Informatyka fundamenty wdrażania. Maciej M. Sysło

Transkrypt

1 Informatyka fundamenty wdrażania

2 Początki edukacji informatycznej w Polsce Rok szkolny 1964/1965/1966 III i I LO, Wrocław Powstają klasy informatyczne decyzja KW PZPR 1970 Uniwersyteckie klasy matematyczne w XIV LO w Warszawie zajęcia z teorii maszyn: Z. Pawlak, A. Skowron, A. Walat Lata 1980: ekspansja idei S. Paperta i Logo: S. Waligórski, A. Walat, Pascal zdobywa popularność Lipiec 1985: MOiW, pierwszy program nauczania EI dla LO Maj 1986: Elwro 800 Junior wygrywa konkurs na komputer szkolny Koniec lat 1980 pierwszy podręcznik do elementów informatyki 1990: MEN zatwierdza program nauczania EI w klasach VIII 1991: Polska przyłączona do Internetu, Internet dla Szkół (IdS), M. Car 1994: Olimpiada informatyczna ma już 25 lat Projekty MEN, rządu (poseł G. Staniszewska): Pracownia internetowa w każdej gminie, w każdym gimnazjum, w każdej szkole 2002: Matura z informatyki Otwarcie na świat: OI, Konkurs, Bóbr, konferencje ISSEP i WCCE I dzisiaj!

3 Nowe kształcenie informatyczne, od 2015 Po latach starań, znakomita sytuacja do zmian: na każdym etapie edukacyjnym istnieją przedmioty informatyczne w szkołach pracują nauczyciele tych przedmiotów szkoły są wyposażone w podstawowy sprzęt informatyczny środowiska programistyczne są powszechnie dostępne i bezpłatne duże zaangażowanie uczniów i gotowość do udziału w zajęciach informatycznych/programistycznych informatyka +

4 Podstawa programowa informatyki w K-12 Wspólne Cele kształcenia Wymagania ogólne dla wszystkich etapów I. Rozumienie, analizowanie i rozwiazywanie problemów na bazie logicznego i abstrakcyjnego myślenia, myślenia algorytmicznego i sposobów reprezentowania informacji. II. Programowanie i rozwiazywanie problemów z wykorzystaniem komputera oraz innych urządzeń cyfrowych: układanie i programowanie algorytmów, organizowanie, wyszukiwanie i udostępnianie informacji, posługiwanie się aplikacjami komputerowymi. Technologia III. Posługiwanie się komputerem, urządzeniami cyfrowymi i sieciami komputerowymi, w tym: znajomość zasad działania urządzeń cyfrowych i sieci komputerowych oraz wykonywania obliczeń i programów. IV. Rozwijanie kompetencji społecznych, takich jak: komunikacja i współpraca w grupie w tym w środowiskach wirtualnych, udział w projektach zespołowych oraz organizacja i zarządzanie projektami. V. Przestrzeganie prawa i zasad bezpieczeństwa. Respektowanie prywatności informacji i ochrony danych, netykiety, norm współżycia społecznego, praw własności intelektualnej; ocena i uwzględnienie zagrożeń, związanych z technologią. Spiralny rozwój uczniów na kolejnych etapach (J. Bruner)4

5 Fundamenty podstawy kolejność celów ogólnych algorytmiczne myślenie przed programowaniem, przed użyciem komputera spiralność rozwój wokół tych samych celów ogólnych przez wszystkie lata w szkole (K-12), ciągłość kształcenia myślenie komputacyjne procesy myślowe angażowane w formułowanie problemu i przedstawianie jego rozwiązania w taki sposób, aby komputer człowiek lub maszyna mógł skutecznie je wykonać podejście informatyczne w rozwiązywaniu problemów programowanie etap kreatywnego rozwiazywania problemów learning by doing konstrukcjonizm dialog z komputerem informatyka w swoich zastosowaniach nauczanie przez rozwiązywanie problemów z różnych dziedzin metoda projektów zalecana w podstawach wszystkich przedmiotów, praca w zespołach informatyk nie pracuje dzisiaj sam 5

