Дипломная (вкр): Элементы суперкомпьютерных технологий в начальной школе

§ 17. Исполнитель алгоритма [26].

Рассмотрим УМК А.В. Горячева. Теме «Алгоритм» уделено большое значение, начиная со второго класса школьники знакомятся с тем, что такое «алгоритм», «порядок шагов», «последовательность», узнают значение термина «исполнитель», изучают основные принципы ветвления и цикличности.

В итоге, во 2 классе школьники осваивают основные правила записи порядка шагов.

В третьем классе теме «Алгоритмы» уделяется 8 часов, в рамках которых осваиваются: значение термина «алгоритм», «линейный алгоритм», «алгоритм с ветвлением», «циклический алгоритм»; основные свойства алгоритма; правила записи алгоритма естественным языком и языком блок- схем; основные правила работы в среде Kodu. При этом формируются следующие умения:

решать (выполнять) линейные вычислительные и событийные алгоритмы;

составлять линейные алгоритмы и записывать их естественным языком или языком блок-схем;

создавать и открывать шаблоны и ранее сохранённые проекты в среде Kodu; создавать и первично настраивать собственные проекты; управлять простыми исполнителями [1].

В четвертом классе, как и в предыдущих классах, теме «Алгоритмы» уделено 8 часов. Тема появляется после раздела «Мультимедиа и инфографика», перед темой «Программирование и управление» и служит связующим звеном между ними [1].

Тема «Алгоритмы» дает возможность ученикам понять необходимость разработки письменных алгоритмов как этапа программирования, а также понимание структуры и правил работы в среде Scratch.

Таким образом, нами было рассмотрено представление темы

«Алгоритмы» в трех УМК разных авторов. В УМК Н.В Матвеевой теме

«Алгоритмы» не уделено внимания, этот комплекс больше направлен на рассмотрение разных видов информации, объектов и систем.

В УМК М.А. Плаксина тема «Алгоритмы» получила должное развитие; при её раскрытии уделено внимание способам представления алгоритмов, алгоритмам с ветвлениями, циклическим алгоритмам.

Наиболее полно тему «Алгоритмы» раскрывает УМК А.В. Горячева; комплекс прочно закрепляет значение термина, основные свойства, правила записи, использование блок-схем. Тема используется на протяжении всей младшей школы, начиная со второго класса, тогда как начало изучения информатики по УМК М.А. Плаксина начинается с третьего класса. Но в целом представление темы схоже, только в УМК А.В. Горячева в третьем классе этой теме уделяется 16 часов и используются среды Kodu и Scratch.

Нет ни одного УМК, где бы школьники при изучении темы «Алгоритмы» знакомились бы с параллельными алгоритмами.

1.4   Определение сущности понятия «суперкомпьютерные технологии» и возможности его рассмотрения в начальной школе

Мир, окружающий современного человека, стремительно меняется.

Компьютеры и информационные технологии проникают в нашу жизнь, предлагая все новые и новые возможности для общения, работы, учебы. С началом разработки и появления первых компьютеров основное внимание разработчиков уделялось производительности вычислительных систем. С увеличением роста числа пользователей и расширением сферы приложений к вычислительным системам предъявлялись новые требования, в том числе - к мощности вычислительной техники. Современные компьютеры соединяются в мощные кластеры, процессоры становятся многоядерными, вычислительные системы разных организаций могут объединяться в распределенные вычислительные среды для совместного решения особо сложных задач. Результатом такого подхода стало появление суперкомпьютеров, вычислительных машин значительно превосходящих по своим техническим параметрам большинство существующих компьютеров [2].

Суперкомпьютер - это мощная ЭВМ с производительностью свыше 10 MFLOPS (миллионов операций с плавающей запятой в секунду). То есть супер-ЭВМ - это вычислительная система, которая позволяет производить сложные расчеты за более короткие промежутки времени. Каждая компьютерная система состоит из 3-х основных частей: центрального процессора, то есть счетного устройства, блока памяти и вторичной системы хранения информации (к примеру, в виде дисков или лент). Но главную роль играют не только технические параметры каждого из этих элементов, но и пропускная способность каналов, связывающих их друг с другом и с терминалами потребителей [6].

Основные функции, выполняемые суперкомпьютером, заключаются в решении сложных математических задач, участии в исследованиях национального и международного масштаба. Прежде всего, это задачи получения точных прогнозов долгосрочных климатических изменений и геологических катаклизмов (землетрясений, извержений вулканов, столкновений тектонических плит), прогнозов цунами и разрушительных ураганов, экологических прогнозов и т.п. Это задачи расшифровки генома человека, определение роли каждого гена в организме, влияние генов на здоровье и продолжительность жизни человека. Не обойтись без компьютеров в сейсморазведке, нефте и газодобывающей промышленности, автомобилестроении, проектировании электронных устройств, фармакологии, синтезе новых материалов и многих других отраслях. Новые задачи подобного рода появляются постоянно; постоянно возрастают требования к точности и к скорости решения прежних задач. Решение этих и подобных им задач связано с использованием параллельных вычислительных систем, в которых предусмотрена одновременная (параллельная) реализация нескольких вычислительных процессов.

