CC BY
24ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ
УДК 004.9
DOI: 10.24412/2222-7520-2021 -17-23 -36
Д.М. Харин, И.В. Ильин
ИНТЕРАКТИВНЫЕ ТРЕНАЖЕРЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ НА ПЛАТФОРМЕ UNITY КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАМОТНОСТИ УЧАЩИХСЯ НАЧАЛЬНОЙ ШКОЛЫ
Обсуждаются вопросы разработки интерактивных средств обучения информатике для начальной школы. Дана характеристика понятий «алгоритмическая грамотность» и «компьютерная грамотность». Описаны имеющиеся в федеральных хранилищах программные решения для формирования элементов компьютерной грамотности. Авторами разработан и представлен учебный проект «Устройства ввода и вывода», включающий модули «Перемещение объектов», «Левая кнопка мыши», «Клавиши управления» и др. Компьютерные модели для отработки учебных действий реализованы в инструментальной среде Unity с помощью языка программирования С#. Приведены элементов программного кода реализации интерактивных учебных моделей.
Ключевые слова : обучение информатике в начальной школе, компьютерная грамотность, учебная компьютерная модель.
Введение
С развитием современных цифровых технологий в повседневной жизни овладеть минимальным набором знаний и навыками работы на компьютере или мобильном устройстве стало значительно проще. По оценкам аналитиков РБК [7], 75 % россиян пользуются компьютером для решения повседневных задач: для работы, учебы или досуга и развлечений. Сегодня современные дети владеют электронными цифровыми устройствами лучше, чем взрослое поколение. Зачастую это обусловлено тем, что в начальных классах проводятся уроки информатики, которые дают необходимые навыки пользования компьютером начинающим пользователям.
Одним из способов стимулирования интереса к информатике являются инновации в области организации учебно-воспитательного процесса школьников с использованием различных современных цифровых технологий обучения, например, интерактивные тренажеры, позволяющие провести самостоятельную исследовательскую деятельность. Общеизвестно, что интерактивные технологии обучения позволяют выстроить процесс обучения таким образом, что учитель и учащийся становятся активными участниками учебной деятельности, в котором новые знания не даются в готовом виде, а приобретаются способами самостоятельной работы.
Сегодня в Глобальной сети, на CD/DVD-приложениях к учебникам информатики для начальной школы имеются цифровые образовательные ресурсы (ЦОР) для поддержки пропедевтического уровня обучения информатике. К ним относятся различные изображения
© Харин Д.М., Ильин И.В., 2021
(в том числе с элементами инфографики), учебные видеофрагменты, презентации и интерактивные модели. На практике количество и качество последних существенно ниже. Возникает необходимость разработки более совершенных (по наполнению и инструментарию) учебных компьютерных моделей для школьной практики.
Понятие алгоритмической и компьютерной грамотности
Первые упоминания понятия «алгоритмическая грамотность» в качестве самостоятельного появились в научно-методической литературе в 1960 -х гг. Так, временной интервал 1960-70-х гг. - время начала обучения программированию в классах с математическим уклоном и УПК. В содержательном аспекте в основе программирования лежит понятие алгоритмизации как процесса разработки и описания алгоритма средствами некоторого языка. Однако алгоритмизация это не просто метод взаимодействия пользователя с формальным исполнителем команд, а, как отмечают Е.К. Хеннер и М.П. Лапчик [5], общий метод кибернетики (процессы управления в системах сводятся к реализации алгоритмов). Отсюда появилось понятие «алгоритмическая грамотность» как одна из характеристик общей грамотности человека, которая реализуется в форме навыка составления алгоритмов (алгоритмизации) и, следовательно, программирования для ЭВМ. Выделяются следующие компоненты формирования алгоритмической грамотности [7, с. 20-23]:
- понятие алгоритма и его свойства;
- понятие языка описания алгоритмов;
- уровень формализации описания;
- принцип дискретности (пошаговости) описания;
- принцип блочности;
- принцип ветвления;
- принцип цикличности;
- выполнение (обоснование) алгоритма;
- организация данных.