6 Fundamenty podstawy kolejność celów kolejność celów ogólnych (algorytmiczne) myślenie przed programowaniem, przed użyciem komputera Komputer, aplikacje, język programowania to narzędzia, musimy mieć coś, do czego ich użyć Nauka programowania wydrukuj Hello World; dodaj dwie liczby!?! Gdy uczeń nie ma nic do powiedzenia komputerowi!!! Komputer wykonuje tylko programy Każdy program jest zapisem jakiegoś algorytmu Trzeba mieć coś do powiedzenia: znać algorytmy Algorytm przed programowaniem Fermina Dazy (Miłość w czasach zarazy, G.G.Marquez): Języki trzeba znać wtedy, gdy się ma coś do powiedzenia N.N. nie miał nic do powiedzenia N.N. nauczył się hiszpańskiego [Pythona] teraz N.N. nie ma nic do powiedzenia po hiszpańsku [w Pythonie] [Jerzy Szczepkowicz] 6

7 Intuicje: Bóbr, Godzina Kodowania Zarzut: odtwarzanie, brak kreatywności Odpowiedź: na dobry początek, zainicjowanie nauczyciela i uczniów 7

8 Fundamenty podstawy - spiralność spiralność rozwój wokół tych samych celów ogólnych przez wszystkie lata w szkole (K-12) Ciągłość kształcenia, ciągłość rozwoju ucznia, ciągłość rozwoju pojęć, metod informatycznych, kompetencji językowych (programowania) nauka żadnego języka nie znosi przerw J. Bruner, The Process of Education, 1960: Każdego można wszystkiego nauczyć One starts somewhere where the learner is. And one starts whenever the student arrives to begin his career as a learner. R. Feynman: If you can t explain it to a six year old you don t really understand it Przykład problemu porządkowanie przez 12 lat w szkole! występuje w podstawach programowych większości krajów. nośnikiem wielu pojęć i metod informatycznych ma wiele wersji i algorytmów o różnych własnościach 8

9 Porządkowanie przez 12 lat w szkole, 1 1. K-3: Sytuacja: porozrzucane karty z obrazkami zwierząt, owoców itp. Cel: pogrupujcie według własnego uznania Sytuacja: różne rzeczy, odpady Cel: segregowanie według rodzaju Informatyka, pojęcia: haszowanie, metoda kubełkowa Informatyczne osiągnięcia uczniów i pojęcia rozwijane spiralnie

10 Porządkowanie przez 12 lat w szkole, : Sytuacja: np. ciąg obrazków zwierząt czworonożnych Cel: ustawcie według wagi ciała Informatyka, pojęcia: porządek, przestawianie, przestawianie sąsiednich obce uczniom, od najlżejszych Metodyka: abstrakcyjne myślenie, odkrywanie własnych sposobów Wsparcie, zabawy Bóbr:

11 Informatyczne osiągnięcia uczniów i pojęcia rozwijane spiralnie

12 Porządkowanie przez 12 lat w szkole, : Sytuacje: różnorodne Cel: różnorodny kontekst występowania uporządkowania i sposób porządkowania Informatyka: różnorodne konteksty porządkowania i metody dostosowane do kontekstu

13 Porządkowanie przez 12 lat w szkole, Sytuacje: organizacja rozgrywek, wybór obiektu naj Cel: znajdź najlepszy/największy/najmniejszy/naj element Informatyka: przeszukiwanie liniowe, turniejowe liczba porównań, pierwsze programy (Pyhon) Wsparcie: kinestetyczna gra, plansza klasowych/szkolnych rozgrywek Sytuacje: uporządkowany ciąg Cel: znajdź wybrany element Informatyka: przeszukiwanie binarne, programy (Uwaga: nie taki prosty, można posłużyć się gotowym) Wsparcie: zgadywanie liczby, zadania z Bobra (multum)

14 Porządkowanie przez 12 lat w szkole, Sytuacja: ciąg liczb Cel: uporządkuj Informatyka: iteracja: najmniejszy na początek, przestawić elementy w złej kolejności, pierwsze algorytmy porządkowania, pierwsze programy sortujące (Python) Wsparcie: programy demo, Godzina Kodowania (programowanie)