Принцип параллельной обработки данных занимает главное место и воплощает идею одновременного и параллельного выполнения нескольких действий. Если некое устройство выполняет одну операцию за единицу времени, то тысячу операций оно выполнит за тысячу единиц. Если предположить, что есть пять таких же независимых устройств, способных работать одновременно, то ту же тысячу операций система из пяти устройств может выполнить уже не за тысячу, а за двести единиц времени. Аналогично система из N устройств ту же работу выполнит за 1000/N единиц времени. Конвейерная обработка состоит в выделении отдельных этапов выполнения общей операции и каждый этап, выполнив свою работу, передаёт результат следующему этапу, одновременно принимая новую порцию входных данных [2].

Рассмотрение темы суперкомпьютеров помогает определить важность преподавания компьютерных технологий в школе [18]. Понятия, связанные с параллельными процессами, алгоритмами, суперкомпьютерами и параллельными вычислительными системами - являются актуальными в настоящее время, так как эти концепции во многом определяют одно из стратегических направлений в развитии информатики и информационных технологий [17].

Формируя навыки и представления в области параллельных вычислений и параллельного программирования, каждый педагог по информатике задает себе такой вопрос: «Можно ли начинать такую работу в рамках обычного школьного курса информатики?» и «Когда можно начинать эту работу?».

Традиционно считается, что работа по приобретению навыков в области параллельных вычислений должна применять только в старшей школе. Но как показывает опыт педагогов, предварительное ознакомление с азами параллельных вычислений надо начинать с младших школьников, так как именно тогда начинает формироваться мышление ребенка и именно в этот момент можно повлиять на него.

Параллельное программирование требует особого мышления, которое опирается на системное, логическое, алгоритмическое начало. Кроме того, специалисты, работающие в этой области, должны также иметь - параллельное мышление, которое заключается в способности видеть в окружающем мире, а также последовательные и параллельные алгоритмы. Такая способность должна быть необходимо развивать уже на ранних этапах обучения - в младшей школе

Согласно ФГОС одним из важных результатов изучения информатики в школе является формирование алгоритмической культуры и алгоритмического мышления, данные качества, сформированные в школе, помогут ребенку в будущем. Он сможет самостоятельно планировать пути достижения целей и научится ставить альтернативные цели, а также выбирать наиболее эффективные способы решения каких-либо проблем [22].

Способность соотносить свои действия с запланированными результатами, а также умение контролировать их деятельность в процессе достижения результата определяется возможностями параллельного мышления. Умение определять методы действий в соответствии с предлагаемыми условиями и требованиями, корректировать свои действия в соответствии с изменяющейся ситуацией, способность оценивать правильность выполнения образовательной задачи, свои возможности ее решения, владение основами самоконтроля, самооценки, принятия решений и реализации сознательного выбора в образовательной и познавательной деятельности - это те аспекты, которые необходимо развивать в младшей школе.

Обучение алгоритмизации проходит красной нитью через содержание курса информатики в российской школе. Алгоритмизация начинается для учащихся начальных и средних школ, обучение начинается с изучения различных последовательных алгоритмов, также при обучении активно используются многочисленные компьютерные исполнители последовательных алгоритмов.

Параллельный алгоритм - это такой алгоритм, который может быть реализован в частях на множестве различных исполнителей, с последующим сочетанием полученных результатов, что полностью соответствует концепции параллельного программирования.

Само понятие параллельного программирования может вводится на уроках на основе обыденных представлений учащихся, например, несколько человек может выполнять общую работу: строить дом, собирать какой-либо аппарат. Но иногда в процессе выполнения этих действий может быть назначен руководитель, который будет координировать их действия. Или в других ситуациях руководитель может быть и не назначен, исполнители будут согласовано действовать, без руководителя, имея определённую, единую систему команд.

Именно в таких простых жизненных примерах проявляется возможность осознать важность параллельного программирования, так можно акцентировать внимание ребенка, на том, что результат зависит от взаимного действия многих детей, от согласованных действий разных исполнителей, и эти действия должны строиться с учетом различных ресурсов.

Рис.1.1 Задача на параллельные алгоритмы

В заключение заметим, что тематика, связанная с пропедевтикой параллельных алгоритмов, интересует не только отечественных, но и зарубежных специалистов. Например, в 2015 году в задания Международного конкурса по информатике «Бобер» была включена соответствующая задача (рис. 1.1).

Вышеизложенное определяет поле возможных задач для пропедевтики основных понятий в области параллельных вычислений и суперкомпьютерных технологий. По мнению Л.Л. Босовой разработка целостной методики пропедевтической подготовки учащихся основной школы в области параллельного программирования - задача нескольких ближайших лет [5].

