Программирование с физическими объектами: от игры к исследованию

Предметное программирование в детском саду: возможности и практика на занятиях по естественным наукам  

Gao Xiang

Детский сад №3 органов города Чэнду, район Джиньню

[Аннотация] Учеба в детских садах с использованием программирования с использованием реальных объектов имеет особую ценность для развития информационной грамотности детей, их вычислительного мышления, творческого потенциала и способности к метаобучению. Логика организации учебных мероприятий по программированию с использованием реальных объектов основана на трех принципах: использование опыта в качестве основы, ориентация на игры, акцент на исследования. Кроме того, такие мероприятия характеризуются шести особенностями: низкая структурированность, акцент на проблематику, открытость, комплексность, устойчивость, генеративность. Обучение проводится по принципу постепенного развития: от самостоятельных игр до задач, затем к проектным мероприятиям. Способствуют глубокому обучению детей через создание ситуаций, использование ресурсов, взаимодействие учителей и детей, организацию дискуссий и т. д.

【Ключевые слова】Программирование с реальными объектами; Программирование с реальными объектами в детском саде; Научное образование

Искусственный интеллект развивается с каждым днем. В будущем люди столкнутся с вызовами цифрового общества. Только если мы сосредоточимся на новых требованиях новой эпохи к подготовке кадров, и рассмотрим информатизацию образования как неотъемлемую часть системных изменений в образовании, мы сможем способствовать модернизации образования. Поэтому необходимо изменить взгляды на образование и технологии образования. Технологии образования не должны ограничиваться лишь учебной средой, а должны быть интегрированы в систему обучения. Необходимо активно развивать инновационные практики информатизации образования.

В эпоху глубокого слияния информационных технологий и образования, образовательные учреждения для детей вне школы, занимающиеся программированием, появляются одна за другим. Однако отсутствует понимание и способность ориентироваться на развитие детей и учитывать их когнитивные возможности при организации обучения программированию. В результате технологии программирования остаются оторванными от образования. Поэтому мы стремимся разработать подходы, которые учитывают интересы детей и способствуют их развитию. Нужно решить проблемы, связанные с отсталым подходом к образованию детей вне школы, однообразием методов обучения и стереотипными подходами. Необходимо использовать искусственный интеллект для улучшения научного образования и активно способствовать изменению способов обучения детей.  

I. Анализ ценности образования в детских садах с использованием программирования на реальных объектах  

Физическое программирование – это способ программирования, при котором команды, связанные с физическими объектами, используются для управления роботами. Это означает превращение кодов на экране в физические объекты, которые включают различные свойства и функции (функции, переменные, логика, датчики и т. д.). Ребенок может управлять этими физическими объектами различными способами (из использования конструкторов, пульта управления, ручек и т. д.), чтобы эти объекты выполняли программные команды и реагировали на них.  

1. Характеристики программирования на физические объекты  

Физическое программирование как средство обучения имеет следующие особенности: процесс программирования становится более наглядным, то есть происходит визуальное отображение процесса программирования. Физический носитель физического программирования – это магнитные модули, что изменяет форму программирования, при которой код вводится с помощью клавиатуры и элементы нажатия мыши. Ребенок может легко воспринимать и практиковать этот процесс. Языки программирования становятся более простыми: сложные правила языка программирования скрыты в модулях программирования, используется лишь небольшое количество простых команд. Таким образом ребенок может лучше выполнять творческие программные задачи, что способствует привлекательности языка программирования для детей. Взаимодействие человека и машины становится более разнообразным: ребенок имеет больше возможностей для обучения в более естественной среде, что способствует взаимодействию ученика с реальной средой, программными модулями и сверстниками.  

(II) Характеристики обучения программированию для маленьких детей с помощью реальных объектов  

Вышеупомянутые особенности программирования с использованием реальных объектов напрямую влияют на способ обучения детей. Это приводит к следующим характеристикам обучения детей программированию: во-первых, это взаимосвязь между “телом, инструментами и окружающей средой”. Например, дети любят связывать программные модули с другими материалами. Они самостоятельно выбирают материалы, которые можно использовать для игр, исходя из формы модулей. Во-вторых, это взаимодействие с другими детьми. Дети самостоятельно взаимодействуют с другими детьми, создавая совместные игры. Это способствует развитию игрового опыта через наблюдение, слушание и общение. В-третьих, это связь с реальной жизнью. Деятельность детей в области программирования отражает опыт реальной жизни. Дети используют реальные объекты для создания и создания вещей, связанных с жизнью. В-четвертых, это логика. Процесс программирования детей представляет собой конкретное выражение логики причин и следствий. Дети могут анализировать различные ситуации и постоянно корректировать процесс и результаты программирования. В-пятых, это этапность. Содержание игр, форма игр и цели игр постоянно меняются. Содержание игр переходит от “мимтации” к “конкретности”. Форма игр переходит от “простых однократных игр” к “сложным смешанным играм”. Цели игр переходят от “случайности” к “планированию”.  

