Nová informatika s aktivitami bez počítačů

Ilustrační obrázek

„Teď vám ukážu instrukce. Kdo je pochopí, zařídí se podle nich.” Všech osmnáct šesťáků najednou upře pozornost na papír potištěný řadou symbolů. Během pár vteřin se první kluci a holky potutelně usmějí, berou si penál a potichu se vytrácejí. O pár chvilek později se už celá třída i s učitelem schází o jedny dveře vedle, v prostorném a prosluněném auditoriu. Učitel si sedá na stupínek a ptá se: „Proč jsme teď tady? Co se stalo?” „Bylo to v instrukcích,” odpovídají děti. „A co tedy přesně bylo v instrukcích?” doptává se učitel. „Měli jsme si vzít něco na psaní, potichu odejít do sálu a počkat na vás,” odpovídá třída a rozproudí se debata o tom, co to vlastně žáci na papíře viděli a zda záleží na tom, v jakém pořadí jsou tyto symboly v instrukcích uvedeny. „Jasně, protože kdyby byly v jiném pořadí, tak bychom teď neměli čím psát nebo bychom se nepřesouvali potichu,” zazní ze skupinky kluků. [1, zkráceno]

Nová podoba rámcových vzdělávacích programů v oblasti výuky informatiky na základních a středních školách, označovaná jako “nová informatika” přináší do škol prvky informatického myšlení, algoritmizace a aktivit rozvíjející digitální kompetence. [2] Úvodní citace popisuje příklad právě takové hodiny. Pozornému čtenáři by nemělo by zůstat nepovšimnuto, že aktivita v rámci výuky informatiky probíhá bez použítí počítačů a interaktivně — žáci jsou vybízeni k neustálé diskuzi toho, co se právě stalo. V jistých ohledech by se snad dala “nová informatika” připodobnit např. k Hejného metodě výuky matematiky.

Při implementaci tohoto kurikula se naráží na to, že většina lidí (a i učitelů informatiky) má s pojmem informatika spjato hlavně programování, případně obsluhování počítače. [3] Ne že by to nebylo součástí informatiky, ale máme-li ji definovat co nejobecněji, dostaneme se k tomu, že v sobě především ukrývá mindset pro řešení (komplexních) problémů a dovednosti s tím spojené. [4, 5] O jaké se dovednosti se jedná konkrétně?

Jednou ze zmiňovaných je (dostatečně přesná) formulace problémů s ohledem na možnosti jejich řešení. Informaticky zdatný člověk disponuje schopností analýzy jednotlivých postupů a zejména také toho, zda je vůbec vhodné daný problém řešit vzhledem k odhadovanému úsilí. Jedna z definic informatického myšlení [6] doplňuje, že je také zapotřebí postupy řešení vytvářet tak, aby je bylo možné přenechat k vykonání jinému člověku nebo stroji (v definici se mluví o tzv. inteligentním agentovi). Jednoznačné postupy, které lze vykonávat pomocí počítačů, se nazývají algoritmy a k jejich popisu se používají především programovací jazyky. Procesu vytváření a rozpoznávání algoritmů v oblastech reálného života se říká algoritmické myšlení.

Při algoritmické analýze je často potřeba abstrakce. Ta vyžaduje identifikaci nejdůležitějších aspektů, pomocí nichž můžeme vytvořit zjednodušený model reálného a zpravidla komplexnějšího problému. Představme si např. mapu České republiky, která musí za účelem přehlednosti zachovat pouze nejpodstatnější pojmy. Abstrakce se může v rámci řešení problému, ale také pochopení principů počítačů a algoritmů, odehrávat na mnoha různých úrovních a pomoct tak k soustředění se na konkrétní požadovaný účel.

Při prvním setkání s komplexním problémem se informaticky vzdělaný člověk nenechá zastrašit, ale nejspíše se nejprve zaměří na možnost dekompozice, neboli rozložení do malých částí, které jsou samy o sobě řešitelné. Dekompozice je zásadní dovednost pro vytváření algoritmů pro počítače, neboť ty často vyžadují velmi specifické instrukce, podobně jako třeba nezkušený kuchař potřebuje přesně rozepsaný recept do nejmenších podrobností, které jsou jiným “přece jasné”.

