כלים ושיטות בהוראת מדעי המחשב:

למידה מבוססת בעיות Problem Based Learning

 

צוות הפיתוח: שרה פולק וד"ר צביקה פירסט

מט"ח – המרכז לטכנולוגיה חינוכית

 

2.1 מבוא – מהי למידה מבוססת בעיות

Finkle and Torp (1995) הגדירו למידה מבוססת בעיות (או בקיצור PBL) כשיטת לימוד המציבה את הלומד בתפקיד אקטיבי של פותר בעיה מחיי היום-יום, וכך מסייעת ללומד לפתח כישורים של פותר בעיות עצמאי יחד עם רכישת ידע בתחום דעת.  גישה זו  פותחה לפני כ- 30 שנה ע"י Barrows בבית ספר לרפואה (באוניברסיטת McMaster בקנדה) בעקבות קשיים של סטודנטים לרפואה לרכוש את הידע והניסיון הדרוש לאבחון מקרים קליניים. בניגוד לסביבת למידה מסורתית, בה  ארגון הקורס הוא סביב נושאים ותכנים בתחום הדעת והמורה במרכז תהליך למידה ומשמש כמקור ידע, עיצב Barrows, קורס בו הסטודנטים ניצבים במרכז תהליך הלמידה וארגון הידע הוא סביב מקרים קליניים אמיתיים איתם התמודדו הסטודנטים לרפואה. עקרונות גישה זו נגזרים מהתיאוריה הקונסטרוקטיבסטית השמה דגש על בניית ידע אקטיבית וביקורתית על בסיס ידע קודם. בגישה זו התלמיד הוא במרכז ותהליך למידה מאורגן סביב בעיות אמיתיות, כך שתוך כדי התמודדות איתן, התלמיד מגדיר, אוסף ורוכש את הידע בתחומי הדעת (אליהם קשורה הבעיה), ובנוסף הוא רוכש את המיומנויות והניסיון בפתרון בעיות. במשך הזמן, גישה זו אומצה על ידי בתי ספר ואוניברסיטאות בתחומים אחרים.

למידה מבוססת בעיות היא גישה פדגוגית המאתגרת תלמידים "ללמוד איך ללמוד", תוך כדי שהם מחפשים פתרון לבעיות שהוצבו בפניהם. התמודדות עם בעיות מעודדת חשיבה ביקורתית ואנליטית, ומספקת הזדמנויות לביצוע פעולות כמו איתור ושימוש במקורות ידע, ניתוח ותכנון פתרונות והערכתם. בנוסף, גישה זו מאפשרת התנסות ורכישת מיומניויות של עבודה שיתופית בקבוצה. לסיכום, למידה-מבוססת-בעיות מסייעת לתלמיד להשיג את היעדים הבאים:

* יכולת למידה של נושאים חדשים

* רכישת מיומנויות פתרון בעיות

* חשיבה יצירתית ובקורתית

* פיתוח גישה הוליסטית לבעיות ומצבים

* יכולת עבודה עצמית

* יכולת לעבוד בקבוצות תוך כדי שיתוף פעולה ושיפור יכולת תקשורת

 

הטבלה הבאה מסכמת את ההבדלים העיקריים בין  סביבת למידה בגישה המסורתית לבין סביבת למידה בגישת למידה מבוססת בעיות.

 

טבלה מס. 1 הבדל בין סביבת למידה בגישה מסורתית ולמידה בגישת PBL

גישה מסורתית

PBL  למידה מבוססת בעיות

המורה במרכז תהליך הלמידה

התלמיד במרכז תהליך הלמידה

דגש על רכישת הידע 

דגש על שימוש בידע לפתרון בעיות 

ידע מאורגן בחלקים שלמידת כולם מהווה את השלם

הידע מוצג בשלמותו בהתחלה ואחר כך מפרקים אותו לחלקים

תפקיד מורה –מעביר ידע

תפקיד מורה – מסייע מנחה

ארגון  למידה  מובנה וקשיח

ארגון למידה גמיש לשינויים

 

 

2.2 מודל ההוראה

מודל של למידה-מבוססת-בעיות מתייחס לאופן ארגון הקורס, תכנון תהליך ההוראה, בחירת בעיות שסביבן תאורגן הלמידה, הכנת חומרי למידה והוראה, הגדרת תפקיד המורה והתלמיד, יישום והערכה של הישגי התלמידים ושל הקורס עצמו.