(3) Разнообразные ценности образования в области программирования с использованием физических объектов  

Образование в области программирования для маленьких детей представляет собой всестороннее образование. Целью не является освоение технологий, а акцент делается на развитие комплексных навыков детей, чтобы они могли лучше адаптироваться к жизни в будущем. Образование в области программирования с использованием реальных объектов в детских садах имеет свои уникальные преимущества.  

Во-первых, это развитие навыков работы с информацией. Маленькие дети могут эффективно получать и использовать информацию с помощью материалов для программирования. На основе анализа информации они формируют и делятся знаниями. Сами модули для программирования представляют собой небольшие информационные системы. Эти модули содержат много информации. Дети используют различные способы управления – ломики, джойстики, ручки и т. д. Таким образом они выполняют программы и реагируют на команды. В процессе этого дети получают, анализируют, обрабатывают и используют информацию, содержащуюся в материалах. Они также используют информационные технологии для творческого мышления и выражения своих идей. Это способствует развитию способностей к инновациям и обмену информацией.  

Второе – это развитие навыков визуализации мыслительных процессов. Программирование помогает детям развить методы мышления, необходимые для решения задач. Это позволяет им понимать вещи через абстракции и эффективно решать проблемы с помощью моделей. Суть мыслительных процессов заключается в совокупности навыков, необходимых для решения задач. В процессе программирования дети развивают такие навыки, как логика, алгоритмы, разбиение на части, выявление закономерностей. Логика – это рассуждения и объяснения причинно-следственных связей; можно сказать, что “если я сделаю так, то это произойдет”. Алгоритмы – это набор инструкций или правил, которые направляют компьютер на выполнение определенной задачи. В процессе программирования в детском саду можно считать это точным и эффективным описанием решения проблемы или набором инструкций для ее решения. Разбиение на части – это процесс разделения сложной задачи на несколько простых и легких для решения частей. Модели – это способы решения общих проблем, то есть выявление закономерностей, которые можно применять к подобным задачам. В процессе программирования дети могут анализировать схожие объекты или опыт.  

Втретье, необходимо раскрыть инновационный потенциал сотрудничества человека и машины. Учеба по программированию с использованием реальных объектов в детских садах представляет собой процесс обучения детей использованию информационных технологий для творческого решения проблем. Программирование с использованием реальных объектов позволяет детям при решении различных проблем различного типа и сложности использовать свои знания в области программирования, чтобы найти подходящее решение. Кроме того, это способствует развитию у детей способности анализировать, оценивать и творчески решать проблемы. Дети могут использовать свою воображаемость и креативность для создания простых программ, что позволяет им достичь желаемых результатов.  

Четвертое – это цифровая поддержка мониторинга метаобучения. Суть программирования с использованием физических объектов заключается в процессе мышления, связанном с управлением работой определенного объекта. Ключевая задача в процессе программирования – это контроль состояния объекта. Процесс предсказания и проверки предсказаний детей при каждом шаге программирования является частью процесса метаобучения. Дети предполагают, как будет работать программа, и после многократных экспериментов, если результаты программирования соответствуют их предположениям, они могут освоить способы настройки программы. Если же результаты не соответствуют предположениям, детям необходимо размышлять о причинах этого, что способствует дальнейшему развитию их исследовательских навыков.  

II. Практические подходы к образованию в детских садах с использованием программирования на реальных объектах  

1) Логика проектирования: принципы и особенности занятий по программированию с предметами в детском саде  

В образовании по программированию в детских садах необходимо перейти от подхода, при котором учителя играют главную роль, к подходу, в котором основной фокус смещается на детей. Необходимо уделять внимание особенностям возраста и законам развития детей.  

