Учиться, учиться и еще раз учиться компьютерной грамотности

Сергей Кузнецов

Обзор сентябрьского, 2013 г., номера журнала Computer (IEEE Computer Society, V. 46, No 9, сентябрь 2013).

Авторская редакция.
Также обзор опубликован в журнале «Открытые системы»

Сентябрьский номер посвящен компьютерному образованию (Computing Education). Вводная заметка приглашенных редакторов Марка Газдиала и Бетси Ди Сальво (Mark Guzdial, Betsy DiSalvo, Georgia Tech) называется «Дополнительное компьютерное образование» («Computing Education: Beyond the Classroom»).

В последнее время ряд усилий в области компьютерного образования привел к значительным изменениям в представлениях людей. Миллионы людей изучают компьютерную науку на основе массовых открытых онлайновых курсов (massive open online courses, MOOC). Масса людей учится программированию на основе популярных видео-курсов от Code.org.

Традиционное компьютерное образование наводит на мысли о бесприютных студентах, работающих по ночам в компьютерных лабораториях, с жадностью потребляя газировку, или о рядах компьютеров в учебных классах, где студенты механическим образом получают профессиональные навыки. Новые возможности компьютерного образования позволяют овладеть компьютерной грамотностью всем: детям, работающим взрослым, пенсионерам. Люди учатся компьютингу в самых неожиданных местах от начальной школы до художественных училищ. Используются все новые и новые устройства и методы, такие как мобильные телефоны, устройства, располагаемые на одежде и т.д.

Тематическая подборка содержит пять регулярных статей. Первую из них под названием «Как привлечь внимание всех студентов: проблемы обучению компьютерной науке в двенадцатилетней школе» («Addressing the Full Range of Students: Challenges in K-12 Computer Science Education») представили Мария Кнобельсдорф и Ян Варенхолд (Maria Knobelsdorf, New York University, Jan Vahrenhold, University of Münster).

Сегодня насущным требованием к национальным трудовым ресурсам являются не только начальные навыки использования информационной технологии, но и общее понимание принципов компьютерной науки. Это, в частности, отмечается во введении к недавно пересмотренным стандартам обучения компьютерным наукам Ассоциации преподавателей компьютерных наук системы двенадцатилетней школы (Computer Science Teachers Association, CSTA K-12 Computer Science Standards).

С учетом этого требования различные организации сформировали ряд программ, преследующих цели подготовки преподавателей. Например, целью программы CS 10K, созданной в рамках инициированного Национальным научным фондом США (National Science Foundation, NSF) проекта «Компьютерное обучение в 21-м веке» является подготовка преподавателей информатики в 10000 средних школ США. В Великобритании компьютерные науки стали обязательным предметом средней школы, а недавно этот предмет вошел в учебные программы Новой Зеландии.

Чтобы компьютерные науки заняли прочное место в системе двенадцатилетнего образования, необходимо выполнить ряд разнообразных требований. Кроме политических, правовых и финансовых аспектов, решающее значение имеет четкое определение целей обучения компьютерным наукам. Кроме того, преподаватели должны быть основательно подготовлены как в области компьютерных наук, так и в области педагогики. Однако в проблемно-ориентированных областях образования внимание традиционно концентрируется на процессе передачи студентам знаний соответствующей области. Это приводит к разработке разнообразных педагогических моделей, методов преподавания и методических материалов.

Имеется множество публикаций, посвященных изучению компьютерных наук в высшей школе, однако проблемам обучения информатике в начальной и средней школах уделяется недостаточное внимание. В частности, применению опыта высшей школы мешают разнообразие форм среднего образования и различия в интеллектуальном развитии школьников. Лишь немногие исследователи фокусируются на изучении особенностей разработки учебных программ и подготовке преподавателей информатики в средней школе. Обзор некоторых работ этого направления представлен в статье.

Автором статьи «STEAM-ориентированное компьютерное обучение: использование электронной ткани для интеграции творчества и STEM» («STEAM-Powered Computing Education: Using E-Textiles to Integrate the Arts and STEM») является Кайли Пепплер (Kylie Peppler, Indiana University Bloomington).

В компьютерном образовании уровня высшей школы сохраняется значительное половое неравенство. Несмотря на наличие нескольких национальных инициатив по выравниванию состава студентов (по социальным, расовым и половым признакам), обучающихся в областях науки, технологии, инженерии и математики (science, technology, engineering, mathematics, STEM), базовая культура компьютерного образования остается относительно неизменной. В учебных программах продолжают превалировать области, исторически ассоциируемые с интересами мужчин, а не женщин: роботехника, программирование и т.д.