לקורסים המופתחים בגישה זו יש מספר מאפיינים בולטים:

* הבעיות שאיתן מתמודדים התלמידים הן בעיות מחיי היום-יום שמאפשרות התמודדות עם תהליך פתרון אותנטי ככל האפשר

* בין-תחומיות: הנושאים והמושגים שבהם נוגעים בפתרון הבעיה, הם בדרך כלל קשורים למספר תחומי דעת

* עבודה בקבוצות

* תפקיד המורה הוא להנחות את הקבוצות ולקדם את עבודתן בנוסף להיותו מומחה לתחום דעת

* פתרון בעיה דורש בדרך כלל איסוף מידע ולימוד נושאים ומושגים חדשים. התלמיד צריך לזהות את הידע הדרוש לו ובהתאם להשתמש במקורות ידע נוספים כדי לרכוש ידע זה.

 

פתוח קורס בגישה זו מבוסס על בחירת בעיות שסביבן יעוגנו כל הנושאים שנלמדים. קיימות מספר גישות לפתוח קורס בגישה זו, החל מהגישה בה לכל אורך הקורס הלמידה של תלמידים היא למידה עצמית בקבוצות המתמודדות עם הבעיות שמוצגות להם. התלמידים משתמשים בחומרי עזר ו- tutorials  במהלך הפתרון. במסגרת כזו, תפקיד המורה הוא הוא להנחות ולסייע בעבודה של התלמידים. מסגרת אחרת משלבת  התמודדות עם בעיות והרצאות. במסגרת זו כאשר התלמידים ניצבים מול בעיה, הם מגדירים את הידע הדרוש להם כדי לפתור את הבעיה וידע זה ניתן בהרצאות וחומרי עזר (המספקים ידע בתחום תוכן, דוגמאות של פתרון בעיות, tutorial). במקרה כזה תפקיד המורה הוא לא רק להנחות אלא גם לספק ידע.

 

פיתוח קורס בגישה זו  מכיל את השלבים הבאים:

א. זיהוי תוצרי הלמידה בהתייחס למטרות הלמידה: תכנים וידע בתחומי הדעת הנלמדים, כישורים ומיומנויות לפתרון בעיה (כמו איסוף מידע, ניתוח, סינתזה וכדומה),  כישורים ומיומנויות חשיבה גבוהות, כישורים חברתיים (כמו כישורי תקשורת, תפקוד בקבוצה וכדומה).

ב. הגדרת שיטת ההערכה של התלמיד מתייחס להגדרת התוצרים שיבדקו (בשלושת התחומים: ידע, מיומנויות פתרון בעיות ומיומנויות חשיבה גבוהות), הגדרת כלי ההערכה והקריטריונים והציונים לכל קריטריון. בנספח מצורפת דוגמה לכלי הערכה.

ג. תכנון הבעיות:

תכנון בעיה מתאימה הוא קריטי והיא צריכה לכלול את המאפיינים הבאים:

* עיסוק בעיה מהעולם האמיתי

* בעיה פתוחה  שפתרונה אינו חד משמעי אלא מאפשר להתייחס למגוון של אפשרויות

* דורשת למידה עצמית

* דורשת עבודת צוות

* התמודדות עם הבעיה מאפשרת להשיג יעדים לימודיים ולפתח כישורים  של פתרון בעיות

* הבעיה מבוססת על ידע והתנסות קודמים אך פתרונה דורש למידה עצמית של חומר חדש

 

השלבים בתכנון בעיה:

* הגדרת המטרות הלימודיות הספציפיות שיושגו באמצעות הבעיה (ידע בתחום הדעת, מיומנויות פתרון בעיות ומיומנויות חשיבה מסדר גבוה).

* ניסוח הבעיה, כולל פירוט הקשיים צפויים.

* בדיקת הבעיה -  האם הבעיה מאפשרת את השגת המטרות הלימודיות הספציפיות – התאמת הבעיה לפי הצורך.

* הוספת מקורות מידע אפשריים.

* הכנת חומרי עזר מתאימים.

ד. תכנון  מערך ההוראה (מערך השיעורים המוקצה לפתרון הבעיה). במערך שיעורים זה יש לתכנן את המפגשים כך שיאפשרו לתלמידים העוסקים בפתרון הבעיה, הזדמנות לעבוד ביחידים ובקבוצות, יש להקצות זמן לדיונים עם המורה במליאה (כיתה), ולאפשרות להעריך תוצרי ביניים. כמו כן יש  לספק כלים לאיסוף מידע ועיבודו

ה. יישום – מתחיל מהצגת הבעיה בפני התלמידים וקביעת את "כללי המשחק". בשיעור זה יש לתאר את:

* המטרה והתוצרים הדרושים

* שיטת עבודה וחלוקה לקבוצות

* שיטות הערכה

* לוח זמנים

* הגדרת תפקיד התלמיד ותפקיד המורה.

 

ניתן לתאר את תהליך העבודה של התלמידים בעזרת האיור הבא:

 

איור מס. 1 תהליך עבודה של תלמיד וקבוצה

 

ו. לסיום, לאחר שהתלמידים סיימו לעבוד על הבעיה, יש לבצע הערכה של הבעיה ולבדוק האם היא השיגה את המטרות שנקבעו לה ואם לא כיצד ניתן לשפרה.

