Методика изучения языка программирования Python в углубленном курсе информатики с применением дистанционных курсов Coursera

Среди университетов, сотрудничающих с проектом:

§ Университет Джонса Хопкинса;

§ Калифорнийский технологический институт;

§ Эдинбургский университет;

§ Университет Торонто;

§ Колумбийский университет;

§ Пенсильванский университет;

§ Московский физико-технический институт;

§ Высшая школа экономики.

В описании каждого курса указано, на какой уровень подготовки он рассчитан. Много курсов ориентировано на начинающих - то есть для их прохождения не требуется ничего, кроме основ школьной программы.

Чтобы изучать язык программирования Python с помощью Coursera, например, достаточно пройти курс «Learn to Program: The Fundamentals» («Учимся программировать: Основы») от университета Торонто [36]. Рекомендуемая подготовка - знание математики начальной и основной школы. Курс рассчитан на 7 недель, содержит автоматическую проверку знаний при просмотре видеолекций и заданий в практической части:

Чтобы пройти курс, необходимо зарегистрироваться на сайте и подписаться на него -- заранее или в процессе.

После того, как курс завершен, он остается на сайте в виде архива.

«Архив» -- это значит, что всеми материалами можно пользоваться, но задания, кроме тестов, больше не оцениваются и сертификация недоступна.

2.2 Раскрытие методической системы обучения программированию с использованием Coursera

А. М. Пышкало в своем представлении о методической системе обучения исходит из того, что она являет собой структуру, компонентами которой являются цели, содержание, методы, формы и средства обучения.

Рассмотрим методическую систему, в основе которой будет находиться обучение школьников через дистанционные курсы Coursera.

Современная парадигма образования - переход от принципа

«образование на всю жизнь» к принципу «образование через всю жизнь».

Дистанционные курсы Coursera своей статистикой обучения как нельзя лучше показывают, как люди разных возрастов могут получить образование от лучших университетов, находясь при этом в любой точке планеты, где есть Интернет.

В.А. Сухомлинский утверждал, что начальная школа, прежде всего, должна научить учиться. Этот «источник желания учиться» очень важно сохранять и укреплять на протяжении всех ступеней образования. Только тогда можно быть уверенным в готовности человека к взрослой жизни.

Цели обучения: образование личности в целом; воспитание у школьников чувства необходимости «учиться всю жизнь», осваивая Coursera; подготовка школьников к использованию дистанционных курсов не после школы, а во время обучения в ней.

Содержание обучения на Coursera соответствует уровню качества всемирно известных университетов.

Средства обучения в арсенале Coursera предполагают полноценные курсы, которые включают видеолекции с субтитрами, текстовые конспекты, домашние задания, тесты и итоговые экзамены.

Форма обучения - инновационная (использование перспективно- опережающего обучения с использованием ИКТ в формате «перевернутый класс»).

Методика перспективно-опережающего обучения впервые была разработана учителем начальных классов С.Н. Лысенковой еще в 70-х годах прошлого века. Она открыла замечательный феномен: чтобы уменьшить объективную трудность некоторых вопросов программы, надо опережать их введение в учебный процесс. Такое рассредоточенное усвоение учебного материала обеспечивает перевод знаний в долговременную память.

«Опережающее обучение важнейших тем, работа на перспективы - это не только глубокие знания, но и резерв времени». Данная методика очень интересна, поскольку позволяет сэкономить время на объяснение нового материала и уделить больше внимания практическому закреплению [17].

В 2008 году учителя химии Аарон Самс и Джонатан Бергманн стали записывать свои уроки на видео и превращать их в домашние задания для своих учеников. Этот метод обучения оказался очень успешным и получил название

«перевернутый класс» . Некоторые считают, что «перевернутый класс» - это всего лишь модная зарубежная практика, однако она об опережающем обучении заговорил российский педагог и опыт внедрения «перевернутого класса» в российской школе показал хорошие результаты и статистику, которые можно увидеть в блоге Елены Пономаревой - участника Образовательной галактики Intel.

Таким образом, можно сделать вывод, что дистанционное обучение с помощью Coursera можно рассматривать как методическую систему обучения, которая содержит в себе современные методы обучения.

2.3 Практическая реализация предлагаемой методики изучения программированию в углубленном курсе информатики старшей школы

Практическая реализация предлагаемой методики изучения программированию на языке Python в углубленном курсе информатики старшей школы опирается на УМК авторов И.А. Калинин и Н.Н. Самылкина.

Знакомство со средой программирования - IDLE

В подавляющем большинстве случаев разработка программ выполняется с помощью интегрированной среды. Воспользуемся для решения задач IDLE (среда разработки на языке Python, поставляемая вместе с дистрибутивом). Эта среда предназначена для обучения программированию и свободно доступна по адресу www.python.org .