К счастью, современный компьютерный мир изобилует новыми инструментами и материалами, которые стимулируют изменения способов взаимодействия человека с компьютерными технологиями. Одним из примеров, получившим в последние пять лет международную известность, является электронный текстиль (electronic textile): тканые изделия со встроенными компьютерами и другими электронными средствами. В центре этого жанра компьютинга находятся не привычные для мужчин пайка и демонтаж, а шитье, стежка, вязание и другие методы, обычно относящиеся к области деятельности швей и вязальщиц. Возможно, по этой причине, женщины составляют большинство (65%) в расширяющемся неформальном сообществе e-ткани.

Электропроводной нитью пользователь шьет соединение между микроконтроллером и светодиодным индикатором

В Индианском университете для расширения участия молодежи в программах STEM электронная ткань применяется в альтернативном подходе к компьютерному обучению. Результаты исследований показывают, что применение подобных новых междисциплинарных технологий способствует расширению круга студентов, в особенности, женского пола. Кроме того, подход STEAM (STEM + arts) позволяет повысить качество обучения, что делает его значащим и вне контекста равноправия полов в компьютинге.

Статья «Класс без границ: профессиональная практика в компьютерной учебной программе» («The Porous Classroom: Professional Practices in the Computing Curriculum») написана Салли Финчер и Дэниэлом Ноксом (Sally Fincher, Daniel Knox, University of Kent).

В компьютерной области всегда осознавалась потребность в обучении студентов профессиональным приемам работы. Частично это связано с тем, что наряду с другими инженерными дисциплинами программы компьютерного обучения регулярно оцениваются профессиональными ассоциациями. В США такая оценка производится Представительным советом по технике и технологии (Accreditation Board for Engineering and Technology, ABET) IEEE и ACM, в Великобритании – Британским компьютерным сообществом (British Computer Society, BCS). Таким образом, профессионалы оказывают достаточное влияние на учебные программы и планы, что несвойственно дисциплинам общеобразовательного характера, таким как физика и математика. Однако, в то же время в компьютерной области от выпускника университета или колледжа не требуется прохождение последипломной практики до получения разрешения на самостоятельную работу, как это принято, например, в областях медицины и строительного проектирования.

По-видимому, под влиянием тех двух факторов, что учебные программы аккредитируются профессиональными сообществами, а за подготовку рабочих мест студентов отвечает исключительно высшее образование, в программах компьютерного образования академическое обучение исторически отделяется от профессиональной практики, которая обеспечивается в совместных с компаниями лабораториях или во время стажировки в компаниях. Однако учебный класс не герметичен. Имеется множество возможностей требуемого и поощряемого производственного обучения студентов внутри образовательной среды. Некоторые из этих возможностей, поддерживаемые в Кентском университете, обсуждаются в статье.

Статья «Компьютерное обучение на основе созидания и связи» («Learning Computing through Creating and Connecting») представлена Карен Бреннан (Karen Brennan, Harvard University).

Компьютерных специалистов часто представляют чрезвычайно увлеченными одиночками, весьма сведущими в алгоритмической теории и заумных языках программирования. Однако даже в колледжах, где студенты проводят значительное время, самостоятельно работая в компьютерных лабораториях, на многих стадиях обучения присутствуют другие люди. Например, студенты хакерствуют вместе со своими сверстниками, получают консультации от преподавателей и повсеместно используют знания своих коллег.

И что же делают типичные компьютерные специалисты, завершив обучение? Они никогда не перестают учиться. Компьютерная область настолько широка и глубока, она постоянно изменяется и расширяется, и никакое формальное образование не может обеспечить исчерпывающую подготовку. По необходимости компьютерные специалисты продолжают участвовать в процессе обучения на основе как созидания (разрабатывая программы, проектируя системы и т.д.), так и связи (может быть, с коллегой в соседней комнате, а возможно, с разработчиком, находящимся в другой стороне мира).

Важность компьютинга практически во всех аспектах жизни людей приводит к очевидной потребности компьютерного обучения всех молодых людей. Это не значит, что всех нужно готовить к профессии программиста или разработчика программного обеспечения. Студентам необходимо овладеть основными практическими приемами использования компьютеров, которые пригодятся им вне зависимости от особенностей карьеры или жизненных целей.

В статье описывается подход к компьютерному обучению, в котором аспекты созидания и связи поддерживаются на основе использования языка программирования Scratch. Обсуждается, каким образом преподаватели могут обеспечить практические навыки работы со Scratch большему числу студентов, способствуя расширению круга студентов, обучающихся компьютингу. Наконец, описывается модель профессиональной разработки программ в среде Scratch – ScratchEd.

Увеличить рисунок
Простой Scratch-проект. Программист собирает различные блоки Events, Control, Motion, Looks и Sound подобно тому, как собираются физические блоки Lego. После нажатия клавиши пробела кот начинает танцевать, изменяя при этом свой цвет.

