CC BY
4
174
Вестник Нижегородского университета и м. Н.И. Лобачевского . Серия: Социальные науки, 2023 , № 3 (70), с. 174-179
УДК 373.8
DOI 10.52452/18115942_2023_3_174
ПРОБЛЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ В РАМКАХ ШКОЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
© 2023 г. И.В. Барышева, О.А. Козлов, Е.В. Малкина, Н.В. Шестакова
Барышева Ирина Викторовна, преподаватель Института информационных технологий, математики и механики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского
ibar1950@yandex.ru Козлов Олег Александрович, д.пед.н.; проф.; ведущий научный сотрудник Института стратегии развития образования Российской академии образования, Москва
ole-kozlov@yandex.ru
Малкина Елена Владиславовна, к.пед.н.; доц.; доцент кафедры математического обеспечения и суперкомпьютерных технологий Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского
malkina@unn.ru
Шестакова Наталья Валерьевна, старший преподаватель кафедры математического обеспечения и суперкомпьютерных технологий Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского
shestakova@vmk.unn.ru
Статья поступила вредаицию 19.06.2023 Статья принята и публииации 06.07.2023
Рассматриваются проблемы преподавания программирования в период бурного роста информационных технологий, появления новых направлений, в условиях «цифровизации» практически всех сторон жизни современного общества, а также сделана попытка обосновать необходимость введения в школьную программу самостоятельного предмета «Программирование». Проведенное исследование показывает, что рамки школьного предмета «Информатика и КТ» становятся слишком тесными для формирования базовой подготовки и профессиональной ориентации школьников в области алгоритмизации и программирования. Авторами обсуждается недостаточность языка программирования Python как первого языка, с которого начинается обучение, для формирования уверенных компетенций в области программирования, формирования знаний основополагающих элементов, таких как типы данных, работа с памятью, структуры хранения, используемые в Python либо по умолчанию, либо они скрыты в его инструментальной среде.
Ключевые слова: информатика, алгоритм, программирование, профессиональная ориентация школьников, первый язык программирования.
Введение
При введении в школе нового предмета «Информатика» в 1985 году как-то не стоял вопрос о том, что должно войти в программу изучения. Изучали то, что позволяли обстоятельства и материально-техническая база в школе, привлекая к ведению занятий преподавателей высшей школы, программистов и инженеров. Примерная программа нового предмета «Основы информатики и вычислительной техники», или ОИВТ, с некоторыми региональными вариациями включала рассмотрение вопросов [1, 2]:
- теория информации;
- элементы математической логики;
- основные возможности ЭВМ и варианты их применения;
- архитектура и компоненты ЭВМ;
- основы алгоритмизации, построение блок-схем;
- основы программирования (изучение языков программирования и написание программ).
К началу 2000-х информатика стала расширять свое присутствие в школьной программе, изучение предмета начиналось в 7 классе с одного часа, а в девятом уже по два часа в неделю. Таким образом, общее количество часов значительно увеличилось, но при этом программа существенным образом не изменилась. До введения ЕГЭ как единственного варианта подведения итогов обучения у учителей была возможность уделить больше внимания практике программирования, что оказало значительное влияние на уровень подготовки школьников [3]. Например, в Нижегородской области замена на ЕГЭ классических выпускных экзаменов была осуществлена только 2009 г., при этом на олимпиадах и вступительных экзаменах задания по программированию были более содержательными и сложными, чем в последние годы, и требовали объемных решений. Количество заданий на каждом таком испытании было только четыре [3, 4].
В последующие годы школьная информатика все более смещалась в прикладную сторону,
Таблица 1
Количество учебных часов по информатике в разных классах
Классы Количество часов информатики Из них на программирование Лекции Практические занятия
5-6 68 10 3 7
7-9 102 34 12 22
10-11 68 17 7 10
10 68 18
11 68 9
школьники стали изучать работу в операционных системах, прикладное программное обеспечение (ПО): текстовые и графические редакторы, почтовые программы и т.д. Предмет переименовали в «Информационные и коммуникационные технологии» (ИКТ), содержание предмета стало опасно расплываться, пытаясь включить все то новое и привлекательное, что появлялось в быстроразвивающейся области информационных технологий. Значительную долю стали занимать стандартные и офисные продукты Microsoft, средства коммуникации, то есть локальные и глобальные приложения обработки и передачи данных [5]. Современная информатика - это целый ряд наук, таких как дискретные структуры, основы технологий программирования, теория вычислений и вопросы сложности, алгоритмы и структуры данных, вычислительная математика, архитектура вычислительных машин, операционные системы, вычислительные сети, языки программирования, технологии взаимодействия человек - компьютер, интеллектуальные компьютерные системы, программная инженерия и другие [5]. К сожалению, в рамках одного школьного предмета при наличии 1-2 часов занятий в неделю даже обзорно обсудить все аспекты современной информатики не получается. Пожертвовали программированием. Программа по информатике в современной школе свела количество часов на алгоритмизацию и программирование до критически низкого уровня, когда говорить о приобретении учащимися каких-либо реальных навыков в области программирования говорить не приходится и тем более говорить о профессиональной ориентации школьников [6-8]. Многие выпускники школ, выбирая вуз с целью пойти «учиться на программиста», совершенно не представляют, чем они реально будут заниматься.
