Γ’ Γυμνασίου – Ενότητα 7

• αναλύει τον βαθμό στον οποίο ένα υπολογιστικό μοντέλο αναπαριστά με ακρίβεια τον πραγματικό κόσμο
• παρέχει παραδείγματα διεπιστημονικών εφαρμογών
• αναγνωρίζει τις εφαρμογές της υπολογιστικής επιστήμης στις φυσικές επιστήμες
• εξοικειωθεί με κάποιο περιβάλλον προγραμματισμού για επίλυση επιστημονικών προγραμμάτων και να αναλύει έτοιμα παραδείγματα υπολογιστικής μοντελοποίησης.

Το παρακάτω απόσπασμα είναι από τον οδηγό εκπαιδευτικού του νέου προγράμματος σπουδών για το μάθημα της Πληροφορικής Γυμνασίου:

Το κίνημα της υπολογιστικής επιστήμης, μετακινεί τον υπολογιστή από την θέση του αντικειμένου με το οποίο ασχολείται η Πληροφορική και τον καθιστά όργανο μέσω του οποίου μελετώνται οι πληροφοριακές διεργασίες στη φύση και στα τεχνητά συστήματα.

Όλα αυτά οδηγούν στην σύγχρονη αντίληψη ότι η Πληροφορική αφορά την μελέτη των πληροφοριακών διεργασιών, φυσικών και τεχνητών. Ο Η/Υ είναι ένα εργαλείο για τις μελέτες αυτές και όχι το αντικείμενο μελέτης της Πληροφορικής. Όπως το έχει διατυπώσει ο Dijkstra, “Computing is no more about computers than astronomy is about telescopes.” – η Πληροφορική ασχολείται με τους Η/Υ όσο και η Αστρονομία με τα τηλεσκόπια ή ο Η/Υ είναι για την Πληροφορική ότι καιτο τηλεσκόπιο για την Αστρονομία.

 

Ο υπολογισμός πλέον αφορά κάθε μετασχηματισμό αναπαράστασης πληροφορίας και όχι μόνο τους μαθηματικούς συμβολικούς υπολογισμούς. Ο υπολογισμός μπορεί να εντοπίζεται και στη φύση καθιστώντας την Πληροφορική́ σαφώς μια Θετική́ Επιστήμη επειδή μελετά και τον φυσικό κόσμο. Παράλληλα, η Πληροφορική́ χρησιμοποιεί το πειραματικό υπόδειγμα των θετικών επιστημών για την πρόοδο του πεδίου, επειδή́ πολλά συστήματα είναι αρκετά πολύπλοκα, ώστε οι πειραματικές μέθοδοι να είναι ο μόνος τρόπος να γίνουν ανακαλύψεις και να καταλάβουμε τα όρια.

Στην ενότητα αυτή οι μαθητές και οι μαθήτριες θα έρθουν σε επαφή με τις εφαρμογές της Πληροφορικής στις Φυσικές Επιστήμες και πιο συγκεκριμένα με την υπολογιστική μοντελοποίηση. Στο πρώτο παράδειγμα, θα εκτελέσουν έναν απλό αλγόριθμο στο περιβάλλον Thonny της γλώσσας Python ή στο περιβάλλον Scratch. Επειδή οι μαθητές και οι μαθήτριες δεν γνωρίζουν τη γλώσσα Python, ο/η εκπαιδευτικός μπορεί να κάνει επίδειξη του προγράμματος στον διαδραστικό πίνακα ή στον προβολέα και να δείξει πόσο γρήγορα μπορεί να λύσει οποιαδήποτε εξίσωση με ακέραιες λύσεις με την αλγοριθμική μέθοδο ωμής βίας (brute force). Οι μαθητές και οι μαθήτριες μπορούν να επιλέξουν, αν θα εκτελέσουν τον αλγόριθμο στο περιβάλλον Scratch ή σε ένα περιβάλλον προγραμματισμού για τη γλώσσα Python. Προτείνεται το περιβάλλον Thonny (https://thonny.org/), που έχει και οπτικοποίηση των μεταβλητών στη μνήμη κατά την εκτέλεση του προγράμματος, όπως φαίνεται παρακάτω:

