Исполнители в курсе раннего обучения информатике

Понятие исполнителя является одним из наиболее важных в информатике. Несмотря на то, что это понятие относят к первичным, оно имеет четкое определение, которое дети если и не заучивают наизусть, то, во всяком случае, осознанно им оперируют. Исполнителем называется человек, коллектив, животное или техническое устройство, которые понимают и умеют точно исполнять задаваемые им команды. Конечно, изучение темы начинается не с формулировки определения (появлению этого определения могут предшествовать несколько уроков в теме «Исполнители»): как всегда при знакомстве с новым материалом на уроке информатики, дети, инициируемые учителем, прежде всего, генерируют множество примеров, затем классифицируют и только после этого, суммируя отдельные наблюдения, приходят к общему определению. Характерное типовое начало темы «Исполнители» — игра в классе, которую учитель не только предлагает, но в первой ее реализации даже берется за исполнение «главной роли». Итак, учитель заявляет, что он готов исполнить любую из согласованного набора команд. Составление такого набора — важный элемент первого урока в теме: список должен быть не длинным и обозримым, команды — легко определяемыми и реализуемыми. Надо обратить внимание на наличие «обратных» команд: если, например, в системе имеется команда ПОДНИМИ РУКУ, то обязательно надо иметь и команду ОПУСТИ РУКУ. С учетом таких «строгих» ограничений, налагаемых на систему команд исполнителя (СКИ), этот набор формируется детьми с непосредственных подсказок учителя. Произнесенная детьми команда корректируется учителем, дети соглашаются с ним. После этого команду можно зафиксировать: учитель записывает ее на доске. Можно представить, например, такую СКИ:

ПОДНИМИ РУКУ

ОПУСТИ РУКУ

ОТКРОЙ ГЛАЗА

ЗАКРОЙ ГЛАЗА

СКАЖИ «МЯУ»

Начинается игра. Учитель встает у доски и выражает готовность исполнять команды. Он послушно поднимает руку по команде

ПОДНИМИ РУКУ

Если после этого такая команда повторно поступает из класса, то он поднимает вторую руку. Но если после этого такая команда будет дана в третий раз, то реакция учителя очевидна и понятна детям: он говорит «Не могу». Вероятное развитие событий: хотя на доске записана команда во втором лице единственного числа в повелительном наклонении, детям трудно, непривычно обращаться к учителю «на ты», а потому они могут сказать

ЗАКРОЙТЕ ГЛАЗА

В таком случае надо приостановить игру и объяснить детям, что такой команды нет в нашей системе команд (с этой целью можно записать «новую» команду рядом с имеющейся в списке, выделив ее, например, мелом другого цвета1). И, хотя учителю-человеку понятно, что хотели сказать дети, произнесшие эту «новую» команду, он как исполнитель имеет право ответить «Не понимаю» и объясняет, почему «не понимает»: команды ЗАКРОЙТЕ ГЛАЗА не существует в системе команд, понятной исполнителю. Эта игра в непонимание оправдана с методической точки зрения, дети легко принимают это правило игры. (Даже если дети аккуратно следуют правилам игры в исполнителя, ситуацию с «непонятной» командой учителю нетрудно спровоцировать.) Человек, в отличие от робота, достаточно часто выдает совершенно «немашинное» сообщение «Не хочу», которое, в принципе, невозможно в случае робота-механизма. Даже с дрессированной собачкой может произойти казус непослушания. В этой ситуации очень важно использовать понятие формального исполнителя (и даже, возможно, произнести этот термин в классе), которому не позволяется ни при каких обстоятельствах отклониться от заранее сформулированной (спроектированной, оговоренной) СКИ. Сейчас объект детской игры — формальный исполнитель. Первую игру (с учителем-исполнителем) не следует затягивать, даже если не исследованы все возможные ее сценарии: дети рвутся сами попробовать себя в роли исполнителей. Класс разыгрывает несколько подобных игр. Теперь роль учителя сводится, главным образом, к фиксированию на доске (или, лучше, на экране проектора) системы команд: каждому играющему класс составляет новую систему команд. Еще один вариант игры: СКИ остается той же, ученики выходят по очереди, учитель старается в темпе давать команды, чтобы исполнитель либо выполнял команду, либо отвечал: «Не могу» или «Не понимаю». Задача ученика-исполнителя — продержаться как можно дольше, не ошибиться. Выигрывает тот, кто не ошибается.