Фактически алгоритмическая грамотность определяется как совокупность «...представлений, умений и навыков, обеспечивающих начальный уровень грамотности школьника не только для его успешной работы в системе "ученик - компьютер", но и в неформальных безмашинных системах "ученик - учитель", "ученик - ученик" и т.п. ... т.е. создает уровень операционной компетентности» [5].
Во второй половине 1970-х - начале 1980-х гг. произошел качественный скачок в развитии вычислительной техники (большие и сверхбольшие интегральные схемы, микропроцессор и др.), в том числе отечественной. На уровне руководства страны в документах различного уровня была поставлена задача введения основ информатики и вычислительной техники в образовательный процесс средней школы и обеспечения компьютерной грамотности молодого поколения.
Это создало предпосылки для новых педагогических исследований по проблеме изучения ЭВМ и программирования в средней школе. Формировались группы педагогов-исследователей, например, «сибирская группа школьной информатики» (А.П. Ершов, Г.А. Звенигородский, Ю.А. Первин и др.). С привлечением авторитетных организаций и педагогов-информатиков (С.А. Бешенков, А.П. Ершов, А.А. Кузнецов, А.Г. Кушниренко, М.П. Лапчик, Г.В. Лебедев, Ю.А. Первин, А.Х. Шень) началась работа по созданию программы новой дисциплины для
общеобразовательной школы, получившей название «Основы информатики и вычислительной техники (ОИВТ)».
На нормативном уровне в рамках новой дисциплины ставились следующие задачи: овладение вычислительной техникой, формирование представлений о методах решении задач на ЭВМ, элементарных умений пользоваться микрокомпьютерами, ознакомление учащихся с ролью ЭВМ в современном производстве. Данные направление рассматривались как важный фактор ускорения научно-технического прогресса в СССР.
В это же время в педагогических вузах началась ускоренная подготовка в области ОИВТ будущих выпускников физико-математических специальностей. Следует отметить, что в отдельных вузах несистемная и неметодическая подготовка в этом направлении велась с середины 1960-х гг., но подготовка носила образовательный характер, не была ориентирована на последующее преподавание этого предмета.
Целью обучения информатике в рамках дисциплины ОИВТ была объявлена компьютерная грамотность (КГ) учащихся. Выделяют 4 компонента понятия «компьютерная грамотность» [Цит. по: 1, с. 55-57]:
- «общение» («пользовательский уровень», т.е. практические навыки обращения с ЭВМ и программным обеспечением общего назначения);
- «программирование» (понятие об алгоритме, его свойствах, средствах и методах описания алгоритмов, программе как форме представления алгоритма для ЭВМ; основы программирования на одном из языков программирования. Понимание основ программирования должно входить в систему общего образования, но подготовка программистов не является целью);
- «устройство» (структура ЭВМ и функционал его компонент, физические основы и принципы действия основных элементов компьютера);
- «применение» (области применения ЭВМ, роль ЭВМ в производстве и других отраслях деятельности, социальных последствиях компьютеризации).
Обратим внимание на то, что, помимо устройства основных элементов компьютера, выделяют и физические основы работы, тем самым реализуя межпредметные связи (МПС) с курсом физики.
Анализ перечисленных составляющих показывает, что понятие компьютерная грамотность (КГ) - результат расширения понятия алгоритмическая грамотность (АГ) средствами добавления таких компонентов, как «общение с ЭВМ», «устройство ЭВМ», «применение ЭВМ» (рис. 1). В методической литературе отмечается, что компоненты алгоритмической грамотности - основа формирования компьютерной грамотности (КГ). На сегодняшний день понятие КГ используется в методической литературе начальной школы.