 

2.3 מחקרים במדעי המחשב על למידה מבוססת בעיות

לשימוש בגישה זו במדעי המחשב יש יתרונות רבים משום שמדעי המחשב במהותו כרוך בפתרון בעיות אלגוריתמיות. בנוסף, במדעי המחשב לימוד עצמי של נושאים חדשים הוא מיומנות בסיסית (בגלל השינויים וההתפתחויות המהירות במקצוע) ולכן גישה זו מאפשרת לפתח יכולת "ללמוד כיצד ללמוד". כמו כן  עבודה במקצוע דורשת יכולת לעבודה בקבוצות, וגישה זו מספקת את ההזדמנות לכך. 

מחקרים רבים נערכו על השימוש בגישה זו במדעי המחשב. למשל, (2000Kay, J., st.al., ( ערכו מחקר שהתבצע במשך מספר שנים. הם מפרטים את הקשיים העיקריים שהיו בהוראת המקצוע מבוא למדעי המחשב באוניברסיטת סידני (אוסטרליה) בגישה הקונבנציונלית:

* קשיים בהתמודדות של תלמידים עם פתרון בעיות, שנבעו מכך שתלמידים לא רכשו את המיומנויות לפתרון בעיות. למרות שבתחום מדעי המחשב שרוב עיסוקו בפתרון בעיות, הוכח כי הידע הטוב ביותר נרכש תוך כדי התנסות והתמודדות עם בעיות.

* קשיים באימוץ הפרקטיקה של איש מדעי המחשב. לדוגמה, קשה היה לשכנע תלמידים לתעד, בעיקר משום שתכניות בקורס מבוא היו קצרות.

* קשיים פדגוגיים שנבעו מכך שהידע של הסטודנטים שהגיעו לקורס היה הטרוגני וסטודנטים בעלי רקע וידע קודם שונה במדעי המחשב נאלצו ללמוד ביחד.

* בשיטה הקונבנציונלית לא היתה התייחסות לעבודה בקבוצות.

* קושי אחר נבע ממערך ההוראה הקונבנציונלי בו יש חלוקה לשיעורים פרונטליים ושיעורים מעשיים, כתוצאה מכך לא היו לתלמידים מספיק הזדמנויות לעסוק בפתרון בעיות אמיתיות, אלא רק בבעיות קטנות ומלאכותיות שניתן לפתור אותן בשיעור אחד.

 

כאשר החוקרים החליטו לעבור מהוראה של שפה פרודצרולית (פסקל) לשפה מונחית עצמים (OOP) הם החליטו גם לשנות גם את גישת ההוראה בהתאם. לטענת החוקרים, שבדקו גישות הוראה שונות, גישת ה- PBL מתאימה ביותר להוראת מבוא למדעי המחשב, משום שהיא מספקת הזדמנות לתלמידים לעסוק בפתרון בעיות אמיתיות ולרכוש תוך כדי התמודדות עם הבעיות, מיומנויות של פתרון בעיות וידע מושגי ב- OOP. בהתאם, פיתחו החוקרים קורס מבוא בתכנות מונחה עצמים. הם פיתחו קוריקולום, בעיות, חומרי הוראה ולמידה מתואמים לגישה זו. בהמשך נתאר את ההמלצות והדוגמאות המתוארות במאמר ליישום הגישה בקורס תכנות מונחה עצמים. אך תחילה נתאר בקצרה את תוצאות המחקר שערכו כדי להעריך את מידת התאמתה לתלמידיהם. לאחר שלוש שנים של מחקר ושיפור הקורס וחומרי למידה, מדווחים החוקרים כי ממוצע הציונים של התלמידים עלה ל- 91 לעומת 63 (שלוש שנים לפני כן) בשאלות תכנות בסיסיות. בנוסף, לטענתם תלמידים שיפרו את היכולת שלהם בהבנת בעיות מורכבות יותר, כמו סיבוכיות, שקודם לכן נחשבו נושאים קשים מאוד ללמידה. שיפור נוסף חל בגישתם של התלמידים, במידת העניין בקורס ובהרגשה כי הם שיפרו את ידיעותיהם במהלך הקורס.

 

המלצות לתכנון קורס מבוא לתכנות בתכנות מונחה עצמים OOP

א. מטרות הקשורות בידע, התלמיד יוכל:

* להגדיר מישק של מחלקה פשוטה וליישמו וידע להשתמש ביעילות בספרית מחלקות נתונה.

* להשתמש באסטרטגיות קידוד ובדיקה וביתר פירוט להשתמש בסגנון מתאים לכתיבה של תנאים מקדימים ותנאי סיום (pre and post), הרצה ובחינה של מחלקות.