Анализ школьной программы
по информатике и последствий перехода к сдаче ЕГЭ на компьютере
Примерные сведения о количестве часов в различных вариантах школьной программы по информатике приведены в табл. 1.
Отведенных часов на программирование явно мало, да и по содержанию возникает много вопросов. Например, в программе 9 класса есть тема «Основы алгоритмизации и объектно-ориентированное программирование» объемом 19 часов [8], но идеи объектно-ориентированного программирования (ООП) даже обозначить и сформулировать за отведенное время просто невозможно. Другой пример - в заданиях ЕГЭ подразумевается и рекомендуется использование рекурсивных функций при том, что вопросы грамматики функций, базовые положения о подпрограммах, не говоря уже о рекурсии, практически не входят в учебную программу информатики; более того, необдуманное использование рекурсии может привести к ошибке «переполнение стека», а само понятие стека, как динамической структуры, обсуждается только в высшей школе в рамках предмета «Алгоритмы и структуры данных».
При активном росте интереса школьников к вопросам, связанным с информационными технологиями и программированием, школьная программа не успевает за требованиями современного общества как по количеству отведенных на программирование часов, так и по содержанию учебной программы.
В таблице 2 приведены данные опросов студентов Нижегородского университета, поступивших на первый курс факультета информационных технологий, математики и механики. Это мотивированные школьники, выбравшие IT-профессию, должны были ответить на вопрос: «Какие языки программирования знаете/ слышали название/немного пробовали?», засчи-тывался любой ответ. В допандемийный период в ответах чаще всего встречались названия языков Basic и Pascal, очень редко С++ или даже школьный алгоритмический язык. Интересные результаты показал 2021 год, когда учащиеся были более свободны в выборе изучаемых предметов, источников получения информации и могли свободнее распоряжаться своим временем, в ответах появились новые названия языков программирования, наблюдается широкий разброс ответов. Кроме того, в 2021 году результаты опроса показывают резкое увеличение показателей языка программирования Python.
Таблица 2
Знакомство с различными языками программирования студентов 1-го курса до начала обучения в вузе
2017 - 2020 г. 2021 г. 2022 г.
Кол-во респондентов Всего 87 чел. Всего в % Всего 115 чел. Всего в % Всего 57 чел. Всего в %
Языки программирования Basic 40 46 0 0 0 0
C# 7 7 3 5
C++ 5 6 22 19 14 18
CSS 3 3 1 5
HTML 7 7 3 5
Java 6 6 2 4
PHP 1 1
Python 55 56 46 81
SQL 1 1
Pascal 40 46 34 34 19 33
Другое 2 2 4 4 4 7
В 2022/23 учебном году Python становится в школе основным языком программирования, с которым знакомят школьников. Притом именно знакомят, достаточно часто ученики знают лишь название или заученные готовые программы, с помощью которых можно получать ответы на те или иные вопросы ЕГЭ, например, второе задание или пятнадцатое [9], для которых выдается готовая программа, требующая замены одного условия при получении конкретного варианта. Средний балл ЕГЭ по информатике в стране за 2022 год был 59.47, для достижения такого балла можно вообще не выполнять задания, связанные с написанием программ. В этом же 2022 году пятая часть выпускников, сдававших ЕГЭ по информатике, получили более 80 баллов. Проводимый ежегодно опрос показал, что мотивированные школьники знания по программированию получали не столько в школе, сколько изучая самостоятельно или на занятиях с репетиторами или на различных курсах (более 80% опрошенных).