15 Porządkowanie przez 12 lat w szkole, 6 4. LO, LO rozszerzenie Sytuacja: ciąg liczb Cel: uporządkuj Informatyka: elementy komputerowych implementacji: operacja scalania porządkowanie przez scalanie, rekurencja, programowanie Informatyka pytania ogólne, np.: znaczenie porządku łatwo znaleźć szukanie przez podział ciągu zamiast 1000 prób, tylko 10 gra w zgadywanie liczby wśród 1000 porównanie efektywności metod: przez wybór stała liczba działań, bąbelkowa szybka na mało nieuporządkowanym ciągu, porównanie czasów obliczeń

16 Fundamenty podstawy myślenie komputacyjne myślenie komputacyjne procesy myślowe angażowane w formułowanie problemu i przedstawianie jego rozwiązania w taki sposób, aby komputer człowiek lub maszyna mógł skutecznie je wykonać podejście informatyczne do rozwiązywania problemów mental tools analityczne sposoby myślenia, ale nie temat lekcji J. Wing: attitiude and skill set nastawienie i umiejętności, które każdy może i powinien posiąść i stosować poszerza ludzkie myślenie i integruje z możliwościami komputerów obok stosowania gotowych narzędzi i informacji kształtuje kreatywność w tworzeniu własnych narzędzi i informacji przygotowuje do wykorzystywania metod i narzędzi komputerowych oraz informatycznych w różnych dziedzinach wzbogaca i poszerza metodologię rozwiązywania problemów z wykorzystaniem komputerów: analityczne narzędzie w realizacji metody projektów programując najpierw pomyśl komputacyjnie 16

17 Bóbr 17

18 Sudoku od klasy 1 Pojęcia: abstrakcja nie ma znaczenia, co układamy reguła prowadzi do dekompozycja, rozkład zadania/problemu, praca krokowa algorytm kolejność uzupełnień 18

19 Tok zajęć: elementy myślenia komputacyjnego LO, klasy 1-3 Projekt: polemika z wypowiedzią Umberta Eco: Praca z rzeczywistą sytuacją problemową: jeśli ktoś myśli, że książka zniknie, to się myli zebranie informacji i danych abstrakcja na niskim poziomie, nie Sytuacja: teksty drukowane i elektroniczne wszystkie dane są potrzebne związane z tematem Problem: znajdź argumentyreguł, za i przeciw; wykrywanie w danych dla problemu: zasad, wzorców, teorii przeprowadź dyskusję, spisz ją analiza danych i reprezentacja danych (jeszcze poza komputerem): Dane: selekcja/wybór fragmentów ze źródeł lista, tabela, tabele powiązane abstrakcja dekompozycja danych i/lub problemu (na mniejsze znane) Zasada w danych: dotyczą książki, w tym Eco Reprezentacja danych: szablon tekstu dyskusji z projektowanie algorytmu modelu obliczeniowego: podejście ad hoc heurystyka przeciwnymi argumentami (tabela, format) Dekompozycja: za i przeciw metody/algorytmy informatyczne: alg. liniowe, argumenty pętle, warunki, rekurencja współbieżność, interakcja zdarzenia Algorytm: metoda postępowania: zorganizowana dyskusja, zapiszewnętrznej automatyzacja rozwiązania program uporządkowany abstrakcja sytuacji Modyfikacje: danych ważny dla konkluzji glos symulacja komputerowego modelu problemu innych osób uzasadnienie, włączenie testowanie i poprawianie Komputer, program: projekt automatyzacja głębsza analiza problemu oraz modyfikowanie, poszerzanie przebiegu projektu, ocena własna i nauczyciela, udostepnienie w systemie prowadzenia projektów 19

20 Myślenie komputacyje, J. Wing, 2006 Kompetencje (umiejętności) budowane na mocy i ograniczeniach komputerowego przetwarzania informacji w różnych dziedzinach i rozwiązywania rzeczywistych problemów Wśród takich umiejętności mental tools są: abstrakcja wyszukanie i pozostawienie istoty redukcja i dekompozycja złożonych problemów tworzenie reprezentacji i modelowania danych, problemów i rozwiązań stosowanie heurystyk intuicja, pomysły, kreatywność tworzenie przybliżonych rozwiązań (aproksymacji), gdy dokładne rozwiązanie nie jest możliwe stosowanie rekurencji, czyli myślenia indukcyjnego (rekurencja = iteracja) 20