* להסביר ולהצדיק תכנון במונחים של שיטתיות, כלכליות ויכולת בחירה של אסטרטגיה מתאימה לבדיקה של המחלקה.

* לקרוא ולהעריך יישום של קוד במונחים של מודולוריות, קוד עצמאי, מימשק מחלקה וקשרים בין מחלקות.

 

שימוש בכישורים מטה קוגנטיביים:

* ידע בתכנון, או ביתר פירוט, יכולת ניסוח פורמלי של הבעיות שיש לפתור, קביעה של דברים שצריך ללמוד ודברים שיודעים כבר, הגדרה של אסטרטגיות ללמידת הדברים החדשים ויכולת בקרה והערכה של תהליך ההתקדמות בפתרון.

* הערכה עצמית הכוללת פיתוח אסטרטגיות המאפשרות בחינה של מושגי תכנות חדשים ושימוש בכלים שונים להערכה עצמית.

.* שימוש במדריכים ובחומר מודפס כדי למצוא מידע דרוש על תוכנות.

* הדגמה של יכולת לכתוב דוח על תכנון מחלקה ובחינתה, כולל מטרות של כל בדיקה והסיבה לבחירה בה.

* יכולת להציג בעל פה בצורה מסודרת דווח על הפיתוח והיישום של המערכת שבנה.

* יכולת לעבוד בשיתוף פעולה, שימוש בכלים כמו תכנות-על-ידי-חוזה (programming by contract) ויכולת תקשורת עם שאר חברי הקבוצה כדי להבטיח שהם יודעים מה כל אחד צפוי לתרום למאמץ הכללי של הקבוצה ולהעריך את תרומת הזולת.

 

ב. מבנה הקורס:

הסמסטר חולק לשלושה חלקים:

בעיה ראשונה )4 שבועות( -  בחלק זה (startup) התלמידים מתוודעים לגישה של למידה מבוססת פרויקטים והאחריות שמוטלת עליהם. כמו כן מודגם בפניהם תהליך פתרון בעיה וידע בסיסי במדעי מחשב הדרוש לפתרונה. כמו כן, מוצג בכל שבוע נושא אחר הקשור לתהליך פתרון בעיות ומיומנויות הדרושות להם, כולל התייחסות למיומנויות עבודה בקבוצה. התלמידים מתנסים בביצוע מטלות שונות בהתאם לחומרים שפותחו על יד צוות ההוראה. הפעילות מסתיימת ברפלקציה על הבעיה ושיטות לפתרונה. ההערכה בשלב זה אינדיודאלית למרות שהם עובדים בקבוצה.

בעיה שנייה (6 שבועות) בחלק זה (החלק המרכזי של הקורס) התלמידים בחרו בעיה אחת מתוך מגוון בעיות שניתנו להם. כדי לשפר את העבודה בקבוצה, המרצים עודדו  יצירת קבוצות שבהן יש רקע שונה לחברי הקבוצה. המורים סיפקו  שלבי ביצוע ולוח זמנים לביצוע של כל שלב. כמו כן, בנוסף לעבודה הקבוצתית, ניתנו הרצאות משלימות בתכנות מונחה עצמים ובהנדסת תכנה, וכל תלמיד נדרש להגיש חלק מהעבודה הקבוצתית וביחד עם עבודה מסכמת של הקבוצה. ההערכה בשלב זה כוללת הערכה של ביצועי הפרט וביצועי הקבוצה. בנוסף לבעיה המרכזית, כל תלמיד צריך לבצע גם תרגילים נוספים (קצרים יותר) הקשורים לנושאים שונים.

סיכום והגשת דוחות והדגמות של פתרון בעיה 2 (שבועיים). בחלק זה של הקורס התלמידים מכינים דוח"ות ומצגות ומדגימים את הבעיות והפתרונות שלהם. חלק זה כולל גם הערכת עמיתים. הדו"ח שהם מגישים כולל לא רק את התוצר הסופי אלא את שלבי התכנון והעבודה.

 

ג. מקורות למידה

כדי לתמוך בתהליך הלמידה, פותח מגוון של חומרים. הצגת דוגמאות לפתרון בעיות מאותו סוג תופס מקום מרכזי בחומרים האלה. הצגת הדוגמאות עוזרת לתלמידים לראות את מגוון האפשרויות של הבעיות, להבין טוב יותר את הנושאים ואיך ניתן להתמודד איתם. כך לדוגמה, בסמסטר הראשון הבעיה היא בניית סימולציה ולכן סופקה דוגמה לסימולציה של מערכת אקולוגית ודוגמה אחרת לסימולציה של מעליות.

חומרי עזר נוספים הם דפים להערכה עצמית ודוגמאות לשימוש בהם. בנוסף, נכתבו ספרי לימוד וחומרים על לימוד שפת התכנות.

