Методические особенности преподавания темы «Базы данных» в профильном курсе информатики

Основная цель изучения темы – развитие познавательного интереса учащихся, а также формирование исследовательских умений, умений принимать оптимальные решения, умения работать с информацией, развитие коммуникативных способностей учащихся. Поэтому наряду с сообщением готовых знаний, обучением по образцу, в большинстве своем целесообразно использовать проблемное изложение материала, на основе подобранной системы заданий.

Использование компьютера в обучении позволяет усилить мотивацию учения, развить познавательный интерес и творческую активность; эффективно реализовать принципы индивидуализации и дифференциации обучения; увеличить долю самостоятельной работы учащихся; обеспечить контроль и самоконтроль усвоения знаний и т.д.

Поэтому в качестве приоритетной была выбрана методика, согласно которой компьютер используется как инструмент построения знаний и как инструмент создания проблемных ситуаций. Применение на занятиях среды программирования как инструмента познания способствует воспитанию у учащихся высокой мотивации к обучению, реализации практической направленности процесса обучения. При решении специально подобранных задач средствами программирования роль компьютера не сводится лишь к выполнению некоторой последовательности вычислительных процедур. Ученик на каждом этапе может увидеть последствия предпринимаемых им действий и внести в свое решение задачи необходимые поправки. Таким образом, персональный компьютер становится для него своего рода интеллектуальным партнером, или, по выражению разработчиков обогащающего обучения, интеллектуальным самоучителем, так как участвует в эвристическом этапе решения задачи.

Как отмечалось выше, в профильном курсе информатики изучение баз данных предполагается с помощью специально разработанной системы заданий. При такой организации обучения, решая многие задачи баз данных средствами программирования, с одной стороны, появляется возможность получить на первых порах неэффективное и нестрогое с точки зрения организации баз данных решение. С другой стороны, дальнейший анализ решаемых задач позволяет рассматривать вопросы построения более эффективного алгоритма, знакомить учащихся с проблемами анализа и оптимизации алгоритмов.

Здесь важным моментом является организация работы с задачей и построение серии задач. Вопросы и задачи выстраиваются в систему таким образом, что ответ на каждый следующий вопрос и решение каждой следующей задачи приводит к получению небольшого количества нового знания. Практика применения новых знаний происходит не только после их предъявления, но и распределяется по всей теме. Вопросы и задачи создают проблемные ситуации, порождая мотив к изучению того или иного факта или способа действия, позволяют сделать тот или иной вывод. Задания подбираются таким образом, чтобы мотивировать изучение материала и организовать его освоение и закрепление в виде программных реализаций алгоритмов. При этом задачи объединены общей идеей, каждая последующая задача либо обобщает ее, либо конкретизирует ее, либо является ее аналогом, либо использует результат предыдущей задачи.

Так, например, для раскрытия сути операций по обработке реляционных баз данных может быть предложена следующая серия задач.

1. Дан массив данных об абитуриентах факультета информатики, поступавших на определенную специальность (например, «Информатика и английский язык») в прошлом году. Массив содержит следующие данные: № личного дела, фамилия, имя, отчество, дата рождения, адрес, № школы, год окончания школы. Сформировать новый массив, содержащий информацию об абитуриентах:

· окончивших школу №14;

· проживающих в г. Москва;

· окончивших школу не позднее 2004 года…

Программная реализация прямого решения задачи не вызывает затруднений. Организовать данные можно, по крайней мере, двумя способами: с помощью двумерного массива строкового типа или с помощью одномерного массива из данных комбинированного типа (записи). Затем идет проверка строк исходного массива на удовлетворение условию задачи и запись подходящий строк в новый массив. В Приложении 1 приведена возможная реализация такого алгоритма на языке Паскаль. Однако если исходный массив данных об абитуриентах содержит достаточно большое количество записей (как это обычно и бывает в реальной базе данных), то при решении задачи возникают проблемы, связанные со временем выполнения алгоритма (временной сложностью). Таким образом, появляется необходимость оптимизации алгоритма с использованием известных методов сокращения перебора (бинарный поиск, хеширование и т.д.), что делает реализацию алгоритма достаточно интересным и продуктивным занятием.

Так, если использовать, например, бинарный поиск данных, то предварительно нужно отсортировать исходный массив, а следовательно, учащимся нужно будет вспомнить известные им методы сортировки данных в массиве, применить их, не забывая об эффективности алгоритма. В Приложении 2 приведено решение задачи с использованием алгоритма быстрой сортировки (сортировка Хоара) и бинарного поиска. Приведем лишь основную логику построения программы. Результат работы этой программы аналогичен предыдущему.