Анализ динамики изменения содержания ЕГЭ показал зависимость тематики вопросов экзамена от технических средств, использованных при проведении экзамена. В 2020 году ЕГЭ по объективным обстоятельствам в экстренном порядке проводился на компьютерах. Результатом изменения технических средств проведения экзамена явилось существенное изменение вопросов экзамена. Из заданий убрали некоторые одиозные задачи: например, задание 23, в котором требовалось определение количества решений системы пятнадцати логических уравнений с пятнадцатью неизвестными, со сложно повто-римым ответом в виде четырехзначного числа, другие вопросы приобрели более значимые с точки зрения приобретения новых компетенций формы, например работа с базами данных и электронными таблицами. В 2021-2022 экзамен реформировался и изменялся как со стороны
постановки вопросов, так и в предлагаемых методиках решения, реагируя на вновь возникшие технические возможности. Происходит совершенно объективный и естественный процесс адаптации набора вопросов к компьютерной форме проведения ЕГЭ.
Экзамен по информатике к лету 2023 года фактически превратился в экзамен по программированию, для которого формат 27 заданий на 3 часа 55 мин не подходит. При изменениях тематики вопросов и методики решения поставленных задач не изменились условия проведения экзамена - количество заданий и время, отведенное на их решение. Выявилось явное несоответствие времени проведения экзамена и количества предлагаемых задач. Задачи, которые в прежнем формате экзамена решались на основе логического анализа, использования математических методов информатики, после перехода на сдачу экзамена с помощью компьютера предлагают решать методом полного перебора с помощью программ на языке Python. Например, задание № 8, в котором необходимо определить слово, стоящее на 210-м месте, если первые четыре слова имеют вид: 1) ААААА, 2) ААААО, 3) ААААУ, 4) АААОА. Нормальное решение состоит в переводе числа 209 в троичную систему счисления и замене цифр буквами, новая методика предлагает программу на Python, состоящую из пяти вложенных циклов, в качестве структуры хранения используется словарь. Школьникам предлагают запомнить программу.
В таблице 3 приведены данные по количеству заданий в разные годы, в формулировке которых звучит «написать программу» и/или рекомендуемым вариантом решения является написание программы.
Предлагаемые варианты решений на тренировочных сайтах 2023 года [9] практически для 18 заданий из 27, или 66.6% от общего числа,
Таблица 3
Рост числа заданий по программированию на ЕГЭ
2015-2020 2021-2022 2023
Самостоятельное написание программ 2 задания 5 заданий 18 заданий
Язык программирования Basic, Pascal, C, C++, школьный алгоритмический язык Pascal, С++, Python Python, редко Pascal
отсылают к написанию программ на Python. Данный факт подтверждает необходимость введения программирования как самостоятельной дисциплины. При 17 часах программирования на два года в 10 и 11 классах (см. табл. 1) написание восемнадцати программ, от 10 до 40 и больше строк каждая, за 3 часа 55 минут, которые длится экзамен, кажется совершенно нереальным. Правда, есть мнение, что качество поставленных вопросов на экзамене можно оценивать близостью полученных за экзамен оценок к распределению Гаусса, неважно каким окажется математическое ожидание. Кроме этического вопроса о чувствах школьников, принимавших участие в экзамене, сложно не заметить несоответствие изучаемой дисциплины и принадлежность вопросов: изучали информатику, а экзамен по программированию.
Выбор первого языка программирования
Выбор языка программирования как первого языка для вхождения в предмет чрезвычайно важен. В нем должны достаточно прозрачно и значимо проявиться основополагающие элементы программирования: типы данных, структуры хранения, набор основных элементарных составляющих - ввод и вывод данных, ветвление, организация повторений, с использованием которых строятся базовые алгоритмы. В различных языках и средах минимальный набор таких операторов реализуется с небольшими грамматическими отличиями, что дает возможность понять само программирование и легко переходить с одного языка на другой.