Последняя статья тематической подборки представлена Эллисон Элиот Тью и Брайаном Дорном (Allison Elliott Tew, University of Washington Tacoma, Brian Dorn, University of Nebraska at Omaha) и называется «Довод в пользу использования проверенных инструментальных средств в исследованиях компьютерного обучения» («The Case for Validated Tools in Computer Science Education Research»).

Оценка уровня знаний студентов полезна при определении уровня пригодности конкретных форматов или методов преподавания. Однако на практике такие оценки могут являться сомнительными и спорными, вызывая больше вопросов, чем ответов. Как точно измерить знания, излагаемые в некотором учебном курсе? Как охарактеризовать уровень знаний студента? Что привело к этому уровню знаний? Соответствуют ли оценочные вопросы поставленной цели? Приводят ли одни и те же вопросы к схожим результатам в разных контекстах?

По мере развития компьютерного образования изменяются традиции контроля уровня знаний студентов. Поскольку отсутствуют готовые для использования, проверенные инструменты оценки, преподаватели обычно используют собственные показатели, основанные, например, на сравнении результатов экзаменов или проведении опросов для оценки уровня понимания студентами некоторой конкретной темы. Однако обычно оказывается невозможным проверить, насколько точно позволяют определить уровень знаний вопросы экзаменов или опросов.

Одним из стратегических подходов к решению этой проблемы является выполнение межгосударственных и межвузовских исследований (multinational, multi-institutional (MNMI) study). Инструменты, разработанные в ходе большинства MNMI-исследований, к настоящему времени не стали общепризнанными, но изучены в нескольких контекстах. Одним из преимуществ этого подхода является потенциальное снижение риска получения неверных оценок из-за использования инструмента, созданного практиком-одиночкой.

Можно использовать образовательные инструменты общего назначения, например, (Motivated Strategies for Learning Questionnaire, MSLQ). Хотя была успешно проверена пригодность таких инструментов для оценивания конкретных аспектов обучения в целом (например, мотивированности и самоэффективности студентов), создатели инструментов не стремились выделить вопросы, относящиеся к обучению в контексте компьютерных наук.

Для многих дисциплин категории STEM имеются стандартные валидированные инструменты оценки уровня знаний, такие как Force Concept Inventory в области физики, позволяющие получать достаточно точные оценки. В компьютерной науке нахождение достоверных способов оценки уровня знаний студентов в основных областях является основной целью соответствующих исследователей. Достоверные оценки позволили бы преподавателям сравнивать педагогические подходы, а также определять, насколько успешными являются новшества в учебных планах.

Вне тематической подборки опубликованы три крупные статьи. В число авторов статьи «Сверхмасштабная визуализация климатических данных» («Ultrascale Visualization of Climate Data») входит 27 человек из разных организаций; совместно они именуют себя Группой проекта по созданию инструментальных средств сверхмасштабной визуализации и анализа климатических данных (Ultrascale Visualization Climate Data Analysis Tools Project Team).

Экспоненциальное расширение возможностей высокопроизводительных компьютерных платформ (как вычислительных средств, так и средств хранения данных) позволили повысить точность систем моделирования климата, увеличить их сложность, объем и т.д. Эти технологические достижения сопровождаются экспоненциальным ростом объема климатических данных, который, как ожидается, к 2020 г. достигнет сотен экзабайт.

Для решения проблем и использования возможностей, вызываемых таким взрывным ростом, в 2010 г. был сформирован консорциум, включающий четыре национальные лаборатории (Lawrence Livermore National Laboratory, Los Alamos National Laboratory, Oak Ridge National Laboratory, Berkeley National Laboratory), два университета (University of Utah и Polytechnic Institute of New York University), государственная организация (NASA Goddard Space Flight Center) и две частные компании (Kitware и Tech-X). Целью проекта по созданию инструментальных средств сверхмасштабной визуализации и анализа климатических данных (Ultrascale Visualization Climate Data Analysis Tools, UV-CDAT), выполняемого совместно со специалистами предметных областей, является решение ряда проблем анализа и визуализации климатических данных.

• Анализ «больших» данных. В климатологии, как и в других научных областях, имеется потребность обработки, анализа и визуализации наборов данных большого объема.
• Анализ чувствительности. Требуется расширение возможностей мультимодельного анализа, оценки погрешностей и вычисления количественных показателей.
• Неоднородные источники данных. Климатические данные происходят из моделирования, наблюдений и повторного анализа. В любом решении анализа и визуализации эти источники должны унифицироваться.
• Воспроизводимость. Во всех научных областях должно отслеживаться происхождение данных, обеспечивающее наличие надежных и долговременных связей между потоками работ.
• Мультидисциплинарность. Имеется потребность в обеспечении возможности поддержки наряду с климатологией других наук о Земле.
• Гибкая и масштабируемая архитектура. Должна поддерживаться возможность простого подключения к системе любых существующих и будущих программных компонентов.