21 Myślenie komputacyjne informatyka dla wszystkich użytkowników komputerów Myślenie komputacyjne towarzyszy procesom rozwiązywania problemów za pomocą komputerów. Operacyjna definicja myślenia komputacyjnego stosowana przy rozwiązywaniu problemów: problem jest formułowany w postaci umożliwiającej posłużenie się w jego rozwiązaniu komputerem lub innymi urządzeniami; problem polega na logicznej organizacji danych i ich analizie, danymi mogą być teksty, liczby, ilustracje itp. rozwiązanie problemu można otrzymać w wyniku zastosowania podejścia algorytmicznego, ma więc postać ciągu kroków; projektowanie, analiza i komputerowa implementacja (realizacja) możliwych rozwiązań prowadzi do otrzymania najbardziej efektywnego rozwiązania i wykorzystania możliwości i zasobów komputera oraz sieci; nabyte doświadczenie przy rozwiązywaniu jednego problemu może zostać wykorzystane przy rozwiązywaniu innych sytuacjach problemowych. 21

22 j. angielski j. polski Technologia informacyjna Myślenie komputacyjne Wykracza poza informatykę Informatyka Programowanie Informatyka Programowanie Coding Fizyka Programowanie Kodowanie Matematyka 22

23 Fundamenty podstawy - programowanie programowanie etap kreatywnego rozwiazywania problemów learning by doing konstrukcjonizm dialog z komputerem learning by doing uczeń uczy się przez działanie, które powinno go aktywizować, nie być odtwórcze, zbyt elementarne, bo zniechęci konstrukcjonizm (S. Papert) tworzy wytwory, artefakty także bez komputera (unplugged), programy właściwe użycie: Programowanie i język X, a nie w języku X programowanie to faktycznie cały proces rozwiązywania problemu inne znaczenia: programowanie dynamiczne metoda optymalizacji, technika algorytmiczna nauczanie programowane CAI: computer aided instruction spiralna realizacja, odpowiednio do pojęć i zadań przejście od języka blokowego do tekstowego (kl. VI-VII) jak z każdym językiem nie używany zanika, zwłaszcza na początku 23

24 Język programowania Klasa Liczba godzin po Rozszerzenie od kl. 1 LO: 1-4 6/tyg Blokowe: Scratch, Blockly, Baltie Godzina kodowania, Roboty Tekstowe: Python, C++, Jezyki specjalne 24

25 Dekalog języka programowania dobry język odzwierciedla ważne pojęcia powinien być nośnikiem, a nie obiektem nauczania; jest narzędziem, a nie celem jest poznawany, gdy go potrzebujemy jest używany ciągle żaden szczególny jest ich ponad 3000 program to komunikat, czytelny i zrozumiały przekaz dla innych osób, nie tylko dla maszyn to sposób myślenia różne języki, to różne metodyki programowania, różne obszary aplikacji, różni czytelnicy ludzie i maszyny programując najpierw pomyśl komputacyjnie są języki wizualne i tekstowe, jednak nie ma ani programowania wizualnego ani tekstowego języki wizualne minimalizują techniczne detale składni (syntaktyki) niemal każda aplikacja może być programowana programowanie: optymalna realizacja zadania lub przedsięwzięcia 25

26 Zaprogramuj swoją przyszłość Programowanie pojawia się w latach jako: optymalne projektowanie: zaplanuj swoja przyszłość i rób to cały czas z uwzględnieniem wielu aspektów i metod tak, aby Twoja przyszłość była w przyjętym przez Ciebie sensie optymalnym rozwiązaniem 26

27 Zaprogramuj swoją przyszłość Programowanie - optymalne projektowanie programy wojskowe techniczne dowodzenie, logistyka wojenna problemy lokalne/krajowe: transport, zaopatrzenie, produkcja Programowanie: Uczniowie odkrywają Zasadę Optymalności Bellmana dynamiczne (liceum) w programowaniu dynamicznym: na każdym kroku podejmuj najlepszą decyzję w sytuacji wynikającej z matematyczne poprzednich decyzji to nie ma nic wspólnego z programowaniem komputerów. Przykład: optymalne wznoszenie się samolotu, patrz: 27