Рис. 1. Вложенность понятий «компьютерная грамотность (КГ)» и «алгоритмическая грамотность (АГ)»
Развитая компьютерная грамотность приобретает социально значимый характер, при этом личность критически относится к своим действиям и анализирует результаты своего труда, что в целом свидетельствует о развитии общей культуры человека, о совершенствовании его личностных и профессиональных качеств.
Сегодня обучающиеся на ступени начального общего образования должны [2-4]:
- познакомится с персональным компьютером как техническим средством, с его основными устройствами, их назначением;
- приобрести опыт работы с простыми информационными объектами: текстом, рисунком, аудиофрагментами, анимацией;
- овладеть приемами поиска и использования информации, научится работать с доступными электронными ресурсами, а также с текстовым редактором и программой по созданию презентаций.
На важность формирования компонентов компьютерной грамотности обращается внимание во ФГОС начального общего образования (от 6 октября 2009 г. № 373), в п. 12.2 в качестве базовых целей обучения курсу «Математика и информатика», кроме прочих, выделено: «...овладение основами логического и алгоритмического мышления, пространственного воображения. измерения, пересчета, прикидки и оценки, наглядного представления данных и процессов, записи и выполнения алгоритмов; умение действовать в соответствии с алгоритмом и строить простейшие алгоритмы, исследовать, распознавать и изображать геометрические фигуры, работать с таблицами, схемами, графиками и диаграммами, цепочками, совокупностями, представлять, анализировать и интерпретировать данные; приобретение первоначальных представлений о компьютерной грамотности» [6].
На необходимость формирования компьютерной грамотности (или ее компонентов) у учащихся указывается в научно-методических работах.
ИКТ-поддержка уроков информатики в начальной школе
Дидактическая поддержка процесса формирования компьютерной грамотности может быть реализована специализированными цифровыми инструментами деятельности. Отечественные 1Т-компании, такие как «Новый Диск», «Бука», «1С», «Кирилл и Мефодий» и др. , ведут разработку различных программ (как комплексные образовательные комплексы, так и отдельные компьютерные модели) для поддержки учебного процесса. Это такие программные продукты, как «серия Начальная школа» (компания «Кирилл и Мефодий»), «Информатика», «Дракоша»; «Информатика для детей (1-4 классы)», «Игры и задачи» (компания «1С»), «Курс элементарной компьютерной грамотности для начальной школы («Продюсерский центр "Школа"») и др.
Анализ представленных на образовательном рынке учебных электронных приложений (интерактивных моделей) показал, что имеющиеся 2Б-модели имеют низкий уровень качества изображений, имеется минимальное интерактивное взаимодействие пользователя с элементами модели, как правило, отсутствуют инструктивные или дидактические материалы, что осложняет процесс усвоения информации в курсе школьных общеобразовательных предметов.
Ниже представлен ряд программных интерфейсов компьютерных моделей по темам «Устройства ввода - мышь и клавиатура», реализованных в современных ресурсах для начальной школы (рис. 2-5).
Рис. 2. Интерактивный задачник по информатике для младших классов (ООО «БИНОМ. Лаборатория знания»)
Рис. 3. Игра «Спасение мяча» (ЗАО «Телевизионное объединение «Продюсерский центр "ШКОЛА"»)
Рис. 4. Электронное пособие «Информатика. 1 класс» (Marco Polo Group)
Рис. 5. Электронное приложение к урокам информатики в начальной школе «Мир информатики» («Кирилл и Мефодий»)
Анализируя данные ЦОР, можно выявить, что необходимы кардинально новые и качественные ЦОР, которые будут включать в себя несколько видов цифровых ресурсов для создания качественного интерактивного тренажера для формирования компьютерной грамотности у учащихся начальной школы, требуется создание интерактивной модели с полным
набором инструктивных и дидактических материалов, интерфейс должен быть выполнен в максимально реалистичном (или игровом) виде, а также необходима реализация квазиреалистичных действия пользователя и (или) других технологий, необходимо создание меню, элементов навигаций, всплывающих подсказок и других технологий управления и поддержки учебной деятельности.