Проектирование занятий по программированию с использованием реальных объектов следует трех принципам: во-первых, опыт является основой. В образовании детей в детских садах с использованием реальных объектов акцент делается на опыте детей. Необходимо сосредоточиться на опыте детей, чтобы осуществить преобразование жизненных ситуаций в логику программирования. Во-вторых, акцент на игре. В образовании детей в детских садах с использованием реальных объектов акцент делается на упрощение задач и использование образных и интерактивных методов для способствования непосредственному восприятию, практическим действиям и личному опыту детей. Необходимо подчеркивать игровой характер, чтобы опыт программирования детей развивался естественно в процессе игры. В-третьих, акцент на исследовании. Образование детей в детских садах с использованием реальных объектов является исследовательским процессом, основанным на решении проблем. Необходимо уделять внимание опыту детей в процессе программирования, развитию их мышления и способностей, а также формированию качеств обучения, а не только конечному результату.  

В проектировании занятий по программированию необходимо учитывать шесть характеристик: во-первых, низкая структура – это позволяет детям исследовать ситуации в соответствии со своими интересами и ритмом, что способствует развитию творчества и самостоятельности; во-вторых, проблематичность – занятия направлены на решение проблем, включая проблемы, возникающие в повседневной жизни, учебе, спорте и игре детей, а также проблемы, возникающие в процессе их исследований; в-третьих, открытость – учителя имеют больше возможностей для определения структуры, содержания, времени и места занятий; в-четвертых, комплексность – процесс обучения программированию является сложным и комплексным процессом, связанным с математикой, естественными науками, системными науками, искусством и другими областями; в-пятых, непрерывность – эффективное решение проблем требует непрерывных исследований детей, постоянных попыток до тех пор, пока проблема не будет решена; в-шестых, генеративность – задачи и элементы программирования меняются в зависимости от исследований, содержание занятий также меняется в соответствии с интересами детей, их вопросами и открытиями.  

(2) Ступенчатый путь обучения: поэтапный подход к занятиям с программированием в детском саде  

Программирование в детских садах основано на уровне развития опыта детей. Процесс происходит поэтапно: сначала происходит самостоятельная деятельность, затем выполнение заданий, а потом – выполнение различных проектов.  

Ступень 1: Самостоятельные игры – поддержка свободного исследования маленькими детьми материалов для программирования. Во время свободного исследования учителя размещают материалы для программирования в игровых зонах. Дети наблюдают за материалами, играют с ними, пытаются понять, как используется каждый элемент и как можно использовать их для различных действий. Они продолжают исследовать возможности использования этих материалов, чтобы сделать модули активными и светящимися. Таким образом, дети могут связать разные цвета материалов, что позволяет им увидеть удивительные результаты в результате их комбинации.  

Ступень 2: Задания как руководитель процесса обучения – помогать детям использовать различные материалы для исследований. На этапе целенаправленного обучения дети уже знают, как использовать материалы. Учителя могут увеличить сложность задач, чтобы стимулировать детей к более глубокому исследованию. Учителя могут поставить детям определенное задание и предоставить им больше разнообразных материалов с низкой структурой. Это позволит детям использовать эти материалы для исследований, выполняя сложные задачи, например, «разработать автомобиль пожарной машины».  

Ступень 3: Объединение проектов – повышение способности к инновационному использованию программного кода и его интеграции. В процессе создания системы опыт программирования детей улучшается. Таким образом, через проектные мероприятия можно стимулировать глубокое обучение детей. С помощью проектных исследований, ориентированных на решение проблем, можно способствовать развитию у детей способности к глубокому мышлению, а также развитию их компетенций в области интеграции различных аспектов программирования. Например, можно организовать соревнования по программированию машин.  

(3) Модели реализации: две модели программных мероприятий в детском саде  

Задачи проектов программирования обычно заключаются в «создание конкретных результатов». Виды этих результатов могут быть различными: продукт, пространство или сцена и т. д. В зависимости от типов результатов, можно выделить два способа реализации проектов программирования:  

Первый тип – это „итеративный“ тип деятельности. Он основан на опыте маленьких детей, который расширяется по мере развития. Деятельность заключается в создании отдельных „предметов“. Этот тип деятельности включает в себя разработку, создание и оптимизацию продукта. Процесс решения проблем происходит в связке с другими этапами, что способствует укреплению опыта детей. Дети постоянно повторяют одно и то же действие, тем самым повышая свои навыки. В процессе решения проблем они развивают свой опыт. Например, когда дети разрабатывают робота для уборки стола, функции робота постоянно улучшаются, а версии робота постоянно совершенствуются.  