Další podstatnou část informatického myšlení tvoří schopnost vyhodnocovat, porovnávat a vylepšovat uvažovaná řešení. Evaluace se týká především identifikace různých možných řešení a posuzování jejich výhod a potenciálních slabin — v jakých podmínkách a pro jaké vstupy budou řešení funkční a jak je případně vylepšit. K tomu se dá využít různých metod testování, jako např. měření chování programů pro různé vstupní podmínky nebo logickým odvozováním.

Je důležité výše uvedené znalosti a dovednosti vnímat spíše jako univerzální mindset, který je potřebný v moderní, rychle se rozvíjející digitální době. Přestože jsou současné děti ve styku s technologiemi již od útlého věku, je třeba, aby se je naučily používat vhodným způsobem a porozumět základním a stálým principům jejich fungování — tak, aby se z nich nestali pouzí konzumenti.

O rozvoj takovýchto kompetencí se snaží pojetí “nové informatiky” zachycené v revidovaných vzdělávacích programech. Bavíme-li se o souvisejícím pojmu digitálních gramotnost (kompetence), tak tím spíše označujeme dovednosti bližší k uživatelskému přístupu. Jednou z takových oblastí je schopnost vyhledávat, zaznamenávat, organizovat, a předávat data a informace. V souvislosti s tím je třeba umět využívat různé formáty uchovávání digitálního obsahu a rozumět jejich vlastnostem, prezentovat je prostřednictvím digitálních médií a technologií a tím obohacovat stávající zdroje resp. vytvářet originální obsah a předávat znalosti. Rámec (dalších) digitálních kompetencí občana je podrobně popsán v evropském dokumentu DigComp, za nímž stojí Evropské výzkumné středisko. [7]

Významnou měrou přítomným prvkem nového pojetí výuky informatiky jsou tzv. aktivity bez počítačů. Podíváme-li se např. do ministerstvem schválených učebnic pro první a druhý stupeň základní školy od autorů Berkiho a Drábkové, zjistíme, že jsou tvořeny výhradně takovými aktivitami. Autoři se dle vlastních slov inspirovali zahraničím — konkrétně iniciativou, jejíž počátky sahají do devadesátých let v Austrálii. Poznatky autorů byly tehdy shrnuty do online materiálu [8] a veřejně publikovány. Postupně se pak díky mezinárodní spolupráci a podpoře významných organizací ve všeobecnou známost propracoval projekt CS Unplugged, jehož záměrem je právě rozšiřovat veřejné povědomí o možných způsobech výuky informatiky bez počítačů. [9] Významnou roli na celosvětové popularitě tohoto projektu hraje otevřenost a přístupnost materiálů, které byly publikovány pod svobodnou licencí Creative Commons, která je umožňuje šířit pro nekomerční účely. České učebnice zmíněné v předchozím odstavci tyto materiály uvádějí jako zdroj inspirace, nejedná se však o překlady a adaptace konkrétních aktivit z CS Unplugged jako spíš o širší pojetí a koncept “odpojené” informatiky.

Děti se už opravdu nepotřebují učit klikat myší nebo vyjmenovat součásti počítače,” říká litomyšlský učitel Jan Coufal. „Snažím se teď zařazovat do hodin maximum aktivit, které se dají dělat offline. Spíš podporuji smysluplnou práci s počítači a internetem v jiných hodinách. Nebudu dětem dávat dlouhý výklad o rotacích Země, když si mohou informace dohledat samy, a naučí se tak i práci se zdroji.” [1]

V anglických originálních materiálech je důležitým prvkem na konci každé lekce propojování smyslu “unplugged” aktivit s dovednostmi spojenými s informatickým myšlemím. To se děje explicitním zmíněním znalostí, které měly být těmito aktivitami rozvíjeny. Toto provázání se děje jednak na koncepční úrovni, kdy se žáci učí popisovat problémy, detaily a malé kroky potřebné k jejich vyřešení, ale také tím, že aktivity se často zaměřují na konkrétní témata z počítačové vědy, jako např. kódování, číselné soustavy, grafové algoritmy, základy kryptografie apod.