 

ד. הכשרת צוות ההוראה

 דגש רב הושם על הכשרה של צוות ההוראה, כולל סמינרים ופגישות שבועיות, חומרי קריאה וכדומה.

 

ה. הערכה

דגש רב הושם על שיטת להערכה מתאימה הכוללת:

* קריטריונים המעריכים את הידע בתכנות מונחה עצמים.

* קריטריונים המעריכים את הכישורים בפתרון בעיות.  

* מתן משקל  שווה לציונים של מבחנים ועבודה מעשית.

* בהערכה של עבודה עצמית ניתן ציון שווה לפרט ולקבוצה.

* מתן הערכה לא רק לתוצר אלא גם לתהליך הפתרון.

 

דוגמה לבעיה שתוארה בקורס:

המנהל שלך רוצה להציע לבנקים איך לפעול יותר טוב. חלק מחזון זה דורש שאתה והצוות שלך תבנו סימולציה ממוחשבת לבנק. הכוונה היא שהמנהל יוכל לבחון בעזרת הסימולציה את התנהגותו של הבנק בדרך הקיימת וכן יוכל לבחון פעילות בדרך נוספת כדי להשוות ביניהן.

לדוגמה, אתה יכול לדמות בנק שגובה עמלה על כל פעולה ואז לאמוד את העלויות של לקוחות ולהשוות זאת למדיניות אחרת של גבית עמלות (למשל פעולות ללא עמלה ופעולות עם עמלה). כדי לאפשר למנהלי הבנק לקבל החלטה לגבי השיטה היעילה לגביית עמלות, יש לבנות סימולציה שתציג  ניתוח סטטסיטי של שתי שיטות לחישוב עמלות והשפעתן על חשבונות של הלקוחות. 

מנהל הבנק הגדיר מספר משימות:

* שינוי חשבונות כך שהם יחויבו בתשלום עמלה

* להבטיח שגביית עמלה תתבצע רק במידה ויש כיסוי בחשבון

* להתאים חשבונות כך שאלו שיש בהם הרבה כסף לא יחויבו בעמלת עסקה

* להבטיח שלקוחות יקבלו ריבית בחשבונות שלהם: על בסיס יומי, חודשי או שנתי – על פי מה שתחליט

* להבטיח שאחוז הריבית מצוין בחשבון (יומי/חודשי/שנתי) בהתאם למה שהחלטת

* להוסיף מחלקה של פקיד-בנק (בהמשך יעבור כממשק לפקיד), שיקדם כל משתמש בברכה, ישאל לסוג הפעולה המבוקשת (הפקדה/משיכה), יבצע את הפעולה, וידווח ללקוח בסיום

* להוסיף מחלקת לקוח המכילה פרטים על הדברים הרגילים שבנק צריך לדעת על לקוח

* לשדרג את פקיד-הבנק כך שישאל לשם הלקוח ואז יפעל על החשבונות שלו

* לשדרג את פקיד-הבנק כך שבפעולת משיכה, יעדכן את פרטי השטרות שנתן

* להבטיח שלבנק יוכלו להיות הרבה לקוחות

* להבטיח שללקוח יכולים הרבה חשבונות

* להבטיח שלקוח יכול להעביר כסף בין החשבונות השונים שלו

* להוציא דוחות חודשיים ללקוח

 

הנחיות ביצוע: המורה מיצג את תפקיד מנהל הבנק שלך. יש לעבוד בקבוצות של 3-4 אנשים, כאשר כל תלמיד בקבוצה אחראי על חלק אחד של הסימולציה. משך הביצוע:  6 שבועות. כדי לעזור לך להתחיל, המנהל כבר שילם למתכנת בכיר שכתב מספר מחלקות (class) של בנק בהן תוכל להשתמש. המחלקות הן: חשבון לקוח ופעולה. הבעיה שניתנה לתלמידים כללה מיפרט מדויק של מה שתלמיד צריך להגיש, לוח זמנים ותיאור של שיטת ההערכה.

 

2.4 דוגמה ליישום גישה ללמידה מבוססת בעיות בקורס יסודות 1 במדעי המחשב

בעיות מחיי יום-יום במדעי המחשב יכולות להתבסס על פיתוח יישומים בתחומים רבים. תכנון של יישום מתחיל בניתוח והגדרת הצרכים. בניגוד לבעיות הסגורות המתוארות בספרי הלימוד, הגדרת הבעיה מתבצעת על ידי התלמיד לאחר שחקר את הנושא. בבעיות אלו יש התייחסות למשתמש כמגדיר צרכים ובעיות (המורה מגלם את תפקיד המשתמש). כדי לפתח יישום, תלמיד צריך  לרכוש ידע ב- 4 ממדים המתוארים בטבלה הבאה.