Описание разработанного ЦОР «Устройства ввода и вывода»
Программное обеспечение (ПО) разработано для учащихся начальной школы по курсу «Информатика» (тема «Основные устройства ввода и вывода компьютера»).
В ПО используется 8 игровых этапов (уровней), пользователю открывается доступ к следующему уровню только после прохождения предыдущего. В результате прохождения выводится текстовое уведомление о прохождении уровня. Таким образом, ПО хранит информацию только о прохождении уровней (встроенная система PlayerPrefs), каждый уровень - это отдельная сцена со своими объектами и скриптами (использующие, как правило, собственные классы, которые не имеют взаимодействия с другими объектами или классами вне сцены). Можно выделить бизнес-процесс прохождения уровней.
Каждый игровой уровень имеет определенную тему и определенные условия прохождения:
1. Использование главной (левой) кнопки мыши. Основная задача учащегося -приобрести все комплектующие ПК, а нажатие ЛКМ по системному блоку позволяет получить 1 единицу («рубли»).
2. Перемещение объектов с помощью мыши. Основная задача учащегося -сопоставление объектов к их предустановленным областям.
3. Рисование мышью. Основная задача учащегося - построение заданных фигур.
4. Двойной клик. Основная задача учащегося - найти определенный файл в папках.
5. Использование вспомогательной (правой) кнопки мыши. Основная задача учащегося -удаление лишних объектов комнаты при помощи ПКМ.
6. Клавиши клавиатуры. Основная задача учащегося - управление персонажем происходит при помощи клавиш клавиатуры WASD (или клавишами ВВЕРХ, ВЛЕВО, ВНИЗ ВПРАВО).
7. Операции копирования, удаления и перемещения. Основная задача учащегося -копирование, перемещение и удаление графических объектов (деталей конструктора Lego) при помощи комбинаций CTRL + C; CTRL + V; CTRL +X, а также перетаскивание кнопкой мыши. Необходимо построить определенного вида фигуры, используя определенного цвета деталей конструктора Lego.
8. Выделение объектов. Основная задача учащегося - выделение необходимых объектов (устройств ввода).
Процесс прохождения этапов (игровых уровней) можно изобразить в виде UML-диаграммы деятельности (рис. 6).
Для разработки ЦОР, отвечающего таким требованиям, как интерактивность, мультимедиа, игровой характер заданий, необходимо учитывать все недостатки имеющихся моделей, а также использовать новые возможности современных технологий визуализации учебного материала для создания компьютерных моделей более высокого качества.
Рис. 6. UML диаграмма деятельности
Для создания интерактивных компьютерных моделей на сегодняшний день используют множество различных программных инструментов: Macromedia (Adobe) Flash (Animate), Unity, Swishmax, Alligator Flash Designer, Fanta Morph Deluxe, Advanced Effect Maker, Sothink SWF Easy, LiveSwif, Stratum и др. Наиболее востребованным подходом моделирования предметной области является объектно ориентированная технология и соответствующие ей языки программирования. Так, например, среда Unity из-за наличия удобного графического интерфейса, встроенного языка С# с поддержкой ООП и библиотеки компонентов, а также
межплатформенной поддержки и модульной системы компонентов делает его пригодным для создания программных решений. Unity является платформой для создания компьютерных игр, поэтому разработка интерактивных моделей не представляет особой трудности, потому что в ее функционале имеется множество различных инструментов для создания, модификации и удаления необходимых интерактивных элементов.
С использованием инструмента Unity был разработан цифровой образовательный ресурс «Устройства ввода и вывода» для дидактической поддержки уроков информатики в начальной школе. В разработанной модели учебный материал приводится в интерактивной игровой форме, с широким использованием мультимедийного контента.