Проект был начат в конце 2010 г. и должен быть завершен в конце 2013 г. В конце августа 2013 г. была выпущена версия системы 1.4. В статье обсуждаются архитектура системы и ее основные компоненты.

Статью «Эмпирическое исследование китайской социальной сети Renren» («An Empirical Study of a Chinese Online Social Network—Renren») написали Жианвей Нью, Жтн Пен, Лей Шу, Чао Тон и Винжин Льяо (Jianwei Niu, Jing Peng, Beihang University, Lei Shu, Guangdong University of Petrochemical Technology, Chao Tong, Beihang University, Wanjiun Liao, National Taiwan University).

Поставщик услуг социальной сети Renren (ранее называвшийся Xiaonei, что означает «студенческий городок») во многих отношениях напоминает Facebook и обеспечивает интерактивную онлайновую среду для студентов колледжей. У зарегистрированных пользователей имеются персональные начальные страницы, с которых они могут распространять информацию и события, публиковать заметки в блогах, загружать фотографии, делать рекомендации и использовать контент других пользователей. Как и в Facebook, информация об этих действиях доносится до всех друзей этого пользователя. В Renren имеются и общедоступные страницы (для статусных пользователей, активностей и объектов), на которых поклонники и администраторы могут скачивать статьи и фотографии и заново публиковать их, а также общаться с последователями (follower) через гостевые книги. В отличие от персональных страниц, общедоступные страницы можно только сопровождать.

Для проведения исследования авторы статьи получили от Renren обезличенный набор данных, демонстрирующий связи между пользователями, а также время создания каждого профиля пользователя. На основе этого набора был построен граф социальной сети с 8754959 узлами и 107147829 ненаправленными дугами. С каждой дугой связывалась временная метка, и весь набор данных соответствовал двухлетнему периоду.

Результаты выполненного анализа во многом похожи на результаты исследований Facebook и других известных социальных сетей: короткое среднее расстояние между парами узлов, сокращающийся диаметр графа по мере роста сети, временная локальность создания дуг, т.е. высокая вероятность создания дуг в течение короткого временного интервала.

Однако в отличие от предыдущих исследований авторами был выявлен степенной характер распределения вероятности наличия в Renren долговременных несвязных компонентов (компонентов, изолированных от основного связного компонента графа – Giant Connected Component, GCC). Другими словами, несвязные компоненты сохраняют это свое состояние не слишком долгое время, что является важной характеристикой развития социальной сети и может использоваться для выявления аномальных узлов и поведения пользователей.

Авторами последней крупной статьи сентябрьского номера – «Обеспечение качества пользовательского восприятия: проблема следующих СУБД» («Providing Quality of Experience for Users: The Next DBMS Challenge») – являются Рожерио Луис де Карвалью Коста и Педро Фуртадо (Rogério Luís de Carvalho Costa, Pedro Furtado, University of Coimbra, Portugal).

Системы управления базами данных (СУБД) предназначены для предельно

эффективного управления крупными наборами данных. Это означает, что СУБД прикладывают максимальные усилия к обработке каждого запроса над каждой частью данных независимо от желаний пользователей. Соответственно, СУБД в основном концентрируются на оптимизации производительности – максимизации пропускной способности и минимизации времени ответа.

Однако в последние годы соблюдается тенденция к разработке программно-аппаратных средств, которые ориентируются на обеспечение качества восприятия (quality of experience, QoE), т.е. уровня удовлетворенности пользователей конкретной системой или сервисом. Это приводит к смещению акцента от оптимизации производительности к удовлетворению желаний пользователей. Концепция QoE является все более важным аспектом информационно-телекоммуникационной технологии. В частности, от систем баз данных требуется не только достижение традиционных целей планирования и оптимизации, но и обеспечение поведения, соответствующего ожиданиям пользователей. Для обеспечения высокого уровня QoE пользователям базы данных требуется также наличие методов измерения уровня QoE конкретных систем.

Авторы предлагают подход QoE-ориентированных СУБД, которые анализируют требования пользователей, выполняют операции, только когда это не нарушает требования, и своевременно информируют пользователей о невозможности удовлетворения заданных требований. Это позволяет устранить (или, по крайней мере, сократить) время ожидания выполнения операций, которые невозможно выполнить требуемым образом, а также тех операций, от результатов которых в результате их долгого выполнения не удастся извлечь практической пользы.