 

טבלה מס. 2: סוגי ידע בפתרון בעיות במדעי המחשב

ידע במדעי המחשב

קשור לתוכן או יחידת הלימוד ומגדיר את הנושאים והמושגים שיש  ללמד

מקורות:

חומרי עזר,

תרגילים ופתרונות

ידע שקשור לתחום הבעיה

איזה מידע דרוש כדי לפתור את הבעיה

מקורות:

נתונים לדוגמה

מערכות דומות

 

הנדסת תכנה (על קצה המזלג) :

איך כותבים תכנית, שלבי פתרון בעיה ותכנון תכנית, ניתוח והגדרת דרישות

עיצוב: תת משימות, אלגוריתמים, מבני נתונים, קלטים/פלטים (תכנון מסכי קלט/פלט, מסננות קלט)

מימוש בשפת תכנות, בחינה ובדיקה

מסמכים שיש להפיק בכל שלב

קריטריונים להעריך את התכנה (יציבה, קלה לתחזוקה)

מקורות: חומרי עזר tutorial

כישורים כלליים לפתרון בעיות (מתוך "חלופות בהערכת הישגים" של מנוחה  בירנבוים)

* חשיבה לוגית, כושר המצאה או יצירתיות, הבעה בכתב ובעל פה, הגדרת נושא, שאילת שאלות, שימוש יעיל במידע, עיבוד המידע, מיזוגו ואירגונו,ניסוח השערות למחקר, התבוננות/תצפית, שימוש נכון במכשירים, ניתוח נתונים, הצגת נתונים מקושרים, הסקת מסקנות, שיפוט/הערכה...   

* חשיבה ביקורתית, תכנון מהלך הפעולה, בחירת אסטרטגיה מתאימה, הערכת יעילות האסטרטגיה, הפעלת אסטרטגית תיקון, הערכה עצמית…

* כשירויות חברתיות, ניהול משאבים ואיכויות אישיות:  תקשורת עם הסביבה, שיחה ודיון, שכנוע עבודת צוות, שיתוף פעולה, כיבוד הזולת. ניהול לוח זמנים, ניהול הצוות, ניהול המשאבים. מוטיבציה, סקרנות, עמידה במצבי תיסכול, נטילת אחריות, עצמאות, גמישות במצבים משתנים.

 

 

תכנון בעיה – פיתוח לומדה בחשבון לילדי גן

הבעיה שתתואר בהמשך מתאימה לקורס יסודות 1, כבעיה ראשונה שסביבה מוצגים הנושאים המתוארים בטבלה הבאה.

 

טבלה מס. 3: סוגי ידע הדרושים לתכנון לומדה לילדי גן

ידע במדעי המחשב (יסודות 1)

נושאים ותכנים: משתנים, טיפוסי משתנים, הוראות קלט/פלט,הוראות השמה, חישובים אריתמטיים ובוליאניים, פונקציות ספריה, הוראות בקרה, שגרות – פונקציות ופרוצדורות

 

ידע שקשור לתחום הבעיה

* רקע  בסיסי בחשבון

* המושג לומדה:  מה זו לומדה, מה היא כוללת, סוגים של לומדות וכדומה. מקורות לדוגמה המכילים לומדות אותן יוכל התלמיד לחקור:

http://mail.edu-negev.gov.il/nitzan/nitzan_marpad/index.asp

חיפוש במאגר בנושא מתמטיקה לגן וכיתה א, יניב אוסף של רעיונות ללומדות.

הנדסת תכנה – ראו טבלה מס. 2

כישורים כלליים לפתרון בעיות – ראו טבלה מס. 2

 

תיאור הבעיה:

בגן  הילדים "עופרים" לומדים הילדים פעולות חשבון בסיסיות (חיבור,חיסור, כפל וחילוק) על מספרים עד 100. הגננת רוחמה מכינה בכל שנה אוסף של דפים לתרגול אותם היא מחלקת לילדי הגן. לאחר שהם פותרים את התרגילים, היא בודקת אותם וכך היא מקבלת מושג מה כל ילד יודע. לאחר שנים רבות של עבודה בצורה זו, החליטה הגננת שהיא רוצה לשלב מחשב בהנחה שזה יקל על עבודתה ויסייע לתלמיד. היא ביקשה מחברת תכנה להכין לה לומדה, שתאפשר מגוון של הפעלות בחשבון. ההפעלות צריכות להיות מגוונות ולאפשר תרגול חוזר ונשנה עם נתונים חדשים. התכנה תאפשר לבחור את סוג הפעולה (חיבור/חיסור/...) ואת סוג ההפעלה ובהתאם תספק לילד אוסף של תרגילים. בסיום כל תרגיל, התכנה תבדוק את התשובה ותפיק משוב לילד. בנוסף, כשילד מסיים את עבודתו, התכנה תפיק משוב מסכם על כל התרגילים שביצע.