1.5   Опыт учителей-новаторов по знакомству школьников с параллельными алгоритмами и многопроцессорными вычислительными устройствами

Передовой педагогический опыт содержит в себе элементы творческого поиска и новизны, а также новаторство, поэтому необходимо анализировать данный опыт и собирать его, так он очень ценен тем, что прокладывает новые пути в педагогической науке.

Анализ опыта заключается в мысленном расчленении целостного педагогического процесса на элементы его составляющие. В процессе анализа оцениваются эти элементы с точки зрения их эффективности применения на уроке [27].

Первым важным признаком передового педагогического опыта является соответствие новаторской программы современному общественному развитию. Передовые педагоги всегда остро реагируют на требования современного, в нашем случае информационного общества, к обучению и воспитанию школьников, и поэтому быстро находят пути совершенствования существующего педагогического процесса.

Второй признак педагогического опыта это - высокая результативность внедряемой программы. Передовой педагогический опыт всегда основан на высоких результатах эффективности, он помогает давать школьнику высокое качество знаний, и обеспечивает значительное повышение уровня воспитанности и общего развития детей, причём результаты педагогов- новаторов часто бывает, отличаются от результатов массового опыта деятельности педагогов и коллективов [21].

Еще один признак передового педагогического опыта - это оптимальность. Достижение устойчивых положительных результатов в обучения детей не должно подразумевать перегрузок. То есть педагогический опыт подразумевает собой грамотное сочетание методик без перегрузки и без слишком больших объемов трудоемких занятий, но при таком сочетании обеспечивается высокий уровень знаний, поэтому внедрение передового педагогического опыта не должно сопровождаться напряжением здоровья детей.

Четвертый признак передового педагогического опыта - это стабильность результатов учебно-воспитательного процесса. Именно стабильность при меняющихся условиях обучения и воспитания, а также достижение положительных результатов на достаточном большом отрезке времени является важным критерием передового педагогического опыта.

Перечислим элементы, подлежащие анализу: основные педагогические задачи; содержание учебного материала; способы, обеспечивающие развитие мышления ученика; деятельность учителя; деятельность учащихся; материальное обеспечение деятельности учителя, которое включает в себя различные пособия; внешние условия обучения, например, рабочее место; результаты обучения, под ними подразумевается качество знаний, уровень обученности и многое другое.

Босова Л.Л. представляет классы задач, связанных с параллельными алгоритмами, которые могут быть использованы в работе с младшими школьниками [5].

Самый простой вариант - это класс задач на совместное выполнение работы однотипными исполнителями.

Пример 1. Если включить кран с холодной водой, то ванна наполнится за полчаса, а если с горячей - то за час. Сколько времени потребуется, чтобы заполнить ванну, когда включены оба крана?

Большинство учащихся отвечает - 45 минут, что является неправильным ответом, т.к. только при одном включенном кране ванна набирается за полчаса. Использование подобного примера, можно рассматривать как более удачный вариант для демонстрации процессов параллелизма и по сравнению с классическим примером о «землекопах», т.к. он требует большей интеллектуальной активности учащегося.

. Трое мужчин могут покрасить три забора за три часа. Сколько времени потребуется, чтобы один человек покрасил один забор?

Наиболее частый вариант ответа - один час, что также неверно (так как каждый человек должен красить свой забор в течение трех часов).

Пример 3. Три пятиклассницы Анна, Ева и Лиза одинаково быстро и хорошо умеют печатать на компьютере. Если любые две из этих девочек будут работать одновременно, то смогут напечатать материалы для школьной газеты за час. Сколько времени они потратят на эту работу, если будут выполнять её все трое вместе?

С точки зрения параллельного программирования здесь важно обратить внимание на узкие места, связанные с возможностью распараллеливания: например, все хорошо, если девочкам предстоит перепечатать 6 одинаковых по количеству знаков заметок для стенгазеты. А если заметок всего 2? Как делить работу на части? Сколько времени уйдёт на «объединение полученных результатов и получением корректного результата»?

Задач такого рода достаточно много в курсе математики. Подобного рода задачи считаются наиболее ценными среди текстовых задач - они тренируют внимание, заставляют остановиться и посмотреть на задачу с совершенно неожиданной стороны. Также уместно при использовании такого класса задач на уроке отмечать и их недостатки. Так, в задаче о трех мужчинах и трех заборах, которые они красят в течение трех часов, подразумевается, что, во-первых, все троя красят с одинаковой скоростью и, во-вторых, красят непрерывно, не снижая и не повышая темпа работы. Оба предположения нереальны. Предполагается, что мы игнорируем все это, иначе задача оказалась бы слишком сложной, и у нас не было бы достаточно данных для ее решения. Необходимо было бы точно знать, сколько раз каждый маляр замедлял работу и насколько он устал на третьем часу, как часто останавливался, чтобы перекусить и т.п. По сути, текстовые задачи заставляют делать упрощающие предположения, что является ценным навыком математического моделирования.