Цифровой образовательный ресурс «Устройства ввода и вывода» позволяет учащимся:
- отработать навыки использования левой кнопки мыши (ЛКМ);
- отработать навыки использования правой кнопки мыши (ПКМ);
- отработать навыки двойного нажатия ЛКМ;
- освоить умения управления персонажем (кнопки управления);
- освоить умения копирования, вставки и удаления объектов;
- освоить умение выделения объектов при помощи ЛКМ;
- получить опыт перетаскивания объектов (технология drag&drop);
- получить опыт рисования с помощью ЛКМ.
Содержание ресурса «Устройства ввода и вывода» соответствует программам начальной общеобразовательной школы (1-4 кл.), а именно: Е.П. Бененсон, А.Г. Паутова «Информатика и ИКТ. Часть 2» (для 2 кл.), А.В. Горячев, К.И. Горина, Т.О. Волкова «Информатика в играх и задачах. Часть 2» (для 2 кл.), А.В. Горячев, К.И. Горина, Т.О. Волкова «Информатика в играх и задачах. Часть 1» (для 1 кл.).
Рассмотрим структуру и содержание разработанного ЦОР.
Ресурс содержит восемь основных и три дополнительных этапа (рис. 7).
Рис. 7. Стартовое окно ЦОР «Устройства ввода и вывода» Рассмотрим содержание основных этапов ресурса.
I. Этап «Левая кнопка мыши» (рис. 8). В рабочем окне интерактивной модели представлены устройства ввода и вывода ПК, которые необходимо приобрести. Учащиеся должны нажимать ЛКМ по системному блоку, тем самым получая деньги - «рубли», на которые приобретаются комплектующие. Модель позволяет отработать у учащихся навыки использования левой кнопки мыши.
Рис. 8. Этап «Левая кнопка мыши»
II. Этап «Перемещение объектов». Данный учебный модуль предназначен для отработки навыка перемещения объектов (технология drag&drop). Данный этап (рис. 9) предлагает учащимся правильно соотнести устройства ввода и вывода с их областями. Выполнение задания осуществляется путем перемещения объектов (технология drag&drop).
Рис. 9. Этап «Перемещение объектов»
III. Этап «Рисование» (рис. 10). Учебный модуль представляет из себя рисование при помощи ЛКМ. Учащиеся могут свободно рисовать по всей области рабочего окна. Модель позволяет отработать у учащихся навыки рисования фигур при помощи ЛКМ.
Рис. 10. Модуль «Рисование»
IV. Этап «Двойной клик». Интерактивная модель (рис. 11) представляет из себя обозреватель папок и его содержимого. Учащимся необходимо найти и открыть файл, который находится в одной из папок, открытие папок и файлов происходит при двойном нажатии ЛКМ. Модель позволяет отработать у учащихся навыки использования двойного щелчка ЛКМ.
ОБОЗРЕВАТЕЛЬ ПАПОК ОБОЗРЕВАТЕЛЬ СОДЕРЖИМОГО
Ш Ш В ш
Папка 1 Папка 2
*
Папка 3 Папка 4
-«Л
Рис. 11. Модуль «Двойной клик»
V. Этап «Правая кнопка мыши» (рис. 12). Данный учебный модуль предназначен для отработки навыка использования ПКМ. Учащимся необходимо удалить объекты на рабочем окне, выбрав соответствующее место.
Рис. 12. Этап «Кнопки управления»
VI. Этап «Кнопки управления». Интерактивная модель (рис. 13) представляет из себя лабиринт. Учащиеся должны собрать все ключи и пройти лабиринт. Модель позволяет отработать у учащихся навыки управления персонажем.
Рис. 13. Этап «Кнопки управления»
VII. Этап «Операции копирования, вставки и удаления» (рис. 14). Данный учебный модуль предназначен для отработки навыков использования сочетания клавиш для копирования, вставки и вырезки объектов. Учащиеся свободно могут собирать любые фигуры, используя детали конструктора Lego разного цвета.