Интерфейс среды

Процедура установки Python отличается для разных платформ и подробно ее описывать здесь не будем. В двух словах:

· Пользователи Windows должны получить и запустить инсталляционный исполняемый файл, который произведет установку Python на компьютер. Для этого нужно просто дважды щелкнуть на инсталляционном файле и отвечать «Yes» (Да) или «Next» (Далее) на все вопросы.

· В Linux или в Mac OS вполне возможно, что Python уже установлен и готов к использованию, поскольку он является стандартным компонентом этих операционных систем.

· Процедура установки на других платформах зависит от этих платформ. Например, Python присутствует также в сотовых телефонах, игровых консолях и в проигрывателе iPod, но процедуры установки Python на эти устройства слишком отличаются, чтобы описывать их здесь.

После загрузки и установки Python открываем IDLE . На экране появляется окно, как на рис.1. Перед вами интерпретатор языка Python. Интерпретатор - это такой модуль, который исполняет другие программы. Когда вы пишете код на языке Python, интерпретатор Python читает вашу программу и выполняет составляющие ее инструкции.

Пожалуй, самый простой способ запускать программы на языке Python - это вводить инструкции непосредственно в командной строке интерпретатора, которая иногда называется интерактивной оболочкой.

Рис.1. Интерактивный режим IDLE (среда разработки на языке Python)

Интерактивный сеанс работы с интерпретатором Python начинается с вывода двух строк информационного текста (которые далее будем опускать в примерах), затем выводится приглашение к вводу >>>. Ввод каждой операции завершается нажатием на клавишу <ENTER>, после чего Python выполняет эту операцию и выдаёт результат или сообщение об ошибке. После присваивания результата операции какой-нибудь переменной результат не выдаётся, а чтобы его увидеть, нужно набрать имя переменной и нажать <ENTER>.

Традиционно, первой программой является вывод строки "Hello world"(рис.2).

алгоритмизация программирование python coursera

Рис.2. Запуск первой программы на Python

Когда в строке приглашения к вводу >>> была введена первая ин- струкция print, результат (строка) был немедленно выведен на экран. Нам не потребовалось создавать файл с исходным текстом программы и для выполнения программного кода не понадобилось сначала компилировать и компоновать его, что является обычным делом при использовании таких языков программирования, как C или C++.

При работе в интерактивном режиме можно вводить любое число команд Python, и каждая из них будет выполняться сразу же после ввода. Более того, поскольку в интерактивном сеансе результаты выражений, которые вводятся, выводятся автоматически, поэтому необязательно явно использовать функцию «print» (рис.3):

Рис.3

Благодаря тому, что программный код выполняется немедленно, интерактивный режим превращается в замечательный инструмент для проведения экспериментов с конструкциями языка.

Предположим, что вы изучаете некоторый фрагмент программы на языке Python и наталкиваетесь на выражение 'Spam!'*8, которое вам кажется непонятным. Можно, конечно, потратить с десяток минут, пробираясь через руководства и учебники, в попытках выяснить, что же делает этот код, но можно просто выполнить его в интерактивной оболочке (рис.4):

Рис.4

Эксперимент наглядно показывает, что произошло дублирование строки: в языке Python оператор * выполняет операцию умножения над числами, но если левый операнд является строкой, он действует как оператор многократной конкатенации строки с самой собой.

Приведем список наиболее распространенных ошибок:

1. Использование переменной, которой еще не присвоено значение (рис.5):

Рис.5

2. Незакрытые скобки (рис.6):

Рис.6

Примечание: Если скобка открыта, но не закрыта, интерпретатор Python будет ожидать закрытой скобки (рис.7):

Рис.7

3. Операции сложения, вычитания, деления (но не умножения) между строками и числами (рис.8):

Рис.8

Помимо интерактивного режима, в котором можно быстро отследить результат инструкций для Python, есть возможность писать многострочную программу в отдельном файле. Для этого нужно перейти во вкладку File - New

File (рис.9), откроется новое окно, в котором мы сможем написать первую самостоятельную программу на Python.

Рис.9

Перед тем, как написать программу, ознакомимся с основными аспектами синтаксиса языка.

Синтаксис языка Python

· Конец строки является концом инструкции (точка с запятой не требуется).

· Вложенные инструкции объединяются в блоки по величине отступов. Отступ может быть любым, главное, чтобы в пределах одного вложенного блока отступ был одинаков. Отступ в 1 пробел - не лучшее решение. В дальнейшем, будем использовать знак табуляции.

· Вложенные инструкции в Python записываются в соответствии с одним и тем же шаблоном, когда основная инструкция завершается двоеточием, вслед за которым располагается вложенный блок кода, обычно с отступом под строкой основной инструкции.