Второй тип – это “комбинированный” тип деятельности. Он основан на необходимости проекта и расширяется в горизонтальном направлении. Такие мероприятия заключаются в создании определенного пространства или сцены. Основная задача разделяется на несколько параллельных подзадач, которые совместно выполняются для достижения целей проекта. Кроме того, каждая подзадача может выполняться отдельно, с использованием “итеративного” подхода. Например, ученики четвертого класса создали зоопарк программного обеспечения: они создали различных животных, таких как утки, слоны, гепарды и змеи. Учителя также помогали детям создать сцену леса, где животные могли играть на траве. Для животных были подготовлены еда: грибы, морковь, травы, листья и т. д. Также были созданы дома и ограждения, чтобы животные могли играть на траве.  

(4) Процесс исследования: четыре этапа исследования занятий по программированию с предметами в детском саде  

Дети не играют без цели; их игра направлена на решение реальных проблем. В процессе исследования они приобретают способы и методы решения этих проблем.  

Создание ситуаций и определение проблем: С помощью создания игровых, повседневных и сложных ситуаций можно вызвать у детей желание исследовать. При создании ситуаций также возникают проблемы и задачи, которые необходимо решать. Учителям нужно помогать детям распознавать проблемы, анализировать их и понимать суть проблем. Как выглядит пожарная машина? Какие у нее элементы и особенности? Дети, собирая информацию и обсуждая ее, могут понять общий вид пожарной машины. Они также понимают, что к пожарной машине необходимы также сирена и фонарь.  

Распознавание моделей, разработка планов: Сначала происходит “различение” – учителя с помощью последовательных вопросов помогают детям распознать модель задачи, выявить внутренний логику программирования этой задачи. Затем происходит “разбиение” – сложные задачи разделяются на мелкие задачи, которые можно выполнить. Дети, анализируя автомобиль пожарной машины, определяют необходимые элементы программирования, такие как движение, свет, звуки. Затем они разбивают задачу на части: сначала используются модули для управления движением, затем – модули для создания красного света, а также модули для создания звука сирены. Таким образом формируется план действий.  

Практическое выполнение, коррекция программы: маленькие дети активно экспериментируют в процессе выполнения последовательности действий: «Написание программы (регулировка и сборка модулей) — запуск программы (наблюдение за процессом) — исправление ошибок (повторные попытки)». Поскольку проблемы внутри программных модулей довольно сложны, дети неизбежно совершают ошибки. Они пробуют разные способы, исправляют ошибки и перепланируют процесс, пока программа не начнет работать нормально. Таким образом они находят оптимальный способ решения проблемы.  

Презентация, обмен мнениями, оценка и размышления: в рамках проведения мероприятия происходит сосредоточенное обмен информацией, обсуждение, оценка и размышления, а также подведение итогов связанного опыта. Этот процесс обычно сопровождается демонстрацией результатов.  

III. Основные принципы поддержки занятий с программированием в детских садах  

1) Ситуации, вызывающие интерес: вызовы и интересные ситуации стимулируют любопытство к исследованиям  

Развитие занятий по программированию для маленьких детей основано на интересе детей. Ситуационное обучение лучше соответствует особенностям развития мышления маленьких детей. Учителя могут создавать сцены, такие как пещеры, туннели, дорожки для катания, лестницы и т. д., чтобы стимулировать совместные игры детей. Это также помогает детям лучше понять и адаптироваться к будущим занятиям по программированию, а также участвовать в играх более активно.  

(2) Сбор ресурсов: изучение способов исследования, использование материалов и экологических ресурсов  

Учителя должны помогать детям полностью использовать все доступные ресурсы. Необходимо усилить взаимодействие между программными модулями, инструментами, материалами и окружающей средой, чтобы создать разнообразные программные проекты. Комбинация “модули + Lego”: сами модули имеют функцию конструкционных элементов, поэтому дети могут использовать их вместе с Lego для создания простых конструкций. Комбинация “модули + Lego + материалы с низкой структурой”: материалы с низкой структурой в сочетании с программными модулями позволяют создавать разнообразные игры. Материалы с низкой структурой могут использоваться для расширения функций программных проектов, а также как объекты для взаимодействия в процессе программирования. Благодаря этому комбинация позволяет расширять элементы игры и сценарии. Дети могут создавать творческие программные проекты в соответствии с потребностями игры. Комбинация “модули + Lego + материалы с низкой структурой + окружающая среда”: благодаря полному использованию факторов окружающей среды можно проводить более реалистичные и ситуационные программные активности.  