Из такой игры школьники выносят представление о системе команд, их строго формальном задании и исполнении. Теперь они готовы приводить разнообразные примеры из повседневной жизни. Этот поток примеров тоже направляется учителем. Класс обсуждает примеры исполнителей-животных (собаки, умеющие выполнять некоторые команды, дрессированные медведи и дельфины), исполнителей-людей (водители, выполняющие правила уличного движения), исполнителей-коллективов (подразделение солдат, спортсмены на параде), исполнителей-учреждений (почтовое отделение, бухгалтерия). В каждом примере следует разобрать одну-две команды, из тех, что умеет выполнять обсуждаемый исполнитель. Когда есть возможность, надо привлечь внимание детей к роботам — техническим устройствам, которые могут управляться либо автоматически (в программном режиме), либо непосредственно (в командном режиме), либо (что еще более интересно для детей) — с помощью компьютера, к которому подключен робот-игрушка.

Замечание «когда есть возможность» приведено здесь не случайно: к сожалению, сегодня наша промышленность не выпускает технические игрушки в таком количестве, чтобы удовлетворить потребности регулярного учебного процесса массовой школы. Да и цена их часто превосходит скромные возможности большинства школ. Именно поэтому поставочные пакеты распространяемых ныне программно-методических систем не содержат прямых рекомендаций по применению роботов на уроках. Между тем, в педагогическом плане использование учебных роботов может оказать определяющее значение в изучении курса информатики вообще и в формировании навыков управления исполнителями в частности. Дело в том, что непосредственное, осязательное восприятие технической игрушки, управляемой ребенком, обеспечивает последнему более конкретное и потому более стабильное формирование указанных навыков, чем умозрительные исполнители или даже исполнители, живущие на компьютерном экране. При всей дидактической важности аппаратно реализуемых исполнителей обращение детей к компьютеру всегда (в том числе, в теме «Исполнители») остается кульминацией каждой темы.

Нет необходимости объяснять детям (сейчас) термин «непосредственное управление», однако учитель должен понимать его. Непосредственным управлением называется род деятельности, состоящий в выполнении группы последовательных действий, когда человек принимает решение о следующем действии на основании информации о предыдущем. Так, управляя Мудрым- Кротом, школьник сначала посмотрит, в какой позиции оказался Крот после последнего перемещения, а затем, в зависимости от этой последней позиции, дает Кроту следующую команду. Различие между автоматическим и непосредственным управлением состоит в том, что в первом случае исполнителю передается заранее записанная последовательность из нескольких команд, а во втором исполнитель получает команду за командой. Позднее, когда ученики будут изучать сложный исполнитель Кукарача, который введет их в мир программирования, им встретится и другой, более общий вид деятельности, при котором исполнитель получает от человека не одну команду, а сразу серию команд — программу действий. Такой способ управления называют программным. Он сложнее непосредственного управления, т. к. все команды написаны заранее: человек при этом не видит результат предшествующего действия, а планирует, или программирует его. Программа Машинист — это модель сортировочной горки на железнодорожной станции. На пути стоит локомотив, который из своего тупика может переместиться на одну из двух веток — нижнюю или верхнюю в зависимости от направления, задаваемого положением стрелки. На верхней стрелке расположен состав из нескольких вагонов. Задача состоит в том, чтобы переставить эти вагоны в другом порядке. По существу, речь идет не о единственной задаче, а о целом классе разных задач, решение которых может быть включено не в один, а в два или три насыщенных урока. Необходимо ввести важное соглашение, направленное на понимание роли исполнителя: в кабине локомотива сидит не человек (иначе мыслящий человек без нашей помощи сообразил бы, в какой последовательности надо брать вагоны и куда их везти), а робот, которому надо давать команды. Как отдавать команды? Бегать за локомотивом и кричать роботу, куда надо ехать? Естественнее (в условиях нашей задачи) представить, что робот выполняет команды, передаваемые по радио (или мобильному телефону).

Как обычно, «предкомпьютерная» часть урока предполагает работу с дидактическим материалом. Для «бескомпьютерной» модели сортировочной горки можно использовать

• спичечные коробки-вагоны и спички-рельсы;
• магниты различных форм на магнитной доске с нарисованными на ней рельсами;
• локомотив, вагоны и рельсы игрушечной железной дороги;
• наконец, живые «вагоны», где объектами-моделями выступают дети, двигающиеся по рельсам, которые мелом расчерчены на полу.

Один дидактический материал не исключает другой. Несмотря на ограниченное количество задач в «трехвагонной» компьютерной модели, вполне уместны демонстрация одной задачи на магнитной доске, а другой — на «живых» вагонах. Впрочем, на «бескомпьютерных» моделях задачи вполне можно использовать и модификации условий, например не три вагона, а четыре. Готовя формальное введение общей схемы знакомства с исполнителями, следует и в обсуждении программы Машинист, и, еще раньше, в ее моделях и инсценировках обращать внимание на те элементы, которые составляют структуру схемы знакомства. Вопрос, который при таком обсуждении напрашивается сам собой: являются ли, например, солнышко или домик на экранной картинке элементами среды? Учитель убежденно отвечает детям: «Нет». Среда — это те элементы из окружения робота, которые необходимы и достаточны для выполнения команд из его СКИ.