Рис. 14. Этап «Кнопки управления»
VIII. Этап «Выделение». Данный учебный модуль (рис. 15) предназначен для отработки навыков выделения объектов. Учащимся необходимо выделить все устройства ввода.
На каждом этапе ресурса реализованы оригинальные решения в разработке программного кода, обеспечивающего работу интерактивных моделей. Рассмотрим данное решение на примере программного кода компьютерной модели «Перемещение объектов».
Рис. 15. Этап «Кнопки управления»
На этапе перемещения объектов используется инструмент Drag And Drop, реализованный функциями, отслеживающими нажатие и отпускание левой кнопки мыши:
private void OnMouseDown() // нажатие ЛКМ {
if (Input.GetMouseButtonDown(O)) {
Vector3 mousePos;
mousePos = Input.mousePosition;
mousePos = Camera.main.ScreenToWorldPoint(mousePos); startPosX = mousePos.x - this.transform.localPosition.x; startPosY = mousePos.y - this.transform.localPosition.y; moving = true;
}
}
private void OnMouseUp() // отпускание ЛКМ {
moving = false;
if (Mathf.Abs(this.transform.localPosition.x -correctForm.transform.localPosition.x) <= 100.1f && Mathf.Abs(this.transform.localPosition.y -correctForm.transform.localPosition.y) <= 100.1f) { this.transform.position = new Vec-tor3(correctForm.transform.position.x, correctForm.transform.position.y, correctForm.transform.position.z); finish = true;
}
else {
this.transform.localPosition = new Vector3(resetPosition.x, resetPosition.y, resetPosition.z);
}
}
В этапе «Клавиши управления» используется метод «Move», позволяющий управлять персонажем на сцене, а также выполняется анимация передвижения.
void Move() {
transform.Translate(Vector2.right * Input.GetAxis("Horizontal") *
speed * Time.deltaTime, Space.World);
transform.Translate(Vector2.up * Input.GetAxis("Vertical") * speed *
Time.deltaTime, Space.World);
if (Input.GetAxis("Horizontal") != 0) {
sprite.flipX = Input.GetAxis("Horizontal") < 0; animator.SetBool("isMove", true);
}
else {
animator.SetBool("isMove", false);
}
}
Разработанный ЦОР «Устройства ввода и вывода» проходит апробацию в школах г. Перми и Пермского края на занятиях по информатике в начальной школе. Перспективы работы над проектом состоят в пополнении модулей новыми интерактивными моделями для отработки базовых навыков как компьютерной грамотности, так и алгоритмической грамотности, применение ЗБ-технологий для создания виртуальной лаборатории формирования компьютерной грамотности, публикации итоговой версии ресурса в сети Интернет.
Список цитируемых источников
1. Методика обучения информатике: учеб. пособие / под ред. М.П. Лапчика. - 2-е изд., стер. - СПб.: Лань, 2018. - 392 с.
2. Перченок Р.Л. Информатизация технологического образования // Научные исследования в образовании. - 2008. - Вып. 10.
3. Поспелов Д.А. Информатика: энцикл. словарь. - М.: Педагогика-пресс, 1994. - 352 с.
4. Селевко Г.К. Энциклопедия образовательных технологий. В 2 т. Т. 1. - М.: Народное образование, 2005. - 556 с.
5. Теория и методика обучения информатике / М.П. Лапчик, И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер и др.; под общ. ред. М.П. Лапчика. - М.: Академия, 2008. - 592 с.
6. ФГОС начального общего образования (от 6 октября 2009 г. № 373) [Электронный ресурс]. - URL: http://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_96801/ (дата обращения: 15.01.2021).
7. Rbс-портал [Электронный ресурс]. - URL: https://www.rbc.ru/technology_and_media/20/ 06/ 2018/5b29331c 9a79477930b03101 (дата обращения: 14.01.2021).