Příklad jedné z prvních aktivit, která byla vyvinuta a dodnes se nachází v materiálech CS Unplugged, je tzv. kouzlo otáčení karet . Jako motivační úvod hodiny může posloužit třeba povídání o tom, že data se při přenosu mohou porušit — např. když do čtečky vložíme poškrábané CD. Jak teda počítače poznají, že došlo k chybě a jak ji případně opravit?

Ke svému “kouzlu” si přichystáme tabuli a sadu kartiček (z jedné strany bílé a z druhé černé). Začne se tak, že dobrovolník poskládá 25 kartiček do čtverce 5x5 v libovolném otočení barev. Učitel poté doplní jeden sloupec a jednu řadu (viz animace):

Obrázek 1 — doplnění řádku a sloupce

Poté učitel zavře oči a nechá dobrovolníka náhodně otočit jednu kartičku. Trik je dokončen tak, že učitel dokáže správně určit, která z nich to byla. Tušíte, jak na to mohl přijít?

Obrázek 2 — uhodnutí správného čtverečku

Kouzlo nespočívá v tom, že by si celou sadu zapamatoval, nýbrž v tom, jakým způsobem rozšířil původní náhodné rozložení kartiček. Jde to totiž udělat např. tak, aby posléze v každém z řádků a sloupců byl sudý počet černých čtverečků. Díky tomu lze poznat, která kartička byla přetočena — stačí určit, ve kterém řádku a sloupci je lichý počet černých čtverečků!

Po “aha” momentu při prozrazení principu kouzla může hodina pokračovat tím, že si žáci vyzkouší zahrát si roli učitele sami, resp. diskutovat nad možnými souvislostmi a důsledky. Co by se stalo, pokud by se otočilo více než jedna kartička? Dokázali bychom i poté opravit chybu?

Materiály CS Unplugged ke každé aktivitě nabízejí širokou škálu možných témat k diskuzi a reflexi toho, co se děti právě naučily z pohledu jednotlivých dovedností. Díky tomu si můžeme formulovat vzdělávací cíle hodiny:

• Źáci dokáží spolehlivě najít převrácenou kartičku. Jsou schopni popsat jednotlivé kroky algoritmu. (algoritmizace)
• Žáci vysvětlí, že karty reprezentují jednotlivé bity dat. Vidí spojitost mezi obrazcem z karet a daty tvořenými bajty. (abstrakce)
• Žáci jsou schopni rozložit úkol na malé části. (dekompozice)
• Žáci dovedou zopakovat postup pro jiné rozměry mřížky. (zobecnění)
• Žáci ověří (ne)fungování algoritmu nalezení chyby při situaci, kdy se přetočí dvě kartičky. (evaluace)
• Žáci vysvětlí, proč se přetočením kartičky vždycky změní počet černých karet na liché číslo. (logika)

Je dobré si povšimnout, že aktivity jsou často vedeny tak, aby se mohli žáci zapojovat, řešit a diskutovat problémy společně. V průběhu hodin se tak nabízí i vhodná příležitost demonstrovat sociální aspekty informatiky — jak podstatná a přínosná je týmová spolupráce pro oblasti jako např. návrh uživatelských systémů, zpracování a interpretace dat apod. Zajímavým aspektem a jedním z hlavních principů CS Unplugged je časté zapojení pohybových aktivit, které napomáhají k většímu zapojení studentů a otevřeným diskuzím. [14]

Volně dostupných aktivit pro výuku informatiky bez použití počítačů existuje velké množství. Webové stránky CS Unplugged kromě vlastních cvičení poskytují také obsáhlý seznam referencí na aktivity pocházejících z jiných projektů, což naznačuje už jenom pohled na obsáhlost katalogu např. pro podoblast kryptografických protokolů. Na webu je také odkaz ke stažení (starší) verze přeložené do češtiny. K CS Unplugged byl v českém prostředí uspořádán webinář Informatika bez počítače, který má za cíl představit různé aktivity použitelné v hodinách a kroužcích informatiky.