28 Programowanie to nie jest pisanie programów, ale show your work, your understanding

29 Programowanie to także rozumienie programów PROCEDURE KRUSKAL( N,M :INTEGER; VAR ENDV1,ENDV2,WEIGHT:ARRM; Program w języku VAR CONNECT :BOOLEAN; Pascal z 1983 roku VAR TEDGE1,TEDGE2 :ARRN1; VAR TWEIGHT :INTEGER); VAR I,LAST,U,V,R1,R2,ECOUNT,TCOUNT:INTEGER;Implementacja algorytmu Kruskala FATHER :ARRN; PROCEDURE HEAP(FIRST,LAST:INTEGER); VAR J,K,TEMP1,TEMP2,TEMP3:INTEGER; BEGIN J:=FIRST; WHILE J <= TRUNC(LAST/2) DO BEGIN IF (2*J < LAST) AND (WEIGHT[2*J+1] < WEIGHT[2*J]) THEN K:=2*J+1 ELSE K:=2*J; IF WEIGHT[K] < WEIGHT[J] THEN BEGIN TEMP1:=ENDV1[J]; TEMP2:=ENDV2[J]; TEMP3:=WEIGHT[J]; ENDV1[J]:=ENDV1[K]; ENDV2[J]:=ENDV2[K];

30 Podstawa informatyka w zastosowaniach informatyka w swoich zastosowaniach nauczanie przez rozwiązywanie problemów z różnych dziedzin zastosowania źródłem sytuacji problemowych ich wybór dyktuje nauczycielowi informatyczna zawartość sytuacji zastosowania polem/okazją dla aktywacji i mobilizacji myślenia komputacyjnego na potrzeby rozwiązania problemu jednocześnie okazją do wykształcenia podejścia i umiejętności, które każdy może i powinien posiąść i stosować ilustracja użyteczności informatyki na potrzeby szkoły: integracja między przedmiotowa, współpraca, użyteczność na szkolne potrzeby a może któregoś ucznia porwie informatyka? 30 30

31 Zastosowania: dopasowanie wzorca Świetny przykład (A.B. Kwiatkowska): próbujemy dopasować jedno do drugiego, porównać zgodność jednego z drugim: DNA na ile jest ono wspólne dla bliźniąt? DNA czy zawiera pewne fragmenty związane z chorobami dziedzicznymi? W jakim stopniu pokrywają się prace plagiat? W informatyce jest to dopasowanie wzorca ATGGCAGACCATTATTTTTCTAACGACCCTTCTAGTAAAAGTGATCGTAAGCGATGGGAATTTACGCTTC GTGGATCTCAATTTACTTTCTTATCTGACCGTGGGGTGTTCTCGAAAAACGAAGTGGACTTTGGTTCTCG TCTTTTAATTGAAGCGTTTCAAGTGCCAGATATTAAAGGTGACATATTAGACGTAGGTTGTGGATATGGA CCAATTGGTTTATCGTTGGCGAAAGAGTTTCAAGACCGTAAAGTTCACATGGTGGATGTGAATGAAAGGG CACTTGAGCTTGCAAAAGAAAATGCCGCTAACAATAGAATTGGAAATGTGCACATTTTTCAAAGTAGCGT CTATGAAAATGTAGATGGTATGTATGCTGCTATTCTATCTAATCCTCCAATTCGTGCAGGGAAAGATATC GTGCATGAGATTTTAGAAAAAGCTGTAGAACATTTAGTTCCAGGTGGAGAGTTGTGGATTGTTATTCAAA AGAAACAAGGTGCACCATCTGCGCTGAAGAAACTAGAAGAAGTGTTTTCTGAAGTCGAAGTTGTAGAAAA GAAAAAAGGATATTATATCATAAAATCAAAAAAACGTTGA informatyka

32 Myślenie rekurencyjne w sytuacjach życiowych Taniec: tańcz; if nie gra muzyka then STOP else zrób krok; tańcz Rekurencja czyli jak zwalić robotę na komputer informatyka

33 Myślenie rekurencyjne: stary problem s(n) liczba sposobów osiągnięcia schodka n Myśl rekurencyjnie! 1 0 n 1 Profesor S. bierze jeden lub dwa schodki na ile sposobów wyjdzie na piętro n n 2 2 n s(n) = s(n 1) + s(n 2) s(1) = 1 s(2) = 2 dla n > 2 Króliki? Ależ to nierealistyczna sytuacja, a taki profesor to codzienność! 33