Поскольку именно с исполнителем Машинист впервые появляется понятие среды исполнителя, учитель называет объекты среды — типы и количество вагонов, расположение путей и стрелки (стрелок), ограничения на перемещения вагонов и т. д. В беседах о Машинисте, инсценировках и компьютерных лабораторных работах с этим исполнителем в обязанности учителя всегда входит фиксация СКИ и операторского протокола. В фиксируемых на доске записях команд из СКИ ошибки допускать нельзя ни в коем случае, а вот в записи операторского протокола в некоторый момент рекомендуется допустить ошибку (например, вместо правильной записи ВПЕРЕД сделать неправильную — ВПЕРЕТ). Это, конечно, провокация. На нее класс, уже встречавшийся с сообщениями «Не понимаю», должен отреагировать адекватно. Более трудоемко изучение ситуаций, где исполнитель должен выдавать сообщение «Не могу»: такие ситуации рассматриваются и анализируются отдельно для каждой команды из СКИ.

Потребуется внимательное отношение к инсценировке «живые вагоны». Дети с удовольствием предлагают себя в качестве участников игры. При этом, вероятно, многим будет больше импонировать роль локомотива, чем исполнителя или автора алгоритма, по которому должен работать исполнитель. Между тем, и «локомотив», и «вагоны» — это всего лишь статисты, а действительно активными участниками являются именно автор и исполнитель. Алгоритм перестановки вагонов, решающий задачу, предстает в виде операторского протокола. Запись протокола дает возможность обсудить два важных понятия информатики. Первое из них — откатка — уже известно детям, например, по алгоритмическим этюдам. Повторение знакомого механизма в новой теме не только закрепляет понятие откатки, но и подчеркивает его фундаментальность и инвариантность. Вместе с откаткой обычно напоминают и обратную операцию — накатку.

Второе понятие — структурирование записи алгоритма, позволяющее говорить об этапах проектирования алгоритма и, в частности, о технологии проектирования «сверху вниз». Внешне представление операторского протокола не ново: протоколы Монаха, Конюха, Переливашки, Угадайки имели такой же вид линейной последовательности команд. Но из-за заметно выросшей длины протокола (число команд в задачах Машиниста. превосходит три десятка) актуально обсуждение нового приема записи такого алгоритма:

• сначала надо выделить крупные блоки-этапы (перевоз одного вагона с верхнего пути на нижний; перевоз вагона на верхний путь с нижнего); тем самым, определяется последовательность основных, крупных этапов алгоритма; эти укрупненные блоки-этапы алгоритма записываются на естественном языке;
• затем каждый выделенный крупный этап описывается в виде последовательности более мелких порций действий, задаваемых командами СКИ.

Именно в таком способе построения алгоритма и просматривается пропедевтика технологии проектирования «сверху вниз». Разработчики учебного программного обеспечения определили важное место программных исполнителей в системе дидактических средств уже на хронологически первых этапах становления школьной информатики. Достаточно назвать широко известный исполнитель — Черепашку, введенную Сеймуром Пайпертом в качестве главного персонажа учебной высокоуровневой языковой системы программирования Лого, или группу исполнителей языка Робик, составивших наполнение другой учебной языковой системы, которая была создана в новосибирском Академгородке в коллективе, возглавлявшемся академиком А. П. Ершовым.

Ориентация двух названных систем на младших школьников сама по себе могла бы уже служить основанием для появления новых программных объектов — программных исполнителей — в качестве базовых дидактических инструментов в школьной информатике: наглядность, конкретность, динамичность, простота управления оправдывали использование программных исполнителей в задачах информатического образования младших школьников. Вместе с тем, в период становления школьной информатики языковые системы программирования оставались единственным технологическим средством, используемым в приложениях, в том числе, и педагогических. Поэтому и учебные системы того времени, такие, как Лого С. Пайперта или Робик Г. А. Звенигородского, оставались в целом языковыми, использующими программные исполнители в качестве встроенных объектов, подчиненных базовой языковой системе. Высокие дидактические достоинства Лого неоднократно продемонстрированы в экспериментальных и систематических курсах программирования и информатики в разных странах. И все же современные условия общеобразовательной компьютеризованной школы заставляют искать новые подходы к построению начального курса информатики: за три десятилетия существования Лого заметно изменились взгляды на цели, методику и содержание обучения информатике; актуальный в свое время лозунг «Программирование — вторая грамотность!» постепенно уступил место требованиям информационной культуры, когда язык программирования перестает играть роль ведущего дидактического инструмента. Позиция такого инструмента сейчас уверенно и обоснованно занята системами программных исполнителей.