Кроме того, если данные представлены в виде двумерного массива строкового типа, то при решении заданий под буквами б) или в) возникают новые задачи: нахождение подстроки в строке, перевод строки (с датой) в число и т.д., что еще раз послужит закреплению соответствующих навыков.

Задачи сами по себе не сложные, однако, на их примере ученики на самом деле изучают не что иное, как операцию выборки записей из реляционной таблицы. После рассмотрения нескольких таких примеров можно предложить учащимся создать универсальную программу для всех трех задач (для этого проверку условия для строк исходного массива можно оформить в виде функции, а формирование нового массива – в виде соответствующей процедуры под названием «Выборка»).

Аналогичным образом формулируются задачи по изучению остальных операций реляционной алгебры. Например, операцию проекции будут имитировать задания следующего типа:

2. В условиях задачи 1,

· сформировать массив данных об абитуриентах, включающих только фамилию, имя и отчество учеников;

· вывести список школ, выпускники которых поступали в прошлом году на факультет информатики и т.д.

3. Для реализации операций объединения, пересечения и разности нужно будет рассмотреть еще один массив с аналогичными данными, например, об абитуриентах, поступавших на специальность «Прикладная информатика в экономике». И решить задачи по формированию нового массива, содержащего:

· обобщенную информацию обо всех абитуриентах, поступавших на специальность «Информатика и английский язык» или «Прикладная информатика в экономике»;

· информацию об абитуриентах, поступавших одновременно на две вышеупомянутые специальности;

· информацию об абитуриентах, поступавших только на специальность «Информатика и английский язык».

Центральным моментом каждой из трех программ является проверка наличия одинаковых строк в исходных массивах. При решении этой задачи «в лоб» каждая строка одного массива сравнивается с каждой строкой другого массива. В результате программа получается достаточно простой. Однако, при решении второй задачи нужно учесть возможность получения пустого массива, а при нахождении разности (третья задача) ученики должны обратить внимание на несимметричность этой операции (разность массивов А и В и разность массивов В и А в общем случае различны).

4. Операцию декартова произведения будет имитировать следующая задача. Наряду с массивом абитуриентов рассматривается еще один массив «Экзамены», содержащий информацию об экзаменах, которые необходимо сдать для поступления на определенную специальность факультета информатики: № предмета, название предмета (например, русский язык, информатика, английский язык). Необходимо вывести массив, содержащий все столбцы исходных массивов, то есть «связать» каждого абитуриента с каждым предметом. В результате решения этой задачи получается, если так можно выразиться, незаполненная ведомость по абитуриентам и экзаменам.

5. Для заполнения этой ведомости конкретными оценками абитуриентов нужно соединить полученный массив с массивом «Оценки», содержащим информацию об экзаменационных оценках по определенному предмету (например, по информатике) со столбцами: № личного дела, оценка. Соединение таблиц производится по общему столбцу № личного дела. Таким образом, можно получить экзаменационную ведомость по предмету информатике всех абитуриентов, поступавших на специальность «Информатика и английский язык».

Список задач может быть продолжен, важно, чтобы при их решении у учащихся сформировались вполне определенные представления о сути рассмотренных операций и способах их реализации. После рассмотрения достаточно широкого круга подобных задач в распоряжении учеников будет совокупность универсальных процедур, каждая из которых реализует ту или иную реляционную операцию. Затем можно переходить к организации запросов по условно созданной базе данных, формулируемых также в виде определенных задач. Например:

6. Вывести № личного дела, фамилии и имена абитуриентов, сдавших экзамен по информатике на 4 или 5.

После тщательного анализа этой задачи учащиеся, наверняка, заметят, что для ее решения можно использовать ранее рассмотренные операции: сначала соединить массивы «Абитуриент» и «Оценки по информатике», затем на объединенном массиве сделать выборку по оценкам 4 или 5, а потом сделать проекцию получившегося массива на столбцы № личного дела, фамилия, имя, предмет, оценка. Таким образом, любой запрос можно будет свести к применению конечного набора рассмотренных операций реляционной алгебры.

Но здесь также возникают проблемы оптимизации алгоритмов. В частности, возникает вопрос, применение какой последовательности операций даст наиболее эффективный (по времени) алгоритм? Ведь получить желаемый в предыдущей задаче результат можно и другим путем: сначала сделать выборку в таблице оценок (выбрать только записи с оценками 4 или 5), а уже потом производить соединение и проекцию. Подобные вопросы также дают почву ученикам для размышления и применения своих знаний на практике.