Doposud jsme se v textu zaobírali pouze jedním kontextem využití aktivit bez počítače, a to zapojením do výuky informatiky na základních školách. Autoři projektu CS Unplugged zmiňují i další způsoby adaptace materiálů. Jako obzvlášť výhodným se tento typ činností ukazuje při jednorázových akcích pro velké skupiny účastníků, např. na různých školních besídkách, krátkých představeních, apod., kdy hlavním cílem je zejména zanechat dojem, že v informatice jde o více než jenom programování, které může pro některé představovat bariéru v dalším bádání. Podobnou překážkou může být také představa toho, že v informatice jde jenom o používání Wordu, Excelu a brouzdání na webu, případně to, že žáci jsou zvyklí, že počítač je pouze na hraní. [10]

Další možností využití je hravou formou uchopit “odpojené” aktivity jako základ pro propojování informatiky s dalšími disciplínami — od zřejmých asociací s matematikou přes méně nápadné, jako tělocvik, kreativní psaní, umění, fyzika, biologie, nebo hudba. [9]

Velký přínos je vnímán při začleňování podobných aktivit do učitelských školení, kdy učitelé oceňují vhled do témat, se kterými jinak zatím neměli co dočinění. Díky zábavným aktivitám a příběhům se může nenásilným a zajímavým způsobem evokovat přirozené logické myšlení, na kterém lze komplexně ilustrovat informatické koncepty. Se změnou kurikulárních dokumentů souvisí velká potřeba školení stávajících učitelů — obzvlášť pro učitele na základních školách platí, že jejich vlastní motivace k tématu ovlivňuje přístup žáků k předmětu. Jestliže ze studií vyplývá, že se aktivity bez počítačů hodí zejména k představení informatických témat netechnicky zaměřeným lidem, pak je jejich vhodnost pro tento případ zřetelná. [9]

V reflexi toho, jak se tyto aktivity používají v celosvětovém měřítku, autoři uvádějí, že přes široké rozšíření unplugged aktivit zatím neexistuje příliš mnoho systémových evaluačních studií, které by vyhodnocovaly jejich efektivitu. [9] Co se týče možných nedostatků, tak z různých studií vyvstaly následující pozorování:

• chybějící propojení makro konceptů s mikro aspekty specifickými pro programování (např. lokální a globální proměnné, podmínky apod.) [11]
• opomíjení kreativního procesu — rámování výukových programů pouze jako proces řešení problémů, na úkor vytváření artefaktů [12]
• nesprávné pojetí unplugged aktivit jako kompletní náhradu za výuku na počítačích
• nevhodnost použití pro studenty, kteří již považovali diskutované koncepty za zvládnuté [13]
• specifické přínosy jednotlivých aktivit ve výuce konkrétních informatických konceptů je potřeba dále zkoumat — zatím existuje relativně málo studií, které by systematicky vyhodnocovaly efekty “odpojeného” stylu výuky

V eseji jsem se zaměřil na charakteristiku výuky tzv. informatiky bez počítačů, která má svůj původ v projektu CS Unplugged. V České republice se hovoří o tzv. “nové informatice”, která přináší změny do vyučování na základních a středních školách a jejíž podstatnou součástí jsou právě tyto “odpojené” aktivity. Zkušenosti ze světa ukazují, že tyto činnosti jsou vhodné nejen pro výuku žáků, ale také pro vzdělávání učitelů, kteří pak následně můžou své žáky (nepřímo) motivovat a dávat jim příklad. To, co by měla výuka rozvíjet, se souhrnně označuje jako informatické myšlení. Tento pojem v sobě zahrnuje několik dalších podoblastí, na jejichž rozvoj odpojené aktivity cílí. Přes některé nedostatky se pomocí nich daří prolomit potenciální bariéry k dosažení kompetencí potřebných pro současnou dobu.