Пример:

Основная инструкция:

Вложенный блок инструкций

Неско лько специальных случаев :

· Иногда возможно записать несколько инструкций в одной строке, разделяя их точкой с запятой, но рекомендуется это делать, т.к. пострадает удобочитаемость программного кода.

· Допустимо записывать одну инструкцию в нескольких строках. Достаточно ее заключить в пару круглых, квадратных или фигурных скобок:

Пример:

if(a == 1 and b == 2 and c == 3 and d == 4):

print (“Try”)

· Тело составной инструкции может располагаться в той же строке, что и тело основной, если тело составной инструкции не содержит составных инструкций.

Пример:

if(x > y): print (“x”)

Видеолекции курса «Learn to Program: The Fundamentals»:

(Week 1):

· Welcome to LTP (0:35),

· Getting Started: Installing Python (2:46),

· Python as a Calculator (10:33),

· Variables (7:39),

· Built-in Functions (5:00),

· Defining Functions (6:41). (Week 2):

· Type str (4:56),

· Input/Output and str Formatting (10:14),

· Docstrings and Function help (1:18),

· Function Reuse (6:40);

Задача: Чему равны значения переменных P и Q после выполнения последовательности действий?

>>> P = 4 * 5 // 3 % 5

>>> Q = 34 % P * 5 - 29 % 5 * 2

В приведенной записи // и % операции соответственно деления нацело и получения остатка от целочисленного деления.

Пример:

5 // 2 = 2

5 % 2 = 1

Подготовка к выполнению задания:

1 Какой порядок выполнения арифметических действий при выполнении следующей строки: 7 * 2 + 5 / 12 % 5

Варианты ответа:

а) * , + , / , %

б) * , % , / , +

в) * , / , % , +

Ответ: в)

2 Дополните выражение круглыми скобками, чтобы последовательность операций была: + , - , / , %

>>> 3 + 4 / 2 - 7 % 2

Ответ: (3 + 4) / (2 - 7) % 2

3 Выберите варианты выражений, которые выведут ошибку при выполнении строки?

Варианты ответа:

а) 7 /(2 /(3 / 3)))

б) 5 + -3

в) 4 * *

г) 6 * (3 + 1)

Ответ: а) , в)

Первая самостоятельная программа

Напишем программу нахождения корней квадратного уравнения (рис.10). Для записи значений, введенных с клавиатуры, используется функция input().

Рис.10

Чтобы запустить программу перейти во вкладку Run - Run Module (рис.11)

Рис.11

В интерактивной оболочке предлагается ввести коэффициенты квадратного уравнения, однако после следует ошибка (рис.12)

Рис.12

Дело в том, что функция input() записывает введенную информацию с клавиатуры в виде строки, т.е. при введении коэффициента A в переменную x записалось не число 2, а строка, состоящая из одного символа `2'. Чтобы

исправить ситуацию, добавим функцию int(), которая возвращает целочисленное значение аргумента. Программа будет выглядеть следующим образом (рис.13):

Рис.13

Запустим программу снова и проверим при разных значениях коэффициентов (рис.14).

Рис.14

На рисунке видно, что при попытке посчитать положительный дискриминант выдана ошибка, в которой говорится, что «имя `sqrt' не определено» (NameError: name 'sqrt' is not defined)

Python автоматически может осуществлять множество арифметических операций (сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в степень и др.), однако для более сложных вычислений используется модуль math. Этот модуль предоставляет обширный функционал для работы с числами: округления, извлечение корня, модуль, факториал, тригонометрические функции и т.п. Чтобы подключить этот модуль требуется вписать в начало программы строку import math, а чтобы обратиться к этому модулю для подсчета квадратного корня - math.sqrt()(рис.15).

Рис.15

Запустим программу (рис.16).

Рис.16

Python может выявить только формальные, синтаксические ошибки. Логические ошибки, допущенные вами, в подавляющем большинстве случаев никто, кроме грамотного программиста, выявить и устранить не сможет. Это и произошло: в строке 6 есть ошибка - перепутан знак сравнения. На самом деле условие должно выглядеть как if D >= 0.

Чтобы избежать таких ошибок, нужно проверять все возможные варианты (в особенности для условных операторов). Если вы не можете найти ошибку, которую Python выдает, попробуйте использовать интерактивную оболочку как экспериментатор для отдельных частей программы.

Видеолекции курса «Learn to Program: The Fundamentals»:

(Week 3):

· Functions, Variables, and the Call Stack (4:30)

· Type bool (8:57)

· Converting between int, str, and float (3:16)

· If statements (9:10)

· No if required (4:17)

· Structuring if statements (6:07)

(Week 4):

· More str operators (2:16)

· str: indexing and slicing (4:53)

· str Methods: Functions Inside of Objects (3:41)

· for loop over str (11:35) (Week 5):

· while loops (12:21)

? range (3:34)

Решение задач из учебника §17.