Построенная таким образом серия задач позволяет:

• применять обобщения в текущей учебной работе на каждом уроке;

• устанавливать больше логических связей в материале;

• выделять главное и существенное в большой дозе материала;

•выявить больше межпредметных связей и приложений изучаемых понятий и алгоритмов;

• более эмоционально подать материал;

• сделать более эффективным закрепление материала.

Каждая задача представляет собой некоторую проблему, решение которой опирается на решенные ранее задачи. Рассмотрение взаимосвязанных объектов в системе, как единое целое, способствует обучению не отдельным мыслительным операциям в случайном, стихийно складывающемся порядке, а системе умственных действий для решения нестереотипных задач. Ученик, анализируя, сравнивая, синтезируя, обобщая, конкретизируя фактический материал, сам способен получить из него новую информацию.

Нового применения прежних знаний не может дать ни учитель, ни книга – оно ищется и находится учеником, поставленным в соответствующую ситуацию. Умственный поиск – сложный процесс, он, как правило, начинается с проблемной ситуации, проблемы. Но не всякий поиск связан с возникновением проблемы. Если учитель дает задания ученикам, указав, как выполнить, то даже самостоятельный поиск не будет решением проблемы.

Очевидно, что такой способ самостоятельного изучения материала под силу не каждому ученику, это связано, прежде всего, с уровнем развития мышления. И задача учителя здесь научить «добывать» знания.

При проблемном обучении деятельность учителя состоит в том, что он, дает в необходимых случаях объяснение содержания наиболее сложных понятий, систематически создает проблемные ситуации, сообщает учащимся факты и организует (проблемные ситуации) их учебно-познавательную деятельность, так что на основе анализа фактов учащиеся самостоятельно делают выводы и обобщения, формируют с помощью учителя определенные понятия, законы.

Особую роль в развитии мышления и обучении самостоятельного извлечения знаний из конкретной ситуации играет система вопросов, направляющих ход мышления, представленная в таблице 1:

Таблица 1. Вопросы, направляющие ход мышления

Таким образом, одним из основных методов обучения темы баз данных становится метод проблемного обучения [50, 51].

В результате у учащихся происходит не только усвоение необходимого материала, но и вырабатываются навыки умственных операций и действий, навыки переноса знаний, развивается внимание, воля, творческое воображение. Все это способствует развитию базовых интеллектуальных качеств личности, так называемых КИТСУ-критериями (критерии компетентности, инициативы, творчества, саморегуляции, уникальности склада ума).

Основным видом деятельности при изучении темы, как отмечалось выше, является программирование. Как известно программирование, особенно на первых порах, вызывает у многих большие затруднения. Это связано с недостаточным развитием особых приемов мыслительной деятельности. Развитию этих качеств, а так же обучение использованию программирования как учебного метода во многом способствует использование специально организованной работой с демонстрационными примерами. Можно выделить ряд типичных видов задач метода демонстрационных примеров и видов мыслительной деятельности им соответствующих:

1) трассировка алгоритма (ручная прокрутка алгоритма) – не выполняя алгоритма, определить, какую задачу он решает (умение «читать» алгоритм, «расформализация» алгоритма – переход от непонятного к понятному);

2) модификация алгоритма, определение области применимости алгоритма (навыки экспериментального исследование алгоритма – «трогание руками», ракскрутка алгоритма);

3) использование приведенного алгоритма при решении подобных задач («связывание» и «перенос» знаний);

4) исследование эффективности / неэффективности алгоритма, построение оптимального алгоритма (теоретическое исследование).

Данные методы, во-первых, в большей степени отражают специфику деятельности в данной области действительности, во-вторых, наиболее полно отражают все аспекты деятельности, в-третьих, в значительной степени способствуют развитию познавательной активности учащихся. Поэтому использование метода демонстрационных примеров в процессе обучения способствует целенаправленному интеллектуальному воспитанию школьников.

Особое место в процессе изучения темы занимает метод учебных исследовательских проектов. Так, в конце изучения предложенной темы, по изучению всего материала, учащимся целесообразно предложить разработать собственную базу данных на изучаемом языке программирования. Дать описание, построить алгоритмы реляционных операций, заполнить базу данными, а также составить иреализовать серию запросов по созданной базе данных. При этом деятельность учащихся может быть организована как в форме индивидуальной работы учащегося с компьютером, так и в форме групповой работы. Завершающим этапом проекта становится его защита и публичное обсуждение всем классом.

В качестве основной формы проведения занятий предлагается использовать практические занятия, организованные в виде лабораторных практикумов, так как именно они формируют основные умения инавыки учащихся.