Опасным явлением при изучении программирования оказалась дань моде - срочный перевод школьного программирования на Python (см. табл. 2, 3). Python на фоне других языков выглядит проще, имеет богатые библиотеки и встроенные структуры хранения данных. Python как ни один другой язык подходит для сдачи ЕГЭ: можно использовать как калькулятор, декларации типов не требует, вместо алгоритмов сортировки, определения суммы или поиска по признаку можно одной строкой вызвать соответствующую функцию из библиотеки, работа со строковыми данными спрятана в готовых разработках, программы получаются иногда
короче вдвое их аналогов на других языках. Но если главная цель обучения в школе не сдача ЕГЭ, а формирование думающего человека, готового к развитию и принятию быстро меняющегося мира, когда образование - это не сумма заученных инструкций, а возможность понимания всего того нового, что с огромной скоростью появляется в сфере информационных технологий, тогда необходимо ориентироваться на другие характеристики и свойства языка программирования, с которого начинается обучение. Инкапсуляция многих основополагающих элементов программирования в Python не позволяет сформировать компетенции обучающихся, связанные c научной стороной программирования [10]. Python - это технология программирования, а технологии устаревают по мере развития науки. Целью создания языка Python является решение прикладных задач опытными программистами, для которых переход на Python связан с упрощением внешнего вида программ и для которых эффективность по памяти и времени получаемых проектов не носит критический характер.
Язык Pascal в свое время был создан специально для изучения программирования, его появление было этапом эволюционного развития программирования как науки. Практическое использование Pascal на данном этапе в основном пережило себя, но значимость Pascal как первого языка обучения программированию трудно переоценить.
В Pascal четко определены важные научные понятия программирования:
- типы данных, как базовые, так и конструируемые;
- переменные/объекты, обладающие именем, адресом и типом;
- модульное программирование с «передачей параметров по значению» и «передачей параметров по адресу», формальные и фактические параметры;
- распределение проекта в файлах и т.д.
Более того, организация библиотек с помощью специальных модулей unit в Pascal может быть рассмотрена как прообраз появления объектно-ориентированного программирования (ООП): управление доступом к элементам в виде интерфейсной секции и секции реализации,
подключение к основному файлу и даже секция инициализации может быть трактована как прообраз конструктора. Таким образом, Pascal, с одной стороны, язык практического программирования для начинающих, с другой стороны, язык, формирующий фундаментальные понятия программирования как быстроразвивающейся науки. Однако из таблиц 2 и 3 видно, как в последние годы Pascal исчезает из школьной программы.
Языки C/C++ в определенном смысле еще лучше, чем Pascal, но для школьного программирования они сложны. Например алгоритмический язык С имеет сложный интерфейс, операторы ввода/вывода требуют спецификаторы, связанные с типами данных, и адресацию объектов. Формирование С происходило в период, когда информация, обрабатываемая на компьютере, была в основном числовой, поэтому у С весьма скромная библиотека работы со строками, при этом реализация строк как массивов символов требовала работы с указателями, наиболее эффективный вариант - динамический массив, даже для студентов профильных специальностей изучение этих тем представляет сложности. Главной прерогативой С++ является объектно-ориентированное программирование, но изучение данной технологии точно не для школы и по уровню сложности данной темы, и по времени, необходимому для понимания, да и уровень школьных задач не предполагает использование ООП. С++ без объектов по своей идеологии, по реализации обязательных элементов программирования имеет много общего с Pascal, поэтому разумное разделение - в школе изучается Pascal, в вузе - С и С++. Такой вариант позволяет выявить закономерности программирования как такового, понять тенденции развития языков программирования, принять мысль о том, что языки программирования имеют несколько этапов: возникновение, расцвет, зрелый период и закат, а программирование как наука, как технология при этом получает новые стороны развития. Необходимо понимать быстротечный характер «жизни» языков программирования. Важнейшей компетенцией в области программирования является знание внутренней структуры самого программирования, которая проявляется и получает реализацию в каждом конкретном языке, умение безболезненно за разумное время переходить с одного языка на другой. Переход с Pascal, С, С++ на более простой по форме языка Python, особенно для специалистов, знакомых со структурами данных, не представляет труда, обратный переход начинается с изучения программирования практически с нуля.
Выводы
1. Изучение программирования необходимо начинать с основополагающих понятий, с языка, имеющего в основе формальную грамматику, теоретически грамотно и последовательно формирующего профессиональное мировоззрение, понимание ключевых положений программистской культуры. Язык, в котором заложены идеи дальнейшего развития программирования, может использоваться как первый язык для начинающих программистов.