מנהל בית התכנה פנה אליכם וביקש להכין תכנה מתאימה. העבודה על התכנה תתבצע בקבוצות של 4 תלמידים. כל קבוצה תכין מערכת תכנה הכוללת 4 הפעלות מסוגים שונים. כל חבר בקבוצה חייב להכין הפעלה אחת. כל ההפעלות תאוחדנה למערכת אחת שתספק ממשק קלט/פלט להפעלה של הלומדה כולה.

 

הנחיות ושלבי ביצוע לתלמיד:

הנחיות כלליות:

1. העבודה היא בקבוצות של 4 תלמידים.

2. משך הביצוע 10 שבועות.

3. תהליך הביצוע:

א. ניתוח ואיפיון ראשוני:

* בחנו את סוגי הלומדות ופעילויות לתלמידי גן בהתאם למקורות המידע הנתונים

* אפיינו את צרכי המשתמש

* תארו את סוגי ההפעלות שהלומדה תאפשר לתרגל

* הגדירו את דרישות הלומדה שלכם ואת תפקיד חברי הצוות

* הכינו מסמך מפרט דרישות (אפיון ראשוני)

ב. תכנון ועיצוב לומדה

* תכננו תכנון ראשוני של המודולים העיקריים, תפקידים ופעולות

* תכננו תכנון מפורט (תת משימות, מבני נתונים, אלגוריתם) של כל מודול, התייחסו לנושאים הבאים:

* קלט/פלט (מסך פתיחה, מסך תפריט)

* התרגול

* סיכום ודוחות

ג. מימוש:

* כתבו את הקוד המתאים לתכנון של כל מודול הקפידו על תיעוד מתאים

* בדקו שכל מודול עובד בצורה נכונה

* אחדו את כל המודולים ובדקו שכל הלומדה עובדת בצורה נכונה

ד. הכנת דוח מסכם:

* הכינו תיק תיעוד הכולל את איפיון המערכת, תכנון ראשוני ותכנון מפורט, קוד מקור והוראות הפעלה.

* הכינו הצגה של הלומדה הכוללת מצגת על הלומדה.

4. בדקו לומדה של קבוצה אחרת ומלאו דף הערכה מתאים.

 

מערך השיעורים למורה:

הטבלה הבאה מסכמת את שיטת ארגון מערך השיעורים סביב הבעיה. (המיספור אינו מציין שיעור ביחידות זמן אלא את סדר הפעילויות. בזמן זה יש להקצות זמן לעבודה עצמית של תלמידים).

 

טבלה מס.  4 מערך הוראה לבעיה של פיתוח לומדה לילדי גן

 

הצגת המשימה והנחיות כלליות

נושאים ביסודות 1

נושאים בהנדסת תכנה

משימות לתלמיד

1

לומדה מהי, סוגים של לומדות

דרישות מלומדה

מרכיבים של לומדה

* מה זה מדעי מחשב,

* מהי בעיה אלגוריתמית ותכנית כפתרון לבעיה

* המושג אפליקציות

* היבט של משתמש והיבט של מתכנת

איך כותבים תכנית, שלבי פתרון בעיה ותכנון תכנית,

ניתוח והגדרת דרישות

עיצוב

קריטריונים להעריך את התכנה (יציבה, קלה לתחזוקה,...)

 

ניתוח ואיפיון ראשוני

תכנון ראשוני

 

 

2

עיצוב ותכנון מסך פתיחה: תיאור הלומדה והסבר

הוראות פלט

עיצוב מסך פלט

תכנון מפורט של ממשק קלט/פלט

מימוש מסך פתיחה

3

עיצוב ותכנון מסך בחירה - הגדרת תת משימות:

   קלט שם משתמש

   הצגת תפריט

   קלט בחירה

הוראות קלט/פלט

משתנים

ביצוע  מותנה

ביצוע חוזר – מסננת קלט

תכנון מסך תפריט

מסננות קלט

יישום ובדיקה של תכנית

תכנון מפורט של ממשק קלט/פלט

מימוש מסך בחירה

4

עיצוב ותכנון מודול התרגול – הגדרת תת משימות:

* הצגת בעיה,

* קלט תשובה – מסננת קלט

* בדיקת תשובה ומשוב

* אופציות המשך (סט של 10 תרגילים/יציאה באמצע)

הוראות קלט/פלט

משתנים, טיפוסים,

הוראות השמה, פונקציות ספריה

ביצוע  מותנה

ביצוע חוזר – מסננת קלט (לולאת while)

ביצוע חוזר – לולאות For

 

הגדרת: תת משימות, אלגוריתמים, מבני נתונים, קלטים/פלטים (תכנון מסכי קלט/פלט, מסננות קלט)

יישום ובדיקה של תכנית

תכנון מפורט של התרגול

מימוש מודול התרגול

 

 