В лабораторном практикуме используются два вида работ:

– фронтальная, при которой учащимся предлагается одинаковый набор заданий (на первом этапе программирования в простейшей СУБД);

– индивидуальная, при которой ученик выполняет свой вариант задания (по своему индивидуальному заданию на первом и втором этапе программирования как в простейшей СУБД, так и в более современной СУБД).

Обычно совместная работа используется в случаях, когда изучаемый материал может вызвать у учащихся трудности. В таких ситуациях можно вначале предложить выполнение задания общего для всей группы, отработать с ними сложные моменты, а затем предложить индивидуальные задания. Индивидуальная работа активизирует самостоятельно мыслить, так же общаться с другими студентами в случае возникших трудностей. Индивидуальная работа имеет прямое отношение к коллективным методам, к которым обучающихся приучает фронтальная форма организации обучения. Общение является непременным условием формирования объективных понятий, так как позволяет освободиться от субъективности. В результате такого общения формируется открытая познавательная позиция, являющаяся компонентом опыта учащихся.

Одной из особенностей организации занятий по профильному курсу является также применение так называемой параллельной структуры урока. Интеллектуальное воспитание требует учета большого количества индивидуальных характеристик ребенка, таких, как психофизические и психо-эмоциональные особенности; природные интеллектуальные способности и степень интеллектуальной воспитанности; скорость протекания психических процессов, темп мыслительной деятельности; степень самостоятельности, склонность к самостоятельной работе, умение самостоятельно мыслить; уровень подготовленности (обладание фактическими знаниями, владение методами, сформированность умений, наличие навыков).

Перечисленные факторы в значительной мере влияют на организацию общения в процессе урока. Это общение условно как бы разбивается на слои, где первый слой требует активного участия учителя, второй – среднего и третий – слабого. Отметим, что при этом нет жесткой привязки «ученик – слой», она может меняться в ходе урока. И в каждом таком слое учитель постоянно ищет положительные сдвиги в процессе деятельности учеников и осуществляет точечные воздействия, слабые по силе, но «резонансные» по характеру, которые вызывают положительную обратную связь и приводят весь этот процесс к необратимым изменениям.

Подобная многослойность общения поддерживается и многослойностью заданий, предлагаемых ученикам. При этом предполагается экспериментальная работа за компьютером как под руководством учителя, так и самостоятельно по предложенному плану. Самостоятельность в такой работе ученика еще более увеличивается, если часть фактического материала ему будет предложено искать в справочниках (печатных или электронных).

Исходя из вышесказанного, можно предложить следующую структуру изучения нового материала на уроке по теме «Базы данных»:

1. Мотивационная задача (которая не решается без нового знания).

2. Беседа учителя и учеников об основных идеях нового материала (при этом вслух говорится далеко не все – оставлены «в запасе» факты, которые можно извлечь из справочных материалов, и закономерности, которые предстоит выявить экспериментально).

3. Задание для экспериментальной работы, в ходе которой детализируется знание нового материала.

4. Обобщение и выводы (при этом учащимся делаются записи: на начальном этапе – подробно с учителем, затем перечисляются пункты с оставлением в тетради свободного места; в идеале эти записи выполняются самостоятельно с последующей проверкой и обсуждением).

5. Задачи на применение нового знания, решение которых сопровождается коллективным (групповым) обсуждением.

6. Обобщающее задание: «Что надо знать по этому вопросу?». Результат – записи в тетради и порядок в голове, перевод знаний в вербальную форму. Последнее проверяется в разных формах на следующем занятии.

Получается, что в единой ткани урока возникает несколько самостоятельных линий, которые могут переплетаться (когда группа учеников на какой-то период объединяется для совместной работы), а затем снова двигаться в своем направлении. Причем учитель для активизации познавательной деятельности с каждым учеником соединяет эти линии, руководит параллельно протекающими процессами. При этом важно, что:

– обеспечивается индивидуализация обучения;

– необходим альтернативный источник сведений (справка, возможно специально подготовленная учителем) для самостоятельного поиска фактического материала;

– учитель указывает направление поиска с индивидуально требуемой степенью подробности;

– предусмотрены тесты для выявления недостатков, чтобы постепенно приучить школьников к самостоятельному тестированию;

– учитель организует переход от одного слоя задания к другому;

– учитель организует общение между учениками (коллективное обсуждение в начале работы, знакомство класса с достижениями отдельных учеников, организация работы в парах).

Таким образом, использование вышеперечисленных методов обучения способствует активизации учебной деятельности на уроке информатики, индивидуализации обучения, развитию самостоятельности познавательной деятельности ученика, меняет тип и характер общения между учеником и учителем, делает информатику, и в особенности обучение программированию, мощным инструментом интеллектуального воспитания.