34 Stary problem, nowe spojrzenie Liczby Fibonacciego w różnych dziedzinach myślenie komputacyjne w przyrodzie: szyszki, słonecznik: skąd? Alan Turing w przyrodzie: kształt muszli w przyrodzie: wymiary człowieka w architekturze złota proporcja konstrukcja prostokąta za pomocą liczb Fibonacciego złoty prostokąt Związek liczb Fibonacciego z doskonałością? Ukazały się w Helionie 34

35 l Myślenie logarytmiczne to anagramy m < n/2 m > n/2 Generowane liczby są połowione co druga A zatem, dla 10300, algorytm Euklidesa wykonuje ok mnożeń to chwila, chwilę czekamy na zaszyfrowany mail. Logarytm ukryty w algorytmach: Algorytmiczna definicja logarytmu: ile razy należy podzielić przez dwa liczbę i jej ilorazy, by osiągnąć 1 można wprowadzić już w gimnazjum! Euklides mógł wynaleźć logarytm 300 lat p.n.e., a zrobił to dopiero John Napier 400 lat temu, w 1614 roku

36 Kojarzenie Znajdź błąd na tej stronie elementarza świetne ćwiczenie z kojarzenia 36

37 Nobel za kojarzenie Stabilny układ par, Stabilne małżeństwa temat na zajęcia informatyczne bez komputera Mężczyźni i kobiety z preferencjami zawsze istnieje stabilny układ par. W 1962, David Gale i Lloyd Shapley dowodzą i podają algorytm. W 2012 roku, Lloyd Shapley ( ) i Alvin E. Roth otrzymują Nagrodę Nobla w dziedzinie ekonomii za the theory of stable allocations and the practice of market design USA, 2014: Sprzeciw, jak algorytm może decydować o przyjęciu do pracy lekarzy 37

38 Programowanie: Maszyna RAM programowanie i przekład programu z języka na asembler Można pobrać ze strony: 38

39 Programowanie Maszyny Turinga 39

40 A co po IBM PC/laptopie/tablecie? Zbuduj własny komputer!!! Na bazie np. brytyjskiego komputera szkolnego BBC micro:bit (dostali laureaci Bobra 2018, 2019) 40

41 Podstawa kształceie metodą projektów metoda projektów zalecana w podstawach wszystkich przedmiotów, praca w zespołach informatyk nie pracuje dzisiaj sam, w pojedynkę zajęcia metodą projektów służą realizacji różnorodnych zadań tą metodą zadania mogą być wybierane przez uczniów personalizacja jednocześnie uczą pracy tą metodą Pracujemy nad środowiskiem pracy metodą projektów: repozytorium propozycji projektów pokrywających tematycznie podstawę realizacja wybranego projektu przez grupę uczniów wskazanych przez nauczyciela repozytorium zrealizowanych projektów Można będzie korzystać od września

42 Informatyka to podstawa (dla każdego ucznia) Podręcznik dla szkół ponadpodstawowych Główne cechy zajęć z tym podręcznikiem: W miejsce lekcji uczniowie pracują metodą projektów to faktycznie odwrócone uczenie się, a faktycznie próba zmiany kultury uczenia się. Kształtuje myślenie komputacyjne w każdym projekcie Pojawiają się elementy programowania dla każdego ucznia 42

43 Informatyka to podstawa Metoda projektów każdy projekt jednolicie opisany: Przewodni temat czego dotyczy projekt Uzasadnienie dlaczego warto zająć się tym projektem Informatyczne cele zajęcia są z informatyki, więc każdy projekt ma swoje cele informatyczne Rezultaty spodziewane rezultaty wykonania projektu, na ogół są to odpowiednie dokumenty i prezentacje z przebiegu realizacji projektu Przebieg projektu opis kolejnych etapów projektu ze wskazówkami, jak poradzić sobie z niektórymi poleceniami. Brak ćwiczeń i zadań tylko projekty 43

44 Dziękuję Państwu za uwagę i proszę nie zapomnieć: 44