходит к
обобщенной формуле: 2i = N, где N – число
вариантов равновероятных событий (неопределенность знаний), а i – количество
информации в сообщении о том, что произошло одно из N событий.
Если N – известно, а i является неизвестной величиной, то данная формула
превращается в показательное уравнение, которое решается по формуле: 
. В данном случае учителю следует рассмотреть с учениками
решение уравнения для частных случаев, когда N есть целая
степень двойки: 2, 4, 8, 16, 32 и т.д. Объяснение происходит по схеме:
Если 
, то уравнение принимает вид: 
, отсюда 
.
Если 
, то уравнение принимает вид: 
, отсюда 
и т.д.
В общем случае, если 
, где k – целое
число, то уравнение принимает вид 
и, следовательно, i = k.
Ученикам полезно запомнить ряд целых степеней двойки хотя бы до 
. Предложенный метод применим только в очень частных случаях.
Например, невозможно подсчитать количество информации, полученной в результате
прочтения книги. В кибернетическом
подходе речь идет об измерении
количества информации в тексте (символьном сообщении), составленном из символов
некоторого алфавита. К содержанию текста такая мера информации отношения не
имеет. Алфавит – это конечное
множество символов, используемых для представления информации. Число символов в
алфавите называется мощностью алфавита.
В содержании базового курса алфавитный подход рассматривается лишь с позиции равновероятного приближения. Это значит,
что допускается предположение о том, что вероятности появления всех символов
алфавита в любой позиции в тексте одинаковы. Количество информации, которое
несет в тексте каждый символ (i), вычисляется из уравнения Хартли: 2i = N,
где N – мощность алфавита. Величину i
называют информационным весом символа. Отсюда следует, что количество
информации во всем тексте (I), состоящем из К
символов, равно произведению информационного веса символа на К: 
. Эту величину называют информационным
объемом текста. Полезно обсудить с учениками вопрос о том, какова
минимальная мощность алфавита, с помощью которого можно записывать информацию.
Можно предложить ученикам такую задачу: «Докажите, что исходя из алфавитного
подхода, сообщение любой длины, использующее односимвольный алфавит, содержит
нулевую информацию». Минимальная мощность
алфавита, пригодного для передачи информации, равна 2. Такой алфавит
называется двоичным алфавитом.
Информационный вес символа в двоичном алфавите равен 1 бит, т.к. 
.1 бит – это исходная единица. Следующая по величине единица
– это байт. Байт вводится как информационный вес символа из алфавита мощностью
256. Поскольку 256 = 28, то 1 байт = 8 бит. В
рамках данной темы можно сообщить ученикам, что компьютер для внешнего
представления текстов и другой символьной информации использует алфавит
мощность 256, а во внутреннем представлении любая информация в компьютере
кодируется в двоичном алфавите. Представляя ученикам более крупные единицы
измерения информации: килобайт, мегабайт, гигабайт, нужно обратить внимание на
то, что килобайт больше байта в 1024 раза. Так же относится и «мега» по
отношению к «кило» и т.д. Тем не менее часто при приближенных вычислениях
используют коэффициент 1000.
Существуют три основных типа информационных процессов:
хранение, передача и обработка информации. Под информационными процессами понимают любые действия, выполняемые с
информацией. Первоначально следует рассмотреть с учениками эти информационные
процессы без привязки к компьютеру, т.е. применительно к человеку. Затем, при
изучении архитектуры ЭВМ, речь пойдет о реализации тех же самых информационных
процессов с помощью ЭВМ.
С хранением информации связаны следующие
понятия: носитель информации (память), внутренняя память, внешняя память,
хранилище информации. Носитель информации
– это физическая среда, непосредственно хранящая информацию. Основным
носителем информации для человека является его собственная биологическая память
(мозг человека). Собственную память человека называют оперативной или внутренней памятью.
Все другие виды носителей информации можно назвать внешними по отношению к человеку. Хранилище информации – это определенным образом организованная
информация на внешних носителях, предназначенная для длительного хранения и
постоянного использования. Примерами хранилищ являются архивы документов,
библиотеки, справочники, картотеки. Основные свойства хранилища информации:
объем хранимой информации, надежность хранения, время поиска нужных сведений,
наличие защиты информации.
Любой процесс обработки информации происходит
по схеме:
Исходная информация 
исполнитель обработкиитоговая информация
Процесс
обработки – это процесс перехода от
исходных данных к результату. Исполнитель обработки может быть человеком, а
может быть специальным техническим устройством, в том числе компьютером. Для
успешного выполнения обработки информации исполнителю должен быть известен
способ обработки, т.е. последовательность действий, которую нужно выполнить,
чтобы достичь нужного результата. Описание такой последовательности действий
называют алгоритмом обработки.
Ученики должны уметь приводить примеры ситуаций, связанных с обработкой
информации. Такие ситуации можно разделить на два типа. Первый тип обработки: обработка, связанная с получением новой информации,
нового содержания знаний (например, решение математических задач, логических
задач и др.). Второй тип обработки:
обработка, связанная с изменением формы, но не изменяющая содержания. Сюда
относят кодирование – преобразование
информации в символьную форму, удобную для ее хранения, передачи, обработки; структурирование данных, которое связано
с внесением определенного порядка, определенной организации в хранилище
информации (расположение данных в алфавитном порядке, использование табличного
или графового представления и др.); поиск
– задача поиска формулируется обычно так: имеется информационный массив (н-р,
словарь), требуется найти в нем нужную информацию, удовлетворяющую определенным
условиям поиска (перевод данного слова на английский язык).
Ключевыми понятиями в
описании процесса передачи информации
являются источник информации, приемник информации, информационный канал.
Схематично этот процесс можно изобразить так:
Источник информацииинформационный каналприемник информации
В таком процессе информация
представляется и передается в форме некоторой последовательности сигналов,
символов, знаков. Например, при непосредственном разговоре между людьми происходит передача звуковых
сигналов – речи, при чтении текста человек воспринимает буквы – графические
символы. Передаваемая последовательность называется сообщением. От источника к приемнику сообщение передается через
некоторую материальную среду (звук – акустические волны в атмосфере,
изображение – световые электромагнитные волны). Если в процессе передачи
используются технические средства связи, то их называют каналами передачи информации. К ним
относятся телефон, радио, телевидение. В рамках данной темы ученики
должны уметь приводить конкретные примеры процесса передачи информации,
определять для этих примеров источник, приемник информации, используемые каналы
передачи информации. Схема процесса передачи информации по техническим каналам представлена
на рисунке. Работу такой схемы можно пояснить на примере процесса разговора по
телефону. Источником информации является говорящий человек. Кодирующим
устройством – микрофон телефонной трубки, с помощью которого звуковые волны
(речь) преобразуются в электрические сигналы. Каналом связи является телефонная
сеть. Декодирующим устройством является телефонная трубка (наушник) слушающего
человека – приемника информации. Здесь прошедший электрический сигнал
превращается в звук.