(3) Визуализация опыта: фиксация следов обучения способствует повышению уровня опыта у маленьких детей  

Учителя могут использовать иллюстрации, настенные элементы декора и записные книжки для того, чтобы сделать процесс и опыт программирования детей более видимыми. Во-первых, можно использовать простые и понятные иллюстрации – например, изображения функций или шагов процесса. Дети могут наблюдать за этими иллюстрациями и использовать их для расширения своего опыта и решения проблем. Во-вторых, можно создавать тематические настенные элементы декора, в которых описывается опыт детей под темами „Мои открытия“, „Мои проблемы“, „Мои методы“. Учителя и дети вместе размещают эти элементы декора на стенах комнат и коридоров, что способствует обмену опытом между детьми. В-третьих, можно использовать записные книжки для записи процесса исследований детей. Таким образом, можно создать досье о развитии программирования детей, чтобы они могли записывать свои проблемы и процесс решения их с помощью рисунков, символов и текста. Это способствует обобщению опыта детей.  

(4) Диалог в форме опоры: значимые вопросы помогают детям решать проблемы.  

Учителя могут использовать значимые вопросы для поддержки активного исследования маленьких детей, помогая им выявлять свои собственные проблемы. Эффективные вопросы должны направлять детей на продолжение исследований, способствовать углублению их опыта и помогать им размышлять.  

Когда видно, что маленькие дети сталкиваются с проблемами, можно косвенно указать им на проблему, разъяснить её суть. Таким образом, с помощью „направленных вопросов“ можно помочь детям использовать имеющийся опыт для анализа причин проблемы. Например: „Почему возникает такая проблема?“ В конце концов, можно использовать открытые, индуктивные вопросы, чтобы способствовать развитию креативности детей и поиску решений. Например: „Как вы планируете решить эту проблему? Что, по вашему мнению, ещё можно сделать?“ С помощью вопросов можно стимулировать детей к разработке новых идей.  

(5) Обмен опытом: обмен и взаимодействие коллективного, группового и индивидуального опыта  

У маленьких детей различаются виды деятельности, проблемы, с которыми они сталкиваются, а также опыт, полученный в процессе исследований. Чтобы способствовать обмену и взаимодействию между детьми, учителя могут организовать совместные игры, чтобы индивидуальный или групповой опыт успеха или решения проблем могли быть распространены среди всех детей. Когда у детей возникают общие проблемы, учителя также могут организовать групповые или совместные обсуждения, чтобы они могли вместе искать решения и проверить их на практике.  

IV. Заключение  

Образование в области программирования на практике дает детям новый научный опыт и возможности для развития. С одной стороны, это помогает детям сформировать первоначальные навыки программирования. Речь идет не о том, чтобы дети действительно овладели техникой программирования, а о том, чтобы они научились решать проблемы с помощью различных игр, связанных с программированием. С другой стороны, это способствует развитию хороших учебных качеств у детей. Дети проявляют большую концентрацию, настойчивость и любопытство при обучении. Например, количество игр, в которых они участвуют, и продолжительность их использования увеличиваются.  

Традиционное обучение на основе информационных технологий сосредоточено на применении технологий в процессе обучения, при этом игнорируется взаимодействие учителей с детьми и интеграция процессов обучения. Наш детский сад стремится сделать процесс обучения программированию детей отказ от “технологического подхода” к “обучению”. Особое внимание уделяется ключевым функциям образования и методам преподавания, а также незаменимым качествам учителей как людей. Обучение программированию на основе реальных объектов учитывает особенности восприятия и уровень развития детей. Заменяются сложные коды на простые программные модули. С помощью реальных объектов, модульных и интерактивных материалов, а также с использованием игровых и ситуационных методов обучения, стимулируется участие детей в процессе обучения. В этом процессе преодолевается пассивное использование интеллектуальных технологий учителями, развивается образовательное сознание учителей. Оптимизируется дизайн и реализация процессов обучения программированию, что способствует лучшему обучению детей программированию. Это способствует глубокой интеграции информационных технологий и образования дошкольного возраста.