Zdroje:

1. KOCUROVÁ, Lucie. Nová informatika se učí bez počítače, s papírem, symboly a v pohybu. Reportáž z výuky oceněného učitele [online]. 12. 10. 2021 [cit. 2022–05–24]. Dostupné z: https://eduzin.cz/wp/2021/10/12/ucit-informatiku-bez-pocitace-s-papirem-se-symboly-a-v-pohybu/
2. Vše důležité ke změnám v gymnaziálních RVP v digitální oblasti. Národní pedagogický institut České republiky [online]. [cit. 2022–05–24]. Dostupné z: https://revize-ict-g.rvp.cz/co-se-meni-v-rvp-g
3. BUČKOVÁ, Hana a Jiří DOSTÁL. Kurikulum informatiky a digitálních technologií z pohledu učitelů 2. stupně základních škol. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, Pedagogická fakulta, 2020. ISBN 978–80–244–5903–5.
4. Computational Thinking and CS Unplugged. CS Unplugged [online]. [cit. 2022–05–24]. Dostupné z: https://www.csunplugged.org/en/computational-thinking/
5. Stručné vymezení digitální gramotnosti a informatického myšlení. Národní ústav pro vzdělávání [online]. [cit. 2022–05–24]. Dostupné z: http://archiv-nuv.npi.cz/t/strucne-vymezeni-digitalni-gramotnosti-a-informatickeho.html
6. WING, Jeanette. Research notebook: Computational thinking — What and why. The link magazine, 2011 (6): 20–23.
7. CARRETERO GOMEZ, Stephanie, Riina VUORIKARI a Yves PUNIE. DigComp 2.1: The Digital Competence Framework for Citizens with eight proficiency levels and examples of use. Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2017. ISBN 978–92–79–68006–9 (pdf),978–92–79–68005–2 (tisk),978–92–79–74173–9 (ePub), doi:10.2760/38842 (online),10.2760/836968 (tisk),10.2760/00963 (ePub), JRC106281. Dostupné také z: https://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/handle/JRC106281
8. BELL, Tim, Ian H. WITTEN, Mike FELLOWS. Computer Science Unplugged: Off-line activities and games for all ages. Computer Science Unplugged, 1998.
9. BELL, Tim a Jan VAHRENHOLD. CS Unplugged — How Is It Used, and Does It Work?. LNTCS [online]. 2018, (11011) [cit. 2022–05–24]. Dostupné z: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-98355-4_29
10. BELL, Tim, Jason ALEXANDER, Isaac FREEMAN a Mick GRIMLEY. CS Unplugged — How Is It Used, and Does It Work?. New Zealand Journal of Applied Computing and Information Technology [online]. (13), 20–29. Dostupné z: https://purehost.bath.ac.uk/ws/files/214932627/NZJACIT_Unplugged.pdf
11. ALAMER, Reem A., et al. Programming unplugged: Bridging CS unplugged activities gap for learning key programming concepts. Fifth International Conference on e-Learning (econf). 2015, 97–103.
12. BERS, Marina Umaschi. Coding as a playground: Programming and computational thinking in the early childhood classroom. Routledge, 2017.
13. FEASTER, Yvon, et al. Teaching CS unplugged in the high school (with limited success). In: Proceedings of the 16th annual joint conference on Innovation and technology in computer science education. 2011, 248–252.
14. SIVILOTTI, Paolo AG, Scott M. PIKE. A collection of kinesthetic learning activities for a course on distributed computing: ACM SIGACT news distributed computing column 26. ACM SIGACT News, 2007, 38.2, 56–74.

Zroje obrázků:

Ilustrační obrázek — https://sphero.com/blogs/news/unplugged-coding

Obrázek č. 1 — Webové stránky projektu CS Unplugged https://www.csunplugged.org

Obrázek č. 2 — https://pyladies.com/blog/How-to-hook-people-on-CS-through-Magic/computer-science-outreach-magic/