Είναι πολύ σημαντικό να καταλάβουν οι μαθητές και οι μαθήτριες ότι πολύπλοκες και δύσκολες εξισώσεις, οι οποίες δεν μπορούν να λυθούν αναλυτικά, λύνονται αλγοριθμικά πολύ εύκολα. Από τις δραστηριότητες, η δραστηριότητα 1 μπορεί να δοθεί, όμως η δραστηριότητα 2 είναι εξαιρετικά απαιτητική και επαφίεται στην κρίση του/της εκπαιδευτικού αν θα συζητηθεί στην τάξη. Απαντά όμως, στο ερώτημα που έχουν οι μαθητές και οι μαθήτριες, τι θα γίνει αν η λύση της εξίσωσης δεν είναι ακέραια. Όσον αφορά την άσκηση δ) οι μαθητές και οι μαθήτριες έχουν έρθει σε επαφή με άρρητους αριθμούς στα Μαθηματικά της Β’ τάξης του Γυμνασίου.

Στο δεύτερο παράδειγμα υπολογιστικής μοντελοποίησης, που αφορά την εκθετική μετάδοση ιών, αρχικά προτείνεται, οι μαθητές και οι μαθήτριες να προσπαθήσουν να συμπληρώσουν τον πίνακα με τα κρούσματα και να καθοδηγηθούν στη γενική μορφή κάθε στήλης με χρήση δυνάμεων. Μπορούν να συντάξουν το απλό πρόγραμμα για τον υπολογισμό των κρουσμάτων, στη γλώσσα προγραμματισμού της επιλογής τους και με διαδοχικές δοκιμές, προσεγγιστικά, να απαντήσουν σε κάποια από τα ερωτήματα. Για παράδειγμα, στο ερώτημα, σε πόσες μέρες θα μολυνθεί όλη η χώρα, μπορεί να προσεγγιστεί ο επιθυμητός αριθμός με διαδοχικές δοκιμές στο πλήθος των ημερών.

Η στρατηγική με την οποία προσεγγίζεται η σύνταξη και η εκτέλεση προγραμμάτων σε μια γλώσσα προγραμματισμού, με την οποία οι μαθητές και οι μαθήτριες δεν έχουν εξοικειωθεί, βασίζεται στη διερευνητική μέθοδο και στο μαστόρεμα (tinkering), που αναφέρονται και στο νέο πρόγραμμα σπουδών Πληροφορικής. Στην περίπτωση αυτή, δεν ζητάμε από τους μαθητές καιτις μαθήτριες να αναπτύξουν ένα ολοκληρωμένο πρόγραμμα εξαρχής, αλλά τους δίνουμε έτοιμα μικρά προγράμματα, με τα οποία πειραματίζονται και ανακαλύπτουν σιγά σιγά τη λειτουργία κάποιων εντολών.

Με αφορμή το ερώτημα 6, μπορεί να γίνει μια συζήτηση, για τη διαφορά που έχει ένα μοντέλο στον υπολογιστή, με το φαινόμενο που μοντελοποιεί στον πραγματικό κόσμο. Για παράδειγμα, δεν έχουμε λάβει υπόψη ότι στα νησιά η μετάδοση του ιού είναι πιο δύσκολη ή ότι μπορεί αρκετοί άνθρωποι να μην κυκλοφορούν πολύ ή να μην φορούν μάσκες. Άρα, το υπολογιστικό μοντέλο μας, πρέπει να διορθωθεί, ώστε να πλησιάζει όσο είναι δυνατόν το μοντέλο του φυσικού κόσμου. Και αυτό είναι το μεγαλείο και η αξία της υπολογιστικής μοντελοποίησης.

Επειδή και οι δυο δραστηριότητες είναι αρκετά απαιτητικές για την ηλικία των μαθητών και των μαθητριών, επαφίεται στην διακριτική ευχέρεια του/της εκπαιδευτικού σε ποια από τις δύο θα εμβαθύνει. Προτείνεται οι μαθητές και οι μαθήτριες να υλοποιήσουν μια από τις δυο μοντελοποιήσεις και η άλλη να παρουσιαστεί και να συζητηθεί στην τάξη.