5

מודול הצגת דוח – הגדרת תת משימות: דוח מסכם על ביצועי תלמיד בתרגולים השונים

הוראות קלט/פלט

סטטיסטיקות - חישובים מסכמים

יישום ובדיקה של תכנית

 

 

תכנון מפורט של מודול סיכום ודוחות

מימוש המודול סיכום ודוחות

6

אינטגרציה - שילוב כל המודולים

בחינה ובדיקה של תוכנות

הכנת דוח והצגת הלומדה

 

אינטגרציה

בחינה ובדיקה

הכנת מסמך מתעד לתכנה

הכנת מצגת לתיאור הלומדה

אינטגרציה ובדיקת הלומדה

הכנת תיק תיעוד ומצגת

7

סיכום

 

 

 

 

טופס הערכה

הערכה של למידה בגישה זו מתייחסת הן להערכה של התוצר הסופי, כלומר התכנית שיצרו התלמידים, והן לתהליך העבודה.כמו כן, יש להתייחס בהערכה לסוגי ידע שונים המתוארים בטבלה מס. 2. כדי להתאים שיטת הערכה לגישת למידה זו נשתמש בהערכה חלופית ונחבר מחוון אנליטי מתאים. מחוון אנליטי הוא אוסף של הנחיות לאופן הערכה ומתן הניקוד. מחוון כזה מכיל:

* מימדים Dimensions)): קריטריונים של ידע או כישורים. לדוגמה, הערכת כישורים של עבודת צוות במטלת ביצוע יכולה לכלול את המימדים הבאים: הסתגלות (הכרה בבעיות ותגובות מתאימות), תיאום (ארגון פעילויות קבוצתיות על מנת לסיים את המשימה במועד), קבלת החלטות (שימוש במידע נתון לקבלת החלטות), קשר בינאישי (אינטראקציה של שיתוף פעולה), מנהיגות (מתן הכוונה לקבוצה), תקשורת (החלפת מידע בצורה בהירה ומדויקת בין חברי הקבוצה).

* נקודת ציון: לכל קריטריון יפורט תיאור של רמה מסוימת בביצועי התלמיד, המצופה מן התלמידים ברמת גיל, כיתה או התפתחות מסוימת. נקודות ציון מיוצגות בדרך כלל על ידי דגימות של עבודות תלמידים.

* סולם דירוג: ערכים מדורגים הניתנים לביצועי התלמיד במימדים שונים.

 

טבלה מס. 5 דוגמה למחוון אנליטי:

ממדים

3 נקודות

2 נקודות

1 נקודות

0 נקודות

ידע במדעי המחשב

שימוש נכון ויעיל במבני תכנות כמפורט בטבלה מס. 3.

שימוש סביר אך לא תמיד יעיל במבני תכנות. לדוגמה – שימוש בהוראות if ללא קינון, כאשר ניתן לבצע קינון.

שימוש במבני תכנות לא מתאימים לביצוע פעולות

נמנע מלהשתמש בבמני בקרה ושגרות

לא יבצע

הערכת התוצר – התוכנית

עומד בדרישות ומתאים לאיפיון המשימה

עומד ברוב הדרישות ומתאים ברוב המקרים לאיפיון המשימה

לא עומד בדרישות במרבית המקרים ואינו מתאים לאיפיון המשימה

לא עומד בדרישות כלל

תהליך פתרון

תיאור מדויק של תהליך פיתוח מתייחס לניתוח ותכנון מתאימים

תיאור חלקי של תהליך הפיתוח המתאים לתוצר

תהליך הפיתוח המתואר ברובו אינו מתאים למוצר

לא התייחס כלל לתהליך הפיתוח

כישורי פתרון בעיות

שימוש בידע חדש שהתלמיד רכש באופן עצמאי. תהליך קבלת החלטות בפיתוח משקף שיקולים מתאימים במדעי המחשב

שימוש בידע חדש שהתלמיד רכש אך לא באופן עצמאי

אין שימוש בידע חדש מעבר למה שנלמד בכיתה

השתמש בידע ברמה נמוכה מאוד, לא מתאים לרמה נדרשת בקורס

עבודה בקבוצה

הקבוצה השלימה את בניית הלומדה  בהצלחה

התוצר של הקבוצה עובד ברובו

תוצר הקבוצה לא פועל

תוצר הקבוצה אינה גמור

 

לסיכום: לפיתוח של קורס במדעי המחשב (או חלק מקורס) בגישה זו יש יתרונות רבים. יחד עם זאת, הכנת סביבת למידה וחומרי עזר דורשת משאבים וזמן רב (לפחות בגרסאות הראשונות של חומרי העזר). כמו כן יש לקחת בחשבון שהוראת נושאים לעיתים תארך זמן רב יותר מאשר בגישה המסורתית משום שיש לספק ידע נוסף כמו בתהליך פיתוח תכנה וכן המשימות הן גדולות יותר.

 

חזרה לעמוד הראשי