2. Назрела необходимость введения в школьную программу самостоятельного предмета «Программирование», она обусловлена следующими факторами:
- высокая потребность в IT-специалистах; по данным Росстата, отечественным компаниям требуется более миллиона IT-специалистов, к 2027 году кадровый дефицит может достигнуть 2 млн человек;
- большой интерес к IT-индустрии у школьников, о чем свидетельствуют и наличие компьютеров почти у каждого учащегося, и высокие конкурсы в вузы по данным специальностям;
- наличие большого числа различных курсов, часто платных, восполняющих недостаток школьной программы;
- ранняя профориентация школьников, позволяющая правильно определить свои возможности, введение программирования в школе в объемах, позволяющих оценить сложность предмета, не оставит места иллюзиям о профессии в IT-индустрии, осознание после не совсем успешного окончания второго курса вуза, что «программирование - это не мое», слишком поздно и болезненно;
- несоответствие школьной программы и содержания заданий ЕГЭ, в которых фактически подразумевается написание достаточно серьезных программ, даже в тех заданиях, в условии которых нет слов «написать программу», но сложность этих заданий на логику, на системы счисления заставляет переходить в Python и прямым перебором находить решение [9].
В противном случае необходимо приведение в соответствие школьной программы по предмету «Информатика и КТ» в разделе «Программирование» с содержанием вопросов единого государственного экзамена. Изучение программирования школьниками переложить на дополнительное образование, содержание которого не должно отражаться в вопросах ЕГЭ.
Изучение языков программирования, алгоритмизация должны присутствовать в школьной программе не только с целью освоения предмета, но и как фактор формирования логического и математического мышления. Умение разбить за-
дачу на простые шаги, оптимизировать выполнение каждого шага и всей задачи в целом, правильно определить все ветвления - все эти навыки в школе может дать только программирование, а пригодятся они не только программистам [5].
Список литературы
1. Эволюция школьного компьютера. Часть вторая, современная [Электронный ресурс]. URL: https:// www.pvsm.ru/blog-kompanii-intel/16061 (дата обращения: 16.06.2023).
2. Относительно школьной программы по информатике [Электронный ресурс]. URL: http://acm. mipt.ru/twiki/bin/view/Curriculum/SchoolCurriculumArt icle (дата обращения: 16.06.2023).
3. Барышева И.В., Козлов О.А. Формирование структурного мышления школьников в процессе обучения программированию в рамках школьного курса информатики // Вопросы современной науки: Колл. научн. монография / Под ред. Н.Р. Красовской. М.: Интернаука, 2016. Т. 14. С. 112-129.
4. Барышева И.В., Гергель В.П., Городецкий С.Ю. и др. Информатика для абитуриентов. Задачи и решения. Н. Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2007. 360 с.
5. Рабочая учебная программа по информатике (в соответствии с ФГОС) [Электронный ресурс]. URL: https://karaul-school.astr.eduru.ru/media/2019/10/22/126 5929801/inf_7-9.pdf (дата обращения: 16.06.2023).
6. Босова Л.Л., Босова А.Ю. Информатика: Учебник для 5, 6 класса. М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2017.
7. Босова Л.Л., Босова А.Ю. Информатика: Учебник для 7, 8, 9 класса. М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2017.
8. Босова Л.Л., Босова А.Ю. Информатика: Учебник для 10, 11 класса. М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2017.
9. Образовательный портал для подготовки к экзаменам. Информатика [Электронный ресурс]. URL: https://inf-ege.sdamgia.ru/ (дата обращения: 16.06.2023).
10. Почему лучше учить сложный C++, чем простые Python/Java | Skillbox | ПромоСтраницы. URL: https://promo.turbopages.org/promo/media/id/5a6713a17 7d0e69d17108229/648057d6f6b2005e042bd385.
ROLE OF PROGRAMMING AS A SCIENCE AND TECHNOLOGY IN THE FORMATION OF A MODERN-DAY PERSON IN THE COURSE OF SCHOOL EDUCATION
I.V. Barysheva1, O.A. Kozlov2, E.V. Malkina1, N. V. Shestakova1
1 Lobachevsky University of Nizhny Novgorod 2 Institute for Education Development Strategy of the Russian Academy of Education, Moscow
In this paper, we consider the problems of teaching programming in the period of rapid growth of information technologies, the emergence of new IT areas, under conditions of «digitalization» of almost every aspect of modernlife society; we make an attempt to justify the need to introduce the independent subject «Programming» in the school program. The conducted study demonstrates that the scope of the school subject «Informatics and CT» is gradually becoming too narrow for the formation of basic training and professional orientation of school students in the fields of algorithmization and programming. We discuss the insufficience of Python as the first language of programming being studied, for the formation of confident competencies in programming, for formation of knowledge of the fundamental elements including data types, memory handling, storage structures, which are used in Python either by default or are hidden in its workbench.
Keywords: computer science, algorithm, programming, professional orientation of school students, first programming language.
